способ получения продукта для регенерации воздуха

Формула изобретения

1. Способ получения продукта для регенерации воздуха, включающий смешение пероксида водорода и гидроксида калия, нанесение полученного щелочного раствора пероксида водорода на индифферентную пористую волокнистую матрицу и последующую дегидратацию жидкой фазы на матрице, отличающийся тем, что в исходный раствор пероксида водорода перед добавлением гидроксида калия последовательно вводят сульфат магния при мольном соотношении пероксида водорода/сульфат магния, равном 492-650, и гидроксид натрия при мольном соотношении пероксид водорода/гидроксид натрия, равном 8,0-58,0, а смешение пероксида водорода и гидроксида калия осуществляют при мольном соотношении пероксид водорода/гидроксид калия, равном 1,60-1,88.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что гидроксид калия вводят в раствор не менее чем через 30 мин после введения гидроксида натрия.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ получения продукта для регенерации воздуха [патент РФ № 2225241 МПК А62D 9/00, 2004 г.], по которому продукт получают путем взаимодействия растворов пероксида водорода (H₂ O₂) и гидроксида калия (КОН), нанесения полученного щелочного раствора пероксида водорода на индифферентную пористую волокнистую матрицу и последующей дегидратации жидкой фазы на матрице. При этом используется раствор пероксида водорода концентрацией от 50 до 85% и раствор гидроксида калия с концентрацией 50-60% или твердый КОН. Мольное соотношение Н₂О₂ /КОН=1,5÷2,0. Смешение компонентов производят таким образом, чтобы температура в зоне синтеза не превышала 45°С (предпочтительно не выше 10°С). Дегидратацию пропитанной полученным раствором пористой волокнистой матрицы осуществляют либо сушкой в вакууме при 30-150°С или в потоке осушенного декарбонизированного воздуха либо инертного газа при атмосферном давлении при температуре 60-200°С.

Однако данный способ получения продукта для регенерации воздуха имеет существенный недостаток - высокие нормы расхода исходного сырья (Н₂O₂) на единицу конечной продукции при его реализации в промышленном масштабе. Это происходит за счет того, что при длительном использовании в реальном производственном цикле (не менее 8 часов) щелочной раствор пероксида водорода, полученный смешением Н₂ O₂ и КОН, меняет свой химический состав из-за гетерогенного разложения Н₂O₂ на стенках реакционных емкостей, трубопроводах, матрице и т.д., контактирующих с жидкой фазой, и гомогенного разложения пероксида водорода, катализируемого присутствующими в растворе ионами [У.Шамб, Ч.Сеттерфилд, Р.Вентворс. Перекись водорода. - М.: Иностранная литература, 1958, 578 с.].

Каталитический распад Н₂О₂ приводит к снижению содержания основного компонента (надпероксида калия) в продукте для регенерации воздуха, что в свою очередь негативно сказывается на его основных потребительских характеристиках. С целью получения продукта для регенерации воздуха с максимальным содержанием основного компонента необходимо при снижении концентрации пероксида водорода в исходном растворе ниже предельно допустимого значения (индивидуального для каждой системы, но не меньше стехиометрического соотношения основных исходных компонентов - КОН и Н₂ О₂) довести его концентрацию до первоначального значения. Необходимость данной технологической операции ведет не только к дополнительному расходу исходного сырья (Н₂О ₂), но и повышает энергозатраты процесса в целом вследствие необходимости удалять на стадии дегидратации большее количество воды (которая вводится в систему как при добавлении растворов пероксида водорода, так и образуется при его разложении).

Следует также отметить, что при распаде пероксида водорода выделяется атомарный кислород - один из наиболее сильных окислителей, что при разложении существенных количеств Н ₂О₂ создает дополнительную угрозу возникновения «кислородного» пожара, устранить который практически невозможно.

Задачей изобретения является повышение экономичности и безопасности процесса.

Технический результат заключается в снижении затрат исходного сырья (Н ₂О₂) и энергии на получение единицы конечной продукции.

Дополнительным техническим результатом является улучшение эксплуатационных характеристик продукта для регенерации воздуха.

Технический результат достигается тем, что в способе получения продукта для регенерации воздуха, включающем смешение пероксида водорода и гидроксида калия, нанесение полученного щелочного раствора пероксида водорода на индифферентную пористую волокнистую матрицу и последующую дегидратацию жидкой фазы на матрице, отличающийся тем, что в исходный раствор пероксида водорода перед добавлением гидроксида калия последовательно вводят сульфат магния (MgSO₄) при мольном соотношении пероксид водорода/сульфат магния, равном 492-650, и гидроксид натрия (NaOH) при мольном соотношении пероксид водорода/гидроксид натрия, равном 8,0-58,0, а смешение пероксида водорода и гидроксида калия осуществляют при мольном соотношении пероксид водорода/гидроксид калия, равном 1,60-1,88.

Последовательное ведение в раствор пероксида водорода сульфата магния и гидроксида натрия перед добавлением гидроксида калия обеспечивают практическое постоянство химического состава получаемого раствора на протяжении до 20 часов и дает возможность использовать для синтеза в качестве исходных компонентов высококонцентрированные растворы пероксида водорода и твердый гидроксид калия. Это позволяет не только снизить расход пероксида водорода на получение единицы целевого продукта и повысить в нем содержание основного вещества (перекисного соединения металла), но и снизить расход энергии, необходимой для перевода воды из жидкой фазы в газообразную при дегидратации жидкой фазы на матрице.

Из практики работы с различными растворами пероксида водорода известно [Г.А.Серышев. Химия и технология перекиси водорода. - Л.: Химия, 1984, с.182], что механизм снижения кинетики распада пероксида водорода в различных растворах неизвестен. Поэтому сложно однозначно оценить влияние того или иного иона или их ассоциатов (а так же их концентрационное влияние), содержащихся в многокомпонентном растворе, на поведение системы в целом. Поиск необходимой композиции веществ для снижения кинетики распада пероксида водорода каждой конкретной системы - задача, которая решается только эмпирическим путем. Причем здесь играет важную роль не только качественный и количественный состав присутствующих в системе ионов, но и порядок их введения в раствор. На основании проведенных экспериментов было отмечено, что для снижения кинетики распада исходного щелочного раствора пероксида водорода при получении продукта для регенерации воздуха указанным способом должен соблюдаться следующий порядок введения компонентов. Вначале к исходному пероксиду водорода добавляется в необходимом количестве сульфат магния, после его полного растворения - гидроксид натрия. Гидроксид калия вводят в систему примерно через 30 минут после добавления гидроксида натрия, т.е. когда введенные в жидкую фазу ионы, обеспечивающие снижение кинетики распада пероксида водорода, достаточно равномерно распределятся по всему объему раствора. Добавление всех указанных компонентов проводят при интенсивном механическом перемешивании жидкой фазы.

Кроме того, поскольку получаемый по предлагаемому изобретению продукт в дальнейшем используется в технике регенерации воздуха, желательно уже на стадии приготовления исходных растворов вводить в их состав необходимое количество компонентов, выполняющих роль добавок, способствующих оптимизации их работы. Эту функцию могут выполнять образующиеся в ходе синтеза пероксидные соединения натрия.

Введение в состав продукта пероксидных соединений натрия, образующихся в ходе синтеза, увеличивает суммарную стехиометрическую емкость по диоксиду углерода (надпероксид калия - основной компонент продуктов для регенерации воздуха имеет стехиометрическую емкость диоксиду углерода 157 л/кг, а надпероксид и пероксид натрия - 204 л/кг и 287 л/кг соответственно), что приводит к увеличению времени защитного действия изделия в целом при неизменности его массогабаритных характеристик.

Следует отметить, что в заявляемом изобретении все компоненты продукта для регенерации воздуха вводятся в состав жидкой фазы или образуются в ходе синтеза, т.е. равномерно распределены по всему объему практически на молекулярном уровне, что обеспечивает равномерную работу продукта в изделии на протяжении всего времени эксплуатации.

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% мас. при интенсивном перемешивании последовательно вводят сульфат магния, гидроксид натрия и гидроксид калия. Причем гидроксид калия вводят в систему не менее чем через 30 минут после введения гидроксида натрия. Мольное соотношение исходных компонентов должно составлять следующие величины: пероксид водорода/сульфат магния (H₂O₂/MgSO ₄)=492-650; пероксид водорода/гидроксид натрия (Н₂ O₂/NaOH)=8,0-58,0; пероксид водорода/гидроксид калия (Н₂O₂/КОН)=1,60-1,88. Для снижения кинетики процесса распада пероксида водорода добавление гидроксидов натрия и калия проводят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. Полученный щелочной раствор пероксида водорода на протяжении всего технологического цикла (8 часов) хранят в темном месте при температуре не выше 25°С и через определенные интервалы времени проводят анализы по определению химического состава жидкой фазы. При снижении мольного соотношения Н₂О₂/КОН менее 1,5 (стехиометрическое соотношение) за счет распада Н₂О₂ в щелочной раствор дополнительно вводят пероксид водорода в количестве, необходимом для достижения первоначального значения.

По мере технологической надобности на протяжении всего производственного цикла щелочной раствор пероксида водорода равномерно наносят на индифферентную пористую волокнистую матрицу необходимых геометрических размеров любым известным способом (например, пропитка, аэрозольное напыление и др.) и проводят дегидратацию. Дегидратацию пропитанной исходным раствором пористой волокнистой матрицы осуществляют либо сушкой в вакууме при 30-150°С или в потоке осушенного декарбонизированного воздуха либо инертного газа, выступающих в качестве сушильного агента, при атмосферном давлении при температуре 60-220°С.

Декарбонизация сушильного агента проводится с помощью любого поглотителя диоксида углерода. Обезвоживание сушильного агента можно осуществлять, пропуская его через регенерируемые поглотители воды типа цеолита, силикагеля и др. По окончании дегидратации готовый продукт для регенерации воздуха помещают в специальный контейнер.

В примерах 1-6 и в Таблице 1 приведены данные о получении заявляемым способом продукта для регенерации воздуха в течение 8 часов, т.е. в течение производственной смены. Пример 7 описывает получение продукта для регенерации по патенту РФ № 2225241 МПК А62D 9/00, 2004 г. в тождественных производственных условиях.

Пример 1

К 49,43 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 212 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO ₄=492), 667 г 90% гидроксида натрия (H₂O ₂/NaOH=58). Примерно через 30 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (Н₂ O₂/КОН=1,74). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. Далее полученный щелочной раствор пероксида водорода по мере технологической надобности на протяжении производственной смены (8 часов) равномерно наносят на индифферентную пористую волокнистую матрицу необходимых геометрических размеров аэрозольным напылением и проводят дегидратацию. Дегидратацию жидкой фазы на матрице осуществляют сушкой в вакууме при 30-90°С и остаточном 0,95 атм. давлении. Получают 33,7 кг продукта, содержащего 70,9% КО₂, 18,6% КОН, 1,2% Na₂O₂ , 0,4% NaOH, 5,5% Н₂О, 0,5% MgSO₄ и 2,9% матрицы. При этом в процессе синтеза было испарено 44,32 кг воды, на что потребовалось затратить 1,085-10 кДж энергии. Потеря щелочным раствором пероксида водорода активного кислорода за 8 часов составила 341 л.

Пример 2

К 47,73 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 201 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO ₄=525), 1,78 кг 90% гидроксида натрия (H₂O ₂/NаОН=21). Примерно через 30 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (H₂ O₂/KOH=1,68). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. Далее полученный щелочной раствор пероксида водорода по мере технологической надобности на протяжении производственной смены (8 часов) равномерно наносят пропиткой на индифферентную пористую волокнистую матрицу необходимых геометрических размеров и проводят дегидратацию. Дегидратацию жидкой фазы на матрице осуществляют сушкой в вакууме при 30-90°С и остаточном давлении 0,95 атм. Получают 36,6 кг продукта, содержащего 69,0% КО₂, 18,1% КОН, 3,0% Na₂O₂ , 0,7% NaOH, 5,7% Н₂О, 0,5% MgSO₄ и 3,0% матрицы. При этом в процессе синтеза было испарено 43,61 кг воды, на что потребовалось затратить 1,067·10 кДж энергии. Потеря щелочным раствором пероксида водорода активного кислорода за 8 часов составила 336 л.

Пример 3

К 48,86 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 188 г сульфата магния (H₂O ₂/MgSO₄=551), 2,67 кг 90% гидроксида натрия (H₂O₂/NaOH=14,3). Примерно через 30 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (Н₂O₂/КОН=1,72). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. Далее полученный щелочной раствор пероксида водорода по мере технологической надобности на протяжении производственной смены (8 часов) равномерно наносят на индифферентную пористую волокнистую матрицу необходимых геометрических размеров аэрозольным напылением и проводят дегидратацию. Дегидратацию жидкой фазы на матрице осуществляют сушкой в потоке осушенного и декарбонизованного воздуха при температуре 200°С. Получают 37,4 кг продукта, содержащего 67,4% КO₂, 17,7% КОН, 4,3% Na₂ O₂, 1,7% NaOH, 5,1% H₂O, 0,5% MgSO ₄ и 3,3% матрицы. При этом в процессе синтеза было испарено 44,83 кг воды, на что потребовалось затратить 1,097·10 ⁵ кДж энергии. Потеря щелочным раствором пероксида водорода активного кислорода за 8 часов составила 337 л.

Пример 4

К 24,23 л водного 85% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 165 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=602), 3,56 кг 90% гидроксида натрия (H₂O₂/NaOH=10,34). Примерно через 30 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (H₂O₂/KOH=1,66). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. Далее полученный щелочной раствор пероксида водорода по мере технологической надобности на протяжении производственной смены (8 часов) равномерно наносят на индифферентную пористую волокнистую матрицу необходимых геометрических размеров аэрозольным напылением и проводят дегидратацию. Дегидратацию жидкой фазы на матрице осуществляют сушкой в потоке осушенного и декарбонизованного воздуха при температуре 150°С. Получают 38,5 кг продукта, содержащего 70,4% КO₂, 13,9% КОН, 6,4% Na₂O₂, 1,6% NaOH, 4,5% Н₂ О, 0,4% MgSO₄ и 2,8% матрицы. При этом в процессе синтеза было испарено 33,78 кг воды, на что потребовалось затратить 0,8265·10⁵ кДж энергии. Потеря щелочным раствором пероксида водорода активного кислорода за 8 часов составила 265 л.

Пример 5

К 45,45 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 148 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄ =650), 4,45 кг 90% гидроксида натрия (Н₂О₂ /NаОН=8,0). Примерно через 30 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (Н₂O₂/КОН=1,60). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. Далее полученный щелочной раствор пероксида водорода по мере технологической надобности на протяжении производственной смены (8 часов) равномерно наносят пропиткой на индифферентную пористую волокнистую матрицу необходимых геометрических размеров и проводят дегидратацию. Дегидратацию жидкой фазы на матрице осуществляют сушкой в вакууме при 30-50°С и остаточном давлении 0,95 атм. Получают 38,3 кг продукта, содержащего 59,2% KO₂, 21,9% КОН, 6,5% Na₂O₂ 3,1% NaOH, 6,1% H₂O, 0,35% MgSO₄ и 2,85% матрицы. При этом в процессе синтеза было испарено 41,2 кг воды, на что потребовалось затратить 1,0081·10⁵ кДж энергии. Потеря щелочным раствором пероксида водорода активного кислорода за 8 часов составила 322 л.

Пример 6

К 53,41 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 188 г сульфата магния (H₂O ₂/MgSO₄=600), 5,56 кг 90% гидроксида натрия (H₂O₂/NaOH=15,0). Примерно через 30 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (Н₂О₂/КОН=1,88). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. Далее полученный щелочной раствор пероксида водорода по мере технологической надобности на протяжении производственной смены (8 часов) равномерно наносят на индифферентную пористую волокнистую матрицу необходимых геометрических размеров аэрозольным напылением и проводят дегидратацию. Дегидратацию жидкой фазы на матрице осуществляют сушкой в потоке осушенного и декарбонизованного воздуха при температуре 220°С. Получают 40,1 кг продукта, содержащего 62,5% КO₂, 16,4% КОН, 9,2% Na₂ O₂, 2,4% NaOH, 6,2% H₂O, 0,4% MgSO ₄ и 2,9% матрицы. При этом в процессе синтеза было испарено 48,26 кг воды, на что потребовалось затратить 1,179·10 ⁵ кДж энергии. Потеря щелочным раствором пероксида водорода активного кислорода за 8 часов составила 333 л.

Пример 7 (сравнительный)

Исходный щелочной раствор пероксида водорода для последующей дегидратации готовят, соблюдая технологические операции и мольное соотношение исходных компонентов, изложенные в примере 1 патента РФ 2225241 МПК А62D 9/00, 2004 г. Щелочной раствор пероксида водорода готовят в количестве, необходимом для непрерывной реализации технологического процесса в течение производственной смены (8 часов).

К 47,04 л 50% пероксида водорода добавляют 22,5 л 50% раствора гидроксида калия (мольное соотношение H₂O₂ /KOH=2,0). Приготовление щелочного раствора пероксида водорода производят таким образом, чтобы температура в зоне реакции не превышала 50°С. Далее полученный щелочной раствор пероксида водорода по мере технологической надобности на протяжении производственной смены (8 часов) равномерно наносят на индифферентную пористую волокнистую матрицу необходимых геометрических размеров аэрозольным напылением и проводят дегидратацию. Дегидратацию жидкой фазы на матрице осуществляют сушкой в потоке осушенного и декарбонизованного воздуха при температуре 220°С.

Через 3 часа после приготовления щелочного раствора пероксида водорода мольное отношение Н₂O₂/КОН составило 1,48, т.е. меньше стехиометрического соотношения равного 1,5. Поэтому для достижения начального соотношения исходных компонентов Н ₂O₂/КОН=2,0 в оставшийся щелочной раствор пероксида водорода было добавлено 7,4 л 50% пероксида водорода. Через 3 часа по аналогичной причине операция была повторена и в жидкую фазу ввели еще 3,3 л 50% пероксида водорода. Получают 32,4 кг продукта, содержащего 72,6% KO₂. 17,9% КОН, 6,4% Н ₂О и 3,1% пористой матрице.

При этом в процессе синтеза было испарено 67,3 кг воды, на что потребовалось затратить 1,6468·10⁵ кДж энергии. Потеря щелочным раствором пероксида водорода активного кислорода за 8 часов составила 2704 л.

Нормы расхода пероксида водорода и затрачиваемой энергии при получении 1 кг готового продукта, а также количество выделившегося активного кислорода за 8 часов непрерывного синтеза (рабочая смена) по примерам 1-7 приведены в таблице 1.

Таблица 1
Расход исходного сырья (Н2O2) и количество испаряемой воды при получении 1 кг целевого продукта
Получение продукта для регенерации воздуха	Потери щелочным раствором активного кислорода за 8 часов, л	Расход пероксида водорода при получении продукта для регенерации воздуха, кг/кг	Количество испаряемой воды при получении продукта для регенерации воздуха, кг/кг	Количество затрачиваемой на испарение воды энергии при получении продукта для регенерации воздуха, 103 кДж/кг
По примеру 1	341	0,899	1,315	3,220
По примеру 2	336	0,804	1,191	2,915
По примеру 3	337	0,806	1,199	2,933
По примеру 4	265	0,756	0,877	2,147
По примеру 5	322	0,721	1,076	2,632
По примеру 6	333	0,814	1,202	2,940
По примеру 7	2704	1,066	2,077	5,083

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±0,03 л/мин
- влажность газовоздушной смеси, %	96-98
- потребление кислорода (отсос из установки)	1,14±0,05 л/мин
- частота дыхания	20±0,5 мин-1
- температура окружающей среды	20-25°С

Объемы кислорода и диоксида углерода указаны при 10°С и 101,3 кПа, легочная вентиляция - при 37°С и 101,3 кПа. Для сравнения с регенеративными продуктами, полученными заявляемым способом (примеры 1-6), в тех же условиях был испытан регенеративный продукт, изготовленный по методике, описанной в примере 1 патента РФ № 2225241 (пример 7). Все регенеративные продукты имели форму пластин одинакового размера и плотности. Время защитного действия определяли как время от начала работы регенеративного продукта до того момента, когда концентрация СO₂ в потоке газовоздушной смеси на линии "вдоха" установки ИЛ достигала 3%. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Таблица 2
Результаты испытаний продуктов для регенерации воздуха на установке "Искусственные легкие"
Состав продукта	Масса продукта, г	Время защитного действия, сек	Количество поглощенного СО2, л	Количество выделенного O2, л	Максимальная температура на вдохе, °С
По примеру 1	181	911	15,18	24,46	41
По примеру 2	180	928	15,47	25,18	41
По примеру 3	181	919	15,32	26,62	42
По примеру 4	179	941	15,68	28,06	41
По примеру 5	181	893	14,90	24,46	42
По примеру 6	181	898	15,40	25,90	42
По примеру 7	180	829	13,81	23,31	44

Как видно из представленных в таблицах 1-2 данных, предложенный способ получения продукта для регенерации воздуха обеспечивает снижение на единицу конечной продукции исходного сырья (пероксида водорода) и энергии, необходимой для испарения воды на стадии дегидратации при его реализации в производственном цикле в течение 8 часов. При этом более чем в 7 раз уменьшается выделение одного из сильнейших окислителей - атомарного кислорода, что существенно повышает безопасность производства.

Кроме того, как видно из представленных в таблице 2 данных, продукт для регенерации воздуха, полученный по изобретению, обеспечивает за счет более высокой степени отработки при работе в патроне изолирующего дыхательного аппарата большее время защитного действия при одинаковых массогабаритных характеристиках индивидуального дыхательного аппарата в сравнении с продуктом для регенерации воздуха, изготовленным по патенту РФ № 2225241.