СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОДУКТА ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ ВОЗДУХА
METHOD OF OBTAINING PRODUCT FOR AIR REGENERATION

Изобретение относится к способам получения продуктов для регенерации воздуха на основе надпероксида калия, используемых в индивидуальных дыхательных аппаратах (ИДА).
2
2
4
2
2
4
2
2
2
2
Известен способ получения продукта для регенерации воздуха [патент РФ №2518610, МПК А62D 9/00, 2014 г. ], осуществляемый следующим образом. В раствор пероксида водорода (НО) с концентрацией от 50 до 85% массовых при интенсивном перемешивании последовательно вводят сульфат магния (MgSO), гидроксид лития (LiOH), галогениды щелочных металлов (MeHal) и гидроксид калия. В качестве галогенидов щелочных металлов используют хлориды лития, натрия, калия или их смесь. Гидроксид калия вводят в систему не менее чем через 30 минут после введения галогенидов щелочных металлов. Причем мольное соотношение исходных компонентов должно составлять следующие величины: HO/MgSO=500÷1000; HO/LiOH=2,65÷11,78; KOH/MeHal=15÷105; НO/КОН=1,68÷1,94. Для снижения кинетики процесса распада пероксида водорода добавление гидроксида калия проводят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. Полученный щелочной раствор пероксида водорода диспергируют форсункой в сушильную камеру в прямотоке сушильного агента, где происходит его дегидратация. Температуру сушильного агента варьируют в пределах от 120 до 300°С (предпочтительно 180÷230°С). Далее полученный продукт формуют различными способами для придания определенной геометрической формы (гранулы, блоки, таблетки и др.).
Однако продукт для регенерации воздуха, полученный известным способом, характеризуется недостаточно высокой механической прочностью. Низкая механическая прочность продукта для регенерации воздуха приводит к образованию большого количества мелкодисперсной фракции (пыли), образующейся при механическом истирании гранул продукта, вызванного вибрацией при постоянном ношении индивидуальных дыхательных аппаратов на теле пользователя (шахтеры, горноспасатели и представители ряда других профессий в силу специфики своего труда для обеспечения безопасной деятельности должны постоянно носить индивидуальные дыхательные аппараты). Наличие большого количества мелкодисперсной фракции регенеративного продукта в патроне индивидуального дыхательного аппарата при его эксплуатации приводит к высокому содержанию щелочных аэрозолей в регенерируемом воздухе, что негативно сказывается на здоровье пользователя.
Кроме того, наличие большого количества мелкодисперсной фракции приводит к уменьшению удельной поверхности транспортных пор продукта, что в дальнейшем осложняет процесс поглощения паров воды и диоксида углерода (основные процессы регенерации воздуха), снижает кинетику хемосорбционного процесса и приводит к увеличению гидродинамического сопротивления дыханию человека.
Задачей изобретения является разработка способа получения продукта для регенерации воздуха, имеющего улучшенные эксплуатационные характеристик при его работе в составе индивидуальных дыхательных аппаратов.
Технический результат заключается в получении продукта для регенерации воздуха, имеющего высокую механическую прочность, обеспечивающего высокую скорость процесса хемосорбции диоксида углерода и снижение гидродинамического сопротивления дыханию пользователя при его эксплуатации в индивидуальных дыхательных аппаратах.
Дополнительным техническим результатом является повышение экономичности и безопасности процесса.
Технический результат достигается тем, что в способе получения продукта для регенерации воздуха путем смешения раствора пероксида водорода с сульфатом магния и гидроксидами лития и калия с последующей дегидратацией полученного щелочного раствора пероксида водорода распылением его в токе сушильного агента в раствор пероксида водорода после его смешения с сульфатом магния вводят тетрабораты щелочных металлов.
2
2
4
2
2
2
4
7
2
2
2
2
При этом мольное соотношение исходных компонентов равно следующим величинам: пероксид водорода/сульфат магния (HO/MgSO)=450÷800; пероксид водорода/тетраборат щелочного металла (НО/МеВO)=400÷700; пероксид водорода/гидроксид лития (НО/LiOH)=3,0÷15,0; пероксид водорода/гидроксид калия (НО/КОН)=1,60÷2,00.
Предпочтительно в качестве тетраборатов щелочных металлов используют тетрабораты лития, натрия, калия или их смесь.
Гидроксид калия предпочтительно вводить в жидкую фазу примерно через 10÷15 минут после введения всех других компонентов.
Изобретение позволяет достигнуть заявленный технический результат по следующим обстоятельствам. Во-первых, введение в состав продукта для регенерации воздуха в указанном количестве тетраборатов щелочных металлов в результате совместной кристаллизации с остальными компонентами из жидкой фазы улучшает адгезионные свойства материала, что положительно сказывается на механической прочности получаемых из него гранул, блоков и др. Во-вторых, как хорошо известно специалистам, работающим в технике процессов хемосорбции, поглощение из газообразной фазы сорбата происходит в тонком слое жидкой фазы, образующейся на поверхности хемосорбентов. Часто лимитирующей стадией процессов хемосорбции является внутренняя диффузия молекул сорбата в объем жидкой фазы и образование в ней ионизированных молекул, вступающих в химические реакции. Присутствие в жидкой фазе в указанном количестве тетраборатов щелочных металлов приводит к снижению вязкости поверхностной пленки водного раствора, образующейся на поверхности продукта для регенерации воздуха, что приводит к усилению диффузионных процессов на границах раздела фаз, в жидкой фазе и повышению растворимости и ионизации реагирующих веществ в водном растворе поверхностной пленки. В результате за счет интенсификации массообменных процессов на границах газ - жидкость и жидкость - твердая фаза повышается кинетика процесса хемосорбции диоксида углерода продуктом для регенерации воздуха.
Следует также отметить, что полученный щелочной раствор пероксида водорода при температуре 25°С за 8 часов (продолжительность технологического цикла) теряет не более 0,35% активного кислорода, т.е. меньше, чем щелочной раствор пероксида водорода, приготовленный с использованием технологических приемов и соотношения компонентов, описанных в патенте РФ 2518610. Таким образом, здесь абсолютно уместно говорить об увеличении стабилизирующего влияния присутствующих в щелочном растворе пероксида водорода ионов на химическую устойчивость жидкой фазы и повышении безопасности процесса получения продукта для регенерации воздуха. Механизм стабилизации различных растворов пероксида водорода неизвестен [Г.А. Серышев. Химия и технология перекиси водорода. - Л.: Химия, - 1984. - С. 182]. Поэтому сложно однозначно оценить влияние того или иного иона или их ассоциатов, содержащихся в многокомпонентном растворе, на стабильность системы в целом. Нахождение стабилизатора для конкретной цели - задача, которая решается только эмпирическим путем. Но было отмечено, что в раствор пероксида водорода в первую очередь следует вводить сульфат магния, а после его растворения вводить в полученный раствор тетрабораты щелочных металлов.
Кроме того, использование тетраборатов щелочных металлов позволяет ускорить процесс приготовления щелочного раствора пероксида водорода, что положительно отражается на экономичности способа получения продукта для регенерации воздуха.
2
2
4
2
2
2
4
7
2
2
2
2
Способ получения продукта для регенерации воздуха осуществляют следующим образом. В раствор пероксида водорода с концентрацией от 50 до 85% массовых при интенсивном перемешивании вводят сульфат магния. После его полного растворения (примерно 1-3 минуты) в жидкую фазу вводят тетрабораты щелочных металлов, гидроксид лития и гидроксид калия. Гидроксид калия вводят в систему через 10÷15 минут после введения гидроксида лития. Мольное соотношение исходных компонентов должно составлять следующие величины: пероксид водорода/сульфат магния (HO/MgSO)=450÷800; пероксид водорода/тетраборат щелочного металла (НО/МеBО)=400÷700; пероксид водорода/гидроксид лития (НО/LiOH)=3,0÷15,0; пероксид водорода/гидроксид калия (НО/КОН)=1,60÷2,00. Для снижения кинетики процесса распада пероксида водорода добавление гидроксидов лития и калия проводят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 25°С. Полученный 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÷220°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 1-5 приведены данные о получении заявляемым способом продукта для регенерации воздуха.
Пример 1
2
2
4
4
2
2
2
4
7
2
2
2
2
2
2
2
2
2
4
7
4
К 56,82 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 150 г сульфата магния (HO/MgSO=800). После растворения MgSO примерно через 1 минуту в жидкую фазу вводят 425 г тетрабората лития (НO/МеВO=400), затем 8 кг гидроксида лития (НO/LiOH=3). Примерно через 15 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (НO/КОН=2,0). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 25°С. После этого раствор диспергируют через форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный осушенный воздух, нагретый до температуры 220°С. Расход раствора через форсунку составляет 155 мл/мин. Расход сушильного агента 970 кг/час. Получают 40,1 кг продукта, содержащего 66,4% КO, 8,4% КОН, 15,7% LiO, 4,1% LiOH, 4,0% НO, 1,05% LiВO и 0,35% MgSO.
Пример 2
2
2
4
4
2
2
2
4
7
2
2
2
2
2
2
2
2
2
4
7
4
К 51,7 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 210 г сульфата магния (HO/MgSO=520). После растворения MgSO примерно через 1,5 минуты в жидкую фазу вводят 304 г тетрабората калия (НO/МеВO=700), затем 4,37 кг гидроксида лития (НO/LiOH=5). Примерно через 13 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (НO/КОН=1,82). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 25°С. Далее, как в примере 1. Получают 38,7 кг продукта, содержащего 72,5% КO, 10,1% КОН, 9,5% LiO, 2,7% LiOH, 4,2% НO, 0,75% КВO и 0,25% MgSO.
Пример 3
2
2
4
4
2
2
2
4
7
2
2
2
2
2
2
2
2
2
4
7
4
К 45,45 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 160 г сульфата магния (HO/MgSO=600). После растворения MgSO примерно через 1,5 минуты в жидкую фазу вводят 270 г тетрабората натрия (НO/МеВO=600), затем 1,28 кг гидроксида лития (НO/LiOH=15). Примерно через 10 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (НO/КОН=1,6). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 25°С. Далее, как в примере 1. Получают 36,4 кг продукта, содержащего 78,7% КO, 13,4% КОН, 2,8% LiO, 0,4% LiOH, 3,5% НO, 0,74% NaBO и 0,46% MgSO.
Пример 4
2
2
4
4
2
2
2
4
7
2
2
2
2
2
2
2
2
2
4
7
4
К 27,23 л водного 85% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 167 г сульфата магния (HO/MgSO=670). После растворения MgSO примерно через 2 минуты в жидкую фазу вводят 218 г тетрабората калия и 158 г тетрабората лития (HO/MeBO=500), затем 3,19 кг гидроксида лития (НO/ LiOH=7). Примерно через 14 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (НO/КОН=1,86). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 25°С. Далее, как в примере 1. Получают 37,9 кг продукта, содержащего 75,6% КO, 12,0% КОН, 6,4% LiO, 1,4% LiOH, 3,3% НO, 0,85% МеВO и 0,45% MgSO.
Пример 5
2
2
4
4
2
2
2
4
7
2
2
2
2
2
2
2
2
2
4
7
4
К 48,9 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 230 г сульфата магния (HO/MgSO=450). После растворения MgSO примерно через 3 минуты в жидкую фазу вводят 121,9 г тетрабората калия, 105,2 тетрабората натрия и 88,6 г тетрабората лития (НO/МеВO=550), затем 2,06 кг гидроксида лития (НО/LiOH=10). Примерно через 12 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (НО/КОН=1,72). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 25°С. Далее, как в примере 1. Получают 36,6 кг продукта, содержащего 74,8% КO, 12,7% КОН, 5,8% LiO, 0,8% LiOH, 4,4% НO, 0,83% МеВO и 0,67% MgSO.
Продукт для регенерации воздуха, полученный заявляемым способом, испытан в патроне серийного индивидуального дыхательного аппарата ШСС-Т (ТУ ВТ 8.154.000), используемого шахтерами и горноспасателями, на установке "Искусственные легкие". Перед проведением испытаний на установке "Искусственные легкие" аппараты ШСС-Т, снаряженные продуктом для регенерации воздуха, изготовленным по примерам 1-5, были подвергнуты вибрационной нагрузке, имитирующей непрерывное ношение ИДА на теле пользователя в течение 2 дней.
Испытания на установке "Искусственные легкие" проводили при следующих условиях:
легочная вентиляция
35,0±1, л/мин
объемная подача диоксида углерода
1,57±0,03, л/мин
влажность газовоздушной смеси, %
96-98
частота дыхания
20±0,5, мин<sup>-1</sup>
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.
2
2
2
Для сравнения в тех же условиях (включая проведение вибрационных нагрузок) испытывался продукт для регенерации воздуха, специально изготовленный по способу, описанному в патенте РФ №2518610 (пример 4). Все продукты для регенерации воздуха имели форму гранул одинакового размера и плотности. Время защитного действия ИДА определяли как время от начала его работы до того момента, когда концентрация СO в потоке газовоздушной смеси на линии "вдоха" установки «Искусственные легкие» достигала 3%. Результаты испытаний представлены в таблице и на графиках Фиг. 1 и Фиг. 2. На Фиг. 1 представлена зависимость гидродинамического сопротивления дыханию пользователя от времени работы в патроне ИДА на линии вдоха. Кривая 1 на графике Фиг. 1 характеризует гидродинамического сопротивления дыханию пользователя при работе ИДА, снаряженного продуктом для регенерации воздуха, полученным по способу, описанному в патенте РФ №2518610. Кривая 2 на графике Фиг. 1 характеризует изменение данного параметра при работе ИДА, снаряженного продуктом для регенерации воздуха, полученным по изобретению. Поскольку для всех продуктов для регенерации воздуха, изготовленных по примерам 1-5, разница изменения данного параметра в единицу времени не превышает 5%, на графике (кривая 2) представлено изменение среднего значения гидродинамического сопротивления дыханию пользователя. На Фиг. 2 представлены кинетические кривые поглощения диоксида углерода различными продуктами для регенерации воздуха. Кривая 1 характеризует кинетику поглощения СO продуктом для регенерации воздуха, полученным по способу, описанному в примере 4 патента РФ №2518610. Кривая 2 характеризует кинетику поглощения СO продуктом для регенерации воздуха по изобретению. Поскольку для всех продуктов для регенерации воздуха, изготовленных по примерам 1-5, разница количества поглощенного диоксида углерода в единицу времени не превышает 5%, на фиг. 2 (кривая 2) представлено изменение среднего значения этого параметра.
Из представленных на графиках Фиг. 1 зависимостей можно сделать вывод, что продукт для регенерации воздуха, полученный по изобретению, обладает большей механической прочностью, чем продукт, изготовленный по патенту РФ №2518610. Это следует из того факта, что в момент запуска индивидуального дыхательного аппарата, снаряженного продуктом, изготовленным по патенту РФ №2518610, гидродинамическое сопротивление дыханию пользователя на 12-16 мм водяного столба выше вследствие образования при вибрационной нагрузке в патроне аппарата мелкодисперсной фракции, чем аналогичное значение для аппарата, снаряженного продуктом для регенерации воздуха, полученным по изобретению.
Как видно из представленных на Фиг. 2 графических данных, продукт для регенерации воздуха, полученный по изобретению, обладает более высокими кинетическими параметрами процесса хемосорбции диоксида углерода в сравнении с продуктом по патенту РФ №2518610. При этом по таким важным эксплуатационным характеристикам, как время защитного действия и степень отработки по диоксиду углерода (данные представлены в таблице), продукт для регенерации воздуха, полученный по изобретению, превосходит аналогичные показатели продукта по патенту РФ №2518610.
2
Перечисленные выше позитивные аспекты, связанные с процессом регенерации воздуха в патроне ИДА, обусловлены наличием в продукте для регенерации воздуха тетраборатов щелочных металлов и способом их введения в продукт, что приводит, во-первых, к повышению механической прочности гранул продукта, а во-вторых, к снижению вязкости поверхностной пленки водного раствора, образующейся на поверхности продукта. Это, в свою очередь, приводит к усилению диффузионных процессов на границах раздела фаз, в жидкой фазе и повышению растворимости и ионизации реагирующих веществ в водном растворе поверхностной пленки. В результате за счет интенсификации массообменных процессов на границах газ - жидкость и жидкость - твердая фаза повышается кинетика 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 СO.
Кроме того, присутствие в щелочном растворе пероксида водорода тетраборатов щелочных металлов и последовательность введения в жидкую фазу исходных компонентов позволяют сократить время приготовления щелочного раствора пероксида водорода и снизить в течение производственного цикла выделение атомарного кислорода, т.е. повысить безопасность и экономичность процесса.