Устройство и способ получения газа

Устройство и способ получения газа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области химической технологии и, более конкретно, к электролизу воды, и предлагает способ получения потока газа путем прохождения потока воздуха по ионной поверхности, применимый при производстве электроэнергии.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Аммиак является важным соединением при производстве пищевых продуктов и будет продолжать применяться и дальше либо в виде аммиака в жидкой фазе, либо в виде соединений азота, таких как нитраты и мочевина. Другим предполагаемым применением является применение в качестве топлива, вследствие использования аммиака в двигателе внутреннего сгорания будут образовываться такие безвредные продукты, как азот и вода.

Получение азота из воздуха имеет длинную историю. В 1895 Рэлей (Ragleigh) обнаружил, что получить азот при прохождении воздуха через электрическую дугу невозможно. В 1900 норвежцы Birkeland и Eyde разработали способ, основанный на указанном обнаружении. Полученный продукт (нитрат кальция), известный как «норвежская селитра», был единственной успешной попыткой в течение длительного времени. Попытки разработать более эффективный способ продолжались, и в 1918 году Нобелевская премия по химии было присуждена Фрицу Габеру (Fritz Haber) за открытие научной основы для разработки промышленного способа, который носит его имя и на котором были основаны большинство способов, составляющих текущую технологию получения аммиака в промышленных масштабах. В большинстве из указанных способов, хотя азот и получают из воздуха, источником применяемого водорода являются углеводороды или электролиз воды.

Несколько улучшений по существу не изменили открытие Габером способа получения аммиака, которое коротко можно описать как приведение в контакт азота из воздуха и водорода при самой низкой температуре, в присутствии катализатора при повышенных давлении и температуре.

Уникальные процессы, проводимые при температуре и давлении окружающей среды и позволяющие улавливать азот из воздуха, протекают в бобовых растениях естественным путем. Азот объединяется и образует такие соединения, как нитраты, которые закрепляются непосредственно на почве или на корнях растений и улучшают производительность сельскохозяйственных культур.

По этой причине улавливание азота из воздуха было названо фиксацией азота. Другие описанные способы представляют собой усовершенствования указанного способа и, в общем, исходили из специализированных микроорганизмов, улучшенных главным образом путем генетических модификаций, и работают в тщательно кондиционированных условиях окружающей среды.

Другие изобретения в этой области характеризуются методами поиска очищенного водорода и конверсии газообразного азота в качестве сырьевых материалов для получения газообразного аммиака или других азотсодержащих газов, образующихся при химической реакции. Все упомянутые выше процессы имеют то общее, что рабочие условия являются экстремальными.

Например, Louis O′Hare в патенте США 4451436, «Nitrogen Fixation by Plasma and catalyst» использовал электрический разряд электрода при частотах от 60 до 600 Гц и напряжениях от 6 до 10 киловольт для проведения реакции молекул и атомов азота и водорода в плазменном состоянии в присутствии катализатора. Чтобы избежать рекомбинации продуктов, использовали ультрафиолетовое излучение.

Подобным образом, в патенте США 4482525 Hao-Lin Chen, озаглавленном «Nitrogen Fixation Apparatus”), использовали электрическую дугу и фиксировали азот из воздуха с помощью специально спроектированной камеры для достижения надлежащего соотношения энергии и давления (5 и 55 кВ/атмосферный кислород/см) при температуре 3000 K с получением как азота, так и кислорода в возбужденном колебательном состоянии, для получения, в конечном счете, закиси азота.

В патенте США 7811442 «Method and Apparatus for Anhydrous Ammonia Production» John H. Holbrook и Jason K. Handley, опубликованном в октябре 2011 года, использовали водный электролит в паровой фазе, генератор протонов с перовскитом и легирующей примесью при температуре от 400°С до 800°С и давлении в диапазоне от 10 до 300 атмосфер. Легирующие примеси представляли собой щелочноземельные металлы и другие элементы, такие как La, Се, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Sc, Y, Lu, В, Al, Ga, In, Sb, Bi, Cr, Fe, Ru, Os, Co, Rh; и применяемый электрокатализатор представлял собой оксиды, сульфиды и сплавы Pt, Pd, Ni, Co, Cu, Ag, W, Os, Ru, Rh, Ir, Cr, Fe, Mo, V, Re, Mn, Nb, Та.

С другой стороны, хорошо известны технологии получения чистого водорода посредством электролиза из воды с применением щелочного электролита. В последние годы были выданы несколько патентов, относящихся к усовершенствованию компонентов основных электрохимических элементов, в частности, направленных на улучшение электродных материалов, и главным образом, патенты, касающиеся усовершенствования проницаемых мембран и мембранных реакторов.

Однако производство водорода наносит в настоящее время ущерб окружающей среде различной природы и разных уровней тяжести.

С другой стороны, в промышленности функционируют два типа элементов; твердооксидные элементы и щелочные элементы. В последних элементах используют концентрации гидроксида натрия или калия в диапазоне от примерно 3N до 5N и температуры от 70°С до 90°С. Напряжения элементов составляют от 1 до 2,2 вольт (эффективности от 68% до 80%) и ток составляет примерно 150 мА/см² электрода. Желательно не работать при значениях выше термонейтрального потенциала, поскольку выше этого значения работа оказывается неэффективной вследствие излучения элементом энергии, расходуемой впустую.

Значения напряжения и тока в элементе согласно настоящему изобретению близки к значениям обратимого потенциала реакции диссоциации воды на водород и кислород, особенно, когда электроды закрыты и между ними остается очень маленькое расстояние. В щелочном электролите с концентрацией гидроксида натрия или калия от 1N до 1,5N, образуются ионы, которые достигают поверхности. Если поверхность водной жидкости не изолирована, уменьшение объема жидкости с течением времени не принимают во внимание. Кроме того, не наблюдают ассоциации ионов в водной фазе.

Если присутствие воздуха можно избежать, водород можно собрать с катода на поверхности жидкости различными способами. Способ, применяемый согласно настоящему изобретению, реализуют с применением пены с учетом способности к омылению щелочных гидроксидов.

Все современные промышленные способы получения аммиака осуществляют при повышенном давлении (примерно 400 атмосфер) и высокой температуре (примерно 260°С). Их техническая и научная основа опирается на способ Габера-Боша, разработанный в девятнадцатом веке. Рабочие условия процессов, основанные на открытии Габера, требуют дорогостоящей инфраструктуры из-за материалов для контейнеров и труб. Системы управления технологическими операциями являются сложными, при этом как транспортировку сырьевых материалом, так и контакт с ними, следует осуществлять осторожно из-за внутренне присущих рисков.

С другой стороны, в способах, применяемых в настоящее время, обеспечение водородом обычно включает усложненную технологию его выделения из исходных материалов, будь то углеводороды, уголь или другие производственные отходы, это приводит к тому, что проблема, связанная с загрязнением окружающей среды, переносится с предприятия по производству аммиака на предприятие по производству водорода. Все перечисленные выше способы включают значительные затраты энергии.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящем изобретении приведена информация, которая позволяет обеспечить безопасное и экономичное снабжение водородом и другими газами при давлении окружающей среды и низких температурах в ионной среде и, предпочтительно, непосредственно на месте.

Способ согласно настоящему изобретению приводит к получению аммиака при давлении окружающей среды и температуре, более низкой, чем температура кипения воды.

В отличие от описанных выше способов, в настоящем изобретении благодаря рабочим условиям не требуется дорогостоящего оборудования и аммиак, при необходимости, можно получить непосредственно на месте.

Настоящее изобретение основано на свойстве допамина увеличивать подвижность ионов в водных растворах, а также число ионного переноса, в частности, по поверхности ионного раствора.

Таким образом, можно объяснить образование водорода в щелочной водной среде, которое происходит при продувании воздуха по поверхности водной среды, содержащей допамин и ионы. Молекулы азота и пар активируются, что позволяет протекать реакции, приводящей к образованию газообразного аммиака.

Эффективность улучшается при усилении ионизации в результате электролиза водного раствора, протекающего в электрохимическом элементе.

Электролит содержит водный раствор, содержащий допамин и щелочную электролитическую основу, которая увеличивает проводимость раствора при низких концентрациях.

Получение несвязанного газообразного водорода при низкой температуре и давлении окружающей среды происходит в других случаях, как в стандартном электрохимическом элементе, так и в воде и допамине при применении щелочного поддерживающего электролита.

Получение других газов согласно настоящему изобретению обеспечивают путем разложения подходящих солей, добавленных в водный раствор электролита, или путем непосредственного контакта газообразных соединений на ионной поверхности.

При производстве газа не происходит значительного увеличения температуры реакции.

Настоящее изобретение позволяет получить водород и применять его, независимо от того находится ли он в форме аммиака или чистом виде, непосредственно на месте; что делает возможным несколько применений, наиболее важным из которых является обеспечение альтернативного топлива.

В настоящем изобретении основным сырьевым материалом в количественном отношении является вода, которую не используют в значительных количествах при реализации указанного способа, далее следуют природный или синтетический допамин, в тех же отношениях, и щелочная электролитическая основа. При необходимости управления указанным способом посредством электрической энергии в электрохимических элементах для повышения эффективности, указанное управление можно осуществить с помощью солнечной энергии, поскольку в этом случае такое требование в отношении доступных технологий обеспечения энергии является в достаточной мере достижимым.

Кроме того, согласно настоящему изобретению возможно получение аммиака и водорода или их смесей из щелочного раствора, содержащего допамин, путем увеличения концентрации ионов на поверхности жидкости любыми средствами, в том числе за счет увеличения поверхностного натяжения жидкости, небольшого повышения температуры и удаления образовавшихся газов путем предотвращения или разрешения доступа воздуха, в зависимости от конкретного случая.

Щелочной электролит, описанный в предыдущем абзаце, можно улавливать щелочной матрицей, содержащей гигроскопические соединения и металлические сплавы, оксиды, гидроксиды или смолы, что обеспечивает экономичное применение указанной технологи.

Получение перечисленных газов осуществляют при давлении окружающей среды. Согласно предложенному способу электродные материалы вызывают повышение температуры, но до более низкой величины, чем температура кипения воды, что может происходить естественным образом или за счет подачи тепловой энергии.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно приведенному выше описанию, задачей настоящего изобретения является обеспечение способа получения газового потока, содержащего аммиак, водород и углеводород, при котором поток влажного воздуха приводят в контакт с поверхностью слоя твердого катализатора и ионной водной поверхностью, образовавшейся под воздействием двух металлических электродов, активизированных электрическим током. Указанные электроды могут быть униполярными, биполярными, пористыми или гранулированными; и они могут представлять собой металлические сплавы, выбранные из железа, никеля, меди, углерода, никеля, цинка, олова, магния, алюминия, титана, золота и серебра, при этом при предпочтительной компоновке указанные электроды выполняют стальными в качестве анода и медными в качестве катода.

Первоначально, поток влажного воздуха проходит через полупроницаемый барьер, содержащий ильменит, на котором он взаимодействует, и далее указанный поток реагирует с водной ионной поверхностью, образованной электролитом, содержащим допамин в количестве от 0,5 до 15% по массе относительно водного раствора, при этом допамин можно экстрагировать из сока банана или также можно использовать гидрохлорид допамина.

Электролит дополнительно содержит гидроксид натрия, гидроксид калия и/или 1,2-дигидроксибензол при концентрации от 1N до 2N в качестве поддерживающего электролита; диссоциируемую соль, которую можно выбрать из вольфрамата натрия (Na₂WO₄.2H₂O), молибдата натрия (Na₂MoO₄.2Н₂О) и/или нерастворимых в воде оксидов или гидроксидов металлов, таких как железо, никель, барий, кальций и магний. При необходимости используют источник тепловой энергии для достижения требуемых значений температур. Значения температуры могут меняться от 12 до 80°С при давлении окружающей среды или в вакууме.

Задачей настоящего изобретения является получение водородсодержащих газов, таких как водород, углеводороды и аммиак, предпочтительно, аммиак и водород, с помощью способа, описанного выше.

Еще одна задача настоящего изобретения заключается в обеспечении способа получения аммиака, водорода и углеводородов, выполняемого в описанных выше условиях, с применением вместо воздуха чистого азота, пара или другого газа в качестве другого варианта реализации изобретения.

Другая задача настоящего изобретения заключается в обеспечении способа получения потока газа, содержащего аммиак, водород и углеводороды, в котором применяемый электролит представляет собой галогеновую соль элементов из первой колонки периодической таблицы, причем дополнительно получают другие газы, в смешанной форме или чистом виде.

Еще одной отличительной характеристикой настоящего изобретения является то, что газообразный водород газ извлекают в пену, образованную поверхностно-активными веществами.

Другая задача настоящего изобретения заключается в обеспечении устройства для получения потока газа, содержащего аммиак, водород и углеводороды, состоящего из цилиндрической трубки (1), расположенной горизонтально, имеющей два противоположных отверстия меньшего диаметра (2) и (3); анода из проволоки (4), подсоединенного к положительному полюсу источника питания через проволочный провод; катода (5), состоящего из обмотки вокруг анода, подсоединенного к отрицательному полюсу источника питания, при этом анод и катод погружены в электролит, расположенный в нижней части трубки и покрывающий электроды; и пористого керамического барьера (6) вблизи отверстия (2).

Согласно способу, предложенному в настоящем изобретении, поток влажного воздуха или газ проходит через отверстие (2) через барьер (6), при этом влажный воздух взаимодействует с ильменитом, который изнутри покрывает керамическую поверхность, с образованием аммиака, который проходит через активную поверхность, возникшую под воздействием ионов, образованных анодом (4) и катодом (5), при этом образуется облако ионизированного пара, которое возвращается и взаимодействует с азотом из воздуха на барьере, образуя газы, которые попадают в отверстие (3), где их улавливают.

Цилиндрическая трубка (1) изнутри покрыта слоем металлического катализатора.

Согласно способу, предложенному в настоящем изобретении, применяемое напряжение составляет от 0,5 до 6 вольт/см² катода.

Возможность получения чистого водорода или аммиака непосредственно на месте для практического применения, например, в автомобилях, не только само по себе является большой экономией благодаря благоприятным условиям, предложенным в настоящем изобретении для генерирования указанных газов, но когда такое получение происходит в нужном месте и в требуемом количестве, отсутствует необходимость компримирования газов или их хранения.

Из-за фактического энергетического кризиса повышение производственных затрат приводит к серьезным последствиям, включающим безработицу, что вынуждает ведущие правительства во всем мире совершать нежелательные действия для достижения доминирования над ресурсами, имеющими стратегическое значение; настоящее изобретение связано с усовершенствованием технологий производства в разных отраслях промышленности и внедрением новых технологий и, кроме того, его применение уменьшит вредное воздействие, которое человеческая деятельность оказывает на окружающую среду, и будет способствовать миру во всем мире.

Следующие примеры более подробно иллюстрируют изобретение, но не ограничивают его объем.

ПРИМЕРЫ

Анализы выполнялись партиями и непрерывно.

Пример 1 - Получение аммиака, водорода и углеводородов.

Анализы выполняли в электрохимическом элементе полунепрерывного действия, содержащем следующие компоненты, при давлении и температуре окружающей среды:

1. Источник питания с регулируемыми током, напряжением и интенсивностью.

2. Цилиндрическую стеклянную трубку диаметром 96 мм, длиной 220 мм, расположенную горизонтально, с двумя противоположными отверстиями меньшего диаметра.

3. Анод, состоящий из проволоки из нержавеющей стали, AISI 316, диаметром 3 мм, длиной 250 мм (площадь погружения 2000 мм²), подсоединенный к положительному полюсу источника питания с помощью соединительного провода. Металл предварительно обрабатывали концентрированной азотной кислотой для пассивирования металла.

4. Катод, состоящий из сплошного провода из медного сплава размером 2 мм, обмотанного вокруг анода, в катушках диаметром 1 см, подсоединенный с помощью соединительного провода (площадь погружения 6000 мм²) к отрицательному полюсу источника питания.

5. Жидкий электролит объемом 150 см³, содержащий водную смесь гидроксида натрия 1N и 10 см³ выжимки из банана (площадь поверхности жидкости 2000 мм²), расположенный в нижней части контейнера и покрывающий электроды.

6. Пластмассовую трубку диаметром 5 мм, через которую продували влажный воздух со скоростью 100 см³/с через пористую керамику по всей поверхности электролита. Относительная влажность 30%.

7. Пористая керамическая поверхность, импрегнированная ильменитом (Ti-Fe) с площадью поперечного сечения 6000 мм, открытая к воздействию воздуха.

8. Постоянный ток (3В и 3А).

9. Пластмассовую трубку, которая позволяет выделяться продуктам реакции.

Во время проведения экспериментов наблюдали, что туман ионизированного пара был направлен против воздушного потока по направлению к керамической поверхности. В выходном потоке из электрохимического элемента полунепрерывного действия были обнаружены различные концентрации аммиака, водорода, кислорода и азота с помощью количественных аналитических исследований. Быстрый качественный анализ выходящего потока из электрохимического элемента при введении в него бумаги, пропитанной соляной кислотой, позволил обнаружить белые облака хлорида аммония.

Пример 2

Повторяли условия реакции, описанные в примере 1, за исключением того, что добавляли 15, 20 и 25 см³ выжимки из банана.

Пример 3

Повторяли условия реакции, описанные в примере 1, за исключением того, что вместо экстракта бананового сока добавляли гидрохлорид допамина. В последующих экспериментах добавляли 5, 50, 100 и 150 мг раствора гидрохлорида допамина, содержащегося в пузырьках. Каждый пузырек объемом 5 см³ содержал 200 мг допамина.

Пример 4

Повторяли условия, описанные в примере 2, за исключением того, что медный катод заменяли катодами из Zn, Mg, Ti сплавов, сплава Вуда, сталей, бронзовых и алюминиевых сплавов.

Пример 5

Повторяли те же условия работы электрохимического элемента, что и в примере 1, за исключением того, что применяли углеродный катод, что привело к появлению мелких углеродных частиц в электролите, в результате чего при выходном токе образовались смеси горючих газов.

Пример 6

Повторяли те же условия работы электрохимического элемента, что и в примере 1, при этом к электролиту дополнительно добавляли фосфат кальция Са₃(РО₄)₂ и гидроксид никеля Ni(ОН)₂.

Пример 7 - Способ получения водорода

Электрохимический элемент периодического действия, содержащий:

1. Источник питания с регулируемыми током, напряжением и интенсивностью.

2. Цилиндрическую стеклянную трубку диаметром 96 мм, длиной 220 мм, вертикально расположенную, с двумя параллельными отверстиями меньшего диаметра.

3. Анод из проволоки из нержавеющей стали, AISI 316, диаметром 3 мм, длиной 250 мм (площадь погружения 2000 мм²), подсоединенный к положительному полюсу источника питания с помощью соединительного провода. Металл предварительно обрабатывали концентрированной азотной кислотой для пассивирования металла.

4. Катод, содержащий обмотанную проволоку из твердого медного сплава размером 2 мм, образующую катушки диаметром 1 см, подсоединенный с помощью соединительного провода (площадь погружения 6000 мм²) к отрицательному полюсу источника питания.

5. Жидкий электролит объемом 300 см³, содержащий водную смесь гидроксида натрия 1N и 10 см³ выжимки банана, покрывающий электроды.

6. Пористый барьер, разделяющий оба электрода, так что расстояние между ними составляло 4 мм.

7. Постоянный ток (3В и 3А)

Водород собирали через отверстие в катоде, и кислород собирали через отверстие в аноде под вакуумом в цилиндрической трубке.

Пример 8

Повторяли условия реакции, описанные в примере 6, за исключением того, что объемы выжимки банана составляли 15, 20 и 25 см³.

Пример 9

Повторяли условия реакции, описанные в примере 7, за исключением того, что вместо допамина из выжимки банана добавляли гидрохлорид допамина. В последующих экспериментах добавляли 5, 50, 100 и 150 мг раствора гидрохлорида допамина, содержащегося в пузырьках. Каждый пузырек объемом 5 см³ содержал 200 мг допамина.

Пример 10

Повторяли условия реакции, описанные в примере 6, за исключением того, что медный катод заменяли на катоды из Zn, Mg, Ti сплавов, сплава Вуда, различных сталей, бронзовых и алюминиевых сплавов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 - Устройство для получения газового потока, содержащее цилиндрическую трубку (1), расположенную горизонтально, имеющую два противоположных отверстия (2) и (3) меньшего диаметра; анод из проволоки (4), подсоединенный к положительному полюсу источника питания с помощью соединительного провода; катод (5), подсоединенный к отрицательному полюсу источника питания, содержащий обмотку вокруг анода; и пористый керамический барьер (6).

1. Способ получения потока газа, содержащего аммиак, водород и углеводород, при котором поток влажного воздуха приводят в контакт с поверхностью слоя твердого катализатора и ионной водной поверхностью, образованной под воздействием металлических электродов, активизированных электрическим током; после прохождения через полупроницаемый барьер, где указанный поток взаимодействует с ильменитом, содержащимся на поверхности барьера, при температуре в диапазоне от 12 до 80°С и давлении окружающей среды или в вакууме, с получением потока газа.

2. Способ производства потока газа по п. 1, отличающийся тем, что поток влажного воздуха взаимодействует на водной ионной поверхности, образованной электролитом, содержащим:(a) допамин;(b) гидроксид в качестве поддерживающего электролита;(c) диссоциируемую соль и/или оксид или гидроксид.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что количество допамина составляет от 0,5 до 15% по массе относительно водного раствора.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что допамин выбран из выжимки банана и гидрохлорида допамина.

5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что оксид и гидроксид нерастворимы в воде.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что металлические электроды представляют собой монополярные, биполярные, гранулированные или пористые электроды.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что металлические электроды представляют собой металлические сплавы, выбранные из железа, никеля, меди, углерода, никеля, цинка, олова, магния, алюминия, титана, золота и серебра, предпочтительно, стали в качестве анода и меди в качестве катода.

8. Способ по п. 2, отличающийся тем, что поддерживающий электролит выбран из гидроксида натрия, гидроксида калия и/или 1,2-дигидроксибензола при концентрации от 1N до 2N.

9. Способ по п. 2, отличающийся тем, что применяемая соль выбрана из вольфрамата натрия (Na₂WO₄ ^.2H₂O) и молибдата натрия (Na₂MoO₄ ^.2H₂O).

10. Способ по п. 2, отличающийся тем, что оксиды и гидроксиды выбраны из оксидов и гидроксидов металлов, таких как железо, никель, барий, кальций и магний.

11. Способ по п. 2, отличающийся тем, что применяемый электролит представляет собой галогеновую соль элементов из первой колонки периодической таблицы, при этом получают другой смешанный или чистый газ, отличный от азота и водорода.

12. Способ по пп. 1-11 получения газов, таких как аммиак, водород и углеводород.

13. Устройство для получения газового потока согласно способу по пп. 1-12, содержащее цилиндрическую трубку (1), горизонтально расположенную, с двумя противоположными отверстиями (2) и (3) меньшего диаметра; анод из проволоки (4), подсоединенный к положительному полюсу источника питания с помощью соединительного провода; катод (5), состоящий из обмотки вокруг анода, подсоединенный к отрицательному полюсу источника питания, при этом анод и катод погружены в электролит, расположенный в нижней части трубки и покрывающий электроды; и пористый керамический барьер (6) вблизи отверстия (2).

14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что цилиндрическая трубка (1) покрыта изнутри слоем металлического катализатора.

15. Устройство по пп. 13-14 для получения газового потока, содержащего аммиак, водород и углеводороды.

16. Способ получения газового потока, содержащего аммиак, водород и углеводород с использованием устройства по любому из пп. 13-15, отличающийся тем, что поток влажного воздуха пропускают через отверстие (2) через барьер (6), где влажный воздух взаимодействует с ильменитом, покрывающим изнутри керамическую поверхность, с образованием аммиака, который проходит через активную область, возникшую под воздействием ионов, образуемых анодом (4) и катодом (5), с образованием ионизированного облака пара, которое взаимодействует на барьере с атмосферным азотом, образуя газы, которые попадают в отверстие (3), где их улавливают.