СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ, ВОДОРОДА И АЛМАЗОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК C01B31/06 C01B3/24 

Изобретение относится к получению водорода и сверхтвердых материалов из веществ, содержащих соединения углеводородов, например из природного газа, и может быть использовано в энергетике, машиностроении и охране окружающей среды.

Известные современные способы получения энергии основаны на сжигании топлива. Более эффективным способом получения энергии являются взрывы, при которых практически не выбрасываются несгоревшие частицы и используется механическая энергия ударных волн.

Наиболее близкими к заявленным способу и устройству являются способ и устройство для получения алмазов, описанные в патенте RU №2048437, кл. С 01 В 31/06, 1995.

Известный способ заключается в воздействии взрывом кумулятивного заряда из взрывчатой газовой смеси без внутренней оболочки на впрыснутую по оси заряда струю веществ, содержащих соединения углеводородов. Способ осуществлялся в цилиндрической металлической взрывозащитной камере, имеющей в верхней торцевой части распределительный узел подачи взрывчатой газовой смеси и веществ, содержащих соединения углеводородов и центры кристаллизации из мелких алмазов для наращивания их величины, или мелкие частицы металлов, впрыскиваемых по оси заряда. В нижней части камеры выполнена система охлаждения алмазов водой. Камера выполнена с двойной оболочкой, заполненной присоединенной массой из металлических опилок и гранул, в которой размещены трубопроводы для отвода тепла.

Указанный способ имеет следующие недостатки:

неэффективное использование энергии взрыва кумулятивного заряда без внутренней оболочки на вещество, впрыскиваемое по оси заряда;

для получения алмазов требуются мощные взрывчатые смеси и величины кумулятивных зарядов;

предусмотренное охлаждение водой всего объема взрывных продуктов для предотвращения сгорания алмазов снижает коэффициент полезного действия.

Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает непрерывный процесс получения алмазов. Кроме того, система отделения водорода от пара, образующегося при охлаждении алмазов в этом устройстве, является сложной.

Целью изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков и повышение эффективности получения энергии, водорода и алмазов.

Это достигается тем, что в способе получения энергии водорода и алмазов, включающем одновременную подачу во взрывозащитную камеру газообразной взрывчатой смеси и соединений углеводородов с зародышами кристаллизации углерода, образование кумулятивного заряда, его взрыв с получением кумулятивной струи, отвод энергии, выделение образовавшихся алмазов и водорода, согласно изобретению соединения углеводородов с зародышами кристаллизации углерода подают в камеру посредством впрыскивания таким образом, чтобы сформировать из них конусообразную оболочку кумулятивного заряда с инертной полостью в центральной зоне, причем алмазы формируют при помощи высоких давлений и температур в результате столкновения полученной кумулятивной струи с преградой, расположенной в блоке охлаждения, присоединенном к указанной камере, с отводом при этом энергии, рассеиванием этой струи и ее охлаждением, после чего выделяют образовавшиеся алмазы и водород при резком падении давления во вспомогательной камере, присоединенной к блоку охлаждения.

Поставленная задача также достигается устройством для получения энергии, водорода и алмазов, включающим взрывозащитную цилиндрическую камеру с двойными стенками, присоединенный к ней блок охлаждения, средства для отвода водорода и энергии, приемник алмазов, при этом указанная камера снабжена распределительным узлом, предназначенным для формирования кумулятивного заряда, с трубопроводами для подачи газообразной взрывчатой смеси и средством для подачи соединений углеводородов и зародышей кристаллизации углерода, а блок охлаждения снабжен трубопроводами и присоединенной массой из металлических гранул и опилок, при этом указанное устройство оборудовано соответствующими автоматическими системами управления, в котором согласно изобретению средство для подачи соединений углеводородов и зародышей кристаллизации выполнено в виде форсунки для их впрыскивания в виде конусообразной оболочки с инертной полостью в центральной зоне, блок охлаждения дополнительно снабжен преградой с каналами для создания высоких температур и давлений при столкновении с ней кумулятивной струи, а трубопроводы блока охлаждения выполнены в виде змеевика, предназначенного для подачи охлажденной воды, причем к блоку охлаждения присоединена вспомогательная камера для резкого падения давления и выделения алмазов и водорода.

На фиг.1 изображено поперечное сечение заявленного устройства по линии Б-Б; на фиг.2 - его продольный разрез по линии А-А.

Устройство для осуществления способа получения энергии, водорода и алмазов представляет собой взрывозащитную цилиндрическую камеру 1, блок охлаждения 2 и вспомогательную камеру 3. Цилиндрическая взрывозащитная камера имеет двойные стенки и снабжена распределительным узлом для формирования кумулятивного заряда, включающим трубопровод 4 и каналы 5 для подачи газообразной взрывчатой смеси, а также трубопровод 6 с форсункой 7 для подачи соединений углеводородов и зародышей кристаллизации углерода. Камера 1 дополнительно снабжена трубопроводом 17 для отвода избыточной энергии потребителю. Блок охлаждения 2 снабжен преградой с каналами 11 для создания высоких температур и давлений при столкновении с ней кумулятивной струи 10, образовавшейся в камере 1. Блок охлаждения 2 также снабжен трубопроводами 12 в виде змеевика, предназначенного для подачи охлажденной воды или газа. Трубопроводы 12 расположены в металлических опилках и гранулах 14. К блоку охлаждения 2 присоединена вспомогательная камера 3 для резкого падения давления и выделения алмазов и водорода, снабженная трубопроводом 15, соединенным с энергоприемником 16.

Заявленный способ осуществляют в описанном устройстве, работающем следующим образом.

В рабочее пространство взрывозащитной камеры 1 по трубопроводу 4 через каналы 5 подают газообразную взрывчатую смесь, например водород с воздухом, с энергией 725 ккал/м³; или водород с кислородом с энергией 1630 ккал/м³. Одновременно с этим по трубопроводу 6 через форсунку 7 впрыскивают соединения углеводородов и зародышей кристаллизации углерода, например графита, которые образуют конусообразную оболочку 8 с инертной полостью в центральной зоне. Соединения углеводородов могут быть в виде сжатого газа, жидкости, мелких частиц. После этого производят инициирование подрыва газообразной взрывчатой смеси при помощи электрической искры (инициирующее устройство на чертеже не показано), в результате которого конусообразная оболочка 8 с газообразной взрывчатой смесью 9 формируют кумулятивный заряд, образующий кумулятивную струю 10. Газообразные продукты детонации удаляют посредством трубопровода 17 и используют, например, в бойлерных или системах теплоснабжения. Поскольку эти продукты не попадают во вспомогательную камеру 3, предотвращается сгорание полученных алмазов, что является существенной проблемой известных способов. Кумулятивная струя 10 движется с высокой скоростью по оси кумуляции, увлекая за собой твердые продукты детонации - алмазы, и предотвращая их оседание на стенках камеры 1.

При столкновении кумулятивной струи 10 с преградой с каналами 11 за счет ее кинетической энергии резко возрастает давление - до тысяч атмосфер и температура - до 900°С, что обеспечивает рост размеров алмазов до 800 мкм и более. Давление кумулятивной струи 10 на преграду 11 можно регулировать за счет величины заряда и изменения формы преграды 11. Одновременно с увеличением размеров алмазов производят их охлаждение при помощи трубопроводов 12, расположенных в металлических опилках и гранулах 13. Затем распыленная и охлажденная кумулятивная струя попадает во вспомогательную камеру 3, где давление резко падает, в результате чего происходит выделение алмазов 14 и водорода, которые по трубопроводу 15 направляют к энергоприемнику 16, в котором происходит осаждение алмазов. Отделенный нагретый водород можно направлять в хранилище или использовать в производстве.

Предложенное устройство оборудовано соответствующими автоматическими системами управления: подачи взрывчатой смеси, углеводородов, инициирования взрыва, охлаждения и удаления алмазов, водорода и энергии, которые не показаны на чертеже.

Способ получения энергии, водорода и алмазов и устройство для его осуществления позволят эффективнее использовать вещества, содержащие соединения углеводородов, в автономных и централизованных энергосистемах, применять экологически чистый источник энергии - водород в двигателях машин и тем самым создать благоприятные условия для жизни в густо населенных регионах, сократив минимум в два раза выбросы в атмосферу углекислого газа, снизить парниковый эффект на Земле. Низкая себестоимость получаемых алмазов позволит обеспечить народное хозяйство сверхтвердыми материалами.

Изобретение может быть использовано в энергетике, машиностроении и охране окружающей среды. Во взрывозащитную камеру 1 с двойными стенками подают одновременно газообразную взрывчатую смесь по трубопроводу 4 через каналы 5 и впрыскивают углеводороды с зародышами кристаллизации углерода по трубопроводу 6 через форсунку 7 с образованием конусообразной оболочки 8 с инертной полостью в центральной зоне. Оболочка 8 и взрывчатая смесь 9 образуют кумулятивный заряд. Производят инициирование подрыва взрывчатой смеси 9, в результате которого кумулятивный заряд образует кумулятивную струю 10, движущуюся с высокой скоростью по оси кумуляции. Газообразные продукты отводят по трубопроводу 17. При столкновении кумулятивной струи 10 с преградой, снабженной каналами 11 блока охлаждения, 2 резко возрастают давление и температура, обеспечивая рост образовавшихся кристаллов алмаза. Одновременно производят охлаждение при помощи трубопроводов 12, расположенных в металлических опилках и гранулах 13. Распыленная и охлажденная кумулятивная струя попадает во вспомогательную камеру 3, где алмазы 14 выделяют, направляют по трубопроводу 15 к энергоприемнику 16, в котором осаждают их. Отделенный нагретый водород отводят для хранения или использования. Изобретение позволяет увеличить размеры кристаллов алмаза до 800 мкм и более, уменьшить выбросы в атмосферу, снизить себестоимость алмазов, повысить эффективность устройства. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения энергии, водорода и алмазов, включающий одновременную подачу во взрывозащитную камеру газообразной взрывчатой смеси и соединений углеводородов с зародышами кристаллизации углерода, образование кумулятивного заряда, его взрыв с получением кумулятивной струи, отвод энергии, выделение образовавшихся алмазов и водорода, отличающийся тем, что соединения углеводородов с зародышами кристаллизации углерода подают в камеру посредством впрыскивания таким образом, чтобы сформировать из них конусообразную оболочку кумулятивного заряда с инертной полостью в центральной зоне, алмазы формируют при помощи высоких давлений и температур в результате столкновения полученной кумулятивной струи с преградой, расположенной в блоке охлаждения, присоединенном к указанной камере, с отводом при этом энергии, рассеиванием этой струи и ее охлаждением, после чего выделяют образовавшиеся алмазы и водород при резком падении давления во вспомогательной камере, присоединенной к блоку охлаждения.2. Устройство для получения энергии, водорода и алмазов, включающее взрывозащитную цилиндрическую камеру с двойными стенками, присоединенный к ней блок охлаждения, средства для отвода водорода и энергии, приемник алмазов, при этом указанная камера снабжена распределительным узлом, предназначенным для формирования кумулятивного заряда, с трубопроводами для подачи газообразной взрывчатой смеси и средством для подачи соединений углеводородов и зародышей кристаллизации углерода, а блок охлаждения снабжен трубопроводами и присоединенной массой из металлических гранул и опилок, при этом указанное устройство оборудовано соответствующими автоматическими системами управления, отличающееся тем, что средство для подачи соединений углеводородов и зародышей кристаллизации выполнено в виде форсунки для их впрыскивания в виде конусообразной оболочки с инертной полостью в центральной зоне, блок охлаждения дополнительно снабжен преградой с каналами для создания высоких температур и давлений при столкновении с ней кумулятивной струи, а трубопроводы блока охлаждения выполнены в виде змеевика, предназначенного для подачи охлажденной воды, причем к блоку охлаждения присоединена вспомогательная камера для резкого падения давления и выделения алмазов и водорода.