CZ20886U1 - Zařízení pro výrobu vodíku a dalších produktů - Google Patents

Description

Zařízení pro výrobu vodíku a dalších produktů

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro průmyslovou výrobu vodíku a dalších produktů z odpadního hliníku.

Dosavadní stav techniky

Ekologické využití odpadních materiálů, v tomto případě hliníku (především jde o hliníkové obaly, víčka, tuby, uzávěry, plechovky apod.) je celosvětovým problémem. Obecně je známý způsob výroby vodíku spočívající v reakci hliníku s vodou za přítomnosti hydroxidu sodného jako katalyzátoru. Produktem reakce je A1₂O₃ nebo A1(OH₃) a teplo. K výrobě je možné s výho10 dou využít odpadního hliníku. Z patentového spisu CN 183 6773 je známý katalyzátor, který se nanáší na hliníkovou surovinu, aby zničil ochrannou vrstvu na povrchu hliníku, a hliník mohl lépe reagovat s vodou, Katalyzátorem je sloučenina obsahující PVA, etanol, aceton, chloridy rtuti a vodu. Podle patentového spisu JP 2003 226502 se hliník společně s lithiem a hořčíkem nejprve roztaví, aby vytvořily slitinu, a teprve poté se přivádí voda. Tento způsob je energeticky náročný.

Obdobný postup je popsán v patentovém spisu RU 2356 830, kde se do slitiny pro zvýšení výtěžnosti přidává bizmut nebo olovo, a také v dokumentu WO 2008/17088, kde se pracuje se slitinou hliníku a lithia, a generátor pracuje bez elektrického ohřevu.

Pokud se týká suroviny pro výrobu vodíku, používá se především hliník, ale také slitiny alkalických kovů, slitiny hliníku, hořčíku, lithia apod. Surovina (palivo) je ve formě pilin, prášku, sliso20 váných desek nebo článkových kartuší.

Pokud se týká zařízení pro výrobu hliníku, je jich popsána celá řada. V patentovém spisu US 6506 360 je popsáno malé kompaktní zařízení pro výrobu vodíku, ve kterém se palivo (rozemletý odpadní hliník) vkládá do reaktoru v palivovém článku, kde reaguje s vodou za přítomnosti NaOH jako katalyzátoru, přičemž vzniká vodík a vyvíjí se teplo. Intenzita reakce se řídí stupněm ponoření palivového článku, aby nedošlo k přehřátí reaktoru. Vzniklé teplo se nijak nevyužívá, vodík je spalován v hořáku. Zařízení může sloužit např. jako vařič, není vhodné pro výrobu vodíku průmyslovým způsobem.

Pro průmyslovou výrobu vodíku je určeno zařízení popsané v patentovém spisu DE 340 1194. Výroba probíhá v reaktoru reakcí hliníku s vodou za přítomnosti NaOH jako katalyzátoru, proso duktem je teplo, vodík a stejnosměrný proud, jako vedlejší produkt vzniká natriumaluminát. V reaktoru je hliníková surovina uložena na sítu, NaOH se s vodou vlévá do reaktoru středovým trychtýřem, stoupá nad síto, kde reaguje s hliníkem. Vodík se odvádí, stejnosměrný elektrický proud se odebírá z elektrody uspořádané uvnitř reaktoru. Způsob využití tepla není blíže popsán, avšak plášť reaktoru je opatřen teplovodním výměníkem, sloužícím pro ohřev vody a současně i jako chlazení reaktoru. Natriumaluminát je zde popsán jako surovina využitelná v chemickém průmyslu, ale problém jeho využití spočívá v tom, že se těžko odděluje do stavu, ve kterém je v chemickém průmyslu využitelný. Hlavní nevýhoda tohoto reaktoru spočívá ovšem v tom, že na začátku reakce je vnitřní prostor reaktoru plný vzduchu, a může se tvořit explozivní směs vzduchu s vodíkem, což je velmi nebezpečné a pro průmyslovou výrobu zcela nežádoucí. Obdobnou nevýhodu mají i další známá zařízení pro výrobu vodíku.

Nevýhody dosud známých způsobů a zařízení pro výrobu vodíku z hliníku spočívají zejména v tom, že neřeší faktory důležité pro průmyslovou výrobu, tj. především bezpečnost. Není řešena otázka čistoty vzniklého vodíku, a vzhledem k tomu, že ve výrobním zařízení je vždy přítomen vzduch, může vznikat pri každém novém plnění reaktoru vstupními surovinami explozivní směs vodíku a kyslíku, která je nejvýbušnější při poměrech 1 % obj. H₂ a 99 % obj. O₂ nebo 1 % obj. O₂ a 99 % obj, H₂. Vzhledem k tomu, že čistota vodíku vyráběného v popsaných zařízeních se pohybuje v rozmezí 94 až 98 %, je vznik této explozivní směsi velmi snadný. Další nevýhoda známých způsobů a zařízení spočívá v tom, že neřeší otázku purifikace nejen vodíku, ale ani dalších potenciálních vedlejších produktů jako je hydroxid hlinitý či chlorid sodný, nezabývají se

-1 CZ 20886 Ul odstraněním nečistot a odpadů vzniklých během výroby, ani recyklací a regenerací reakční kapaliny, což je s ohledem na životní prostředí otázka zásadního významu. Známé způsoby a zařízení také neřeší uspokojivě otázku využití vznikajícího tepla, aby bylo toto teplo využito optimálně jak pro vlastní výrobní proces a pro udržení celého zařízení na provozní teplotě, tak i jako pro5 dukt určený k dalšímu využití.

Úkolem technického řešení je proto vytvořit zařízení pro výrobu vodíku a dalších produktů z odpadního hliníku, které by odstraňovalo výše uvedené nedostatky, bylo by vhodné pro výrobu vodíku průmyslovým způsobem, a zároveň by bylo bezpečné, ekologické (bezodpadové) a ekonomicky efektivní,

Podstata technického řešeni

Výše uvedeného cíle je dosaženo výrobou vodíku a dalších produktů v reaktoru reakcí hliníku s vodou za přítomnosti hydroxidu sodného nebo draselného jako katalyzátoru, podle předloženého technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že z reaktoru a/nebo z dalších pomocných zařízení se před vlastní reakcí postupně odčerpává plyn pomocí vakuové pumpy na podtlak alespoň is 0,5 kPa, následně se reaktor a další pomocná zařízení napustí vodíkem o čistotě alespoň 99,8 %, znovu se z nich postupně odčerpává plyn a znovu se napustí vodíkem o čistotě alespoň 99,5 % na přetlak alespoň 0,1 MPa, přičemž plyn odsátý z reaktoru a/nebo z dalších pomocných zařízení vakuovou pumpou se odvádí do komína, odkud se vypouští do atmosféry.

Základní myšlenka technického řešení tedy spočívá ve zvýšení bezpečnosti výroby vodíku, odsá20 ním veškerého vzduchu ve výrobním zařízení před vlastní výrobou musí být dosaženo bezpečné hranice, kdy obsah kyslíku v hotovém vyrobeném vodíku nepřesáhne hranici lOppm (tj. 10 mg/1 kg).

Zařízení pro výrobu vodíku zahrnuje reaktor opatřený teplovodním výměníkem, alespoň jednu nízkotlakou vodíkovou nádrž a alespoň jednu provozní nádrž pro úpravu reakční kapaliny nebo reakčních produktů, přičemž vnitřní prostor reaktoru, nízkotlaké vodíkové nádrže a provozní nádrže je propojen s vakuovou pumpou, jejích výstup je vyveden do komína, a zároveň reaktor, vodíková nádrž a provozní nádrž jsou přes pojistné ventily samostatně propojeny s komínem. Propojení s vakuovou pumpou slouží k proplachování nádrží a odčerpávání plynu, přímé propojení s komínem přes pojistné ventily je bezpečnostní opatření pro případ vzniku neočekávaného a nebezpečného přetlaku v reaktoru nebo dalším pomocném zařízení.

Ve výhodném provedení zařízení podle technického řešení je výstup vodíku z reaktoru připojen na vstup prací nádrže pro odloučení vodních par a stržených kapiček louhu, a výstup z prací nádrže je přiveden do odlučovači nádrže s Raschigovými kroužky pro odloučení zbytkové vody, odkud je vodík přiveden do nízkotlaké vodíkové nádrže, a vysrážená voda je přivedena do nádrže havarijní a provozní vody.

Pro vymrazení poslední zbytkové vody obsažené ve vodíku je výhodné, když nízkotlaká vodíková nádrž je propojena s chladičem pro chlazení vodíku v nízkotlaké vodíkové nádrži.

V dalším výhodném provedení zařízení podle technického řešení je řešena otázka provozního vodíku, který je potřebný k proplachování zařízení, a to tak, Že nízkotlaká vodíková nádrž je přes středotlaký kompresor propojena se středotlakým zásobníkem provozního vodíku, určeného k proplachování reaktoru a provozních nádrží pro výrobu a úpravu vodíku a dalších produktů a pro úpravu reakční kapaliny.

V dalším výhodném provedení zařízení podle technického řešení je nízkotlaká vodíková nádrž přes vysokotlaký kompresor propojena s vysokotlakou vodíkovou nádrží, ze které je komprimo45 váný vodík přiveden do plnicího a distribučního místa vodíku. Vodík je možno distribuovat např. v tlakových lahvích, nebo jiným způsobem dle požadavku odběratele. Další z možných způsobů využití takto vyrobeného a upraveného vodíku je jeho opětovná dekomprese a použití pro pohon spalovacího motoru ve směsi s kyslíkem, přičemž spalovací motor může pohánět alternátor nebo generátor pro výrobu el. energie, která může být prodávána do distribuční sítě.

-2CZ 20886 Ul

Další výhodná provedení zařízení podle technického řešení jsou určena k regeneraci použité reakční kapaliny (směs vody, hydroxidu hlinitého a částic hliníku). V jednom výhodném provedení zařízení je výstup použité reakční kapaliny z reaktoru přiveden na vstup nádoby s elektromagnetem pro odloučení feromagnetických příměsí, jejíž výstup je přiveden na vstup mechanického filtru pro odloučení mechanických příměsí, jehož výstup je přiveden na vstup prvního precipitátoru A1(OH)₃ pro vysrážení hydroxidu hlinitého, který je propojen s prvním zásobníkem kyseliny chlorovodíkové, jeho výstup je připojen na vstup filtru na odstranění A1(OH)₃, z něhož je výstup čisté reakční kapaliny přiveden do mezizásobníku reakční kapaliny, a výstup odfiltrovaného hydroxidu hlinitého je převeden k dalšímu zpracování.

ίο V dalším výhodném provedení zařízení podle technického řešení je čistá reakční kapalina dále regenerována pro opětovné použití, přičemž výstup čisté reakční kapaliny je z mezizásobníku reakční kapaliny připojen na vstup nádrže regenerované reakční kapaliny, přičemž nádrž je propojena s prvním zásobníkem hydroxidu sodného a výstup regenerované reakční kapaliny je z nádrže přiveden zpět na vstup reaktoru.

Dále je výhodné, když nádrž havarijní a provozní vody je propojena s reaktorem, s prací nádrží, a s odkysličovací a sytící nádrží pro odkysliěení provozní vody a její sycení vodíkem.

Rovněž je výhodné, když zařízení podle technického řešení zahrnuje zásobník chladicí vody, který je propojen s teplovodním výměníkem reaktoru, s prací nádrží a s odkysličovací a sytící nádrží.

V dalším výhodném provedení technického řešení je zařízení upraveno pro finální purifíkaci a prodej čistého hydroxidu hlinitého, a to tak, že výstup reakční kapaliny z mezizásobníku reakční kapaliny a regenerované reakční kapaliny z nádrže regenerované reakční kapaliny je přiveden do neutralizátoru, který je propojen s druhým zásobníkem kyseliny chlorovodíkové, a výstup neutralizované suspenze z neutralizátoru je přiveden na vstup prvního filtru A1(OH)₃, jehož výstup je připojen na vstup druhého precípitátoru A1(OH)₃jehož výstup je připojen na vstup druhého filtru Al(OH)_3tjehož výstup je přiveden na vstup nádrže pro praní Á1(OH)₃, jejíž výstup je veden na vstup třetího filtru Al(OH)_3f a výstup separovaného hydroxidu hlinitého je z třetího filtru A1(OH)₃ přes sušičku veden na balicí a distribuční místo pro prodej Al(0H)₃.

Z technologického hlediska je výhodné, když druhý precipitátor A1(OH)₃ je propojen s nádrží teplé provozní vody, do které je přivedena horká voda z teplovodního výměníku reaktoru.

Rovněž je výhodné, když s druhým precipitátorem Al(OH)₃je propojen druhý zásobník kyseliny chlorovodíkové.

Dále je výhodné, když s druhým precipitátorem A1(OH)₃ je propojen druhý zásobník hydroxidu sodného.

V dalším výhodném provedení zařízení podle technického řešení je připraven chlorid sodný jako finální produkt pro prodej. Roztok chloridu sodného z prvního filtru A1(OH)₃ je přiveden na vstup krystalizačního zařízení NaCl, odkud je výstup vykrystalizovaného chloridu sodného přes zařízení pro sušení NaCl přiveden do skladu NaCl k expedici.

V technologicky výhodném provedení technického řešení krystalizační zařízení NaCl tvoří ale40 spoň jedna vana s přívodem teplé provozní vody z nádrže teplé provozní vody, opatřená sběračem solných par vyústěným do kondenzátorů.

Pro využití veškerých odpadních solných roztoků je výhodné, když do krystalizačního zařízení NaCl je přivedena kapalná fáze z třetího filtru A1(OH)₃.

Pro energetické využití teplé vody vznikající v provozu je výhodné, když k zařízení pro sušení

NaCl je přivedena teplá provozní voda z nádrže teplé provozní vody.

Pro energetické využití chladicí vody je výhodné, když zařízení zahrnuje zásobník chladicí vody, do kterého je zaústěn přívod z úpravny vody, z krystalizačního zařízení NaCl a z kondenzátorů a chladicí voda ze zásobníku je přivedena do reaktoru, do prací nádrže, do odkysličovací a sytící

-3CZ 20886 Ul nádrže, do neutralizátoru a do nádrže na praní A1(OH)₃ Nakonec je výhodné, když je reaktor opatřen míchacím zařízením.

Výhody zařízení pro výrobu vodíku a dalších produktů podle technického řešení lze spatřovat zejména v tom, že zaručuje bezpečný provoz vhodný pro výrobu vodíku v průmyslových pod5 mínkách, poněvadž veškerý vzduch, který by mohl způsobit vznik explozivní směsi, se ze zařízení před vlastní reakcí vyčerpá. Další výhody spočívají v dosažení vysokého stupně čistoty jak vyrobeného vodíku, tak i hydroxidu hlinitého, a ve výrobě dalších obchodovatelných produktů jako je chlorid sodný, teplo a elektrická energie. Provoz je ekonomický a ekologický, s minimální environmentální zátěží.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení bude blíže osvětleno pomocí výkresů, na nichž znázorňují obr. 1 technologické schéma zařízení podle technické řešení, obr. 2 schematické znázornění reaktoru.

Příklady provedení technického řešení

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní příklady uskutečnění technického řešení jsou t5 představovány pro ilustraci, nikoli jako omezení příkladů provedení technické řešení na uvedené případy. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zjistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním technického řešení, která jsou zde speciálně popsána. I tyto ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu následujících nároků na ochranu.

Příklad provedení zařízení pro výrobu vodíku je znázorněn na obr. 1.

Hlavní vstupní surovinou pro výrobu vodíku je odpadní hliník, např. uzávěry lahví, víčka od jogurtů, paštik a podobných výrobků, tuby od kondenzovaného mléka, obaly Čokolád, másla apod., dále plechovky, krémové dózy, obaly sýrů a mnoho dalších. Tento odpadní materiál se shromáždí ve výkupním a přijímacím místě 43 hliníku, které leží mimo tzv. vodíkovou zónu tj.

zónu hlavního výrobního zařízení, ve kterém se vyrábí hliník. Odtud se hliník přepraví na třídící a drtící zařízení 40 hliníku, které leží rovněž mimo vodíkovou zónu. Zde se hliník na pásu manuálně přetřídí, aby se separovaly plasty, papír apod. Tento vytříděný odpad se odváží do spalovny. Hliník se dále drtí na Částice o velikosti 4 až 6 mm a ukládá se ve skladu 44 drceného hliníku, který může ležet taktéž mimo vodíkovou zónu.

Odtud se drcený hliník dopravuje do plnicího a dávkovacího zařízení 7, které již leží ve vodíkové zóně, a jeho zásobník a další součásti jsou před každým provozem vakuovány jako každé jiné zařízení ve vodíkové zóně. Zásobník plnicího a dávkovacího zařízení 2 se plní pásovým dopravníkem, plnění drceného hliníku do reaktoru i je automatické, pomocí šnekového dávkovacího dopravníku.

Další surovinou pro výrobu vodíku je voda. Ta se Čerpá z vodovodního řádu, přechází přes úpravnu vody 44 a shromažďuje se v zásobníku 23 chladicí vody ležícího mimo vodíkovou zónu, odkud je vedena v prvé řadě do reaktoru 1 a také do dalších Částí zařízení, jak bude dále popsáno.

Další surovinou pro výrobu vodíku je hydroxid sodný, který se nakupuje a skladuje v prvním zásobníku 20 hydroxidu sodného ve vodíkové zóně, odkud se vede do nádrže 19 pro regeneraci reakční kapaliny (směs hydroxidu sodného a vody) a následně do reaktoru i- Hydroxid sodný se skladuje také v druhém zásobníku 37 hydroxidu sodného v bezvodíkové zóně.

Poslední surovinou potřebnou pro výrobu vodíku podle technického řešení je kyselina chlorovodíková, která se shromažďuje v prvním zásobníku jj, kyseliny chlorovodíkové ve vodíkové zóně a v druhém zásobníku 36 kyseliny chlorovodíkové mimo vodíkovou zónu, a používá se k precí45 pitaci A1(OH)₃ a k neutralizaci reakční kapaliny.

Vlastní výroba vodíku probíhá ve vodíkové zóně, která je na obr. 1 znázorněna jako oblast ohraničená přerušovanou čarou, a která zahrnuje všechna podstatná zařízení sloužící pro výrobu vo-4CZ 20886 Ul díku, především reaktor i. Reaktor 1 je uzavřená nádoba, ve které probíhá známá chemická reakce pro výrobu vodíku:

2A1 + 6H₂O + NaOH -> 2A1(OH)₃ + 6H + TEPLO

Hliník se do reaktoru i dávkuje z plnicího a dávkovacího zařízení 7 opatřeného šnekovým dáv5 kovacím dopravníkem. Reaktor 1 je naplněn do 50 % svého objemu 50% vodným roztokem hydroxidu sodného. V jiném příkladu provedení může být použit i hydroxid draselný. Reakce v reaktoru i probíhá za stálého míchání, a poněvadž se jedná o silně exotermickou reakci, musí být přebytečné teplo odváděno pomocí aktivního chlazení vodou, teplovodním výměníkem 2 ve dvojitém plášti reaktoru L Teplá voda se odvádí dále do provozu nebo k dalšímu využití (k prodeji), io V reaktoru I se udržuje provozní teplota na hodnotě max 85 °C. Vodík vyvinutý v reaktoru 1 se odvádí k praní do prací nádoby 6 a reakční kapalina (směs H₂O a NaOH se zbytky hliníku) se odvádí k separaci kovových částí do nádoby 1T s elektromagnetem. Při jakékoli poruše, například při výpadku elektrického proudu, kdy by došlo ke spontánnímu zvyšování tlaku nebo teploty, musí být okamžitě reakce přerušena pomocí připuštění studené vody z nádrže 13 havarijní a pro15 vozní vody, a zastaví se přísun dalšího hliníku z plnicího a dávkovacího zařízení 7. Reaktor 1 je konstruován na podtlak alespoň 0,5 kPa a přetlak 1 MPa.

V provedení podle obr. 2 je reaktor I uzavíratelná tlaková nádoba opatřená šroubovací horní přírubou 47, ve které jsou vyvedeny různé výstupy k ovládání, dále je v ní vstup hliníku 48 od plnicího a dávkovacího zařízení 7, pojistný ventil 49 s výstupem na sběrné potrubí K komína 5, vý20 stup vodíku 50 vedený do prací nádrže 6, výstup proplachu 51 vedený na vakuovou pumpu 4. Dovnitř reaktoru 1 je bočně zaústěn přívod reakční kapaliny, odvod reakční kapaliny a přívod havarijní a provozní vody. Ve spodní části reaktoru 1 je uspořádáno míchací zařízení 52 poháněné elektromotorem.

Reaktor 1 jakož i plnicí a dávkovači zařízení 7, jakož i všechna další zařízení v tzv. vodíkové zóně jsou propojeny s vakuovou pumpou 4 tak, že vstupy od jednotlivých zařízení jsou přivedeny na sběrné potrubí VP. Pomocí této vakuové pumpy 4 se musí před každým spuštěním výrobní linky do provozu, nebo po otevření některé nádoby během provozu, celá výrobní linka postupně (každá nádrž zvlášť) vakuovat na podtlak cca 1,3 kPa a následovně napustit čistým vodíkem o kvalitě min 95,5 %. Jde o vodík označený jako ,Ji₂ proplach“, který se bere ze středotlakého zásobníku 24 provozního vodíku a rozvádí se do každé nádrže ve vodíkové zóně. Následně se každá nádrž ve vodíkové zóně opět vakuuje a znovu napustí vodíkem ,JI₂ proplach“ na přetlak 0,1 MPa. Veškerý odsátý vzduch i proplachovací vodík se odvádí na komín 5, do kterého je vyveden výstup vakuové pumpy 4. Tento proces je nezbytný z důvodu bezpečnosti, odsátím veškerého vzduchu se sleduje to, aby obsah kyslíku v hotovém vyrobeném vodíku nepřesáhl hranici

10 ppm (tj. 10 mg/1 kg).

Komín 5 je tvořen rourou o vnitřním průměru 150 mm, a výšce přesahující nejvyšší bod technologického zařízení výrobní linky včetně střech. Komín 5 není a ani nesmí být opatřen koncovým hořákem. Přicházející směs vodíku se vzduchem se vypouští přímo do atmosféry, přičemž vypuštěný vodík stoupá vzhůru a nemůže se tedy nikde nahromadit do stádia explozivní směsi, tzn.

1 až 99 % H/O₂. Vypouštěný vodík nepředstavuje látku, která by způsobovala skleníkový efekt, není ani jedovatý ani toxický a v tak velkém zředění není ani explozivní. Životní prostředí není zatěžováno pachem, polétavými částicemi atd.

Do komína 5 je dále přes pojistný ventil přiveden přímý výstup z reaktoru 1 (sloužící k upouštění nebezpečného přetlaku), a na sběrné potrubí K komína 5 jsou přivedeny výstupy jednotlivých zařízení a nádrží ve vodíkové zóně, které jsou opatřeny pojistnými ventily a slouží k odvedení nebezpečného přetlaku.

Důležitým znakem výroby vodíku podle technického řešení je čištění vyvíjeného vodíku. Vodík z reaktoru I je odváděn do prací nádrže 6, která je naplněná do 70 % objemu upravenou bezkyslíkovou vodou z nádrže 13 havarijní a provozní vody. Zbylých 30 % objemu prací nádrže 6 tvoří vypraný vodík. Vodík se do prací nádrže 6 přivádí přes malé otvory, aby perlil přes daný sloupec vody. Tímto se zbaví vodních par, jakož i stržených kapiček louhu. Do prací nádrže 6 je voda

-5CZ 20886 Ul doplňována z nádrže 13 havarijní a provozní vody. Určitá část použité vody odchází do prvního precipitátoru 16 A1(OH)₃. Vypraný vodík odchází k odloučení vody do odlučovací nádrže 8.

Odlučovací nádrž § je nádoba naplněná do 90 % svého objemu Raschigovými kroužky, kde se stržená voda z prací nádrže 6 vysráží a po kroužkách steče dolů a následně se odvádí do nádrže

13 havarijní a provozní vody. Vodík pokračuje už relativně suchý do nízkotlaké vodíkové nádrže

3.

Nízkotlaká vodíková nádrž 3 slouží jednak jako mezisklad vyrobeného vodíku a dále k odloučení poslední zbytkové vody za pomocí vymrazovacích lamel ochlazovaných až na -20 °C. Vymrazování se provádí pomocí chladiče 22. Lamely se musí cyklicky odmrazovat teplou provozní io vodou z nádrže 35 teplé provozní vody. Odtátá voda se odvádí do nádrže 13 havarijní a provozní vody. Vysušený vodík se z nízkotlaké vodíkové nádrže 3 se přes středotlaký kompresor 21' tlakuje do středotlakého zásobníku 24 provozního vodíku, odkud se používá jako H2 proplach k proplachování (plnění a vakuování) nádrží ve vodíkové zóně. Tlak v nízkotlaké vodíkové nádrži musí být menší než je tlak provozní. Obsah vody v hotovém vodíku by neměl přesahovat hod15 notu 5 ppm (tj. 5 mg/1 kg).

Přebytek vodíku z nízkotlaké vodíkové nádrže 1 se převádí přes vysokotlaký kompresor 21 do vysokotlaké vodíkové nádrže 9, kde je skladován pod tlakem 230 at. Z vysokotlaké vodíkové nádiže 9 se vodík dále distribuuje v plnicím a distribučním místě 10 vodíku. Vysokotlaká vodíková nádrž 9 je rovněž vybavena odvodem zbytkové zkondenzované vody, která se odvádí do nádrže 13 havarijní a provozní vody.

Plnicí a distribuční místo 10 vodíku může představovat různé způsoby využití a prodeje vyčištěného produktu (záleží na dohodě s odběrateli). Vodík se může například plnit do tlakových lahví, nebo po opětovné redukci tlaku se může používat k vlastní výrobě elektřiny, kdy je vodík přiváděn do motoru 45, který pohání alternátor 46 vyrábějící elektrickou energii.

Dalším důležitým znakem zařízení podle technického řešení je úprava reakční kapaliny a výroba hydroxidu hlinitého. Reakční kapalina je z reaktoru 1 odváděna do nádoby TI s elektromagnetem, který zachycuje veškeré magnetizovatelné částice. Může se jednat hlavně o železo s příměsí stopových prvků jiných kovů. Reakční kapalina pokračuje dále do mechanického filtru 12, což je nádoba vybavená filtry seřazenými sestupně od 1000 mikrometrů do 4 mikrometrů. Při této filt30 raci se odstraní veškeré mechanické Částice větší než 4 mikrometry. Vyčištěná reakční kapalina pokračuje dále ke zpracování do prvního precipitátoru 16 A1(OH)₃.

Pro provoz zařízení ve vodíkové zóně jsou důležité pomocné nádrže, zejména nádrž 13 havarijní a provozní vody, která slouží k první řadě jako zásobárna havarijní vody, dojde-li k nekontrolovatelné reakci v reaktoru i. Dále slouží jako nádoba pro sběr veškeré provozní upravené a bez35 kyslíkové vody, jakož i k přípravě regenerované reakční kapaliny.

S nádrží 13 havarijní a provozní vody je propojena odkysličovací a sytící nádrž 14, která slouží k odvzdušnění nově přicházející upravené vody ze zásobníku 21 chladicí vody a k jejímu následnému nasycení provozním vodíkem (H₂ proplach). Takto upravená voda se přepouští pomocí středotlakého provozního vodíku (H₂ proplach) do nádrže 13 havarijní a provozní vody. Další pomocnou nádrží je první zásobník 15 kyseliny chlorovodíkové, což je nádrž na odkysličenou HCl, která se používá k částečné neutralizaci reakční kapaliny v prvním precipitátoru 16 A1(OH)₃.

První precipitátor 16 A1(OH)₃ je nádoba, ve které se u reakční kapaliny přicházející z mechanického filtru 12 částečně sníží pH pomocí HCl z výše zmíněného prvního zásobníku 15 kyseliny chlorovodíkové, a to na hodnotu pH = 12,95, přičemž se vysráží většina rozpuštěného hydroxidu hlinitého A1(OH)₃ z reakční kapaliny. Suspenze se následně odvede k filtraci do filtru 17 na odstranění A1(OH)₃ z reakční kapaliny. Filtr 17 je nádoba opatřená filtry o velikosti od 80 mikrometrů do 20 mikrometrů sestupně. Odfiltrovaný hydroxid hlinitý se manuálně převádí do druhého precipitátoru 29 A1(OH)₃ v bezvodíkové zóně, čistá reakční kapalina se převádí do mezizásobní50 ku 18 reakční kapaliny. V tomto zásobníku se reakční kapalina rozděluje tak, že 80 % kapaliny

-6CZ 20886 Ul odchází do nádrže 19 pro regeneraci reakční kapaliny a 20 % reakční kapaliny se vede do neutralizátoru 25, kde se provádí její úplná neutralizace.

Nádrž 19 pro regeneraci reakční kapaliny slouží k přípravě zregenerované reakční kapaliny pro další použití v reaktoru 1. Zde se sloučí 80 % částečně zneutralizované reakční kapaliny přichá5 zející z mezizásobníku 18 reakční kapaliny a 20 % nového louhu z prvního zásobníku 20 hydroxidu sodného. Takto nově upravená reakční kapalina jde zpět do reaktoru i, zbylých 20 % reakční kapaliny odchází do neutralizátoru 25. První zásobník 20 hydroxidu sodného je nádoba na čistý nový 50% hydroxid sodný, který se přidává do reakční kapaliny podílem 20 % objemových. Louh je odkysličený, nasycený vodíkem, a přidává se do nádrže 19 pro regeneraci reakční kapalo líny.

Kromě vodíkové zóny je pro provoz zařízení podle vynálezu důležitá i tzv. bezvodíková zóna (na obr. 1 vyznačena mimo vodíkovou zónu ohraničenou přerušovanou čarou). Prvním zařízením v bezvodíkové zóně je zásobník 23 chladicí vody, což je nádoba sloužící jako nádrž chladicí vody pro reaktor I, jakož i zásobník upravené provozní vody. Voda do zásobníku 23 se získává z is úpravny vody 44 z vodovodního řádu, nebo z jiného zdroje, a dále také z krystalizačního zařízení

NaCl, případně se přivádí i kondenzát z kondenzátorů 28. Voda ze zásobníku 23 chladicí vody se odvádí do reaktoru 1, do prací nádrže 6, do odkysličovací a sytící nádrže 14, do neutralizátoru 25 a do nádrže 31 pro praní A1(OH)₃, jak bude dále popsáno.

Většina zařízení uspořádaných v bezvodíkové zóně slouží k purifikaci hydroxidu hlinitého a ke 20 zlepšení jeho vlastností pro následný prodej, dále tato zařízení slouží k výrobě chloridu sodného

NaCl, a k rozvodu teplé provozní vody.

Reakční kapalina odcházející z mezizásobníku Í8 ve vodíkové zóně je vedena do neutralizátoru v bezvodíkové zóně. Neutralizátor 25 je nádoba sloužící k úplné neutralizaci reakční kapaliny, a to naředěním chladicí vodou ze zásobníku 23 chladicí vody na poměr 2 : 1, a dále pomocí 37%

HC1 z druhého zásobníku 36 kyseliny chlorovodíkové. Kyselost reakční kapaliny se upraví na hodnotu pH = 7,0, přičemž se vysráží veškerý hydroxid hlinitý obsažený v reakční kapalině. Potom odchází tato suspenze k filtraci do prvního filtru 26 A1(OH)> První filtr 26 Al(0H)₃ je nádoba opatřená filtry v sestupné velikosti síta od 80 mikrometrů do 20 mikrometrů, na kterých se zachytí vysrážený hydroxid hlinitý. Ten se po nasycení filtrů manuálně dopraví do druhého pre30 cipitátoru 29 A1(OH)₃. Roztok chloridu sodného odchází z prvního filtru 26 do krystalizačního zařízení 27 pro krystalizaci NaCl. Krystalizační zařízení 27 sestává ze tří van o objemu 10 m\ do kterých přichází solný vodný roztok z prvního filtru 26 A1(OH)₃ a z třetího filtru 32 A1(OH)₃. Zde se roztok soli odpaří pomocí teplé provozní vody z nádrže 35 teplé provozní vody. Při teplotě 85 °C sůl vykrystalizuje a manuálně se dopraví do zařízení 34 pro sušení NaCl. Vodní páry ze solných roztoků jsou vedeny do kondenzátorů 28, ochlazená provozní voda se odvádí do zásobníku 23 chladicí vody. Kondenzátor 28 slouží ke kondenzaci vodních par přicházejících z krystalizačního zařízení 27 NaCl. Zkondenzovaná voda se z kondenzátorů 28 odvádí do zásobníku 23 chladicí vody.

V zařízení 34 pro sušení NaCl se vykrystalizovaný chlorid sodný z krystalizačního zařízení 27 usuší ve vanách, rovněž pomocí teplé provozní vody z nádrže 35 teplé provozní vody, a následně se manuálně převede do skladu 38 NaCl k expedici. Solné páry ze sušení se odvádí do atmosféry.

Pokud se týká purifikace hydroxidu hlinitého, bezvodíková zóna je osazena druhým precipitátorem 29 A1(OH)₃, což je nádoba ve které se sloučí hydroxid hlinitý z filtru 17 na odstranění A1(OH)₃ ve vodíkové zóně a z prvního filtru 26 A1(OH)₃ v bezvodíkové zóně, po přidání nového čistého louhu z druhého zásobníku 37 hydroxidu sodného a po zahřátí na teplotu 85 °C se hydroxid znovu rozpustí, a po přidání příslušné dávky 37% HC1 z druhého zásobníku 36 kyseliny chlorovodíkové se pH roztoku upraví na pH = 7,0 a odvede se k filtraci do druhého filtru 30 A1(OH)₃. Druhý filtr 30 je rovněž opatřen filtry se sestupnou velikostí sít od 80 mikrometrů do 20 mikrometrů. Zde se odloučí vysrážený hydroxid, který se manuálně převede do nádrže 31 pro praní

A1(OH)₃. Louh se odčerpá k úpravě vodíkem do nádrže 42 pro odvzdušnění a sycení louhu vodíkem ve vodíkové zóně. V nádrži 31 pro praní A1(OH)₃ se přefiltrovaný hydroxid z druhého filtru 30 smíchá s čistou vodou ze zásobníku 23 chladicí vody a za stálého míchání se rozpustí NaCl

-7CZ 20886 Ul obsažený v suspenzi. Poté se suspenze nechá sedimentovat, přepadem se solný roztok odvede do třetího filtru 32 Al(0H)_3t znovu se naplní čistá voda a sediment se rozmíchá po provedení analýzy na přítomnost NaCl. Pakliže je výsledek analýzy negativní, suspenze se odvede do třetího filtru 32 A1(OH)₃. Je-li i po druhém praní NaCl stále přítomen, praní se opakuje znovu až do požado5 váné kvality. Třetí filtr 32 hydroxidu hlinitého je stejné jako v předchozích případech tvořen nádobou opatřenou filtry od 80 mikrometrů do 20 mikrometrů sestupně. V této nádobě se již Čistý vypraný hydroxid hlinitý odfiltruje a manuálně se převede k sušení do sušičky 39, vodní fáze se odvede do krystalizačního zařízení 27 NaCl. Sušička 39 hydroxidu hlinitého obsahuje vany vytápěné teplou provozní vodou z nádrže 35 teplé provozní vody. Po vysušení hydroxid hlinitý polo kraČuje k expedici do balicího a distribučního místa 33 A1(OH\ vodní páry se odvádí do atmosféry. Balicí a distribuční místo 33 je tvořeno halou pro skladování suchého hydroxidu hlinitého určeného k prodeji ve formě jaké požaduje odběratel.

Bezvodíková zóna obsahuje i pomocná zařízení, jako je nádrž 35 teplé provozní vody. Jde o nádrž na horkou vodu přicházející od chlazení reaktoru 1. Horká voda se rozvádí do celého provo15 zu, přebytek se pak může použít k dalším účelům například k sušení dřeva a podobně. Druhý zásobník 36 kyseliny chlorovodíkové je nádrž na 37% kyselinu chlorovodíkovou používanou k neutralizaci louhu v prvním precipitátoru 16 A1(OH)₃, neutralizátoru 25 a druhém precipitátoru 29 A1(OH)_3i a pro doplnění prvního zásobníku 15 kyseliny chlorovodíkové ve vodíkové zóně. Druhý zásobník 37 hydroxidu sodného tvoří nádrž ke skladování provozního louhu (nakupovaného), který se používá k neutralizaci v prvním precipitátoru 16 A1(OH)₃, neutralizátoru 25 a druhém precipitátoru 29 Al(OH)_3t a k doplnění prvního zásobníku 20 hydroxidu sodného ve vodíkové zóně.

Průmyslová využitelnost

Zařízení podle technického řešení lze použít k průmyslové výrobě vodíku a dalších produktů z odpadních hliníkových materiálů v různých formách, přičemž vodík i další produkty jsou purifikovány do stavu vhodného pro další průmyslové využití.

Claims (19)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro výrobu vodíku z odpadního hliníku jeho reakcí s vodou za přítomnosti hydroxidu sodného nebo draselného jako katalyzátoru, za vzniku A1(OH)₃ a tepla, zahrnující reaktor

   30 (l) opatřený teplovodním výměníkem (2) a alespoň jednu nízkotlakou vodíkovou nádrž (3), vyznačující se tím, že obsahuje alespoň jednu provozní nádrž pro úpravu reakční kapaliny nebo reakčních produktů, přičemž vnitřní prostor reaktoru (1), nízkotlaké vodíkové nádrže (3) a provozní nádrže je propojen s vakuovou pumpou (4), jejíž výstup je vyveden do komína (5), a zároveň reaktor (1), nízkotlaká vodíková nádrž (3) a provozní nádrž jsou přes pojistné

   35 ventily samostatně propojeny s komínem (5).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že výstup vodíku z reaktoru (1) je připojen na vstup prací nádrže (6) pro odloučení vodních par a stržených kapiček louhu, a výstup z prací nádrže (6) je přiveden do odlučovací nádrže (8) s Raschigovými kroužky pro odloučení zbytkové vody, odkud je vodík přiveden do nízkotlaké vodíkové nádrže (3), a vysiážená voda je

   40 přivedena do nádrže (13) havarijní a provozní vody.
3. 3. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že nízkotlaká vodíková nádrž (3) je propojena s chladičem (22) pro chlazení vodíku v nízkotlaké vodíkové nádrži (3).
4. 4. Zařízení podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že nízkotlaká vodíková nádrž (3) je přes středotlaký kompresor (2Γ) propojena se středotlakým zásobníkem (24) pro45 vozního vodíku (H2 PROPLACH), určeného k proplachování reaktoru a provozních nádrží pro výrobu a úpravu vodíku a dalších produktů a pro úpravu reakční kapaliny.

   -8CZ 20886 Ul
5. 5. Zařízení podle alespoň jednoho z nároků 2 až 4, vyznačující se tím, že nízkotlaká vodíková nádrž (3) je přes vysokotlaký kompresor (21) propojena s vysokotlakou vodíkovou nádrží (9), ze které je komprimovaný vodík přiveden do plnicího a distribučního místa (10) vodíku.

   5
6. 6. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že výstup použité reakční kapaliny z reaktoru (1) je přiveden na vstup nádoby (11) s elektromagnetem pro odloučení feromagnetických příměsí, jejíž výstup je přiveden na vstup mechanického filtru (12) pro odloučení mechanických příměsí, jehož výstup je přiveden na vstup prvního precipitátoru (16) A1(OH)₃ pro vysrážení hydroxidu hlinitého, který je propojen s prvním zásobníkem (15) kyseliny chlorovodíío kové, jeho výstup je připojen na vstup filtru (17) na odstranění A1(OH)_3> z něhož je výstup čisté reakční kapaliny přiveden do mezizásobníku (18) reakční kapaliny, a výstup odfiltrovaného hydroxidu hlinitého je veden k dalšímu zpracování.
7. 7. Zařízení podle nároku 6, vyznačující se tím, že výstup Čisté reakční kapaliny je z mezizásobníku (18) reakční kapaliny připojen na vstup nádrže (19) regenerované reakční kapa15 liny, přičemž nádrž (19) je propojena s prvním zásobníkem (20) hydroxidu sodného, a výstup regenerované reakční kapaliny je z nádrže (19) přiveden zpět do reaktoru (1).
8. 8. Zařízení podle alespoň jednoho z nároků 2až7, vyznačující se tím, že nádrž (13) havarijní a provozní vody je propojena s reaktorem (1), s prací nádrží (6), a s odkysličovací a sytící nádrží (14) pro odkysličení provozní vody a její sycení vodíkem.

   20
9. 9. Zařízení podle alespoň jednoho z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že zahrnuje zásobník (23) chladicí vody, který je propojen s teplovodním výměníkem (2) reaktoru (1), s prací nádrží (6) a s odkysličovací a sytící nádrží (14).
10. 10. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že výstup reakční kapaliny z mezizásobníku (18) reakční kapaliny a regenerovaná reakční kapalina z nádrže (19) regenerované

    25 reakční kapaliny je přiveden do neturalizátoru (25), který je propojen s druhým zásobníkem (36) kyseliny chlorovodíkové, a výstup neutralizované suspenze z neutralizátoru (25) je přiveden na vstup prvního filtru (26) Al(OH)_3t jehož výstup je připojen na vstup druhého precipitátoru (29) A1(OH)₃ Jehož výstup je přiveden na vstup druhého filtru (30) A1(OH)₃ Jehož výstup je přiveden na vstup nádrže (31) pro praní Al(OH)_3t jehož výstup je veden na vstup třetího filtru (32)

    30 A1(OH)₃, a výstup separovaného hydroxidu hlinitého je z třetího filtru (32) A1(OH)₃ přes sušičku (39) veden na balicí a distribuční místo (33) pro prodej A1(OH)₃
11. 11. Zařízení podle nároku 10, vyznačující se tím, že druhý precipitátor (29) A1(OH)₃ je propojen s nádrží (35) teplé provozní vody, do které je přiveden horkovodní výstup z teplovodního výměníku (2) reaktoru (1).

    35
12. 12. Zařízení podle nároku 10 nebo 11, vyznačující se tím, žes druhým precipitátorem (29) A1(OH)₃ je propojen druhý zásobník (36) kyseliny chlorovodíkové.
13. 13. Zařízení podle nároku 10,11 nebo 12, vyznačující se tím, žes druhým precipitátorem (29) Al(OH)₃je propojen druhý zásobník (37) hydroxidu sodného.
14. 14. Zařízení podle nároku 10, vyznačující se tím, že roztok chloridu sodného z

    40 prvního filtru (26) A1(OH)₃ je přiveden na vstup krystalizačního zařízení (27) NaCl, odkud je výstup vykrystalizovaného chloridu sodného přes zařízení (34) pro sušení NaCl přiveden do skladu (38) NaCl k expedici.
15. 15. Zařízení podle nároku 14, vyznačující se tím, že krystalizační zařízení (27) NaCl tvoří alespoň jedna vana s přívodem teplé provozní vody z nádrže (35) teplé provozní vody,

    45 opatřená sběračem solných par vyústěným do kondenzátoru (28).
16. 16. Zařízení podle nároku 15, vyznačující se tím, že do krystalizačního zařízení (27) NaCl je přiveden výstup kapalné fáze z třetího filtru (32) A1(OH)₃.

    -9CZ 20886 Ul
17. 17. Zařízení podle alespoň jednoho z nároků 14 až 16, vyznačující sc tím, že k zařízení (34) pro sušení NaCl je připojen výstup teplé provozní vody z nádrže (35) teplé provozní vody.
18. 18. Zařízení podle alespoň jednoho z nároků 1 až 17, vyznačující se tím, žezahr5 nuje zásobník (23) chladicí vody, do kterého je zaústěn přívod z úpravny vody (44), a výstup vody z krystalizačního zařízení (27) NaCl a z kondenzátoru (28) a chladicí voda ze zásobníku (23) je přivedena do reaktoru (1), do prací nádrže (6), do odkysličovací a sytící nádrže (14), do neutralizátoru (25) a do nádrže (31) na praní Al(OHh.
19. 19. Zařízeni podle alespoň jednoho z nároků 1 až 18, vyznačující se tím, žereakío tor (1) je opatřen míchacím zařízením (52).