УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГИГРОСКОПИЧНОГО СУБМИКРОННОГО АЭРОЗОЛЯ ГАЛОГЕНИДОВ ЩЕЛОЧНЫХ И ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ

Полезная модель относится к области физики аэродисперсных систем, а именно к устройствам для получения субмикронных аэрозолей галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов и может быть использована в системах кондиционирования воздуха и создания целебного микроклимата помещений, а также в медицине при лечении заболеваний, при которых показаны ингаляции атмосферного воздуха, содержащего гигроскопичный субмикронный аэрозоль галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов.
Известно устройство для получения субмикронного аэрозоля иодида металла в атмосферном воздухе, включающее цилиндрическую печь, в которой установлен реактор с кварцевой ложечкой, содержащей испаряющийся иодид серебра (AgI), патрубок подачи атмосферного воздуха в реактор, камеру охлаждения паровоздушного потока из реактора и конденсации пересыщенных паров с образованием субмикронного аэрозоля AgI для исследования его льдообразующей активности в атмосфере (А.М. Бакланов и др. «Новая установка для исследования льдообразующей активности аэрозолей», Известия Сибирского отделения АН СССР, выпуск 4, №9, с. 155, 1976).
Недостатком описанного устройства является невозможность использования субмикронного аэрозоля AgI в системах кондиционирования воздуха и создания целебного микроклимата помещений, а также его использование в медицинских целях, поскольку частицы негигроскопичны и, соответственно, не растворяются в организме человека.
Известно также устройство для получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля галогенидов щелочных металлов, включающее цилиндрическую электропечь, в которой установлен кварцевый цилиндрический реактор с испаряющимся гигроскопичным галогенидом щелочного металла, патрубок подачи воздуха от компрессора в кварцевый цилиндрический реактор, камеру турбулентного смешения на выходе из кварцевого цилиндрического реактора паровоздушной смеси с холодным воздухом с образованием субмикронного аэрозоля галогенида щелочного металла. В качестве галогенида щелочного металла используют хлористый натрий (Н.А. Фукс, А.Г. Сутугин, «Высокодисперсные аэрозоли», Успехи химии, том 37, выпуск 11, с. 1965-1976, 1968).
Недостатком данного устройства является невозможность одновременного получения смеси субмикронного аэрозоля галогенидов щелочных щелочноземельных металлов, что снижает его лечебные и профилактические свойства.
Известно также устройство для получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля иодидов щелочных металлов, содержащее цилиндрический корпус, в центральной части которого соосно, с кольцевым зазором расположена цилиндрическая электропечь, в трубчатом канале которой размещен химически инертный реактор с испаряющимся иодидом щелочного металла, вентилятор для подачи через сетку, установленную в нижнем торце цилиндрического корпуса, атмосферного воздуха внутрь трубчатого канала цилиндрической электропечи и в кольцевой зазор между ней и цилиндрическим корпусом, камеру турбулентного разбавления с охлаждением паровоздушной смеси на выходе из химически инертного реактора потоком атмосферного воздуха из кольцевого зазора между цилиндрическим корпусом и цилиндрической электропечью, блоки питания вентилятора и электропечи регулируемым напряжением, установленные в нижней части цилиндрического корпуса (Патент RU №2276608, Кл. A61L 9/14, опублик. 2006)
Недостатком данного устройства является невозможность одновременного получения смеси субмикронного аэрозоля галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов, что снижает его лечебные и профилактические свойства.
Известно, также, устройство для получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля иодидов щелочных металлов, содержащее цилиндрический корпус, в центральной части которого соосно. с кольцевым зазором расположена цилиндрическая электропечь, в трубчатом канале которой размещен химически инертный реактор с испаряющимся иодидом щелочного металла, вентилятор, установленный соосно трубчатому каналу перед цилиндрической электропечью, для подачи через сетку, расположенную в нижнем торце цилиндрического корпуса, атмосферного воздуха внутрь трубчатого канала цилиндрической электропечи и в кольцевой зазор между ней и цилиндрическим корпусом, металлический тигель, расположенный соосно между вентилятором и трубчатым каналом, с диаметром превышающим диаметр трубчатого канала электропечи, подставку под химически инертный реактор, камеру турбулентного разбавления с охлаждением паровоздушной смеси на выходе из химически инертного реактора потоком атмосферного воздуха из кольцевого зазора между цилиндрическим корпусом и цилиндрической электропечью, блоки питания вентилятора и электропечи регулируемым напряжением, установленные в нижней части цилиндрического корпуса, съемную перфорированную крышку на верхнем торце цилиндрического корпуса (Патент RU №2334560, КЛ. B05B 1/24, опублик. 2008).
Недостатком описанного устройства является невозможность одновременного получения смеси субмикронных аэрозолей галогенидов (йодидов, хлоридов, бромидов) щелочных и щелочноземельных металлов различного химического состава для ингаляционного йодирования человека и его галотерапии.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является устройство для получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля галогенидов щелочных и щелочноземельных щелочных металлов. содержащее корпус, с вертикально расположенной цилиндрической электропечью, химически инертные реакторы, размещенные в ее трубчатом канале, подставку под химически инертные реакторы, набор химически инертных реакторов, заполненных иодидами, хлоридами, сульфатами и/или бромидами лития, натрия, калия, магния и/или кальция, вентилятор, установленный перед цилиндрической электропечью, сетку, расположенную в нижнем торце корпуса, камеру турбулентного разбавления с охлаждением паровоздушной смеси на выходе из химически инертных реакторов, металлический тигель, блоки питания вентилятора и электропечи регулируемым напряжением, съемную крышку на верхнем торце корпуса (Патент RU, №2362631, Кл. В05В 17/00, опублик. 2009).
Недостатком описанного устройства является невозможность осуществления одновременного нагрева до различных температур отдельных галогенидов металлов или их смесей, так как набор химически инертных реакторов с различной площадью выходных отверстий помещен в трубчатый канал одной печи и каждый реактор нагрет до одинаковой температуры. В результате, невозможно осуществлять нагрев различных химически инертных реакторов до разных температур в одном наборе и регулировать варьированием температуры значения плотностей потоков массы паров, массовую производительность образования аэрозолей термоконденсационным способом и их химический состав из каждого химически инертного реактора с фиксированной площадью выходного отверстий.
Задача устройства для получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля состоит в обеспечении возможности одновременного и раздельного нагревания каждого химически инертного реактора в заданном диапазоне температур.
Указанная задача решается тем, что в устройстве для получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов, содержащем корпус, набор химически инертных реакторов с отношением диаметров их выходных отверстий от 1 до 5 и количеством от 2 до 15, и заполненных галогенидами щелочных или щелочноземельных металлов или их смесью, вентилятор, сетку, расположенную на нижнем торце корпуса, камеру турбулентного разбавления с охлаждением паровоздушной смеси на выходе из набора химически инертных реакторов потоком атмосферного воздуха, блоки питания, установленные в нижней части корпуса, съемную крышку на верхнем торце корпуса, согласно полезной модели, в центральной части корпуса установлен набор параллельных цилиндрических трубчатых электропечей в количестве от 2 до 15, а химически инертные реакторы установлены в трубчатых каналах электропечей так, что в каждом трубчатом канале цилиндрической электропечи размещен один химически инертный реактор.
Использование описанной полезной модели позволяет получить технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей устройства для получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов путем одновременного и раздельного нагревания каждого химически инертного реактора в заданном диапазоне температур и одновременного и раздельного варьирования массовой скорости образования и химического состава аэрозолей иодидов, хлоридов, сульфатов и/или бромидов металлов за счет одновременного и раздельного нагревания до различных температур их солевых композиций в наборе химически инертных реакторов различной площади.
В результате установки набора химически инертных реакторов различной площади в наборе электропечей удается расширить функциональные возможности устройства для получения смеси субмикронных аэрозольных частиц различного химического состава и массовой концентрации иодидов, бромидов, сульфатов и хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов (литий, натрий, калий, магний, кальций) путем варьирования температуры каждого химически инертного реактора с заданной площадью выходного отверстий в одном наборе.
Одновременное и раздельное варьирование температуры нагревания каждого химически инертного реактора с фиксированной площадью выходного отверстия в трубчатых каналах набора электропечей позволяет варьировать в широком диапазоне значения плотности потока массы пара различных солевых композиций из выходных отверстий набора химически инертных реакторов различной площади и путем осуществления последующей термоконденсации паров получать аэрозоли различного химического состава и массовой концентрации. В результате удается варьировать в широком диапазоне химический состав субмикронных аэрозольных частиц и массовую скорость их образования не только соотношением площадей выходных отверстий химически инертных реакторов, но и одновременным и раздельным нагреванием химически инертных реакторов до различных температур, поскольку при фиксированной площади поверхности испарения и заданном составе смеси солей щелочных и щелочноземельных металлов давление их паров и плотности потока их массы существенно зависит от температуры нагревания.
Выбор диапазона температур нагревания каждого химически инертного реактора определяется составом солевых композиций, помещенных внутрь набора химически инертных реакторов, и требованиями конкретного химического состава и массовой концентрации субмикронных аэрозолей на выходе из устройства.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства для получения субмикронного аэрозоля галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов.
J
J
J
J
Устройство по изобретению содержит корпус 1, блок коммутации 2 напряжения питания U набора цилиндрических электропечей 3(J=1, 2, 3-15) с трубчатыми каналами - 4, газораспределительная сетка - 5, набор химически инертных реакторов - 6(J=1, 2, 3-15), заправленных испаряющимися галогенидами щелочных и щелочноземельных металлов 7, камеру 8 для турбулентного разбавления с охлаждением паровоздушной смеси на выходе из набора химически инертных реакторов 6 потоком атмосферного воздуха Q, съемная перфорированная крышка 9, размещенная на верхнем торце корпуса 1, вентилятор 10 для подачи атмосферного воздуха в устройство, блок питания вентилятора 11, блок питания набора цилиндрических электропечей 12. сетку 13, установленную на нижнем торце корпуса 1, выходы отверстий химически инертных реакторов 14.
1
2
3
J
J
B
1
2
3
J
J
A
B
1
2
3
J
J
На схеме приняты также следующие обозначения: d, d, d и d - диаметры выходов химически инертных реакторов в наборе 6, где J=1, 2, 3-15; Q = объемный расход атмосферного воздуха, подаваемый вентилятором 10 в корпус 1 через сетку 13; T - температура воздушного потока на входе в цилиндрический корпус 1; T, T, T и T - соответственно, температуры в центре химически инертных реакторов 6, где J≤15; T - температура аэрозольного потока на выходе из устройства; U - напряжение питания вентилятора от блока 11; U, U, U и U - соответственно, напряжения питания набора электропечей 3 от блоков 2 и 12, где J≤15.
2
3
Корпус 1 выполнен цилиндрическим или в виде прямоугольного параллелепипеда. Вентилятор 10, блоки питания вентилятора 11 и набора цилиндрических электропечей 12 установлены в нижней части корпуса 1. Цилиндрические электропечи 3; установлены вертикально и параллельно в центральной части корпуса 1. В каждом трубчатом канале 4 установлено по одному химически инертному реактору 6;. Набор химически инертных реакторов изготовлен на основе корундовой керамики (AlO).
J
2
4
4
2
2
Каждый химически инертный реактор в наборе 6 заправлен твердым расплавом галогенида металла 7 или их солевой смесью. Состав солевой композиции определяется требованиями осуществления ингаляционного йодирования и/или галотерапии человека. В качестве иодидов, хлоридов, сульфатов и бромидов щелочных и щелочноземельных металлов используют различные сочетания пятнадцати растворимых в воде солей металлов, а именно: LiI, KI, NaI, CaI: LiCl, KCl, NaCl, MgSO, CaSO, CaCl; LiBr, KBr, NaBr, MgBr и/или CaBr.
j
J
J
J
В наборе химически инертных реакторов отношение диаметров их выходов варьируют от 1 до 5, т.е. для любых двух химически инертных реакторов за номерами i и J отношение диаметров их выходных отверстий d/d=1-5, где i=1, 2, 3-15 и J=1, 2, 3-15. В результате в наборе 6 могут быть химически инертные реакторы как с одинаковыми так и с различными диаметрами выходных отверстий. В случае использования различных реакторов отношение максимального и минимального диаметров их выходных отверстий не превышает пяти для любых выбранных пар реакторов в наборе 6.
B
Устройство работает следующим образом. С помощью вентилятора 10 из окружающей атмосферы в устройство поступает воздушный поток Q комнатной температурой T.
J
J
J
J
J
J
Нагревание набора химически инертных реакторов 6 в наборе цилиндрических электропечей 3 до различных температур осуществляют путем подачи различного напряжения U от блоков коммутации напряжения 2 и питания 12. Температура испарения T солей с поверхности химически инертных реакторов 6 составляет 600-1000°C в зависимости от химического состава солевых композиций в наборе реакторов 6 и требований к химическому составу и концентрации аэрозолей.
I
J
J
J
J
J
J
2
2
Парогазовый поток щелочных и щелочноземельных металлов на выходе из набора химически инертных реакторов первоначально охлаждают до температуры 200-250°C потоком атмосферного воздуха Q за счет излучения и теплопроводности. В процессе спонтанной термоконденсации пересыщенных паров солей с величиной степени пересыщения паров L>10 образуются биполярно заряженные аэрозольные частицы галогенидов лития, калия, натрия, магния и/или кальция (в зависимости от состава солевых композиций) с диаметром от 0,005 до 1 мкм, массовая концентрация и состав которых зависит от температуры T и величины диаметров d выходных отверстий 15 набора химически инертных реакторов, поскольку величины T и d определяет давление паров солей и площадь поверхности их испарения S=π(d)/4.
Пара
Газа
Пара
Газа
Пара
Газа
J
J
Варьирование температуры нагрева каждого реактора позволяет регулировать интенсивность испарения вещества в парогазовую фазу с плотностью потока массы пара J=εΔC, где ΔC=(C-C) - движущая сила потока. Здесь C и C - концентрации пара испаряющейся солевой композиции на поверхности раздела фаз и в объеме газовой фазы соответственно, а ε - коэффициент массоотдачи, зависящий от условий взаимодействия поверхности испаряющегося вещества с газовой фазой. Значения C и C определяются давлением паров P=exp(-A/T+B) и экспоненциально зависят от температуры T солевой композиции [8]. В результате варьированием температуры нагревания каждого реактора генерируются методом спонтанной термоконденсации субмикронные аэрозоли различного химического состава при фиксированной площади выходных отверстий набора химически инертных реакторов.
Далее поток субмикронных аэрозолей дополнительно охлаждают в камере 8 до температуры 30-50°C с одновременным разбавлением концентрации частиц от 2 до 100 турбулентным перемешиванием в камере 8 потоком атмосферного воздуха Q.
Таким образом, на первом этапе осуществляют охлаждение парогазовой смеси до температуры 200-250°C с образованием субмикронного аэрозоля, а на втором этапе дополнительно охлаждают аэрозольный поток практически до комнатной температуры с одновременным разбавлением массовой концентрации субмикронных частиц турбулентным перемешиванием с дополнительным газовым потоком Q.
Поток Q создают не только для охлаждения, разбавления концентрации субмикронного аэрозоля и последующего его перемешивания с атмосферным воздухом, но и для снятия тепловых нагрузок с корпуса 1. В результате его температура отличается от температуры окружающего воздуха не более чем на 10-20°C.
-19
Экспериментально было, также, показано, что часть субмикронных аэрозольных частиц галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов положительно и отрицательно (биполярно) заряжены с зарядом q=+/-(1-4)e, где e=1,6×10 кулона - заряд электрона.
Оптимальная относительная влажность атмосферного воздуха для генерации субмикронного аэрозоля галогенидов щелочных и
щелочноземельных металлов составляет 30-75% при температуре 10-40°C.
Пример работы устройства.
Известно, что состав морского аэрозоля практически совпадает с химическим составом солей, растворенных в морской воде. В таблице №1 приведен химический состав основных элементов солевых компонент в воде мирового океана и в плазме человека.
Таблица №1.
Основные элементы
Na+
Mg2+
K+
Ca2+
Cl-
SO<sub>4</sub>-
Br-
Вода Мирового Океана, % масс.
30,7
3,7
1,2
1,2
55,3
7,8
0,2
Плазма крови человека, % масс.
30,0
0,2
1,8
1,8
49,3
0,2
-
Как видно из таблицы №1 основными макроэлементами солевой смеси в морской воде являются ионы хлора, натрия, калия, кальция, сульфата серы и брома. Основная соль - хлористый натрий (86% масс).
В связи с этим был выбран набор солевых композиций, состоящий из четырех химически инертных реакторов, которые были заправлены хлоридами натрия (NaCl) и калия (KCl), бромидом натрия (NaBr) для галотерапии, а также йодидом калия (KI) для ингаляционного йодирования.
J=1
J=1
1
1
2
Цилиндрический химически инертный реактор №1 (J=1) был заправлен 90 г хлорида натрия, диаметр его выходного отверстия и площадь составляли d=35 мм и S=9,62 см, температура нагревания соли T=800-810°C, давление насыщенных паров NaCl было равно ≈0,5-0,6 мм. рт. ст. Напряжение питание и мощность цилиндрической электропечи U=170 В и 400 Ватт.
2
2
2
2
2
Цилиндрический химически инертный реактор №2 (J=2) был заправлен 18 г хлорида калия, диаметр d=14 мм, площадь S=1,54 см и температура T=730-750°C. Давление насыщенных паров KCl было равно = 0,3 мм. рт. ст. Напряжение питание и мощность цилиндрической электропечи U=190 В и 100 Ватт.
3
3
3
3
2
Цилиндрический химически инертный реактор №3 (J=3) был заправлен 18 г бромистого натрия, диаметр d=14 мм, площадь S=1,54 см и температура T=760-770°C. Давление насыщенных паров NaBr было равно ≈0,15-0,2 мм. рт. ст. Напряжение питание и мощность цилиндрической электропечи U=200 В и 120 Ватт.
4
4
4
4
2
Цилиндрический химически инертный реактор №4 (J=4) был заправлен 18 г йодистого калия, диаметр d=14 мм, площадь S=1,54 см и температура нагревания составляла T=700-710°C. Давление насыщенных паров KI было равно ≈0,5 мм рт. ст. Напряжение питание и мощность цилиндрической электропечи U=180 В и 85 Ватт.
Каждый реактор был изготовлен из керамики на основе корунда. Отношение диаметров и площадей их выходных отверстий было равно (1 и 2,57) и (1 и 6,6).
Сетки 9 и 13 были выполнены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т.
Относительная влажность атмосферного воздуха составляла около 50% при 22-24°C. Объемный расход атмосферного воздуха Q=3 литр/сек.
Температуру вдоль оси и на поверхности наборов электропечей и химически инертных реакторов регистрировали термопарами из материала хромель-алюмель.
1
J
3
Температуре парогазовых потоков и давление паров P(200-250°C) на выходе из трубчатых каналов 4 составляли 200-250°C и менее 10° мм. рт. ст. Степень пересыщения паров L=P(T)/P(200-250°C)>10.
A
Температура аэрозольного потока на выходе из устройства T=35-45°C.
B
B
J
Напряжение питания вентилятора U=10 В. Прямые измерения показали, что температура корпуса вентилятора 10 близка к температуре атмосферного воздуха на входе в устройство T. Таким образом, вентилятор 10 и блоки питания 11 и 12 были защищены от воздействия теплового излучения от набора электропечей 3.
Массовый расход и массовая концентрация субмикронных аэрозолей определялись весовым методом путем аспирационного отбора на выходе из устройства аэрозольных частиц на стекловолокнистые плоские фильтры с ультратонким диаметром волокон, а химический состав фильтрата аэрозолей измерялся атомноадсорбционным и атомноспектрометрическим с индуцированной плазмой методами анализа.
Средний размер частиц, измеренный по величине коэффициента их диффузии, составлял около 0,05-0,2 мкм.
Массовый расход-производительность аэрозолей хлорида натрия M(NaCl)=5-6 мкг/сек, хлорида калия M(KCl)=0.4-0,5 мкг/сек, бромида натрия M(NaBr)=0,25-0,3 мкг/сек и иодида калия M(KI)=0,7-0,8 мкг/сек.
+
-
+
-
-
В результате было установлено, что химический состав аэрозольных частиц, измеренный на выходе из заявленного устройства, состоял из смеси ионов натрия, хлора, калия, брома и йода (% масс): Na(30%), Cl(50%), K(10%), Br(3%) и I(7%). Суммарная массовая производительность получения субмикронного аэрозоля составляла около 7-8 мкг/сек.
Данный химический состав и концентрации галогенидов металлов невозможно получить с помощью устройства по прототипу для выбранного набора химически инертных реакторов с фиксированными значениями выходных отверстий.
Для выбранного набора реакторов массовая концентрация и химический состав регулируется в широком диапазоне значений варьированием температуры нагрева каждого реактора, что невозможно в устройстве по прототипу.
Заправленной соли галогенидов металлов (≈144 г) было достаточно для непрерывного получения в атмосферном воздухе в течение 500 дней при непрерывной работе по 8 часов в сутки биполярно заряженных субмикронных аэрозольных частиц с размером от 0,05 до 0,5 мкм и массовой производительностью M=7-8 мкг/сек.
-
-
-
-2
+
+
+
+2
+
4
Следовательно, описанное устройство обеспечивает одновременное получение в атмосферном воздухе гигроскопичного субмикронного аэрозоля галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов с размером положительно и отрицательно заряженных частиц от 0,005 до 1 мкм, а также позволяет варьировать их химический состав и массовую концентрацию в широких пределах одновременно температурой нагревания и площадью испарения солей различного химического состава. Это позволяет использовать данное устройство для создания морского воздуха различного химического состава по содержанию ионов йода, хлора, брома, калия, натрия, лития, кальция, магния в усваиваемой организмом человека форме (I, Cl, Br, SO , K, Na, Li, Ca, Mg) в системах кондиционирования воздуха и создания лечебного микроклимата внутри помещений, а также в лечебнопрофилактических целях путем ингаляции атмосферного воздуха, содержащего гигроскопичный субмикронный аэрозоль галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов с регулируемым в широких пределах химическим составом и массовой концентрацией.