https://patents.google.com/patent/US2364742A/en?oq=2364742
Это что то вроде личной записи, что бы не потерять. Тест является отредактированным мною гугл-переводом оригинального текста. Вступление выделенная как цитата взято из описательной части другого патента
Итак. Попаданцу или группе попаданцев приспичило получить магний. Но примем сразу вводную что электроэнергии нет. Ну по крайней мере столько нет сколько надо для электролиза.
---
Магний обычно получают одним из двух основных способов: электролизом расплавленного хлорида магния до получения расплавленного металлического магния и газообразного хлора или термическим восстановлением оксида магния ферросилицием или твердым углеродом. Некоторые недостатки электролиза состоят в том, что этот способ требует значительных усилий по подготовке металла для подачи в электролитическую ванну и, кроме того, этот способ обладает низкой производительностью. Способы, основанные на электролизе и ферросилиции, требуют также высоких энергозатрат.
Магний можно получить путем восстановления твердым углеродом при 2000oС и выше. Восстановление является сильно эндотермическим процессом и идет только при непрерывной подаче энергии, например, при помощи электрической дуги. Даже при температуре ниже около 2000oС пары магния будут подвергаться повторному окислению в атмосфере, содержащей окись углерода. Чтобы свести к минимуму это повторное окисление, способы получения магния обычно включают быстрое охлаждение пара и газов. В так называемом способе Гансгирга охлаждение осуществляют при помощи больших объемов водорода или природного газа.
Патент США 2364742 раскрывает циклический процесс восстановления твердого оксида магния метаном. В патенте утверждается, что при высоких температурах метан будет подвергаться термическому разложению на водород и углерод, которые являются относительно неэффективными для восстановления твердого оксида магния. В результате, по мнению авторов, следует обрабатывать газообразным метаном нагретое твердое вещество в течение очень короткого промежутка времени, чтобы предотвратить разложение метана до начала реакции. Точнее, твердый оксид магния смешивают с твердым материалом, содержащим углерод, таким как кокс, и помещают смесь в реактор. Поток сильно нагретого воздуха пропускают через установку, содержащую смесь, пока кокс не сгорит в достаточной степени, подняв температуру смеси до значений, превышающих температуру восстановления оксида магния. Воздушное дутье прерывают и в качестве дутья вводят в смесь метан или природный газ. Пары магния затем конденсируют и отделяют от газов. Таким образом, способ восстановления оксида магния носит прерывистый или циклический характер.
Основная цель изобретения заключается в том, чтобы обеспечить способ восстановления оксидов металлов, таких как магний и цинк, которые образуют пароы при температуре восстановления их оксидов, путем использования природного газа или метана и углеродистого материала, такого как кокс, чтобы тем самым устранить необходимость в использовании электрической энергии.
Фиг.1 представляет собой схематичный вид устройства в течение периода, когда нагретый поток воздуха подается в реакционную зону.
Фиг.2 представляет собой аналогичный вид устройства во время периода, когда природный газ или метан подают в реакционную зону для осуществления восстановления оксида металла.
Зона реакции (отмечена цифрой 3) представляет собой печь в стальной оболочке (4) футерованной огнеупорным кирпичом (5) и охлаждаемой водой способом, хорошо известным в технике. Печь 3 снабжена сверху загрузочным бункером (6) с задвижками (1 и 8) для загрузки смеси оксида металла и углеродсодержащего материала в печь. Внизу печь сужается и заканчивается задвижками (9) через которые отводится отработанный материал.
Шахтная печь 3 снабжена множеством фурм (10) для подачи метана или природного газа через клапан (13) и кольцевой коллектор (14) с патрубкакми (15). Шахтная печь так же снабжена выпускным патрубком (16), управляемым клапаном (17) и впускным патрубком (18) о котором речь пойдет отдельно.
Числом 19 отмечена регенеративная зона нагрева воздушного дутья. Она так же футерована огнеупорным кирпичом (21) и заключена в стальную оболочку (20). Нагнетаемый компрессором 43 воздух проходит через клапан (45) в зону нагрева заполненную огнеупорным материалом (22) специальной формы. Поступление нагретого воздуха из регенератора (19) в печь (9) регулируется клапаном (25) (который должен выдерживать высокие температуры)
В начальной фазе нагрева рекуператора может использоваться метан из магистрали 12 через отводную трубу 26 и клапан 27. В установившемся режиме нагрев осуществляется газами образующимися при разложении метана (С0 + Н2) отводимыми из зоны реакции по трубам отмеченным числами (18) - (30) - (41).
В трубе (30) расположена распылительная головка (39) через которую нагнетается охлажденный керосин из резервуара (31). В этот же резервуар попадает и металлический магний.
Итак как происходит процесс:
Для облегчения описания предположим, что период «восстановления» подошел к концу и что смесь оксида металла и кокса в шахтной печи 3 находится при температуре ниже температуры, при которой происходит эффективное восстановление оксида металла. Кроме того, для описания конструкции предполагается, что шахтная печь 3 загружена смесью оксида магния и кокса и что печь заполнена добавкой. По причинам, которые станут очевидными по мере продолжения описания, регенеративная печь 19 в конце периода «восстановления» будет сильно нагреваться и будет заполнена горячими продуктами сгорания, почти полностью лишенными кислорода. В конце периода «восстановления» шахтная печь 3 заполнена продуктами восстановления оксида магния.
Чтобы начать «период нагрева», различные клапаны будут установлены в их положения, показанные на рисунке 1, и вентилятор 43 будет прокачивать воздух через трубу 44, клапан 45 и регенеративную печь 19. Когда воздушный поток поступает в печь 19, он вытеснит горячие продукты сгорания через клапан 25 в шахтную печь 3. При прохождении через печь 19 воздушный поток будет сильно нагреваться при контакте с его внутренними поверхностями и кирпичную наброску 22. Нагретый воздух будет проходить через дымоход 18 и в шахтную печь, чтобы вызвать сжигание кокса для повышения температуры смеси коксового и магниевого оксидов. Продукты - сжигания кокса будут удаляться через клапан клапана 17 и трубу 16.
На фиг.1 отмечено, что клапан 29 открыт, чтобы обеспечить проход метана в дымоход 18. Важность этого момента в том, что восстановление оксида магния метаном требует температурного диапазона от 1600 ° С до 2000 ° С. Эта температура достигается в основном путем сжигания кокса в смеси, но основным ограничивающим фактором в конечной температуре является необходимость нагревания большой объем инертного азота в воздушной струе. Это делает жизненно важным дать воздуху, поступающему в шахтную печь, максимально высокую температуру. Предварительный нагрев воздуха в регенеративной печи 19 до температуры около 1400 ° С, недостаточно чтобы предотвратить существенное повторное окисление паров магния в течение периода «восстановления». Следовательно, необходимо дать воздушному дутью дополнительное приращение тепла, чтобы оно создавало более высокую температуру, когда горит кокс в печи, а также, чтобы дымоход 18 через который пары магния должны пройти позже, имел температуру, достаточно высокую, чтобы свести к минимуму повторное окисление. Это обеспечивается клапаном 29, допускающим небольшой объем газа в дымоход 18, где он немедленно сгорает в воздушной струе и дополнительно нагревает воздух и внутренние стены канала. Количество сжигаемого газа мало, но его тепло полностью используется. При сжигании этого вспомогательного газа тратится часть кислорода в воздушной струе и содержание кислорода снижается с начальных 21% до примерно 16%. Сильно нагретый воздух с немного уменьшенным содержанием кислорода контактирует с коксом и поджигает его.
Сжигание кокса, вероятно, сначала приводит к образованию двуокиси углерода, но вскоре она восстанавливается до окиси углерода в нескольких сантиметрах над зоной наиболее интенсивного тепла. В любом случае сжигание кокса высокотемпературным воздушным потоком быстро повышает температуру смеси приблизительно до 2000 ° С в той части шахтной печи которая непосредственно прилегает к входу в дымоход 18. Продукты сгорания, выходящие из шахтной печи через трубу 16, сами по себе являются горючими и могут использоваться для целей отопления.
После того, как температура смеси в зоне чуть выше входного отверстия дымохода 18 достигла приблизительно 2000 ° С, клапан 25 медленно закрывается для постепенного прекращения воздушного дутья. Во время закрытия клапана 25 и в течение короткого интервала после этого клапан 29 остается открытым и метан продолжает поступать в дымоход 18 и в зону наибольшей температуры в шахтной печи. Целью этой процедуры является продувка дымохода 18 и зоны реакции в шахтной печи от воздуха. Эта очистка имеет двойную цель. Во первых она исключает кислород из дымохода 18, а также из зоны реакции, чтобы предотвратить повторное окисление паров магния в начале периода «восстановления». Вторая цель заключается в удалении азота из дымовой трубы 18 и зоны реакции в печи. Известно, что пары магния легко реагируют с газообразным азотом с образованием нитрида магния. Свободная энергия образования нитрида магния такова, что пары магния и азота могут образовывать взрывоопасную смесь.
После продувки дымохода 18 и зоны реакции в печи с кислородом и азотом устройство готово к «восстановительному» периоду процесса. Чтобы начать его, клапаны установки приводятся к положению показанному на фиг.2.
Насос 1 подает метан через трубу 12, открытый клапан 13, коллектор 14 и трубы 15 через фурмы в зону горячей реакции в шахтной печи 3. Метан подается в зону в достаточном объеме и при достаточном давлении, чтобы сделать то, что я называю «резким» введением. В случае восстановления оксида магния это «резкое» введение важно для предотвращения термического разложения метана на углерод и водород, что было бы неэффективным в качестве восстановителей. Резко поданный метан, продукты его разложения и пары магния не могут удалиться через запертый клапан 17 и вынуждены следовать в канал 18 и трубопровод 30.
При входе в трубопровод 30 продукты восстановления смешиваются с так называемым спреем относительно холодного масла, выходящего из распылительной головки 39, и пары магния конденсируются. (Трубопровод 30 и труба 37 охлаждаются водой). Скорость течения продуктов выходящих из зоны реакции и температуры в канале 18 таковы, что они предотвращают любое значительное повторное окисление паров магния монооксидом углерода. Большое количество водорода в реакционных газах также препятствует перекислению магния. Конденсированный магний и другие продукты восстановления (в основном монооксид углерода и водород) перемещаются по трубопроводу 30 в масляный резервуар 31. Конденсированные магниевый порошок скапливается в масленном резервуаре и может быть извлечен через клапан 48. Этот конденсированный магний должен быть подвергнут перегонке для удаления масла из него и для получения магния в массивной форме.
Окись углерода и водород покидают масляный резервуар через большую трубу 41 и поступают в печь 19, где они сжигаются воздухом, проходящим через клапан 47, чтобы эффективно нагревать регенеративную печь. В случае, когда сжигание монооксида углерода и водорода, поступающего в печь через трубу 41, является недостаточным, чтобы поднять температуру регенератора до желаемого значения, дополнительный природный газ может быть подан через трубу 26 и сожжен в печи 19 вместе с монооксидом углерода и водородом. Продукты этого сгорания проходят из печи через дымоход 23.
Период «восстановления» продолжается до тех пор, пока температура в реакционной зоне не упадет до значения, при котором прекращается восстановление оксида магния. Затем различные клапаны в аппарате возвращаются в положение, показанное на фиг.1 и цикл повторяется.
Данная схема так же эффективна при восстановлении цинка, которое происходит при куда более низких температурах (1000-1200 с). Самое проблемное в этой установке это огнеупорные материалы. Автор патента указывает на применение цирконовых огнеупоров, изготовление которых само по себе проблема. Но красота схемы меня подкупила. Делюсь с вами ею.
|
Автор
Получение элементарного магния (патент US2364742A)
Свежие комментарии