Устройство для получения водорода - SU698555A3

1

Изобретение относится к устройствам для получения водорода из воды термическим способом, может быть использовано в любой отрасли промышленности, где необ.ходимо применение чистого водорода, например , в качестве горючего.

Известны устройстба для получения водорода из воды электролитическим путем 1 Эти устройства сложны и не эффективны из-за низкого коэффициента полезного действия электролизной реакции.

Известно устройство для получения водорода путем термического разложения воды , содержащее корпус, внутрь которого подводится тепловая энергия и в котором расположены трубчатая селективная мембрана из окисла тугоплавкого металла и соосная ей камера разложения воды, снабженная трубопроводом для подачи перегретого водяного пара 2.

Недостатками известного устройства являются низкая производительность селективной мембраны по кислороду, который диффундирует сквозь нее, а также невысокая чистота конечного продукта, поскольку некоторая часть образовавшегося кислорода остается в нем.

Целью изобретения является повышение эффективности работы устройства.

Цель достигается тем, что трубчатая селективная мембрана, выполнена из окисла циркония с добавками окислов иттрия и железа, а устройство снабжено вакуум-насосом , соединенным с внутренней полостью трубчатой селективной мембраны.

Повышение эффективности работы устройства достигается в результате того, что добавки окислов металлов в материал мембраны значительно ускоряют диффузию кислорода через селективную мембрану, чему способствует также и увеличение разности концентраций кислорода с обеих сторон мембраны , поддерживаемое с помощью вакуумнасоса .

На чертеже представлен один из вариантов выполнения устройства.

Устройство состоит из корпуса 1, представляюшего собой муфту с вертика,1ьной осью. Через верхнее отверстие 2 в корпус поступает тепловая энергия, способная довести температуру атмосферы внутри корпуса до уровня 1800-2500°С. В представленном варианте эта тепловая энергия показана в виде конического пучка 3 солнечной энергии, исходящей из фокуса 4 зеркальной системы (не показана). Можно нагревать внутренний объем и другими средствами, например сжиганием топлива или с помощью ядерной установки.

В корпусе 1 .расположен кольцевой трубопровод 5, образованный наружной стенкой 6, герметичной для водорода и кислорода , и внутренней стенкой (селективная мембрана) 7, выполненной из окисла циркония ZrOj сдобавками для обеспечения ионной проводимости кислорода и электронной проводимости. Наилучщей добавкой для увеличения ионной проводимости кислорода является окись иттрия ., но могут использоваться и другие, например, окись кальция СаО. Наилучшей добавкой для обеспечения электронной проводимости является окись железа FejO, но могут использоваться и другие, например окислы урана UO или церия CeOj или смеси этих окислов.

Обе стенки трубопровода 5 выполнены в виде соосных трубок, закрытых с верхнего конца, и выходят за пределы корпуса 1 через его нижнее отверстие. Обе они опираются на основание 8, выполненное, например , из нержавеющей стали. Через отверстие 9 в основании 8 в трубопровод 5 вставлена трубка 10, через которую подается циркулирую .щий газ. Он выводится из трубопровода 5 через отверстие 11 в основании 8. Б центральной части основания 8 имеется также отверстие 12, в которое вставлена трубка 13, соединяющая внутренний объем селективной мембраны 7 с вакуум-насосом 14. На трубке 13 .может быть при необходимости размещена система охлаждения 15. Газ, отсасываемый вaкyyм нacocoм 14, собирается в резервуаре 16.

Трубка 17, вставленная в отверстие 11 основания 8, через клапан 18 и систему охлаждения 19 соединяет трубопровод 5 с конденсационной камерой 20, которая в свою очередь соединена с резервуаром 21 через форвакуумный насос 22 и клапан 23.

Два змеевиковых теплообменника 24 и 25, соединенных последовательно, охватывают трубки 13 и 17, а также нижнюю часть наружной стенки 6 труб.опровода 5, выходящей за пределы корпуса 1. Свободный конец теплообменника 24 вставлен в отверстие 9 основания 8, а свободный конец теплообменника 25 соединен с трубой 26, обвивающей нижнюю часть корпуса 1 и через клапан 27 связанной с системой 28 подачи воды (не показана).

С целью уменьщения потерь тепла теплообменники 24 и 25 окружены теплоизоляционным материалом 29.

Для контроля за ходом процесса на трубке 17 расположен манометр 30, а для поддержания необходимого давления во внутреннем объеме селективной мембраны 7 установлен клапан 31.

Устройство работает следующим образом.

Внутренний объем корпуса 1 нагревается до температуры 2200°С под действием пучка лучей 3. При открытом клапане 27 вода через систему 28 поступает в трубу 26 с постоянным давлением. Эта вода предпочтительно является дистиллированной, чтобы избежать отложения накипи в устройстве. Хотя система 28 не показана на чертеже, дистиллированная вода может быть нагрета посредством циркуляции на системах охлаждения 15 и 19, причем тепло, необходимое для дистилляции, может быть обеспечено за счет тепловых потерь корпуса 1.

Вода, которая циркулирует в трубе 26, нагревается сначала от контакта с наружной стенкой корпуса 1, затем, проходя в трубы теплообменника 25, от контакта с нижней частью стенки 6. Вода, выходящая из теплообменника 25, уже переходит в пар. Водяной пар перегревается в теплообменнике 24 и с температурой приблизительно 800°С подходит к входному отверстию 9 трубопровода 5.

Температура перегретого водяного пара увеличивается еще больще в трубке 10 внутри трубопровода 5, она близка внутренней температуре 2200°С, когда пар выходит из трубки 10 в верхнюю часть трубопровода 5. Водяной пар, поступающий в трубопровод 5, разлагается на водород и кислород вследствие реакции:

Н - Н2.+ 1/2 Оа.

Вдоль внутренней стенки 7 трубопровода 5 происходит электрохимический процесс отделения полученного таким образом кислорода , который проникает сквозь стенку 7. Этот процесс обеспечивается диффузией сквозь стенку 7 кислорода, содержащегося в трубопроводе 5, а также потоком электронов , проходящем в обратном направлении. Этот электронный поток нагревает стенку 7, что обеспечивает экономию энергии.

Чем больще разность концентрации кислорода с обеих сторон мембраны, тем сильнее диффузия кислорода сквозь селективную мембрану.

Именно поэтому снаружи трубопровода 5 на стенке 7 создается депрессия кислорода посредством вакуум-насоса 14. Кислород, проникающий сквозь мембрану, хранится в резервуаре 16.

Кислород, полученный при разложении водяного пара, содержащегося в трубопроводе 5, выводится, таким образом, постоянно , что способствует почти полному разложению водяного пара, содержащегося в трубопроводе 5. Разность давления кислорода с обеих сторон селективной мембраны 7