Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОДУКТА ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ ВОЗДУХА

Изобретение относится к способам получения продуктов для регенерации воздуха на основе надпероксида калия, используемых в системах жизнеобеспечения человека (СЖО).

Известен способ получения продукта для регенерации воздуха [патент РФ №2367492 МПК A62D 9/00, 2009 г.]. Способ заключается во взаимодействии раствора пероксида водорода и гидроксида калия с последующей дегидратацией полученного щелочного раствора пероксида водорода распылением его в токе сушильного агента. В исходный раствор пероксида водорода перед добавлением гидроксида калия последовательно вводят необходимое количество сульфата магния, гидроксида лития и силиката щелочного металла. Мольное соотношение исходных компонентов составляет следующие величины: H₂O₂/MgSO₄=500-1000; H₂O₂/LiOH=2,65-11,78; H₂O₂/Me₂SiO₃=31,91-337,81; H₂O₂/KOH=1,68-1,94.

Однако продукт для регенерации воздуха, полученный известным способом, характеризуется недостаточно высокой скоростью процесса хемосорбции диоксида углерода и недостаточно высокой динамической емкостью по диоксиду углерода на единицу массы при его использовании в системах регенерации воздуха. Эти недостатки особенно отчетливо проявляются при эксплуатации систем жизнеобеспечения человека, снаряженных указанным продуктом для регенерации воздуха, в режиме высоких нагрузок, требующих быстрого удаления из газовой фазы значительного количества диоксида углерода. Низкие значения скорости поглощения диоксида углерода и динамической емкости по диоксиду углерода на единицу массы приводят к его накоплению в регенерируемом газе, что может крайне негативно сказаться не только на физическом состоянии пользователя системами СЖО, но и представлять серьезную опасность для его жизни.

Задачей изобретения является разработка способа получения продукта для регенерации воздуха, имеющего улучшенные эксплуатационные характеристик при его работе в системах жизнеобеспечения человека при создании локальных дыхательных атмосфер.

Технический результат заключается в получении продукта для регенерации воздуха, имеющего высокую динамическую емкость по диоксиду углерода на единицу массы за счет интенсификации массообменных процессов на границах газ - жидкость и жидкость - твердая фаза при его эксплуатации в системах жизнеобеспечения человека.

Дополнительным техническим результатом является повышение экономичности процесса.

Технический результат достигается тем, что в способе получения продукта для регенерации воздуха путем смешения раствора пероксида водорода с сульфатом магния и гидроксидом лития, взаимодействия полученного раствора и гидроксида калия с последующей дегидратацией полученного щелочного раствора пероксида водорода распылением его в токе сушильного агента, в раствор пероксида водорода после его смешения с сульфатом магния и гидроксидом лития перед добавлением гидроксида калия вводят галогениды щелочных металлов при мольном соотношении гидроксид калия/галогенид щелочного металла (KOH/MeHal), равном 15÷105.

Предпочтительно в качестве галогенида щелочного металла используют хлориды лития, натрия, калия или их смесь.

Заявляемое изобретение позволяет улучшить эксплуатационные характеристики продукта для регенерации воздуха при его работе в системах жизнеобеспечения человека при создании локальных дыхательных атмосфер по следующим обстоятельствам.

Процесс регенерации воздуха (хемосорбция диоксида углерода и выделение необходимого для дыхания человека кислорода) продуктами для регенерации воздуха на основе пероксидных соединений щелочных металлов можно представить последовательностью следующих стадий:

- внешняя диффузия реагентов через газовый (пограничный) слой к поверхности гранул продукта для регенерации воздуха;

- внутренняя диффузия (в порах);

- взаимодействие пероксидных соединений калия и лития с водяным паром с образованием кислорода и поверхностной пленки жидкой фазы;

- диффузия и растворение сорбата (диоксида углерода) в водном растворе поверхностной пленки;

- химическое взаимодействие ионизированных молекул диоксида углерода с ионами K⁺ и Li⁺ имеющимися в поверхностной водной пленке;

- продвижение зоны реакций вглубь гранул продукта для регенерации воздуха за счет растворения массы пероксидных соединений калия и лития;

- образование слоя карбонатов калия и лития, затрудняющего дальнейшее растворение и диффузию реагентов к активной реакционной зоне продукта для регенерации воздуха.

Затуханию процесса регенерации воздуха на завершающей стадии также способствует и обезвоживание хемосорбента за счет уноса воды потоком очищаемого газа и выделяющегося кислорода.

Основываясь на вышеизложенной схеме процесса регенерации воздуха при создании локальных дыхательных атмосфер возможны следующие пути модификации продуктов для регенерации воздуха, направленные на повышение эффективности их работы:

1) увеличение поверхности и объема транспортных пор хемосорбента;

2) повышение коэффициента диффузии вещества в водной пленке за счет снижения ее вязкости;

3) интенсификация процессов растворения соединений калия и лития и увеличение концентрации ионов К⁺ и Li⁺ в поверхностном растворе;

4) придание рецептуре продуктов для регенерации воздуха дополнительных влагоудерживающих свойств путем введения гигроскопических добавок.

Введение в раствор пероксида водорода галогенидов щелочных металлов и последовательность смешения компонентов позволяет получить продукт для регенерации воздуха, имеющий высокую динамическую емкость по диоксиду углерода на единицу массы за счет интенсификации массообменных процессов на границах газ - жидкость и жидкость - твердая фаза при его эксплуатации в системах жизнеобеспечения человека. Это обусловлено снижением вязкости поверхностной пленки водного раствора, образующейся на поверхности продукта для регенерации воздуха, что приводит к усилению диффузионных процессов в жидкой фазе и повышению растворимости реагирующих веществ в водном растворе поверхностной пленки.

Достижению поставленной задачи также способствуют гигроскопичные свойства галогенидов щелочных металлов.

Способ получения продукта для регенерации воздуха осуществляют следующим образом. Готовят щелочной раствор пероксида водорода, для чего в раствор пероксида водорода (Н₂О₂) с концентрацией от 50 до 85% массовых при интенсивном перемешивании последовательно вводят сульфат магния (MgSO₄), гидроксид лития (LiOH), галогениды щелочных металлов (MeHal) и гидроксид калия. Гидроксид калия вводят в систему не менее чем через 30 минут после введения галогенидов щелочных металлов. Причем мольное соотношение исходных компонентов должно составлять следующие величины: H₂O₂/MgSO₄=500÷1000; H₂O₂/LiOH=2,65÷11,78; KOH/MeHal=15÷105; H₂O₂/KOH=1,68÷1,94. Для снижения кинетики процесса распада пероксида водорода добавление гидроксида калия проводят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. Далее щелочной раствор пероксида водорода диспергируют форсункой в сушильную камеру в прямотоке предварительно декарбонизированного сушильного агента, где происходит его дегидратация. Используется типовая сушильная камера с форсункой. В качестве сушильного агента используют воздух или любой инертный газ, например азот. Декарбонизация сушильного агента проводится с помощью любого поглотителя диоксида углерода. Для уменьшения расхода сушильного агента его предварительно можно обезвоживать, пропуская через регенерируемые поглотители воды типа цеолита, силикагеля и др. Температуру сушильного агента варьируют в пределах от 120 до 300°С (предпочтительно 180-230°С). По окончании дегидратации твердый продукт отделяют от газовой смеси с помощью обычного батарейного циклона и рукавного фильтра и собирают в специальный контейнер.

Следует отметить, что полученный щелочной раствор пероксида водорода при температуре 25°С за 8 часов (продолжительность технологического цикла) теряет менее 0,4% активного кислорода, т.е. по данному критерию не уступает щелочному раствору пероксида водорода, приготовленному по патенту РФ №2367492, однако отказ от введения в жидкую фазу силикатов щелочных металлов в виде 50% водных растворов apriori снижает количество воды, которую необходимо удалять на стадии дегидратации щелочного раствора пероксида водорода, т.е. повышается экономичность процесса получения продуктов для регенерации воздуха.

В примерах 1-5 приведены данные о получении заявляемым способом продукта для регенерации воздуха.

Пример 1

К 55,1 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 116,4 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=1000), 8,79 кг гидроксида лития (H₂O₂/LiOH=2,65) и 2,48 кг хлорида калия (KOH/MeHal=15). Примерно через 30 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (H₂O₂/КОН=1,94). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. После этого раствор диспергируют через охлаждаемую до 10°С форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210°С. Расход раствора через форсунку составляет 140 мл/мин. Расход сушильного агента 850 кг/час. Получают 44,93 кг продукта, содержащего 50,4% KO₂, 19,4% КОН, 15,2% Li₂O₂, 5% KCl, 2,6% LiOH, 7% H₂O и 0,25% MgSO₄.

Пример 2

К 51 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 144 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=748,83), 3,53 кг гидроксида лития (H₂O₂/LiOH=6,11) и 0,85 кг хлорида лития (KOH/MeHal=25). Примерно через 30 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (H₂O₂/КОН=1,80). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. После этого полученный раствор диспергируют через охлаждаемую до 10°С форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210°С. Расход раствора через форсунку составляет 140 мл/мин. Расход сушильного агента 850 кг/час. Получают 38,4 кг продукта, содержащего 74,5% KO₂, 10,8% КОН, 7,1% Li₂O₂, 2,2% LiCl, 2,1% LiOH, 2,9% Н₂О и 0,33% MgSO₄.

Пример 3

К 24,9 л водного 85% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 195 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=525,94), 2,62 кг гидроксида лития (H₂O₂/LiOH=7,82) и 0,9 кг хлорида натрия (KOH/MeHal=32,5). Примерно через 30 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (Н₂О₂/КОН=1,71). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. После этого полученный раствор диспергируют через охлаждаемую до 10°С форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210°С. Расход раствора через форсунку составляет 85 мл/мин. Расход сушильного агента 500 кг/час.Получают 35,7 кг продукта, содержащего 84,7% К02, 4,6% КОН, 5,3% Li₂O₂, 2,0% NaCl, 1% LiOH, 1,8% Н₂О и 0,5% MgSO₄.

Пример 4

К 49,1 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 193 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=521,04), 1,71 кг гидроксида лития (H₂O₂/LiOH=11,78), 0,152 кг хлорида лития и 0,27 кг хлорида калия (KOH/MeHal=70). Примерно через 30 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (H₂O₂/КОН=1,68). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. После этого полученный раствор диспергируют через охлаждаемую до 10°С форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210°С. Расход раствора через форсунку составляет 135 мл/мин. Расход сушильного агента 850 кг/час. Получают 36,1 кг продукта, содержащего 77,3% КО₂, 12,6% КОН, 3,1% Li₂O₂, 1,2% MeHal, 1,4% LiOH, 3,8% W и 0,5% MgSO₄.

Пример 5

К 49,2 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 208 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=500), 3,03 кг гидроксида лития (H₂O₂/LiOH=6,86), 67,45 г хлорида лития, 93,0 г хлорида натрия и 118,5 г хлорида калия (KOH/MeHal=105). Примерно через 30 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (H₂O₂/КОН=1,73). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. После этого полученный раствор диспергируют через охлаждаемую до 10°С форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210°С. Расход раствора через форсунку составляет 140 мл/мин. Расход сушильного агента 1200 кг/час. Получают 37,2 кг продукта, содержащего 80,4,3% KO₂, 7,5% КОН, 6,7% Li₂O₂, 0,8% MeHal, 1,3% LiOH, 2,8% H₂O и 0,33% MgSO₄.

Продукт для регенерации воздуха, полученный по заявляемому способу, испытан в патроне серийного изолирующего дыхательного аппарата УДС - 15 (ТУ ЦТКЕ. 8.067.000) на установке "Искусственные легкие" (ИЛ) при следующих условиях:

Объемы кислорода и диоксида углерода указаны при 10°С и 101,3 кПа, легочная вентиляция - при 37°С и 101,3 кПа. Для сравнения с регенеративными продуктами, полученными заявляемым способом (примеры 1-5) в тех же условиях был испытан регенеративный продукт, изготовленный по методике, описанной в примере 2 патента РФ №2367492. Все регенеративные продукты имели форму гранул одинакового размера и плотности. Время защитного действия определяли как время от начала работы регенеративного продукта до того момента, когда концентрация СО₂ в потоке газовоздушной смеси на линии "вдоха" установки "ИЛ" достигала 3%. Результаты испытаний представлены в Таблице.

Как видно из представленных табличных данных, продукт для регенерации воздуха, полученный по изобретению, имеет более высокую динамическую емкость по диоксиду углерода на единицу массы в сравнении с продуктом по патенту РФ №2367492. При этом по таким важным эксплуатационным характеристикам, как время защитного действия и динамическая емкость по кислороду на единицу массы, продукт для регенерации воздуха, полученный по изобретению, также превосходит аналогичные показатели продукта по патенту РФ №2367492.

Перечисленные выше позитивные аспекты, связанные с процессом хемосорбции диоксида углерода, обусловлены наличием в продукте для регенерации воздуха галогенидов щелочных металлов и способом их введения в продукт, что приводит к снижению вязкости поверхностной пленки водного раствора, образующейся на поверхности продукта для регенерации воздуха. Это, в свою очередь, приводит к усилению диффузионных процессов в жидкой фазе и повышению растворимости реагирующих веществ в водном растворе поверхностной пленки, т.е. происходит интенсификация массообменных процессов на границах газ - жидкость и жидкость - твердая фаза при его эксплуатации в системах жизнеобеспечения человека. Это особенно актуально при эксплуатации продукта для регенерации воздуха в системах жизнеобеспечения человека в режиме высоких нагрузок, требующих быстрого удаления из газовой фазы значительного количества CO₂.