Kust sa vesinikku saad? Vesiniku tootmine vee elektrolüüsi teel

Ühe liinina tekkis vesinikuenergia teaduse ja tehnoloogia arengut eelmise sajandi 70. aastatel. Kuna vesiniku tootmist, transportimist, ladustamist ja kasutamist käsitlevad uuringud on laienenud, on vesinikutehnoloogiate keskkonnakasu erinevates rakendustes muutunud üha selgemaks. Rahvamajandus. Mõnede vesinikutehnoloogiate arendamise tõhusus ( kütuseelemendid, metallhüdriidsüsteemid, vesiniku transpordisüsteemid jne) on näidanud, et vesiniku kasutamine annab täiesti uued kvalitatiivsed näitajad sõlmede ja süsteemide toimimises.

Läbiviidud teostatavustestid on näidanud, et vaatamata sellele, et element vesinik on sekundaarne energiakandja ehk kallim kui looduslikud kütused, on selle kasutamine mõnel majanduslikul juhul juba täna soovitatav. Seetõttu kaalutakse töötamist vesinikuenergiatööstuses enamikus riikides, eriti arenenud tööstusega riikides prioriteetsed valdkonnad tehnoloogia ja teaduse areng. Neid toetab üha enam riigi ja erakapitali raha.

Vesiniku omadused

Kell normaalsetes tingimustes Vabas olekus on vesinik värvitu ja lõhnatu gaas. Vesiniku tihedus õhu suhtes on 1/14. Tavaliselt leidub seda koos teiste elementidega, näiteks süsinikuga metaanis, hapnikuga vees, erinevates orgaanilised ühendid. Kuna vesinik on keemiliselt äärmiselt reaktiivne, leidub seda harva sidumata kujul.

Vedelasse olekusse jahutatud vesinik võtab 1/700 gaasilise oleku mahust. Hapnikuga kombineerituna on vesinikul suurim energiasisaldus massiühiku kohta: 120,7 GJ/t. See on üks paljudest põhjustest, miks vedelat vesinikku kasutatakse a raketikütus ja toimib energiana kaasaegsele kosmoselaevad, mille puhul vesiniku erienergiasisaldus on kõrge ja madal molekulmass Sellel on suur tähtsus. Puhtas hapnikus on põlemisel ainsad tooted vesi ja kõrge temperatuuriga kuumus. Seega ei eraldu vesiniku kasutamise korral kahjulikke kasvuhoonegaase ega rikuta looduslikku veeringet.

Vesiniku tootmine

Vees sisalduvad vesinikuvarud ja orgaaniline aine, on peaaegu ammendamatud. Nende sidemete purustamine võimaldab toota vesinikku, misjärel kasutatakse vesinikku kütusena. Vee lahutamiseks selle koostisosadeks on välja töötatud palju protsesse.

Kui vett kuumutatakse üle 2500°C, hakkab see lagunema hapnikuks ja vesinikuks (otsene termolüüs). Nii kõrged temperatuurid saadakse näiteks päikeseenergia kontsentraatorite abil. Siin on probleemiks hapniku ja vesiniku rekombinatsiooni vältimine.

Tänapäeval saadakse maailmas suurem osa tööstuslikus mastaabis toodetud vesinikust auru metaani reformimise (SMR) käigus. Seega vesiniku tootmine võimaldab kasutada seda reagendina õlipuhastusprotsessis ning lämmastikväetiste komponendina ja raketitehnoloogias. Soojusenergia ja aur temperatuuril 750-800°C on vajalikud vesiniku vabanemiseks süsiniku baasil metaanis, mis toimub keemiliste reformijate katalüütilistel pindadel. PCM-i protsessi esimene etapp eraldab veeauru ja metaani süsinikmonooksiidiks ja vesinikuks. Teises etapis muudab "nihkereaktsioon" süsinikmonooksiidi ja vee vesinikuks ja süsinikdioksiidiks. See reaktsioon toimub temperatuuril 200-250 °C.

NSV Liidus 30. aastatel tööstuslikus mastaabis Sünteesgaas saadi kivisöe auru-õhugaasistamisel. Täna luuakse Tšernogolovkas asuvas Venemaa Teaduste Akadeemia Keemilise Füüsika Instituudis tehnoloogiat söe gaasistamiseks superadiabaatilises režiimis. See tehnoloogia võimaldab söe soojusenergia muundada soojusenergia sünteesgaas efektiivsusega 98%.

Alates eelmise sajandi 70. aastatest on meie riigis energiatehnoloogiliste tuumaelektrijaamade (AETS) heeliumi kõrgtemperatuursete reaktorite (HTGR) projektid mustmetallurgia ja keemiatööstus: ABTU-50 ja seejärel - 1060 MW võimsusega VG-400 reaktoriga tuumaelektrijaama projekt vesiniku ja seda sisaldavate segude tootmiseks keemilis-tuumakompleksi jaoks, metanooli ja metanooli tootmiseks. ammoniaak, veel mitu sellesuunalist projekti.

Kõigi HTGR-projektide aluseks oli vesinikupõhiste rakettide tuumamootorite väljatöötamine. Meie riigis selleks otstarbeks toodetud katsekõrgtemperatuurilised reaktorid ja rakettide tuumademonstratsioonimootorid on näidanud jõudlust, kui vesinikku kuumutatakse maksimaalne temperatuur 3000K.

Heeliumi jahutusvedelikul põhinevad kõrgtemperatuurilised reaktorid – uusim tüüp universaalsed keskkonnasõbralikud tuumaenergiaallikad, mille ainulaadseteks omadusteks on võime vastu võtta soojust temperatuuril üle 1000°C ja kõrgeim tase ohutus - määrake nende uskumatud kasutamise võimalused gaasiturbiini tsüklis tootmiseks elektrienergia kõrge kasuteguriga ning kõrge temperatuuriga soojuse ja elektri tootmiseks vesiniku tootmise tootmisprotsessides, nafta rafineerimise, keemia-, metallurgia- ja muudes tööstusharudes tehnoloogilistes protsessides, vee magestamise protsessides.

Moodsaim selles vallas on rahvusvaheline GT-MGR projekt, mida arendatakse kodumaiste instituutide ja USA-st pärit GA ettevõtte ühisel jõul. Projektiga teevad koostööd ka ettevõtted Fuji Electric ja Fraatom.

Kviitung aatomi vesinik

Aatomi vesiniku allikad on ained, mis eraldavad kiiritamisel vesinikuaatomeid. Ultraviolettkiirguse, näiteks vesinikjodiidi, ajal hakkab toimuma reaktsioon aatomi vesiniku vabanemisega.

Aatomi vesiniku vabastamiseks kasutatakse molekulaarse vesiniku termilist dissotsiatsiooni pallaadiumi, plaatina või volframtraadil, mida kuumutatakse vesiniku atmosfääris rõhul alla 1,33 Pa. Vesiniku eraldamist aatomiteks saab saavutada ka kasutades radioaktiivsed ained. On olemas meetod aatomi vesiniku sünteesimiseks kõrgsageduslikul elektrilahendusel koos molekulaarse vesiniku edasise külmutamisega.

Seda sisaldavatest segudest vesiniku tootmise meetodite füüsikalised võimalused

Vesinik sisse märkimisväärseid summasid leidub paljudes gaasisegudes, näiteks koksiahju gaasis, mis vabaneb butadieeni pürolüüsi käigus divinüüli tootmisel.

Vesiniku eraldamiseks vesinikku sisaldavatest gaaside segudest kasutage füüsilised meetodid vesiniku kontsentratsioon ja vabanemine.

Fraktsioneerimine ja madalatemperatuuriline kondenseerumine. Seda protsessi kirjeldatakse kõrge aste vesiniku saamine gaasisegu ja kasumlik majandusnäitajad. Reeglina peaks gaasirõhul 4 MPa 93–94% vesiniku vabanemiseks olema temperatuur 115 K. Kui lähtegaasi vesiniku sisaldus on üle 40%, võib selle tootmisaste ulatuda 95% -ni. Energiakulu H2 kontsentreerimiseks 70-90%-ni võrdub 22 kWh-ga 1000 m3 toodetud vesiniku kohta.

Adsorptsiooni vabanemine. See protsess toimub molekulaarsõelte ja tsükliliselt töötavate adsorberite kasutamise kaudu. Seda saab müüa rõhul 3-3,5 MPa koos ekstraheerimisega kuni 80-85% H2 90% kontsentraadi kujul. Võrreldes madala temperatuuriga vesiniku tootmise meetodiga nõuab see protsess ligikaudu 25-30% vähem materjalikulusid ja 30-40% vähem tegevuskulusid.

Vesiniku adsorptsiooni tootmine vedelate lahustite abil. Mõnel juhul sobib meetod vesiniku tootmiseks puhtal kujul. See meetod võimaldab ekstraheerida kuni 80-90% algses gaasisegus sisalduvast vesinikust, samuti saavutada selle kontsentratsioon lõpptootes kuni 99,9%. Energiatarve vesiniku tootmiseks ulatub 68 kWh-ni 1000 m3 H2 kohta.

Vesiniku tootmine vee elektrolüüsi teel

Vee elektrolüüs on üks levinumaid ja hästi uuritud meetodeid vesiniku tootmiseks. See tagab toote saamise puhtal kujul (99,6-99,9% H2) ühe tehnoloogilise etapiga. Vesiniku saamiseks tootmiskuludes on elektri maksumus umbes 855.

Seda meetodit kasutatakse mitmes riigis, kus on märkimisväärsed odava hüdroenergia varud. Suurimad elektrokeemiakompleksid asuvad Indias, Kanadas, Norras, Egiptuses, kuid palju väikeseid rajatisi on loodud ja tegutsevad erinevad riigid rahu. Seda meetodit peetakse oluliseks ka seetõttu, et see on primaarenergiaallikate kasutamise osas kõige universaalsem. Seoses tuumaenergia levikuga on tänu odavale elektrienergiale saanud võimalikuks vee elektrolüüsiprotsesside uus õitseng tuumaelektrijaamad. Elektrienergia ressurssidest ei piisa tänapäeval vesiniku sünteesimiseks energiasektoris edasiseks kasutamiseks.

Veest vesiniku tootmise elektrokeemilisel meetodil on järgmised eelised:

1. vesiniku kõrge puhtusastmega lõpptootes – kuni 99,99% või rohkem;

2. Kergus ja järjepidevus tehnoloogiline protsess, protsessi saab automatiseerida, elektrolüütielemendis pole liikuvaid osi;

3. Võimalus saada väga väärtuslikke lisatooteid - hapnikku ja rasket vett;

4. Ammendamatu ja ligipääsetav lähteaine – vesi;

5. Võimalus toota vesinikku vahetult rõhu all;

6. Hapniku ja vesiniku füüsikaline jaotus elektrolüüsi ajal.

Kõigis ülaltoodud näidetes vesiniku tootmisest vee lagundamisel kõrvalsaadus on suures koguses hapnikku. See avab selle kasutamiseks uusi võimalusi. See võib leida oma koha mitte ainult tehnoloogiliste protsesside kiirendajana, vaid ka veekogude asendamatu puhastajana. Selline hapniku kasutamine võib ulatuda pinnasesse, atmosfääri ja vette. Üha suurenevate olmejäätmete hapnikus põletamine aitab lahendada tahkete jäätmete probleemi suurtes linnades.

Veel üks väärtuslik vee elektrolüüsi toode - raske vesi - on suurepärane neutronite moderaator tuumareaktorid. Seda rasket vett saab kasutada deuteeriumi sünteesi toorainena, mis on termotuumaenergia materjal.

Piiratud ulatuses veeauru koostoime meetod fosforiga ja termiline lagunemine süsivesinikud:

CH 4 (1000 °C) = C + 2 H 2 (eraldub gaasina).

Mõnel juhul saadakse vesinik metanooli katalüütilisel lõhustamisel auruga

CH 3 OH + H 2 O (250 ° C) = CO 2 + 3 H 2,

või ammoniaagi katalüütilise termilise lagunemise tulemusena

2 NH3 (950 °C) --> N 2 + 3 H 2.

Neid lähteühendeid toodetakse aga suures mahus vesinikust; Samal ajal on vesiniku saamine neist eriti lihtne ja seda saab kasutada tööstusharudes, mis tarbivad seda suhteliselt väikestes kogustes (alla 500 m 3 /ööpäevas).

Olulisemad meetodid vesiniku tootmiseks.

1. Tsingi lahustamine lahjendatud vesinikkloriidhappes

Zn + 2 HCl = ZnCl 2 + H 2

Seda meetodit kasutatakse kõige sagedamini laborites.

Vesinikkloriidhappe asemel võib kasutada ka lahjendatult väävelhape; kui aga viimase kontsentratsioon on liiga kõrge, siis eralduv gaas saastub kergesti SO 2 ja H 2 S-ga. Mitte täiesti puhta tsingi kasutamisel tekivad ka teised vesinikku saastavad ühendid, näiteks AsH 3 ja PH 3 . Nende olemasolu määrab halb lõhn selle meetodiga saadud vesinik.

Puhastamiseks lastakse läbi vesinik hapendatud lahus permanganaat või kaaliumdikromaat ja seejärel läbi kaaliumhüdroksiidi lahuse, samuti läbi kontsentreeritud väävelhappe või läbi silikageeli kihi niiskuse eemaldamiseks. Väiksemad vedelikupiisad, mida vesinik selle tootmisel kinni püüdis ja mis on suletud gaasimullidesse, on kõige parem eemaldada tihedalt kokkusurutud tavalisest või klaasvillast filtri abil.

Kui tuleb kasutada puhast tsinki, siis tuleb happele lisada kaks tilka hüdroplatiinhapet või vasksulfaati, muidu tsink ei reageeri.

2. Alumiiniumi või räni lahustamine söövitavas leelis

2 Al + 2 NaOH + 6 H 2 O = 2 Na + 3 H 2

Si + 2 KOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2 H 2

Neid reaktsioone kasutati varem vesiniku tootmiseks põllul (õhupallide täitmiseks). 1 m 3 vesiniku tootmiseks (temperatuuril 0 °C ja 760 mm Hg) on ​​vaja ainult 0,81 kg alumiiniumi või 0,63 kg räni, võrreldes 2,9 kg tsingi või 2,5 kg rauaga.

Räni asemel kasutatakse ka ferrosiliitsi (ränimeetod). Ferrosiliitsiumi ja lahuse segu seebikivi aastal tutvustati vahetult enne Esimest maailmasõda Prantsuse armee nimetatakse hüdrogeniidiks, sellel on omadus pärast süttimist hõõguda koos vesiniku energeetilise vabanemisega vastavalt järgmisele reaktsioonile:

Si + Ca(OH) 2 + 2 NaOH = Na 2 SiO 3 + CaO + 2 H 2.

3. Naatriumi mõju veele

2 Na + 2 H2O = 2 NaOH + H2

Kuna puhas naatrium reageerib sel juhul liiga jõuliselt, viiakse see reaktsiooni sagedamini naatriumamalgaami kujul; Seda meetodit kasutatakse peamiselt vesiniku tootmiseks, kui seda kasutatakse "in statu nascendi" redutseerimiseks. Teised leelis- ja leelismuldmetallid reageerivad sarnaselt naatriumi ja veega.

4. Kaltsiumhüdriidi mõju veele

CaH2 + 2H2O = Ca(OH)2 + 2H2

See meetod on mugav viis vesiniku tootmiseks põllul. 1 m 3 vesiniku saamiseks on teoreetiliselt vaja 0,94 kg CaH 2 ja peale vee pole vaja muid reaktiive.5. Veeauru juhtimine üle punakuuma raua

4 H 2 O + 3 Fe = Fe 3 O 4 + 4 H 2

Kasutades seda reaktsiooni 1783. aastal, tõestas Lavoisier esmakordselt analüütiliselt vee koostist. Selle reaktsiooni käigus moodustunud raudoksiidi saab kergesti redutseerida metalliliseks rauaks, juhtides sellest üle generaatorigaasi, nii et veeauru saab juhtida üle sama raua suvaliselt mitu korda. Sellel meetodil on pikka aega olnud suur tööstuslik tähtsus. Seda kasutatakse vähesel määral ka tänapäeval.

6. Veeauru juhtimine üle koksi.

Temperatuuridel üle 1000 °C kulgeb reaktsioon peamiselt võrrandi järgi

H 2 O + C = CO + H 2.

Esiteks saadakse vesigaas, st vesiniku ja süsinikmonooksiidi segu väikeste koguste seguga süsinikdioksiid ja lämmastik. Süsinikdioksiid on kergesti eemaldatav rõhu all veega pestes. Süsinikmonooksiid ja lämmastik eemaldatakse Frank-Caro-Linde protsessi abil, st nende lisandite veeldamise teel, mis saavutatakse vedela õhuga jahutamisel temperatuurini -200 °C. Süsinikdioksiidi jäljed eemaldatakse, suunates gaasi üle kuumutatud naatriumlubja

CO + NaOH = HCOONa – naatriumformiaat.

See meetod annab väga puhas vesinik, mida kasutatakse näiteks rasvade hüdrogeenimiseks.

Sagedamini juhitakse aga veeauruga segatud vesigaasi temperatuuril 400 °C üle sobivate katalüsaatorite, näiteks üle raud- või koobaltoksiidi ( kontakti meetod veegaasi saamine). Sel juhul reageerib CO veega vastavalt võrrandile

CO + H 2 Opar = CO 2 + H 2 ("CO konversioon").

Saadud CO 2 neelab vesi (rõhu all). Ülejäänud süsinikmonooksiid (~1 mahuprotsenti) pestakse välja vaskmonokloriidi ammoniaagilahusega. Selle meetodi puhul kasutatav vesigaas saadakse veeauru juhtimisel üle kuuma koksi. IN HiljutiÜha enam kasutatakse veeauru koostoimet söepulbriga (söetolmu muundumine gaasideks). Sel viisil saadud vesigaas sisaldab tavaliselt suures koguses vesinikku. Vesigaasist eralduvat (lämmastikku sisaldavat) vesinikku kasutatakse peamiselt ammoniaagi sünteesiks ja kivisöe hüdrogeenimiseks.

7. Fraktsioneeritud veeldatud koksiahjugaas.

Sarnaselt vesigaasist tootmisega saab vesinikku saada koksiahju gaasi fraktsioneerival veeldamisel lahutamatu osa mis on vesinik.

Esmalt puhastatakse koksiahjugaas, millest on eelnevalt eemaldatud väävel, CO 2-st, pestes rõhu all veega, millele järgneb töötlemine naatriumhüdroksiidi lahusega. Seejärel vabastatakse need järk-järgult kondensatsiooni teel allesjäänud lisanditest, kuni järele jääb ainult vesinik; See puhastatakse muudest lisanditest, pestes seda väga jaheda veega. vedel lämmastik. Seda meetodit kasutatakse peamiselt vesiniku saamiseks ammoniaagi sünteesiks.

8. Metaani interaktsioon veeauruga (metaani lagunemine).

Metaan reageerib kuumutamisel (1100 °C) sobivate katalüsaatorite juuresolekul veeauruga vastavalt võrrandile

CH 4 + H 2 Opar + 204 kJ (konstantsel rõhul).

Reaktsiooniks vajalik soojus tuleb tarnida kas väliselt või kasutades " sisepõlemine", st õhu või hapniku segamisel nii, et osa metaanist põleb süsinikdioksiidiks

CH 4 + 2 O 2 = CO 2 + 2 H 2 Opar + 802 kJ (konstantsel rõhul).

Sel juhul valitakse komponentide suhe nii, et reaktsioon tervikuna oleks eksotermiline

12 CH 4 + 5 H 2 Opar + 5 O 2 = 29 H2 + 9 CO + 3 CO 2 + 85,3 kJ.

Vesinikku toodetakse ka süsinikmonooksiidist CO muundamise teel. Süsinikdioksiid eemaldatakse rõhu all veega pesemisel. Metaani lagundamisel saadud vesinikku kasutatakse peamiselt ammoniaagi sünteesil ja kivisöe hüdrogeenimisel.

9. Veeauru koostoime fosforiga (violetne).

2 P + 8 H2O = 2 H3PO4 + 5 H2

Tavaliselt viiakse protsess läbi järgmiselt: kaltsiumfosfaadi redutseerimisel elektriahjus saadud fosfori aur juhitakse koos veeauruga üle katalüsaatori temperatuuril 400–600 ° C (temperatuuri tõustes tekib selle tasakaal reaktsioon nihkub vasakule). Algselt moodustunud H 3 PO 4 interaktsiooni fosforiga, moodustades H 3 PO 3 ja PH 3, välditakse reaktsioonisaaduste kiire jahutamisega (jahutamine). Seda meetodit kasutatakse peamiselt juhul, kui ammoniaagi sünteesiks kasutatakse vesinikku, mis seejärel töödeldakse oluliseks lisandivabaks väetiseks - ammofossiks (vesinik- ja divesinikammooniumfosfaadi seguks).

10. Vee elektrolüütiline lagunemine.

2 H 2 O = 2 H 2 + O 2

Puhas vesi praktiliselt ei juhi voolu, seetõttu lisatakse sellele elektrolüüte (tavaliselt KOH). Elektrolüüsi käigus eraldub katoodil vesinik. Anoodil eraldub samaväärne kogus hapnikku, mis on seetõttu selle meetodi kõrvalprodukt.

Elektrolüüsil toodetud vesinik on väga puhas, välja arvatud väikeste hapnikukoguste segu, mida saab kergesti eemaldada, juhtides gaasi sobivate katalüsaatoritega, näiteks kergelt kuumutatud palladiseeritud asbestiga. Seetõttu kasutatakse seda nii rasvade hüdrogeenimiseks kui ka muudes katalüütilistes hüdrogeenimisprotsessides. Selle meetodiga toodetud vesinik on üsna kallis.

Vesiniku rakendamine.

Praegu toodetakse vesinikku tohututes kogustes. Väga enamus seda kasutatakse ammoniaagi sünteesil, rasvade hüdrogeenimisel ning söe, õlide ja süsivesinike hüdrogeenimisel. Lisaks kasutatakse vesinikku vesinikkloriidhappe, metüülalkoholi, vesiniktsüaniidhappe sünteesiks, metallide keevitamisel ja sepistamisel, samuti hõõglampide ja hõõglampide valmistamisel. vääriskivid. Vesinikku müüakse balloonides rõhuga üle 150 atm. Need on sisse värvitud tumeroheline värv ja on varustatud punase kirjaga "Vesinik".

Vesinikku kasutatakse vedelate rasvade muundamiseks tahketeks rasvadeks (hüdrogeenimine), mis toodab söe ja kütteõli hüdrogeenimise teel vedelkütust. Metallurgias kasutatakse vesinikku oksiidide või kloriidide redutseerijana metallide ja mittemetallide (germaanium, räni, gallium, tsirkoonium, hafnium, molübdeen, volfram jne) tootmiseks.

Vesiniku praktilised kasutusalad on mitmekesised: seda kasutatakse tavaliselt sondiõhupallide täitmiseks, keemiatööstuses on see tooraine paljude väga olulised tooted(ammoniaak jne), toidus - tootmiseks alates taimeõlid tahked rasvad jne. Vesiniku põlemisel hapnikus tekkivat kõrget temperatuuri (kuni 2600 °C) kasutatakse tulekindlate metallide, kvartsi jms sulatamiseks. Vedel vesinik on üks tõhusamaid lennukikütuseid. Ülemaailmne vesiniku tarbimine ületab 1 miljonit tonni aastas.

Leiutaja nimi: Ermakov Viktor Grigorjevitš
Patendiomaniku nimi: Ermakov Viktor Grigorjevitš
Kirjavahetuse aadress: 614037, Perm, Mozyrskaya tn., 5, korter 70 Ermakov Viktor Grigorjevitš
Patendi alguskuupäev: 1998.04.27

Leiutis on mõeldud energiasektorile ja seda saab kasutada odavate ja säästlike energiaallikate saamiseks. Ülekuumendatud veeaur, mille temperatuur on 500-550 o C. Ülekuumenenud veeaur juhitakse läbi pideva elektrivälja kõrgepinge (6000 V) vesiniku ja hapniku tootmiseks. Meetod on riistvara disainilt lihtne, ökonoomne, tule- ja plahvatuskindel ning väga produktiivne.

LEIUTISE KIRJELDUS

Oksüdatsiooni teel hapnikuga kombineerituna on vesinik 1 kg kütuse kalorisisalduse poolest esikohal kõigi elektri ja soojuse tootmiseks kasutatavate põlevmaterjalide hulgas. Kuid vesiniku kõrget kütteväärtust ei ole veel kasutatud elektri ja soojuse tootmiseks ning see ei suuda konkureerida süsivesinikkütustega.

Takistuseks vesiniku kasutamisele energeetikas on selle tootmise kallis meetod, mis ei ole majanduslikult põhjendatud. Vesiniku tootmiseks kasutatakse peamiselt elektrolüüsiseadmeid, mis on madala tootlikkusega ja vesiniku tootmiseks kuluv energia on võrdne selle vesiniku põletamisel saadava energiaga.

On teada meetod vesiniku ja hapniku tootmiseks ülekuumendatud veeaurust, mille temperatuur on 1800-2500 o C. kirjeldatud Ühendkuningriigi taotluses N 1489054 (cl. C 01 B, 1/03, 1977). See meetod on keeruline, energiamahukas ja raskesti rakendatav.

Kavandatavale meetodile on lähim meetod vesiniku ja hapniku tootmiseks veeaurust katalüsaatoril, juhtides selle auru läbi elektrivälja, nagu on kirjeldatud Ühendkuningriigi taotluses N 1585527 (cl. C 01 B, 3/04, 1981).

Selle meetodi puudused hõlmavad järgmist:

vesiniku saamise võimatus suured hulgad;

energia intensiivsus;

seadme keerukus ja kallite materjalide kasutamine;

selle meetodi rakendamise võimatus tehnilise vee kasutamisel, kuna temperatuuril küllastunud aur seadme seintele ja katalüsaatorile tekivad sadestused ja katlakivi, mis põhjustab selle kiire rikke;

Saadud vesiniku ja hapniku kogumiseks kasutatakse spetsiaalseid kogumismahuteid, mis muudavad meetodi tule- ja plahvatusohtlikuks.

Ülesanne, millele leiutis on suunatud, onülaltoodud puuduste kõrvaldamine, samuti odava energia- ja soojusallika hankimine.

See saavutatakse sellega, et veeaurust vesiniku ja hapniku tootmise meetodis, mis hõlmab selle auru juhtimist läbi elektrivälja, kasutatakse vastavalt leiutisele ülekuumendatud auru, mille temperatuur on 500-550 o C ja lasta see läbi elektrivälja alalisvool kõrgepinge, põhjustades seeläbi auru dissotsiatsiooni ja selle jagunemise aatomiteks vesinik ja hapnik.

KAVANDATUD MEETOD põhineb JÄRGMISEL

Elektrooniline ühendus aatomite vahel vesinik ja hapnik nõrgeneb proportsionaalselt vee temperatuuri tõusuga. Seda kinnitab praktika kuivalt põletamisel kivisüsi. Enne kuiva söe põletamist kastetakse. Märg kivisüsi toodab rohkem soojust ja põleb paremini. Selle põhjuseks on asjaolu, et kivisöe põlemise kõrgel temperatuuril laguneb vesi vesinikuks ja hapnikuks. Vesinik põleb ja annab söele lisakaloreid ning hapnik suurendab koldes oleva õhu hapniku mahtu, mis soodustab söe paremat ja täielikku põlemist.

Vesiniku süttimistemperatuur alates 580 enne 590 o C, peab vee lagunemine olema alla vesiniku süttimisläve.

Elektrooniline side vesiniku ja hapniku aatomite vahel temperatuuril 550 o C on veel piisav veemolekulide tekkeks, kuid elektronide orbiidid on juba moonutatud, ühendus vesiniku ja hapniku aatomitega on nõrgenenud. Et elektronid oma orbiitidelt lahkuksid ja nendevaheline aatomside laguneks, peavad elektronid lisama rohkem energiat, kuid mitte soojust, vaid energiat elektriväli kõrgepinge. Siis potentsiaalne energia elektriväli muundatakse kineetiline energia elektron. Elektronide kiirus alalisvoolu elektriväljas suureneb proportsionaalselt ruutjuur elektroodidele rakendatav pinge.

Ülekuumendatud auru lagunemine elektriväljas võib toimuda väikese aurukiiruse korral ja selline auru kiirus temperatuuril 550 o C saab ainult avatud ruumis.

Suures koguses vesiniku ja hapniku saamiseks peate kasutama aine jäävuse seadust. Sellest seadusest järeldub: ükskõik millises koguses vesi lagunes vesinikuks ja hapnikuks, samas koguses saame vett nende gaaside oksüdeerumisel.

Leiutise teostamise võimalust kinnitavad toodud näited kolmes paigaldusvalikus.

Kõik kolm paigaldusvõimalust on valmistatud identsetest standardiseeritud terastorudest valmistatud silindrilistest toodetest.

Esimene variant
Esimese valiku töö- ja paigaldusseade ( skeem 1).

Kõigi kolme variandi puhul algab paigaldiste töö ülekuumendatud auru valmistamisega avatud ruumis, mille aurutemperatuur on 550 o C. Avatud ruum tagab kiiruse piki auru lagunemise ahelat kuni kuni 2 m/s.

Ülekuumendatud auru valmistamine toimub kuumakindlast terasest /starter/ valmistatud terastorus, mille läbimõõt ja pikkus sõltuvad paigaldise võimsusest. Käitise võimsus määrab lagunenud vee koguse, liitrit/s.

Üks liiter vett sisaldab 124 l vesinikku Ja 622 l hapnikku, kalorite osas on 329 kcal.

Enne paigaldamise alustamist soojeneb starter alates 800 kuni 1000 o C/küte tehakse igal viisil/.

Starteri üks ots on ühendatud äärikuga, mille kaudu siseneb mõõdetud vesi, mis laguneb arvutatud võimsuseni. Starteris soojeneb vesi kuni 550 o C, väljub vabalt starteri teisest otsast ja siseneb lagunemiskambrisse, millega starter on äärikute abil ühendatud.

Lagukambris lagundatakse ülekuumendatud aur vesinikuks ja hapnikuks elektrivälja toimel, mille tekitavad positiivsed ja negatiivsed elektroodid, mida varustatakse pingega alalisvooluga. 6000 V. Positiivne elektrood on kambri korpus ise /toru/ ja negatiivne elektrood on korpuse keskele paigaldatud õhukese seinaga terastoru, mille kogu pinnal on augud läbimõõduga 20 mm.

Elektrooditoru on võrk, mis ei tohiks tekitada takistust vesiniku sisenemisel elektroodi. Elektrood kinnitatakse toru korpuse külge pukside abil ja sama kinnituse kaudu antakse kõrgepinge. Negatiivse elektroodi toru ots lõpeb elektriliselt isoleeriva ja kuumakindla toruga, et vesinik pääseks läbi kambri ääriku. Hapnik väljub lagukambri korpusest terastoru kaudu. Positiivne elektrood /kaamera korpus/ peab olema maandatud ja alalisvoolu toiteallika positiivne poolus peab olema maandatud.

Välju vesinik poole hapnik 1:5.

Teine variant
Töö- ja paigaldusseade vastavalt teisele valikule ( skeem 2).

Teise võimaluse paigaldamine on ette nähtud suur kogus vesinik ja hapnik, mis on tingitud suurte veekoguste paralleelsest lagunemisest ja gaaside oksüdeerumisest kateldes tööauru tootmiseks kõrgsurve vesinikul töötavatele elektrijaamadele /edaspidi WPP/.

Paigaldamine, nagu ka esimeses variandis, algab starteris ülekuumendatud auru valmistamisega. Kuid see starter erineb versiooni 1 starterist. Erinevus seisneb selles, et starteri otsas on keevitatud kraan, kuhu on paigaldatud aurulüliti, millel on kaks asendit - "start" ja "run".

Starteris tekkiv aur siseneb soojusvahetisse, mis on ette nähtud taaskasutatud vee temperatuuri reguleerimiseks pärast katlas oksüdeerimist / K1/ enne 550 o C. Soojusvaheti / See/ - toru, nagu kõik sama läbimõõduga tooted. Toruäärikute vahele on paigaldatud kuumakindlad terastorud, millest läbib ülekuumenenud aur. Torud lennutatakse ringi suletud jahutussüsteemi veega.

Soojusvahetist siseneb ülekuumendatud aur lagunemiskambrisse, täpselt sama, mis esimeses paigaldusvariandis.

Vesinik ja hapnik lagukambrist sisenevad katla 1 põletisse, milles vesinik süüdatakse tulemasinaga - tekib põleti. Katla 1 ümber voolav põleti tekitab selles kõrgsurve tööauru. Katla 1 põleti saba siseneb katlasse 2 ja oma soojusega katlas 2 valmistab katlale 1 auru. Pidev gaaside oksüdeerumine algab kogu katelde ahelas vastavalt tuntud valemile:

2H 2 + O 2 = 2H 2 O + soojus

Gaaside oksüdeerumise tulemusena väheneb vesi ja eraldub soojust. Seda soojust paigaldises koguvad katlad 1 ja boilerid 2, muutes selle soojuse kõrgsurve tööauruks. Ja taastatud vesi kõrge temperatuur siseneb järgmisesse soojusvahetisse, sealt järgmisse lagunemiskambrisse. See vee ühest olekust teise ülemineku jada jätkub nii mitu korda, kui on vaja kogutud soojusest energia saamiseks tööauruna, et tagada kavandatud võimsus WPP.

Pärast seda, kui esimene osa ülekuumendatud auru möödub kõigist toodetest, annab vooluringile arvutatud energia ja jätab viimase katla vooluringi 2, suunatakse ülekuumendatud aur läbi toru starterile paigaldatud aurulülitisse. Aurulüliti liigutatakse asendist "stardi" asendisse "Run", misjärel läheb see starterile. Starter lülitub välja /vesi, soojeneb/. Starterist siseneb ülekuumendatud aur esimesse soojusvahetisse ja sealt lagunemiskambrisse. Algab uus ringülekuumenenud aur mööda vooluringi. Sellest hetkest alates on lagunemis- ja plasmaahel iseenesest suletud.

Käitises kasutatakse vett ainult kõrgsurve tööauru tekitamiseks, mis võetakse heitgaasi auruahela tagasivoolust pärast turbiini.

Elektrijaamade puudus eest WPP- see on nende mahukus. Näiteks selleks WPP peal 250 MW tuleb samal ajal lagundada 455 l vett ühe sekundiga ja see nõuab 227 lagukambrid, 227 soojusvahetit, 227 boilerit / K1/, 227 boilerid / K2/. Kuid sellist kohmakust õigustab sajakordselt ainult see, et kütust WPP tuleb ainult vesi, keskkonna puhtusest rääkimata WPP, odav elektrienergia ja soojus.

Kolmas variant
Elektrijaama 3. versioon ( skeem 3).

See on täpselt sama elektrijaam, mis teine.

Nende erinevus seisneb selles, et see seade töötab pidevalt starterist, auru lagunemise ja vesiniku hapnikus põletamise ahel ei ole iseenesest suletud. Paigalduse lõpptooteks saab lagukambriga soojusvaheti. Selline toodete paigutus võimaldab lisaks elektrienergiale ja soojusele toota vesinikku ja hapnikku või vesinikku ja osooni. Elektrijaam sisse lülitatud 250 MW starterist töötades kulub starteri soojendamiseks energiat, vett 7,2 m 3 /h ja vesi tööauru moodustamiseks 1620 m 3 /h/vesi kasutatakse heitgaasi auru tagasivooluringist/. Elektrijaamas eest WPP vee temperatuur 550 o C. Aururõhk 250 kl. Energiatarve elektrivälja tekitamiseks lagunemiskambri kohta on ligikaudu 3600 kW/h.

Elektrijaam sisse lülitatud 250 MW toodete paigutamisel neljale korrusele võtab see ruumi 114 x 20 m ja kõrgus 10 m. Ei arvestata sisselülitatud turbiini, generaatori ja trafo pindala 250 kVA - 380 x 6000 V.

LEIUTISE EELISED ON JÄRGMISED

Gaaside oksüdeerimisel saadavat soojust saab kasutada otse kohapeal ning vesinik ja hapnik saadakse heitauru ja protsessivee ringlussevõtul.

Väike veekulu elektri ja soojuse tootmisel.

Meetodi lihtsus.

Märkimisväärne energiasääst, sest see kulub ainult starteri soojendamiseks kehtestatud termilise režiimini.

Kõrge protsessi tootlikkus, kuna veemolekulide dissotsiatsioon kestab sekundikümnendikke.

Meetodi plahvatus- ja tuleohutus, sest selle rakendamisel puudub vajadus vesiniku ja hapniku kogumiseks anumate järele.

Seadme töötamise ajal puhastatakse vett mitu korda, muutudes destilleeritud veeks. See kõrvaldab setted ja katlakivi, mis pikendab paigaldise kasutusiga.

Paigaldus on valmistatud tavalisest terasest; välja arvatud kuumakindlast terasest katlad, mille seinad on vooderdatud ja varjestatud. See tähendab, et spetsiaalseid kalleid materjale pole vaja.

Leiutis võib leida rakendust süsivesinike ja tuumakütuste asendamisega Elektrijaamad odavale, laialt levinud ja keskkonnasõbralikule veele, säilitades samal ajal nende seadmete võimsuse.

NÕUE

Veeaurust vesiniku ja hapniku tootmise meetod, sealhulgas selle auru juhtimine läbi elektrivälja, mida iseloomustab see, et nad kasutavad ülekuumendatud veeauru temperatuuril 500-550 o C, läbib kõrgepinge alalisvoolu elektrivälja, et aur dissotsieerida ja eraldada vesiniku- ja hapnikuaatomiteks.

Sa vajad

• 1,5-liitrine plastpudel, kummipall, pann veega, kaaliumhüdroksiidi või naatriumhüdroksiidiga ( seebikivi, seebikivi), 40 sentimeetrit alumiiniumtraati, tsingitükk, kitsa kaelaga klaasanum, vesinikkloriidhappe lahus, kummikuul, 12 V aku, vasktraat, tsinktraat, klaasnõu , vesi, lauasool, liim, süstal .

Juhised

Täitke plastpudel poolenisti veega. Viska pudelisse ja lahusta vees 10-15 grammi seebikivi või soodat. Asetage pudel veenõusse. Lõika alumiiniumtraat 5 sentimeetri pikkusteks tükkideks ja viska pudelisse. Asetage pudeli kaelale kummipall. Leelise lahusega reageerimisel vabanev leelis on kummipallis. See juhtub ägeda vooluse korral – olge ettevaatlik!

Valage sool klaasnõusse ja visake sinna tsink. Asetage klaasnõu kaelale õhupall. Vabaneb reaktsiooni ajal vesinikkloriidhape vesinik koguneb sisse kuumaõhupall.

Valage vesi klaasnõusse ja segage selles 4-5 supilusikatäit lauasool. Seejärel sisestage vasktraat süstlasse kolvipoolsest küljest. Tihendage see ala liimiga. Kastke süstal soolalahusega anumasse ja liigutage kolbi tagasi, et süstal täita. Ühendage vasktraat negatiivne järeldus aku Kastke tsinktraat süstla kõrval olevasse soolalahusesse ja ühendage see aku positiivse klemmiga. Elektrolüüsireaktsiooni tulemusena eraldub vasktraadi läheduses vesinik, mis nihkub, katkeb vasktraadi kontakt soolalahusega ja reaktsioon peatub.

Kaasaegne nimi vesinik– vesinik, mille andis kuulus prantsuse keemik Lavoisier. Nimi tähendab hüdro (vesi) ja genees (sünnitamine). "Süttiva õhu", nagu seda varem nimetati, avastas Cavendish 1766. aastal ja ta tõestas ka, et vesinik on õhust kergem. IN kooli õppekava keemias on õppetükid, mis räägivad mitte ainult sellest gaasist, vaid ka selle tootmismeetodist.

Sa vajad

• Wurtz kolb, naatriumhüdroksiid, alumiiniumi graanulid ja pulber, mõõtetops, alumiiniumlusikas, statiiv, tilklehter. Kaitseprillid ja kindad, taskulamp, tulemasin või tikud.

Juhised

Esimene viis.
Võtke Wurtzi kolb, mille kaela külge on joodetud klaasist väljalasketoru, ja tilklehter. Pange süsteem kokku statiivile, kinnitades kolbi klambriga ja asetades selle lauapinnale. Sisestage tilgalehter koos kraaniga selle ülaosas.

Kontrollige, kas kõik süsteemid – Wurtzi kolb ja klamber – on kindlalt kinnitatud. Võta see. See peaks olema graanulites. Pange see kolbi. Vala enam-vähem langetuslehtrisse küllastunud lahus. Valmistage isoleerimiseks ette kaks mahutit ning selle süütamiseks taskulamp ja tulemasin või tikud.

Valage naatriumhüdroksiid tilklehtrist Wurtzi kolbi, avades lehtri sulgurkraani. Oodake, mõne aja pärast algab vesiniku eraldumine. Väikese sisaldusega vesinik täidab kolvi täielikult. Selle protsessi kiirendamiseks soojendage Wurtzi kolbi altpoolt põleti abil.

Olen juba ammu tahtnud midagi sellist teha. Kuid see ei läinud kaugemale kui katsed aku ja elektroodipaariga. Tahtsin teha täisväärtusliku seadme vesiniku tootmiseks õhupalli täispuhumiseks. Enne kodus täisväärtusliku vee elektrolüüsiseadme valmistamist otsustasin mudelil kõike katsetada.

Elektrolüsaatori üldskeem näeb välja selline.

See mudel ei sobi igapäevaseks kasutamiseks. Kuid meil õnnestus idee katsetada.

Seega otsustasin elektroodide jaoks kasutada grafiiti. Suurepärane elektroodide grafiidiallikas on trollibussi voolukollektor. Lõpp-peatustes lebab neid palju. Tuleb meeles pidada, et üks elektroodidest hävib.

Nägime ja viimistlesime failiga. Elektrolüüsi intensiivsus sõltub voolutugevusest ja elektroodide pindalast.

Elektroodide külge kinnitatakse juhtmed. Juhtmed peavad olema hoolikalt isoleeritud.

Elektrolüsaatorite mudelid on korpuse jaoks üsna sobivad plastpudelid. Kaanele tehakse augud torude ja juhtmete jaoks.

Kõik on hoolikalt kaetud hermeetikuga.

Kahe mahuti ühendamiseks sobivad ära lõigatud pudelikaelad.

Need tuleb omavahel ühendada ja õmblus sulatada.

Pähklid on valmistatud pudelikorkidest.

Kahe pudeli põhja tehakse augud. Kõik on ühendatud ja hoolikalt täidetud hermeetikuga.

Pingeallikana kasutame 220V majapidamisvõrku. Tahan teid hoiatada, et see on üsna ohtlik mänguasi. Seega, kui teil pole piisavalt oskusi või teil on kahtlusi, siis on parem seda mitte korrata. Majapidamisvõrgus on meil vahelduvvool, elektrolüüsiks tuleb see alaldada. Dioodsild sobib selleks suurepäraselt. Fotol olev osutus ebapiisavalt võimsaks ja põles kiiresti läbi. Parim variant oli Hiina MB156 dioodsild alumiiniumkorpuses.

Dioodisild läheb väga kuumaks. Vajalik on aktiivne jahutus. Arvutiprotsessori jahuti sobib suurepäraselt. Korpuse jaoks saate kasutada sobiva suurusega harukarpi. Müüakse elektrikaupades.

Dioodisilla alla tuleb panna mitu kihti pappi.

Harukarbi kaanesse tehakse vajalikud augud.

Kokkupandud paigaldus näeb välja selline. Elektrolüsaator saab toite vooluvõrgust, ventilaator universaalsest toiteallikast. Elektrolüüdina kasutatakse söögisooda lahust. Siin peate meeles pidama, et mida suurem on lahuse kontsentratsioon, seda suurem on reaktsioonikiirus. Kuid samal ajal on küte suurem. Veelgi enam, naatriumi lagunemisreaktsioon katoodil aitab kaasa kuumutamisele. See reaktsioon on eksotermiline. Selle tulemusena moodustuvad vesinik ja naatriumhüdroksiid.

Ülaltoodud fotol olev seade läks väga kuumaks. Pidin selle perioodiliselt välja lülitama ja ootama, kuni see maha jahtub. Kütteprobleem lahenes osaliselt elektrolüüdi jahutamisega. Selleks kasutasin lauapealset purskkaevupumpa. Pikk toru jookseb ühest pudelist teise läbi pumba ja külma vee ämbri.