устройство для очистки воздуха от вредных микропримесей в герметично замкнутом помещении и способ для очистки воздуха от вредных микропримесей в герметично замкнутом помещении

Формула изобретения

1. Устройство для очистки воздуха от вредных микропримесей в герметично замкнутом помещении, содержащее трубопровод, предадсорбционный фильтр, вентилятор, рекуперационную магистраль с теплообменником, низкотемпературный каталитический фильтр, постадсорбционный фильтр, отличающееся тем, что оно снабжено плазмохимическим реактором, размещенным в ракуперационной магистрали, последовательно соединенной с трубопроводом посредством теплообменника, при этом низкотемпературный каталитический фильтр установлен в рекуперационной магистрали и механически соединен с плазмохимическим реактором.

2. Способ очистки воздуха от вредных микропримесей в герметично замкнутом помещении, включающий введение носителя в низкотемпературный каталитический фильтр, нанесение катализатора на носитель, окисление, отличающийся тем, что в качестве носителя используют оксид алюминия, а в качестве катализатора используют оксиды металлов переменной валентности VII VIII групп четвертого периода с концентрацией активной фазы 1 5 мас. при этом вредные микропримеси окисляют в рекуперационной магистрали озоном при температуре 60 - 70^oС.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической технологии, а именно к средствам очистки воздуха от вредных микропримесей в герметично замкнутых помещениях.

Наиболее эффективно настоящее изобретение может быть использовано в эколого-технических системах жизнеобеспечения пилотируемых космических аппаратов для очистки атмосферы гермообъектов от выделяемых операторами и интерьером вредных микропримесей, источниками которых могут быть люди (микропримеси выделяются через кожу, легкие и с отходами жизнедеятельности), неметаллические материалы и покрытия (полимеры, лаки, клеи), а также микроутечки из бортовых систем.

Изобретение может быть также использовано для очистки выхлопных (отходящих) газов промышленных предприятий при решении экологических проблем, связанных с загрязнением воздуха.

Кроме того, изобретение может быть использовано для очистки воздуха от вредных микропримесей и флоры при создании особо чистых условий в помещении, например, при работе с высокочувствительными приборами.

В настоящее время проблема очистки воздуха от вредных веществ занимает одно из ведущих мест в мире, в связи с ухудшением экологической обстановки из-за повышения количества выбрасываемых в атмосферу токсичных газов и имеет тенденцию к росту во многих странах.

Актуальность очистки воздуха от вредных веществ определяется как количеством загрязняемых территорий, так и несовершенством имеющихся устройств и способов для очистки воздуха.

Особую значимость очистка воздуха от вредных микропримесей в отличии от земных условий приобретает для операторов, работающих в условиях герметично замкнутых помещений небольшого объема длительное время. В настоящее время известен ряд устройств и способов для очистки воздуха от вредных микропримесей в герметично замкнутом помещении.

Известно устройство для очистки воздуха от вредных микропримесей, содержащее трубопровод, нерегенерируемый адсорбционный фильтр, два последовательно работающих регенерируемых адсорбционных фильтра и низкотемпературный каталитический фильтр (Л.С.Бобе, Ю.Е.Синяк, А.А.Берлин, В.А.Солоухин. Эколого-технические системы, М: Изд. МАИ, 1992, с. 35-38).

Недостатками известного устройства является неполная очистка воздуха, а именно: не удаляются около 50% вредных микропримесей, таких как легкие углеводороды и часть галогенсодержащих углеводородов (фреонов) за счет того, что часть вредных микропримесей не сорбируется в адсорбционных фильтрах, так как не предусмотрено конструкцией.

Кроме того, недостатком этого устройства является то, что из-за истощения ресурса работы сорбентов постоянно требуется регенерация адсорбционных фильтров, а это приводит к дополнительным энергозатратам.

Одним из недостатков известного устройства можно также считать то, что конструкцией устройства не предусмотрена возможность удаления микрофлоры, что может привести к заражению воздуха патогенными микроорганизмами.

Наиболее близким к изобретению является устройство для очистки воздуха от вредных микропримесей в герметично замкнутых помещениях, содержащее трубопровод, байпасный трубопровод, рекуперационную магистраль с теплообменником, предадсорбционный фильтр, вентилятор, низкотемпературный каталитический фильтр, постадсорбционный фильтр, нагреватель, высокотемпературный каталитический фильтр, при этом высокотемпературный каталитический фильтр расположен в рекуперационной магистрали с теплообменником, а трубопровод соединен с рекуперационной магистралью байпасным трубопроводом (K.Ammann. Development of the Catalytic Oxidazer Technology, SAE Techn.Ser. 1989, N 891533, p. 1-8).

Недостатком этого устройства является низкая эффективность очистки загрязненного воздуха, так как не более 30,0% воздушного потока проходит через байпасный трубопровод с рекуперационной магистралью, а также наблюдается отравление катализатора в высокотемпературном каталитическом фильтре при наличии в воздухе галогенсодержащих соединений.

В результате использования известной конструкции более 20% вредных микропримесей, проходящих по трубопроводу, не удаляется, вследствие недостаточной их сорбируемости.

Кроме того, как и в аналоге в конструкции устройства-прототипа не предусматривается возможность удаления микрофлоры.

Известен способ для очистки воздуха от вредных микропримесей в герметично замкнутых помещениях, включающий введение в низкотемпературный каталитический фильтр носителя, в качестве которого используют активированный уголь, нанесение катализатора на носитель, в качестве которого используют платину. Окисление вредных микропримесей осуществляют в низкотемпературном каталитическом фильтре, расположенном в трубопроводе, кислородом воздуха при комнатной температуре (Л.С. Бобе, Ю.Е. Синяк, А.А. Берлин, В.А. Солоухин. Эколого-технические системы, М. Изд. МАИ, 1992, с. 38).

Недостатком этого способа является то, что окисление вредных микропримесей осуществляется кислородом воздуха, что приводит к низкой скорости окисления и возможности удаления только окиси углерода и водорода со степенью очистки 70% при этом оставшиеся вредные микропримеси, например легкие и галогенсодержащие углеводороды (фреоны), не удаляются.

Кроме того, недостатком этого способа является его дороговизна, так как процесс окисления требует дорогостоящего платинового катализатора.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению того же назначения является способ для очистки воздуха от вредных микропримесей в герметично замкнутом помещении, включающий введение в высокотемпературный каталитический фильтр носителя, в качестве которого используют оксид алюминия и нанесение на него катализатора в виде платины или палладия, введение в низкотемпературный каталитический фильтр носителя в виде активированного угля и нанесение на него катализатора в виде платины, при этом вредные микропримеси окисляют кислородом воздуха в высокотемпературном каталитическом фильтре при температуре 300-400^oC, а в низкотемпературном каталитическом фильтре окисляют только окись углерода и водород при комнатной температуре [K. Ammann. Development of the Catalytic Oxidazer Technology, SAE Techn. Ser. 1989, N 891533, p. 1-8]

Недостатком известного способа при его применении является неполная очистка загрязненного воздуха, так как легкие углеводороды удаляются только на 30% микрофлора не удаляется, а галогенсодержащие соединения отравляют катализатор в высокотемпературном каталитическом фильтре, вследствие чего возможен проскок части токсичных соединений.

Кроме того, недостатками этого способа являются его дороговизна из-за использования в качестве катализатора драгметаллов, таких как платина или палладий, высокие энергозатраты, так как процесс окисления осуществляют при высоких температурах, что также приводит к термомеханическому износу катализатора и повышенной пожароопасности при очистке воздуха.

Технический результат изобретения выражается:

в возможности повысить эффективность очистки воздуха от вредных микропримесей, включая микрофлору в условиях герметично замкнутых помещений;

в уменьшении энергопотребления;

в повышении пожаробезопасности;

в удешевлении процесса окисления;

в снижении массогабаритности устройства;

в повышении надежности фильтра;

в возможности использования предлагаемой конструкции в течении длительного периода времени (до года и более) без регенерации отдельных узлов.

В основу изобретения положена задача создания устройства и способа для очистки воздуха от вредных микропримесей в герметично замкнутом помещении, где введенные элементы имели бы конструкцию и технологические режимы работы, позволяющие при эксплуатации изобретения в условиях гермообъекта обеспечить достаточно полное удаление вредных микропримесей и микрофлоры из воздуха с целью создания благоприятных санитарно-гигиенических условий, отвечающих требованию сохранения здоровья и высокой работоспособности операторов.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для очистки воздуха от вредных микропримесей в герметично замкнутом помещении содержатся трубопровод, предадсорбционный фильтр, вентилятор, рекуперационная магистраль с теплообменником, низкотемпературный каталитический фильтр, постадсорбционный фильтр, согласно изобретению, оно снабжено плазмохимическим реактором, размещенным в рекуперационной магистрали и последовательно соединенной с трубопроводом посредством теплообменника, при этом низкотемпературный каталитический фильтр установлен в рекуперационной магистрали и механически соединен с плазмохимическим реактором.

В способе для очистки воздуха от вредных микропримесей в герметично замкнутом помещении, включающем введение носителя в низкотемпературный каталитический фильтр с нанесением катализатора, окисление вредных микропримесей, согласно изобретению, в качестве носителя используют оксид алюминия, а в качестве катализатора используют оксиды металлов переменной валентности седьмой-восьмой групп 4-го периода с концентрацией активной фазы 1-5 вес. при этом вредные микропримеси окисляют в рекуперационной магистрали озоном при температуре 60-70^oC.

Таким образом, в изобретении предложена на новая совокупность существенных признаков.

Все предложенные признаки существенны, так как влияют на достигаемый технический результат, т.е. находятся в причинно-следственной связи с указанным результатом.

Так, например, в предпочтительном варианте выполнения устройства в рекуперационной магистрали установлен плазмохимический реактор, в котором одновременно подвергается деструкции часть вредных микропримесей, синтезируется озон из кислорода воздуха и достигается нагрев воздуха до 60-70^oC.

Процесс плазмохимического превращения кислорода в более химически активное состояние озон из литературы известен [С.А. Крапивина, Плазмохимические технологические процессы, Л. Химия, с. 222-229]

Однако в предлагаемом изобретении для очистки воздуха от вредных микропримесей в герметично замкнутых помещениях плазмохимический реактор применяется впервые.

В результате использования плазмохимического реактора в системе очистки воздуха в процессе окисления достигается удаление вредных микропримесей из воздушного потока до уровня предельно-допустимых концентраций (ПДК).

Целесообразно, что плазмохимический реактор и низкотемпературный каталитический фильтр размещены в рекуперационной магистрали, которая позволяет сохранить температуру воздушного потока и тем самым снизить энергозатраты, пожароопасность и аварийность гермообъекта.

Вполне разумно, что рекуперационная магистраль последовательно соединена с трубопроводом посредством теплообменника.

Такое конструктивное выполнение устройства позволяет пропустить весь загрязненный воздушный поток через плазмохимический реактор и низкотемпературный каталитический фильтр.

Благодаря тому, что плазмохимический реактор и низкотемпературный каталитический фильтр расположены одновременно в рекуперационной магистрали, стало возможным сохранять температуру (60-70^oC) в процессе окисления вредных микропримесей без использования нагревателя, очищать воздушный поток от загрязняющих веществ до ПДК и снижать энергозатраты на работу системы.

Кроме того, такое конструктивное выполнение предлагаемого изобретения снижает массогабаритность устройства, что особенно важно для гермообъектов, повышает надежность работы фильтра и возможность его использования в течение длительного периода времени (до года и более) без регенерации отдельных узлов, что особенно важно при использовании изобретения для создания эколого-технических систем жизнеобеспечения, эксплуатируемых на борту космических станций.

Использование способа в устройстве позволяет увеличить скорость и глубину окисления вредных микропримесей и тем самым добиться более полного их удаления из загрязненного воздушного потока.

Так, например, благодаря использованию оксида алюминия в качестве носителя в низкотемпературном каталитическом фильтре достигается высокая химическая активность катализатора и увеличивается скорость и глубина окисления до углекислого газа и воды.

Использование оксида алюминия в виде носителя, а также оксидов металлов переменной валентности седьмой-восьмой групп 4-го периода с концентрацией активной фазы 1-5 вес. в качестве катализатора позволяют достичь при низкой температуре (60-70^oC) высокой скорости окисления всего спектра вредных микропримесей, присутствующих в воздушном потоке гермообъекта.

Известно, что оксиды металлов переменной валентности седьмой-восьмой групп 4-го периода обладают высокой химической активностью в процессах высокотемпературного окисления (Крылов О.В. Катализ неметаллами. Закономерности подбора катализаторов. Л. 1967, с. 144-169).

Однако использование указанных оксидов металлов переменной валентности, нанесенных на оксид алюминия, с концентрацией активной фазы 1-5 вес. в процессе окисления вредных микропримесей озоном при температуре 60-70^oC в герметично замкнутых помещениях применяется впервые.

Благодаря использованию озона снижается температура процесса окисления до 60-70^oC, что позволяет снизить энергозатраты и добиться более полного удаления вредных микропримесей, а также микрофлоры из воздушного потока гермообъекта.

Таким образом, отличительные признаки предлагаемого технического решения непосредственно влияют на достижение технического результата, полученного при реализации (использовании) изобретения.

На чертеже показан общий вид устройства.

Устройства имеет вентилятор 1, трубопровод 2, предадсорбционный фильтр 3, теплообменник 4, рекуперационную магистраль 5, последовательно соединенную с трубопроводом 2 посредством теплообменника 4, плазмохимический реактор 6, низкотемпературный каталитический фильтр 7, которые одновременно установлены в рекуперационной магистрали 5, при этом они механически соединены между собой фланцем 8 и постадсорбционный фильтр 9.

Механическое соединение между плазмохимическим реактором и низкотемпературным каталитическим фильтром может быть также выполнено в виде резьбового, байонетного шлицевого и других видов разъемных механических соединений.

Устройство работает следующим образом.

Воздух, загрязненный вредными микропримесями, подают вентилятором 1 по трубопроводу 2 через предадсорбционный фильтр 3 в теплообменник 4, где он нагревается за счет отходящих газов и далее поступает в рекуперационную магистраль 5. Воздух нагревается до 60-70^oC в плазмохимическом реакторе 6, установленном в рекуперационной магистрали 5. В плазмохимическом реакторе 6 осуществляется одновременно процесс деструкции вредных микропримесей и синтез озона. Образованная зоно-воздушная смесь через фланец 8 поступает в низкотемпературный каталитический фильтр 7, который также расположен в рекуперационной магистрали 5. В низкотемпературном каталитическом фильтре 7 протекает процесс доокисления продуктов плазмохимической деструкции вредных микропримесей озоном, который распадается, образуя молекулярный кислород.

Затем отходящий воздушный поток происходит теплообменник 4 и нагревает входящий воздушный поток и далее направляется в постадсорбционный фильтр 9, где поглощаются следовые остатки вредных микропримесей.

Способ осуществляют следующим образом.

До поступления загрязненного вредными примесями воздуха берут носитель в виде оксида алюминия и наносят на него катализатор в виде оксидов металлов переменной валентности седьмой-восьмой групп 4-го периода с концентрацией активной фазы 1-5 вес.

Носитель с катализатором помещают в низкотемпературный каталитический фильтр 7, который расположен в рекуперационной магистрали 5 и механически соединен фланцами 8 с плазмохимическим реактором 6, далее, после подачи воздушного потока, на поверхности катализатора доокисляют озоном продукты плазмохимической деструкции вредных микропримесей при температуре 60-70^oC.

Пример. Воздух герметично замкнутого помещения в количестве 5 м³/час, содержащий вредные микропримеси и микрофлору (см. таблицу) сначала подают на очистку в предадсорбционный фильтр 3, предназначенный для удаления серосодержащих соединений, в частности, сероводорода, а затем воздух с вредными микропримесями поступает через теплообменник 4 в рекуперационную магистраль 5, где расположен плазмохимический реактор 6, а также низкотемпературный каталитический фильтр 7 с катализатором в виде оксида алюминия, промотированный, например, оксидом никеля (1,8 вес.). В плазмохимическом реакторе 6 осуществляют деструкцию части вредных микропримесей, синтезируют озон и нагревают воздух до температуры 60-70^oC. Далее через фланец 8 воздушный поток поступает в низкотемпературный каталитический фильтр 7, в котором при температуре 60-70^oC осуществляют процесс доокисления вредных микропримесей на поверхности катализатора. Затем воздушный поток поступает в теплообменник 4, где происходит теплообмен между входным и выходным воздушными потоками и направляется в постадсорбционный фильтр 9, в котором удаляются следовые концентрации вредных микропримесей.

Эффективность очистки воздуха от различных микропримесей достигает 98,6%

Преимущества устройства и способа для очистки воздуха от вредных микропримесей в герметично замкнутом помещении по сравнению с прототипом представлены в таблице.

Как видно из таблицы, суммарная степень удаления вредных микропримесей, присутствующих в воздухе герметично замкнутого помещения при использовании предлагаемого технического решения по сравнению с известным достоверно возросла на 5,2% за счет более полного удаления отдельных представителей вредных микропримесей из воздушного потока, при этом достигнута 95,2% степень удаления микрофлоры, что повышает эффективность работы устройства и способа при очистке загрязненного воздуха.

Так, например, степень удаления легких углеводородов, представителем которых является этилен, достоверно возросла почти в 3 раза по сравнению с прототипом, что повышает эффективность очистки химических соединений при использовании предлагаемого изобретения.

Необходимо отметить, что степень очистки от окиси углерода по сравнению с прототипом достоверно возросла на 15% от метанола на 7,2% от этанола на 6,0% от гексана на 5,1% от ацетальдегида на 4,0% от фреона 218 и этилацетата на 3,7% что также показывает высокую эффективность работы предлагаемого устройства и способа очистки воздуха герметично замкнутых помещений.

Как видно из таблицы, для остальных соединений степень удаления по сравнению с прототипом также возросла. Для бутанола и пропанола на 3,0% для формальдегида на 2,0% для бензола на 1,8% для метилэтилкетона, толуола, ксилола и сероводорода на 1,0% для аммиака на 0,7% а для ацетона осталась неизменной. Однако при суммарной погрешности расчетно-экспериментальных данных 3,5% полученные результаты являются статически недостоверными.

Таким образом, использование предлагаемого устройства и способа позволяет обеспечить высокую эффективность процесса очистки загрязненного воздуха от вредных микропримесей, а также микрофлоры и тем самым создать благоприятные санитарно-гигиенические условия в герметично замкнутом помещении для сохранения здоровья и высокой работоспособности операторов, а также снизить энергозатраты на 50% массогабаритность в 1,5 раза, аварийность, пожароопасность и повысить безопасность системы.

Кроме того, появилась возможность использовать предлагаемую конструкцию в течение длительного периода времени (до года и более) без регенерации отдельных узлов за счет надежности фильтра, исключающего отравление катализатора галогенсодержащими соединениями.

Устройство и способ для очистки воздуха от вредных микропримесей в герметично замкнутом помещении, согласно изобретению, может найти применение:

в эколого-технических системах жизнеобеспечения пилотируемых космических аппаратов, атомных подводных лодок и подземных гермообъектов специального назначения;

для очистки выхлопных (отходящих) газов промышленных предприятий;

для создания особо чистых условий при работе с высокочувствительными приборами.