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 Российский патент 2003 года по МПК C02F9/12 C02F1/46 C02F1/48 B01J7/00 C02F9/12 C02F1/46 C02F1/48 C02F103/08 

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
80•10=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/с•см². 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 Н₂О), 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 технологического процесса.

Определим, во сколько раз разбавляется водород парами воды в генераторе водорода. (Условно делаем расчет без приведения к нормальным условиям).

1. Количество водорода, которое получается из 14 кг Li согласно реакции (3)-22400 м³ водорода (см. материальный расчет).

2. При испарении 18 г Н₂О образуется 22,4 л водяного пара, тогда в переводе на т-моль получим
18 т-моль - 22400 м³ пара
295 т-моль - х
х = 367111 м³ водяного пара.

Разбавление водорода парами воды в генераторе водорода составит
367111:22400=16,4 раза.

Таким образом, при разбавлении водорода парами воды в 16,4 раза исключается возможность взрыва водорода в генераторе водорода.

Форсунка 73 представляет собой форсунку со сплошным конусом распыла (10, с. 77), используется она в тех случаях, когда необходим полный охват определенной поверхности и предпочтительно иметь более равномерное распределение капель.

Диаметр выходного отверстия этих форсунок 0,5-50 мм, производительность 0,04-750 л/мин.

4. Модернизированная абсорбционная холодильная машина.

Реакционное тепло можно отвести за счет охлаждения реакционной массы водой из водоема. Но расход воды будет огромным и, кроме того, будет изменяться температура окружающей среды.

Наиболее целесообразным для охлаждения реакционной массы это применение абсорбционной холодильной машины, где практически все выделившееся тепло из генератора водорода поглощается абсорбционной машиной для выработки холода и выделения аммиака из водноаммиачного раствора.

На фиг.4 показана схема модернизированной абсорбционной машины.

Фиг. 4. Схема модернизированной абсорбционной холодильной машины: 92 - абсорбционная холодильная машина; 93 - генератор для выпаривания крепкого водноаммиачного раствора; 94 - конденсатор; 95 - дросселирующий вентиль; 96 - испаритель; 97 - патрубок для отвода охлажденной воды в теплообменник генератора водорода; 98 - абсорбер; 99 - дросселирующий вентиль; 100 - теплообменник; 101 - насос; 102 - распределитель конденсата; 103 - насос для подачи конденсата в испаритель для охлаждения; 104 - насос для подачи конденсата в генератор водорода; 105 - патрубок для отвода конденсата в генератор водорода; 106 - патрубок для ввода пара, поступающего из теплообменника генератора водорода; 107 - патрубок для ввода пара, поступающего из отделителя ионов от гидратной оболочки.

Модернизированная абсорбционная холодильная машина предназначена для отнятия тепла от реакции получения водорода в генераторе водорода и представляет собой следующее.

Генератор 93 (фиг.4) служит для выпаривания крепкого водноаммиачного раствора - здесь произведена следующая модернизация.

В качестве теплоносителя для выпаривания аммиака используется пар, поступающий из теплообменника 106 генератора водорода (фиг.3), и пар из отделителя ионов (фиг. 2). Образующийся после теплообмена в абсорбционой машине конденсат направляется в соответствующих количествах в генератор водорода на проведение реакции получения водорода, далее в испарителе 96 конденсат охлаждается примерно до +1^oС и охлажденная вода направляется в теплообменник 106 генератора водорода для отнятия тепла от реакционной массы, т. е. вода по данному контуру проходит замкнутый цикл, не выходя из абсорбционной машины.

Входящие в схему машины конденсатор 94, дросселирующие вентили 95 и 99, испаритель 96, абсорбер 98, насос 101, теплообменник 100 модернизации не подвергались.

Основной принцип работы модернизированной абсорбционной машины является принцип работы, взятый из (5, с.213) и (11, с.441).

Газообразный аммиак (~95% NH₃), выделившийся из водноаммиачного раствора в генераторе 93 (12, с.429 и 11, с.441) при высоком давлении ≈10⁶ Па (10 ата) и температуре 383 К поступает в конденсатор 94, где конденсируется, отдавая тепло Q охлаждающей воде. Сжиженный аммиак при Р=10⁶ Па и Т=298 К проходит дросселирующий вентиль 95 и испаряется в испарителе 96, воспринимая тепло на низком температурном уровне Т₀ от конденсата, а охлажденный до температуры +1^oС конденсат направляется через патрубок 97 в патрубок 84 генератора водорода в теплообменник 106. После испарителя газообразный аммиак с Т = 253 К (-20^oС) и давлении Р=1,17•10⁵ Па (1,2 ата) направляется в абсорбер 98 и при охлаждении (отвод теплоты растворения) поглощается водой с образованием высококонцентрированного раствора (~50% NH₃). Полученный раствор нагнетается насосом 101 через теплообменник 100 в генератор 98. В генераторе 93 за счет нагревания водяным паром (подвод тепла испарения), поступающего через патрубки 106 и 107 соответственно из теплообменника генератора водорода и из отделителя ионов от гидратной оболочки, большая часть аммиака испаряется и в виде газа поступает в конденсатор 94, обедненный водоаммиачный раствор (~20% NH₃) уходит из генератора 93 через теплообменник 100 и дроссельный вентиль 99 в абсорбер 98, где вновь концентрируется до ~50% в результате абсорбции газообразного аммиака и направляется в генератор 93 на повторный цикл.

5. Фракционный разделитель.

На фиг.5 представлена схема фракционного разделителя.

Фиг.5. Фракционный разделитель: 108 - фракционный разделитель; 109 - патрубок для загрузки шлама; 110 - турбинная мешалка, снабженная редуктором и специальным механизмом для подъема и опускания мешалки: а) мешалка в положении оседания частиц; б) мешалка в положении суспензирования частиц; 111 - уровень суспензии полиметаллического конгломерата; 112 - заслонка; 113 - заслонка; 114 - сливной патрубок; 115 - задвижка; 116 - трубопровод для слива суспензии Са(ОН)₂ отстойник; 117 - задвижка; 118 - патрубок для залива обессоленной воды снизу вверх во фракционный разделитель; 119 - патрубок для слива суспензии полиметаллического конгломерата в отстойник; 120 - задвижка; 121 - трубопровод для направления суспензии полиметаллического конгломерата в отстойник; 122 - трубопровод для направления суспензии Mg(OH)₂ в отстойник; 123 - задвижка; 124 - сливной патрубок; 125 - заслонка; 126 - трубопровод для слива воды; 127 - задвижка; 128 - сливной патрубок.

Теория процесса фракционного разделения твердых частиц дана в стадии 15.

Фракционный разделитель предназначен
- для разделения суспензии полиметаллического конгломерата в обессоленной воде на три фракции:
фракция суспензии Са(ОН)₂;
фракция суспензии Mg(ОН)₂ + Al(ОН)₃ (как микросмесь);
фракция суспензии остальных соединений, входящих в полиметаллический конгломерат;
- отделение разделенных фракций друг от друга.

Фракционный разделитель представляет собой колонну диаметром 2 метра и высотой ~ 65 метров, в которой на основании закона Стокса происходит разделение частиц по их плотности и диаметру.

Принцип работы фракционного разделителя.

Фракционный разделитель через патрубок 118 заполняется обессоленной водой приблизительно на 2 метра выше оси заслонки 112, после чего заслонки 112, 113 и 125 из вертикального положения (относительно плоскости заслонки) переводятся в горизонтальное.

Через патрубок 109 загружается шлам в верхнюю часть разделителя, который поступает из центрифуги со стадии 13 в количестве, равном трехчасовой работе генератора водорода.

Включается турбинная мешалка 110, а заслонки 112, 113 и 125 из горизонтального положения переводятся в вертикальное, с помощью которой шлам и обессоленная вода переводятся в суспензию.

Отключается турбинная мешалка 110, а заслонки 112, 113 и 125 из горизонтального положения переводятся в вертикальное, после чего частицы полиметаллического конгломерата, находящиеся в воде во взвешенном состоянии, под действием силы тяжести опускаются вниз.

Через 2 часа заслонки 112, 113 и 125 переводят из вертикального положения в горизонтальное.

За 2 часа частицы Са(ОН)₂ и Al(ОН)₃ опускаются вниз по трубе на 42,24 метра и на 54,72 метра, соответственно, частицы более тяжелых соединений за 2 часа осаждения пройдут путь от 87,84 метра до 709,2 метра. Однако их опускание прекращается после прохода заслонки 125, где частицы накапливаются у патрубка 11.

Установка заслонок от верхнего разъема крышки корпуса разделителя:
- заслонка 112 - на 2,5 метра;
- заслонка 113 - на 51 метр;
- заслонка 125 - на 55 метров;
- нижний разъем корпуса установлен на отметке 55 м.

После установки заслонок в горизонтальное положение открываются задвижки 115, 120 и 127, и разделенная по фракциям суспензия направляется в промежуточные емкости.

Так как фракция суспензии остальных гидроксидов металлов и металлов в пересчете на металлы все вместе весят всего ~24 кг, то их собирают в единый сбор в виде порошка на дне фракционного разделителя из нескольких процессов разделения, затем открывают задвижку 120 и всю фракцию направляют в промежуточную емкость. Из промежуточных емкостей суспензии отдельных фракций направляют на центрифуги.

Фугат обессоленной воды направляется в отводной канал для обессоленной воды на дальнейшее использование, а шлам (осадок) для дальнейшей переработки на стадию 16.

Перечень фигур и чертежей и иных материалов.

Фиг.1. Разделитель ионов и промышленный блок разделителей ионов.

Схема объясняет устройство разделения ионов и процесс разделения морской воды в магнитном поле на три фракции: анолит - соленная вода - католит и показана схема промышленного блока разделителей ионов.

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

Показана совмещенная схема отделения гидратной оболочки от гидратированных катионов и анионов и нейтрализации электрического заряда на катионах и анионах с целью получения целевых продуктов Li, O₂ и Н₂O.

Фиг.3. Генератор водорода.

Схема показывает, как организован процесс получения водорода в большом объеме при взаимодействии расплавленного лития и воды, подаваемых в зону реакции в виде микрокапель, и способ отвода теплоты реакции взаимодействия между литием и водой.

Фиг.4. Модернизированная абсорбционная холодильная машина.

Схема показывает, какая модернизация сделана в типовой абсорбционной холодильной машине и как осуществляется отбор тепла от отделителя-нейтрализатора и генератора водорода.

Фиг.5. Фракционный разделитель.

На основе закона Стокса разработан процесс разделения полиметаллического конгломерата на отдельные фракции и на основе этого процесса создан фракционный разделитель.

Фигуры, относящиеся к разделу "Сведения, подтверждающие возможности осуществления изобретения".

Фиг. 6. Первая технологическая линия по получению обессоленной воды, водорода и кислорода.

Схема показывает последовательность расположения оборудования и движение материальных потоков при получении обессоленной воды, водорода и кислорода по литиевой технологии.

Фиг. 7. Схема технологической линии по извлечению из морской воды катионов и анионов и их переработка в целевые продукты.

Схема показывает последовательность расположения оборудования и движения материальных потоков с переработкой катионов и анионов, извлеченных из морской воды, в целевые продукты.

Фиг. 8. Завод по получению обессоленной воды, водорода и кислорода по литиевой технологии.

На схеме показано расположение трех первых технологических линий по получению обессоленной воды, водорода и кислорода по литиевой технологии и показаны пути использования католита и анолита.

Фиг.9. Завод по переработке католита и анолита.

Схема показывает расположение вторых технологических линий и дополнительного оборудования и производств по полной переработке католита и анолита до целевых продуктов.

Первая технологическая линия по получению обессоленной воды, водорода и кислорода.

На фиг.6 представлена схема первой технологической линии.

Фиг. 6. Схема первой технологической линии по получению обессоленной воды, водорода и кислорода: 13 - промышленный блок разделителей ионов; 16 - патрубок для вывода анолита; 19 - патрубок для отвода обессоленной воды; 20 - патрубок для отвода католита; 21 - патрубок для ввода в промышленный блок 13 разделителей ионов морской воды; 24 - отделитель-нейтрализатор; 33 - патрубок для ввода парообразного католита; 34 - патрубок для ввода парообразного анолита; 40 - сетка, несущая положительный электрический заряд; 48 - сетка, несущая отрицательный электрический заряд; 56 - патрубок для отвода кислорода; 57 - патрубок для отвода конденсата (реакционная вода); 62 - патрубок для отвода пара в абсорбционную машину; 66 - патрубок для отвода расплавленного лития; 67 - генератор водорода; 68 - патрубок для вывода парообразного католита с заданной температурой; 69 - патрубок для вывода парообразного анолита с заданной температурой; 79 - патрубок для ввода анолита в межтрубное пространство; 82 - патрубок для отвода водорода; 83 - патрубок для отвода водного раствора LiОН; 84 - два патрубка (с обеих сторон) для ввода холодного теплоносителя; 85 - патрубок для вывода нагретого теплоносителя; 86 - патрубок для ввода католита в межтрубное пространство; 87 - патрубок для ввода расплавленного лития; 89 - патрубок для ввода обессоленной воды в кольцевой питатель; 97 - патрубок для вывода холодной воды из абсорбционной холодильной машины и подачи ее через патрубок 84 на повторный цикл; 105 - патрубок для отвода конденсата в генератор водорода; 106 - патрубок для ввода пара, поступающего из теплообменника генератора водорода; 107 - патрубок для ввода пара, поступающего
из отделителя-нейтрализатора; 129 - второй разделитель ионов, делящий раствор LiОН на анолит и католит; 130 - патрубок для ввода отфильтрованного раствора LiОН; 131 - патрубок для вывода анолита с направлением его в патрубок 79 генератора водорода; 132 - патрубок для вывода католита с направлением его в патрубок 86 генератора водорода; 133 - газгольдер для кислорода; 135 - смеситель для смешения конденсата с обессоленной водой, поступающей из блока 13 разделителя ионов; 134 - смеситель для смешения конденсата с паром; 136 - центрифуга; 137 - патрубок для вывода отфильтрованного раствора LiОН; 138 - патрубок для вывода шлама; 139 - газгольдер для водорода; 140 - водоем; 141 - фильтр-заборник; 142 - насос; 143 - трубопровод для отвода анолита; 144 - трубопровод для отвода католита; 145 - смеситель анолита и католита; 146 - распылитель смеси анолита и католита в водоеме.

Первая технологическая линия предназначена для получения из морской воды обессоленной воды, водорода и кислорода.

Первая технологическая линия представляет собой инженерное сооружение, основу которого составляют не имеющие аналогов высокоскоростные аппараты по переработке морской воды до целевых продуктов: обессоленная вода, водород и кислород.

Принцип работы первой технологической линии.

Из водоема 140 через фильтр-заборник 141 с помощью насоса 142 морская вода через патрубок 21 подается в промышленный блок 13 разделителей ионов, где морская вода разделяется на фракции: анолит - обессоленная вода - католит. Обессоленная вода через патрубок 19 поступает в смеситель 135, где происходит смешение обессоленной воды с конденсатом, который поступает из абсорбционной холодильной машины 92 и направляется через патрубок 89 в генератор водорода 67.

Анолит и католит из промышленного блока 13 разделителей ионов направляются по трубопроводам 143 и 144, соответственно, на вторую технологическую линию или через смеситель 145 и распылитель 146 обратно в водоем 140.

Генератор водорода 67 - центральный аппарат, в который стекаются все основные материальные потоки, участвующие в получении водорода, и отходящие из него материальные потоки, участвующие в получении Li, О₂ и реакционной воды.

В генератор водорода через патрубки 89 и 87 (фиг.6) в 18 форсунок одновременно поступает (согласно расчету) обессоленная вода плюс конденсат (они подаются из промышленного блока разделителя ионов 13 и абсорбционной холодильной машины 92), а такте поступает расплавленный литий из отделителя нейтрализатора 24. Форсунками литий и вода распыляются на мельчайшие капли, создавая огромную площадь контакта между литием и водой.

В этих условиях проходит реакция взаимодействия лития и воды с образованием водорода и водного раствора LiОН, которые отводятся из генератора водорода 67 через патрубки 82 и 83 соответственно. Водород через патрубок 82 направляется в газгольдер 139.

Реакция взаимодействия лития с водой обладает большим тепловым эффектом, равным 484,9 кДж•моль^-1.

В заданном режиме работы в генераторе водорода выделяется в час 969 800 000 кДж тепла, которое отводится теплоносителями, а именно
- анолитом и католитом, которые нагреваются здесь до температуры 473 К;
- холодной водой, которая подается с температурой 274 К;
- тепло уходит на испарение аммиака из крепкого водноаммиачного раствора в абсорбционной холодильной машине.

Парообразные анолит и католит, нагретые до температуры 473 К, направляются через патрубки 64 и 68 в отделитель-нейтрализатор 24 для получения ионов Li⁺ и ОН^-, которые несут на себе положительный и отрицательный заряды соответственно.

В нейтрализаторе эти заряды на ионах нейтрализуются с образованием Li, О₂ и Н₂О.

Литий в расплавленном состоянии через патрубки 66 и 87 направляется в генератор водорода на повторный цикл, а кислород через патрубок 56 - в газгольдер 133.

Реакционная вода при получении кислорода в виде конденсата подается в генератор водорода 67 через патрубок 57 и смесители 134 и 135 на повторный цикл.

Водяной пар после отделения его от ионов ("+" и "-") в отделителе-нейтрализаторе 24 и водяной пар, находившийся в генераторе водорода, подаются в абсорбционную машину 92 через патрубки 107 м 106, соответственно, для использования их тепла на испарение амммика из крепкого водноаммиачного раствора. Далее сконденсированный водяной пар в виде конденсата подается в генератор водорода на повторный цикл (подача ведется через патрубок 105, смеситель 134, патрубок 135 и патрубок 89).

Отнятие тепла от реакции происходит следующим образом: холодная вода через патрубок 97 и патрубок 84 поступает в теплообменник 81 (см. фиг.3) генератора водорода, где за счет отнятия реакционного тепла вода в трубаx теплообменника испаряется, а пар через патрубок 85 и патрубок 106 поступает в абсорбционную холодильную машину 93 на испарение аммиака из водноаммиачного раствора. Сконденсированный пар в виде конденсата через распределитель конденсата 102 (фиг.5) направляется в испаритель 96, где охлаждается до температуры +1^oС и через патрубок 97 направляется в генератор водорода на повторный цикл.

Образовавшийся в результате реакции водный раствор LiОН через патрубок 83 поступает в центрифугу 136, где водный раствор LiОН отфильтровывается от возможных твердых примесей, далее через патрубки 137 и 130 раствор поступает во второй разделитель ионов 129. Затем водный раствор LiОН, разделенный на анолит и католит, отправляется в генератор водорода на повторный цикл отнятия теплоты реакции из зоны реакции генератора водорода.

Анолит через патрубки 131 и 79 поступает в межтрубное пространство зоны реакции генератора водорода.

Межтрубное пространство разделено перегородками на две части для анолита и католита.

Католит через патрубки 132 и 86 поступает во вторую половину межтрубного пространства зоны реакции генератора водорода.

С поступлением анолита и католита в генератор водорода из второго разделителя ионов начинается повторный цикл работы.

Таким образом, рассмотрение схемы первой технологической линии показало, что материальные потоки непрерывно двигаются, каждый по своему контуру, причем литий из технологического цикла не выводится, а непрерывно циркулирует из одного аппарата в другой в виде Li, Li⁺ или LiОН соответственно стадии процесса.

В технологический процесс непрерывно добавляется обессоленная вода, идущая на образование водорода и кислорода, которые непрерывно отводятся из технологической линии.

Извлечение из морской воды катионов и анионов и перевод их в атомы металлов и соответствующие газы (Н₂, О₂, Сl₂, Вr₂, I₂, F₂, SO₃).

Извлечение из морской воды содержащихся в ней солей металлов осуществляется на второй технологической линии по переработке морской воды по следующим стадиям:
Стадия 9. Получение катионов и анионов, не содержащих гидратной оболочки в отделителе-нейтрализаторе.

Стадия 10. Нейтрализация электрических зарядов на ионах, не содержащих гидратной оболочки, с образованием целевых продуктов.

Стадия 11. Разделение газовой смеси.

Стадия 12. Получение водорода путем взаимодействия щелочного расплава с водой.

Стадия 13. Центрифугирование суспензии щелочного раствора.

Стадия 14. Перевод гидроксидов металлов (N₂, K, Li, Rb, Cs) в галогениды, сульфаты и карбонаты этих металлов.

Стадия 15. Фракционное разделение суспензии полиметаллического конгломерата на три фракции:
- фракция гидроксида Са(ОН)₂;
- фракция Мg(ОН)₂ и Al(ОН)₃;
- фракция остальных гидроксидов металлов и индивидуальных металлов.

Стадия 16. Переработка Са(ОН)₂, Мg(ОН)₂ и остального полиметаллического конгломерата.

Описание стадий процесса.

Стадия 9. Получение катионов и анионов, не содержащих гидратной оболочки, в отделителе-нейтрализаторе.

Теоретическая основа этого процесса дана выше в стадии 4. Процесс проходит в аппарате отделитель-нейтрализатор (фиг.2).

Рассмотрим, какие электрохимические процессы проходят при получении катионов, не содержащих гидратной оболочки.

В сухом остатке морской соли содержится 77,7% NaCl, т.е. NaCl составляет основу солей, содержащихся в морской воде. Для упрощения дальнейших расчетов примем, что все катионы, содержащиеся в морской воде, условно являются катионом Na⁺, а ошибка в ориентировочном расчете будет вполне допустимой для такого типа расчета.

Рассмотрим процессы, протекающие при отделении ионов от воды, т.е. получения ионов, не содержащих гидратной оболочки.

I. Отделение катионов металлов от воды проходит две фазы:
а) нагрев католита (катионы + вода)
Католит

Нагрев католита происходит в два приема
- предварительный нагрев на стадии 14 в реакторе-смесителе за счет теплоты растворения газов в воде и химических реакций (24-30);
- окончательный нагрев происходит на стадии 12 в генераторе водорода за счет тепла реакции получения водорода из натрия и воды.

б) отделение катиона от насыщенного пара

2. Рассмотрим процессы, проходящие при получении анионов, не содержащих гидратной оболочки.

Также примем, что все анионы условно являются анионом Сl^-. Отделение анионов от воды проходит в две фазы:
а) нагрев анолита (анионы + вода)
Анолит

Нагрев анолита, как и католита, происходит в два приема на стадиях 14 и 12.

б) отделение аниона от насыщенного пара:

Стадия 10. Нейтрализация электрических зарядов на ионах с образованием целевых продуктов.

Этот процесс проходит в отделителе-нейтрализаторе (фиг.2) одновременно по двум направлениям:
1 - восстановление катионов;
2 - окисление анионов.

а) реакции, проходящие при восстановлении катионов на контакте 63 (фиг. 2), состоящем из расплавленного натрия (ранее был литий)

М²⁺ + 2е^- --> М (двухвалентный) (12)
М³⁺ + 3е^- --> М (трехвалентный) (13)
где М - металл и его катион.

Металлический натрий и калий со многими металлами образуют сплавы различного состава, растворимые в избытке расплавленного натрия (24). Металлы, не образующие с натрием и калием сплавы, будут находиться в расплаве натрия в виде суспензии.

На стадии 10 получено: щелочной расплав металлов, в который входят все металлы, указанные в таблице.

б) реакции, проходящие при окислении анионов на шаровом контакте 60 (фиг.2).

Образовавшаяся на контакте 60 смесь газов (температура 473 К) направляется в цех по разделению газовой смеси.

Стадия 11. Разделение газовой смеси.

Газовая смесь содержит в своем составе Cl₂, Br₂, J₂, F₂, SO₃, CO₂, O₂. Согласно запросу промышленности определенная часть газовой смеси через пульт распределения отделяется от общего объема газовой смеси и подвергается фракционному разделению согласно (4, с.750). Продукты фракционного разделения направляются потребителям или используются на месте.

Оставшаяся не разделенная газовая смесь направляется на стадию 14 в реактор-смеситель для проведения реакции по переводу гидроксидов металлов (NaOH, KOH, LiOH, RbOH, CsOH) в хлориды, бромиды, йодиды, фториды, сульфаты и карбонаты в соответствующих количествах.

Стадия 12. Получение водорода путем взаимодействия щелочного расплава с водой.

Со стадии 10 на стадию 12 поступает щелочной расплав металлов в генератор водорода.

На этой стадии протекают следующие реакции:
а) реакции, приводящие к образованию водорода и растворимых в воде щелочных соединений:
2Na + 2 H₂O --> H₂ + NaOH
NaOH --> Na⁺ + OH^- (21)
Аналогично с натрием проходят реакции с К и микопримесями Li, Rb, Сs;
б) реакции, приводящие к образованию водорода и нерастворимого в воде полиметаллического конгломерата.

С двух и трехвалентными металлами, образующими нерастворимые или слаборастворимые в воде гидроксиды металлов, проходят реакции, например
Мg + 2Н₂О --> Н₂ + Мg(ОН)₂ (22)
2Al + 6Н₂О --> 3Н₂ + Al(ОН)₃ (23)
К этой группе относятся следующие гидроксиды металлов: Al, Ba, Fe (II), Fe (III), Y, Ca, Co, Mg, Mn, Cu, Ni, Pb, Sr, La, Ra, Sc, U.

Ряд ниже указанных металлов не реагируют с водой и не образуют гидроксидов металлов и к ним относятся металлы Sr, Gа, Au, Mo, As, Sn, Hg, Se, Ag, Th, Cr, Si, V, Zn.

Таким образом, все перечисленные в пункте "б" гидрокcиды металлов и индивидуальные металлы (не вcтупающие в реакцию с водой) составляют так называемый "полиметаллический конгломерат", т.е. нерастворимая в воде смесь всех элементов, входящих в таблицу за исключением щелочных металлов. Эти металлы вместе с гидроксидами металлов смываются со стенок реактора паром и щелочным раствором, и образовавшаяся суспензия вместе с водяным паром и водородом направляется в теплообменник 81 (фиг.3), где водяной пар конденсируется и отделяется от водорода.

Конденсат представляет собой щелочной раствор Na, К, Li, Rb, Cs, в который входит и полиметаллический конгломерат и после охлаждения в теплообменнике 81 суспензия конденсата направляется на стадию 13 "Центрифугирование суспензии щелочного раствора".

Водород, пройдя теплообменник 81 (фиг.3), охлаждаемый холодной водой, направляется на водородную компрессорную станцию 200 (фиг.8).

Стадия 13. Центрифугирование суспензии щелочного раствора.

На стадию подается суспензия щелочного раствора, содержащая полиметаллический конгломерат. Процесс центрифугирования идет непрерывно, и при этом
- шлам (полиметаллический конгломерат) направляется во фракционный разделитель 103 (фиг.5), где полиметаллический конгломерат смешивается с обессоленной водой с образованием суспензии и последующего разделения полученной суспензии по фракциям в зависимости от плотности металла или гидроксида металла и размера частиц;
- фугат (щелочной раствор) из центрифуги 178 (фиг.7) направляется по двум линиям
а) на стадию 14;
б) на пульт распределения 188 (фиг.7) и из него на центральный пункт 214 (фиг.9) распределения материальных потоков.

По заказу промышленности отбирается определенная часть щелочного раствора и направляется в цех 228 (фиг.9) на отделение NaOH от КОН и получения концентрированных растворов NaOH и КОН, а также твердых КОН и NаОН. Из раствора не выделяются RbOH, LiOH, CsOH, т.к. содержание в морской воде Rb, Li и Cs в переводе на металл составляет 1,5•10^-5 - 2•10^-7 % (весовых), т.е. очень малое количество.

Стадия 14. Перевод гидроксидов металлов (Na. K, Li, Rb, Cs) в галогениды, сульфаты и карбонаты этих металлов.

В результате физико-химического воздействия на анолит и католит получено
- водород - используется как целевой продукт по назначению (в основном для восстановления гидроксидов металлов);
- полиметаллический конгломерат - используется как сырье для химических и металлургических комбинатов по получению из него целевых продуктов;
- смесь газов (Cl₂, Br₂, J₂, F₂, SO₃, O₂, CO₂) - промышленностью будет использоваться только меньшая часть от общего количества полученных газов, большая часть этих газов не используется и требуется их утилизация;
- щелочной раствор металлов (Na, K, Li, Rb, Cs) - промышленностью также будет использована меньшая часть от общего количества полученного щелочного раствора, большая часть этого раствора не будет использована и требуется их утилизация;
- смесь газов (Cl₂, Br₂, J₂, F₂, SO₃, O₂, CO₂) и щелочной раствор металлов (Na, K, Li, Rb, Cs), полученных в процессе физико-химического процесса, оставлять на поверхности в огромных количествах нецелесообразно, т.к. может случиться экологическая катастрофа, поэтому смесь газов и щелочной раствор металлов необходимо перевести в соли, являющиеся основой морской воды, как то: NaCl, NaBr, NaJ, NaF, Na₂SO₄, Na₂CO₃ и, соответственно K, Li, Rb, Cs, для этого щелочной раствор и смесь газов направляются в аппарат реактор-смеситель 147 (фиг.7) и полученную там смесь сливают в океан через трубопровод длиной ~1 км и со множеством мелких отверстий по всей длине трубопровода, который располагается перпендикулярно морскому течению на дне океана, что приведет к постепенному восстановлению концентрации солей в морском океане.

Рассмотрим химические процессы, согласно которым можно выполнить поставленную задачу.

I. При растворении хлора в воде идет гидролиз с образованием хлорноватистой кислоты

хлорноватистая кислота легко разлагается
НClО --> HXL + 1/2 O₂ (25)
на чем основано белящее и дезинфицирующее действия хлора в присутствии воды.

2. Выделившаяся HCl взаимодействует с NaOH по реакции
NaOH + НCl --> NaCl + H₂O (26)
аналогичная реакция проходит и с гидрокcидами K, Li, Rb, Cs.

3. Серный ангидрид SO₃, растворяясь в воде, образует серную кислоту
SO₃ + H₂O --> H₂SO₄ (27)
4. Серная кислота реагирует с NaOH
2NaOH + H₂SO₄ --> Na₂SO₄ + 2H₂O (28)
аналогично идет реакция и с гидроксидами K, Li, Rb, Cs.

5. Угольный ангидрид СО₂ реагирует с водой по реакции (12, с.314)

6. Угольная кислота реагирует с NaOH
Н₂СО₃ + NaОН --> Na₂СО₃ + 2Н₂О (30)
аналогично идет реакция и с гидроксидами K, Li, Rb, Cs.

Таким образом, химические реакции (24-30) показывают, что при взаимодействии щелочного раствора и смеси газов образуются соли, содержащиеся в морской воде, но без солей, составляющих поликонгломерат металлов.

Следует отметить
- из-за того что из процесса выводится полиметаллический конгломерат, всегда в отходящей морской воде будет существовать превышение количества анионов по сравнению с количеством катионов. В результате этого из реактора-смесителя 147 (фиг. 7) в океан будет подаваться слабо-слабо кислый раствор морской воды;
- окончательная нейтрализация этого раствора произойдет при большом разбавлении отходящего раствора морской воды непосредственно в водах мирового океана и взаимодействии свободных кислот с CaCO₃(ракушечник), находящегося в микроскопических организмах мирового океана, например
2НCl + CaCO₃ --> CaCl₂ + Н₂CО₃ (31)


Таким образом, океан сам приводит неравновесную систему в ионное равновесие, т.е. количество катионов равно количеству анионов с соблюдением и электрического равновесия по зарядам, т.е. количество положительных зарядов равно количеству отрицательных зарядов.

Данный процесс осуществляется в реакторе-смесителе, который предназначен для перевода гидроксидов металлов (Na, K, Li, Rb, Cs) в галогениды, сульфаты и карбонаты этих металлов.

Реактор-смеситель представляет собой генератор водорода (описанный выше), но вместо водорода в трубопровод для отвода водорода поступает кислород, выделившийся по реакции (25).

Принцип действия реактора-смесителя см. выше.

Образовавшийся согласно реакции (25) кислород выводится из реактора-смесителя через трубопровод 198 (фиг.8) и направляется на кислородную компрессорную станцию 203 (фиг.8), охлажденный солевой раствор через патрубок направляется в океан.

Вторая технологическая линия по извлечению из морской воды катионов и анионов и их переработка в целевые продукты.

Вторая технологическая линия входит в технологический процесс, см. фиг. 7.

Фиг.7. Схема технологической линии по извлечению из морской воды катионов и анионов и их переработка в целевые продукты: 147 - реактор-смеситель; 148 - патрубок для вывода подогретого анолита; 149 - патрубок для вывода подогретого католита; 150 - патрубок для ввода щелочного раствора; 151 - патрубок для ввода холодного католита; 152 - трубопровод для отвода кислорода; 153 - патрубок для отвода кислорода в кислородную компрессорную станцию; 154 - патрубок для ввода холодного теплоносителя; 155 - патрубок для сброса солевого раствора в океан; 156 - патрубок для отвода горячего теплоносителя; 157 - патрубок для ввода холодного анолита; 158 - патрубок для ввода смеси газов; 159 - генератор водорода; работает на щелочном расплаве; 160 - патрубок для вывода пара анолита; 161 - патрубок для вывода пара католита; 162 - патрубок для ввода конденсата; 163 - патрубок для ввода щелочного расплава натрия; 164 - патрубок для ввода подогретого католита; 165 -трубопровод для отвода водорода; 166 - патрубок для отвода водорода в водородную компрессорную станцию; 167 - патрубок для ввода холодного теплоносителя; 168 - патрубок для вывода щелочного раствора; 169 - патрубок для вывода горячего теплоносителя; 170 - патрубок для ввода подогретого анолита; 171 - отделитель-нейтрализатор, работает на щелочном расплаве; 172 - патрубок для ввода пара католита; 173 - патрубок для ввода пара анолита; 174 - патрубок для отвода смеси газов, направляемых на нейтрализацию в реактор-смеситель; 175 - патрубок для отвода газов, направляемых на фракционное разделение; 176 - патрубок для отвода пара от анолита и католита в абсорбционную холодильную машину; 177 - патрубок для отвода щелочного расплава; 178 - центрифуга; 179 - патрубок для ввода щелочного раствора; 180 - патрубок для вывода шлама (осадка); 181 - патрубок для отвода щелочного раствора; 182 - абсорбционная холодильная машина; 183 - патрубок для отвода холодного теплоносителя (+1^oС); 184 - патрубок для ввода горячего теплоносителя; 185 - патрубок для вывода конденсата и подачи его в генератор водорода; 186 - патрубок для ввода перегретого пара из отделителя-нейтрализатора; 187 - смеситель; 188 - пульт распределения; 189 - патрубок для приема водорода; 190 - патрубок для приема смеси, газов для разделения; 191 - патрубок для приема кислорода; 192 - патрубок для приема щелочного раствора, отправляемого на разделение; 193 - патрубок для приема шлама полиметаллического конгломерата на фракционное разделение; 194 - насос для подачи солевого раствора обратно в океан.

Вторая технологическая линия предназначена для переработки морской воды и выделения из нее целевых продуктов: металлов и их солей, водорода и кислорода. Эта линия представляет собой инженерный комплекс, состоящий из высокоэффективного технологического процесса и аппаратов нового типа, обеспечивающих высокие скорости проведения процесса.

Принцип работы технологической линии следующий.

Из разделителя ионов 13 (фиг. 7) в реактор-смеситель 147 (фиг.7) для предварительного подогрева раздельно подают в межтрубные пространства католит и анолит через патрубки 157 и 151 соответственно. За счет тепла реакции католит и аколит, подогреваясь, охлаждают реакционную массу в реакторе-смесителе. Подогретые католит и анолит через патрубки 148 и 149 направляются в генератор водорода 159 и через патрубки 170 и 164 поступают в межтрубное пространство генератopa водорода. За счет тепла реакций католит и анолит переходят в пар. Парообразные католит и анолит через патрубки 160 и 161 направляются в отделитель-нейтрализатор 171. Через патрубок 172 пар католита поступает в отделитель катионов от гидратной оболочки, т.е. получение катионов, несущих на себе положительный электрический заряд. В нейтрализаторе катион восстанавливается электроном и переходит в нейтральный атом металла и в виде щелочного расплава через патрубок 177 и 163 поступает в генератор водорода 159. Здесь проходит реакция взаимодействия щелочного расплава с водой с образованием водорода и полиметаллического конгломерата. Водород через патрубок 166 и патрубок 189 поступает на пульт распределения 188 и далее по назначению.

Суспензия щелочного раствора и полиметаллического конгломерата через патрубок 168 направляется в центрифугу 178. Шлам полиметаллического конгломерата направляется в патрубок 193 пульта распределения 188 и далее по назначению.

Щелочной раствор через патрубок 181 разделяется на два потока:
- через патрубок 181 и пульт распределения 188 щелочкой раствор направляется на разделение по компонентам;
- щелочной раствор через патрубок 150 направляется в реактор-смеситель, где проходит реакция перевода щелочного раствора и смеси газов в соли щелочных металлов, водный раствор которых насосом 194 отправляется обратно в океан.

Пар анолита через патрубок 173 поступает в отделитель анионов от гидратной оболочки, т.е. получение анионов, несущих на себе отрицательный электрический заряд. В нейтрализаторе анион окисляется до свободных молекул газа, например Сl₂, Br₂, SO₃ и др. Образовавшиеся газы разделяются на два потока
- через патрубок 174 смесь газов направляется в реактор-смеситель через патрубок 158 для взаимодействия с щелочным раствором, распыляемым форсунками; кислород, образовавшийся после реакций 18 и 19 в отделителе-нейтрализаторе, поступает в реактор-смеситель 147 и в дальнейших реакциях не участвует, и он выводится через трубопровод 152 и патрубок 153 на пульт распределения 188, а затем через патрубок 192 - по назначению;
- щелочной раствор через патрубок 155 с помощью насоса 194 направляется обратно в океан.

Таким образом, в рассмотренной технологической линии из введенного в него католита и анолита получают
- водород;
- кислород;
- щелочной раствор;
- смесь газов;
- полиметаллический конгломерат.

Водород и кислород сразу используются как целевые продукты а щелочной раствор, смесь газов и полиметаллический конгломерат подвергают дальнейшей переработке с целью выделения из них целевых продуктов.

Завод по получению обессоленной воды, водорода и кислорода по литиевой технологии.

Как показали расчеты, при переработке 1 км³ (10⁹ тонн) морской воды с содержанием 3,5% солей образуется (при 100% переработке) 965000000 тонн обессоленной воды и из нее можно получить 1200898496000 м³ водорода и 600449248000 м³ кислорода.

Из материального баланса известно, что один генератор водорода вырабатывает в час 22400 м³ водорода.

Определим, сколько нужно установить генераторов водорода для получения 120089849600 м³ водорода в год.

1. 22400•24=537600 м³ водорода в сутки
2. 537600•350=188160000 м³ водорода в год (примем 350 рабочих дней в году, 15 дней - планово-предупредительный ремонт)
3. 1200898498000:188160000=6382,32 генераторов водорода необходимо
4. примем, что в России будет установлено 200 заводов таких, тогда на одном заводе надо установить
6362,32:200=31,91≈32 генератора водорода,
т.е. на одном заводе нужно установить 32 технологические линии.

На фиг.8 показана схема завода по переработке морской воды для получения обессоленной воды, водорода и кислорода по литиевой технологии.

Фиг.7. Схема завода по получению обессоленной воды, водорода и кислорода по литиевой технологии.

I - XXXII - технологические линии по переработке обессоленной воды; 140 - водоем с морской водой; 141 - заборник морской воды; 13 - блок разделителей ионов; 146 - разделитель на мелкие струи концентрированного (17,5 вес. %) раствора, отходящей морской воды длиной до 1000 метров (используется только тогда, когда не перерабатывают католит и анолит); 196 - канал для отвода обессоленной воды; 197 - заборник обессоленной воды; 198 - трубопровод для подачи кислорода на компрессорную станцию; 199 - патрубок для подачи водорода на магистральный трубопровод; 200 - водородная компрессорная станция; 201 - трубопровод для подачи водорода на компрессорную станцию; 202 - патрубок для подачи кислорода на магистральный трубопровод; 203 - кислородная компрессорная станция.

Завод для переработки морской воды предназначен для получения обессоленной воды, водорода, кислорода, анолита и католита. Завод представляет собой
- три блока разделителей ионов для получения обессоленной воды;
- отводной канал для отвода обессоленной воды;
- 32 технологические линии по получению водорода и кислорода;
- две компрессорные станции по очистке, охлаждению и нагнетанию водорода и кислорода в магистральные трубопроводы.

И все это объединено в единый непрерывный технологический цикл.

Принцип работы завода по переработке морской воды следующий.

Из водоема 140 через заборники 144 морская вода подается в три блока разделителей ионов 13, где морская вода разделяется на три фракции: анолит - обессоленная вода - католит. Обессоленная вода в количестве 2400 тонн в час (с трех блоков разделителей ионов) направляется в канал 196 для отвода обессоленной воды.

Анолит и католит направляются по двум направлениям
а) смешиваются (см. стадия 2) и через отверстия разделителя 4 выдавливаются тонкими струйками в океан;
б) отправляются (если в них есть потребность) по трубопроводам 143 и 144 на завод по переработке анолита и католита.

Обессоленная вода, текущая по отводному каналу 196, с помощью заборников 197 подается в генератор водорода технологической линии для получения водорода и кислорода. На получение водорода и кислорода на одной технологической линии расходуется 36 тонн обессоленной воды в час. На 32 технологические линии подается 1152 тонны обессоленной воды в час. Остальная часть 2400-1152= 1248 тонн в час подается на промышленные нужды, например на завод по переработке анолита и католита или на орошение сельхозугодий и освоение пустынных земель. Если нет потребности в обессоленной воде для сельхознужд, то один блок разделителей ионов отключается.

Водород и кислород, полученные на технологических линиях, по трубопроводам 198 и 201 соответственно подаются на компрессорные станции 200 и 203, где производится очистка, осушка и нагнетание газов в магистральные трубопроводы.

Завод по переработке анолита и католита.

На фиг.9 показана схема завода по переработке анолита и католита.

Фиг. 9. Схема завода по переработке анолита и католита: 208 - технологическая линия по извлечению из морской воды катионов и анионов; 214 - нейтральный пульт распределения материальных потоков; 215 - трубопровод для подачи водорода на водородную компрессорную станцию; 216 - цех по разделению смеси газов; 222 - патрубок для вывода неразделенной смеси газов; 223 - патрубок для ввода неразделенной смеси газов, направляемых на другие цели; 224 - патрубок для ввода неразделенного щелочного раствора; 225 - реактор-смеситель; 226 - патрубок для ввода неразделенной смеси газов; 227 - патрубок для слива солевого раствора обратно в океан; 228 - цех по разделению щелочного раствора; 229 - патрубок для ввода неразделенного щелочного раствора; 230 - патрубок для вывода неразделенного щелочного раствора; 231, 232, 233, 234 - патрубки для вывода разделенных фракций щелочного раствора; 235 - трубопровод для подачи кислорода на кислородную компрессорную станцию; 236 - шнековый питатель для подачи полиметаллического конгломерата; 237 - фракционный разделитель полиметаллического конгломерата; 238 - промежуточная емкость для сбора полиметаллического конгломерата (без Са(ОН)₂ и Мg(ОН)₂); 239 - промежуточная емкость для сбора Mg(ОН)₂; 240 - промежуточная емкость для сбора воды; 241 - промежуточная емкость для сбора Са(ОН)₂; 242 - фракционный разделитель для повторного разделения фракций полиметаллического конгломерата; 243 - цех по получению солей Са и Мg; 244 - восстановительная печь Са(ОН)₂; 245 - восстановительная печь Мg(ОН)₂; 246 - восстановительная печь полиметаллического конгломерата.

Завод по переработке анолита и католита предназначен для получения за счет электрохимических и химических реакций, которым подвергаются анолит и католит, следующих целевых продуктов:
- водорода;
- кислорода;
- металлов, содержащихся в морской воде;
- смеси газов (Cl₂, Br₂, J₂, F₂, SO₃ и CO₂);
- щелочного раствора (NaOH + КОН + примеси);
- индивидуальных соединений из щелочного раствора.

Наличие большого количества щелочного раствора позволяет организовать производство растворимого стекла (жидкое стекло) и на его основе кислотоупорного цемента для изготовления железобетонных труб большого диаметра для перекачки обессоленной воды с побережья в районы материка, где установлены заводы по получению водорода и кислорода.

Завод по переработке анолита и католита представляет собой группу физико-химических производств, объединенных в одно целое производство.

В состав завода (фиг.9) входят три технологические линии по извлечению из морской воды катионов и анионов и производство по переработке катионов и анионов, куда входят
- центральный пульт распределения потоков 214;
- цех по разделению смеси газов 216;
- реактор-смеситель 225;
- цех по разделению щелочного раствора 228;
- три фракционных разделителя 237;
- фракционный разделитель для повторного разделения фракций полиметаллического конгломерата 242;
- цех по получению из Са(ОН)₂ и Мg(ОН)₂ других солей Са и Мg 243;
- восстановительные печи 244, 245, 246.

Водород, полученный после реакций 11, 12 и 13, через разделитель потоков водорода 247 направляется на восстановительные водородные печи, а избыток водорода направляется на водородную компрессорную станцию.

Кислород, полученный по реакции 25, отделяется от газовой смеси и по трубопроводу 235 направляется на кислородную компрессорную станцию.

Принцип работы завода по переработке анолита и католита.

С трех технологических линий (фиг.7) полученные продукты направляются на центральный пульт по распределению материальных потоков 214 (фиг.9), где одноименные потоки собираются и выводятся из патрубков: 209 - водород; 210 - смесь газов на разделение, 211 - кислород; 212 - щелочной раствор (смесь NаОН и КОН и микропримеси LiOH, RbOH, CsОН); 213 - полиметаллический конгломерат.

По заказу промышленности смесь газов направляется в цех 216 для разделения газов (через патрубок 223), где за счет охлаждения газовой смеси в теплообменниках хладоагентом происходит фракционное разделение газовой смеси. Определенное количество индивидуальных газов отбирается и направляется заказчику. Оставшаяся неразделенная часть газовой смеси направляется в реактор-смеситель 225, где происходит взаимодействие щелочного раствора с газами согласно реакциям 14-20. Образовавшийся солевой раствор, представляющий галогены, сульфаты и карбонаты Na и К, сливается обратно в океан.

Также по заказу промышленности щелочной раствор через патрубок 212 направляется в цех 228, где определенную часть раствора разделяют на NaOH и КОН, а из них получают концентрированные (40%-ные) растворы NaОН и КОН и твердые NaОН и КОН. Оставшуюся часть неразделенного щелочного раствора направляют в реактор-смеситель 225 для проведения в нем реакций (14-20).

Полиметаллический конгломерат в виде шлама (осадка) с центрифуги через патрубок 213 подается с помощью шнековых питателей во фракционные разделители 237. В каждый фракционный разделитель загружается порция полиметаллического конгломерата в количестве трехчасовой выработки с одной технологической линии, т.к. общее время проведения процесса разделения суспензии составляет три часа, а три фракционных разделителя, входящих в технологическую линию, обеспечат полунепрерывный процесс разделения полиметаллического конгломерата.

Во фракционном разделителе 237 из суспензии выделяют фракции Са(ОН)₂, Мg(ОН)₂, а фракцию из смеси остальных гидроксидов металлов, индивидуальных металлов и воду направляют в промежуточные емкости 238, 239, 240 и 241.

Часть Са(ОН)₂ и Мg(ОН)₂ идет в цех 243 для получения солей Са и Мg. Большая часть Са(ОН)₂ и Мg(ОН)₂ идет в восстановительные печи 244, 245 для восстановления гидроксидов металлов водородом, до индивидуальных металлов Са и Мg, a для Са дополнительно еще и в перевод СаН₂.

Накопленный в промежуточных емкостях полиметаллический конгломерат и индивидуальные металлы направляются шнековым питателем во фракционный разделитель, где проводится отделение индивидуальных металлов от гидроксидов металлов, которые собираются в промежуточную емкость и оттуда направляются в восстановительную печь 246. Порошки металлов отправляются на обогатительную фабрику для окончательного разделения порошков металлов методом флотации на индивидуальные металлы.

Таким образом, разработанное и описанное выше устройство по непрерывной переработке морской воды реально может выполнить основную цель изобретения - заменить углеводородное топливо на экологически чистое водородное топливо (чистый водород) и обеспечить население Земли обессоленной водой и сырьем для химической и металлургической промышленности.

Производство по получению расстворимого стекла.

Стекло расстворимое - бесцветный или слегка окрашенный в зеленый или желтый цвет прозрачный затвердевший расплав, состоящий из щелочных силикатов.

Брутто формула стекла растворимого:
R₂O•mSiO₂,
где: R₂O-Na₂О или К₂О;
m - число молекул SiО₂.

Стекло растворимое получают сплавлением смеси кварцевого песка с содой или сульфатом натрия и углем в непрерывно действующих стекловаренных печах по технологии, аналогичной для промышленного нерастворимого стекла. Полученный расплав называют "силикат - глыба", а из нее получают кислотоупорный цемент (3, с.1037).

В нашем случае наиболее приемлемым является способ получения стекла растворимого обработкой аморфного кремнезема концентрированными растворами едких щелочей во вращающихся автоклавах (3, с.1037).

Концентрированные растворы щелочей получают в цехе 228, фиг.9.

Общая схема производства следующая:
nNaOH (KOH) + mSiO₂ • R₂O-->mSiO₂ --> кислотоупорный цемент --> железобетонные трубы и другие изделия.

Применение щелочного раствора по вышеприведенной схеме обеспечат перекачку обессоленной воды в заданные районы России без применения металлических труб.

Литература
1. Сокольский Ю.М. Омагниченная вода: правда и вымысел. Л.: Химия, 1990.

2. Ломоносов В. Ю. , Поливанов К.М., Михайлов О.П. Электротехника. М.: Энергоиздат, 1990.

3. Дикерсон Р. , Грей Г. , Хейт Дж. Основные законы химии, Т.2, изд. "Мир", 1982.

4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии М.: Химия, 1971.

5. Плановский А. Н. , Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.: Химия, 1972.

6. Павлов Н.Н. Теоретические основы общей химии. М.: Высшая школа, 1978.

7. Краткая химическая энциклопедия. Т.4, М.: Советская энциклопедия, 1965.

8. Краткая химическая энциклопедия. Т.1, М.: Советская энциклопедия, 1961.

9. Свойства неорганических соединений. Справочник, Л.: Химия, 1983.

10. Перри Дж. Справочник инженера химика. Т.2, Л.: Химия, 1969.

11. Чернобыльский И.И., Бондарь А.Г. и др. Машины и аппараты химических производств. М.: Машгиз, 1961.

12. Краткая химическая энциклопедия, Т.5, М.: Советская энциклопедия, 1967.

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.

1. Устройство для непрерывной переработки морской воды с выделением из нее обессоленной воды, водорода, кислорода, металлов и других соединений, содержащее 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, образующие первую технологическую линию, и последовательно соединенные второй отделитель-нейтрализатор, реактор-смеситель и генератор водорода, работающий на обессоленной воде и щелочном расплаве, образующие вторую технологическую линию. 2. Разделитель ионов для разделения морской воды на обессоленную воду, католит и анолит, содержащий трубопровод, размещенный в магнитном поле, отличающийся тем, что устройство дополнительно содержит секцию предварительного омагничивания воды круговым магнитным полем, создаваемым катушкой электромагнита, и 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. 3. Отделитель-нейтрализатор, предназначенный для отделения гидратной оболочки от анионов и катионов и нейтрализации на них электрических зарядов, содержащий 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. 4. Генератор водорода, содержащий реакционную зону и теплообменник, отличающийся тем, что генератор содержит теплоизоляционный корпус, в котором предусмотрена реакционная зона для взаимодействия расплавленного лития и воды, с 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.