Способ регулирования состава многокомпонентной газовой среды в герметизированном контейнере и конструкция герметизированного контейнера
Владельцы патента RU 2657359:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Изобретение относится к области методов регулирования параметров газовых сред и может быть использовано для регулирования концентрации газовых компонентов исследуемых газовых сред. В отличие от известного способа регулирования состава многокомпонентной газовой среды в герметизированном контейнере, включающем помещение выделяющего агрессивные газообразные продукты материала для хранения его в полости контейнера, выполнение в контейнере элемента для введения пассивной среды, согласно изобретению, поддерживают постоянный естественный приток в полость контейнера пассивной среды в виде кислорода с потоком воздуха через съемную калиброванную трубочку в качестве элемента для введения пассивной среды и осуществляют в режиме реального времени постоянную регистрацию содержания агрессивного газообразного компонента в газовой среде контейнера при помощи соответствующих датчиков концентраций агрессивного компонента, содержание которого изменяют до номинального с использованием комплексного порошкообразного поглотителя окисленных продуктов взаимодействия агрессивного газообразного компонента с кислородом воздуха, состоящего из порошкообразного поглотителя воды и порошкообразного катализатора реакции связывания водорода в гидроокись водорода. Установление факта безопасного содержания агрессивного газообразного компонента в газовой среде контейнера осуществляют путем сравнения измеренной концентрации агрессивного компонента в газовой среде с номинальным значением (безопасным). Технический результат - обеспечение безопасности и возможности более точного регулирования концентрации агрессивного компонента газовой среды с поддержанием номинального безопасного состояния с учетом изменения комплекса показателей многокомпонентной газовой среды. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области методов регулирования параметров газовых сред и может быть использовано для регулирования концентраций газовых компонентов исследуемых газовых сред.
Известен способ регулирования многокомпонентных газовых смесей (патент РФ №2079002, МПК 04F 5/14, публ. 10.05.1997 г.), включающий измерение параметров многокомпонентной газовой среды, содержащей активный (азот) и пассивный (кислород) компоненты, регулирование параметров выполнения в контейнере элемента для введения пассивной среды, многокомпонентной газовой среды путем доведения их значения до номинального и безопасного уровня с использованием размещенного в полости герметизированнного контейнера в качестве устройства регулирования подсоса пассивной среды заранее рассчитанного на требуемый состав регулируемой газовой смеси сменного кольцевого вкладыша с соответствующим числом калиброванных отверстий.
Недостатком известного способа является отсутствие возможности регулирования с требуемой точностью концентрации агрессивного компонента и поддержание его на безопасном уровне, поскольку предусмотрен учет изменения только одного параметра газовой среды - давления активной среды.
Задачей авторов изобретения является разработка способа, позволяющего с требуемой точностью измерять и регулировать концентрацию агрессивного компонента газовой среды с поддержанием номинального безопасного состояния с учетом изменения комплекса показателей многокомпонентной газовой среды.
Новый технический результат, обеспечиваемый предлагаемым способом, заключается в обеспечении безопасности и возможности более точного регулирования концентрации агрессивного компонента газовой среды с поддержанием номинального безопасного состояния с учетом изменения комплекса показателей многокомпонентной газовой среды.
Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в отличие от известного способа регулирования состава многокомпонентной газовой среды в герметизированном контейнере, включающего помещение выделяющего агрессивные газообразные продукты материала для хранения его в полости контейнера, выполнение в контейнере элемента для введения пассивной среды, согласно изобретению поддерживают постоянный естественный приток в полость контейнера пассивной среды в виде кислорода с потоком воздуха через съемную калиброванную трубочку в качестве элемента для введения пассивной среды и осуществляют в режиме реального времени постоянную регистрацию содержания агрессивного газообразного компонента в газовой среде контейнера при помощи соответствующих датчиков концентраций агрессивного компонента, содержание которого изменяют до номинального с использованием комплексного порошкообразного поглотителя окисленных продуктов взаимодействия агрессивного газообразного компонента с кислородом воздуха, состоящего из порошкообразного поглотителя воды и порошкообразного катализатора реакции связывания водорода в гидроокись водорода, а установление факта безопасного содержания агрессивного газообразного компонента в газовой среде контейнера осуществляют путем сравнения измеренной концентрации агрессивного компонента в газовой среде с номинальным значением (безопасным).
Известен в качестве прототипа предлагаемого устройства герметизированного контейнера (патент РФ №2279672, МПК G01N 1/00, публ. 10.07.2006 г.) устройство для регулирования параметров (концентраций) анализируемой газовой среды путем подачи в анализируемую газовую среду иной среды, содержащей летучие компоненты, и последующего поддержания концентрации этих компонентов на заданном уровне.
Недостатком данного устройства является многосложность как измерения состояния анализируемой газовой среды в течение времени проведения эксперимента, так и на конечном этапе наблюдений для установления факта поддержания концентрации на заданном уровне.
Задачей авторов предлагаемого устройства является разработка контейнера для реализации способа регулирования параметров наблюдаемой газовой среды и поддержания концентрации агрессивного компонента на безопасном уровне.
Новый технический результат при использовании предлагаемого устройства заключается в обеспечении упрощений конструкции, обеспечении безопасности и возможности более точного регулирования концентрации агрессивного компонента анализируемой газовой среды с поддержанием номинального безопасного состояния последней с учетом изменения комплекса показателей многокомпонентной газовой среды.
Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в отличие от известного устройства, для хранения материалов, выделяющих газообразные продукты, включающего корпус, снабженный элементом сообщения внутренней полости контейнера с окружающей средой, согласно изобретению контейнер снабжен сменной калибровочной трубкой из набора трубок с калиброванными размерами, зависящими от переменных параметров газовой среды контейнера, в качестве элемента сообщения полости контейнера с окружающей средой для поступления кислорода с потоком воздуха, дополнительно в полости контейнера установлены датчики концентрации наблюдаемого агрессивного компонента (водорода) и комплексный поглотитель, состоящий из пространственно отделенного катализатора реакции окисления агрессивного компонента кислородом воздуха от поглотителя окисленных продуктов, образовавшихся при взаимодействии агрессивного компонента с кислородом воздуха, при этом диаметр трубки контейнера выбирается из математической формулы (1):
где η - вязкость воздуха, Па⋅с;
L - длина трубки, м;
- среднее значение атмосферного давления, Па;
- среднее значение амплитуды суточного хода атмосферного давления, Па;
R - универсальная газовая постоянная, Па⋅м3/(моль⋅К);
Т - температура, К;
- средняя скорость выделения водорода в контейнере, моль/с;
сн - относительная концентрация кислорода в воздухе;
σ - период изменения атмосферного давления, с;
W - объем газового пространства контейнера, м3
Предлагаемые способ и устройство поясняются следующим образом.
На фиг. 1 представлен общий вид конструкции герметизированного контейнера, где 1 - контейнер, 2 - хранящиеся материалы, выделяющие водород, 3 - калибровочная трубочка, 4 - датчики концентраций агрессивного компонента, 5 - комплексный поглотитель, 6 - катализатор реакции окисления агрессивного компонента, 7 - сорбент продукта окисления.
Первоначально в способе регулирования состава многокомпонентной газовой среды в герметизированном контейнере 1 в его внутренней полости располагают навеску выделяющего агрессивные газообразные продукты материала 3 для хранения в течение времени наблюдения. В герметизированном контейнере 1 перед заполнением его материалом 3 выполняют калиброванную трубочку 4 в качестве элемента для введения пассивной среды (кислорода воздуха). Через съемную калиброванную трубочку 4 подают самотеком пассивную среду в виде воздушного кислородсодержащего потока воздуха. В ходе наблюдения в герметизированном контейнере 1 поддерживают постоянный естественный приток воздуха путем поддержания сообщения с окружающей атмосферой.
Затем осуществляют в режиме реального времени постоянную регистрацию содержания агрессивного газообразного компонента в газовой среде контейнера при помощи соответствующих датчиков 5 концентраций агрессивного компонента, установленных в полости герметизированного контейнера 1. Содержание агрессивного компонента изменяют до номинального с использованием комплексного порошкообразного поглотителя 6 окисленных продуктов взаимодействия агрессивного газообразного компонента (водорода) с кислородом воздуха. Поглотитель 6 состоит из порошкообразного поглотителя воды и порошкообразного катализатора реакции связывания водорода в гидроокись водорода (например, силикагель - поглотитель воды, и палладийсодержащий катализатор). Установление факта безопасного содержания агрессивного газообразного компонента в газовой среде контейнера осуществляют путем сравнения измеренной концентрации агрессивного компонента в газовой среде с номинальным значением (безопасным).
В предлагаемом устройстве для хранения материалов, выделяющих газообразные продукты, выполненном в виде герметизированного контейнера 1, в корпусе которого выполнен элемент сообщения внутренней полости контейнера с окружающей средой в виде калибровочной трубочки 4, которая выбирается из набора сменных трубочек, соответствующих условиям проведения эксперимента, параметры которой выбирают из математической формулы:
диаметр трубки контейнера, выбирается из математической формулы (1):
где η - вязкость воздуха, Па⋅с;
L - длина трубки, м;
- среднее значение атмосферного давления, Па;
- среднее значение амплитуды суточного хода атмосферного давления, Па;
R - универсальная газовая постоянная, Па⋅м3/(моль⋅К);
T - температура, К;
- средняя скорость выделения водорода в контейнере, моль/с;
сн - относительная концентрация кислорода в воздухе;
σ - период изменения атмосферного давления, с;
W - объем газового пространства контейнера, м3
В ходе наблюдений (как это можно наблюдать по показаниям датчиков 4 концентраций) постоянно выводились из реакционного объема газообразные компоненты и продукты их взаимодействия за счет функционального участия комплексного поглотителя 6, составные части которого селективно поглощали соответствующие газообразные материалы. При этом концентрация агрессивного газообразного компонента (например, водорода) оставалась на постоянном безопасном уровне.
Экспериментально установлено, что при использовании герметизированного контейнера, изображенного на фиг. 1, в условиях предлагаемого способа были получены результаты регулирования состояния многокомпонентной газовой среды, содержащей агрессивные и пассивные компоненты, взаимодействие которых в недопустимых соотношениях может привести к аварийной, взрывоопасной ситуации (например, образование «гремучей смеси в случае присутствия водорода и кислорода»).
Таким образом, предлагаемые способ и устройство обеспечивают более высокий, по сравнению с прототипом результат, заключающийся в обеспечении безопасности и возможности более точного регулирования концентрации агрессивного компонента газовой среды с поддержанием номинального безопасного состояния с учетом изменения комплекса показателей многокомпонентной газовой среды.
Возможность промышленной реализации предлагаемого изобретения подтверждена следующим примером.
Пример 1. Заявляемый способ реализован в лабораторных условиях с использованием герметичной емкости (объем 9,5 л) в качестве герметизированного контейнера с исходной воздушной средой, куда было организовано поступление водорода. Емкость была оснащена датчиками измерения концентраций водорода и кислорода. Продолжительность эксперимента составила 220 суток. Скорость поступления водорода в емкость составила следующие величины: в первые 40 суток - 0,05 л/сут; в промежутке (40-100) суток - 0,02 л/сут; в промежутке (100-200) суток - 0,01 л/сут.
В качестве катализатора реакции окисления водорода был использован металлический палладий, нанесенный на гранулы оксида алюминия в количестве ≈2% масс. Масса катализатора составила 4 г. В качестве адсорбента для поглощения воды был применен силикагель КСМГ. Емкость была оснащена трубкой длиной 10 мм, диаметром 0,11 мм, рассчитанным по формуле (1):
где η - вязкость воздуха, Па⋅с;
L - длина трубки, м;
- среднее значение атмосферного давления, Па;
- среднее значение амплитуды суточного хода атмосферного давления, Па;
R - универсальная газовая постоянная, Па⋅м3/(моль⋅К);
Т - температура, К;
- средняя скорость выделения водорода в контейнере, моль/с;
сн - относительная концентрация кислорода в воздухе;
σ - период изменения атмосферного давления, с;
W - объем газового пространства контейнера, м3.
Входящие в формулу (1) параметры имели следующие значения:
- вязкость воздуха η=1,805⋅10-5 Па⋅с (при температуре 20°C);
- среднее значение атмосферного давления 
.
- среднее значение амплитуды суточного хода атмосферного давления 
;
- универсальная газовая постоянная R=8,314 Па⋅м3/(моль⋅К);
- температура Т=293 К (20°C);
- средняя скорость выделения водорода в контейнере
Jv=1,085⋅10-8 моль/с=0,021 л/сут;
- объемная концентрация кислорода в воздухе сн=0,21;
- период изменения атмосферного давления σ=8.64⋅104 с=1 сут;
- объем газового пространства контейнера W=8⋅103 м3=8 дм3.
Объемы газов расчетным путем приводили к нормальным условиям (температура 0°C, давление 101,325 кПа). За время эксперимента в герметичную емкость поступило 4,2 л водорода.
Концентрация водорода, измеренная в конце эксперимента, составила менее 0,001% об.
Концентрация кислорода, измеренная в конце эксперимента, составила 16,7% об. Объем кислорода, находившегося в емкости в конце эксперимента, составил 1,59 л. Объем кислорода, израсходованный на окисление поступившего в емкость водорода, составил 2,1 л. Изначально в емкости находилось 2,0 л кислорода. Результирующий поток кислорода, поступившего из воздуха окружающей среды в емкость, составил 1,69 л.
Таким образом, экспериментально установлено, что при использовании заявляемого способа обеспечивается новый технический результат, заключающийся в частичной компенсации кислорода, израсходованного на каталитическое окисление водорода.
1. Способ регулирования состава многокомпонентной газовой среды в герметизированном контейнере, включающий помещение выделяющего агрессивные газообразные продукты материала для хранения его в полости контейнера, выполнение в контейнере элемента для введения пассивной среды, в полость контейнера, отличающийся тем, что поддерживают постоянный естественный приток пассивной среды в виде кислорода с потоком воздуха через съемную калиброванную трубочку в качестве элемента для введения пассивной среды в полость контейнера и осуществляют в режиме реального времени постоянную регистрацию содержания агрессивного газообразного компонента в газовой среде контейнера при помощи соответствующих датчиков концентраций агрессивного компонента, содержание которого изменяют до номинального с использованием комплексного порошкообразного поглотителя окисленных продуктов взаимодействия агрессивного газообразного компонента с кислородом воздуха в качестве компонента пассивной среды, состоящего из порошкообразного поглотителя воды и порошкообразного катализатора реакции связывания водорода в гидроокись водорода, а установление факта безопасного содержания агрессивного газообразного компонента в газовой среде контейнера осуществляют путем сравнения измеренной концентрации агрессивного компонента в газовой среде с номинальным значением (безопасным).
2. Конструкция герметизированного контейнера для реализации способа по п. 1, для хранения материалов, выделяющих газообразные продукты, включающая корпус, снабженный элементом сообщения внутренней полости контейнера с окружающей средой, отличающаяся тем, что контейнер снабжен сменной калибровочной трубкой из набора трубок с калиброванными размерами, зависящими от переменных параметров газовой среды контейнера, в качестве элемента сообщения полости контейнера с окружающей средой для поступления кислорода с потоком воздуха дополнительно в полости контейнера установлены датчики концентрации наблюдаемого агрессивного компонента (водорода) и комплексный поглотитель, состоящий из пространственно отделенного катализатора реакции окисления агрессивного компонента кислородом воздуха от поглотителя окисленных продуктов, образовавшихся при взаимодействии агрессивного компонента с кислородом воздуха, при этом диаметр трубки контейнера, выбирается из математической формулы (1):
где η - вязкость воздуха, Па⋅с;
L - длина трубки, м;
- среднее значение атмосферного давления, Па;
- среднее значение амплитуды суточного хода атмосферного давления, Па;
R - универсальная газовая постоянная, Па⋅м3/(моль⋅К);
Т - температура, К;
- средняя скорость выделения водорода в контейнере, моль/с;
сн - относительная концентрация кислорода в воздухе;
σ - период изменения атмосферного давления, с;
W - объем газового пространства контейнера, м3.
