Раздел 3
ВОДОРОДНЫЕ РЕАКТОРЫ
3.1 Результаты испытаний кинетического реактора
Перед проведением исследований по получению водорода в газогенераторе АВГ-45 были проведены испытания кинетического реактора, режимы работы которого приближены к описанным в инструкции.
Реактор разогревают до 90 °С, сплав в количестве 0,105 кг и 0,76 кг щелочи засыпают в реактор. Затем заливают 0,5 л воды и проводят герметизацию. Индукционный период реакции составляет 130 с, после которого температура резко возрастает до 165 °С и давление за 50 с увеличивается до 3,8 МПа (Рmax = 6,4 МПа). Объем выделившегося водорода равен 0,058 м3, что соответствует полноте реакции αт = 0,445.
Развиваемые температуры и полнота реакции оказались ниже, чем в АВГ-45. Кроме того, выгрузка образующихся продуктов серьезно затруднена. По результатам опытов установлено, что принятое количество загружаемых реагентов не способно вывести процесс на необходимый температурный режим из-за большой массы кинетического реактора (51 кг).
Далее дана последовательность операций, приближающая режимы испытаний на кинетическом реакторе к условиям эксплуатации АВГ-45.
Реактор с раствором щелочи 10 %-ной концентрации и порошком сплава, подвешенным в кассете в горловине реактора, разогревают до 185 °С. Давление аргона не превышает 1,5 МПа. В остальном методика проведения исследования не отличается от описанной в разделе 3.3. Результаты опытов представлены в таблице 3.1.
На рисунке 3.1 приведен внешний вид испытываемого газогенератора АВГ-45 в сборе.
Рис. 3.1. Внешний вид газогенератора АВГ-45 в сборе.
Таблица 3.1
Зависимость скорости выделения водорода и полноты реакции от температуры для сплавов ФСА и ФС. Концентрация NaOH 13,3 %, дисперсный состав ФС 75 Ба1, ФС 75 Ба4 – (0,3 - 1,2)∙10–3м, остальные сплавы – (0,63 - 1,5)∙10–3м, m = 5∙10–3кг, (tн = 130 °С, Разота = 1,5 МПа) (кинетический реактор)
|
Тип сплава |
Максимальная температура, tmax, °С |
Максимальное давление, Р нас, МПа |
Время достижения максимальных температуры и давления, с |
Объем выделившегося водорода, V∙103, м3 |
Скорость газовыделения, W∙103, м3/(кг∙с) |
Полнота реакции, αr, % | ||
|
τt |
τр | |||||||
|
ФС 75 Ба1 |
132 142 |
0,48 0,64 |
85 105 |
390 240 |
3,3 4,43 |
9,5 10 |
47 62,8 | |
|
ФС 75 Ба4 |
132 140 |
0,2 0,16 |
83 125 |
300 265 |
1,8 2,2 |
4,2 5,3 |
36 40 | |
|
ФСА-15 |
131 134 |
0,44 0,48 |
185 193 |
530 490 |
3,2 3,6 |
2,3 3,53 |
46 53 | |
|
ФСА 30 |
133 145 |
0,46 0,47 |
100 120 |
340 295 |
3,6 3,8 |
3,1 3,9 |
63,6 65 | |
|
ФСА 30 Мн1 |
133 |
0,2 |
210 |
610 |
1,64 |
1,9 |
26 | |
Обнаружено, что сплав ФС 75 Ба1 при одинаковых условиях ведения процесса имеет более высокую полноту реакции, чем ФС 75 Ба4. Синтетический сплав ФСА 30 Мн1 обладает сравнительно низкой активностью. Сплав ФСА 30 ведет себя примерно так же, как сплавы с добавками бария.
3.2 Исследование процесса получения водорода в газогенераторе авг-45
Цель данного исследования – усовершенствование традиционного процесса генерирования водорода путем изменения состава сплавов.
Установка с газогенератором АВГ-45 аналогична приведенной на рисунке 3.1 за исключением систем приготовления и подачи щелочи и пульпы. На рисунке 3.2 представлен разрез газогенератора АВГ-45 в сборе.
Рисунок 3.2. Баллонный газогенератор АВГ-45: 1 – реактор, 2 – головка, 3 – вентиль, 4 – манометр, 5 – клапан предохранительный, 6 – штатив, 7 – обойма верхняя с полуосями, 8 – обойма нижняя с рукоятками, 9 – крюк сборочный большой, 10 – крюк сборочный малый, 11 – шланг дюритовый, 12 – наконечник шланга с накидной гайкой, 13 – патрубок шланга.
Перед проведением опытов порошок сплава и гранулированную щелочь засыпают вручную, затем заливают требуемое количество воды.
Отдельными опытами установлено, что растворение 0,8 кг гранулированного едкого натра повышает температуру 6 л воды с 10 °С до 40 °С. Подъем температуры примерно до 70 °С происходит за счет добавления незначительного количества порошка алюминия. Затем начинается основная реакция взаимодействия кремния со щелочью.
После завершения процесса реактор охлаждают. По давлению и объему свободной части баллона определяют количество образовавшегося водорода. Сброс газа в атмосферу производят через конденсатор, сепаратор и расходомер ГСБ-400. Объем сливаемой пульпы измеряют мерной емкостью.
Для наблюдения за процессом аппарат снабжен контрольно-измерительными приборами.
Поскольку среда в реакторе агрессивна, термопары размещены в трубках из нержавеющей стали (dнар = 8∙10–3м). Трубки введены в газогенератор через головку специальной конструкции на высоту 0,02 м и 1,17 м от дна баллона. Одновременно фиксируют температуру наружной стенки баллона.
Инерционность термопар, заделанных в металлические трубки, проверяли так же как и в разделе 4. Опыты показали, что при погружении в сосуд с кипящей водой через 5 с прибор фиксирует 86 °С, через 10 с – 93 °С, через 20 с – 95 °С, через 80 с устанавливается 97 °С.
При погружении в сосуд с маслом, нагретом до 180 °С, динамика роста температур следующая: через 20 с – 120 °С, через 60 с – 160 °С, через 120 с – 165 °С и по истечению 180 с устанавливается температура 175 °С.
Давление, развиваемое в ходе реакции, определяется манометром тип МТ ГОСТ 2405-72 № III-79, в контрольных опытах использован образцовый манометр модель МО 11202 № 4838 ГОСТ 6521-72.
Применялись сплавы ФС 75 Ба1, ФС 75 Ба4, ФСА-15, ФСА 30, ФСА 30 Мн1. В первом опыте со сплавом ФСА 30 Мн1 для разогрева реактора загружено 30∙10–3 кг сплава на основе алюминия А-98КаМг d = (0,1 - 0,5)∙10–3 м. В результате чего в первые секунды реакции произошло бурное вскипание воды. В связи с этим в последующих опытах добавка сплава А-98КаМг снижена до 20∙10–3 кг. Загрузка реагентов стандартная.
Результаты опытов со сплавами ФСА и сплавами с добавками бария представлены в таблице 3.2 и на рисунке 3.3. Дисперсный состав сплавов: ФС 75 Ба1, ФС 75 Ба4 – (0,3 - 1,2)∙10–3м, ФСА 30 и ФСА 30 Мн1 – (0,1 - 0,5)∙10–3м, ФСА 15 – (0,63 - 1,5)∙10–3м.
Таблица3.2