способ получения синглетного кислорода для химического лазера непрерывного действия

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНГЛЕТНОГО КИСЛОРОДА ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ЛАЗЕРА НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ, включающий приготовление щелочного раствора пероксида водорода и газообразного хлора, подачу полученных реагентов в генератор синглетного кислорода и проведение в нем газожидкостной реакции хлорирования, очистку генерированного синглетного кислорода в сепараторе водяного пара и подачу его в генератор лазерного излучения, отличающийся тем, что приготовление щелочного раствора пероксида водорода ведут электролизом щелочного раствора продуктов газожидкостной реакции хлорирования, обогащенного хлоридом щелочного металла, в электролизере по методу катодного восстановления кислорода, подаваемого из генератора лазерного излучения, а выделяющийся в электролизере хлор подают в генератор синглетного кислорода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к квантовой электронике, преимущественно к химическим лазерам непрерывного действия, и может быть использовано при создании кислородно-иодных лазеров различного назначения для получения синглетного кислорода энергоносителя лазеров этого типа.

В настоящее время известны способы получения синглетного кислорода для химического кислородно-иодного лазера непрерывного действия, включающие приготовление щелочного раствора пероксида водорода путем смешивания водного раствора гидроокиси щелочного металла (например, КОН) типичной концентрации 1-3 моль/л c водным раствором пероксида водорода типичной концентрации 5-10 моль/л. приготовление газообразного хлора путем перевода его из жидкой фазы в газообразную, подачу полученных реагентов в генератор синглетного кислорода и проведение в нем газожидкостной реакции хлорирования, очистку генерированного потока синглетного кислорода от примесей и подачу его на генерацию лазерного излучения (см. например, Басов Н.Г. и др. Теоретический анализ химических кислородно-иодных лазеров. Труды ФИАН, 1986, т. 171, с. 30-53; P. Avizonis (AFWL, USA); GCL Seventh international Symposium on Gas Flow Chemical Lasers. Vienna, August 22-26, 1988).

Известный способ получения синглетного кислорода, описанный в трудах ФИАН, 1986, т. 171, с. 30-53, выбран в качестве прототипа.

Характерной особенностью этих способов является потребность постоянного восполнения расходуемых веществ и утилизации продуктов реакции для обеспечения непрерывной работы кислородно-иодного лазера. Так, для генерации излучения мощностью в несколько киловатт, что при современном уровне знания соответствует массовому расходу 0,3 моль/л cинглетного кислорода в генераторе лазерного излучения, в течение 8 ч непрерывной работы лазера потребность в исходных реагирующих веществах составляет не менее 612,6 кг хлора, 969,6 кг гидроокиси калия и 293,9 кг пероксида водорода. При этом расход воды на приготовление водных растворов гидроокиси щелочного металла и пероксида водорода требуемой концентрации составляет не менее 6623 кг. За это время выработано не менее 276,5 кг газообразного кислорода, а в щелочном растворе пероксида водорода накопится не менее 1288,3 кг хлорида калия и добавится не менее 311,3 кг воды, что делает невозможным дальнейшее использование этого раствора. К тому же исходные реагирующие вещества представляют собой довольно агрессивные вещества, хранение и транспортирование которых, а также обращение с которыми представляют серьезную опасность для обслуживающего персонала и окружающей среды.

Известна также технологическая схема получения 5-10-нормального водного раствора пероксида водорода путем электролиза насыщенного раствора хлорида щелочного металла (например, КCl) в ванне с диафрагмой по методу катодного восстановления кислорода с последующим осаждением пероксида в водном растворе хлорида кальция CaCl₂:H₂O и конверсией полученного в осадке оксида кальция СаО₂8Н₂О с помощью оксида углерода СО₂ в водный раствор пероксида водорода и карбонат кальция СаСО₃. Нейтрализация последнего хлороводородом дает возможность циклического использования оксида углерода и водного раствора хлорида кальция для процессов конверсии и осаждения пероксида соответственно. При этом в качестве побочного продукта на аноде электролизера получают газообразный хлор (см. например, Химия и технология перекиси водорода. /Под ред. Г.А. Серышева. Л. Химия, 1984, с. 53-61).

В качестве способа приготовления реагентов для газожидкостной реакции хлорирования в генераторе синглетного кислорода известная технологическая схема обладает избыточными процессами, предназначенными для выделения из электролита водного раствора пероксида водорода, и вырабатывает только два из трех требуемых реагента, а именно водный раствор пероксида водорода и газообразный хлор. Кроме того, процесс нейтрализации карбоната кальция СаСО₃ требует постоянного восполнения хлороводорода, т.е.сохраняет потребность расходуемого вещества с агрессивными свойствами.

При разработке способа получения синглетного кислорода стояла задача создания экологически чистого химического лазера непрерывного действия с обеспечением экономии исходных реагирующих веществ и сокращения количества отработанных веществ.

Сущность изобретения заключается в том, что способ получения синглетного кислорода, включающий приготовление щелочного раствора пероксида водорода и газообразного хлора, подачу полученных реагентов в генератор синглетного кислорода, проведение газожидкостной реакции хлорирования, очистку генерированного потока от примесей и подачу его на генерацию лазерного излучения, может быть механизирован таким образом, что на основании механизма получения синглетного кислорода, лежащего в основе газожидкостной реакции хлорирования щелочного раствора пероксида водорода, который можно представить уравнением

HO^-₂+Cl₂ __ O₂()+Cl^-+HCl и механизма получения пероксида водорода при электролизе насыщенного водного раствора хлорида щелочного металла в ванне с диафрагмой по методу катодного восстановления кислорода, который можно представить уравнениями

O

или

O ореде);

или

HO^-₂+H₂O H₂O₂+OH^- (в щелочной среде), приготовление щелочного раствора пероксида водорода для подачи его в генератор синглетного кислорода ведут с помощью электролиза щелочного раствора пероксида водорода, обогащенного в результате газожидкостной реакции хлорирования хлоридом щелочного металла, в ванне с диафрагмой по методу катодного восстановления кислорода, при этом на катод электролизера подают кислородсодержащий газ, обогащенный кислородом, поступающим из генератора лазерного излучения, а выделяющийся на аноде электролизера газообразный хлор подают в генератор синглетного кислорода.

Реализация изобретения по предложенной совокупности признаков позволяет перерабатывать продукты газожидкостной реакции хлорирования щелочного раствора пероксида водорода в исходные реагенты, образуя, таким образом, замкнутую систему движения компонентов реакции, что обеспечивает экономию исходных реагирующих веществ и экологическую чистоту химического лазера непрерывного действия.

Новый результат, полученный предложенной совокупностью признаков, не достигнут ни одним из известных способов, выявленных при анализе уровня техники.

Способ иллюстрируется принципиальной схемой движения исходных реагентов газожидкостной реакции хлорирования и ее продуктов в химическом кислородно-иодном лазере непрерывного действия, представленной на чертеже.

Кислородно-иодный лазер содержит устройство 1 заправки, электролизер 2, генератор 3 синглетного кислорода, устройство 4 дозирования хлора, сепаратор 5 водяного пара, генератор 6 лазерного излучения, сепаратор 7 иода.

Способ получения синглетного кислорода реализуют следующим образом.

Через устройство 1 заправки в систему циркуляции электролита, включающую в себя электролизер 2 и генератор 3 синглетного кислорода, заливают (в установившемся режиме доливают) требуемое количество дистиллированной воды, а насадку электролизера 2 наполняют (в установившемся режиме пополняют) определенным количеством мелкодисперсного кристаллического хлорида щелочного металла. С помощью насоса генератора 3 синглетного кислорода начинают прокачивать через систему циркуляции электролита дистиллированную воду, которая в теплообменнике генератора синглетного кислорода приобретает установленную для щелочного раствора пероксида водорода температуру, а затем в насадке на входе в электролизер 2 происходит ее насыщение соответствующим количеством хлорида щелочного металла. После достижения раствором требуемой степени насыщения на электролизер 2 подают электрическое напряжение, а на его катод кислородсодержащий газ, например атмосферный воздух или кислород из баллона. После выхода электролизера 2 на установившийся режим работы включают устройство 4 дозирования хлора, и хлор начинает поступать в генератор синглетного кислорода. Включают систему подачи синглетного кислорода, который после очистки в сепараторе 5 водяного пара, гашения на иоде в генераторе 6 лазерного излучения и очистки в сепараторе 7 иода начинает поступать на катод электролизера 2, обогащая кислородсодержащий газ. По достижении потоком синглетного кислорода требуемого уровня включают подачу газообразного иода в генератор лазерного излучения, в котором возникает процесс лазерного излучения.

Использование предлагаемого способа получения синглетного кислорода позволит создать химический кислородно-иодный лазер непрерывного действия в экологически чистом исполнении, для питания которого в установившемся режиме необходима только электроэнергия, а для вывода на этот режим дополнительно необходимы хлорид щелочного металла и дистиллированная вода.