Способ получения продукта для регенерации воздуха

Изобретение относится к способам получения продуктов для регенерации воздуха, используемых как в коллективных системах регенерации воздуха, так и в индивидуальных дыхательных аппаратах на химически связанном кислороде. Способ получения продукта для регенерации воздуха заключается во взаимодействии стабилизированного сульфатом магния раствора пероксида водорода и гидроксидов натрия и калия с последующей дегидратацией полученного щелочного раствора пероксида водорода распылением его в токе сушильного агента. В щелочной раствор пероксида водорода после добавления гидроксидов натрия и калия вводят галогениды щелочноземельных металлов при мольном соотношении гидроксид калия/галогенид щелочного металла, равном 14-110. При этом в качестве галогенидов щелочноземельных металлов используют хлориды кальция или магния или их смесь. При эксплуатации продукта для регенерации воздуха, полученного по изобретению, в составе систем жизнеобеспечения человека отношение скорости процесса хемосорбции диоксида углерода и скорости процесса выделения кислорода (а следовательно, и коэффициент регенерации) имеет значение, близкое к оптимальному. За счет этого продукт для регенерации воздуха обеспечивает большее время защитного действия при его эксплуатации в системах жизнеобеспечения человека. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 7 пр.

 

Изобретение относится к способам получения продуктов для регенерации воздуха, используемых как в коллективных системах регенерации воздуха, так и в индивидуальных дыхательных аппаратах на химически связанном кислороде.

Известен способ получения продукта для регенерации воздуха [патент РФ №2408403, МПК A62D 9/00, 2011 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 и гидроксида натрия. Мольное соотношение исходных компонентов составляет следующие величины: H₂O₂/MgSO₄=492-650; H₂O₂/NaOH=8,0-58,0; H₂O₂/KOH=1,60-1,88.

Однако продукт для регенерации воздуха, полученный известным способом, характеризуется недостаточно эффективным использованием ресурса при его эксплуатации в системах регенерации воздуха.

Так, коэффициент регенерации (отношение объема выделившегося кислорода к объему поглощенного диоксида углерода) продукта для регенерации воздуха, полученного по патенту РФ №2408403, при его эксплуатации в изделии имеет значение недостаточно близкое к оптимальному. Для нормального функционирования человеческого организма коэффициент регенерации должен находиться в пределах 1,4-1.6. При коэффициенте регенерации ниже указанного значения наблюдается нехватка кислорода, выше указанного значения - происходит «закислораживание» регенерируемого воздуха, т.е. кислорода выделяется больше необходимого для дыхания человека.

Большой разброс значений коэффициента регенерации обусловлен несбалансированным отношением скорости процесса хемосорбции диоксида углерода и скорости процесса выделения кислорода при использовании продукта для регенерации воздуха, полученного по патенту РФ №2408403, в системах регенерации воздуха. Различие скорости процесса хемосорбции диоксида углерода и выделения кислорода обусловлено механизмом регенерации воздуха продуктами на основе надпероксида калия. На первой стадии процесса происходит взаимодействие твердого надпероксида калия с водяным паром, приводящее к образованию гидроксида калия и кислорода. Далее образовавшийся гидроксид калия взаимодействует с диоксидом углерода (причем данный процесс протекает в жидкой пленке раствора, образующегося на поверхности продукта для регенерации воздуха). Таким образом процесс регенерации воздуха может быть описан следующими уравнениями химических реакций [Мельников А.X., Фирсова Т.И., Молодкина А.Н. Исследование взаимодействия надперекиси калия с водяным паром и углекислым газом. // ЖНХ. 1962. Т.7. С.1229. Вольнов И.И. Перекисные соединения щелочных металлов. - М.: Наука. 1980. 161 с.]:

2KO_2(тв)+H₂O_(газ)→2KOH_(тв)+1,5O_2(газ)+Q

2KOH_(тв)+CO_2(газ)→K₂CO_3(тв)+H₂O_(ж)+Q

Этот недостаток особенно отчетливо проявляется при эксплуатации систем жизнеобеспечения человека, снаряженных указанным продуктом для регенерации воздуха, в режимах, требующих быстрого удаления из газовой фазы значительного количества диоксида углерода и активного выделения кислорода. Низкие скорости поглощения диоксида углерода 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 оптимизация работы продукта для регенерации воздуха при его эксплуатации в системах регенерации воздуха.

Задача решается изобретением, согласно которому в способе получения продукта для регенерации воздуха, включающем смешение стабилизированного сульфатом магния пероксида водорода с гидроксидами натрия и калия с последующей дегидратацией полученного щелочного раствора пероксида водорода распылением его в токе сушильного агента, в стабилизированный сульфатом магния щелочной раствор пероксида водорода после добавления гидроксидов натрия и калия вводят галогениды щелочно-земельных металлов при мольном соотношении гидроксид калия/галогенид щелочно-земельного металла (KOH/MeHal₂) равном 14÷110.

Предпочтительно в качестве галогенида щелочно-земельного металла используют хлориды магния, кальция или их смесь.

Введение в щелочной раствор пероксида водорода галогенидов щелочно-земельных металлов позволяет получить продукт для регенерации воздуха со значением коэффициента регенерации, близким к оптимальному. Это обусловлено снижением вязкости поверхностной пленки водного раствора, образующейся на поверхности продукта для регенерации воздуха, что приводит к усилению диффузионных процессов в жидкой фазе (за счет чего происходит увеличение скорости процесса хемосорбции диоксида углерода) и повышению растворимости реагирующих веществ в водном растворе поверхностной пленки (в результате чего меняется кинетика взаимодействия пероксидных продуктов с водой, приводящая к интенсификации выделения кислорода).

Присутствие в поверхностной пленке водного раствора, образующейся на поверхности продукта для регенерации воздуха, галогенидов щелочно-земельных металлов за счет повышения эбуллиоскопической константы замедляет процесс испарения воды, что приводит к повышению динамической емкости по диоксиду углерода и кислороду продукта для регенерации воздуха при его эксплуатации в системах регенерации воздуха (специалистам, работающим в области регенерации воздуха пероксидными соединениями щелочных и щелочно-земельных металлов, хорошо известно, что вода выступает в роли катализатора процесса хемосорбции диоксида углерода и выделения кислорода и снижение влагосодержания системы ниже определенного значения фактически прекращает процесс регенерации воздуха).

За счет перечисленных выше факторов коэффициент регенерации продукта для регенерации воздуха, полученного по изобретению, практически не меняется на протяжении всего времени работы продукта и имеет значение, близкое к оптимальному. Это позволяет более эффективно использовать ресурс продукта и за счет этого увеличить время защитного действия дыхательного аппарата при неизменности его массогабаритных характеристик.

Следует отметить, что довольно существенную роль для решения поставленной задачи имеет порядок смешения компонентов. Так, было установлено, что галогениды щелочно-земельных металлов следует вводить в жидкую фазу после добавления гидроксидов натрия и калия. Изменение порядка введения исходных компонентов приводит к снижению устойчивости полученного щелочного раствора пероксида водорода, что не позволяет использовать для синтеза в качестве исходных компонентов высококонцентрированные растворы пероксида водорода и твердые гидроксиды натрия и калия. Это приводит не только к повышению расхода пероксида водорода на получение единицы целевого продукта и расходу энергии, необходимой для перевода воды из жидкой фазы в газообразную при дегидратации исходного щелочного раствора пероксида водорода, но и к снижению содержания основного вещества (перекисного соединения металла), что, в свою очередь, снижает эффективность работы продукта для регенерации воздуха при его эксплуатации в системах регенерации воздуха.

Способ получения продукта для регенерации воздуха осуществляют следующим образом. Готовят исходный щелочной раствор пероксида водорода, для чего в раствор пероксида водорода с концентрацией от 50 до 85% массовых при интенсивном перемешивании вводят сульфат магния, гидроксид натрия и гидроксид калия. Гидроксид калия вводят в систему не менее чем через 30 минут после введения гидроксида натрия. После введения гидроксида натрия и гидроксида калия в жидкую фазу вводят галогениды щелочно-земельных металлов. Мольное соотношение исходных компонентов должно составлять следующие величины: пероксид водорода/сульфат магния (H₂O₂/MgSO₄)=492-650; пероксид водорода/гидроксид натрия (H₂O₂/NaOH)=8,0-58,0; пероксид водорода/гидроксид калия (H₂O₂/KOH)=1,60-1,88, гидроксид калия/галогенид щелочно-земельного металла (KOH/MeHal₂)=15-105. Для снижения кинетики процесса распада пероксида водорода добавление гидроксидов натрия и калия проводят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°C. 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°C (предпочтительно 180-230°C). По окончании дегидратации твердый продукт отделяют от газовой смеси с помощью обычного батарейного циклона и рукавного фильтра и собирают в специальный контейнер.

В примерах 1-7 приведены данные о получении заявляемым способом продукта для регенерации воздуха.

Пример 1.

К 9,9 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 42,4 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=492), 133,4 г 90% гидроксида натрия (H₂O₂/NaOH=58). Примерно через 30 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы в полученный раствор добавляют 6,22 кг твердого 90% гидроксида калия (H₂O₂/KOH=1,74). Добавление KOH производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°C. После его полного растворения KOH добавляют 100,7 г хлорида кальция (KOH/CaCl₂=110). После этого раствор диспергируют через форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 220°C. Получают 6,68 кг продукта, содержащего 75,62% KO₂, 16,8% KOH, 1,26% Na₂O₂, 0,44% NaOH, 4,31% H₂O, 1,0% CaCl₂ и 0,57% MgSO₄.

Пример 2.

К 9,55 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 40,2 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=525), 356 г 90% гидроксида натрия (H₂O₂/NaOH=21). Примерно через 30 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы в полученный раствор добавляют 6,22 кг твердого 90% гидроксида калия (H₂O₂/KOH=1,68). Добавление KOH производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°C. После полного растворения KOH добавляют 111,5 г хлорида магния (KOH/MgCl₂=85). После этого раствор диспергируют через форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210°C. Получают 7,19 кг продукта, содержащего 70,53% KO₂, 18,19% KOH, 3,4% Na₂O₂, 0,71% NaOH, 5,44% H₂O, 1,2% MgCl₂ и 0,53% MgSO₄.

Пример 3.

К 9,77 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 37,6 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=551), 534 г 90% гидроксида натрия (H₂O₂/NaOH=14,3). Примерно через 30 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы в полученный раствор добавляют 6,22 кг твердого 90% гидроксида калия (H₂O₂/KOH=1,72). Добавление KOH производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°C. После полного растворения KOH добавляют 263,8 г хлорида кальция (KOH/CaCl₂=42). После этого раствор диспергируют через форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210°C. Получают 7,43 кг продукта, содержащего 68,30% KO₂, 17,72% KOH, 4,39% Na₂O₂, 1,68% NaOH, 5,16% H₂O, 2,25% CaCl₂ и 0,5% MgSO₄.

Пример 4.

К 4,85 л водного 85% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 33 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=602), 712 г 90% гидроксида натрия (H₂O₂/NaOH=10,34). Примерно через 30 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы в полученный раствор добавляют 6,22 кг твердого 90% гидроксида калия (H₂O₂/KOH=1,66). Добавление KOH производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°C. После полного растворения KOH добавляют 278,9 г хлорида магния (KOH/MgCl₂=34). После этого раствор диспергируют через форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210°C. Получают 7,68 кг продукта, содержащего 70,15% KO₂, 13,78% KOH, 6,44% Na₂O₂, 1,67% NaOH, 4,5% H₂O, 3,0% MgCl₂ и 0,46% MgSO₄.

Пример 5.

К 9,1 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 29,6 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=650), 890 г 90% гидроксида натрия (H₂O₂/NaOH=8,0). Примерно через 30 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы в полученный раствор добавляют 6,22 кг твердого 90% гидроксида калия (H₂O₂/KOH=1,60). Добавление KOH производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°C. После полного растворения KOH добавляют 237,5 г хлорида кальция и 209 г хлорида магния (KOH/(CaCl₂+MgCl₂)=23). После этого раствор диспергируют через форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210°C. Получают 7,86 кг продукта, содержащего 58,5% KO₂, 21,5% KOH, 6,38% Na₂O₂, 3,19% NaOH, 6,03% H₂O, 2,03% CaCl₂, 2,02% MgCl₂ и 0,35% MgSO₄.

Пример 6.

К 10,68 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 37,6 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=600), 1,11 кг 90% гидроксида натрия (H₂O₂/NaOH=15,0). Примерно через 30 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы в полученный раствор добавляют 6,22 кг твердого 90% гидроксида калия (H₂O₂/KOH=1,88). Добавление KOH производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. После полного растворения KOH добавляют 615,4 г хлорида кальция (KOH/CaCl₂=18). После этого раствор диспергируют через форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210°C. Получают 8,33 кг продукта, содержащего 61,18% KO₂, 15,88% KOH, 8,93% Na₂O₂, 2,37% NaOH, 5,2% H₂O, 6,06% CaCl₂ и 0,38% MgSO₄.

Пример 7.

К 4,85 л водного 85% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 33 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=602), 712 г 90% гидроксида натрия (H₂O₂/NaOH=10,34). Примерно через 30 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы в полученный раствор добавляют 6,22 кг твердого 90% гидроксида калия (H₂O₂/KOH=1,66). Добавление KOH производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°C. После полного растворения KOH добавляют 677,2 г хлорида магния (KOH/ MgCl₂=14). После этого раствор диспергируют через форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210°C. Получают 7,87 кг продукта, содержащего 68,76% KO₂, 13,28% KOH, 6,26% Na₂O₂, 1,57% NaOH, 4,35% H₂O, 5,49% MgCl₂ и 0,29% MgSO₄.

Продукт для регенерации воздуха, полученный по заявляемому способу, испытан в патроне изолирующего дыхательного аппарата на установке "Искусственные легкие" (ИЛ) при следующих условиях:

- легочная вентиляция	30,0±1 л/мин
- объемная подача диоксида углерода	1,0±0,05 л/мин
- влажность газовоздушной смеси, %	96-98
- потребление кислорода (отсос из установки)	1,14±0,05 л/мин-1
- частота дыхания	20±0,5 мин-1
- температура окружающей среды	20-25°C

Объемы кислорода и диоксида углерода указаны при 10°C и 101,3 кПа, легочная вентиляция - при 37°C и 101,3 кПа. Для сравнения с регенеративными продуктами, полученными заявляемым способом (примеры 1-7), в тех же условиях был испытан регенеративный продукт, изготовленный по методике, описанной в примере 3 патента РФ №2408403. Все продукты для регенерации воздуха имели форму гранул одинакового размера и плотности. Время защитного действия определяли как время от начала работы регенеративного продукта до того момента, когда концентрация CO₂ в потоке газовоздушной смеси на линии "вдоха" установки "ИЛ" достигала 3%. Коэффициент регенерации определяли как отношение объема выделившегося кислорода к объему поглощенного диоксида углерода в единицу времени. В таблице представлено среднее значение данного параметра в течение эксплуатации продукта для регенерации воздуха в патроне ИДА.

Таблица
Результаты испытаний продуктов для регенерации воздуха на установке "Искусственные легкие".
Состав продукта	Масса продукта, г	Средний коэффициент регенерации	Количество поглощенного CO2, л	Количество выделенного O2, л	Время защитного действия, с
По примеру 1	198	1,55	16,74	26,24	1012
По примеру 2	198	1,62	17,02	27,62	1021
По примеру 3	199	1,61	16,31	26,24	1014
По примеру 4	197	1,64	17,42	29,08	1038
По примеру 5	198	1,59	16,41	26,26	983
По примеру 6	198	1,63	17,56	29,24	1039
По примеру 7	198	1,62	16,36	26,54	980
Продукт по патенту РФ №2456046	199	1,72	15,21	26,19	914

Как видно из представленных данных, продукт для регенерации воздуха, полученный по изобретению, обладает более высокими кинетическими параметрами процесса поглощения диоксида углерода в сравнении с продуктом по патенту РФ №2408403. При этом, по таким важным эксплуатационным характеристикам, как время защитного действия и степень отработки по кислороду и диоксиду углерода, продукт для регенерации воздуха, полученный по изобретению, превосходит аналогичные показатели продукта по патенту РФ №2408403.

Коэффициент регенерации, характеризующий эффективность работы продукта для регенерации воздуха, имеет значение, близкое к оптимальному, что обеспечивает рациональное использование ресурса продукта в системах регенерации воздуха.

1. Способ получения продукта для регенерации воздуха путем смешения стабилизированного сульфатом магния пероксида водорода с гидроксидами натрия и калия с последующей дегидратацией полученного щелочного раствора пероксида водорода распылением его в токе сушильного агента, отличающийся тем, что в стабилизированный сульфатом магния щелочной раствор пероксида водорода после добавления гидроксидов натрия и калия вводят галогениды щелочно-земельных металлов при мольном соотношении гидроксид калия/галогенид щелочноземельного металла (KOH/MeHal₂), равном 14-110.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве галогенида щелочноземельного металла используют хлориды магния, кальция или их смесь.