ITRM20130385A1 - PROCEDURE AND EQUIPMENT FOR HYDROGEN PRODUCTION - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE INDUSTRIALE dal titolo: DESCRIPTION OF THE INDUSTRIAL INVENTION entitled:

“PROCEDIMENTO ED APPARECCHIATURA PER LA PRODUZIONE DI IDROGENO†⠀ œPROCESS AND EQUIPMENT FOR THE PRODUCTION OF HYDROGENâ €

La presente invenzione si riferisce ad un procedimento per la produzione di idrogeno e, più precisamente, ad un procedimento per la produzione di idrogeno a partire dal Sodio. The present invention refers to a process for the production of hydrogen and, more precisely, to a process for the production of hydrogen starting from sodium.

Stato della Tecnica State of the art

L'idrogeno à ̈ l'elemento più abbondante dell'universo, forma fino al 75% della materia, in base alla massa, e più del 90%, in base al numero di atomi. Relativamente alla sua abbondanza generale, l'idrogeno à ̈ molto raro nell'atmosfera terrestre (1 ppm) e praticamente inesistente come H2sulla superficie e nel sottosuolo terrestre. Hydrogen is the most abundant element in the universe, forming up to 75% of matter, based on mass, and more than 90%, based on the number of atoms. Relative to its general abundance, hydrogen is very rare in the Earth's atmosphere (1 ppm) and practically non-existent as H2 on the Earth's surface and subsoil.

Sulla Terra invece solo l'1 % dei gas à ̈ idrogeno. La fonte più comune di questo elemento à ̈ l'acqua, che à ̈ composta da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno (H2O). Altre fonti sono: la maggior parte della materia organica (che comprende tutte le forme di vita conosciute), i combustibili fossili, ed il gas naturale. Il metano (CH4), che à ̈ un sottoprodotto della decomposizione organica, sta diventando una fonte di idrogeno sempre più importante. On Earth, however, only 1% of gases are hydrogen. The most common source of this element is water, which is made up of two hydrogen atoms and one oxygen (H2O). Other sources are: most organic matter (which includes all known life forms), fossil fuels, and natural gas. Methane (CH4), which is a by-product of organic decomposition, is becoming an increasingly important source of hydrogen.

Allo stato elementare esiste sotto forma di molecola biatomica H2denominata diidrogeno e che a pressione atmosferica ed a temperatura ambiente (298° K) Ã ̈ un gas incolore, inodore, altamente infiammabile. In the elementary state it exists in the form of a diatomic molecule H2 called dihydrogen and which at atmospheric pressure and room temperature (298 ° K) is a colorless, odorless, highly flammable gas.

L'idrogeno forma composti con la maggior parte degli elementi, spesso anche per sintesi diretta. Mentre le stelle sono principalmente composte di idrogeno nello stato di plasma di cui rappresenta il combustibile delle reazioni termonucleari, esso sulla Terra à ̈ scarsamente presente allo stato libero e molecolare e deve, quindi, essere prodotto per i suoi vari usi. Hydrogen forms compounds with most of the elements, often also by direct synthesis. While stars are mainly composed of hydrogen in the plasma state of which it represents the fuel of thermonuclear reactions, it is scarcely present on Earth in the free and molecular state and must therefore be produced for its various uses.

Nel 1671, Robert Boyle descrisse la reazione che avveniva quando si mescolavano limatura di ferro ed acidi diluiti, e che generava H2. Nel 1766, Henry Cavendish fu il primo a riconoscere l'idrogeno molecolare gassoso H2come una sostanza discreta, identificando il gas prodotto nella reazione metallo-acido come "aria infiammabile" e scoprendo che la combustione del gas generava acqua. Nel 1783, Antoine Lavoisier assegnò all'elemento il nome di idrogeno. In 1671, Robert Boyle described the reaction that took place when iron filings and diluted acids were mixed, and which generated H2. In 1766, Henry Cavendish was the first to recognize gaseous molecular hydrogen H2 as a discrete substance, identifying the gas produced in the metal-acid reaction as "flammable air" and discovering that the combustion of the gas generated water. In 1783, Antoine Lavoisier gave the element the name of hydrogen.

Uno dei primi usi che si fece dell'idrogeno fu come gas di riempimento per aerostato e, successivamente, per altri tipi di aeronavi. Al tempo l'idrogeno molecolare si otteneva per la reazione dell'acido solforico con il ferro metallico. One of the first uses of hydrogen was as a filler gas for aerostat and, subsequently, for other types of aircraft. At the time, molecular hydrogen was obtained from the reaction of sulfuric acid with metallic iron.

Questo elemento gioca un ruolo vitale nel fornire energia all'universo, attraverso processi di fusione nucleare. Enormi quantità di energia vengono rilasciate sotto forma di radiazioni elettromagnetiche nel momento in cui avviene la combinazione di due nuclei di idrogeno (deuterio oppure prozio e trizio) in uno di elio. This element plays a vital role in providing energy to the universe through nuclear fusion processes. Huge amounts of energy are released in the form of electromagnetic radiation when the combination of two hydrogen nuclei (deuterium or great-uncle and tritium) into one of helium occurs.

Le caratteristiche di solubilità e adsorbimento dell'idrogeno con vari metalli sono molto importanti nella metallurgia (alcuni metalli possono essere indeboliti dall'idrogeno) e nello sviluppo di forme sicure di immagazzinamento per un utilizzo come combustibile. L'idrogeno à ̈ altamente solubile in molti composti formati da lantanoidi e metalli del blocco D, e può sciogliersi nei metalli cristallini ed in quelli amorfi. The solubility and adsorption characteristics of hydrogen with various metals are very important in metallurgy (some metals can be weakened by hydrogen) and in the development of safe forms of storage for use as a fuel. Hydrogen is highly soluble in many compounds formed by lanthanides and D block metals, and can dissolve in crystalline and amorphous metals.

L’idrogeno nella forma molecolare H2o diidrogeno si ottiene in laboratorio mediante reazione di acidi con metalli come ad esempio lo zinco. Hydrogen in the molecular form H2 or dihydrogen is obtained in the laboratory by reacting acids with metals such as zinc.

Industrialmente, l’idrogeno à ̈ ottenuto tipicamente mediante i seguenti processi: Industrially, hydrogen is typically obtained through the following processes:

1 L’elettrolisi dell'acqua; 1 The electrolysis of water;

2 Il reforming del gas naturale; e 2 The reforming of natural gas; And

3 La gassificazione di residui della raffinazione del petrolio. 3 Gasification of petroleum refining residues.

Attualmente, il diidrogeno à ̈ impiegato per la produzione dell'ammoniaca, per la desolforazione dei derivati del petrolio, come combustibile alternativo e, di recente, come fonte di energia per le pile a combustibile. Currently, dihydrogen is used for the production of ammonia, for the desulphurization of petroleum derivatives, as an alternative fuel and, recently, as an energy source for fuel cells.

L'H2reagisce direttamente con altri elementi ossidanti. Può produrre una reazione spontanea e violenta a temperatura ambiente in presenza di cloro o fluoro, con la formazione dei corrispondenti alogenuri di idrogeno: cloruro di idrogeno e fluoruro di idrogeno. H2 reacts directly with other oxidizing elements. It can produce a spontaneous and violent reaction at room temperature in the presence of chlorine or fluorine, with the formation of the corresponding hydrogen halides: hydrogen chloride and hydrogen fluoride.

Inoltre, negli ultimi anni si parla molto dell'idrogeno come possibile fonte di energia per l'autotrazione. L'H2usato come combustibile nei mezzi di trasporto, reagendo con O2, produrrebbe come unico prodotto di scarto l'acqua, eliminando completamente le emissioni di CO2ed i problemi climatico-ambientali ad esse associate. Furthermore, in recent years there has been a lot of talk about hydrogen as a possible energy source for automotive. H2 used as a fuel in means of transport, reacting with O2, would produce water as the only waste product, completely eliminating CO2 emissions and the climatic-environmental problems associated with them.

È noto che utilizzare il diidrogeno come combustibile presenta diversi vantaggi. Using dihydrogen as a fuel is known to have several advantages.

Ad esempio e stante l'attuale sviluppo tecnologico, l'idrogeno può essere effettivamente utilizzato a fini energetici come combustibile nei motori a combustione interna utilizzati su alcuni prototipi di auto. For example, and given the current technological development, hydrogen can actually be used for energy purposes as a fuel in internal combustion engines used on some prototypes of cars.

Inoltre, le pile a combustibile attualmente in via di sviluppo, rappresentano un modo alternativo per ottenere energia sotto forma di elettricità dall'ossidazione dell'idrogeno senza passare dalla combustione diretta ottenendo una maggiore efficienza in un futuro in cui la produzione di idrogeno potrebbe avvenire da fonti rinnovabili e non più combustibili fossili. Furthermore, fuel cells currently under development represent an alternative way to obtain energy in the form of electricity from hydrogen oxidation without going through direct combustion achieving greater efficiency in a future where hydrogen production could take place from renewable sources and no longer fossil fuels.

Secondo i sostenitori della cosiddetta economia all'idrogeno queste due tecnologie ad idrogeno, oltre a risolvere il problema energetico, sarebbero quindi anche in grado di offrire un'alternativa pulita agli attuali motori a combustione interna alimentati da fonti fossili. According to supporters of the so-called hydrogen economy, these two hydrogen technologies, in addition to solving the energy problem, would therefore also be able to offer a clean alternative to current internal combustion engines powered by fossil sources.

Il problema vero fino ad oggi à ̈ però a monte: l'idrogeno atomico e molecolare à ̈ assai scarso in natura, ovvero l'elemento in sé si trova combinato assieme ad altri elementi in vari composti sulla crosta terrestre; esso dunque non à ̈ una fonte primaria di energia come lo sono gas naturale, petrolio e carbone, in quanto deve essere prodotto artificialmente spendendo energia a partire da fonti energetiche primarie. The real problem to date is however upstream: atomic and molecular hydrogen is very scarce in nature, ie the element itself is found combined with other elements in various compounds on the earth's crust; therefore it is not a primary source of energy as are natural gas, oil and coal, as it must be artificially produced by expending energy from primary energy sources.

Ad oggi, quindi, l’uso dell’idrogeno risulta impiegabile unicamente come vettore energetico (cioà ̈ come mezzo per immagazzinare e trasportare l'energia disponibile ove occorra), mentre il ciclo di produzione/utilizzo dell’idrogeno risulta ancora e comunque inefficiente dal punto di vista termodinamico, poiché la sua produzione richiederebbe in genere un'energia maggiore di quella che poi si renderebbe disponibile attraverso la sua 'combustione'. To date, therefore, the use of hydrogen is usable only as an energy vector (i.e. as a means of storing and transporting the energy available where necessary), while the cycle of production / use of hydrogen is still however inefficient from a thermodynamic point of view, since its production would generally require more energy than that which would then become available through its 'combustion'.

Per le leggi della termodinamica l'estrazione di idrogeno dall'acqua non può avvenire dunque come reazione inversa a costo zero, cioà ̈ senza spendere lavoro. Qualsiasi metodo di estrazione comporta quindi un costo che à ̈ pari all'energia liberata successivamente dalla combustione dell'idrogeno sotto forma di diidrogeno se a tal fine si utilizza l'esatto processo inverso. According to the laws of thermodynamics, the extraction of hydrogen from water cannot therefore take place as an inverse reaction at no cost, that is, without spending work. Any extraction method therefore entails a cost that is equal to the energy subsequently released by the combustion of hydrogen in the form of dihydrogen if the exact reverse process is used for this purpose.

Attualmente il diidrogeno ottenuto da fonti solari, biologiche o elettriche ha un costo di produzione, in termini energetici, molto più elevato di quello della sua combustione per ottenere energia. Currently, dihydrogen obtained from solar, biological or electrical sources has a production cost, in energy terms, much higher than that of its combustion to obtain energy.

Tipicamente, l’idrogeno H2può essere ottenuto con un guadagno netto di energia a partire da fonti fossili, come il metano (le reazioni di sintesi sono infatti diverse da quelle di combustione), però si tratta di fonti energetiche non rinnovabili cioà ̈ destinate comunque ad esaurirsi nel tempo ed in più con emissioni dirette di CO2. Typically, hydrogen H2 can be obtained with a net energy gain starting from fossil sources, such as methane (the synthesis reactions are in fact different from combustion ones), but they are non-renewable energy sources that are destined anyway to run out over time and more with direct CO2 emissions.

Infine i costi per la realizzazione delle infrastrutture necessarie per effettuare una completa conversione ad un'economia dell'idrogeno sarebbero sostanzialmente elevati. Finally, the costs for the construction of the infrastructures necessary to carry out a complete conversion to a hydrogen economy would be substantially high.

Un altro modo in cui l'idrogeno potrebbe venire utilizzato efficacemente come fonte di energia, a prescindere da qualunque processo di produzione, à ̈ quello della fusione nucleare ovvero in un impianto termonucleare con un ipotetico reattore nucleare a fusione alimentato da deuterio o trizio, una tecnologia che attualmente à ̈ ancora in via di sviluppo. Tale soluzione tecnologica potrebbe risolvere i problemi energetici mondiali poiché in tale reazione nucleare piccole quantità di idrogeno producono enormi quantità di energia. Si tratta tuttavia di un processo tecnologicamente complicato da gestire sulla Terra e tuttora oggetto di intensa ricerca. Another way in which hydrogen could be used effectively as an energy source, regardless of any production process, is that of nuclear fusion or in a thermonuclear plant with a hypothetical nuclear fusion reactor powered by deuterium or tritium, a technology that is currently still under development. This technological solution could solve the world energy problems since in this nuclear reaction small quantities of hydrogen produce enormous quantities of energy. However, it is a technologically complicated process to manage on Earth and still the subject of intense research.

Quindi, attualmente esistono quattro forme di utilizzazione dell'idrogeno per la produzione di energia Thus, there are currently four forms of using hydrogen for energy production

1 Combinazione chimica dello H2con O2dell'aria attraverso bruciatori convenzionali e con processi catalitici, come avviene nei motori a combustione interna, permettendo anche un'ampia applicazione nell'ambito domestico; 1 Chemical combination of H2 with O2 of the air through conventional burners and with catalytic processes, as occurs in internal combustion engines, also allowing a wide application in the domestic environment;

2 Combinazione elettrochimica dello H2con O2senza la generazione di fiamme per produrre direttamente elettricità in un reattore conosciuto con il nome di cella (o pila) a combustibile; 2 Electrochemical combination of H2 with O2 without flame generation to directly produce electricity in a reactor known as a fuel cell (or cell);

3 Unione dei nuclei di idrogeno in un reattore denominato Tokamak, durante il processo conosciuto con il nome di fusione nucleare; e 3 Union of hydrogen nuclei in a reactor called Tokamak, during the process known as nuclear fusion; And

4 Combinazione chimica dello H2con O2in un mezzo acquoso in una caldaia non convenzionale per produrre vapore motore, nel ciclo conosciuto come Chan K'iin. 4 Chemical combination of H2 with O2 in an aqueous medium in an unconventional boiler to produce engine steam, in the cycle known as Chan K'iin.

Altri problemi rilevanti che si hanno con H2sono il suo stoccaggio ed il trasporto. Il trasporto può avvenire in bombole di gas compresso liquefatto, oppure attraverso reti dedicate. Si può avere stoccaggio sotto pressione in bombole da 200 bar fino a 700 bar (ancora in via di omologazione) in forma liquida richiede invece temperature di -253 °C in bombole perfettamente isolate. Un'altra forma di stoccaggio consiste nella reazione chimica reversibile con diverse sostanze formando idruri metallici, oppure allo stato liquido sotto forma di ammoniaca NH3alla temperatura di -33,4 °C . Other relevant problems with H2 are its storage and transport. The transport can take place in cylinders of liquefied compressed gas, or through dedicated networks. It is possible to have storage under pressure in cylinders from 200 bar up to 700 bar (still being approved) in liquid form, on the other hand, it requires temperatures of -253 ° C in perfectly insulated cylinders. Another form of storage consists in the reversible chemical reaction with different substances forming metal hydrides, or in the liquid state in the form of ammonia NH3 at a temperature of -33.4 ° C.

Esiste quindi la necessità di un procedimento per la produzione di idrogeno che superi gli inconvenienti sopra descritti e che permetta di fornire idrogeno in una maniera energeticamente conveniente ed ecologicamente compatibile. There is therefore a need for a process for the production of hydrogen which overcomes the drawbacks described above and which allows to supply hydrogen in an energetically convenient and ecologically compatible way.

Breve descrizione dell’invenzione Brief description of the invention

La presente invenzione fornisce un procedimento per la produzione di idrogeno che preveda la gasificazione dello stesso a seguito del controllo della reazione chimica stabile tra elementi di facile reperimento quali il sodio e l’acqua, in completa sicurezza, e con basso costo di produzione. The present invention provides a process for the production of hydrogen which provides for the gasification of the same following the control of the stable chemical reaction between easily available elements such as sodium and water, in complete safety, and with low production costs.

La presente invenzione fornisce anche una apparecchiatura per implementare tale procedimento. The present invention also provides an apparatus for implementing such a process.

Quindi, la presente invenzione fornisce un procedimento per la produzione di idrogeno sostanzialmente secondo le rivendicazioni precedenti. Therefore, the present invention provides a process for the production of hydrogen substantially according to the preceding claims.

Descrizione dettagliata dell’invenzione Detailed description of the invention

Verrà ora fornita una descrizione dettagliata di una forma preferita di realizzazione del procedimento di produzione di idrogeno della presente invenzione, data a titolo esemplificativo e non limitativo, facendo riferimento alle figure annesse, in cui: A detailed description will now be provided of a preferred embodiment of the hydrogen production process of the present invention, given by way of non-limiting example, with reference to the attached figures, in which:

la figura 1 Ã ̈ una vista in elevazione che illustra parzialmente una apparecchiatura per la produzione di idrogeno secondo il procedimento della presente invenzione; Figure 1 is an elevation view partially illustrating an apparatus for the production of hydrogen according to the process of the present invention;

la figura 2 Ã ̈ una vista in sezione longitudinale della apparecchiatura della presente invenzione; e Figure 2 is a longitudinal sectional view of the apparatus of the present invention; And

la figura 3 à ̈ una vista in pianta dall’alto che illustra parzialmente la apparecchiatura della figura 1. Figure 3 is a top plan view partially illustrating the apparatus of Figure 1.

Facendo riferimento ora alle figure viene illustrata in esse parzialmente una apparecchiatura 1 per attuare il procedimento di produzione di idrogeno della presente invenzione. With reference now to the figures, an apparatus 1 for carrying out the hydrogen production process of the present invention is partially illustrated therein.

Secondo il procedimento della presente invenzione, à ̈ prevista una produzione di idrogeno molecolare gassoso cioà ̈ nella forma biatomica H2controllando in completa sicurezza la seguente reazione: According to the process of the present invention, a production of gaseous molecular hydrogen is envisaged, i.e. in the diatomic form H2, controlling the following reaction in complete safety:

H2O Na = 1/2 H2+ NaOH H2O Na = 1/2 H2 + NaOH

Allo scopo di cui sopra, lo Na può essere preventivamene ottenuto tramite i procedimenti di elettrolisi di sali fusi in celle elettrolitiche come noto allo stato della tecnica. For the above purpose, the Na can be obtained in advance by means of the electrolysis processes of molten salts in electrolytic cells as known in the state of the art.

È bene qui precisare che ai fini di migliorare l’efficienza di tutto il processo, la cella elettrolitica può essere alimentata da energia proveniente da fonti rinnovabili quale l’energia solare (Fotovoltaico). It should be noted here that in order to improve the efficiency of the whole process, the electrolytic cell can be powered by energy from renewable sources such as solar energy (photovoltaic).

Ad esempio ed a puro scopo illustrativo, la produzione del Na può essere ottenuta secondo il metodo Downs e le attuali metodologie moderne derivate da tale metodo, per elettrolisi e sfruttando l'energia proveniente da impianto fotovoltaico. For example and purely for illustrative purposes, the production of Na can be obtained according to the Downs method and the current modern methodologies derived from this method, by electrolysis and exploiting the energy coming from a photovoltaic system.

Da questa reazione controllata si ottiene Na e Cl2i quali possono essere stoccati. From this controlled reaction Na and Cl2i are obtained which can be stored.

Il Na così ottenuto viene convogliato all’interno di un reattore 10 presente nella apparecchiatura 1 ed il quale viene preventivamente deareato in modo tale da eliminare il più possibile la presenza di O2 al suo interno. The Na thus obtained is conveyed inside a reactor 10 present in the apparatus 1 and which is previously deaerated in such a way as to eliminate as much as possible the presence of O2 inside it.

L'operatività dell'apparecchiatura 1 à ̈ suddivisa in due fasi. La prima di deareazione, la seconda di produzione. Operation of equipment 1 is divided into two phases. The first of deaeration, the second of production.

Prima fase First stage

All’interno del reattore 10 à ̈ contenuta una soluzione acquosa. Più precisamente, e con particolare riferimento alla figura 1 e 2, la parte inferiore del reattore 10 à ̈ riempita con una soluzione 11, la quale à ̈ una soluzione 1 molare di NaOH (40 Gr per litro) sino ad arrivare a circa la metà del lume di due luci o fori 12 corrispondenti ai bracci esterni. Quindi, viene introdotto un liquido inerte 13, quale ad esempio la paraffina liquida o l’olio di vasellina. Inside the reactor 10 there is an aqueous solution. More precisely, and with particular reference to figures 1 and 2, the lower part of the reactor 10 is filled with a solution 11, which is a 1 molar solution of NaOH (40 Gr per liter) up to about half of the lumen of two lights or holes 12 corresponding to the external arms. Then, an inert liquid 13 is introduced, such as liquid paraffin or vaseline oil.

In questa condizione, viene completato il riempimento con la soluzione acquosa di NaOH fino a fuoriuscita del liquido da valvole 14 disposte in corrispondenza della parte superiore del reattore 10 che ovviamente vengono previamente aperte, per poi essere serrate fino a chiusura totale. Quindi, si inizia a vuotare il recipiente facendo attenzione a non scendere troppo di livello all'interno dei bracci 120 esterni collegati con le rispettive luci 12. In this condition, the filling with the aqueous NaOH solution is completed until the liquid escapes from valves 14 arranged in correspondence with the upper part of the reactor 10 which obviously are previously opened and then tightened until completely closed. Then, the container begins to be emptied, taking care not to drop too much level inside the external arms 120 connected to the respective ports 12.

Successivamente, lo Na viene convogliato all’interno del reattore ed esso entra in contatto con la soluzione acquosa ed avviene la reazione H20 Na = 1/2 H2+ NaOH Subsequently, the Na is conveyed inside the reactor and it comes into contact with the aqueous solution and the reaction H20 Na = 1/2 H2 + NaOH takes place

la quale libera H2nella forma gassosa all’interno del reattore. which releases H2 in the gaseous form inside the reactor.

Man mano che il liquido viene eliminato dal reattore 10 tramite opportuna valvola di alimentazione/efflusso 15 il volume viene sostituito da un'atmosfera di H2. L'operazione preliminare sarà conclusa quando il livello di separazione dei due liquidi 11 e 13 sarà sceso di due centimetri al di sotto del lume dei bracci 120 di collegamento con l'esterno (figura 2). As the liquid is removed from the reactor 10 by means of a suitable supply / outflow valve 15, the volume is replaced by an atmosphere of H2. The preliminary operation will be completed when the separation level of the two liquids 11 and 13 has dropped by two centimeters below the lumen of the arms 120 connecting with the outside (figure 2).

La soluzione acquosa 11 permette di controllare la reazione sopra indicata in maniera controllata e ponderata. The aqueous solution 11 allows the reaction indicated above to be controlled in a controlled and weighted manner.

Il reattore 10 presenta una camera di raccoglimento dell’idrogeno (non in figure) la quale à ̈ collegata con una linea di alimentazione 16 disposta in corrispondenza della parte superiore del reattore 10, l’idrogeno essendo liberato dalla reazione ed attraversando la soluzione acquosa 11 e poi quella inerte 13. The reactor 10 has a hydrogen collection chamber (not in the figures) which is connected to a supply line 16 arranged in correspondence with the upper part of the reactor 10, the hydrogen being released from the reaction and passing through the solution aqueous 11 and then the inert one 13.

Quindi, dal reattore 10 vengono prelevati in zone separate dello stesso reattore sia H2gassoso che NaOH refluo. Then, from the reactor 10 both H2gaseous and NaOH wastewater are withdrawn in separate zones of the same reactor.

Lo H2viene raccolto. H2 is collected.

Lo NaOH può essere usato per neutralizzare il Cl2ottenuto dalla elettrolisi iniziale del metodo Downs, ottenendosi così NaCl ed il quale può rientrare nel circolo di produzione del Na. The NaOH can be used to neutralize the Cl2 obtained from the initial electrolysis of the Downs method, thus obtaining NaCl and which can re-enter the Na production cycle.

Secondo l’invenzione, trascurando le perdite per reazione incompleta, à ̈ previsto che non venga reimmessa materia prima ma solo energia elettrica proveniente preferibilmente da una linea di alimentazione di un impianto fotovoltaico. According to the invention, neglecting the losses due to incomplete reaction, it is envisaged that no raw material is reintroduced but only electricity coming preferably from a power line of a photovoltaic system.

Secondo il procedimento e l’apparecchiatura della presente invenzione, à ̈ previsto che il Na ottenuto precedentemente dal metodo di produzione di Na venga inserito in appositi contenitori metallici in acciaio 121 con pareti permeabili sia ai liquidi che ai gas (Figura 1). According to the process and the apparatus of the present invention, it is envisaged that the Na obtained previously from the Na production method is inserted into suitable metal containers in steel 121 with walls permeable to both liquids and gases (Figure 1).

I contenitori 121 vengono quindi montati in maniera basculante ed in una sequenza allineata su una catena di trascinamento 122, la quale permette di convogliare i contenitori 121 uno alla volta all’interno dei bracci 120 che comunicano con il reattore 10. The containers 121 are then mounted in a pivoting manner and in an aligned sequence on a dragging chain 122, which allows the containers 121 to be conveyed one at a time inside the arms 120 which communicate with the reactor 10.

Muovendo la catena di trasporto 122 dei contenitori 121 verso l’interno del reattore 10 ed attraversando i bracci laterali 120 di quest’ultimo, à ̈ previsto che prima una piccola quantità di Na all’interno dei contenitori a contatto con la soluzione acquosa 11 formi un'atmosfera di H2fino a portare il livello superiore di separazione dei due liquidi 11 e 13 ad un'altezza ideale di 2 cm al di sotto dei fori 12 dei bracci 120. By moving the transport chain 122 of the containers 121 towards the inside of the reactor 10 and crossing the lateral arms 120 of the latter, it is expected that first a small quantity of Na inside the containers in contact with the solution aqueous 11 forms an atmosphere of H2 until the upper separation level of the two liquids 11 and 13 is brought to an ideal height of 2 cm below the holes 12 of the arms 120.

A questo punto si può operare variando la quantità di sodio introdotta nei contenitori permeabili 121 e, quindi, passare alla seconda fase di produzione vera e propria. At this point it is possible to operate by varying the quantity of sodium introduced into the permeable containers 121 and, therefore, to pass to the second phase of production itself.

Seconda fase Second phase

Ad esempio, considerando che il volume totale del reattore della presente forma di realizzazione illustrata sia di circa 10 L c'à ̈ molto spazio per aumentare la produzione di H2. I due liquidi 11 e 13 non sono miscibili poiché la paraffina ha un peso specifico minore e, quindi, essa galleggia sopra la soluzione acquosa di NaOH. For example, considering that the total reactor volume of the present illustrated embodiment is about 10 L there is plenty of room to increase H2 production. The two liquids 11 and 13 are not miscible since the paraffin has a lower specific weight and, therefore, it floats above the aqueous solution of NaOH.

È bene qui precisare che la funzione della paraffina à ̈ quella di permettere lo svuotamento dell'aria dai recipienti trasportatori 121, mentre quella della soluzione acquosa à ̈ di abbassare la quantità di calore prodotto durante la reazione. It should be noted here that the function of the paraffin is to allow the air to be emptied from the conveying vessels 121, while that of the aqueous solution is to lower the amount of heat produced during the reaction.

I contenitori 121 con il Na passano attraverso il liquido inerte 13 che li riempie svuotandoli dell'aria che viene dispersa al di fuori del reattore 10. Quindi, i contenitori così deaerati entrano all’interno del reattore 10 vero e proprio, dove nella soluzione acquosa avviene il contatto Na-H20 e quindi la reazione controllata di produzione di H2. The containers 121 with the Na pass through the inert liquid 13 which fills them by emptying them of the air which is dispersed outside the reactor 10. Therefore, the deaerated containers enter inside the actual reactor 10, where in the aqueous solution occurs Na-H20 contact and thus the controlled reaction of H2 production.

A seguito della reazione, H2si raccoglie nella parte alta del reattore 10 dove attraverso le valvole di scarico 16 presenti sulla calotta, l’idrogeno viene convogliato in una linea di stoccaggio nella maniera più idonea. Following the reaction, H2 is collected in the upper part of the reactor 10 where, through the discharge valves 16 on the cap, the hydrogen is conveyed to a storage line in the most suitable manner.

D’altro canto, il Cl2che si produce separatamente dal sodio durante l’elettrolisi secondo il metodo Downs (o equivalente), viene recuperato nella soluzione 11 di NaOH reflua dalla reazione dentro il reattore. Allo scopo, à ̈ previsto che tale soluzione reflua contenente NaOH venga convogliata tramite le valvole 15 previste in corrispondenza della parte inferiore del reattore e verso una parte della apparecchiatura 1 dove avviene la riduzione da NaOH a NaCl, e riportando il sodio allo stato iniziale di NaCl che rientra nel ciclo produttivo di Na con l’elettrolisi secondo il metodo Downs. On the other hand, the Cl2 which is produced separately from the sodium during electrolysis according to the Downs method (or equivalent), is recovered in the NaOH solution 11 which flows from the reaction into the reactor. For this purpose, it is envisaged that this waste solution containing NaOH is conveyed through the valves 15 provided in correspondence with the lower part of the reactor and towards a part of the apparatus 1 where the reduction from NaOH to NaCl takes place, and bringing the sodium back to the initial state of NaCl which re-enters the production cycle of Na with electrolysis according to the Downs method.

Per concludere, secondo il presente procedimento può essere previsto che la cella elettrolitica di produzione dello Na sia alimentata da una corrente prodotta da una fonte rinnovabile quale un impianto fotovoltaico. To conclude, according to the present procedure it can be envisaged that the electrolytic cell for the production of Na is powered by a current produced by a renewable source such as a photovoltaic system.

Ad esempio, un impianto fotovoltaico di 5000A a 7,2 V di 10 kW di spunto, ovvero 55.000A tramite un impianto da 110kW di spunto. Ad esempio, il tetto di un capannone industriale può agevolmente sopportare un campo fotovoltaico da 200 kW di spunto al costo di 400.000€. For example, a photovoltaic system of 5000A at 7.2V of 10 kW of inrush, or 55.000A through a system of 110kW of inrush. For example, the roof of an industrial warehouse can easily withstand a 200 kW photovoltaic field at a cost of 400,000€.

Il procedimento della presente invenzione si prefigge di offrire un metodo conveniente per la produzione in quantità rilevante di un combustibile non inquinante che à ̈ il H2, poiché esso si limita a comportarsi da vettore energetico. The process of the present invention aims to offer a convenient method for the production in significant quantities of a non-polluting fuel which is H2, since it merely acts as an energy vector.

La velocità testata dal presente richiedente per il presente procedimento ha rivelato una velocità di 10 litri di H2in un minuto, il che significa che in 100 minuti si ottiene 1 m3 alle attuali dimensioni ridotte sperimentali. The speed tested by the present applicant for the present procedure revealed a speed of 10 liters of H2 in one minute, which means that in 100 minutes 1 m3 is obtained at the current experimental small size.

Verso la fine degli anni ’90 il costo di produzione di 1 libbra (circa 0,450 kg) di Na era di 37 cent/dollaro. Tramite la presente invenzione, dalla reazione di 2300 gr di Na si ottiene 1 m3 di H2con un costo complessivo di 1,60 Euro/m3 considerando che 37 cent di Euro à ̈ il prezzo vendita se si produce in loco il prezzo di Na scende significativamente. Towards the end of the 1990s the cost of producing 1 pound (about 0.450 kg) of Na was 37 cents / dollar. Through the present invention, 1 m3 of H2 is obtained from the reaction of 2300 g of Na with a total cost of 1.60 Euro / m3 considering that 37 cents of Euro is the selling price if it is produced locally, the price of Na drops significantly .

Con particolare riferimento ora al problema dell'autonomia attuale delle auto a trazione elettrica, à ̈ noto che attualmente le batterie che alimentano i motori elettrici vengono descritte con un'autonomia di circa 140 km a velocità costante di 100 km/h dopo di che à ̈ necessaria la ricarica, la quale avviene tramite alimentazione dalla rete elettrica dove l'energia circolante à ̈ prevalentemente prodotta da fonti non rinnovabili e inquinanti. With particular reference now to the problem of the current autonomy of electric-powered cars, it is known that the batteries that power electric motors are currently described with an autonomy of about 140 km at a constant speed of 100 km / h after which à Recharging is necessary, which takes place via power supply from the electricity grid where the circulating energy is mainly produced from non-renewable and polluting sources.

Esistono cellule a combustione interna da 1 kW che funzionano assorbendo 14 litri di H2al minuto, ed esistono bombole agli idruri che stoccano 10 m3 di H2che potrebbero fornire energia agli accumulatori per almeno 7 ore prolungando notevolmente l'autonomia del veicolo. There are 1 kW internal combustion cells that work by absorbing 14 liters of H2 per minute, and there are hydride cylinders that store 10 m3 of H2 which could supply energy to the accumulators for at least 7 hours, significantly extending the vehicle's range.

Altrimenti, si ottiene che miscelando piccole quantità di H2all'aria di combustione dei motori a scoppio collegando una bombola da 1 m3 ad idruri della grandezza di una bottiglia di acqua minerale da 500cc si riduce il consumo del 30%. Otherwise, it is obtained that by mixing small quantities of H2 with the combustion air of internal combustion engines by connecting a 1 m3 cylinder to hydrides of the size of a 500cc mineral water bottle, consumption is reduced by 30%.

La presente invenzione presenta numerosi aspetti vantaggiosi. The present invention has numerous advantageous aspects.

Un primo aspetto vantaggioso consiste nel fatto che essa fornisce una soluzione definitiva per il problema dell’inquinamento da C02e da nanoparticelle. A first advantageous aspect consists in the fact that it provides a definitive solution to the problem of C02 and nanoparticle pollution.

Un secondo aspetto vantaggioso consiste nel fatto che la presente invenzione fornisce una soluzione alla esauribilità delle risorse energetiche. A second advantageous aspect consists in the fact that the present invention provides a solution to the exhaustion of energy resources.

Un terzo aspetto vantaggioso consiste nel fatto che per l’ottenimento del Na elementare tramite elettrolisi in forno Downs dopo fusione di miscela NaCl CaCl2viene sfruttata l'energia proveniente da impianto fotovoltaico. Per la produzione di circa 50 kg di Na il forno assorbe 4,7 kW di energia elettrica. A third advantageous aspect consists in the fact that the energy coming from a photovoltaic system is exploited to obtain elemental Na by means of electrolysis in a Downs oven after melting the NaCl CaCl2 mixture. For the production of about 50 kg of Na, the furnace absorbs 4.7 kW of electricity.

Un quarto aspetto vantaggioso consiste nel fatto che il Cloro che si produce separatamente dal sodio viene recuperato nella soluzione di NaOH reflua proveniente dal reattore, riportando così il Sodio allo stato iniziale di NaCl e che rientra nel ciclo produttivo di Na. A fourth advantageous aspect consists in the fact that the Chlorine which is produced separately from the sodium is recovered in the NaOH solution coming from the reactor, thus restoring the Sodium to the initial NaCl state and which re-enters the Na production cycle.

Lo H2una volta compiuto il suo trasporto energetico si trasformerà in H20. Quindi, a ciclo concluso, si trasporta l'energia solare assorbita dall'impianto fotovoltaico ma le perdite sono minime, poiché la trasformazione della materia à ̈ avvenuta in maniera sostanzialmente reversibile con perdite minime. Once its energy transport has been completed, H2 will turn into H20. Then, at the end of the cycle, the solar energy absorbed by the photovoltaic system is transported but the losses are minimal, since the transformation of the matter took place in a substantially reversible manner with minimal losses.

Un quinto aspetto vantaggioso consiste nel fatto che secondo il procedimento e l’apparecchiatura della presente invenzione à ̈ previsto un ammortamento nel tempo del costo degli impianti abbastanza veloce. A fifth advantageous aspect consists in the fact that according to the process and the apparatus of the present invention, a fairly fast amortization of the cost of the plants is foreseen over time.

Claims (12)

RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la produzione di idrogeno molecolare gassoso a partire dalla seguente reazione: H20 Na = 1/2 H2+ NaOH caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi: - Disporre all’interno di un reattore (10) una soluzione acquosa (11) di NaOH, detto reattore (10) presentando una luce di entrata (12) ed una luce di uscita (12); - Disporre una quantità determinata di liquido inerte (13) quale, ad esempio, la paraffina liquida o olio di vasellina in detto reattore (10) fino a completa deareazione di detto reattore (10) ; - Convogliare all’interno di detto reattore (10) deareato una quantità determinata di Na fino ad entrare in contatto con detta soluzione acquosa (11) di NaOH; ed - Ottenere una reazione controllata in cui viene prodotto NaOH e H2. CLAIMS 1. Process for the production of gaseous molecular hydrogen starting from the following reaction: H20 Na = 1/2 H2 + NaOH characterized in that it includes the following phases: - Arrange inside a reactor (10) an aqueous solution (11) of NaOH, called reactor (10) having an inlet port (12) and an outlet port (12); - Place a determined quantity of inert liquid (13) such as, for example, liquid paraffin or petroleum jelly in said reactor (10) until complete deaeration of said reactor (10); - Conveying inside said deaerated reactor (10) a determined quantity of Na until it comes into contact with said aqueous solution (11) of NaOH; and - Obtain a controlled reaction in which NaOH and H2 are produced. 2. Procedimento per la produzione di idrogeno molecolare gassoso secondo la rivendicazione precedente, in cui detta soluzione acquosa (11) à ̈ una soluzione 1 molare di NaOH (40 Gr per litro). 2. Process for the production of gaseous molecular hydrogen according to the preceding claim, wherein said aqueous solution (11) is a 1 molar solution of NaOH (40 Gr per liter). 3. Procedimento per la produzione di idrogeno molecolare gassoso secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui a seguito della reazione in detto reattore (10) viene raccolto H2in corrispondenza della parte superiore di detto reattore (10) e viene convogliato in una linea di raccoglimento esterna a detto reattore (10). 3. Process for the production of gaseous molecular hydrogen according to claim 1 or 2, in which, following the reaction in said reactor (10), H2 is collected in correspondence with the upper part of said reactor (10) and is conveyed to a collection line external to said reactor (10). 4. Procedimento per la produzione di idrogeno molecolare gassoso secondo la rivendicazione precedente, in cui in detto reattore (10) vengono prelevati in zone separate dello stesso reattore (10) sia H2gassoso che NaOH refluo. 4. Process for the production of gaseous molecular hydrogen according to the preceding claim, in which in said reactor (10) both gaseous H2 and waste NaOH are withdrawn in separate zones of the same reactor (10). 5. Procedimento per la produzione di idrogeno molecolare gassoso secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta soluzione acquosa (11) contente NaOH viene successivamente impiegata per neutralizzare Cl2ottenuto dalla elettrolisi iniziale per la produzione di Na, ottenendosi così NaCl che viene impiegato nel circolo di produzione del Na. 5. Process for the production of gaseous molecular hydrogen according to any one of the preceding claims, in which said aqueous solution (11) containing NaOH is subsequently used to neutralize Cl2 obtained from the initial electrolysis for the production of Na, thus obtaining NaCl which is used in the Na production circle. 6. Procedimento per la produzione di idrogeno molecolare gassoso secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui a meno delle perdite per reazione incompleta, à ̈ previsto che non venga reimmessa materia prima ma solo energia elettrica proveniente preferibilmente da una sorgente di fonte rinnovabile quale un impianto fotovoltaico o simile. 6. Process for the production of gaseous molecular hydrogen according to any one of the preceding claims, in which, except for losses due to incomplete reaction, it is envisaged that no raw material is reintroduced but only electrical energy coming preferably from a renewable source such as a photovoltaic system or similar. 7. Procedimento per la produzione di idrogeno molecolare gassoso secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto Na à ̈ preventivamene ottenuto tramite i procedimenti di elettrolisi di sali fusi in cella elettrolitica. 7. Process for the production of gaseous molecular hydrogen according to any one of the preceding claims, in which said Na is previously obtained by means of the electrolysis processes of salts melted in an electrolytic cell. 8. Procedimento per la produzione di idrogeno molecolare gassoso secondo la rivendicazione precedente, in cui detta cella elettrolitica à ̈ alimentata da energia proveniente da fonti rinnovabili quale l’energia solare (Fotovoltaico). 8. Process for the production of gaseous molecular hydrogen according to the preceding claim, in which said electrolytic cell is powered by energy from renewable sources such as solar energy (photovoltaic). 9. Apparecchiatura (1) per la produzione di idrogeno molecolare gassoso a partire dalla seguente reazione: H20 Na = 1/2 H2+ NaOH caratterizzata dal fatto di comprendere: - Una cella elettrolitica di sali fusi per la produzione di Na; - Un reattore (10) presentante una camera di reazione, una luce (12) di entrata di Na ed una luce di uscita (12), una linea di deareazione (14) di detto reattore (10) ed una linea (16) di raccolta di H2,ciascuna linea (14,16) comprendente rispettive valvole, dette linee (14,16) essendo disposte in corrispondenza della parte superiore di detto reattore (10); - Un sistema di convogliamento (120, 121, 122) di detto Na all’interno di detto reattore (10); ed - Una linea di alimentazione e raccolta (15) di una soluzione (15) acquosa di NaOH disposta in corrispondenza della parte inferiore di detto reattore (10). 9. Apparatus (1) for the production of gaseous molecular hydrogen starting from the following reaction: H20 Na = 1/2 H2 + NaOH characterized by the fact of including: - An electrolytic cell of molten salts for the production of Na; - A reactor (10) having a reaction chamber, a Na inlet port (12) and an outlet port (12), a deaeration line (14) of said reactor (10) and a line (16) of collecting H2, each line (14,16) comprising respective valves, said lines (14,16) being arranged in correspondence with the upper part of said reactor (10); - A conveyance system (120, 121, 122) of said Na inside said reactor (10); and - A feed and collection line (15) of an aqueous NaOH solution (15) arranged in correspondence with the lower part of said reactor (10). 10. Apparecchiatura per la produzione di idrogeno molecolare gassoso secondo la rivendicazione precedente, in cui detto sistema di convogliamento di Na comprende una molteplicità contenitori (121), detti contenitori (121) essendo metallici in acciaio con pareti permeabili sia ai liquidi che ai gas, detti contenitori (121) essendo montati su una linea di trascinamento (122) in maniera basculante ed in una sequenza allineata, la linea di trascinamento (122) essendo atta a convogliare i contenitori (121) uno alla volta all’interno di una tubazione laterale (120) a detto reattore (10), detta tubazione (120) comunicando con detta luce di entrata (12) di detto reattore (10), ed a trascinare detti contenitori (121) internamente a detto reattore (10), ed a convogliare detti contenitori (121) verso l’esterno del reattore (10) ed attraverso una tubazione (120) collegata con detta luce di uscita (12) di detto reattore (10) e successivamente alla reazione di detto Na contenuto in essi. 10. Apparatus for the production of gaseous molecular hydrogen according to the preceding claim, wherein said Na conveying system comprises a plurality of containers (121), said containers (121) being metal in steel with walls permeable to both liquids and gases, said containers (121) being mounted on a dragging line (122) in a pivoting manner and in an aligned sequence, the dragging line (122) being able to convey the containers (121) one at a time inside a pipe lateral (120) to said reactor (10), said pipe (120) communicating with said inlet port (12) of said reactor (10), and to drag said containers (121) inside said reactor (10), and to convey said containers (121) towards the outside of the reactor (10) and through a pipe (120) connected to said outlet port (12) of said reactor (10) and subsequently to the reaction of said Na contained therein. 11. Apparecchiatura per la produzione di idrogeno molecolare gassoso secondo la rivendicazione 9 o 10, in cui detta linea (16) di raccolta di H2convoglia lo H2proveniente da detto reattore (10) verso una zona di stoccaggio esterna a detto reattore (10). 11. Apparatus for the production of gaseous molecular hydrogen according to claim 9 or 10, wherein said H2 collection line (16) conveys the H2 coming from said reactor (10) towards a storage area external to said reactor (10). 12. Apparecchiatura per la produzione di idrogeno molecolare gassoso secondo la rivendicazione 9 o 10 o 11, in cui detta linea (15) di raccolta della soluzione acquosa (11) NaOH à ̈ collegata tramite valvole previste in corrispondenza della parte inferiore del reattore (10) con una parte della apparecchiatura (1) dove avviene la riduzione da NaOH a NaCl, e riportando il sodio allo stato iniziale di NaCl che rientra nel ciclo produttivo di Na tramite elettrolisi di quest’ultimo.12. Apparatus for the production of gaseous molecular hydrogen according to claim 9 or 10 or 11, in which said line (15) for collecting the aqueous solution (11) NaOH is connected by means of valves provided in correspondence with the lower part of the reactor (10 ) with a part of the equipment (1) where the reduction from NaOH to NaCl takes place, and bringing the sodium back to the initial state of NaCl which re-enters the Na production cycle by electrolysis of the latter.