Регенеративный продукт и способ его получения

 

Изобретение касается состава и способа его получения, используемого в изолирующих дыхательных аппаратах на химически связанном кислороде. Продукт содержит надпероксид калия, гидроксид калия, воду, карбонат калия при заданном соотношении компонентов. Данный продукт получают путем взаимодействия растворов пероксида водорода и гидроксида калия с последующей дегидратацией промежуточного аддукта дипероксигидрата пероксида калия распылением его в токе сушильного агента, при этом в сушильный агент перед его поступлением в камеру вводят диоксид углерода. Техническим результатом является улучшение эксплуатационных характеристик регенеративного продукта. 2 с.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

Группа изобретений относится к составам и способам получения регенеративных продуктов, используемых в изолирующих дыхательных аппаратах на химически связанном кислороде.

Регенеративный продукт обычно содержит как основной компонент надпероксид калия (70-90 вес.%) и различные модифицирующие добавки и катализаторы, способствующие улучшению кинетических и диффузионных характеристик продукта при его работе в регенеративном патроне изолирующего дыхательного аппарата. Продукт изготавливают путем механического смешения необходимых компонентов и последующего формования полученной шихты.

Наиболее близким к заявляемому регенеративному продукту в группе изобретений является регенеративный продукт, содержащий надпероксид калия, гидроксид калия, воду и оксид кальция в качестве модифицирующей добавки [1]. Введение в состав регенеративного продукта модифицирующей добавки позволяет повысить температуру плавления смеси продуктов взаимодействия надпероксида калия с влагой и диоксидом углерода выдыхаемого человеком воздуха, что в свою очередь уменьшает возможность спекания и плавления продукта в патроне дыхательного аппарата. Соответственно, улучшатся условия диффузии паров воды и диоксида углерода внутрь гранул продукта. Катализаторы используют для интенсификации выделения кислорода (особенно в начальный период работы регенеративного аппарата).

Однако этот состав регенеративного продукта характеризуется неравномерным выделением кислорода и поглощением диоксида углерода, а также недостаточно высокой реальной емкостью по диоксиду углерода и кислороду на протяжении всего времени работы, что обусловлено недостаточной диффузией газов в объем гранул регенеративного продукта. Данный состав регенеративного продукта не обеспечивает оптимального соотношения кинетических параметров для реакций, в результате которых выделяется кислород, и реакций, которые приводят к поглощению диоксида углерода (коэффициент регенерации существенно меняется в течение работы продукта). Каталитическое увеличение интенсивности выделения кислорода необходимо лишь в начальный период работы регенеративного продукта, а в дальнейшем это приводит к избыточному по сравнению с необходимым выделению кислорода. Все это не позволяет максимально рационально использовать ресурс регенеративного продукта.

Известен способ получения регенеративного продукта [1, 2], по которому надпероксид калия получают путем взаимодействия водных растворов пероксида водорода и гидрооксида калия с последующей дегидратацией промежуточного аддукта - дипероксогидрата пероксида калия К₂О₂•2Н₂О₂ на поверхности вращающегося цилиндра при температуре около 160^oС. Образующийся на поверхности цилиндра надпероксид калия удаляется с помощью скребка. Конечный продукт содержит до 85% КО₂, до 15% КОН и до 5% Н₂О. Этот продукт смешивают с оксидом кальция в смесителе сыпучих материалов. Полученную смесь формуют в виде пластин, таблеток и др.

Недостатками способа являются высокая трудоемкость, обусловленная необходимостью проведения процесса при тщательно контролируемой температуре, и невысокая производительность.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому в группе изобретений способу по совокупности признаков является следующий способ получения надпероксида калия [3]. По этому способу надпероксид калия получают путем взаимодействия растворов пероксида водорода и гидрооксида калия с последующей дегидратацией промежуточного аддукта - дипероксогидрата пероксида калия распылением его в токе сушильного агента при температуре 130-250^oС. В качестве сушильного агента используют сухой декарбонизованный газ (например, воздух, азот и др. ). При этом используется раствор пероксида водорода концентрацией от 50 до 85% и раствор гидроксида калия с концентрацией 50-60%. Мольное соотношении Н₂О₂/КОН=1,3-2,0. Конечный продукт содержит до 85% надпероксида калия, гидроксид калия, воду и примеси.

Этот способ по сравнению с предыдущим менее трудоемок и характеризуется достаточно высокой производительностью.

Однако для получения регенеративного продукта с требуемыми характеристиками полученный надпероксид калия, содержащий гидроксид калия и воду, должен быть подвергнут дальнейшей обработке так же, как и в способах [1, 2], которая заключается во введении в полученный продукт различных добавок. Введение модифицирующих добавок может быть осуществлено в этих случаях только путем механического смешения, что принципиально не позволяет равномерно распределить добавку во всем объеме основного вещества из-за большой массовой разницы основы и добавки и, соответственно, получить регенеративный продукт со стабильными на протяжении всего времени работы характеристиками - выделением кислорода и поглощением диоксида углерода. Из-за неоднородной диффузии паров воды и диоксида углерода в гранулы продукта состав характеризуется неравномерным выделением кислорода и поглощением диоксида углерода во время работы продукта, что не позволяет максимально рационально использовать ресурс данного продукта на протяжении всего времени его работы в патроне изилирующего дыхательного аппарата. В реальных условиях регенеративный продукт, полученный таким способом, отрабатывает не больше 70% от своей стехиометрической емкости.

Задачей группы изобретений является улучшение эксплуатационных характеристик регенеративного продукта.

Техническим результатом группы изобретений является создание регенеративного продукта, имеющего высокую реальную емкость по СO₂ и кислороду на единицу массы и способного равномерно поглощать диоксид углерода и выделять активный кислород в количестве, необходимом для обеспечения дыхания человека на протяжении всего времени работы продукта.

Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - веществу достигается тем, что регенеративный продукт, включающий надпероксид калия, гидрооксид калия и воду, дополнительно содержит карбонат калия при следующем соотношении компонентов, вес.%: Надпероксид калия (КО₂) - 50-85 Гидроксид калия (КОН) - 3-20 Вода (H₂O) - 1-5 Карбонат калия (К₂СО₃ ) - 1-25 Регенеративный продукт предложенного состава обеспечивает более высокое поглощение диоксида углерода и выделение кислорода на единицу массы. Карбонат калия выступает в качестве модифицирующей добавки, препятствующей оплыванию поверхности продукта и плавлению смеси соединений, образующихся при работе регенеративного продукта. Это улучшает условия диффузии паров воды и углекислого газа в объем гранул регенеративного продукта на протяжении всего времени работы дыхательного аппарата. Кроме того, коэффициент регенерации (отношение объема выделившегося кислорода к объему поглощенного диоксида углерода) регенеративного продукта предложенного состава практически не меняется на протяжении всего времени работы продукта и имеет значение, близкое к оптимальному. Это позволяет более эффективно использовать ресурс регенеративного продукта и за счет этого увеличить время защитного действия дыхательного аппарата при неизменности его массогабаритных характеристик.

Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - способу достигается тем, что в способе получения регенеративного продукта на основе КО₂, включающем взаимодействие растворов пероксида водорода и гидроксида калия с последующей дегидратацией промежуточного аддукта - дипероксогидрата пероксида калия распылением его в токе сушильного агента. В сушильный агент вводят диоксид углерода. В качестве сушильного агента используют воздух или инертный газ (например, азот и др.).

Такой прием позволяет получить продукт, содержащий надпероксид калия, гидроксид калия, воду и карбонат калия в виде модифицирующей добавки. При этом модифицирующая добавка - карбонат калия образуется непосредственно в процессе синтеза и равномерно распределена по всему объему получаемого продукта, т. е. регенеративный продукт, полученный по этому способу, имеет однородный состав (и, следовательно, свойства) по всему объему. Размеры частиц всех компонентов регенеративного продукта приблизительно одинаковы. Кроме того, образование модифицирующей добавки в виде карбоната калия непосредственно в процессе синтеза позволяет минимизировать количество технологических стадий при производстве регенеративного продукта, что приводит к уменьшению его стоимости.

Примеры составов регенеративного продукта представлены в таблице 1.

Регенеративный продукт с химическим составом по примерам 1-8 может быть использован в виде таблеток, гранул, блоков или их сочетания в зависимости от конструкции патрона дыхательного аппарата и условий его эксплуатации. Условия эксплуатации влияют и на соотношение компонентов в регенеративном продукте. Например, при низких температурах окружающей среды целесообразно использовать продукт, содержащий больше гидрооксида калия, чем карбоната, а при интенсивной работе человека в патрон защитного аппарата лучше помещать регенеративный продукт, в котором содержится приблизительно по 12-13% КОН и К₂СО₃.

Способ получения регенеративного продукта осуществляется следующим образом. Готовят раствор дипероксогидрата пероксида калия, для чего раствор пероксида водорода концентрацией от 50 до 85% смешивают с раствором гидроксида калия концентрацией 50-60% в мольном соотношении Н₂О₂/КОН=1,5-2,0. Гидрооксид калия можно использовать и в твердом виде. Для предотвращения разложения перекисных продуктов при смешении исходных компонентов процесс ведут при охлаждении. Температура в зоне реакции не должна превышать 45^oС, предпочтительно температура составляет 10^oС. Полученный таким образом раствор диспергируют форсункой в сушильную камеру в прямотоке сушильного агента. Используется серийно выпускаемая сушильная камера с форсункой. В качестве сушильного агента используют воздух или любой инертный газ, например азот. 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 260^oС. Во избежание разложения перекисных продуктов для диспергирования раствора гидрооксида калия и пероксида водорода предпочтительно использовать охлаждаемую форсунку, не допуская ее нагрева выше 45^oС. В поток сушильного агента перед его входом в сушильную камеру подают диоксид углерода. Содержание диоксида углерода в сушильном агенте можно варьировать в пределе до 1 об. %. Концентрация диоксида углерода в сушильном агенте определяет содержание карбоната калия в продукте реакции. Так как диоксид углерода реагирует лишь с КОН и непосредственно не реагирует с надпероксидом калия (А.X. Мельников, Т. И. Фирсова, А.И. Молодкина. //Исследование взаимодействия надперекиси калия с водяным паром и углекислым газом. ЖНХ, 1962 г., т.7, вып.6, с. 1228), процентное содержание KO₂ в продукте реакции при увеличении содержания карбоната калия меняется незначительно. Меняется только процентное содержание КОН и К₂СО₃. По окончании дегидратации твердый продукт отделяют от газовой смеси с помощью обычного батарейного циклона и рукавного фильтра и собирают в специальный контейнер. Полученный таким образом регенеративный продукт, уже готовый для последующего формования, имеет следующий состав, вес.%: Надпероксид калия (КО₂) - 50-85 Гидроксид калия (КОН) - 3-20 Вода (Н₂О) - 1-5 Карбонат калия (К₂СО₃) - 1-25
Пример 1.

В 288 мл 50% пероксида водорода растворяют 2,4 г MgSО₄•7Н₂О, который является обычным стабилизатором. Полученный раствор смешивают с 250 мл 50% раствора гидроксида калия (мольное соотношение Н₂О₂/КОН=1,5) так, чтобы температура в зоне реакции не превышала 50^oС. После этого раствор диспергируют через охлаждаемую до 10^oС форсунку в сушильную камеру, в которую подают обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210^oС. Перед входом в камеру в поток сушильного агента вводят диоксид углерода. Концентрация СО₂ в сушильном агенте составляет 0,001 об.%. Расход раствора через форсунку составляет 9 мл/мин. Расход сушильного агента 87 кг/ч. Получают 216 г продукта, содержащего 63,5% КО₂, 20% КОН, 1% К₂СО₃ и 4,7% Н₂О. Остальное примеси.

Пример 2.

В 335,6 мл 50% пероксида водорода растворяют 2,82 г MgSО₄•7H₂О. Полученный раствор смешивают с 250 мл 50% раствора гидрооксида калия (мольное соотношение Н₂О₂/КОН=1,75) так, чтобы температура в зоне реакции не превышала 50^oС. После этого раствор диспергируют через охлаждаемую до 10^oС форсунку в сушильную камеру, в которую подают обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210^oС. Перед входом в камеру в поток сушильного агента вводят диоксид углерода. Концентрация СО₂ в сушильном агенте составляет 0,001 об.%. Расход раствора через форсунку составляет 9,8 мл/мин. Расход сушильного агента 94 кг/ч. Получают 231 г продукта, содержащего 75,4% КО₂, 18,7% КОН, 1% К₂СО₃ и 4,2% Н₂О и остальное примеси.

Пример 3.

В 383,5 мл 50% пероксида водорода растворяют 3,22 г MgSО₄•7H₂О. Полученный раствор смешивают с 250 мл 50% раствора гидроксида калия (мольное соотношение Н₂О₂/КОН=2) так, чтобы температура в зоне реакции не превышала 50^oС. После этого раствор диспергируют через охлаждаемую до 10^oС форсунку в сушильную камеру, в которую подают обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210^oС. Перед входом в камеру в поток сушильного агента вводят диоксид углерода. Концентрация СО₂ в сушильном агенте составляет 0,001 об.%. Расход раствора через форсунку составляет 10,6 мл/мин. Расход сушильного агента 102 кг/ч. Получают 232 г продукта, содержащего 81,7% КO₂, 14,6% КОН, 1% К₂СО₃ и 3,7% H₂O. Остальное примеси.

Пример 4.

В 335,6 мл 50% пероксида водорода растворяют 2,82 г MgSО₄•7H₂О. Полученный раствор смешивают с 250 мл 50% раствора гидроксида калия (мольное соотношение Н₂О₂/КОН= 1,75) так, чтобы температура в зоне реакции не превышала 50^oС. После этого раствор диспергируют через охлаждаемую до 10^oС форсунку в сушильную камеру, в которую подают обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210^oС. Перед входом в камеру в поток сушильного агента вводят диоксид углерода. Концентрация СО₂ в сушильном агенте составляет 0,05 об.%. Расход раствора через форсунку составляет 9,8 мл/мин. Расход сушильного агента 94 кг/ч. Получают 234,8 г продукта, содержащего 77% КО₂, 16% КОН, 5,4% К₂СО₃ и 2,3% Н₂О. Остальное примеси.

Пример 5.

Все как в примере 4, только концентрация диоксида углерода в сушильном агенте составляет 0,1 об.%. Получают 237,4 г продукта, содержащего 75% КО₂, 8,6% КОН, 12,7% К₂СО₃ и 3% H₂O. Остальное примеси.

Пример 6.

Все как в примере 4, только концентрация диоксида углерода в сушильном агенте составляет 0,2 об.%. Получают 234 г продукта, содержащего 74% КО₂, 4,5% КОН, 16% К₂СО₃, 4,2% Н₂О. Остальное примеси.

Пример 7.

Все как в примере 4, только концентрация диоксида углерода в сушильном агенте составляет 0,5 об. %. Получают 242,4 г продукта, содержащего 73,2% КО₂, 2,9% КОН, 21,2% К₂СО₃ и 1,6% Н₂O. Остальное примеси.

Пример 8.

В 173 мл 85% пероксида водорода растворяют 2,82 г MgSО₄•7H₂О. В полученный раствор добавляют 222,4 г твердого 85% гидрооксида калия (мольное соотношение Н₂О₂/КОН=1,75) так, чтобы температура в зоне реакции не превышала 50^oС. После этого раствор диспергируют через охлаждаемую до 10^oС форсунку в сушильную камеру, в которую подают обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210^oС. Перед входом в камеру в поток сушильного агента вводят диоксид углерода. Концентрация СО₂ в сушильном агенте составляет 0,07 об.%. Расход раствора через форсунку составляет 16,2 мл/мин. Расход сушильного агента 62 кг/ч. Получают 236,1 г продукта, содержащего 85% KО₂, 5,1% КОН, 7,2% К₂СО₃ и 1,7% Н₂О. Остальное примеси.

Хемосорбционные свойства регенеративных продуктов были исследованы в динамической трубке диаметром 39±0,5 мм и высотой 220 мм, через которую пропускалась газовоздушная смесь при следующих условиях:
Объемный расход газовоздушной смеси, л/мин - 7,0±0,3
Объемный расход диоксида углерода, л/мин - 0,28±0,005
Концентрация диоксида углерода в газовоздушной смеси, об.% - 4,0±0,2
Температура газовоздушной смеси, ^oС - 23,0±0,5
Относительная влажность газовоздушной смеси, % - 95±3
Высота слоя исследуемого продукта в динамической трубке, мм - 185±5
Объемные расходы газовоздушной смеси и СО₂ заданы при температуре 20^oС и давлении 101,3 кПа.

Для сравнения с регенеративными продуктами различного состава по примерам 1-8, указанным в таблице 1, в тех же условиях был испытан серийно выпускаемый отечественной промышленностью продукт ОКЧ-3 (аналог по химическому составу продукту по пат. ЕПВ 0086138). Время защитного действия определяли как время от начала работы регенеративного продукта до того момента, когда концентрация СO₂ в потоке газовоздушной смеси, прошедшей через слой продукта, становилась 1,4% или содержание кислорода снижалось до 23%. Коэффициент регенерации определяли как отношение объема выделившегося кислорода к объему поглощенного диоксида углерода в единицу времени. Известно, что постоянство коэффициента регенерации на протяжении всего времени работы регенеративного продукта - один из критериев, указывающих на максимальное использование ресурса регенеративного продукта. Стехиометрическую емкость регенеративных продуктов рассчитывали исходя из предположения, что во время работы продуктов по примерам 1-8 из таблицы 1 протекают только химические реакции (1) и (2), а для продукта ОКЧ - 3 - реакции (1), (2) и (3):
2KO₂ + H₂O = 2KOH + 1,5O₂ (1)
2KOH + CO₂ = 2K₂CO₃ + H₂O (2)
CaО + CO₂ = CaCO₃ (3)
Во всех проведенных испытаниях использовали регенеративный продукт в виде гранул одинаковой плотности и приблизительно одинакового фракционного состава. Размер гранул находился в пределах от 1 до 6,6 мм.

Результаты испытаний представлены на чертеже и в таблице 2.

На чертеже представлена зависимость изменения коэффициента регенерации от времени для составов регенеративных продуктов по примерам 1-8 из таблицы 1 и для продукта ОКЧ-3 (сравнительный пример). Из графиков видно (кривая зависимости коэффициента регенерации от времени работы для регенеративного продукта по примеру 7 практически аналогична кривой зависимости коэффициента регенерации от времени работы для регенеративного продукта по примеру 6), что коэффициенты регенерации для продуктов, имеющих состав по примером 1-8 из таблицы 1, на протяжении всего времени работы регенеративного продукта существенно не меняются, что обеспечивает более рациональное использование ресурса регенеративного продукта. Для продукта ОКЧ-3 такой зависимости не наблюдается.

Как видно из представленных данных, состав регенеративного продукта и способ его получения обеспечивают высокую реальную емкость по диоксиду углерода и кислороду на единицу массы за счет улучшения диффузии СО₂ и паров воды в объем регенеративного продукта. Кроме того, коэффициент регенерации регенеративного продукта предложенного состава практически не меняется на протяжении всего времени работы продукта и имеет значение, близкое к оптимальному. Перечисленные позитивные, по сравнению с ОКЧ-3, параметры регенеративного продукта достигаются за счет того, что в качестве модифицирующей добавки в состав регенеративного продукта непосредственно в процессе синтеза вводится карбонат калия. Размеры частиц всех компонентов, входящих в регенеративный продукт, приблизительно одинаковы. Это позволяет более эффективно использовать ресурс регенеративного продукта и за счет этого увеличить время защитного действия дыхательного аппарата при тех же массогабаритных характеристиках.

Источники информации
1. Патент Франции 2521034, МПК В 01 J 20/04, 1983 г.

2. Патент Франции 2175652, МПК А 62 Д 9/00, 1973 г.

3. Заявка ФРГ 3105584, С 01 В 15/043, 1982 г.

Формула изобретения

1. Регенеративный продукт для изолирующих дыхательных аппаратов, включающий надпероксид калия, гидроксид калия и воду, отличающийся тем, что дополнительно содержит карбонат калия при следующем соотношении компонентов, вес. %:
Надпероксид калия (КO₂) - 50-85
Гидроксид калия (КОН) - 3-20
Вода (H₂О) - 1-5
Карбонат калия (К₂СО₃) - 1-25
2. Способ получения регенеративного продукта для изолирующих дыхательных аппаратов, включающий взаимодействие растворов пероксида водорода и гидроксида калия с последующей дегидратацией промежуточного аддукта дипероксигидрата пероксида калия распылением его в токе сушильного агента, отличающийся тем, что в сушильный агент перед его поступлением в камеру вводится диоксид углерода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3