Изобретение относится к переработке кислородосодержащих соединений железа для опытного и промышленного получения водорода, кислорода или того и другого порознь.
При этом возникает две важнейшие промышленно-экономические проблемы:
1) как наиболее эффективно использовать закон перехода железа из состояния с большей валентностью в состояние с меньшей валентностью,
2) как с наименьшими затратами энергии и времени получить в зоне основной реакции желаемую массу железа с меньшей валентностью.
Известен способ использования кислородосодержащих соединений железа и других металлов для опытного или промышленного получения водорода, включающий вытеснение водорода из химических соединений, вступающих в реакцию с железом и другими металлами, например молибденом, вольфрамом, ванадием, кобальтом, никелем и т.д. (1).
Недостатками известного способа являются:
- большие материальные затраты, связанные с использованием дорогостоящих металлов, какими являются молибден, вольфрам, ванадий, кобальт, никель и др.;
- сложный технологический процесс, требующий значительных энергетических затрат.
Перечисленных недостатков лишен способ переработки кислородосодержащих соединений переходных металлов, взятый в качестве прототипа (2).
Этот способ предусматривает использование порошка окиси железа, обработку его концентрированным пучком ускоренных электронов при энергонапряженности не менее 1 Вт/г в течение времени, достаточного для внутреннего разогрева всего объема исходной фазы с образованием высокочистых реакционно-способных твердых продуктов кислородных соединений другого фазового состава - закиси железа с выделением атомарного кислорода.
Здесь намного эффективнее использован закон изменения валентности железа, т.к., во-первых, исключены сложные соединения водорода с наибольшим числом гидроксильных групп, а вместо этого используется вода - самый дешевый, распространенный на поверхности земли, экологически чистый компонент; во-вторых, исключены сложные и дорогостоящие катализаторы на основе кобальта, титана, никеля и т.д., а используется окись железа - массовое и относительно дешевое соединение. К тому же не расходуемое в способе-прототипе.
Единственный недостаток этого способа в том, что он имеет экспериментально исследовательский характер и только для перевода железа с большей валентностью в меньшую. А полученная при этом закись железа - главный реагент для потенциального получения водорода здесь никак не используется.
Устранить этот недостаток - цель заявляемого изобретения, а именно использовать закон изменения валентности для опытного и промышленного получения водорода в одном технологическом процессе.
Эта цель достигается в способе переработки кислородосодержащих соединений железа, включающем обработку порошка кислородосодержащего соединения железа концентрированным пучком ускоренных электронов при энергонапряженности не менее 1 Вт/г в течение времени, достаточного для внутреннего разогрева всего объема порошка с образованием высокочистого реакционно-способного твердого кислородосодержащего соединения другого фазового состава.
Основная особенность патентуемого способа в том, что:
- в качестве кислородосодержащего соединения железа используют окись железа;
- окись железа измельчают до обработки концентрированным пучком электронов;
- отбирают атомарный кислород из зоны обработки порошка;
- в качестве твердого кислородосодержащего соединения другого фазового состава получают закись железа;
- закись железа обрабатывают в воде с получением водорода Н и гидроокисей железа [Fе(ОН)2] и [Fе(ОН)3];
- отбирают из зоны реакции водород Н;
- суспензию гидроокисей железа удаляют и направляют в блок-отстойник;
где получают шликер с влажностью до 20%;
- шликер обезвоживают до получения сухого порошка окиси железа;
- сухой порошок окиси железа направляют на обработку концентрированным пучком электронов.
Данная совокупность и последовательность операций отражена в первом пункте формулы изобретения.
Последующие пункты содержат особенности, которые интенсифицируют процесс получения водорода и кислорода.
Для этого предлагается порошок окиси железа измельчать до Syд=1,2...1,4 м2/г с тониной помола частиц 1,0...10,0 мкм, что является предметом второго пункта формулы. Опыты показывают, что при Sуд меньше 1,2 м2/г контактирование ухудшается. При Sуд выше 1,4 м2/г происходит агрегатирование микрочастиц, их рекомбинации между собой и контактирование с водой также ухудшается.
В следующем пункте предлагается обработку пучком электронов вести при температуре не ниже точки Кюри, для трехвалентного состояния железа - не ниже 753°С. При этой температуре и выше (до 800°С) трехвалентное железо, например Fе2О3, переходит в аморфное состояние, теряет магнитное свойство и кристаллическую структуру. Одновременно с этим молекула окиси отдает кислород, а атом железа теряет два валентных электрона, в результате чего преобразуется в закись железа - в неустойчивое, возбужденное и химически очень активное состояние. Это своего рода “химический молоток”, способный разбивать многие виды молекул, включая молекулы воды - основное сырье патентуемого способа.
В четвертом пункте зафиксировано следующее изменение: обработку закиси железа в воде производят в реакторе с перемешиванием воды. Перемешивание обеспечивает лучшее контактирование элементов организованной химической реакции: ионов закиси железа, анионов кислорода, молекул воды и свободных электронов.
Для дальнейшего улучшения контактирования вышеуказанных элементов предложен пятый пункт формулы: перемешивание воды и порошка закиси железа осуществляют путем тангенциальной подачи порошка и встречного направления вращения лопастей мешалки.
Шестой пункт формулы: воду в реакторе электризуют с помощью электродов, подключенных к источнику тока постоянного напряжения. Такое усовершенствование еще более улучшает достижение основной цели - повышение активизации технологического процесса и уменьшение затрат энергии и времени, а именно:
- способствует нейтрализации ионов водорода путем перевода их в молекулярное состояние;
- активизирует расщепление молекул воды на катион водорода и анион-гидратный остаток (ОН);
- при попадании ОН-аниона под электрическое воздействие лопастей-анодов гидратный остаток отдает излишние электроны, в результате восстанавливается молекула воды с выделением кислорода, который вступает в реакцию с закисью железа, переводя железо в трехвалентное состояние - окись железа.
В седьмом пункте предлагается: обработку закиси железа водой производить в реакторе порционно при соотношении на 9 кг закиси железа 3...5 л воды. Такое соотношение необходимо для максимально эффективного использования исходных порций сырья, загружаемого при каждом технологическом цикле, а соотношение порций определяется известным тахометрическим расчетом формул окиси железа, закиси железа и воды (3).
Затем водород из зоны реакции отбирают с повышенным давлением и направляют в емкость для хранения, что отражено в восьмом пункте формулы.
Шликер перед транспортировкой на обезвоживание механически перемешивают. Обезвоживание шликера производят в туннельной печи с электронагревателем до температуры, превышающей температуру испарения воды.
Эти финишные операции технологического цикла отражены в последних пунктах формулы - в девятом и десятом.
Вышеизложенный способ поясняют прилагаемые схемы, где
фиг.1 - блок А, являющийся основой всей производственной линии и служащий для промышленного получения закиси железа;
фиг.2 - производственная линия из блока А и блока Б - для промышленного получения водорода, атомарного кислорода и гидроокисей железа;
фиг.3 - производственная линия из блоков А, Б и В - для промышленного получения водорода, атомарного кислорода, гидроокисей железа и шликера в виде мелкодисперсного порошка железа (для лакокрасочной промышленности, ферритового производства и т.д.);
фиг.4 - производственная линия из блоков А, Б, В и Г - для промышленного получения водорода, атомарного кислорода, гидроокисей железа, обезвоженного порошка окиси железа, молекулярного кислорода и дисциллированной воды;
фиг.5 - схема закольцованной производственной линии, где сухой порошок окиси железа из блока Г поступает на вход блока А;
фиг.6 - блок-схема производственной линии с введенным блоком Д;
фиг.7 - схема холодильного блока;
фиг.8 - общая схема производственной линии;
где А - блок перевода окиси железа в закись железа;
Б - блок получения водорода;
В - блок-отстойник;
Г - блок получения окиси железа;
Д - холодильный блок.
Суть патентуемого способа в том, что он цикличен и каждый цикл содержит три этапа: на первом этапе получают закись железа и кислород, на втором этапе получают водород, а третий этап - восстановление. После этого трехэтапный процесс повторяется во второй раз, в третий и т.д.
Первый этап - получение закиси железа.
На технологический стол 1 по механизированной линии 2 подают окись железа (Fе2О3). Над столом 1 смонтирован источник 3 концентрированного пучка 4 электронов. Энергонапряженность этого пучка не менее 1 Вт/г в течение времени, достаточного для внутреннего разогрева всего объема порции порошка окиси железа, равномерно распределенного в поддонах 5.
После заданного воздействия пучка 4 электронов на порцию порошка окиси железа последнее превращается в двухвалентную фазу - химически активное и мимолетное состояние, т.е. происходит реакция:
Fe2O3+(электроны пучка)→2FeO+О+2е
Железо из нейтрального γ-состояния переходит в возбужденный катион δ (Fe2O3), который целеустремлен к нейтрализации за счет присоединения к себе недостающего отрицательного заряда аниона “О”.
При переходе железа в новую фазу из окиси железа (Fe2O3) в закись железа (FeO) избыток кислорода выделяется из сферы облучения пучком 4 в окружающую среду в виде аниона “О”.
Это - первые полезные продукты технологического процесса, при этом закись железа используется для последующих технологических операций, а атомарный кислород можно отбирать и использовать, например, в производстве искусственных синтетических материалов.
На первом этапе для лучшей реакции взаимодействия частиц окиси железа с водой приготавливают эти частицы с удельной поверхностью Sуд=1,2-1,4 м2/г. При Sуд меньше 1,2 м2/г контактирование ухудшается. При Sуд выше 1,4 м2/г происходит агрегатирование микрочастиц, их рекомбинации между собой и контактирование с водой также ухудшается.
Порошок с данной удельной поверхностью, тониной 1-10 мкм хранится в герметических стандартных банках. Для создания пучка 4 используют электронные ускорители мощностью от 16 до 40 кВт.
Толщина слоя порции порошка окиси железа до 10 мм, а вес порции - 100-300 г. Облучение в течение 2-3 с при температуре 700-850°С.
Второй этап - получение водорода.
Основой этого этапа является реактор 6, выполненный из диэлектрического материала, например из пластмассы. В реактор 6 по линии 7 заливают воду 8 в количестве, достаточном для получения 1 м3 газообразного водорода, примерно 3-5 л (с запасом). К электродам 9 и 10 подключают постоянный ток, напряжение которого определяется опытным путем, чтобы получить достаточное для активной реакции количество электронов. После этого включают электродвигатель 11, вращающий мешалку 12. По трубопроводу 13 с помощью насоса 14 (фиг.2) подают нагретый порошок закиси железа в реактор 6. Для активизации реакции вышеуказанный порошок подают тангенциально к внутренней поверхности реактора 6 и навстречу круговому движению воды в реакторе. Происходит реакция между закисью железа, водой и электронами с образованием Н+, ОН-, Fe(OH)2, Fе(ОН)3. Из этих продуктов реакции водород (Н), нейтрализуясь за счет электронов, выходит из реактора 6 по воздуховоду 15. Для ускорения выхода этого водорода из реактора применен вентилятор 16. Поступивший в воздуховод 15 водород может быть направлен либо к месту сбора и хранения (в баллонах или газовых емкостях), либо к средствам его практического использования, например для получения углеводородов, для зарядки гидроаккумуляторных накопителей.
Следующий продукт реакции (ОН-), т.е. гидроксид-ион, контактируя с анодом 10, отдает излишние электроны и переходит в молекулы воды и кислород. А этот кислород вступает в реакцию с закисью железа и переводит ее в окись железа. Остальные вышеуказанные продукты реакции выпадают в осадок в виде суспензии (смеси воды с частицами окиси и закиси железа). Эта суспензия с помощью насоса 17 отбирается из реактора 6 по трубопроводу 18. Для промывки емкости реактора используют очищающую жидкость, например воду, подаваемую по трубопроводу 7. По трубопроводу 19 удаляют промывочную жидкость (воду). С целью предотвращения выхода из реактора 6 кислорода на входе газопровода 15 перед вентилятором 16 установлено атомарное сито 20, например палладиевая мембрана и/или кольцевой катод.
Подаваемый по трубопроводу 13 порошок закиси железа нагрет на первом этапе до 800°С и поэтому передает тепло в воду 8, что ускоряет процесс реакции.
Этап химико-физического восстановления обезвоженной окиси железа.
На этом третьем этапе совершается два процесса: во-первых, химико-физическое восстановление окиси железа для использования его во втором цикле, после нового восстановления - в третьем цикле и т. д.; во-вторых, для получения еще одного полезного продукта: смеси горячего водяного пара (100-300°С) с газообразным кислородом.
Третий этап начинается с подачи по трубопроводу 18 суспензии. В отстойнике 21 (блок В) суспензия разделяется: сверху слой 22 воды, а внизу слой 23 низковлажного порошка (шликера), состоящего из большей части окиси железа и меньшей части - закиси железа. После этого разделения отстоявшуюся (осветленную) воду удаляют трубопроводом 24, например, с помощью вакуумного насоса. Отстоявшийся шликер 23 перемешивают с помощью лопастей мешалки 25 с электродвигателем 26 на внешнем конце вала. Эта операция необходима для придания слою шликера однородного состояния, что улучшает его дальнейшую транспортировку по трубопроводу 27 с помощью насоса 28. Здесь шликер имеет влажность до 20%, и эта масса поступает на окончательное обезвоживание. Вышеуказанную массу загружают в чаши-поддоны 29, выполненные, например из керамики, и рольгангом 30 отправляют в туннельную печь 31. Селитовые нагреватели 32 создают внутри печи температуру выше температуры испарения воды. При этих условиях происходит химическое восстановление обезвоженной окиси железа, которую выгружают в приемный бункер 33 (фиг.4). При химическом восстановлении совершается дополнительная полезная реакция. Из закиси-окиси железа выделяется вода и атомарный кислород. Эти два компонента в виде водяного пара и кислорода удаляют из печи 31 с помощью вентилятора 34 и пароотвода 35. Этот следующий полезный продукт может быть использован для различных целей:
- для насыщения воды 8 в реакторе 6 кислородом и ускорения реакции перевода закиси железа в окись железа;
- парообразная вода (100-300°С) нагревает компоненты вышеуказанной реакции и дополнительно активизирует эту химическую реакцию;
- эта же парообразная вода, поступившая в реактор 6, частично уменьшает потребность внешней воды по трубе 36 или полностью исключает ее подачу;
- при большом производстве этот же продукт (парообразная вода 100-300°С) может быть использован для централизованного отопления паром, и в таком теплоносителе нет никаких солевых компонентов - отложений на стенки труб при конденсации пара;
- эта же горячая газовая смесь является наилучшим реагентом во всех возможных опытно-промышленных окислительных реакциях, требующих окислителя и/или нагрева;
- при охлаждении этой газовой смеси получаем дополнительное тепло и деминерализованную (дистиллированную) воду для химических процессов, для зарядки аккумуляторов и т.д.;
- при вышеуказанном охлаждении получаем атомарный или молекулярный кислород, которые также имеют большой спектр применения.
Производственная линия для осуществления вышеописанного способа.
Известно устройство для переработки кислородосодержащих соединений железа, никеля, кобальта и др., содержащее производственный стол и смонтированный над ним ускоритель пучка электронов - “ЭУ-16“ [2].
Данное устройство является лабораторной установкой, созданной в институте ядерной физики Сибирского отделения РАН, с помощью которой осуществляют превращение окиси железа в закись железа в результате облучения и нагрева слоя окиси концентрированным пучком ускоренных электронов. После соответствующего нагрева и облучения в атмосферу лаборатории выделяется кислород, а на производственном столе после обработки получается новый химический продукт - закись железа. Известна разработка производственной линии для промышленного получения водорода, совершенная в США, по крайней мере на стадии патента [3]. В данное техническое решение были внесены существенные изменения отечественным Институтом горючих ископаемых [1]. Именно эта усовершенствованная производственная линия взята в качестве прототипа.
Линия включает блок перевода порошка окиси железа в закись, блок получения водорода и окиси железа, а также механизм подачи окиси железа в блок перевода порошка окиси железа в закись. В этой технологической цепочке реализуется принцип получения водорода путем высокотемпературного разложения воды в псевдокипящем слое.
Все наиболее известные способы и устройства для получения водорода имеют общий и существенный недостаток: затраты энергии на получение 1 м3 водорода близки к тому количеству энергии, которое можно получить от этого 1 м3 водорода, использованного в качестве топлива.
Этот же недостаток содержит и взятая за прототип производственная линия. Здесь в псевдокипящий слой подают окись железа в холодном состоянии, а нагреть ее надо до 1100°С и потратить на это около 510 кДж/кг. Чтобы поддерживать в реакторе заданную высокую температуру, надо постоянно подавать перегретый пар, для чего необходимо нагреть воду до 100°С, перевести ее в пар, нагреть пар со 100 до 1100°С. В итоге общие энергозатраты равны 7230 кДж/кг, а возможная энергоотдача полученного водорода равна 10700 кДж/кг, т.е. возможная энергоотдача лишь на 33% превышает реальные энергозатраты. Но и эта прибыль энергии будет полностью или существенно уменьшена, пока потенциальную энергию водорода превратят в реальную - в полезную работу.
Другой не менее важный недостаток вышеуказанной производственной линии: рядом с ней обязательно должен быть очень мощный источник перегретого пара (1100-1200°С). И этот перегретый пар после реактора надо выбрасывать в атмосферу или рядом сооружать какой-то комбинат для вторичного использования этой массы пара.
Наконец, вышеуказанная производственная линия не может работать по собственному замкнутому циклу, т.к. в реакторе образуется гранулат, для требуемого размола которого необходима особая мельница. Это еще один вид энергозатрат - 1400 кДж/кг. А при полном подсчете всех необходимых затрат может оказаться, что энергия от полученного водорода будет равна вложенным энергозатратам.
Цель патентуемой производственной линии - устранить вышеуказанные недостатки, а именно: максимально снизить все энергозатраты на получение 1 м3 водорода. Вторая основная цель - повышение производительности линии. И третья цель - увеличение ассортимента получаемых продуктов.
Эта комплексная цель реализуется в патентуемой производственной линии для переработки кислородосодержащих соединений железа, содержащей блок перевода порошка окиси железа в закись, блок получения водорода и окиси железа, а также средство для подачи окиси железа в блок перевода порошка окиси железа в закись.
Первое существенное отличие данной производственной линии в том, что в блоке перевода окиси железа в закись включены ускоритель пучка электронов и расположенный под этим пучком производственный стол с размещенным на нем механизмом транспортировки порошка окиси железа, за производственным столом по ходу транспортировки смонтированы бункер для сбора полученного порошка закиси железа и механизм транспортировки этого порошка для дальнейшего его использования, а для превращения вышеуказанного блока в блок получения кислорода зона облучения и производственный стол размещены внутри камеры сбора и отвода кислорода. Это является предметом одиннадцатого пункта формулы изобретения.
Здесь изложены основные конструктивные особенности, которые делают возможным придать блоку две функции: подготовка закиси железа и получение кислорода. При этом подготовка закиси железа является ключевым процессом для всей производственной линии.
Сочетание признаков, указанное в одиннадцатом пункте, в принципе обеспечивает решение вышеуказанной комплексной цели - снижение энергозатрат, повышение производительности и увеличение ассортимента получаемых продуктов. Этот первый блок производит закись железа, являющаяся сырьем для всей производственной линии и самостоятельным продуктом, используемым на многих производствах и лабораториях. Энергозатраты 1 к 3, т.е. каждая единица энергозатрат на производство трижды окупается энергией, полученной от использования закиси железа, а время физико-химической реакции - 2-3 с.
Для повышения производительности первого блока предложено его оснастить механизмом транспортировки порошка, выполненным в виде рольганга, размещенного на уровне производственного стола перед входом в камеру сбора и отвода кислорода и предназначенного для размещения на нем поддонов из жаропрочного материала, например керамики. Это отражено в двенадцатом пункте формулы.
Для дальнейшего повышения производительности этого блока его предложено оснастить механизмом транспортировки полученного порошка закиси железа. Им является струйный насос, над заборным отверстием которого размещен бункер, верхнее отверстие которого является приемным для порошка полученной закиси железа, а нижнее отверстие - загрузочным для насоса. Это является предметом тринадцатого пункта формулы изобретения.
Чтобы ускорить разгрузку керамических поддонов с порошком, предложено верхнее отверстие бункера перекрыть вибросеткой.
Следующее усовершенствование также нацелено на повышение производительности путем согласования ритма работы устройств, входящих в блок перевода окиси железа в закись и механизм транспортировки полученного порошка закиси железа, для чего они снабжены системой управления рольгангом, ускорителем электронов и струйным насосом.
Вышеперечисленные конструктивные изменения составляют четырнадцатый и пятнадцатый пункты формулы изобретения.
Шестнадцатый пункт патентует совокупность признаков, которая придает линии новый технический эффект: промышленное получение основного продукта. Это реализуется тем, что в линию включен блок получения водорода, основной частью которого является реактор для перевода закиси железа в гидроокиси железа, внутри которого установлена с возможностью вращения от привода мешалка, а в его корпусе выполнены патрубки для подводы воды, порошка закиси железа, очистки и промывки реактора, а также диаметрально расположенные отверстия, сквозь которые герметично пропущены электроды, при этом крышка реактора снабжена воздуховодом с вентилятором для отбора образующегося водорода, и вход в воздуховод перекрыт атомарной мембраной, например, из палладия, а в днище реактора вмонтирован механизм выгрузки гидроокисей железа и транспортировки для последующей переработки.
Для повышения производительности второго блока путем активизации химической реакции патрубок для подвода порошка закиси железа выполнен тангенциально к внутренней поверхности реактора, а мешалка установлена с возможностью вращения во встречном направлении.
Цель следующих усовершенствований - повышение производительности и снижение энергозатрат при химическом восстановлении. Для претворения первого этапа этого восстановления в производственную линию дополнительно включен блок-отстойник, расположенный между блоком получения водорода и блоком получения окиси железа, внутри блока-отстойника смонтирована с возможностью вращения от привода мешалка, верхняя его часть соединена трубопроводом с механизмом выгрузки полученных гидроокисей и их транспортировки Все это включено в восемнадцатый пункт формулы.
Заключительный этап технологического цикла требует включения в линию блока получения окиси железа, основной частью которого является туннельная печь с рольгангом внутри, на котором размещены керамические поддоны для шликера, а над ними - электронагреватели, например селитовые, в верхнем своде печи выполнено отверстие для выхода водяных паров и кислорода, сообщенное со входом вентилятора, на выходе которого расположен паросборник, переходящий в пароотвод, при этом поддоны сообщены посредством трубопровода с линией выгрузки и перекачки шликера, а по ходу перемещения этих поддонов выполнено выходное отверстие печи с заслонкой и площадкой для выгрузки полученного порошка обезвоженной окиси железа. Его состояние таково, что он без каких-либо дополнительных операции и энергозатрат может быть использован в следующем технологическом цикле.
Для обеспечения непрерывного технологического процесса с использованием повторного и последующих циклов перевода окиси железа в закись необходимо закольцевать линию: площадку для выгрузки обезвоженного порошка окиси железа сообщить с рольгангом, расположенным перед входом в камеру для сбора и отвода кислорода. Это существенное усовершенствование запатентовано двадцать первым пунктом формулы.
Следующее усовершенствование также направлено на реализацию сквозной комплексной цели: повышение ассортимента производимого продукта, повышение производительности и снижение энергозатрат. Для этого в производственную линию включен холодильный блок, рабочий объем которого сообщен с пароотводом блока получения окиси железа, при этом в верхней части корпуса холодильного блока герметично установлен патрубок для отвода кислорода, а в нижней его части - патрубок для отвода дистиллированной воды. Таким образом, дистиллированная вода и чистый кислород - еще два очень ценных промышленных продукта.
Далее в двадцать третьем пункте предлагается первый вариант монтажа линии. Вышеперечисленные блоки смонтировать на стационарной площадке в две линии.
В следующем пункте другой вариант: блоки смонтировать на транспортируемой площадке, например в кузове грузового автомобиля. Указанные выше блоки работают в условиях повышенных температур. С этой целью блоки образуют замкнутый контур и размещены внутри объема, созданного тонкостенным материалом, например металлом, а холодильный блок размещен снаружи. Это даже летом сберегает энергию, а зимой - бесспорно.
Пример конструктивного исполнения
Патентуемая производственная линия может быть использована для переработки кислородосодержащих соединений железа и разработана она до этапа эскизного проектирования.
Эта конкретная производственная линия содержит блок А перевода окиси железа в закись, который включает средства перевода окиси железа в закись железа.
Затем по ходу технологического процесса расположен блок Б получения водорода, с которым взаимосвязан блок В, являющийся отстойником.
Завершает технологическую линию блок Г, в котором заканчивается полное химическое восстановление окиси железа в виде обезвоженного порошка.
Блок А, т.е. блок перевода окиси железа в закись, включает ускоритель 3 пучка электронов и расположенный под этим пучком технологический стол 1 с размещенным на нем керамическими поддонами 5 для транспортировки порции порошка окиси железа. Пространство между выходом пучка электронов и производственным столом образует рабочую зону, которая заключена в корпус, являющийся камерой 38 для сбора и отвода кислорода.
За технологическим столом 1 по ходу транспортировки смонтированы бункер 37 для сбора полученного порошка закиси железа и механизм транспортировки этого порошка для дальнейшего его использования. В данном случае механизмом транспортировки является струйный насос 14 или иное средство транспортировки порошка.
Загружают производственную линию окисью железа - сырьем для получения закиси железа с помощью механизма транспортировки порошка, выполненного в виде рольганга 2, размещенного на уровне технологического стола 1 перед входом в камеру 38 сбора и отвода кислорода.
Средством транспортировки из блока А облученного порошка является струйный насос 14, над заборным отверстием которого размещен бункер 37, верхнее отверстие которого является приемным для порошка, а нижнее отверстие - загрузочным для насоса. Верхнее отверстие бункера перекрыто вибросеткой 39.
Блок А снабжен системой управления ( на чертежах не показана), которая синхронизирует работу рольганга 2, ускорителя электронов 3 и струйного насоса 14. Блок А можно и нужно использовать в нескольких назначениях: в сочетании с блоком Б, в сочетании с блоком Б и блоком В, в сочетании с тремя последующими блоками, в сочетании со всей производственной линией.
И во всех этих случаях блок А является важнейшей частью получения закиси железа и кислорода, которые могут быть использованы как самостоятельные продукты в различных технологических процессах.
Эта же закись железа очень эффективно используется и в патентуемой производственной линии, в которую для этой цели должен быть включен блок Б получения водорода и гидроокисей железа. Основной частью этого второго блока является реактор 6 для получения водорода и перевода закиси железа в окись. Внутри реактора установлена с возможностью вращения от привода 11 мешалка 12.
В корпусе реактора 6 выполнены патрубок 7 подвода воды, патрубок 13 подвода порошка и сливной патрубок 19 (фиг.2) для очистки и промывки реактора 6. В том же корпусе реактора 6 выполнены диаметрально расположенные отверстия, сквозь которые герметично пропущены электроды 9 и 10, крышка реактора снабжена воздуховодом 15 для отбора водорода, на котором установлен вентилятор 16, а вход в воздуховод 15 перекрыт атомарной мембраной 20, например из палладия. В днище реактора 6 вмонтирован механизм выгрузки суспензии гидроокисей железа и транспортировки его для последующей переработки, включающий отсасывающую трубу 18 насос 17.
Для активизации химической реакции вышеуказанный патрубок 13 подачи порошка закиси железа выполнен тангенциально к внутренней поверхности реактора и навстречу вращению лопастей мешалки.
После выгрузки суспензии гидроокисей железа из блока Б посредством насоса 17 и трубопровода 18 в блок-отстойник В начинается процесс подготовки к следующему технологическому циклу. Для этого внутри блока 21 смонтирована с возможностью вращения от привода 26 мешалка 25, трубопровод 24 отбора отстоявшейся воды 22 и механизм выгрузки влажного шликера 23, выполненный в виде насоса 28 и трубопровода 27.
Для завершения подготовки к следующему технологическому циклу в производственную линию включен блок получения окиси железа (блок Г), основной частью которого является туннельная печь 31 с рольгангом 30 внутри, на котором размещены керамические поддоны 29, а над ними размещены электронагреватели 32, например селитовые. В верхнем своде печи 31 выполнено отверстие 40 для выхода водяных паров и кислорода, сообщенное со входом вентилятора 34. На выходном патрубке вентилятора расположен паросборник 35, переходящий в пароотвод 36, направляющий водяные пары вместе с кислородом в реактор 6 или через кран-тройник 41 в блок Д (холодильник). Система выгрузки и перекачки отстоявшейся массы снабжена трубопроводом 27 для подачи этой массы в вышеуказанные керамические поддоны 29, по ходу перемещения которых сделано выходное отверстие печи с заслонкой 42 и площадкой 43 для выгрузки обезвоженного порошка окиси железа в приемный бункер 33, являющегося подготовленным сырьем для получения закиси.
Для существенного уменьшения тепловых потерь, снижения энергозатрат и активизации химической реакции производственная линия имеет обратную технологическую связь посредством трубопровода 44 транспортировки водяного пара и кислорода, герметично пропущенного через верхнюю часть корпуса реактора.
Чтобы патентуемую производственную линию полностью технологически закольцевать, площадка 43 для выгрузки обезвоженного порошка окиси железа связана транспортирующим средством 45 с рольгангом 2, расположенным в начале производственной линии.
Для увеличения ассортимента выпускаемого продукта производственная линия дополнена холодильным блоком (блок Д на фиг.7), с рабочим объемом которого блок Г технологически связан посредством пароотвода 46 (фиг.8). Через него в холодильник поступает парообразная смесь воды и кислорода, а после охлаждения и конденсации через патрубок 47 отводят кислород - еще один промышленный продукт, а через патрубок 48 отводят дистиллированную воду.
В другом варианте производственной линии все вышеперечисленные блоки смонтированы на стационарной площадке в две линии (фиг.6 и 8) Это делает линию компактнее и укорачивает взаимосвязывающие трубопроводы.
Следующий - еще более эффективный вариант: блоки смонтированы на транспортируемой площадке, например в кузове грузового автомобиля.
Для дальнейшего энергосбережения образующие закольцованный технологический цикл блоки (фиг.6 и 8) размещены внутри корпуса 49 из теплоизоляционного материала, а холодильный блок Д размещен снаружи. Это сберегает электроэнергию для холодильника за счет более холодного наружного воздуха летом и за счет мороза зимой.
Источники информации
1. Заявка SU №3516772/23-26, С 01 В 3/10, 29.11.1982.
2. Патент РФ №2071934, С 22 В 1/10, 22.11, 1992.
3. Патент США №3619142, кл. 23-214, С 01 В 1/08.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ИЗОТОПОВ УРАНА В ЯДЕРНОМ ТОПЛИВЕ | 2000 |
|
RU2172987C1 |
| СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ СПЛАВА ЖЕЛЕЗА, МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ СПЛАВА ЖЕЛЕЗА И ДЕТАЛЬ СТУПЕНИ ПОГРУЖНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА | 2002 |
|
RU2230824C2 |
| СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ПОРОШКОВЫХ СПЛАВОВ ЖЕЛЕЗА И ДЕТАЛЬ СТУПЕНИ ПОГРУЖНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА | 2002 |
|
RU2230825C2 |
| СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО УРАНА ИЗ ОТХОДОВ УРАНОВОГО ПРОИЗВОДСТВА И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2002 |
|
RU2236477C2 |
| СПОСОБ ОБРАБОТКИ КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1992 |
|
RU2065763C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ | 1998 |
|
RU2136602C1 |
| СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ НИКЕЛЯ ИЗ ПОРОШКА ЛАМЕЛЕЙ ОТРАБОТАННЫХ ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ | 2006 |
|
RU2364641C2 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВНОГО НИКЕЛЕВОГО ПОРОШКА | 2007 |
|
RU2359049C2 |
| СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ, ЭКОНОМИЧНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ, ПОНИЖЕНИЯ ИХ ТОКСИЧНОСТИ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИХ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2009 |
|
RU2439345C2 |
| СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ МИНЕРАЛЫ, В КОТОРЫЕ НИКЕЛЬ ВХОДИТ В ЗАКИСНОЙ ФОРМЕ | 2006 |
|
RU2319754C1 |
Изобретение предназначено для химической промышленности и может быть использовано при получении водорода и кислорода. Способ по изобретению реализуют в производственной линии, содержащей следующие блоки: А – перевода окиси железа в закись; Б – получения водорода; В – отстойник; Г – получения окиси железа, Д – холодильный. Блок А включает ускоритель 3 пучка электронов, технологический стол 1, расположенный под ним. На столе 1 размещены керамические поддоны 5 для транспортировки порошка окиси железа. Камера 38 предназначена для сбора и отвода кислорода, образующегося при облучении порошка окиси железа с переводом ее в закись железа, которую собирают в бункере 37. С помощью струйного насоса 14 порошок закиси железа транспортируют в блок Б, включающий реактор 6 для получения водорода и гидроокисей железа. Реактор 6 снабжен мешалкой 12, вращаемой с помощью привода 11, патрубками 7, 13 и 19 для подвода воды, порошка и слива соответственно. Реактор 6 также снабжен электродами 9 и 10, воздуховодом 15 для отбора водорода, вход в который перекрыт атомной мембраной 20 из палладия. Отсасывающая труба 18 с насосом 17 предназначена для транспортировки образующихся гидроокисей железа на дальнейшую переработку. Патрубок 13 выполнен тангенциально к внутренней поверхности реактора 6 навстречу вращению лопастей мешалки 12. В блоке В получают шликер гидроокисей железа с влажностью до 20%. Блок В содержит отстойник 21 с мешалкой 25, трубопровод 24 для отбора отстоявшейся воды 22, насос 28 и трубопровод 27 для выгрузки влажного шликера 23. Блок Г включает туннельную печь 31 с рольгангом 30, на котором размещены керамические поддоны 29. Над поддонами 29 расположены селитовые нагреватели 32. Отверстие 40 предназначено для вывода образующихся водяных паров и кислорода, направляемых при помощи паросборника 35 и пароотвода 36 в реактор 6 по трубопроводу 44 или через кран-тройник 41 и трубопровод 46 в холодильный блок Д. Обезвоженный порошок выгружают в приемный бункер 33 через выходное отверстие печи с заслонкой 42. Площадка 43 для выгрузки обезвоженного порошка окиси железа связана с рольгангом 2 посредством транспортирующего средства 45. Парообразная смесь воды и кислорода, поступающая в блок Д, конденсируется и охлаждается. Кислород отводят через патрубок 47, дистиллированную воду – через патрубок 48. Все вышеперечисленные блоки можно смонтировать на стационарной площадке в две линии или в кузове грузового автомобиля. Для энергосбережения все блоки, кроме холодильного блока Д, размещены внутри корпуса 49. Изобретение позволяет получить кислород и водород в едином технологическом цикле с использованием дешевого и доступного сырья. 2 с. и 23 з.п. ф-лы, 8 ил.
| СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ НЕПЕРЕХОДНЫХ И ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ | 1992 |
|
RU2071934C1 |
| US 3619142 A, 09.11.1971 | |||
| Б'ШЛИОГЕКАКольского филиала АН СССР | 0 |
|
SU389831A1 |
| Способ определения гидроокислов железа | 1976 |
|
SU612169A1 |
| ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ | |||
| /Под ред | |||
| И.И | |||
| Артоболевского | |||
| - М.: Советская энциклопедия, 1977, с.45 | |||
| БЕЛЕНЬКИЙ Е.Ф., РИСКИН И.В | |||
| Химия и технология пигментов | |||
| - Л.: Химия, 1974, с.373. | |||
