Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА ГОРЯЧЕГО ГАЗА

Устройство относится к области сбора горячих газов на фумарольных полях вулканов, содержащих пары воды, коррозионно-активные газы, соединения рассеянных, редких, благородных и цветных металлов.

АКТУАЛЬНОСТЬ изобретения.

Редкие металлы, включающие и редкоземельные, как правило, выступают небольшой добавкой или малой частью промышленных продуктов. Но вместе с тем в решающей степени определяют продвинутые потребительские свойства этих продуктов. В металлургии они повышают жаропрочность, устойчивость к коррозии и вязкость; в изготовлении стекол обеспечивают их прозрачность; в оптике придают необычные свойства селективного пропускания света; практически весь спектр редких металлов задействован при производстве лазеров в атомной промышленности. Большой объем редких металлов используется при изготовлении катализаторов для нефтяной промышленности. Одно из самых перспективных направлений применения редких металлов в расширяющемся производстве электрогибридных автомобилей и солнечных батарей.

Редкоземельные и редкие металлы и их синтетические соединения у нас практически не производятся. Тем не менее, возможность для развития редкоземельного производства у нашей страны есть. Эти возможности - уникальные, - Россия занимает второе место в мире по разведанным запасам редких земель (30%) и первое - по их прогнозным ресурсам [1].

Особый интерес вызывает РЕНИЙ - редкий металл высоких технологий. Re (от лат. Rhenus - река Рейн), - хим. элемент VII группы периодич. системы Менделеева, ат.н. 75, ат.м. 186.207. В природе 2 изотопа: стабильный ¹⁸⁵Re (37,398%) и радиоактивный ¹⁸⁷Re (62,602%) с периодом полураспада 4,56·10¹⁰ лет. Известно также 19 искусств. изотопов Р. с массовыми числами от 170 до 192. Существование Р. предсказал в 1871 рус. химик Д.И. Менделеев, открыт Р. в 1925 нем. учеными И. и В. Ноддаками совместно с О. Бергом. Р. - светло-серый металл, обладает гексагональной плотноупакованной решеткой (a=0,276 нм, c=0,4458 нм), плотность 21030 кг/м³; t_пл 3190°C; t_кип 5600°C; молярная теплоемкость 25,2 Дж/(моль·K), температурный коэфф. линейного расширения 6,7·10^-6 K^-1 (20-50°C), уд. электрич. сопротивление (при 20°C) 19,3·10^-4 Ом·м. Для отожженного Р. модуль упругости 460,91 ГПа, предел прочности на растяжение - 1176,8 МПа. Температура перехода в сверхпроводящее состояние 1,699 K. Парамагнитен. Степень окисления от +7 до -1. На воздухе - устойчив до 150°C. С водородом не реагирует до температуры плавления. При нагревании реагирует с F, Br и Cl. P. растворяется в HNO₃, горячей концентрированной H₂SO₄, H₂O₂, образуя рениевую кислоту, быстро растворяется в расплавленных щелочах.

Р. - редкий рассеянный элемент. Ср. содержание Р. в земной коре 7·10^-8% по массе [9, 10]. Высокопрочные суперсплавы для космической и авиационной техники, содержащие от 4 до 10% рения, выдерживают температуры до 2000 град и более без потери прочности. Из них изготавливаются корпуса и лопасти турбин, сопла двигателя ракет и самолетов. Рений используется в биметаллических катализаторах при крекинге нефти. Также он применяется в элетронике и электротехнике. В России рения производится всего лишь сотки килограммов, а требуется не менее 10 т в год. В советское время производителем и поставщиком рения был Казахстан (2-е место в мире после США по запасам). Так что сырьевая рениевая база России сейчас на нуле. Но не так все безнадежно.

На вулканах Южно-курильской гряды в местах выхода вулканического газа был найден новый минерал - ренит, содержания рения в нем достигает 89%. На поверхности карьера ренита недостаточно для промышленного использования. Однако было установлено, что рения в вулканических газах содержится около одного грамма на тонну. В сутки вулкан выбрасывает в атмосферу около 50 тыс. тонн газа. Это - 20 тонн рения ежегодно.

В вулканических газах содержится не только рений, но и по меньшей мере десяток редких сопутствующих элементов: германий, висмут, индий, молибден, золото, серебро и др. металлы.

В 1999 году российские ученые запатентовали технологию извлечения рения в местах выхода высокотемпературных вулканических газов [2], включающую установку для улавливания рения из вулканических газов и способ извлечения рения и других редких и благородных металлов [3].

Установка включает бетонный купол для сбора вулканического газа, блок адсорберов и ионообменную колонку.

Техническим результатом предлагаемого способа является достижение селективного отделения рения и других металлов (Bi, Ge, In, Au, Ag, Cd, Sb) от прочих компонентов сырья с получением редкометалльного концентрата, характеризующегося высокими содержаниями рения и других ценных компонентов, пригодного для дальнейшей промышленной переработки.

Технический результат достигается при использовании в качестве нового типа минерального сырья на рений и другие металлы (Bi, Ge, In, Au, Ag, Cd, Sb и т.п.) газовых выбросов действующих вулканов, например, фумарольных газов, газовых эманации лавовых потоков, лавовых озер, т.п. Вулканические газовые выбросы могут содержать 0,00001-0,001% рения или других металлов. Расходы газовых выбросов, достигающие на некоторых вулканах n×10000 тонн/сутки, позволяют рассматривать вулканические газы как новый источник минерального сырья, обеспечивающий необходимые уровни объемов производства при практически полном отсутствии затрат на горнодобычные работы. Вулканический газ пропускается через фильтрующий слой, обладающий развитой поверхностью и состоящий из частиц носителя минерального или углеродного состава. Фильтрующий слой может быть также образован волокнистыми материалами аналогичного состава. Слой частиц при этом нагревается до температуры пропускаемого вулканического газа (300-600°C). Если температура газа выше 600°C, его предварительно охлаждают до 500-550°C. Концентрированно рения и прочих редких металлов осуществляется путем образования из вулканического газа сульфидов рения (ReS₂), висмута (Bi₂S₃), кадмия (CdS), германия (GeS₂) и других металлов, осаждающихся на частицах носителя или волокнах в объеме слоя. Полученный таким образом продукт перерабатывают с извлечением рения и других металлов известными методами [4].

В качестве материала, образующего слой, через который пропускают вулканический газ, используют природный цеолит, минеральную вату, активированный уголь или углеткань, оксид алюминия. Лучшие результаты достигаются при использовании природного цеолита.

Из растворов рений извлекается в ионообменных колонках одним из многих известных способов. Так, известны способы извлечения рения сорбцией с применением сильно-[5] и слабоосновных [6] ионообменных смол, а также способ извлечения рения на гранулированном полимере [7], в котором для сорбции рения используют анионит АН-21 пористой модификации, содержащий 16% дивинибензола в качестве сшивающего агента и 0.8-1.0 вес.ч. изооктанола в качестве порообразователя. В данном способе извлечения рения содовый десорбат, подкисленный до pH 4 соляной кислотой, направляли на ионообменные колонки.

Известен способ [8], который включает сорбцию рения гранулированным полимером, десорбцию рения аммиачным раствором с получением концентрированных по рению растворов. В качестве сорбента используют экстрагирующий полимер (ЭП), состоящий из гранулированного сверхсшитого полистирола и экстрагента. В качестве экстрагента используют триалкиламин. Импрегнирование гранул сверхсшитого полистирола проводят с применением 0,1-40% раствора триалкиламина в органическом разбавителе. Способ позволяет обеспечить высокую степень извлечения рения из бедных растворов, сократить время и удешевить аппаратурную схему.

Известен способ [12], который может быть использован для выделения рассеянных и редких элементов, благородных и цветных металлов из сильно обводненных природных (например, фумарольных газов вулканов) и промышленных газов. Способ извлечения рения и других элементов включает сбор вулканического газа, его охлаждение и улавливание полученных соединений. При этом сбор вулканического газа проводят при давлении в сборнике 20-100 Па, охлаждение ведут до 300-400°C с концентрированием соединений рения и других элементов. Улавливание с отделением образовавшихся твердых соединений от газовой фазы проводят в электрофильтре или системе электрофильтров при поддержании температуры газа на выходе из электрофильтра или системы электрофильтров на уровне 200-250°C. Температуру газа в электрофильтре поддерживают с помощью испарения воды, подаваемой в распыленном виде в газоход перед электрофильтром. Сбор вулканического газа проводят в устройстве, выполненном из коррозионно-стойких материалов. Способ позволяет выделить содержащиеся в газе компоненты комплексно и с высокой степенью извлечения, получая концентрат с высоким содержанием ценных элементов, пригодный для переработки пирогидрометаллургическими методами.

Предложенная технология и способы извлечения рения безупречны, если бы дело не касалось построением хим. завода на вулкане. Запасы вулканического газа не возможно определить, как это делается на нефтяных и газовых месторождениях, а следовательно, нет достаточных оснований для строительства стационарных капитальных сооружений в весьма экстремальных условиях и вредной для человека среде. Дело осложняется и отсутствием вблизи вулкана промышленной структуры и транспортных коммуникаций. «Тихотлеющий вулкан» в любой миг может взорваться вместе с людьми и оборудованием. Технология предусматривает охлаждение газа до температуры кристаллизации минерала 450-500 град. А если поступающий газ ниже этой температуры, то как его нагреть до начала процесса кристаллизации? Затруднительно возводить и бетонный купол над фумарольными зонами и лавовыми озерами и сложно обеспечить безопасность строителей и эксплуатационников от вредного воздействия вулканических газов.

Сотрудники ИМГРЭ предложили устройство для сбора вулканического газа [11], технический результат которого заключается в том, «что при его использовании обеспечено максимальное удобство монтажа и эксплуатации (обслуживания) оборудования при работе с горячим агрессивным вулканическим газом, содержащим значительное количество токсичных веществ высокой химической опасности (Hg, Se, Te и др.)».

Устройство имеет туннель, снабженную двумя узлами вывода газа: один в систему газоочистки, другой с крышкой - для сброса избытка газа. Туннель представляет собой герметичный арочный свод, смонтированный с использованием металлической опалубки. Опалубка собрана с помощью направляющих опорной рамы. Туннель покрыт кислотоупорным герметичным кожухом. Арочный свод выполнен из кислотостойкого теплоизоляционного материала. Опалубку изготовляют секциями и собирают методом «скользящей» опалубки с использованием опорной рамы. Длина туннеля определяется длиной фумарольного поля, на котором имеются выходы вулканического газа. Внутреннюю ширину туннеля выбирают произвольно исходя из экономической и технической целесообразности.

При отсутствии механизации в строительстве данное устройство имеет те же недостатки что и устройство, описанное в работе [2].

Итак, обзор показывает, что стратегическое сырье у нас имеется, но не разрабатывается, что влечет за собой экономическую и политическую несамостоятельность. Покупать рений за рубежом дорого и нецелесообразно. Необходимо создавать работоспособные технологии извлечения рения из вулканических газов.

Цель изобретения - создание легкого мобильного устройства для сбора горячего вулканического газа и извлечения рения и других редких металлов. Эта цель достигается за счет изготовления устройства из тонкостенных полимеров и прочной жаростойкой пленки, причем устройство подвешивается на воздушных шарах над вулканом. При этом воздушная тяга создается за счет разницы атмосферного давления в устье и на конце аэродинамической трубы, при этом вентилятор для прокачки газа через адсорберы не потребуется. Прототипом этого изобретения являются устройства [2, 3, 11]. Предлагаемое устройство включает все элементы традиционной технологии извлечения рения [2]: купол сбора газа, газоход, блок адсорберов, система промывки адсорберов, блок электрофильтров, блок охлаждения газа, емкость бедного раствора рения, ионообменная колонна и ветроэнергетическая установка. Однако устройство имеет ряд существенных отличительных признаков.

Во-первых, адсорберы, электрофильтры и ветровое колесо ветроэнергетической установки расположены в вертикальной аэродинамической трубе из прочной жаростойкой и кислотоупорной пленки, армированной полимерными обручами, и подвешенной с помощью автоматических натяжных устройств к воздушному шару, причем градиент температуры на концах трубы создаст значительную тягу воздуха, достаточную для прокачки газа через адсорберы и для вращения ветрового колеса в постоянном воздушном потоке.

В таблице приведены температура, давление и плотность воздуху в зависимости от высоты атмосферы до 10 км.

Температура воздуха падает на каждые 100 м на 0.65 град. На высоте 10 км падение составит - 65 град. Если на земле и прилегающем слое воздуха температура будет +15, то градиент температуры составит 80 град. Если вблизи фумарольного поля газ имеет температуру выше 700 град, то градиент температуры будет очень значительным.

Во-вторых, купол сбора газа, имеющий раздвижные патрубки и предохранительный клапан и соединенный газоходом с аэродинамической трубой, также выполнен из прочной жаростойкой пленки и подвешен на тросах к воздушному шару.

В-третьих, в газоходе расположены система водяного охлаждения газа в виде форсунок и диафрагма, которая обеспечивает необходимое давление и скорость истечения газа.

На фиг.1 представлено устройство для сбора газа и технологическая схема процесса концентрирования рения на фумарольных полях вулкана.

Где:

1 - Воздушный шар, удерживающий аэродинамическую трубу 9 тросом 2; 3 - ветровое колесо; 4 - система промывки адсорберов; 5 - манипулятор смены адсорберов; 6 - автоматическое натяжное устройство; 7 - ребра жесткости аэродинамической трубы в виде полимерных обручей; 8 - автоматические замки сцепления секций аэродинамической трубы; 9 - корпус аэродинамической трубы; 10 - блок электрофильтров; 11 - блок адсорберов; 12 - воздушный шар, удерживающий устройство сбора газа; 13 - предохранительный клапан; 14 - газоход; 15 - блок охлаждения газа; 16 - диафрагма; 17 - трос раздвижки патрубков 18; 19 - натяжное устройство купала сбора газа 20; 21 - трос подвески устройства сбора газа к воздушному шару 12; 22 - склон вулкана; 23 - магма; 24 - фумарольные поля; 25 - емкость бедного раствора рения; 26 - труба подачи раствора рения на ионообменную колонку; 27 - гидронасос.

Газ через раздвижные патрубками 18, имеющие в устьях предохранительные сетки, засасывается в купол сбора газа 20, в газоходе 14 газ охлаждается водяными форсунками 15 до температуры кристаллизации рения, диафрагма 16 поддерживает необходимое давление в куполе и скорость движения газа. Если поступающий газ ниже 400 град, то патрубки 18 раздвигаются поближе к магме и захватывают более горячий газ. Далее газ поступает в аэродинамическую трубу 9 и прокачивается через блок адсорберов 11, улавливающих рений. В качестве адсорберов используют природный цеолит, минеральную вату, активированный уголь или углеродная ткань, оксид алюминия и др. Адсорбер промывается серной кислотой или другой концентрированной кислотой через систему 4. Далее воздух дополнительно очищается в блоке электрофильтров 10 и подается на ветровое колесо 3, вырабатывающее электроэнергию для нужд этого мини-завода. Устройство работает в автоматическом режиме под контролем датчиков и видеокамер. Замену адсорберов и производство ремонтных и монтажно-демонтажных работ делает манипулятор 5 в дистанционном режиме. Из емкости 25 бедный раствор рения насосом 27 подается по трубе 26 на ионообменную колонку, находящуюся на значительном расстоянии от вулкана. В случае возможности взрыва вулкана или прекращения поступления газа устройство отводится в сторону от вулкана натяжными устройствами и демонтируется, - разделяясь автоматическими замками 8 на секции.

Аэродинамическая труба с ребрами жесткости в виде полимерных обручей подвешивается на тросах к аэростату, который удерживается от смещения теми же тросами посредством наземных автоматических натяжных устройств.

Под воздействием ветровых боковых нагрузок полимерный рукав может изгибаться, что не повлияет на производительность ветряка.

Аэродинамическая труба должна иметь протяженность несколько сот метров или несколько километров исходя из технических возможностей.

Ожидаются значительные нагрузки на стенки аэродинамической трубы.

Из всего многообразия полимеров в экстремальных условиях наиболее приемлемы УГЛЕПЛАСТИКИ. Наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна, которые получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила нефтяных и каменноугольных пеков и т.д.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы, способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000 град. Углепластики очень легки и, в то же время, прочные материалы [13]. Например, полимер этого класса, названный «Хайпол» обладает следующими параметрами: рабочая температура до 2000 град, химическая инертность к окислительным средам, не горит, в 1.5 раза легче алюминия и весьма прочен [14]. Вызывает интерес последняя разработка российских ученых - полимер ГРАФИН, обладающий особенными и экзотическими свойствами [15]. За эту разработку российские ученые получили Нобелевскую премию в 2010 году. Углеграфитовые трубки могут достигать прочность, в 50 раз превышающую прочность стали. Углеродные тонкие пленки, полученные из этих полимеров, могут быть использованы в качестве стенок внутренней аэродинамической трубы. Из тех же материалов могут быть изготовлены решетки и сетки фильтрационных устройств.

Материалом для воздушных шаров обычно служат эластомеры, т.е. природные или синтетические каучуки. Каучук обладает способностью обратимо растягиваться до 900%. Из этих же материалов могут быть изготовлены и тросы, проложенные по стенкам аэродинамической трубы, с помощью которых конструкция крепится к воздушным шарам.

На разных уровнях аэродинамической трубы закрепляются научная аппаратура (на период испытаний), датчики, видеокамеры, передатчики видео и телеметрической информации.

Добыча рения для России имеет стратегическое значение. Потребность в рении ежегодно увеличивается, а покупать очищенный рений по 1500 дол. за кг накладно, да и в особенно нужный момент его не продадут. Важно сохранить сырьевую безопасность страны.

Источники информации

1. Публикация Ивана Рубанова, спец. Корр. «Эксперта», №44, 2010.

2. А. Кременецкий. Завод на вулкане. «Наука и жизнь», №11, 2000.

3. Способ извлечения редких металлов. Патент RU 2159296.

4. Химия и технология редких и рассеянных элементов. Под ред. К.А. Большакова. - М.: Высшая школа. - 1976.

5. В.И. Бибикова, А.В. Передерев и др. Кинетика ионного обмена рения и молибдена на смоле. В сб. «Рений. Химия, технология, анализ». - М: Наука, 1976, с.54-60.

6. А.Г. Холмагоров и др. Извлечение рения из сернокислых растворов и его отделение от молибдена на анионно-обменниках различного типа. В сб. ”Рений. Химия, технология, анализ”. - М: Наука, 1976, с.63-66.

7. К.Б. Лебедев и др. Промышленные испытания и внедрение анионита АН - 21 пористой модификации для извлечения рения. // Цветные металлы, №2, 1976, с.74-83.

8. Способ извлечения рения. RU 2227170.

9. Лебедев К.Б., Рений, 2 изд., М., 1963.

10. Рений: химия, технология, анализ, М., 1976 (Труды IV Всесоюзн. совещания по проблеме рения).

11. Устройство для сбора горячего газа. RU 2244018.

12. Способ извлечения рения RU 2222626.

13. Конкин А.А. Углеродные и другие жаростойкие волокнисты материалы. М., Высшая школа, 2004.

14. http: highpol.com.

15. http:newchemistry.ru

mca.jpg(662×520) Приложение 1(Таблица)