Устройство для непрерывной переработки морской воды с выделением из нее обессоленной воды, водорода, кислорода, металлов и других соединений, разделитель ионов для разделения морской воды магнитным полем на обессоленную воду, анолит и католит, отделитель-нейтрализатор для отделения гидратной оболочки от ионов и нейтрализации на них электрических зарядов и генератор водорода

Устройство для непрерывной переработки морской воды с выделением из нее обессоленной воды, водорода, кислорода, металлов и других соединений, разделитель ионов для разделения морской воды магнитным полем на обессоленную воду, анолит и католит, отделитель-нейтрализатор для отделения гидратной оболочки от ионов и нейтрализации на них электрических зарядов и генератор водорода

Реферат

 

Изобретение относится к технологии непрерывной переработки морской воды с выделением из нее пресной воды и сырьевых ресурсов. Устройство для непрерывной переработки морской воды содержит последовательно соединенные разделитель ионов, отделитель-нейтрализатор и генератор водорода, образующие первую технологическую линию. Вторую технологическую линию образуют второй отделитель-нейтрализатор, реактор-смеситель и генератор водорода, работающий на обессоленной воде и щелочном расплаве. Разделитель ионов, предназначенный для разделения морской воды на обессоленную воду, католит и анолит, содержит секцию предварительного омагничивания воды круговым магнитным полем и секцию разделения, выполненную в виде центрального трубопровода, к которому через щели по диаметру присоединены два трубопровода меньшего диаметра для выделения анолита и католита. Отделитель-нейтрализатор для отделения гидратной оболочки от анионов и катионов и нейтрализации на них электрических зарядов содержит патрубки для ввода парообразного католита и анолита, конические сетки, несущие положительный и отрицательный заряды, и нейтрализатор, имеющий металлический шаровой контакт и контакт из расплавленного лития или натрия. Генератор водорода содержит теплоизоляционный корпус с реакционной зоной для взаимодействия расплавленного лития и воды и системой охлаждения реакционной массы с выделением из нее водного раствора гидроокиси лития и водорода. Технический эффект - извлечение из морской воды пресной воды, водорода, кислорода и других ценных продуктов, осуществляемое в непрерывном технологическом процессе. 4 с.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

Данное изобретение - это группа изобретений, которые объединены в единое целое и направлены на получение сырьевых ресурсов из морской воды за счет физико-химических процессов, которым подвергается морская вода, двигающаяся непрерывно по двум технологическим линиям.

Основная цель данного изобретения - замена на всей планете Земля углеводородного топлива (газ, продукты нефтепереработки, уголь, торф) на экологически чистое водородное топливо (чистый водород), а также для обеспечения пресной водой промышленности и сельского хозяйства, а также сырьем для химической и металлургической промышленности.

У рассматриваемого ниже технологического процесса полного аналога нет, т. к. в литературе нет описания технологического процесса, по которому в едином и непрерывном технологическом цикле из морской воды выделяется сразу целый ряд продуктов, указанных выше.

Однако в технологический процесс входят многие технические решения, на основе которых, при их объединении в единый технологический процесс и создано данное изобретение.

1. Из уровня техники известно устройство для разделения морской воды на католит, анолит и обессоленную воду посредством магнитного поля с магнитным потоком, направленным перпендикулярно движению потока воды (SU 361981, 13.12.1972, С 02 F 1/48). Однако наше изобретение конструктивно отличается от предлагаемого изобретения.

2. Из уровня техники известно также устройство для омагничивания воды круговым магнитным полем, описанное Классеном В.И. "Омагничивание водных систем", М. : Химия, 1985, с.157-158. Это изобретение решает поставленную задачу только на половину, т.к. не разделяет воду на анолит - обессоленную воду - католит.

3. Как известно, взаимодействие расплавленного лития и воды сопровождается взрывом, кроме того расплавленный литий является пожароопасным веществом ("Химия и технология редких и рассеянных элементов" К.А. Большаков, часть I, Учебное пособие для вузов, М.: Высшая школа, 1976, с.8, 75).

В рассматриваемом изобретении технологический процесс и конструкция генератора водорода исключают проведение химической реакции получения водорода во взрывоопасном варианте.

4. Однако известно, что проводимость диэлектриков, каким является водяной пар, при высоких напряжениях резко возрастает и начинается ударная ионизация (Краткая химическая энциклопедия, М.: Советская энциклопедия, 1961, с. 1184). На сетки отделителя-нейтрализатора подается напряжение, которое исключает появление ударной ионизации.

5. Наиболее близким аналогом по п. 4 генератора водорода может быть рассмотрена установка для получения водорода термохимическим разложением воды, содержащая реакционную зону и теплообменник (RU 204032, В 01 J 37/00, 27.07.95, 110). Это совсем другой процесс, и он не может конкурировать с рассматриваемым изобретением.

Решение поставленной задачи требует новых высоких технологий, обеспечивающих огромные скорости реакции между компонентами реакции. Данное изобретение базируется на четырех специально разработанных способах, обеспечивающих высокие скорости реакций между реагентами, вплоть до мгновенной скорости реакции - нейтрализация электрических зарядов на ионах, не имеющих гидратных оболочек, с образованием целевого продукта.

Для каждого способа разработан специальный аппарат, в котором проходит соответствующий физико-химический процесс.

Поставленная задача решается тем, что устройство для непрерывной переработки морской воды с выделением из нее обессоленной воды, водорода, кислорода, металлов и других соединений содержит последовательно соединенные разделитель ионов для разделения морской воды магнитным полем на обессоленную воду, анолит и католит, отделитель-нейтрализатор для отделения гидратной оболочки от анионов и катионов и нейтрализации на них электрических зарядов и генератор водорода для получения водорода взаимодействием расплавленного лития и воды, которые образуют первую технологическую линию. Последовательно соединенные второй отделитель-нейтрализатор, реактор-смеситель и генератор водорода, работающий на обессоленной воде и щелочном расплаве, образуют вторую технологическую линию.

Разделитель ионов для разделения морской воды на обессоленную воду, католит и анолит содержит трубопровод, размещенный в магнитном поле, секцию предварительного омагничивания воды круговым магнитным полем, создаваемым катушкой электромагнита, снабженную приспособлением для тангенциального ввода воды. Секция разделения предварительно омагниченной воды посредством магнитного поля с магнитным потоком, перпендикулярным направлению движения воды, выполнена в виде центрального трубопровода, к которому через щели по диаметру присоединены два трубопровода меньшего диаметра для вывода анолита и католита.

Отделитель-нейтрализатор, предназначенный для отделения гидратной оболочки от анионов и катионов и нейтрализации на них электрических зарядов, содержит последовательно соединенные друг с другом устройство для подачи на конические сетки постоянного тока высокого напряжения, отделитель, снабженный патрубками для ввода парообразного католита и анолита, двумя коническими сетками, несущими, соответственно, положительный и отрицательный заряды, двумя гасителями скорости паров анолита и католита и двумя направляющими цилиндрами для ввода не содержащих гидратной оболочки анионов и катионов в нейтрализатор, и нейтрализатор, включающий генератор постоянного тока низкого напряжения и внешнюю цепь генератора, в которую входят металлический шаровой контакт и контакт из расплавленного лития или натрия.

Генератор водорода содержит теплоизоляционный корпус, в котором предусмотрена реакционная зона для взаимодействия расплавленного лития и воды. Корпус также снабжен системой охлаждения реакционной массы холодным теплоносителем с выделением из нее водного раствора гидроокиси лития и водорода, патрубками для отвода водорода и водного раствора гидроокиси лития. Кроме того, генератор имеет патрубки ввода анолита и католита в межтрубное пространство реакционной зоны и патрубки вывода парообразного католита и анолита, снабженные электрическими подогревателями.

Сущность изобретения Устройство для непрерывной переработки морской воды с выделением из нее обессоленной воды, водорода, кислорода, металлов и других соединений базируется на двух технологических процессах, включающих в себя следующие стадии процесса.

Первый технологический процесс.

Стадия I. Разделение морской воды под действием магнитного поля на три фракции: анолит - обессоленная вода - католит, проходящий процесс рассмотрим на примере LiCl а) диссоциация LiCl в Н₂О LiCl --> Li⁺ + Cl^- (1) б) разделение морской воды в разделителе ионов под действием магнитного поля проходит по следующей схеме: Стадия 2. Пути использования анолита и католита, полученных после отделения из морской воды обессоленной воды.

Пути использования анолита и католита являются следующими: а) анолит и католит после выхода из разделителя ионов смешиваются, и смешанный раствор отправляется обратно в океан, где происходит его разбавление до начальной концентрации солей в океане; б) смешанный раствор по пункту (а) направляется на полигон для естественного испарения воды (для стран с жарким климатом) с целью получения естественной морской соли и дальнейшую отправку ее на переработку; в) католит и анолит по отдельным трубопроводам направляются для глубокой переработки на предприятия химического и металлургического профиля с целью получения целевых продуктов (индивидуальных металлов, солей металлов).

В первый технологический процесс вводится только обессоленная вода, а выводятся - водород и кислород.

Стадия 3. Разделение водного раствора LiОН на две фракции: анолит и католит.

Уравнение реакции LiОН --> Li⁺ + ОН^- (4), Li⁺ + nН₂О --> Li⁺ 6Н₂О + (n-6)Н₂О (5), ОН^- + nН₂О --> ОН^- 6Н₂О + (n-6)Н₂О (6).

Стадия 4. Отделение с ионов гидратной оболочки.

Уравнение реакции Стадия 5. Нейтрализация электрических зарядов на ионах Li+ и ОН^- с образованием металлического лития, воды и кислорода.

Уравнение реакции Стадия 6. Получение водорода и: водного раствора LiОН Уравнение реакции 2Li + 2Н₂О --> Н₂ + 2LiОН (3).

Стадия 7. Охлаждение продуктов реакции с помощью абсорбционной холодильной машины.

Абсорбционная холодильная машина предназначена для утилизации тепла, выделяющегося за счет проведения химической реакции между щелочными металлами Li, Na и водой.

Тепловой эффект этой реакции составляет 2Li + 2Н₂О --> Н₂ + 2LiОН + 484 кДж/моль (9, с.248) Стадия 8. Очистная фильтрация щелочного раствора.

Для непрерывной переработки морской воды в описанном выше технологическом процессе разработаны специальные аппараты: - разделитель ионов и промышленный блок разделителей ионов; - отделитель катионов и анионов от гидратной оболочки и нейтрализатор электрических зарядов на ионах (отделитель-нейтрализатор); - генератор водорода; - модернизированная абсорбционная холодильная машина; - фракционный разделитель.

1. Разделитель ионов и промышленный блок разделителей ионов.

На фиг.1 дана схема разделителя ионов и схема промышленного блока разделителей ионов.

Примечание: на листах с чертежами фигур текст названия изобретения сокращен до "Устройство для непрерывной переработки морской воды..." Фиг. 1. Схема разделителя ионов и схема промышленного блока разделителей ионов.

1 - разделитель ионов; 2 - первая секция или секция предварительного омагничивания морской воды; 3 - катушка электромагнита; 4 - вторая секция или секция разделения ионов; 5 - труба для вывода анолита; 6 - ярмо электромагнита; 7 - входная щель для прохода анионов; 8 - труба для вывода обессоленной воды; 9 - катушка электромагнита; 10 - железный сердечник электромагнита; 11 - входная щель для прохода катионов; 12 - труба для вывода католита; 13 - промышленный блок разделителей ионов; 14 - защита от магнитного излучения; 15 - корпус; 16 - трубопровод, собирающий анолит; 17 - трубопровод, подводящий обессоленную воду; 18 - трубопровод, собирающий обессоленную воду; 19 - патрубок для отвода обессоленной воды; 20 - парубок для отвода анолита; 21 - трубопровод, распределяющий морскую воду по разделителям ионов; 22 - трубопровод, собирающий католит; 23 - тангенциальный ввод морской воды в разделитель ионов.

Разделитель ионов предназначен для разделения морской воды под действием магнитного поля на три фракции: анолит - обессоленная вода - католит.

Разделитель ионов представляет собой трубопровод, размещенный в магнитном поле, и дополнительно содержит секцию предварительного омагничивания воды круговым магнитным полем, создаваемым катушкой электромагнита, снабженную приспособлением для тангенциального ввода воды, а секция разделения предварительно омагниченной воды посредством магнитного поля с магнитным потоком, перпендикулярным направлению движения воды, выполнена в виде центрального трубопровода, к которому через щели по диаметру присоединены два трубопровода меньшего диаметра для вывода анолита и католита.

Принцип работы первой секции.

Во входной патрубок 23 (фиг.1) тангенциально подается морская вода с концентрацией солей 3,5 вес.%. Тогда при диссоциации 3,5% соли будет образовано 3,5% катионов и 3,5% анионов /применительно к одновалентным металлам).

При движении водяного потока, текущего в турбулентном режиме, он пересекает магнитно-силовые линии, создаваемые соленоидом. При этом, как показано в (I, с. 47-50, 58), электродинамическое движение ионов в магнитном поле приводит к возникновению микровихрей в зоне действия магнитного поля, что приводит к микротурбулизации системы и как следствие этого явления увеличивается концентрация ионов вблизи стенок трубопровода, что приводит к неоднородности плотности в потоке (в середине потока плотность меньше, чем у стенки трубопровода).

Увеличение времени пребывания потока в магнитном поле приводит к тому, что в центральной части потока ионов становится меньше и происходит их концентрация в переходном слое, существующем между ламинарным и турбулентным движениями в потоке трубопровода.

Таким образом, поток омагниченной морской воды, выходящий из секции предварительного омагничивания морской воды и затем входящий в секцию разделения морской воды на анолит - обессоленную воду - католит, имеет, по площади круга (сечение Г-Г фиг.1), неоднородную структуру: - основная часть ионов (катионы и анионы) сгруппирована в гидродинамическом пограничном слое турбулентного потока, т.е. у внутренней поверхности трубопровода, в результате этого концентрация ионов в поверхностном слое возрастает до 17,5% (по расчету), при этом ионы движутся вместе с потоком в одном направлении (1, c.4); - в центральной части потока содержание ионов минимальное, т.к. большая часть ионов перемещена к внутренней стенке трубопровода за счет совместного действия турбулентного потока, магнитного поля и микровихрей.

Общая концентрация ионов при выходе из первой секции в общем объеме остается без изменения, но увеличивается у внутренней стенки трубопровода.

Принцип работы второй секции.

В основу работы второй секции разделителя ионов положен принцип разделения разноименных зарядов в проводнике, движущемся перпендикулярно магнитному потоку (это как раз то, что происходит в электрических генераторах). Теория этого процесса дана в (2, с.140-142).

В разделителе ионов роль металлического проводника выполняет предварительно омагниченный электролит (морская вода), который движется между двумя полюсами второго магнита (см. фиг.1) перпендикулярно его магнитному потоку и пересекая его, что и приводит к разделению ионов в разные стороны, т.е. отрицательные ионы будут двигаться влево, положительные - вправо.

Так как ионы, выходящие с потоком из первой секции, находятся у внутренней поверхности трубопровода, то в разрезе поток будет представлять круговое кольцо (см. разрезы Г-Г и В-В фиг.1), на периферии которого находятся ионы, а в центральной части кольца - обессоленная вода. В этих условиях за счет совместного воздействия турбулентного потока магнитного поля и микровихрей во второй секции разделителя ионов легче будет разделить ионы, находящиеся в узкой зоне у внутренней стенки трубопровода, и направить согласно их электрическому заряду в соответствующие щели 7 и 11.

В боковых трубах 5 и 12 разделителя ионов магнитное поле отсутствует, поэтому ионы, вошедшие в боковые трубы, обратно выйти не имеют возможности и потоком выносятся из разделителя ионов в соответствующие аппараты технологического процесса. Концентрация катионов и анионов при выходе из разделителя ионов составляет 17,5% соответственно.

Для промышленных целей 10 разделителей ионов, рассмотренных выше, объединяются в блок разделителей ионов, как это показано на фиг.1. Тогда производительность одного блока разделителей ионов составит 8010=800 т/ч обессоленной воды, где 80 - производительность одного разделителя ионов в час.

2. Отделитель катионов и анионов от гидратной оболочки и нейтрализатор электрических зарядов на ионах (отделитель-нейтрализатор).

Процесс отделения с ионов гидратной оболочки проводится в аппарате - отделителе катионов и анионов от гидратной оболочки, совмещенном с нейтрализатором электрических зарядов на ионах.

На фиг.2 показан отделитель-нейтрализатор.

Фиг. 2. Отделитель-нейтрализатор: 24 - отделитель-нейтрализатор; 25 - принципиальная схема установки для подачи на конические сетки 40 и 48 постоянного тока высокого напряжения; 26 - регулятор напряжения; 27 - повысительный трансформатор; 28 - высоковольтный выпрямитель; 29 - колонизующий электрод; 30 - осадительный электрод; 31 - ионизатор; 32 - ввод и вывод высокого напряжения на сетку с положительным зарядом; 33 - патрубок для ввода парообразного католита; 34 - патрубок для ввода парообразного анолита; 35 - ввод и вывод высокого напряжения на сетку с отрицательным зарядом; 36 - теплоизоляционный корпус отделителя-нейтрализатора; 37 - гаситель скорости пара (католита), входящего в аппарат; 38 - форсунка; 39 - контактное кольцо для снятия и подачи положительного заряда с сетки на осадительный электрод ионизатора; 40 - сетка, несущая положительный электрический заряд; 41 - направляющий цилиндр (в виде цилиндрической сетки, несущей положительный электрический заряд); 42 - защитный корпус; 43 - контактное кольцо для подачи положительного электрического заряда на сетку отделителя катионов с высоковольтного выпрямителя; 44 - монтажная площадка; 45 - воронка для направления пара в абсорбционную холодильную машину; 46 - защитный корпус; 47 - направляющий цилиндр (в виде цилиндрической сетки, несущей электрический заряд); 48 - сетка, несущая отрицательный электрический заряд; 49 - контактное кольцо для снятия с сетки и подачи отрицательного электрического заряда на коронирующий электрод ионизатора; 50 - приемник пара, прошедшего через сетки; 51 - форсунка; 52 - гаситель скорости пара (анолита), входящего в аппарат; 53 - контактное кольцо для подачи отрицательного электрического заряда на сетку отделителя анионов от высоковольтного выпрямителя; 54 и 55 - патрубки для ввода и вывода из теплообменника охлажденной и нагретой воды; 56 - патрубок для отвода кислорода; 57 - патрубок для отвода конденсата; 58 - теплообменник; 59 - патрубок для ввода парогазовой (кислород + водяной пар) смеси в теплообменник; 60 - шаровой электрод; 61 - генератор постоянного тока низкого напряжения; 62 - патрубок для отвода пара в абсорбционную холодильную машину; 63 - электролитическая ванна: 64 - патрубок для отвода расплавленного лития; 65 - насос для подачи расплавленного лития в генератор водорода; 66 - патрубок для отвода расплавленного лития.

Отделитель-нейтрализатор предназначен для отделения гидратной оболочки от анионов и катионов и нейтрализации на них электрических зарядов с получением металлического лития, кислорода и реакционной воды.

Отделитель-нейтрализатор представляет собой систему, в которую входят 1. Установка для подачи постоянного тока высокого напряжения на конические сетки отделителя катионов и анионов от гидратной оболочки.

2. Отделитель катионов и анионов от гидратной оболочки, т.е. аппарат для получения катионов и анионов.

3. Нейтрализатор электрических зарядов на катионах и анионах, т.е. получение целевых продуктов Li, О₂ и Н₂О, включая генератор постоянного тока низкого напряжения.

1. Установка для подачи постоянного тока высокого напряжения на конические сетки отделителя катионов и анионов от гидратной оболочки.

Эта установка предназначена для создания на конических сетках высокой напряженности электрического поля, способного оттолкнуть от заряженной сетки одноименный заряд, находящийся на катионе или анионе, т.е. этим полем от сеток отталкиваются катионы или анионы соответственно, но через сетку проходит водяной пар.

Базой для создания установки является агрегат АФ-90-200, предназначенный для очистки газов от примесей в промышленном масштабе.

Этот агрегат имеет максимальное напряжение 90000 В и номинальный ток вторичной обмотки трансформатора 200 мА (8, с.742). Схема показана на фиг.2.

В основу работы установки положен принцип электрической очистки газов (4, с.251-255), но в него внесено следующее изменение: - непрерывный поток очищаемого газа, движущийся в поле положительного и отрицательного зарядов на коронирующем и осадительном электродах, подвергается ионизации, как это описано в (4, с.251-255), здесь мы применяем инертный газ аргон Ar с потенциалом ионизации 15,755 эВ согласно реакции Ar⁰ --> Ar⁺ (14, c.250).

- инертный газ находится в замкнутом объеме, т.е. в герметически закрытом баллоне.

Принцип работы установки (см. фиг.2).

С помощью регулятора напряжения 26, повысительного трансформатора 27, высоковольтного трансформатора 28 на коронирующий электрод 29 и осадительный электрод 30, находящиеся в ионизаторе 31, подается постоянный ток высокого напряжения 90000 В и силой тока 200 мА. В результате этого между коронирующем и осадительным электродами возникает "корона". При возникновении "короны" в герметическом баллоне ионизатора 31 происходит ионизация разреженного газа Ar и при этом образуются электроны и положительно заряженные катионы Ar⁺, под действием электрического поля положительно заряженные катионы Ar⁺ будут двигаться к коронирующему электроду и нейтрализоваться на нем, а отрицательно заряженные электроны будут перемещаться к осадительному электроду и также нейтрализоваться на нем. В результате ионизации газа Ar замыкается внешняя электрическая цепь и происходит движение электрического тока по всей цепи. При этом на конической сетке 40 возникает положительный "+" электрический заряд, а на конической сетке 48 - отрицательный "-" электрический заряд.

2. Отделитель катионов и анионов от гидратной оболочки, т.е. аппарат для получения катионов и анионов.

Отделитель катионов и анионов от гидратной оболочки (сокращенно - отделитель) предназначен для получения катионов и анионов, несущих на себе электрический заряд (Li⁺ и ОН^-), и последующей их подачи в нейтрализатор электрических зарядов на ионах.

Принцип работы отделителя следующий.

Для нормальной работы отделителя ионов от гидратной оболочки в первую очередь должно быть соблюдено следующее: - если пар католита или анолита подавать вовнутрь конических сеток 40 и 48 прямо из генератора водорода, то часть пара католита или анолита, имея большую скорость входящего потока (Р=10⁶ Па, Т=472 К), проскочит конус сетки и находящиеся в паре ионы не освободятся от гидратной оболочки и войдут в направляющие цилиндры 41 и 47 и далее в нейтрализатор, где водяной пар вступит в химическую реакцию с образовавшимся Li, а это преждевременная реакция и ее допустить никак нельзя. При проскоке парообразного анолита из какой-то части анолита не будет образован ион ОН^-, что приведет к побочным реакциям на шаровом электроде, а это не желательно. Выход один - погасить скорость входящего в отделитель пара католита и анолита до минимума, т.е. до скорости прохода пара через сетку и вхождения пара в приемник пара 50. Скорость пара можно отрегулировать скоростью его конденсации в теплообменнике абсорбционной холодильной машины, куда пар из приемника 50 поступает на дальнейший технологический цикл - в системе должно поддерживаться постоянное разрешение, которое образуется за счет конденсации пара на холодной стенке теплообменника в абсорбционной холодильной машины.

Сам процесс протекает следующим образом.

Из генератора водорода (см. фиг.3) в отделитель по разным трубопроводам подаются парообразные католит и анолит с температурой 473 К соответственно к патрубкам 33 и 34. Далее пар разделяется на две равные части и поступает, в распылительные форсунки 38 и, 51 и из них в гаситель скорости пара 37 и 52. Струя пара дополнительно распыляется форсунками на множество мельчайших струй, тем самым увеличивая площадь столкновения двух струй пара, имеющих одинаковую энергию. При столкновении скорость обоих потоков гасится до оптимального значения, т.е. до скорости прохода пара через конические сетки 40 и 48 к холодной сетке теплообменника в абсорбционной холодильной машине.

За счет разрежения, получаемого при конденсации водяного пара, парообразный католит или анолит соответственно из внутренней части конусной сетки устремляется через ячейки сеток 40 или 48 в приемник пара 50, а из него через патрубок 62 в теплообменник абсорбционной холодильной машины (см. фиг. 4), где пар конденсируется и конденсат направляется снова как вода в технологический цикл.

Положительный электрический заряд на всей поверхности сетки 40 и отрицательный электрический заряд на сетке 48 не взаимодействуют с водяным паром, являющимся изолятором, и поэтому пар свободно проходит через сетку, а катионы, например Li⁺, за счет высокой температуры 473 К и давления 10⁶ Па, находясь уже без гидратной оболочки, подойдя к сетке, имеющей положительно заряженное электрическое поле, отталкивают катион Li⁺ к центру конусообразной сетки, т.к. одноименные заряды отталкиваются друг от друга, но одновременно, с движением катионов к центру конической сетки они двигаются вниз к отрицательно заряженному электроду (расплавленный литий, по которому течет электрический ток), т.к. разноименные заряды притягиваются друг к другу. Катионы или анионы существуют только в электрическом поле высокого напряжения под вакуумом.

На выходе из конической сетки катионы Li⁺ концентрируются в катионный пучок за счет кругового воздействия электрического поля высокого напряжения, входят в направляющий цилиндр и затем в виде катионного пучка непрерывно падают на расплавленный литий, по которому течет электрический ток, т.е. электроны, за счет которых и происходит реакция Аналогично проходит процесс на ионе Нейтрализация электрических зарядов на ионах и является продолжением стадии 4, проводимой в аппарате-отделителе катионов и анионов от гидратной оболочки, совмещенном с нейтрализатором электрических зарядов на ионах (см. фиг.2).

Процесс нейтрализации электрических зарядов проходит в нейтрализаторе, который является третьей составляющей аппарата - отделитель катионов и анионов от гидратной оболочки.

Нейтрализатор предназначен для проведения мгновенных электрохимических реакций с ионами, например с Li⁺ и ОН^-.

Нейтрализатор представляет собой систему, состоящую из генератора 61 постоянного тока низкого напряжения и внешней части цепи генератора, которая включает в себя - металлический шаровой контакт 60; - контакт 63 из расплавленного лития; - направляющий цилиндр 47 для подачи на контакт иона Li⁺; - направляющий цилиндр 60 для подачи на контакт иона ОН^-; - теплообменник 58 для охлаждения О₂ и паров Н₂О; - насос 65 для перекачки расплавленного лития в генератор водорода.

Из описанной выше схемы видно, что протекающий в нейтрализаторе процесс - это не процесс электролиза, т.к. отсутствует электролит, а следовательно, нет перемещения ионов по внешней цепи генератора через электролит. Это процесс нейтрализации электрически заряженной частицы, который происходит за счет отдачи анионом и присоединения катионом электронов, т.е. происходит межионная передача электронов от анионов к катионам, при этом анион окисляется, а катион восстанавливается.

Принцип работы нейтрализатора (по схеме фиг.2).

При нейтрализации электрических зарядов на катионах и анионах осуществляется принцип межионной передачи электронов от аниона к катиону по внешней цепи генератора 61 постоянного тока (сокращенно - генератор).

Суть этого принципа рассмотрим на реакциях (9) и (10).

Согласно реакции (10) при окислении четырех гидроксидов ОН^- образуется О₂ и Н₂О и освобождаются Согласно реакции (9) на восстановление четырех катионов лития Li⁺ требуется Таким образом, при совместном проведении реакций (9) и (10) имеется полный баланс по электронам, т.е. четыре электрона освобождаются по реакции (10) и четыре электрона расходуется на проведение реакция (9).

Технически этот вопрос решается следующим образом.

Во внешнюю цепь генератора 61 подсоединяется шаровой контакт 60, на котором проходит реакция (10).

Для того чтобы на шаровом контакте 60 прошла реакция (10) нужно непрерывно отводить электроны, которые на изолированном шаровом контакте 60 могут хаотично стекать с шарового контакта 60 по всем направлениям. Этого допустить нельзя. Поэтому через шаровой контакт 60 течет электрический ток, вырабатываемый генератором постоянного тока со строгим направлением движения электронов от зажима "+" к зажиму "-" внешней цепи генератора постоянного тока. Электроны, выработанные генератором, "увлекают" за собой и электроны, полученные при прохождении на контакте 60 реакции (10).

Таким образом, к электронам, образованным генератором 61 в количестве Q₁ и текущих по внутренней и внешней цепям генератора, дополнительно на контакте 60 во внешнюю цепь "вливаются" электроны, образованные по реакции (10) в количестве Q₂.

Общее количество электронов, текущих во внешней цепи, после контакта 60 будет равно Q₁+Q₂. Это количество электронов, за счет созданного генератором направления движения электронов во внешней и внутренней цепях (от "+" к "-") также потекут по этому направлению, по другому не может быть.

Электроны, достигнув контакта 63 в количестве Q₁+Q₂, вступают в реакцию (9), на проведение которой будет израсходовано электронов в количестве Q₂, и при этом будет соблюден закон сохранения энергии и массы.

Оставшиеся после прохождения контакта 63 электроны в количестве Q₁ поступают через зажим "-" генератора обратно во внутреннюю цепь и начинается повторение цикла.

Контакт 63 представляет собой ванну с расплавленным литием, по которому течет электрический ток, т.е. электроны. Восстановившийся катион Li⁺ переходит в атом лития и тут же плавится. По мере накопления расплавленного лития он выводится из ванны.

Из выше сказанного следует, что генератор 61 постоянного тока является переносчиком электронов от реакции (10) к реакции (9). Продукты реакции О₂ и Н₂О через трубопровод 59 и теплообменник 56 выводятся из нейтрализатора: - кислород на компрессорную станцию; - вода на повторный цикл.

В этом процессе от внешнего источника энергии работает только генератор 61 постоянного тока, обеспечивающий направление движения электронов, полученных по реакции (10).

3. Генератор водорода.

На фиг.3 представлена схема генератора водорода.

Фиг.3. Схема генератора водорода: 67 - генератор водорода для первой технологической линии, работающий на металлическом литии; 68 - патрубок для вывода парообразного католита с заданной температурой; 69 - патрубок для вывода анолита с заданной температурой; 70 - теплоизоляционный корпус генератора водорода; 71 - перегородка (две штуки) отделяет католит от анолита в межтрубном пространстве реакционной зоны; 72 - кольцевой питатель генератора водорода (конденсат + обессоленная вода); 73 - форсунка; 74 - трубопровод для подачи реагента (вода или расплавленный литий) в форсунку; 75 - распределитель расплавленного лития по форсункам; 76 - траектория теоретического распыления форсунками воды или расплавленного лития; 77 - зона реакции; 78 - кольцевой питатель генератора водорода расплавленным литием; 79 - патрубок для ввода анолита в межтрубное пространство реакционной зоны; 80 - зона охлаждения продуктов реакции; 81 - теплообменник; 82 - трубопровод для отвода водорода; 83 - патрубок для отвода водного раствора LiОН; 84 - два патрубка для ввода холодного теплоносителя; 85 - патрубок для вывода нагретого теплоносителя; 86 - патрубок для ввода католита в межтрубное пространство реакционной зоны; 87 - патрубок для ввода расплавленного лития в кольцевой питатель; 88 - распределитель воды по форсункам; 89 - патрубок для ввода воды в кольцевой питатель; 90 - электрический подогреватель паров католита до заданной температуры; 91 - электрический подогреватель паров анолита до заданной температуры.

Генератор водорода предназначен для получения водорода согласно реакции (3): 2Li + 2Н₂О --> Н₂ + 2LiОН (3).

Реакция взаимодействия щелочного или щелочноземельного металлов с водой осуществляется в гетерогенной фазе.

Если процесс осуществляется в гетерогенной системе между реагентами, находящимися в разных фазах, то реакция осуществляется на поверхности раздела фаз. Тогда число актов реакции относится не к единице объема, а к единице поверхности и размерность w (скорость реакции) измеряется как моль/ссм². Примером таких реакций могут быть процессы горения многих твердых веществ в среде газообразного окислителя (О₂, Cl₂ и т.п.) или действием воды на активные металлы (6, с.205-206).

Из этого следует, что для создания высокой скорости реакции (3) нужно создать большую поверхность у расплавленного лития и воды, вводимых в зону реакции.

Как этот вопрос решен показано ниже.

Генератор водорода представляет собой 1. Реакционную камеру 77, охлаждаемую католитом и анолитом. Здесь проходит взаимодействие лития с водой по реакиии (3). За счет тепла реакции и электрических подогревателей 90 и 91 католит и анолит испаряются и с температурой 473 К и давлением 10⁶ Па направляются в отделитель ионов от гидратной оболочки для получения ионов (стадия 4).

2. Зону охлаждения продуктов реакции, где на теплообменниках 81, охлаждаемых холодной водой, продукты реакции охлаждаются до температуры 373 К.

3. Плотность насыщенного водяного пара равна 0,5977 г/л (при 100^oС и 1 атм) (см. 8, с.607); плотность водорода 0,0899 г/л (при 0^oС и 1 атм) (см.8, с. 620); водород в 7 раз легче водяного пара (0,5977:0,0899=7), поэтому он легко будет отделяться от водяного пара и конденсата и уходить в трубопровод 82.

4. Водород также легко отделится от водного раствора LiОН и по трубопроводу 82 будет отводиться из генератора водорода.

5. Щелочной раствор через патрубок 83 направляется на центрифугу для отделения твердой примеси, т.е. проводится очистная фильтрация.

Принцип работы генератора водорода следующий.

В восемнадцать форсунок 73 подается одновременно - в 9 форсунок расплавленный литий со стадии 5; - в 9 форсунок вода (конденсат и обессоленная вода) со стадии 7 и 1.

За счет повышенного давления при подаче жидкостей в форсунки происходит закручивание жидкостей в форсунках и на выходе из сопла происходит распыление лития и воды на мельчайшие капли, которые, двигаясь навстречу друг другу и сталкиваясь, мгновенно вступают в реакцию между собой (Li и ₂О), образуя при этом согласно реакции (3) водород и гидроксид лития.

За счет теплового эффекта реакции не вступившая в реакцию вода превращается в пар.

Избыточное тепло, оставшееся после нагрева католита и анолита, отбирается из зоны реакции 77 в теплообменниках 81. В трубах теплообменника течет вода, охлажденная до +1^oС. Нагретый теплоноситель в виде пара через патрубок 85 наплавляется в абсорбционную холодильную машину для получения холода, необходимого для ведения технологичес