IT202100023705A1

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Publication number: IT202100023705A1
Application number: IT202100023705A
Authority: IT
Priority date: 2021-10-18
Filing date: 2021-10-18
Publication date: 2023-04-18

Description

Descrizione

Titolo:

IMPIANTO INTEGRATO DI PRODUZIONE DI IDROGENO

E CALORE

Campo di Applicazione

[0001] La presente invenzione si riferisce ad un impianto integrato di produzione di idrogeno e calore.

[0002] In generale, la presente invenzione si riferisce a: Processi chimici in generale per la reazione di liquidi con solidi non particolati; Apparecchi per la generazione di gas con metodi a umido; Alimentazione delle particelle nel reattore; Evacuazione delle particelle dal reattore in un flusso verso il basso; Produzione di idrogeno da fonti non contenenti carbonio, ad es. mediante elettrolisi dell'acqua; Efficienza del processo; Impianti industriali di grandi dimensioni.

[0003] In particolare, la presente invenzione si riferisce a: Produzione di idrogeno o di miscele gassose contenenti una proporzione sostanziale di idrogeno mediante reazione di composti inorganici contenenti idrogeno legato elettro-positivamente, ad es. acqua, acidi, basi, ammoniaca, con agenti riducenti inorganici con metalli; Preparazione di ossido o idrossido di alluminio da alluminio metallico, ad es. per ossidazione per ossidazione in una soluzione acquosa.

[0004] In particolare, la presente invenzione di riferisce a: Disposizioni di valvole per pozzi di trivellazione o pozzi azionati dal movimento di strumenti; Metodi o apparati per controllare il flusso del fluido ottenuto verso o nei pozzetti; Valvole a manicotto.

[0005] In particolare, la presente invenzione si riferisce a: Disposizioni per il controllo dei parametri dei reagenti, ad esempio pressione o concentrazione di reagenti gassosi con alimentazione o evacuazione simultanea dell'elettrolita; Umidificazione o deumidificazione

Stato della Tecnica

[0006] Il brevetto US 6,800,258 B2 riguarda un processo per produrre idrogeno gassoso che consiste nel far reagire alluminio con acqua in presenza di idrossido di sodio come catalizzatore, inoltre, un'apparecchiatura per eseguire il metodo comprende un contenitore espandibile in cui la pressione e la temperatura della reazione fanno s? che il contenitore si espanda e si contragga per controllare il grado di immersione di una cartuccia di carburante in acqua e di conseguenza per controllare l'intensit? e la durata della reazione.

[0007] Il brevetto US 8,529,867 B2 riguarda un generatore di idrogeno riciclabile di idrossido di alluminio-alcali che consente la generazione di idrogeno per un'apparecchiatura di consumo su richiesta, il generatore di idrogeno include una fonte di alluminio, una fonte di idrossido, una fonte di acqua ed una camera di reazione dove viene utilizzata la quantit? di almeno uno tra l'alluminio, l'idrossido di sodio e l'acqua introdotta nella camera di reazione per limitare la reazione chimica per controllare la quantit? di idrogeno generato.

[0008] La domanda di brevetto WO 2020/036494 A1 riguarda una valvola a manicotto tubolare a fondo pozzo comprendente un manicotto di valvola coassiale rotante con una pluralit? di percorsi di flusso del manicotto distanziati circonferenzialmente che si estendono attraverso il manicotto di valvola, il manicotto della valvola si trova all'interno di un alloggiamento, una pluralit? di fori esterni distanziati circonferenzialmente si estende attraverso l'alloggiamento e possono essere allineati con la pluralit? di percorsi di flusso del manicotto, un anello sporgente circonda ciascuno dei fori esterni circonferenzialmente distanziati all'interno dell'alloggiamento e forma una superficie di tenuta sporgente conforme ad una superficie con luci nel manicotto, una camera esposta alla pressione esterna alla valvola ? formata tra l'alloggiamento ed il manicotto, per cui un pistone formato dal manicotto ? esposto alla pressione all'esterno della valvola, un elemento di tensione sollecita una superficie di tenuta sul manicotto verso ciascuna delle superfici ad anello sporgenti, la valvola a manicotto pu? essere utilizzata per controllare il flusso di fluido tra un serbatoio di idrocarburi e una tubazione in un pozzo di petrolio nel serbatoio di idrocarburi, o per iniettare fluidi in una formazione che circonda un pozzo.

[0009] La domanda di brevetto JP H 0729591 A riguarda una cella a combustibile in cui un elettrodo di combustibile e un elettrodo di ossidazione sono uniti a entrambi i lati di una membrana elettrolitica polimerica solida, una reazione di reforming utilizza un combustibile liquido come materia prima da fornire all'elettrodo di combustibile della cella a combustibile, in un generatore di corrente a cella a combustibile elettrolitica polimerica solida avente un reformer che genera un gas riformato ricco di idrogeno, una camera di gorgogliamento ? interposta in un percorso di alimentazione del gas riformato dal reformer a un elettrodo di combustibile della cella a combustibile, durante il passaggio del gas riformato dal reformer in acqua allo stato di bolla nella camera di gorgogliamento, il calore viene scambiato tra il gas riformato e l'acqua per raffreddare il gas riformato e riscaldare l'acqua in vapore, una miscela di gas riformato raffreddato e vapore acqueo viene fornita all'elettrodo del combustibile della cella a combustibile.

[0010] La domanda di brevetto US 2004/0205997 A1 riguarda un reattore portatile a doppia camera, a base di chimica acquosa, per ridurre l'acqua attraverso una qualsiasi delle numerose possibili reazioni esotermiche per produrre sia calore che gas idrogeno, l'alluminio metallico ? contenuto all'interno di una camera di reazione inferiore, una soluzione acquosa di idrossido di sodio ? contenuta in una camera superiore e la soluzione acquosa di idrossido di sodio viene alimentata per gravit? nella camera di reazione inferiore per reagire vigorosamente con il metallo di alluminio per produrre sia calore che gas idrogeno, un tubo di controllo del feedback statico riporta la soluzione acquosa di idrossido di sodio dalla seconda camera alla prima camera nel caso in cui si accumuli un'eccessiva pressione di idrogeno-gas nella seconda camera, fornendo un controllo del feedback della velocit? di riduzione dell?acqua nella seconda camera da una combinazione di pressione del gas e pressione idrostatica, uno scambiatore di calore all'interno della seconda camera rimuove il calore dalla seconda camera sotto forma di acqua riscaldata o altri liquidi o gas riscaldati, e aumentando la velocit? di rimozione del calore, la velocit? di riduzione dell'acqua in idrogeno pu? essere ridotta, fornendo un secondo controllo di feedback.

Presentazione dell?invenzione

[0011] Il brevetto US 6,800,258 B2 ed il brevetto US 8,529,867 B2 descrivono lo stato dell?arte di riferimento pi? vicino all?invenzione.

[0012] L?invenzione introduce elementi mirati a migliorare l?efficienza di funzionamento dell?impianto, come: una valvola a manicotto del tipo descritto nella domanda di brevetto WO 2020/036494 A1; una camera di gorgogliamento del tipo descritto nella domanda di brevetto JP H 0729591 A; uno scambiatore di calore del tipo descritto nella domanda di brevetto US 2004/0205997 A1.

[0013] Scopo della presente invenzione ? quello di risolvere i suddetti problemi della tecnica anteriore fornendo un reattore chimico che si presta per essere impiegato nelle abitazioni sia per la produzione di energia elettrica che per il riscaldamento e la produzione di acqua calda.

[0014] Un ulteriore scopo ? quello di fornire un reattore chimico le cui dimensioni potrebbero essere simili a quelle di un comune frigorifero domestico..

[0015] I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell?invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con un impianto integrato di produzione di idrogeno e calore come quello descritto nella rivendicazione 1. Forme di realizzazione preferite e varianti non banali della presente invenzione formano l?oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

Resta inteso che tutte le rivendicazioni allegate formano parte integrante della presente descrizione.

Risulter? immediatamente ovvio che si potranno apportare a quanto descritto innumerevoli varianti e modifiche (per esempio relative a forma, dimensioni, disposizioni e parti con funzionalit? equivalenti) senza discostarsi dal campo di protezione dell'invenzione come appare dalle rivendicazioni allegate.

Descrizione dei disegni

[0016] La presente invenzione verr? meglio descritta da alcune forme preferite di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati.

[0017] [Fig. 1] mostra una configurazione schematica di una realizzazione dell?Impianto integrato di produzione di idrogeno e calore secondo la presente invenzione.

Descrizione di forme di realizzazione

[0018] Facendo riferimento a [Fig.1], ? possibile notare che un impianto integrato di produzione di idrogeno e calore per uso domestico o industriale, tramite una carica di reagenti costituita da trucioli di alluminio, scaglie di idrossido di sodio, acqua, comprende una camera di reazione 1 alimentata dalla carica di reagenti tramite mezzi di dosaggio 2 e mezzi di alimentazione 3, una coppia di serbatoi 12, 13 con bocche di caricamento per contenere i trucioli di alluminio e le scaglie di idrossido di sodio, mezzi di scarico di prodotti di reazione 4 di alluminato di sodio, un serbatoio di raccolta 14 dei prodotti di reazione di alluminato di sodio, mezzi per la separazione dell?idrogeno dal vapore acqueo 5, uno scambiatore di calore 6 per raffreddare la camera di reazione 1 e produrre calore, mezzi di autosostentamento elettrico 7, almeno un sensore di temperatura 8, almeno un sensore di pressione 9 ed una centralina elettronica 10 di controllo munita di una batteria in tampone 11 per il mantenimento della reazione chimica.

[0019] Vantaggiosamente, la camera di reazione 1 ? collegata in modo ermetico, a monte, alla coppia di serbatoi 12, 13, ed a valle, al serbatoio di raccolta 14.

[0020] Sia detti mezzi di alimentazione 3, che detti mezzi di scarico di prodotti di reazione 4 comprendono almeno una valvola a manicotto costituita da una coppia di cilindri cavi concentrici a tenuta stagna, il cilindro esterno con due aperture diametralmente opposte, il cilindro interno rotante con una luce atta a combaciare in modo intermittente con ciascuna delle due aperture del cilindro esterno per permettere ai reagenti di attraversare la valvola a manicotto.

[0021] I mezzi di dosaggio 2 collegati a ciascun serbatoio della coppia di serbatoi 12, 13 sono costituiti da almeno una coclea motorizzata collocata sul fondo di ogni serbatoio per permette di dosare una quantit? di reagenti di alluminio e idrossido di sodio da immettere nella camera di reazione 1.

[0022] I mezzi per la separazione dell?idrogeno dal vapore acqueo 5 comprendono una camera di gorgogliamento interposta in un percorso di alimentazione di gas idrogeno durante il passaggio del gas in acqua allo stato di bolla nella camera di gorgogliamento, il calore scambiato tra il gas idrogeno e l'acqua per raffreddare il gas idrogeno essendo fornito dallo scambiatore di calore 6.

[0023] I mezzi di autosostentamento elettrico 7 sono costituiti da una batteria di celle di Peltier collocata sul fondo della camera di reazione 1 per convertire una parte del calore prodotto in energia elettrica destinata ad auto alimentare l?impianto.

Esempi

[0024] Facendo riferimento a [Fig.1], il reattore chimico per produrre idrogeno e calore a ciclo continuo si basa sulla reazione chimica di tre reagenti: alluminio in trucioli, derivato da scarti di lavorazione meccanica; idrossido di sodio in scaglie, soda caustica; acqua.

[0025] La reazione chimica ? la seguente:

[0026]

[0027] Il funzionamento del reattore ? interamente controllato da una centralina elettronica (10) che svolge il controllo delle parti elettromeccaniche, regolando l?afflusso dei reagenti nella camera di reazione (1) per alimentare la reazione chimica, in funzione dei sensori di temperatura (8) e pressione (9) presenti nella camera di reazione stessa.

[0028] Nella parte superiore del reattore sono presenti due serbatoi (12), (13), con bocche di caricamento superiori, per contenere i trucioli di alluminio e le scaglie di idrossido di sodio.

[0029] Sul fondo di ogni serbatoio ? presente una coclea motorizzata (2) che permette di dosare, secondo opportune proporzioni, le quantit? di reagenti di alluminio e idrossido di sodio da immettere nella camera di reazione (1).

[0030] Poich? nella camera di reazione (1) viene prodotto idrogeno, occorre una valvola a doppio cilindro cavo (3) per poter immettere nella camera di reazione (1) i reagenti senza perdere pressione.

[0031] La valvola a doppio cilindro cavo (3) ? composta da due cilindri cavi concentrici a tenuta stagna, il primo cilindro cavo fisso contiene il secondo cilindro cavo che invece ruota al suo interno. Il primo cilindro ha due aperture, una superiore ed una inferiore, il secondo cilindro invece ha una cavit? cieca al suo interno. In fase di caricamento la bocca della cavit? del secondo cilindro combacia con l'apertura superiore del primo cilindro in modo da permettere l'ingresso dei reagenti nella cavit?. Dopo aver dosato correttamente i reagenti, mediante le due coclee (2), il secondo cilindro ruota di 180? scaricando i reagenti nella camera di reazione.

[0032] Mediante una elettrovalvola (15) controllata dalla centralina elettronica (10) viene immesso nella camera di reazione (1) il terzo reagente, acqua.

[0033] Durante la reazione chimica viene prodotto idrogeno che viene prelevato dalla parte superiore della camera di reazione tramite una valvola (16) controllata dalla centralina elettronica (10 che monitorizza costantemente la pressione all'interno della camera di reazione mediante il sensore di pressione (9).

[0034] Il calore prodotto durante la reazione chimica viene invece prelevato da uno scambiatore di calore (6) che avvolge esternamente l'intera camera di reazione (1). Nello scambiatore di calore (6) viene fatta circolare acqua da una pompa esterna. Inoltre sul fondo della camera di reazione (1) ? collocata una batteria di celle di Peltier (7) che provvede a

convertire una parte del calore prodotto dal reattore in energia elettrica per l?auto alimentazione della parte elettrica ed elettronica del reattore.

[0035] Per erogare l?energia necessaria all?avvio del reattore, fintanto che la reazione non produce calore, ? prevista una batteria in tampone (11).

[0036] Il raffreddamento della camera di reazione (1), a mezzo dello scambiatore di calore (6), permette anche al vapore acqueo che si produce durante la reazione chimica di condensare e tornare in forma di acqua come reagente invece che mescolarsi all'idrogeno prodotto che viene invece prelevato dalla valvola (16) posta alla sommit? della camera di reazione (1) e portato in una camera di gorgogliamento (5) per eliminare ogni residuo di vapore acqueo della reazione e quindi essere prelevato da un compressore per l'accumulo in un serbatoio esterno.

[0037] Il prodotto della reazione chimica, l'alluminato di sodio, deve essere periodicamente espulso dalla camera di reazione (1).

[0038] A questo scopo ? stata predisposta un'altra valvola a doppio cilindro cavo (4) che viene azionata periodicamente dalla centralina di controllo (10) per depositare la melma di alluminato di sodio nel serbatoio di raccolta (14) dal quale pu? essere prelevato mediante l'apposita valvola di scarico (17).

[0039] La centralina elettronica (10) provvede ad alimentare periodicamente la camera di reazione (1), con le giuste quantit? di reagenti, per mantenere attiva ed efficiente la reazione chimica in base alla misura della temperatura e della pressione interne alla camera di reazione (1).

[0040] Gli elementi innovativi del sistema sono:

[0041] un sistema integrato costituito da serbatoi, valvole, camera di reazione, centralina, capace di produrre idrogeno impiegando una centralina elettronica che, in base alla misura di pressione e temperatura, autosostiene la reazione chimica per produrre la quantit? di idrogeno richiesta;

[0042] un sistema di alimentazione a coclea per il corretto dosaggio dei

reagenti;

[0043] valvole a doppio cilindro per l'immissione dei reagenti nella camera di reazione e l'espulsione dei prodotto di reazione senza perdita di pressione;

[0044] uno scambiatore di calore con il doppio scopo di prelevare il calore utile e raffreddare la camera di reazione per condensare il vapore acqueo prodotto durante la reazione;

[0045] una camera di gorgogliamento per separare l'idrogeno dal vapore acqueo;

[0046] una batteria di celle di Peltier per autoalimentare la centralina elettronica;

[0047] un sistema automatico di scarico del prodotto di reazione.

[0048] Impianto integrato di produzione di idrogeno e calore per uso domestico o industriale, alimentato da trucioli di alluminio, derivanti da scarti di lavorazioni meccaniche, scaglie di idrossido di sodio, e acqua, comprendente una camera di reazione (1), due coclee di dosaggio (2), una valvola a doppio cilindro per l?alimentazione dei reagenti (3) nella camera di reazione senza perdita di pressione, una valvola a doppio cilindro di scarico del prodotto di reazione (4), una camera di gorgogliamento per la separazione dell?idrogeno dal vapore acqueo (5), uno scambiatore di calore (6) avente duplice scopo di raffreddare la camera di reazione e produrre calore sfruttabile, una batteria di celle di Peltier (7) per l?autosostentamento elettrico del generatore, un sensore di temperatura (8), un sensore di pressione (9) ed una centralina elettronica (10) di controllo con batteria in tampone (11), per il mantenimento della reazione chimica.

Si ? descritta una forma preferita di attuazione dell?invenzione, ma naturalmente essa ? suscettibile di ulteriori modifiche e varianti nell?ambito della medesima idea inventiva. In particolare, agli esperti nel ramo risulteranno immediatamente evidenti numerose varianti e modifiche, funzionalmente equivalenti alle precedenti, che ricadono nel campo di protezione dell'invenzione come evidenziato nelle rivendicazioni allegate nelle quali, eventuali segni di riferimento posti tra parentesi non possono essere interpretati nel senso di limitare le rivendicazioni stesse. Inoltre, la parola "comprendente" non esclude la presenza di elementi e/o fasi diversi da quelli elencati nelle rivendicazioni. L?articolo ?un?, ?uno? o ?una? precedente un elemento non esclude la presenza di una pluralit? di tali elementi. Il semplice fatto che alcune caratteristiche siano citate in rivendicazioni dipendenti diverse tra loro non indica che una combinazione di queste caratteristiche non possa essere vantaggiosamente utilizzata.

Claims

Rivendicazioni

1. Impianto integrato di produzione di idrogeno e calore per uso domestico o industriale, tramite una carica di reagenti costituita da trucioli di alluminio, scaglie di idrossido di sodio, acqua, comprendente una camera di reazione (1) alimentata dalla carica di reagenti tramite mezzi di dosaggio (2) e mezzi di alimentazione (3), una coppia di serbatoi (12), (13) con bocche di caricamento per contenere i trucioli di alluminio e le scaglie di idrossido di sodio, mezzi di scarico di prodotti di reazione (4) di alluminato di sodio, un serbatoio di raccolta (14) dei prodotti di reazione di alluminato di sodio, mezzi per la separazione dell?idrogeno dal vapore acqueo (5), uno scambiatore di calore (6) per raffreddare la camera di reazione (1) e produrre calore, mezzi di autosostentamento elettrico (7), almeno un sensore di temperatura (8), almeno un sensore di pressione (9) ed una centralina elettronica (10) di controllo munita di una batteria in tampone (11) per il mantenimento della reazione chimica, l?impianto caratterizzato dal fatto che la camera di reazione (1) ? collegata in modo ermetico, a monte a detta coppia di serbatoi (12), (13), ed a valle a detto serbatoio di raccolta (14).

2. Impianto secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che sia detti mezzi di alimentazione (3), sia detti mezzi di scarico di prodotti di reazione (4) comprendono almeno una valvola a manicotto costituita da una coppia di cilindri cavi concentrici a tenuta stagna, il cilindro esterno con due aperture diametralmente opposte, il cilindro interno rotante con una luce atta a combaciare in modo intermittente con ciascuna delle due aperture del cilindro esterno per permettere ai reagenti di attraversare la valvola a manicotto.

3. Impianto secondo una rivendicazione delle precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di dosaggio (2) collegati a ciascun serbatoio di detta coppia di serbatoi (12), (13) sono costituiti da almeno una coclea motorizzata collocata sul fondo di ogni serbatoio per permette di dosare una quantit? di reagenti di alluminio e idrossido di sodio da immettere nella camera di reazione (1).

4. Impianto secondo una rivendicazione delle precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi per la separazione dell?idrogeno dal vapore acqueo (5) comprendono una camera di gorgogliamento interposta in un percorso di alimentazione di gas idrogeno durante il passaggio del gas in acqua allo stato di bolla nella camera di gorgogliamento, il calore scambiato tra il gas idrogeno e l'acqua per raffreddare il gas idrogeno essendo fornito da detto scambiatore di calore (6).

5. Impianto secondo una rivendicazione delle precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di autosostentamento elettrico (7) sono costituiti da una batteria di celle di Peltier collocata sul fondo della camera di reazione (1) per convertire una parte del calore prodotto in energia elettrica destinata ad auto alimentare l?impianto.