способ получения продукта для регенерации воздуха

Формула изобретения

Способ получения продукта для регенерации воздуха путем взаимодействия раствора пероксида водорода и гидроксида калия, включающий смешение пероксида водорода с сульфатом магния и гидроксидом натрия и введение в полученный щелочной раствор гидроксида калия с последующей дегидратацией полученного щелочного раствора пероксида водорода распылением его в токе сушильного агента, отличающийся тем, что в щелочной раствор пероксида водорода после добавления гидроксида натрия перед добавлением гидроксида калия вводят галогениды щелочных металлов при мольном соотношении гидроксид калия/галогенид щелочного металла (KOH/MeHal), равном 15÷105, при этом в качестве галогенида щелочного металла используют хлориды калия или натрия или их смесь.

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 № 2408403 МПК А62D 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/MgSO ₄=492-650; H₂O₂/NaOH=8,0-58,0; H ₂O₂/KOH=1,60-1,88.

Однако продукт для регенерации воздуха, полученный известным способом, характеризуется недостаточно высокой скоростью процесса хемосорбции диоксида углерода при его использовании в системах регенерации воздуха. Этот недостаток особенно отчетливо проявляется при эксплуатации систем жизнеобеспечения человека, снаряженных указанным продуктом для регенерации воздуха, в режиме высоких нагрузок, требующих быстрого удаления из газовой фазы значительного количества диоксида углерода. 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.

Снижение скорости процесса поглощения диоксида углерода обусловлено следующим.

Механизм процесса химической регенерации воздуха продуктами для регенерации воздуха на основе надпероксида калия заключается во взаимодействии надпероксида калия с водяным паром, приводящий к образованию кислорода и гидроксида калия, который дальше взаимодействует с гидратированным диоксидом углерода с образованием карбоната калия и воды:

2КO₂+Н₂O 2КОН+1,5O₂+Q

СO₂+Н ₂O=Н₂СО₃

2КОН+СO ₂ К₂СО₃+Н₂O+Q

Данный процесс можно представить последовательностью следующих стадий:

- внешняя диффузия реагентов через газовый (пограничный) слой к поверхности гранул продукта для регенерации воздуха;

- внутренняя диффузия (в порах);

- взаимодействие надпероксида калия с водяным паром с образованием кислорода и поверхностной пленки жидкой фазы;

- диффузия и растворение сорбата в водном растворе поверхностной пленки;

- химическое взаимодействие ионизированных молекул диоксида углерода с ионами К⁺, имеющимися в поверхностной водной пленке;

- продвижение зоны реакций вглубь гранул продукта для регенерации воздуха за счет растворения массы надпероксида калия;

- образование слоя карбоната.

Образующийся на последней стадии слой карбоната калия затрудняет дальнейшее растворение диоксида углерода и его диффузию к активной реакционной зоне продукта для регенерации воздуха.

Кроме того, затуханию процесса регенерации воздуха (как следует из приведенных уравнений) на завершающей стадии способствует и обезвоживание реагирующей системы за счет уноса воды потоком очищаемого газа и выделяющегося кислорода.

Задачей изобретения является разработка способа получения продукта для регенерации воздуха, имеющего улучшенные эксплуатационные характеристики при его работе в системах регенерации воздуха.

Технический результат заключается в получении продукта для регенерации воздуха, обеспечивающего высокую кинетику процесса поглощения диоксида углерода и сохраняющего высокую степень отработки при его эксплуатации в системах регенерации воздуха.

Технический результат достигается тем, что в способе получения продукта для регенерации воздуха путем взаимодействия раствора пероксида водорода и гидроксида калия, включающем смешение пероксида водорода с сульфатом магния и гидроксидом натрия и введение в полученный щелочной раствор гидроксида калия с последующей дегидратацией полученного щелочного раствора пероксида водорода распылением его в токе сушильного агента, в щелочной раствор пероксида водорода после добавления гидроксида натрия перед добавлением гидроксида калия вводят галогениды щелочных металлов при мольном соотношении гидроксид калия/галогенид щелочного металла (KOH/MeHal), равном 15÷105.

Предпочтительно в качестве галогенида щелочного металла используют хлориды калия или натрия или их смесь.

Введение в щелочной раствор пероксида водорода галогенидов щелочных металлов и последовательность смешения компонентов позволяет получить продукт для регенерации воздуха с высокой кинетикой процесса поглощения диоксида углерода. Это обусловлено снижением вязкости поверхностной пленки водного раствора, образующейся на поверхности продукта для регенерации воздуха, что приводит к усилению диффузионных процессов в жидкой фазе и повышению растворимости реагирующих веществ в водном растворе поверхностной пленки. В результате повышается кинетика процесса хемосорбции диоксида углерода продуктом для 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 непосредственно перед введением в щелочной раствор пероксида водорода гидроксида калия в жидкую фазу вводят галогениды щелочных металлов. Мольное соотношение исходных компонентов должно составлять следующие величины: пероксид водорода/сульфат магния (H₂O₂/MgSO ₄)=492-650; пероксид водорода/гидроксид натрия (H₂ O₂/NaOH)=8,0-58,0; пероксид водорода/гидроксид калия (Н₂O₂/КОН)=1,60-1,88, гидроксид калия/галогенид щелочного металла (KOH/MeHal)=15-105. Для снижения кинетики процесса распада пероксида водорода добавление гидроксидов натрия и калия проводят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. 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°С (предпочтительно 180-230°С). 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 (H₂ O₂/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 добавляют 70,8 г хлорида калия (KOH/KCl=105). После его полного растворения в полученный раствор добавляют 6,22 кг твердого 90% гидроксида калия (H₂O₂ /KOH=1,74). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. После этого раствор диспергируют через форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 220°С. Получают 6,65 кг продукта, содержащего 75,7% КO₂, 16,9% КОН, 1,2% Na₂O₂, 0,4% NaOH, 4,32% W, 0,9% KCl и 0,58% MgSO₄.

Пример 2.

К 9,55 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 40,2 г сульфата магния (H₂ O₂/MgSO₄=525), 356 г 90% гидроксида натрия (Н₂О₂/NаОН=21). Примерно через 30 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 71,3 г хлорида натрия (KOH/NaCl=82). После его полного растворения в полученный раствор добавляют 6,22 кг твердого 90% гидроксида калия (Н₂O₂ /КОН=1,68). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. После этого раствор диспергируют через форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210°С. Получают 7,17 кг продукта, содержащего 70,6% КO₂, 18,2% КОН, 3,0% Na₂O₂, 0,7% NaOH, 5,9% W, 1,1% Nad и 0,5% MgSO₄.

Пример 3.

К 9,77 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 37,6 г сульфата магния (H₂ O₂/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 добавляют 142,7 г хлорида натрия (KOH/NaCl=41). После его полного растворения в полученный раствор добавляют 6,22 кг твердого 90% гидроксида калия (Н₂O₂ /КОН=1,72). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. После этого раствор диспергируют через форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210°С.

Получают 7,41 кг продукта, содержащего 68,4% КO₂, 17,9% КОН, 4,4% Na₂O₂, 1,7% NaOH, 5,2% Н₂О, 2,0% NaCl 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 добавляют 212,8 г хлорида калия (KOH/KCl=35). После его полного растворения в полученный раствор добавляют 6,22 кг твердого 90% гидроксида калия (Н ₂O₂/КОН=1,66). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. После этого раствор диспергируют через форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210°С. Получают 7,65 кг продукта, содержащего 70,4% КO₂, 13,9% КОН, 6,4% Na₂O₂ , 1,6% NaOH, 4,5% H₂O, 2,8% КСl и 0,4% 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 добавляют 137,5 г хлорида калия и 158 г хлорида натрия (КОН/(КCl+NaCl)=22). После его полного растворения в полученный раствор добавляют 6,22 кг твердого 90% гидроксида калия (Н₂O₂/КОН=1,60). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. После этого раствор диспергируют через форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210°С. Получают 7,84 кг продукта, содержащего 58,6% КO₂, 21,6% КОН, 6,4% Na₂O₂, 3,2% NaOH, 6,1% H₂ O, 1,8% КСl, 2,0% NaCl и 0,3% 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 добавляют 414 г хлорида калия (KOH/KCl=18). После его полного растворения в полученный раствор добавляют 6,22 кг твердого 90% гидроксида калия (Н ₂O₂/КОН=1,88). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. После этого раствор диспергируют через форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210°С. Получают 8,3 кг продукта, содержащего 61,3% КО₂, 16,1% КОН, 9,0% Nа₂O₂ , 2,4% NaOH, 5,8% H₂O, 5,0% КСl и 0,4% 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 добавляют 390 г хлорида натрия (KOH/NaCl=15). После его полного растворения в полученный раствор добавляют 6,22 кг твердого 90% гидроксида калия (Н₂O₂ /КОН=1,66). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. После этого раствор диспергируют через форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210°С. Получают 7,8 кг продукта, содержащего 69,0% КO₂, 13,5% КОН, 6,3% Na₂ O₂, 1,6% NaOH, 4,3% H₂O, 5,0% NaCl и 0,3% MgSO₄.

Хемосорбционные свойства продукта для регенерации воздуха, полученного по примерам 1-7, 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	0,48±0,005
концентрация диоксида углерода
в газовоздушной смеси, % об.	7,0±0,2
температура газовоздушной смеси, °С	23,0±0,5
относительная влажность газовоздушной смеси, %	95±3
высота слоя продукта в динамической трубке, мм	185±5

Объемные расходы газовоздушной смеси и СО₂ заданы при температуре 20°С и давлении 101,3 кПа.

Для сравнения с продуктом для регенерации воздуха различного состава, изготовленным по примерам 1-7, в тех же условиях испытывался продукт для регенерации воздуха, специально изготовленный по способу, описанному 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 продукта для регенерации воздуха до того момента, когда концентрация СО₂ в потоке газовоздушной смеси за слоем продукта достигала 1,5±0,1%. Результаты испытаний представлены в таблице и на рисунке.

На чертеже представлены кинетические кривые поглощения диоксида углерода различными продуктами для регенерации воздуха. Кривая 1 на чертеже характеризует кинетику поглощения СО ₂ продуктом для регенерации воздуха, полученным по способу, описанному в примере 3 патента РФ № 2408403. Кривая 2 характеризует кинетику поглощения СО ₂ продуктом для регенерации воздуха по изобретению. Поскольку для всех продуктов для регенерации воздуха, изготовленных по примерам 1-7, разница количества поглощенного диоксида углерода в единицу времени не превышает 5%, на чертеже (кривая 2) представлено изменение среднего значения этого параметра.

Таблица
Способ получения продукта	Масса продукта, г	Время защитного действия, мин	Количество поглощенного СО2, л	Степень отработки по CO2, %
По примеру 1	205	52	25,1	74
По примеру 2	204	53	25,2	75
По примеру 3	204	54	25,4	76
По примеру 4	206	55	27,1	78
По примеру 5	205	54	25,3	75
По примеру 6	204	52	24,9	72
По примеру 7	205	52	24,8	71
Продукт по патенту РФ № 2408403	205	46	21,8	64

Как видно из представленных табличных и графических 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.

Перечисленные выше позитивные аспекты, связанные с процессом хемосорбции диоксида углерода, обусловлены наличием в продукте для регенерации воздуха галогенидов щелочных металлов и способом их введения в продукт, что приводит к снижению вязкости поверхностной пленки водного раствора, образующейся на поверхности продукта для регенерации воздуха. Это, в свою очередь, приводит к усилению диффузионных процессов в жидкой фазе и повышению растворимости реагирующих веществ в водном растворе поверхностной пленки, т.е. повышает кинетику процесса хемосорбции диоксида углерода продуктом для регенерации воздуха. Это особенно актуально при эксплуатации продукта для регенерации воздуха в системах жизнеобеспечения человека в режиме высоких нагрузок, требующих быстрого удаления из газовой фазы значительного количества СO₂.