Способ смешивания кислорода с водородосодержащими газовыми смесями и устройство для его осуществления

 

Использование: обеспечение заданного содержания кислорода в водородосодержащей газовой смеси для дыхания водолазов. Сущность изобретения: в заполненную водой полость предварительного смешивания подают кислород под избыточным давлением и измельченную водородосодержащую газовую смесь, кислородно-водородосодержащую газовую смесь пропускают через слой воды и устройства для измельчения газовых пузырьков и направляют в выходную полость смесителя. Устройство для смешивания газов выполнено в виде смесителя, содержащего корпус, разделенный установленными перпендикулярно его продольной оси перфорированными перегородками на полости предварительного смешивания, окончательного смешивания и буферную с выходным трубопроводом. Полость окончательного смешивания заполнена водой и снабжена устройством для измельчения газовых пузырьков. Полость предварительного смешивания сообщена посредством мембраны с узлом подачи кислорода и частично заполнена водой, а установленный в ней трубопровод для подачи водородосодержащей газовой смеси снабжен закрепленным на его конце рассекателем, погруженным в воду. Узел подачи кислорода выполнен в виде соединенных последовательно дросселя с размещенными в нем гидрофобизированными пластинами, гидрофобизированного катализатора и обратного клапана. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области водолазной техники и предназначено для обеспечения заданного содержания кислорода в водородсодержащей газовой среде.

Изобретение может быть использовано в водолазных барокомплексах, медицинских и исследовательских барокамерах при использовании в них многокомпонентных водородсодержащих дыхательных газовых смесей, а также при приготовлении кислородно-водородных газовых смесей для дыхания водолазов в транспортных баллонах.

Известны способ и устройство для смешивания кислорода и водорода (патент США N 4206735), состоящее из смесителя и циркулярного контура, который состоит из коллектора и смесительной колонки с соединительными трубками и арматурой. Внутри смесительной колонки установлен электровентилятор для перемешивания газов. Кислород поступает в коллектор по трубопроводу через редуктор, клапан переменной подачи и дюзу. Из коллектора готовая газовая смесь через клапан и ротаметр подается на газоанализатор. Для контроля перепада давления в трубопроводе подачи кислорода и коллекторе предусмотрена обводная магистраль с манометром и преобразователем дифманометра, подающего сигнал на показывающий прибор. На основании показаний прибора оператор с помощью клапанов управляет подачей кислорода. Данное устройство из-за его сложности имеет низкую надежность и, кроме того, требует от оператора для обеспечения безопасности большой точности в управлении процессом.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ смешивания кислорода с водород- содержащими газовыми смесями, заключающийся в подаче кислорода в трубопровод рециркуляционного контура газовой среды через металлокерамическую мембрану, и устройство для его осуществления. Эти способ и устройство для подачи кислорода в барокамеру использованы в качестве прототипа (авт. св. СССР N 1624894).

Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит смеситель, выполненный в виде герметичного корпуса, внутри которого расположена металлокерамическая мембрана в виде полого цилиндра, при этом полость смесителя вокруг данной мембраны соединена через ручной и электромагнитный клапаны с рециркуляционным контуром барокамеры специальными трубопроводами. Полость под мембраной соединена одним входом через дозу с дозатором кислорода. Во внутренней и внешней полостях смесителя установлены датчики давления. Управление электромагнитными клапанами осуществляется по сигналам датчиков давления в смесителе и датчика парциального давления кислорода в барокамере.

Недостатком известных решений является смешивание газов в открытой полости, низкая надежность и недостаточная эксплуатационная безопасность из-за возможности скопления кислорода и водорода с образованием взрывоопасной смеси, а также необходимость установки огнепреградителя.

Целью изобретения является повышение пожаро- и взрывобезопасности процесса смешивания кислорода с водородсодержащими газовыми смесями при подаче его в многокомпонентную водородсодержащую газовую среду.

Поставленная цель достигается тем, что кислород подают под избыточным давлением не менее 0,25 кгс/см² через слой пластин, выполненных из гидpофоби- зиpованного поpистого матеpиала толщиной 0,2 0,3 мм каждая, гидрофобизированный катализатор окисления водорода и обратный клапан в камеру смешивания, заполненную на 1/3-2/3 водой, а водородсодержащую газовую смесь подают одновременно с кислородом через рассекатель, находящийся в воде, после чего кислородно-водородсодержащую газовую смесь пропускают через слой воды с устройством для измельчения газовых пузырьков в виде насадки из металлических пружин, а затем подают в буферную полость.

Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в том, что кислород через слой пластин из гидрофобизированного пористого материала, гидрофобизированный катализатор окисления водорода и обратный клапан подается в камеру, заполненную водой, с одновременной или раздельной подачей водородсодержащей газовой смеси через струйный рассекатель, находящийся в воде, с последующим пропусканием образующейся кислородно-водородсодержащей газовой смеси через слой воды с устройством для измельчения газовых пузырьков и подачей в буферную емкость, и в технике неизвестны.

Надежное обеспечение пожаро-взрывобезопасности процесса смешивания кислорода с водородсодержащими газовыми смесями достигается путем исключения локальных зон скопления газов в трубопроводах, измельчения пузырьков газов, образования гидрозатвора, выполняющего роль огнетушителя при проскоке водорода в линию подачи кислорода за счет окисления водорода до воды при соприкосновении его с катализатором и дальнейшего прохождения воды через слои гидрофобизированного материала в линию подачи кислорода.

Предлагаемый способ может быть осуществлен в устройстве, содержащем смеситель в виде герметичного корпуса с размещенной в нем мембраной, с установленным в нем трубопроводом для подачи водородсодержащей газовой смеси, узлом подачи кислорода и выходным трубопроводом, причем смеситель выполнен в виде корпуса, разделенного перпендикулярно его продольной оси перфорированными перегородками на полости предварительного смешивания, окончательного смешивания и буферную полость с выходным трубопроводом, при этом полость окончательного смешивания заполнена водой и снабжена устройством для измельчения газовых пузырьков, полость предварительного смешивания сообщена посредством мембраны с узлом подачи кислорода, частично заполнена водой, а установленный в ней трубопровод для подачи водородсодержащей газовой смеси снабжен закрепленным на его конце рассекателем, погруженным в воду, при этом узел подачи кислорода выполнен в виде соединенных последовательно дросселя с размещенными в нем гидрофобизированными пластинами, разделенными дисками и шайбами, гидрофобизированного катализатора и обратного клапана.

Предлагаемое устройство обеспечивает надежное смешение кислорода с водородсодержащими газовыми смесями с наименьшей вероятностью возникновения взрыво-пожароопасных концентраций газов и зон воспламенения за счет узла подачи кислорода, предотвращающего проскок водорода в линию подачи кислорода, а также наличия трех полостей в камере смешивания, способствующих повышению эффективности процесса смешивания за счет многократного измельчения пузырьков газов.

В известных источниках информации такие признаки не обнаружены.

Способ осуществляется следующим образом: кислород из баллона с кислородом под избыточным давлением, превышающим давление в камере смешивания не менее, чем на 0,25 кгс/см² подают последовательно через несколько пластин (3-4 слоя) из гидрофобизированного пористого материала толщиной 0,2-0,5 мм каждый, гидрофобизированный катализатор водорода, например катализатор АП-64, и обратный шариковый клапан в нижнюю часть камеры смешивания, заполненную на 1/3-2/3 водой. Сюда же через струйный рассекатель, погруженный в воду, подают водородсодержащую газовую смесь. Образующаяся газовая смесь через перфорированную перегородку поступает в нижнюю часть камеры смешивания, заполненную водой, с устройством для измельчения газовых пузырьков в виде металлических пружин диаметром 3-5 мм и высотой 6-8 мм и через буферную полость направляется в выходной патрубок.

Благодаря многократному измельчению пузырьков газа на всех стадиях смешивания предотвращается возможность проскока скоплений газа и образования взрывоопасных зон, а подача кислорода через гидрофобизированные пластины и гидрофобизированный катализатор окисления водорода позволяет избежать обратной диффузии и прорыва водорода, а также возможных его скоплений с образованием опасных зон.

Кислород из баллона с регулирующей арматурой под избыточным давлением не менее 0,25 кгс/см² подается в узел подачи кислорода, проходит там 3-4 гидрофобизированные пористые пластины, емкость с гидрофобизированным катализатором водорода АП-64 и попадает через обратный клапан, выходной патрубок и гидрофобизированную мембрану в полость предварительного смещения, заполненную водой. Сюда же через рассекатель для измельчения пузырьков газа подается для обогащения кислородом водородсодержащая смесь, состоящая из кислорода (до 1-2 об.), гелия (40-49 об.) и водорода (59-49 об.). Образовавшаяся после предварительного смешивания газовая смесь поступает через перфорированную металлическую перегородку в полость с водой и насадкой в виде металлических пружин диаметром 3-5 мм и высотой 6-8 мм для окончательного смешивания и предотвращения образования скоплений пузырьков газовой смеси.

Скорость подачи водородсодержащей газовой смеси выбирается такой, чтобы поступающее в ее поток количество кислорода не превышало 2,5-3,5 об. и не образовывало взрывоопасной концентрации в каждый момент времени.

Количество кислорода для обогащения газовой смеси при подаче в барокамеру для дыхания акванавтов определяется из расчета 25-28 л 0₂/ч на одного человека.

Обогащенная кислородом газовая смесь из буферной полости подается потребителю. Находящийся в буферной полости термодатчик фиксирует температуру газовой смеси и в случае ее повышения подает сигнал на прекращение подачи кислорода.

Пожаро- и взрывобезопасность данного способа обеспечивается наличием гидрофобизированного катализатора, обеспе- чивающего окисление водорода до воды при проскоке водородсодержащей смеси в линию подачи кислорода, а узел подачи кислорода, в который эта вода попадает, выполняет роль огнепреградителя.

Предлагаемый способ осуществляется в устройстве для смешивания газов, которое изображено на чертеже.

Устройство состоит из корпуса 1, разделенного перфорированными перегородками 2 на полость предварительного смешивания 3, заполненную водой и содержащую подводящую часть трубопровода 4 водородсодержащей газовой смеси с рассекателем 5 на конце, выходной патрубок 6 узла подачи кислорода 7, представляющего собой совмещенный с корпусом 1 дроссель 8 с расположенными внутри него гидрофобизированными мембранами 9, разделенными между собой сплошными металлическими дисками 10 и шайбами 11 с отверстиями и уплотнителями 12, последовательно расположенную емкость 13 с гидрофобизированным катализатором 14 и обратным клапаном 15, гидрофобизированную мембрану 16, полость окончательного смешивания 17, заполненную водой с устройством для измельчения газовых пузырьков 18, и буферную полость 19, снабженную патрубком 20 для выхода кислородно-водородсодержащей газовой смеси и термодатчиков 21.

Устройство работает следующим образом.

Кислород из баллона с регулирующей арматурой под избыточным давлением не менее 0,25 кгс/см² подают в узел подачи кислорода 7, в котором кислород через гидрофобизированные мембраны 9 в обход металлического диска 10, через отверстия шайбы 11, емкость 13 с гидрофобизированным катализатором 14, обратный клапан 15, гидрофобизированную мембрану 16 поступает в полость предварительного смешивания 3. Сюда же противотоком по трубопроводу 4 через рассекатель 5 подают водородсодержащую газовую смесь для обогащения ее кислородом. Образующаяся после предварительного смешивания кислородно-водородсодержащая смесь поступает через перфорированную перегородку 2 в полость окончательного смешивания 17, заполненную водой с устройством для измельчения газовых пузырьков 18 и после окончательного смешивания через патрубок для выхода газовой смеси 20 выходит из буферной полости 19. Температуру в буферной полости контролируют термодатчиком 21, сигнал от которого при повышении температуры поступает в линию подачи кислорода, и подачу его прекращают.

В случае проскока водорода в линию подачи кислорода при отказе обратного клапана происходит окисление водорода до воды на гидрофобизированном катализаторе окисления водорода, попадание воды в поры гидрофобизированных мембран и прекращение подачи кислорода, что обеспечивает безопасность проведения процесса смешивания газов.

Предложенное техническое решение по сравнению с прототипом (базовым объектом) просто в эксплуатации, обладает преимуществами, позволяющими с большей надежностью и взрывобезопасностью обогащать кислородом как многокомпонентные водородсодержащие газовые смеси барокамер, так и смешивать чистый водород с кислородом. Экономический эффект от применения предлагаемого устройства заключается в том, что оно не требует новых разработок, все элементы освоены промышленностью. Достоверность достижения цели изобретения подтверждается простотой конструкции предлагаемого устройства и возможностью его изготовления с использованием существующего комплектующего оборудования и материалов, обладающих высокой надежностью.

Формула изобретения

1. Способ смешивания кислорода с водородосодержащими газовыми смесями, заключающийся в подаче в смеситель кислорода через мембрану и водородосодержащей газовой смеси одновременно раздельно, отличающийся тем, что в заполненную водой полость предварительного смешивания через гидрофобизированные пластины и гидрофобизированный катализатор подают кислород под избыточным давлением и измельченную водородосодержащую газовую смесь, кислородно-водородосодержащую газовую смесь подают в полость окончательного смешивания, пропускают ее через слой воды и устройства для измельчения газовых пузырьков и направляют в выходную полость смесителя.

2. Устройство для смешивания газов, содержащее смеситель в виде герметичного корпуса с размещенной в нем мембраной и установленными в нем трубопроводом для подачи водородосодержащей газовой смеси, узлом подачи кислорода и выходным трубопроводом, отличающееся тем, что в нем смеситель выполнен в виде корпуса, разделенного установленными перпендикулярно его продольной оси перфорированными перегородками на полости предварительного смешивания, окончательного смешивания и буферную с выходным трубопроводом, при этом полость окончательного смешивания заполнена водой и снабжена устройством для измельчения газовых пузырьков, полость предварительного смешивания сообщена посредством мембраны с узлом подачи кислорода частично и заполнена водой, а установленный в ней трубопровод для подачи водородосодержащей газовой смеси снабжен закрепленным на его конце рассекателем, погруженным в воду, при этом узел подачи кислорода выполнен в виде соединенных последовательно дросселя с размещенными в нем гидрофобизированными пластинами, разделенными дисками и шайбами, гидрофобизированного катализатора и обратного клапана.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что кислород подают в полость предварительного смешивания под избыточным давлением на менее 0,25 кгс/см².

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что гидрофобизированные пластины в количестве 3 5 штук выполнены из пористого материала толщиной 0,2 0,5 мм каждая.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что устройство для измельчения газовых пузырьков выполнено в виде насадок из металлических пружин диаметром 3 5 мм и высотой 6 8 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1