способ получения продукта для регенерации воздуха

Формула изобретения

1. Способ 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, отличающийся тем, что 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.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве галогенида щелочного металла используют хлориды лития, натрия, калия или их смесь.

Описание изобретения к патенту

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: H₂ O₂/MgSO₄=500-1000; H₂O₂ /LiOH=2,65-11,78; H₂O₂/Me₂SiO ₃=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 (H₂ O₂/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% KO ₂, 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% Li₂ O₂, 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/MgSO ₄=521,04), 1,71 кг гидроксида лития (H₂O ₂/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 (H₂ O₂/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% H ₂O 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:

легочная вентиляция	35±1 л/мин
начальная температура газо-воздушной смеси	37°С
объемная подача CO2	1,60±0,05 л/мин
частота дыхания	20±0,5 мин-1

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.

Таблица Результаты испытаний продуктов для регенерации воздуха на установке "Искусственные легкие".
Состав продукта	Масса продукта, г	Время защитного действия, сек	Динамическая емкость по CO2 , л/кг	Динамическая емкость по O2 , л/кг	Максимальная температура на вдохе, °С	Максимальное сопротивление дыханию на линии выдоха, мм вод. ст.
По примеру 1	263	957	97,0	133,1	43	83
По примеру 2	261	966	98,7	141,8	43	84
По примеру 3	261	978	100,1	145,6	44	84
По примеру 4	262	959	97,6	137,4	43	82
По примеру 5	262	945	96,2	129,8	44	84
По патенту РФ № 2367492	269	914	90,6	119,0	44	85

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.