СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩЕЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ В ГЕРМЕТИЧНОМ КОНТЕЙНЕРЕ И СПОСОБ ЗАДЕЙСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ
CONTROL SYSTEM OF MULTICOMPONENT OXYGEN-CONTAINING GAS MEDIUM IN SEALED CONTAINER AND METHOD OF SYSTEM ACTIVATION

Предполагаемое изобретение относится к области технологий регулирования состава многокомпонентной газовой среды (ГС) и систем безопасного хранения химически активных или агрессивных материалов, и может быть использовано для мониторинга взрыво- и пожароопасных систем.
Актуальность решаемой проблемы основана на необходимости поддержания постоянства состава многокомпонентной кислородсодержащей газовой среды в замкнутых объемах, в которых хранятся химически активные материалы, выделяющие продукты взаимодействия их с компонентами ГС.
В качестве наиболее близкого к заявляемому устройству известна конструкция системы регулирования и контроля многокомпонентной газовой среды, содержащей кислород и водород в замкнутом объеме, имеющая канал с сенсорами кислорода и водорода на входе и выходе из канала оснащенные камерой с водородопроницаемой мембраной, каталитический элемент для рекомбинации водорода в зоне селективного разделения компонентов кислородсодержащей многокомпонентной ГС, подключенные к системе регистрации и управления, (патент РФ №2493560, МПК G01N 27/417, публ. 20.09.13). Изобретение обеспечивает возможность непрерывного контроля кислорода и водорода в ГС в объеме помещения с высокой степенью точности и надежности.
К недостаткам известного устройства относится отсутствие возможности точного контроля изменения концентрации кислорода и водорода и оперативного их регулирования.
Задачей авторов изобретения является разработка устройства системы формирования регулируемой многокомпонентной кислородсодержащей газовой среды в замкнутом объеме.
Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого устройства, заключается в повышении безопасности функционирования системы и эффективности своевременной и регулируемой подачи кислорода в емкость с химически активным веществом.
Указанные задача и новый технический результат, обеспечиваемый изобретением, обеспечивается тем, что в отличие от известной системы формирования регулируемой многокомпонентной кислородсодержащей газовой среды в замкнутом объеме, включающей емкости с адсорбентами, перфорированную мембрану, составляющие зону селективного разделения газообразных компонентов многокомпонентной кислородсодержащей газовой среды, отличающаяся тем, что, дополнительно в упомянутой системе, содержащей химически активное вещество в отдельной емкости, в которую поступает многокомпонентная кислородсодержащая газовая среда заданного состава, размещен реактор закрытого типа для проведения каталитической реакции получения воды из кислорода и водорода, заполненный порошкообразным химическим источником кислорода в виде надпероксидов щелочных металлов, выполненный с двойными стенками, в межстеночном пространстве которого размещен гранулированный комплексный катализатор на основе оксида алюминия с нанесенным поверхностным слоем палладия, одна из емкостей с адсорбентом, контактирующая через перфорированную мембрану с реактором, содержит в качестве адсорбента цеолит для поглощения паров воды, а вторая из них содержит в качестве адсорбента смесь гранулированных силикагеля и активного угля для поглощения органических газообразных соединений и сообщается с емкостью с химически активным веществом через перфорированную мембрану, все емкости и реактор объединены в единую замкнутую систему, при этом в каждой емкости установлены измерительные приборы для мониторинга состояния газовой среды.
Из уровня техники в качестве аналога предлагаемому способу известен способ контроля и определения концентрации кислорода в водородсодержащей ГС регулируемой многокомпонентной кислородсодержащей газовой среды в замкнутом объеме, где первоначально в ГС определяют сенсором содержание водорода, регистрируют его значение регистрирующим прибором, затем пропускают ГС через нагретый каталитически активный слой для рекомбинации водорода или кислорода и регистрируют конечные концентрации компонентов в ГС, что обеспечивает возможность непрерывного контроля кислорода и водорода в ГС с высокой степенью точности (патент РФ №2293972, МПК G01N 27/12, публ. 20.02.07).
К недостаткам аналога относится отсутствие возможности регулирования состава многокомпонентной ГС по другим составляющим ее веществам.
3
Известен в качестве прототипа заявляемого способ поддержания оптимального состава многокомпонентной газовой среды в системе формирования регулируемой кислородсодержащей многокомпонентной газовой среды в замкнутом объеме, включающем направление потока регулируемой многокомпонентной газовой среды через систему емкостей с адсорбентами, разделенных между собой перфорированной перегородкой, составляющих зону селективного разделения газообразных компонентов регулируемой многокомпонентной кислородсодержащей газовой среды способ регулирования состава многокомпонентной газовой среды путем постоянного отведения водорода (патент РФ №2112737, МПК С01В 03/00, публ. 10.06.1998 г.), по которому в реакционный объем вводят инертный адсорбент, на границе его контакта с агентом гидрирования размещают пористую перегородку, толщина которой не более среднеарифметического размера гранул адсорбента. Реализуемая емкость поглотителя 200-248 мл/ч, скорость гидрирования 13,8-15 см/г⋅ч.
Недостатком известного способа является отсутствие возможности точного контроля изменения одновременно концентрации кислорода и водорода и оперативного регулирования параметров.
Задачей авторов изобретения является разработка способа поддержания оптимального состава многокомпонентной газовой среды.
Новый технический результат заключается в обеспечении возможности точного контроля изменения концентрации кислорода и водорода и оперативного их регулирования.
Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в отличие от известного, в заявляемом способе поддержания оптимального состава многокомпонентной газовой среды в системе формирования регулируемой кислородсодержащей многокомпонентной газовой среды в замкнутом объеме, включающем направление потока регулируемой многокомпонентной газовой среды через систему емкостей с адсорбентами, разделенных между собой перфорированной мембраной, составляющих зону селективного разделения газообразных компонентов регулируемой многокомпонентной кислородсодержащей газовой среды, согласно изобретению, процесс формирования кислородсодержащей многокомпонентной газовой среды заданного состава осуществляют поэтапно путем разделения на отдельные компоненты многокомпонентной газовой среды на выходе из емкости с химически активным веществом, дополнительно размещенного в отдельной емкости, с последующим проведением каталитической реакции получения стехиометрического количества воды в реакторе, дополнительно установленного в упомянутой системе, взаимодействием избыточного кислорода, получаемого из порошкообразного химического источника кислорода (ХИК), находящегося в реакторе в виде надпероксидов щелочных металлов в расчетном количестве, и водорода, выделяемого в процессе взаимодействия химически активного вещества (ХАВ) в емкости с многокомпонентной газовой средой, с использованием комплексного катализатора на основе оксида алюминия с нанесенным поверхностным слоем палладия, который размещают в межстеночном пространстве реактора, выполненного с двойными стенками, а полученную таким образом кислородсодержащую многокомпонентную газовую среду под действием градиента давления и концентраций, сформировавшихся в системе, подают в емкость с ХАВ.
Предлагаемые система и способ регулирования многокомпонентной кислородсодержащей газовой среды в замкнутом объеме поясняются следующим образом.
В настоящее время для поддержания оптимального состава ГС в замкнутых объемах изделий нефтехимической и металлургической промышленности применяют одно- или многокомпонентные поглотители, способные адсорбировать пары воды, органических соединений, аммиака, сероводорода, оксидов углерода, серы, азота. В атомной промышленности и машиностроении используются катализаторы окисления водорода, органических соединений, оксида углерода (II). В замкнутых объемах систем жизнеобеспечения пилотируемых авиационных, космических, глубоководных аппаратов и в медицине применяют широкий спектр органических и неорганических соединений (ХИК)) на основе щелочных и щелочноземельных металлов - калия, натрия, кальция, магния и бария, в основном, это пероксиды, а также хлораты и перхлораты калия и натрия.
Однако для специализированных задач требуется обеспечение постоянства состава ГС в замкнутых объемах с одновременным выполнением следующих требований:
- поглощение органических соединений и паров воды,
- окисление водорода и оксида углерода (II),
- постоянная концентрация кислорода.
Анализ информации не выявил технологических устройств, удовлетворяющий всем поставленным требованиям.
В изобретении предлагается вариант конструкции системы, позволяющей одновременно поглощать водород, пары воды и органические соединения, а также генерировать кислород в ГС герметичных контейнеров.
Способ регулирования путем поддержания постоянства состава ГС в замкнутых объемах и комплексный газовлагопоглотитель (ГВП) предлагается использовать при изготовлении защитных средств и устройств очистки газовых сред. ГВП, поглощающий водород, пары воды и органические примеси из газовой среды, и одновременно генерирующий кислород, способен поддерживать оптимальный состав газовой среды в замкнутых объемах, оснащенных полимерными материалами и микроэлектронными устройствами разного назначения.
Процесс регулирования, и, как следствие, формирования кислородсодержащей многокомпонентной газовой среды заданного состава осуществляют поэтапно путем разделения на отдельные компоненты многокомпонентной газовой среды на выходе из емкости с химически активным веществом, дополнительно размещенного в отдельной емкости, с последующим проведением каталитической реакции получения стехиометрического количества воды в реакторе, дополнительно установленного в упомянутой системе, взаимодействием избыточного кислорода, получаемого из порошкообразного химического источника кислорода (ХИК), находящегося в реакторе в виде надпероксидов щелочных металлов (преимущественно К и Na) в расчетном количестве, и водорода, выделяемого в процессе взаимодействия химически активного вещества (ХАВ) в емкости с многокомпонентной ГС, с использованием комплексного катализатора на основе оксида алюминия с нанесенным поверхностным слоем палладия, который размещают в межстеночном пространстве реактора, выполненного с двойными стенками (образующими защитную, так называемую «воздушную рубашку»), а полученную таким образом кислородсодержащую многокомпонентную ГС под действием градиента давления и концентраций, сформировавшихся в системе, подают в емкость с ХАВ.
На фиг. 1 представлена упрощенная блочная конструкция системы, состоящей из поглотителя водорода, паров воды и органических соединений, оснащенного ХИК на основе надпероксидов щелочных металлов. 1 - «верхний» блок; 2 - «средний» блок; 3 - внешний «нижний» блок; 4 - внутренний «нижний» блок; 5 - Активный уголь АГ-3; 6 - Силикагель КСМГ; 7 - Цеолит NaA; 8 - Катализатор К-ПГ; 9 - ХИК на основе надпероксид калия. Каждый из блоков имеет определенное функциональное назначение:
- «верхний» блок поглотителя (поз. 1) содержит силикагель и активный уголь АГ-3 (поз. 11), и предназначен для адсорбции паров воды и органических соединений;
- «средний» блок (поз. 2) содержит цеолит NaA (поз. 9),
«нижний» блок состоит из двух (поз. 3) и (поз. 4), содержащих катализатор палладиевый гранулированный К-ПГ (поз. 8), и надпероксида калия, или натрия (поз. 9).
Соединение блоков обеспечивается с помощью резьбового крепления.
Перфорированные торцевые поверхности блоков обеспечивают свободный газообмен, а их пространственное расположение предотвращает возможность вытекания обводненных гидроксидов щелочных металлов.
Принцип работы предложенной системы регулирования многокомпонентной кислородсодержащей газовой среды в герметичном контейнере поглотителей состоит из нескольких стадий:
- адсорбции органических соединений и паров воды на компонентах поглотителя: активном угле АГ-3, силикагеле КСМГ и цеолите NaA;
- диффузии очищенного водорода и кислорода через защитные адсорбционные слои «верхнего» и «среднего» блоков в «нижний» блок;
- каталитического окисления молекул водорода на гранулированном катализаторе К-ПГ с образованием молекул воды в «нижнем» блоке поглотителя;
- взаимодействия образовавшихся в «нижнем» по направлению движения очищаемой ГС блоке паров воды с надпероксидами щелочных металлов (калия или натрия) с образованием соответствующих металлам гидроксидов и молекулярного кислорода;
- диффузии молекулярного кислорода из «нижнего» блока поглотителя в замкнутый объем герметичного контейнера, что обеспечивается перфорированными стенками блока с ХИК.
При использовании предлагаемой системы и способа обеспечивается весь комплекс необходимых операций:
- поглощение органических соединений и паров воды;
- окисление водорода и оксида углерода (II) до экологически безопасных продуктов;
- поддержание постоянства концентрации кислорода в герметичном контейнере.
В предлагаемом способе предусмотрено проведение периодического анализа отобранных проб состава многокомпонентной ГС по водороду, по органическим компонентам ГС, по содержанию газообразного оксида углерода (СО), промежуточных продуктов (этанол, ацетон и т.п.), и важнее всего по содержанию кислорода, т.к. в присутствии катализатора на основе палладия без кислорода будут развиваться процессы гидридной коррозии химически активных материалов, что негативно скажется на работе системы в целом (измерительных приборов, хранимых химически активных материалов и иных объектов).
Для этого в каждой емкости с адсорбентами установлены измерительные приборы для мониторинга состояния ГС, регистрирующие сигналы датчиков концентрации компонентов наблюдаемой ГС.
Раздельная компоновка блоков системы поглотителей обеспечивает независимое изменение масс силикагеля КСМГ, активного угля АГ-3, цеолита NaA и ХИК и, тем самым, позволяет оптимизировать его массогабаритные характеристики в зависимости от поставленных задач (размеров замкнутого объема, концентрации водорода и т.д.), что создает предпосылки для универсального применения такой конструкции в замкнутых объемах.
В отличие от механической подачи кислорода (магистрали, баллоны) при химическом процессе получения кислорода из ХИК и по сравнению с прототипом удельная емкость кислорода в потоке на единицу массы компонента значительно выше, и при этом, она поддерживается на расчетном безопасном уровне.
По сравнению с аналогами, где количество поступающего кислорода из воздуха лимитировано свойствами адсорбента, выход кислорода в предлагаемом изобретении выше.
Таким образом, как это подтверждено экспериментально, при использовании предлагаемых системы регулирования многокомпонентной кислородсодержащей газовой среды в герметичном контейнере и способа задействования системы обеспечивается более высокий технический результат, чем в прототипе, а именно высокая степень экологичности и безопасности функционирования системы и эффективности своевременной и регулируемой подачи кислорода в емкость с химически активным веществом.
Возможность промышленной реализации подтверждена следующим примером.
Пример 1. Предлагаемая система регулирования многокомпонентной кислородсодержащей газовой среды в герметичном контейнере и способ задействования этой системы опробованы в лабораторных условиях на макете (фиг. 1), при этом использованы следующие материалы и типы конструкций:
- силикагель марки КСМГ (поз. 10), ГОСТ 3956-76, и активный уголь АГ-3 (поз. 11), ГОСТ 20464-75, предназначен для адсорбции паров воды и органических соединений;
- «средний» блок (поз. 2) содержит цеолит NaA (поз. 9), ТУ 38.10281-88, выполняет влагозащитную функцию ХИК;
- «нижний» блок состоит из двух зон (поз. 3) и (поз. 4), содержащих катализатор палладиевый гранулированный К-ПГ (поз. 8), ТУ 6-09-5514-84 и надпероксида калия, ГОСТ В 25669-83 или натрия, ТУ 6-16-21-90 (поз. 9).
Соединение блоков обеспечивается с помощью резьбового крепления.
Перфорированные торцевые поверхности блоков обеспечивают свободный газообмен, а их пространственное расположение предотвращает возможность вытекания обводненных гидроксидов щелочных металлов.
Принцип работы поглотителя был реализован в несколько стадий:
- адсорбции органических соединений и паров воды на компонентах поглотителя: активном угле АГ-3, силикагеле КСМГ и цеолите NaA;
- диффузии очищенного водорода и кислорода через защитные адсорбционные слои «верхнего» и «среднего» блоков в «нижний» блок;
- каталитического окисления молекул водорода на гранулированном катализаторе К-ПГ с образованием молекул воды в «нижнем» блоке поглотителя;
- взаимодействия образовавшихся в «нижнем» блоке паров воды с надпероксидами щелочных металлов (калия или натрия) с образованием соответствующих металлам гидроксидов и молекулярного кислорода;
- диффузии молекулярного кислорода из «нижнего» блока поглотителя в замкнутый объем контейнера.
В герметичном контейнере размещается порция химически активного материала. В системе предусмотрен блок с адсорбентом, в качестве которого используется активный уголь марки АГ-№3 и силикагель марки КСМГ для адсорбции и неполярных и полярных органических продуктов и воды. В «среднем» блоке размещен в качестве адсорбента - цеолит, функционирующий как влагопоглотитель для защиты катализатора на основе палладия и химического источника кислорода, при отсутствии которого может произойти снижение каталитической активности катализатора и работоспособность ХИК, т.к. при взаимодействии воды с последним произойдет его разложение.
Из блока 2 в блок 3 поступают только кислород и водород в чистом виде и в газообразном состоянии, другие компоненты ГС поглощены соответствующими поглотителями блока 2. Данный этап имеет большое значение для более точного регулирования состояния ГС по содержанию кислорода и водорода, поскольку при измерении указанных параметров содержание иных компонентов ГС не регистрируется, что не вносит помехи при определении фактического значения концентраций наблюдаемых компонентов ГС. В аналогах данной операции не предусмотрено.
В блоке 3 (реактор) происходит каталитическое окисление водорода кислородом, поступающим из блока 2.
В результате протекания каталитической реакции окисления водорода с образованием паров воды и их санкционированное взаимодействие с химическим источником кислорода. Полученный таким образом кислород диффундирует обратно на начальный этап для постоянного поддержания требуемого оптимума состава ГС в герметичном контейнере. Количество загружаемого в блок вещества ХИК (надпероксида щелочного металла) рассчитывалось по известной математической формуле, учитывающей время проведения эксперимента, заданное количество кислорода, необходимое для проведения каталитической реакции окисления водорода с получением паров воды, материала носителя ХИК и других технологических параметров.
При этом были достигнуты требования безопасности состояния ГС в герметичном контейнере и экологичности окружающей среды за счет поглощения органических и иных токсичных компонентов в блоках с соответствующими адсорбентами.
В процессе наблюдений за системой постоянно снимались показания измерительных приборов, по состоянию ГС (давления, температуры, влажности) герметичного контейнера и содержанию каждого компонента в отдельности.
В ходе эксперимента после загрузки в него химически активного материала в испытательный герметичный контейнер поступал водород. В контейнере водород в течение эксперимента практически отсутствовал. Количество кислорода за время эксперимента не снизилось, а поддерживалось на заданном уровне. Из ХИК постоянно выделялся кислород. По результатам измерений в течение всего эксперимента строились графики зависимости содержания критических компонентов (кислорода, водорода) ГС от времени наблюдений.
Как это показали эксперименты, при использовании предлагаемых системы регулирования многокомпонентной кислородсодержащей газовой среды в герметичном контейнере и способа задействования системы обеспечивается более высокий технический результат, чем в прототипе, а именно высокая степень экологичности и безопасности функционирования системы и эффективности своевременной и регулируемой подачи кислорода в емкость с химически активным веществом.