Звідки одержують водень. Одержання водню електролізом води

Воднева енергетика виникла як одна з ліній розвитку НТПу 70-х роках попереднього сторіччя. У міру розширення галузі досліджень, що стосуються отримання, перевезення та зберігання, а також використання водню, ставали очевиднішими екологічні переваги технологій отримання водню в різних сферах народного господарства. Ефективність розвитку деяких водневих технологій ( паливні елементи, металогідридні системи, транспортні водневі системи і т.д.) показали, що застосування водню дає абсолютно нові якісні показники у функціонуванні агрегатів та систем.

Проведені техніко-економічні тестування показали, що, незважаючи на те, що елемент водень – вторинний носій енергії, тобто він дорожчий за вартість, ніж природне паливо, його використання в деяких випадках економіки вже сьогодні є доцільним. Тому роботи у галузі водневої енергетики в більшості країнах, тим більше з розвиненою промисловістю, вважаються пріоритетними напрямкамирозвитку техніки та науки. Вони все більше підтримуються фінансами з боку держави та приватного капіталу.

Властивості водню

При нормальних умоваху вільному стані водень представлений безбарвним газом, що не має запаху. Водень має густину щодо повітря 1/14. Зазвичай він зустрічається в комбінації з іншими елементами, наприклад, вуглецю в метані, кисню у воді, в різних органічні сполуки. Оскільки водень надзвичайно активний хімічно, він рідко перебуває у незв'язаному вигляді.

Водень, охолоджений до стану рідини, займає 1/700 обсягу стану газоподібному вигляді. При його поєднанні з киснем водень має максимально великий вміст енергії на одну одиницю маси: 120,7 ГДж/т. Це є однією з декількох причин, чому водень в рідкому вигляді застосовується як ракетного паливаі є енергетикою для сучасних космічних кораблів, для якої великий питомий вміст енергії водню та мала молекулярна масамає велике значення. У чистому кисні при спалюванні єдині продукти – це вода та тепло високої температури. Так, у разі застосування водню не виділяються шкідливі парникові гази і навіть не відбувається порушення у природі круговороту води.

Виробництво водню

Ресурси водню, які містяться у воді та в органічній речовині, майже невичерпні. Розрив даних зв'язків дає можливість отримання водню, після чого водень застосовується для палива. Розроблено безліч процесів по розподілу води на складові.

Вода при нагріванні більше 2500 ° С починає розкладатися на кисень і водень (прямий термоліз). Таку високу температуру одержують, наприклад, за допомогою концентраторів енергії сонця. Тут проблема полягає в тому, щоб не допустити рекомбінацію кисню та водню.

Сьогодні у світі основна частина водню в промисловому масштабі виходить в ході парової конверсії метану (ПКМ). Таким чином, одержання воднюдає можливість застосовувати його як реагент для процесу очищення нафти як складової азотних добрив і для ракетної техніки. Теплова енергія і пара при температурах 750-800°С необхідні виділення водню з вуглецевої основиу метані, що й трапляється на каталітичних поверхнях у хімічних реформерах. Найперший ступінь ПКМ процесу поділяє водяну пару і метан на монооксид вуглецю, а також водень. На другому ступені в процесі «реакції зсуву» монооксид вуглецю і вода перетворюються на водень і діоксид вуглецю. Ця реакція протікає при 200-250°С.

У СРСР у 30-ті роки в промислових масштабахотримували синтез-газ завдяки пароповітряній газифікації вугілля. Сьогодні в ІПГФ РАН, розташованому в Чорноголівці, створюється технологія для газифікації вугілля у наддіабатичному режимі. Дана технологія дає можливість перетворювати енергію тепла вугілля в теж теплову енергіюсинтез-газу з ККД 98%.

Починаючи з 70-х років попереднього століття, в нашій країні були зроблені та отримали науково-технічне пояснення та підтвердження шляхом експерименту проекти гелієвих високотемпературних реакторів (ВТГР) енерготехнологічних атомних станцій (АЕТС) для чорної металургії та хімічної промисловості: АБТУ-50, а потім проект атомної енергетичної станції з реактором ВГ-400, потужність якої 1060 МВт для хіміко-ядерного комплексу з отримання водню і сумішей, що містять його, з випуску метанолу і аміаку, ще кілька проектів у цьому напрямку.

Базою всім проектів ВТГР стали розробки ядерних двигунів для ракет з урахуванням водню. Випробувальні високотемпературні реактори, випущені в нашій країні для цих цілей, а також ядерні демонстраційні двигуни для ракет показали працездатність при нагріванні водню. максимальної температури 3000К.

Високотемпературні реактори на основі гелієвого теплоносія новий типуніверсальних екологічно чистих атомних енергетичних джерел, унікальні характеристики яких – здатність отримувати тепло при температурах вище 1000°С та найвищий рівеньбезпеки – визначають неймовірні можливості їх застосування для отримання у газотурбінному циклі електричної енергіїз великим ККД та для забезпечення високотемпературним теплом та електроенергією виробничих процесів одержання водню, технологічних процесів нафтопереробної, хімічної, металургійної та інших галузей для процесів опріснення води.

Найсучаснішим у цій галузі вважається міжнародний проект ГТ-МГР, що розробляється спільними стараннями вітчизняних інститутів та компанії GA із США. Також з проектом співпрацюють компанії Фуджі електрик та Фраматом.

Отримання атомного водню

Джерелом атомного водню є речовини, які відщеплюють атоми водню за її опроміненні. У процесі опромінення ультрафіолетом, наприклад, йодистого водню починає протікати реакція із виділенням атомного водню.

Для виділення атомного водню використовується термічна дисоціація молекулярного водню на паладієвому, платиновому дроті або дроті з вольфраму, нагрітого при тиску менше 1,33 Па в атмосфері водню. Поділ водню на атоми вдається досягти також, застосовуючи радіоактивні речовини. Існує метод синтезу атомного водню в електричному високочастотному розряді з подальшим виморожуванням молекулярного водню.

Фізичні варіанти способів одержання водню із сумішей, що містять його

Водень у значних кількостіє в багатьох сумішах газів, коксовому газі, наприклад, який виділяється при піролізі бутадієну, в отриманні дивініла.

Щоб виділити водень із сумішей газів, що містять водень, застосовують фізичні методиконцентрування та виділення водню.

Фракціонування та низькотемпературна конденсація.Цей процес описується високим ступенемотримання водню з газової сумішіта вигідними економічними показниками. Як правило, при тиску газу 4 МПа для виділення 93-94% водню температура повинна становити 115К. При вмісті у вихідному газі водню більше 40% ступінь отримання може досягати 95%. Витрата енергії на концентрування Н2 70-90% дорівнює 22 кВт.год на 1000 м3 водню.

Адсорбційне виділення.Цей процес відбувається за допомогою використання молекулярних сит, адсорберів, що працюють циклічно. Його можна реалізовувати під тиском, рівним 3-3,5 МПа з вилученням до 80-85% Н2 у вигляді 90% концентрату. У порівнянні з низькотемпературним способом отримання водню для здійснення даного процесу потрібно приблизно на 25-30% менше матеріальних витрат та на 30-40% менше експлуатаційних.

Адсорбційне виробництво водню із використанням рідких розчинників.У деяких випадках спосіб підходить для отримання водню в чистому вигляді. Цей методдозволяє витягувати до 80-90% водню, що міститься в початковій суміші газів, а також досягати його концентрації в кінцевому продукті до 99,9%. Витрати енергії отримання водню досягають 68 кВт.год на 1000 м3 Н2.

Отримання водню шляхом електролізу води

Електроліз води – це один із поширених та добре вивчених способів отримання водню. Він гарантує отримання продукту у чистому вигляді (99,6-99,9% Н2) за один технологічний ступінь. На отримання водню у витратах виробництва вартість електроенергії становить близько 855.

Цей спосіб застосовується у кількох країнах, які мають значні запаси недорогої гідроенергії. Найбільші електрохімічні комплекси розташовуються в Індії, Канаді, Норвегії, Єгипті, але створені і функціонують безліч дрібних установок різних країнахсвіту. Цей спосіб вважається важливим ще й тому, що він є найбільш універсальним щодо застосування первинних енергетичних джерел. У зв'язку з поширенням атомної енергетики став можливим новий розквіт процесів електролізу води за рахунок недорогої електричної енергії атомних електростанцій. Ресурси електроенергетики сьогодні є недостатніми для синтезу водню як продукту для подальшого використання в енергетиці.

Електрохімічний метод отримання водню з води має такі переваги:

1. Висока чистота водню у кінцевому продукті – до 99,99% і більше;

2. Легкість та сталість технологічного процесу, Можна автоматизувати процес, в електролітичному осередку немає частин, що рухаються;

3. Можливість отримання дуже цінних додаткових продуктів – кисню та важкої води;

4. Невичерпна та доступна вихідна сировина – вода;

5. Можливість одержання водню прямо під тиском;

6. Фізичний розподіл кисню та водню під час електролізу.

У всіх наведених прикладах одержання водню шляхом розкладання води побічним продуктомє великі обсяги кисню. Це відкриває нові можливості для використання. Він зможе знайти своє місце не тільки як прискорювач процесів технології, але і як незамінний очищувач водойм. Ця область застосування кисню може поширитися і грунт, атмосферу і воду. Згоряння в кисні збільшується кількість побутових відходів допоможе вирішити питання твердих покидьків великих міст.

Ще один цінний продукт електролізу води – важка вода – чудовий сповільнювач нейтронів у всіх атомних реакторах. Ця важка вода може застосовуватися як сировина для синтезу дейтерію, який є матеріалом для термоядерної енергетики.

В обмеженому масштабі застосовують спосіб взаємодії водяної пари з фосфором та термічного розкладаннявуглеводнів:

СН 4 (1000 ° С) = С + 2 Н 2 (виділяється у вигляді газу).

У деяких випадках водень одержують внаслідок каталітичного розщеплення метанолу з водяною парою.

СН 3 ВІН + Н 2 О (250 ° С) = СО 2 + 3 Н 2

або внаслідок каталітичного термічного розкладання аміаку

2 NH 3 (950 °С) -> N 2 + 3 H 2 .

Однак ці вихідні сполуки одержують у великих масштабах з водню; тим часом одержання з них водню є особливо простим і може бути використане в таких виробництвах, які споживають його порівняно малих кількостях (менше 500 м 3 /добу).

Найважливіші методи одержання водню.

1. Розчинення цинку у розведеній соляній кислоті

Zn + 2 HCl = ZnCl 2 + H 2

Цей спосіб найчастіше застосовують у лабораторіях.

Замість соляної кислоти можна також використовувати розведену сірчану кислоту; однак якщо концентрація останньої занадто висока, то газ, що виділяється, легко забруднюється SO 2 і H 2 S. При використанні не цілком чистого цинку утворюються ще й інші сполуки, що забруднюють водень, наприклад AsH 3 і PH 3 . Їхня присутність і зумовлює неприємний запаходержуваного цим способом водню.

Для очищення водень пропускають через підкислений розчинперманганату або біхромату калію, а потім через розчин їдкого калі, а також через концентровану сірчану кислоту або шар силікагелю для звільнення від вологи. Найдрібніші крапельки рідини, захоплені воднем при його одержанні та укладені в бульбашках газу, найкраще усувати за допомогою фільтра із щільно спресованої звичайної або скляної вати.

Якщо доводиться користуватися чистим цинком, до кислоти необхідно додати дві краплі платинохлористоводневої кислоти або сірчанокислої міді, інакше цинк не вступає в реакцію.

2. Розчинення алюмінію або кремнію в їдкій лугу

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

Ці реакції застосовували раніше для одержання водню в польових умовах (для наповнення аеростатів). Для отримання 1 м 3 водню (при 0 ° С і 760 мм рт. ст.) Потрібно тільки 0,81 кг алюмінію або 0,63 кг кремнію в порівнянні з 2,9 кг цинку або 2,5 кг заліза.

Замість кремнію також застосовують феросиліцій (кремнієвий метод). Суміш феросиліцію та розчину їдкого натру, введена у вжиток незадовго до першої світової війни французької арміїпід назвою гідрогеніту, має властивість після підпалювання тліти з енергійним виділенням водню за наступною реакцією:

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

3. Дія натрію на воду

2 Na + 2 H 2 O = 2 NaOH + H 2

Зважаючи на те, що чистий натрій реагує в цьому випадку занадто енергійно, його частіше вводять у реакцію у вигляді амальгами натрію; цей спосіб застосовують переважно для одержання водню, коли ним користуються для відновлення "in statu nascendi". Аналогічно натрію з водою реагують та інші лужні та лужноземельні метали.

4. Дія гідриду кальцію на воду

СaН 2 + 2 H 2 O = Сa(OH) 2 + 2 H 2

Цей метод є зручним способом отримання водню у польових умовах. Для отримання 1 м 3 водню теоретично необхідно 0,94 кг СаН 2 і крім води не потрібно ніяких інших реактивів.5. Пропускання водяної пари над розпеченим до червоного заліза

4 Н 2 Про + 3 Fe = Fe 3 O 4 + 4 H 2

З допомогою цієї реакції 1783 р. Лавуазьє вперше аналітично довів склад води. Оксид заліза, що утворюється при цій реакції, неважко відновити до металевого заліза, пропускаючи над ним генераторний газ так, що пропускання водяної пари над одним і тим же залізом можна провести довільне число разів. Цей метод тривалий час мав велике промислове значення. У невеликих масштабах його застосовують і зараз.

6. Пропускання водяної пари над коксом.

При температурі вище 1000 °С реакція йде головним чином рівняння

Н 2 О + С = СО + Н 2.

Спочатку отримують водяний газ, тобто суміш водню та монооксиду вуглецю з домішкою невеликих кількостей Вуглекислий газта азоту. Від вуглекислого газу легко звільняються промиванням водою під тиском. Монооксид вуглецю та азот видаляють за допомогою процесу Франка-Каро-Лінде, тобто зрідженням цих домішок, що досягається охолодженням рідким повітрям до -200 °С. Сліди СО видаляють, пропускаючи газ над нагрітим натронним вапном

СО + NaOH = HCOONa – форміат натрію.

Цей метод дає дуже чистий водень, який використовують, наприклад, для гідрогенізації жирів

Найчастіше водяний газ у суміші з парами води при температурі 400 °С пропускають над відповідними каталізаторами, наприклад над оксидом заліза або кобальту ( контактний спосібодержання водяного газу). В цьому випадку СО реагує з водою за рівнянням

СО + Н 2 Опар = СО 2 + Н 2 ("конверсія СО").

СО 2, що утворюється при цьому, поглинається водою (під тиском). Залишок монооксиду вуглецю (~1 об. %) вимивають аміачним розчином однохлористої міді. Водяний газ, що застосовується в цьому способі, отримують пропусканням водяної пари над розпеченим коксом. У Останнім часомвсе більше використовують взаємодію водяної пари з пилоподібним вугіллям (перетворення вугільного пилу на гази). Отриманий таким способом водяний газ зазвичай містить велику кількість водню. Водень, що виділяється з водяного газу (містить азот) застосовують головним чином для синтезу аміаку і гідрування вугілля.

7. Фракційне скраплення коксового газу.

Подібно до отримання з водяного газу, водень можна отримувати фракційним зрідженням коксового газу, основний складовоюякого є водень.

Спочатку коксовий газ, з якого попередньо видаляють сірку, очищають від 2 промиванням водою під тиском з подальшою обробкою розчином їдкого натру. Потім поступово звільняють від інших домішок ступінчастою конденсацією, що проводиться доти, доки залишається тільки водень; від інших домішок його очищають промиванням сильно охолодженим рідким азотом. Цей метод застосовують головним чином, щоб одержати водень для синтезу аміаку.

8. Взаємодія метану з водяною парою (розкладання метану).

Метан взаємодіє з водяною парою у присутності відповідних каталізаторів при нагріванні (1100 °С) за рівнянням

СН 4 + Н 2 Опар + 204 кДж (за постійного тиску).

Необхідне для реакції тепло слід підводити або ззовні, або застосовуючи. внутрішнє згоряння", тобто підмішуючи повітря або кисень таким чином, щоб частина метану згоряла до діоксиду вуглецю

СН 4 + 2 Про 2 = СО 2 + 2 Н 2 Опар + 802 кДж (при постійному тиску).

При цьому співвідношення компонентів вибирають з таким розрахунком, щоб реакція загалом була екзотермічною

12 СН 4 + 5 Н 2 Опар + 5 О 2 = 29 Н2 + 9 СО + 3 СО 2 + 85,3 кДж.

З монооксиду вуглецю за допомогою "конверсії" також отримують водень. Видалення діоксиду вуглецю виробляють вимиванням водою під тиском. Отриманий методом розкладання метану водень використовують головним чином при синтезі аміаку та гідруванні вугілля.

9. Взаємодія водяної пари з фосфором (фіолетовим).

2 Р + 8 Н 2 О = 2 Н 3 РО 4 + 5 Н 2

Зазвичай процес проводять таким чином: пари фосфору, що виходять при відновленні фосфату кальцію в електричній печі, пропускають разом з водяною парою над каталізатором при 400-600 ° С (з підвищенням температури рівновага даної реакції зміщується вліво). Взаємодія Н 3 РО 4 з фосфором з утворенням Н 3 РО 3 і РН 3 запобігають швидким охолодженням продуктів реакції (загартування). Цей метод застосовують перш за все, якщо водень йде для синтезу аміаку, який потім переробляють на важливе добриво, що не містить домішок - амофос (суміш гідро-і дигідрофосфату амонію).

10. Електролітичне розкладання води.

2 H 2 O = 2 H 2 + O 2

Чиста вода практично не проводить струму, тому до неї додаються електроліти (зазвичай КОН). При електролізі водень виділяється на катоді. На аноді виділяється еквівалентна кількість кисню, який, отже, у цьому методі є побічним продуктом.

Водень, що виходить при електролізі, дуже чистий, якщо не вважати домішки невеликих кількостей кисню, який легко видалити пропусканням газу над відповідними каталізаторами, наприклад над злегка нагрітим паладированним азбестом. Тому його використовують як гідрогенізації жирів, так інших процесів каталітичного гидрирования. Водень, що отримується цим методом досить дорогий.

Застосування водню.

Нині водень отримують у величезних кількостях. Дуже більшу частинуйого використовують при синтезі аміаку, гідрогенізації жирів та при гідруванні вугілля, масел та вуглеводнів. Крім того, водень застосовують для синтезу соляної кислоти, метилового спирту, синильної кислоти, при зварюванні та куванні металів, а також при виготовленні ламп розжарювання та дорогоцінного каміння. У продаж водень надходить у балонах під тиском понад 150 атм. Вони пофарбовані в темно-зелений колірі постачаються червоним написом "Водень".

Водень використовується для перетворення рідких жирів у тверді (гідрогенізація), виробництва рідкого палива гідрогенізацією вугілля та мазуту. У металургії водень використовують як відновник оксидів або хлоридів для одержання металів та неметалів (германію, кремнію, галію, цирконію, гафнію, молібдену, вольфраму та ін.).

Практичне застосування водню різноманітне: їм зазвичай заповнюють кулі-зонди, в хімічній промисловості він служить сировиною для отримання багатьох важливих продуктів(аміаку та ін.), в харчовій - для вироблення з рослинних олійтвердих жирів і т. д. Висока температура (до 2600 ° С), що виходить при горінні водню в кисні, використовується для плавлення тугоплавких металів, кварцу і т. п. Рідкий водень є одним з найефективніших реактивних палив. Щорічне світове споживання водню перевищує 1 млн т.

Ім'я винахідника: Єрмаков Віктор Григорович
Ім'я патентовласника: Єрмаков Віктор Григорович
Адреса для листування: 614037, Перм, вул.Мозирська, б.5, кв.70 Єрмакову Віктору Григоровичу
Дата початку дії патенту: 1998.04.27

Винахід призначений для енергетики та може бути використаний при отриманні дешевих та економічних джерел енергії. Отримують у незамкненому просторі перегріту водяну пару з температурою 500-550 o C . Перегріту водяну пару пропускають через постійне електричне поле (високої напруги 6000 В ) з отриманням водню та кисню.

Спосіб простий в апаратурному оформленні, економічний, пожежо- та вибухобезпечний, високопродуктивний.

ОПИС ВИНАХОДУ

Водень при з'єднанні з киснем-окисленні займає перше місце за калорійністю на 1 кг палива серед усіх горючих використовуваних для повчання електроенергії та тепла.

Але висока калорійність водню досі не використовується для отримання електроенергії та тепла і не може конкурувати з вуглеводневим паливом.Перешкодою для використання водню в енергетиці є дорогоцінний спосіб його отримання, який економічно не виправдовується. Для отримання водню в основному застосовуються електролізні установки, які малопродуктивні і енергія, витрачена отримання водню, дорівнює енергії, отриманої від спалювання цього водню. Відомий спосіб отримання водню та кисню з перегрітої водяної пари з температурою 1800-2500 o C, описаний у заявці Великобританії

N 1489054 (кл. C 01 B 1/03, 1977)на каталізаторі при пропущенні цієї пари через електричне поле, описаний у заявці Великобританії N 1585527 (кл. C 01 B 3/04, 1981).

До недоліків цього способу відносяться:

неможливість отримання водню в великих кількостях;

енергоємність;

складність устрою та використання дорогих матеріалів;

неможливість здійснення цього способу при використанні технічної води, тому що при температурі насиченої парина стінках пристрою та на каталізаторі утворюватимуться відкладення та накип, що призведе до її швидкого виходу з ладу;

Для збору отриманих водню та кисню використовуються спеціальні збірні ємності, що робить спосіб пожежо- та вибухонебезпечним.

Завданням, на яке спрямовано винахід, єусунення вищезгаданих недоліків, а також отримання дешевого джерела енергії та тепла.

Це досягається тим, що в способі отримання водню і кисню з пари води, що включає пропускання цієї пари через електричне поле, згідно винаходу використовують перегріту пару з температурою Отримують у незамкненому просторі перегріту водяну пару з температуроюта пропускають його через електричне поле постійного струмувисокої напруги, викликаючи тим самим дисоціацію пари та поділ її на атоми водню та кисню.

ПРОПОЗИЦІЙНИЙ СПОСІБ ОСНОВАНИЙ НА НАСТУПНОМУ

Електронний зв'язок між атомами водню та киснюслабшає пропорційно до підвищення температури води. Це підтверджується практикою при спалюванні сухого кам'яного вугілля. Перед тим як спалювати сухе вугілля, його поливають водою. Мокре вугілля дає більше тепла, краще горить. Це походить від того, що при високій температурі горіння вугілля вода розпадається на водень і кисень. Водень згоряє та дає додаткові калорії вугілля, а кисень збільшує обсяг кисню повітря в топці, що сприяє кращому та повному згорянню вугілля.

Температура займання водню від 580 до 590 o C, розкладання води має бути нижчим за поріг запалення водню.

Електронний зв'язок між атомами водню та кисню при температурі 550 o Cще достатня освіти молекул води, але орбіти електронів вже спотворені, зв'язок з атомами водню і кисню ослаблена. Для того, щоб електрони зійшли зі своїх орбіт і атомний зв'язок між ними розпався, потрібно додати електронам ще енергії, але вже не тепла, а енергію електричного полявисокої напруги. Тоді потенціальна енергіяелектричного поля перетворюється на кінетичну енергіюелектрону. Швидкість електронів у електричному полі постійного струму зростає пропорційно квадратного коренянапруги, що додається до електродів.

Розкладання перегрітої пари в електричному полі може відбуватися при невеликій швидкості пари, а таку швидкість пари при температурі 550 o Cможна отримати лише у незамкненому просторі.

Для отримання водню та кисню у великих кількостях необхідно використовувати закон збереження матерії. З цього закону випливає: в якій кількості була розкладена вода на водень і кисень, в такій кількості отримаємо воду при окисленні цих газів.

Можливість здійснення винаходу підтверджується прикладами, що здійснюються у трьох варіантах установок.

Усі три варіанти установок виготовляються з однакових, уніфікованих виробів циліндричної форми із сталевих труб.

Перший варіант
Робота та пристрій встановлення першого варіанта ( схема 1).

У всіх трьох варіантах робота установок починається з приготування перегрітої пари в незамкненому просторі з температурою пари 550 o C. Незамкнутий простір забезпечує швидкість контуру розкладання пари до 2 м/с.

Приготування перегрітої пари відбувається в сталевій трубі із жароміцної сталі /стартер/, діаметр і довжина якого залежить від потужності установки. Потужність установки визначає кількість води, що розкладається, літрів/с.

Один літр води містить 124 л воднюі 622 л кисню, у перерахунку на калорії складає 329 ккал.

Перед пуском установки стартер розігрівається від 800 до 1000 o C/розігрів проводиться будь-яким способом/.

Один кінець стартера заглушений фланцем, через який надходить дозована вода для розкладання на розраховану потужність. Вода у стартері нагрівається до 550 o Cвільно виходить з іншого кінця стартера і надходить в камеру розкладання, з якою стартер з'єднаний фланцями.

У камері розкладання перегріта пара розкладається на водень і кисень електричним полем, що створюється позитивним та негативним електродами, на які подається постійний струм з напругою 6000 В. Позитивним електродом служить сам корпус камери /труба/, а негативним електродом служить труба з тонкостінної сталі, змонтована по центру корпусу, по всій поверхні якої є отвори діаметром по 20 мм.

Труба - електрод є сіткою, яка повинна створювати опір для входу в електрод водню. Електрод кріпиться до корпусу труби на прохідних ізоляторах і з цього ж кріплення подається висока напруга. Кінець труби негативного електрода закінчується електроізоляційною та термостійкою трубою для виходу водню через фланець камери. Вихід кисню з корпусу камери розкладання через сталевий патрубок. Позитивний електрод /корпус камери/ повинен бути заземлений і заземлений позитивний полюс біля джерела постійного струму.

Вихід воднюпо відношенню до кисню 1:5.

Другий варіант
Робота та пристрій установки за другим варіантом ( схема 2).

Установка другого варіанта призначена для отримання великої кількостіводню та кисню за рахунок паралельного розкладання великої кількості води та, окислення газів у котлах для отримання робочої пари високого тискудля електростанцій, що працюють на водні / надалі ВЕС/.

Робота установки, як і в першому варіанті, починається з приготування перегрітої пари у стартері. Але цей стартер відрізняється від стартера у 1-му варіанті. Відмінність полягає в тому, що на кінці стартера приварено відведення, в якому змонтовано перемикач пари, що має два положення - "пуск" та "робота".

Отримана у стартері пара надходить у теплообмінник, який призначений для коригування температури відновленої води після окислення в котлі. К1/ до 550 o C. Теплообмінник / То/ - Труба, як і всі вироби з таким же діаметром. Між фланцями труби вмонтовані трубки з жароміцної сталі, якими проходить перегріта пара. Трубки обтікаються водою із замкнутої системи охолодження.

З теплообмінника перегріта пара надходить у камеру розкладання, таку ж, як і в першому варіанті установки.

Водень і кисень з камери розкладання надходять у пальник котла 1, в якій водень підпалюється запальничкою, утворюється факел. Смолоскип, обтікаючи котел 1, створює в ньому робочу пару високого тиску. Хвіст факела з котла 1 надходить у котел 2 і своїм теплом в котлі 2 готує пару для котла 1. Починається безперервне окислення газів по всьому контуру котлів за відомою формулою:

2H 2 + O 2 = 2H 2 O + тепло

В результаті окислення газів відновлюється вода та виділяється тепло. Це тепло в установці збирають котли 1 і котли 2, перетворюючи це тепло на робочу пару високого тиску. А відновлена ​​вода з високою температуроюнадходить до наступного теплообмінника, з нього в наступну камеру розкладання. Така послідовність переходу води з одного стану до іншого триває стільки разів, скільки потрібно отримати від цього зібраного тепла енергії у вигляді робочої пари для забезпечення проектної потужності ВЕС.

Після того, як перша порція перегрітої пари обійде всі вироби, дасть контуру розрахункову енергію і вийде з останнього в контурі котла 2, перегріта пара по трубі направляється в перемикач пари, змонтований на стартері. Перемикач пари з положення "пуск" перетворюється на положення "робота", після чого він потрапляє в стартер. Стартер відключається /вода, розігрів/. З стартера перегріта пара надходить у перший теплообмінник, а з нього в камеру розкладання. Починається новий витокперегрітої пари по контуру. З цього моменту контур розкладання та плазми замкнутий сам на себе.

Вода установкою витрачається тільки на утворення робочої пари високого тиску, яка береться з обратки контуру відпрацьованої пари після турбіни.

Нестача силових установок для ВЕС- це їхня громіздкість. Наприклад, для ВЕСна 250 МВтпотрібно розкладати одночасно 455 лводи в одну секунду, а для цього потрібно 227 камер розкладання, 227 теплообмінників, 227 котлів/ К1/, 227 котлів / К2/. Але така громіздкість стократ буде виправдана вже тільки тим, що паливом ВЕСбуде тільки вода, не кажучи вже про екологічну чистоту ВЕС, дешевої електричної енергії та тепла.

Третій варіант
3-й варіант силової установки ( схема 3).

Це така ж силова установка, як і друга.

Різниця між ними в тому, що ця установка працює постійно від стартера, контур розкладання пари та спалювання водню в кисні не замкнуть сам на себе. Кінцевим виробом в установці буде теплообмінник із камерою розкладання. Таке компонування виробів дозволить отримувати крім електричної енергії та тепла, ще водень та кисень або водень та озон. Силова установка на 250 МВтпри роботі від стартера витрачатиме енергію на розігрів стартера, воду 7,2 м 3 /годта воду на утворення робочої пари 1620 м 3 /год/водавикористовується із зворотного контуру відпрацьованої пари/. У силовій установці для ВЕСТемпература води 550 o C. Тиск пари 250 ат. Витрата енергії створення електричного поля однією камеру розкладання орієнтовно становитиме 3600 кВт/год.

Силова установка на 250 МВтпри розміщенні виробів на чотирьох поверхах займе площу 114 х 20 мта висоту 10 м. Не враховуючи площу під турбіну, генератор і трансформатор на 250 кВА - 380 х 6000 В.

ВИНАХОД МАЄ НАСТУПНІ ПЕРЕВАГИ

Тепло, отримане при окисленні газів, можна використовувати безпосередньо на місці, причому водень та кисень виходять при утилізації відпрацьованої пари та технічної води.

Невелика витрата води при отриманні електроенергії та тепла.

Простота методу.

Значна економія енергії, т.к. вона витрачається тільки на розігрів стартера до теплового режиму, що встановився.

Висока продуктивність процесу, т.к. дисоціація молекул води триває десяті частки секунди.

Вибухо-і пожежна безпека методу, т.к. при його здійсненні немає необхідності в ємностях для збирання водню та кисню.

У процесі роботи установки вода багаторазово очищається, перетворюючись на дистильовану. Це виключає опади та накип, що збільшує термін служби установки.

Установка виготовляється із звичайної сталі; за винятком котлів, що виготовляються з жароміцних сталей з футеруванням та екрануванням їх стінок. Тобто не потрібні спеціальні дорогі матеріали.

Винахід може знайти застосування впромисловості шляхом заміни вуглеводневого та ядерного палива в силових установкахна дешеве, поширене та екологічно чисте - воду за збереження потужності цих установок.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

Спосіб отримання водню та кисню з пари води, що включає пропускання цієї пари через електричне поле, що відрізняється тим, що використовують перегріту пару води з температурою 500 - 550 o C, що пропускається через електричне поле постійного струму високої напруги для дисоціації пари та поділу його на атоми водню та кисню.

Вам знадобиться

• пластикова пляшка ємністю 1,5 літра, гумова кулька, каструля з водою, гідроксид калію або гідроксид натрію ( каустична сода, їдкий натр), 40 сантиметрів дроту з алюмінію, шматочок цинку, скляна ємність з вузькою шийкою, розчин соляної кислоти, гумова кулька, акумулятор 12 Вольт, дріт з міді, дріт з цинку, скляна посудина, вода, кухонна сіль, .

Інструкція

Заповніть наполовину водою пластикову пляшку. Киньте в пляшку і розчиніть у воді 10-15 г їдкого натру або соди. Поставте пляшку в каструлю із водою. Наріжте алюмінієвий дріт шматочками по 5 см довжиною і киньте в пляшку. Надягніть на горловину пляшки гумову кульку. Що виділяється під час реакції з розчином лугу буде в гумовій кульці. Ця відбувається з бурхливим виділенням – будьте обережні!

Налийте в скляну ємність соляної та киньте в неї цинк. Надягніть на горловину скляної ємності повітряну кульку. Виділяється під час реакції з соляною кислотоюводень збиратиметься в повітряній кулі.

Налийте у скляну ємність воду і розмішайте в ній 4-5 столових ложок кухонної солі. Потім просуньте в шприц з боку поршня мідний дріт. Герметизуйте це місце клеєм. Опустіть шприц у посудину із соляним розчином і відсуваючи поршень, заповніть шприц. Підключіть мідний провід до негативного висновкуакумулятора. Опустіть поряд зі шприцем у розчин солі цинковий дріт і підключіть його до позитивного виведення акумулятора. В результаті реакції електролізу біля мідного дроту виділяється водень, який витісняє контакт мідного дроту з соляним розчином перерветься, і реакція припиниться.

Сучасна назва водню- Гідроген, дав французький знаменитий хімік Лавуазьє. Назва позначає – гідро (вода) та генез (що народжує). Відкрив «горюче повітря», як його раніше називали, Кавендіш у 1766 році, він же й довів, що водень легший за повітря. У шкільній програміз хімії присутні уроки, в яких розповідається не тільки про цей газ, а й спосіб його отримання.

Вам знадобиться

• Колба Вюрца, гідроксид натрію, алюміній в гранулах і пудра, мірна склянка, алюмінієва ложка, штатив, крапельна лійка. Захисні окуляри та рукавички, скіпка, запальничка або сірники.

Інструкція

Перший метод.
Візьміть колбу Вюрца, в якій до горловини припаяна скляна труба відвідна, і краплинну воронку. Зберіть систему на штативі, прикріпивши колбу затискачем та встановивши її на поверхню столу. Зверху в неї вставте краплинну вирву з краником.

Перевірте щільне закріплення всіх систем – колби Вюрца та затиску. Візьміть. Він має бути у гранулах. Покладіть його у колбу. Налийте в краплинну вирву більш-менш насичений розчин. Приготуйте дві ємності для стримування, а також скіпку і запальничку або сірники, щоб її підпалити.

Влийте з крапельної вирви в колбу Вюрца гідроксид натрію, для цього відкрийте кран на вирві. Зачекайте, через деяке розпочнеться виділення водню. Водень з невеликим вмістом заповнить колбу повністю. Щоб прискорити процес, нагрійте колбу Вюрца знизу за допомогою пальника.

Давно хотів зробити таку штуку. Але далі дослідів із батареєю та парою електродів не доходило. Хотілося зробити повноцінний апарат для виробництва водню, в кількостях для того, щоб надути кульку. Перш ніж робити повноцінний апарат для електролізу води в домашніх умовах, вирішив перевірити все на моделі.

Загальна схема електролізера має такий вигляд.

Ця модель не підходить для повноцінної щоденної експлуатації. Але перевірити ідею вдалося.

Отже, для електродів я вирішив застосувати графіт. Прекрасне джерело графіту для електродів це струмознімач тролейбуса. Їх повно валяється на кінцевих зупинках. Потрібно пам'ятати, що один з електродів руйнуватиметься.

Пилимо і допрацьовуємо напилком. Інтенсивність електролізу залежить від сили струму та площі електродів.

До електродів прикріплюються дроти. Провід має бути ретельно ізольований.

Для корпусу моделі електролізера цілком підійдуть пластикові бутилки. У кришці робляться дірки для трубок та проводів.

Все ретельно промазується герметиком.

Для з'єднання двох ємностей підійдуть відрізані шийки пляшок.

Їх необхідно з'єднати разом та оплавити шов.

Гайки виготовляються з пляшкових кришок.

У двох пляшках у нижній частині робляться отвори. Все з'єднується та ретельно заливається герметиком.

Як джерело напруги використовуватимемо побутову мережу 220в. Хочу попередити, що це небезпечна іграшка. Отже, якщо немає достатніх навичок чи є сумніви, то краще не повторювати. У побутовій мережі у нас змінний струм, для електролізу його необхідно випрямити. Для цього чудово підійде діодний міст. Той, що на фотографії виявився мало потужним і швидко перегорів. Найкращим варіантом став китайський діодний міст MB156 в алюмінієвому корпусі.

Діодний міст сильно нагрівається. Знадобиться активне охолодження. Кулер для комп'ютерного процесора підійде якнайкраще. Для корпусу можна використовувати відповідну за розміром розпаювальну коробку. Продається в електротоварах.

Під діодний міст потрібно підкласти кілька шарів картону.

У кришці розпаювальної коробки робляться необхідні отвори.

Так виглядає установка у зборі. Електролізер запитується від мережі, вентилятора від універсального джерела живлення. Як електроліт застосовується розчин харчової соди. Тут слід пам'ятати, що чим вища концентрація розчину, тим вища швидкість реакції. Але при цьому вищий і нагрів. Причому свій внесок у нагрівання вноситиме реакція розкладання натрію у катода. Ця екзотермічна реакція. В результаті її утворюватиметься водень і гідроксид натрію.

Той апарат, що на фото вище, дуже нагрівався. Його доводилося періодично відключати і чекати доки охолоне. Проблему з нагріванням удалося частково вирішити шляхом охолодження електроліту. Для цього я використав помпу для настільного фонтану. Довга трубка проходить з однієї пляшки в іншу через помпу та відро з холодною водою.