ФИЛЬТРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ
FILTER MATERIAL

Предлагаемое изобретение относится к прикладной химии, а именно к фильтрующим материалам (ФМ) на основе природного песка, предназначенным для изготовления фильтров очистки высокотемпературных газов от мелкодисперсных частиц и шлаковых образований в газогенераторах на твердых топливах (ГГТТ), используемых в средствах оперативного наддува различных спасательных устройств, в качестве источника сжатого газа в различных исполнительных механизмах, в устройствах газового пожаротушения и во многих других областях.
Основными характеристиками указанных ФМ, определяющими работоспособность и эффективность фильтров и газогенераторов в целом, являются пористость, газопроницаемость и размер пор. Чем выше пористость и газопроницаемость материала (и, соответственно, ниже газодинамическое сопротивление) и меньше размер пор (и, соответственно, меньше размер улавливаемых им частиц в фильтруемом газе), тем эффективнее ФМ. Важную роль для ФМ, используемых в фильтрах ГГТТ, играют также такие характеристики, как термостойкость, прочность и деформативность. Чем выше температура плавления и разложения, чем больше прочность при сжатии и ниже деформативность, тем эффективнее ФМ. Это обусловлено особенностью функционирования фильтров в газогенераторах на твердых топливах, которая заключается в том, что они должны работать в условиях высоких температур фильтруемого газа (от 300 до 1000°C, а во многих случаях и выше), больших перепадов давления на фильтре (от единиц до десятков МПа) и относительно больших газорасходов (от единиц до сотен литров в секунду). Под действием указанных факторов в процессе работы ГГТТ используемые в фильтрах ФМ могут плавиться, разлагаться и деформироваться, соответственно, уменьшая размер пор, пористость и газопроницаемость фильтра, что может приводить к скачкам внутрикамерного давления, неуправляемым изменениям режима газорасхода и другим аномалиям в работе ГГТТ, а в некоторых случаях - к его разрыву. Для исключения таких эффектов ФМ должен иметь температуру плавления и разложения выше температуры фильтруемого газа и высокую прочность при отсутствии (или низкой величине) деформации при перепадах давления на фильтре, реализуемых в ГГТТ. Возможность применения ФМ в фильтрах твердотопливных газогенераторов зависит также от их стоимости, доступности сырья, технологичности, стабильности и ряда других факторов.
В настоящее время известен ряд ФМ на основе природного песка, применяемых в фильтрах моноблочного вида в газогенераторах на твердых топливах: свидетельство РФ на полезную модель №28223 (опубл. 10.03.2003 г.), заявка на изобретение РФ №2005137240 (опубл. 10.08.2007 г.), патент РФ №2429898 (опубл. 27.09.2011 г.).
Эти ФМ уступают в прочности наилучшим известным фильтроматериалам из стали, никеля, латуни и других металлов и сплавов (пористым проницаемым материалам (ППМ)). Но имеют преимущества по ряду других характеристик. В частности, они имеют больший уровень пористости и газопроницаемости при приемлемом размере пор. Важно отметить, что ФМ этого вида используются в применяемых в практике газогенераторах на твердых топливах и подтвердили свою работоспособность при воздействиях всего комплекса факторов присущих работе ГГТТ. Кроме того, они включают более доступные и на порядок более дешевые компоненты и существенно более технологичны, позволяя простыми способами изготавливать из них фильтры различных форм и размеров.
При этом недостатком аналогов по свидетельству РФ на ПМ №28223 и патенту РФ №2429898 является низкая температура разложения (на уровне 400-420°C), что ограничивает область применения газогенераторов с использованием таких фильтрующих материалов. При использовании в ТТГГ газогенерирующих составов с более высокими температурами выделяемого при горении газа (а это наиболее широкий в настоящее время класс газогенерирующих топливных составов) применяемые в фильтрах материалы-аналоги могут разлагаться, резко снижая прочность, деформироваться, уменьшать размер пор и газопроницаемость. Это может приводить к непрогнозируемым изменениям режима работы и другим аномалиям в работе ГГТТ.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является ФМ по заявке на изобретение РФ №2005137240 (опубл. 10.06.2007 г.), принятый за прототип, включающий природный песок и натриевое стекло.
Известный ФМ, по сравнению с другими аналогами, имеет преимущество: существенно более высокую температуру разложения (на уровне 900°C) и, соответственно, сохраняет свои основные характеристики неизменными до указанного уровня температуры. Это позволяет использовать в ГГТТ с фильтрами из такого ФМ газогенерирующие составы с существенно более высокими температурами выделяемого при горении газа.
Однако прототип обладает рядом недостатков. Изготавливаемые из него фильтры имеют большие разбросы основных характеристик: пористости, газопроницаемости, размеров пор и прочности. Кроме того, прочность изготовленных из него фильтров существенно снижается в условиях повышенной относительной влажности воздуха. Указанные выше недостатки приводят к большим разбросам основных характеристик ГГТТ, непрогнозируемым изменениям режимов работы и различным аномалиям в их работе.
Следует отметить, что помимо натриевого стекла промышленностью выпускается значительное количество марок жидкого стекла, представляющих собой водные растворы силикатов натрия и калия в различных соотношениях. В прототипе в качестве связующего используется только один вид жидкого стекла - натриевое, что сужает сырьевую базу.
Применение ФМ по прототипу в фильтрах ГГТТ в указанных выше областях применения ведет к увеличению массогабаритных параметров ГГТТ и устройств на их основе, создает опасность невоспроизводимости основных характеристик средств спасения, исполнительных механизмов и средств пожаротушения, несанкционированных режимов работы этих устройств и их ненадежности, а разрыв ГГТТ от скачка давления приводит не только к несрабатыванию указанных средств, но и к дополнительной угрозе жизни людей, прибегшим в аварийной ситуации к этим средствам.
Указанные обстоятельства делают невозможным использование ФМ по прототипу во многих областях применения либо приводят к ухудшению основных показателей устройств на базе такого ФМ в областях, где возможно его применение. В целом это ведет к сужению диапазона областей применения фильтрующего материала.
Задачей предлагаемого изобретения является создание имеющего высокие эксплуатационные свойства и обеспечивающего расширение диапазона областей его применения и номенклатуры устройств, в которых он может применяться, фильтрующего материала на основе природного песка и натриевого песка, за счет существенного снижения разбросов основных характеристик, расширения номенклатуры связующих, увеличения прочности и снижения отрицательного влияния на нее влажности при одновременном сохранении достоинств ФМ на уровне прототипа в части повышенной температуры разложения и пористости.
Поставленная задача решается предлагаемым составом фильтрующего материала, который содержит природный песок и натриевое стекло. Особенность заключается в том, что в состав введен натрий кремнефтористый, а размер частиц природного песка составляет 0,5-1,0 мм, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
натриевое стекло
4,0-6,0
натрий кремнефтористый
0,6-1,0
природный песок с размером частиц
0,5-1,0 мм
остальное
В частности, фильтрующий материал содержит смесь натриевого и калиевого стекла в соотношении от 99,9:0,1 до 90,0:10,0.
Природный песок является твердым, дисперсным наполнителем, в основном, обеспечивающим построение матрицы пористой структуры фильтрующего материала с определенным уровнем профилирующих характеристик: пористости, размера пор и газопроницаемости.
Натриевое стекло или смесь натриевого и калиевого стекол в рецептуре выполняют роль связующего, обеспечивающего, в основном, технологические и механические свойства ФМ. При значительном содержании этого компонента в рецептуре, его количество начинает влиять также на газопроницаемость и размер пор.
Натрий кремнефтористый является отвердителем жидкого натриевого и калиевого стекла.
Технология приготовления заявляемого ФМ и изготовления из него фильтров использует широко применяемые в технике способы и оборудование. Она включает в себя следующие основные операции: очистку от инородных примесей, сушку и выделение на ситах требуемой фракции природного песка, приготовление смеси жидкого стекла и отвердителя в требуемом по рецептуре соотношении, смешение песка с приготовленной смесью жидкого стекла и отвердителя в требуемом по рецептуре соотношении, формование навески приготовленной смеси компонентов в пресс-форме при небольшом давлении и нормальной температуре, отверждение изделия в пресс-форме по ступенчатому режиму: сначала при температуре 80-100°C и затем - при более высокой температуре под небольшим вакуумом (оптимальные давление подпрессовки при формовании и режимы отверждения зависят от качества компонентов, массы и размеров изделия и подбираются опытным путем для каждого вида изделия) и выпрессовку изделия из пресс-формы.
В таблице приведены характеристики заявляемого ФМ для различного процентного содержания компонентов, при введении добавки калиевого стекла и при разной дисперсности фракций песка в сравнении с прототипом.
Рецептуры №№2, 3, 4 показали оптимальные результаты.
Расширение используемой фракции песка в сторону уменьшения нижней границы допустимых размеров частиц (менее 0,5 мм) ведет к значительному снижению размера пор. При этом существенно уменьшается газопроницаемость и значительно увеличиваются разбросы размеров пор и газопроницаемости (таблица). Увеличение верхней границы допустимых размеров частиц (более 1,0 мм) приводит к росту газопроницаемости. Однако при этом существенно увеличиваются верхний предел размера пор и разбросы как этих характеристик, так и прочности ФМ (таблица).
Уменьшение содержания стекла в рецептуре менее 4% вызывает существенное ухудшение прочности материала и значительное увеличение разбросов этого показателя (таблица). При этом резко ухудшаются технологические свойства материала. Увеличение его содержания свыше 6,0% незначительно увеличивает прочность ФМ, но ведет к существенному увеличению относительной деформации и снижению коэффициента газопроницаемости и уменьшению размера пор (таблица). Введение калиевого стекла вместо части (до 10% от всего количества стекла) натриевого стекла не ухудшает характеристики ФМ (таблица).
Уменьшение содержания натрия кремнефтористого в рецептуре менее 0,6% приводит к значительному снижению прочности материала. Увеличение его содержания более 1,0% нецелесообразно ввиду того, что при этом прочность ФМ практически не повышается (таблица), то есть происходит насыщение рецептуры отвердителем.
Сравнение заявляемого ФМ с прототипом показывает, что они содержат два одинаковых компонента: природный песок и натриевое стекло. Но заявляемый ФМ дополнительно включает новый компонент - натрий кремнефтористый, имеет существенно отличающийся фракционный состав природного песка и может дополнительно (до 10%) включать калиевое стекло.
Преимуществами заявляемого ФМ по сравнению с прототипом являются: более высокие уровни прочности и механических характеристик при повышенной влажности воздуха, существенно меньший верхний предел размера пор, существенно меньшие разбросы основных и механических характеристик и возможность использования в рецептуре смеси натриевого и калиевого стекол вместо чистого натриевого стекла. По остальным характеристикам он находится на том же уровне.
Сравнение заявляемого ФМ с прототипом и известными аналогами показывает, что в технике отсутствует фильтрующий материал, в котором имело бы место предложенное сочетание компонентов. Но именно такое их сочетание обусловило решение поставленной задачи по созданию фильтрующего материала на основе природного песка, обеспечивающего высокие эксплуатационные свойства и расширение диапазона областей его применения и номенклатуры устройств, в которых он может быть использован, за счет существенного снижения разбросов основных характеристик, уменьшения размера пор, повышения прочности и сохранения уровня этого показателя при повышенной влажности, возможности использования в рецептуре смеси натриевого и калиевого стекол вместо чистого натриевого стекла, при одновременном сохранении достоинств прототипа в части температуры разложения и пористости.
Использование предлагаемого ФМ в фильтрах ГГТТ позволяет существенно уменьшить разбросы основных характеристик (внутрикамерного давления, режимов газорасхода, времени выхода на режим, основного времени работы и других характеристик), уменьшить массогабаритные параметры газогенераторов, повысить удельную газопроизводительность с единицы массы и объема, повысить надежность и безопасность ГГТТ и устройств на их базе и тем самым - значительно расширить диапазон областей применения и номенклатуру устройств, в которых он может использоваться.
Заявляемый фильтрующий материал не вызывает затруднений при изготовлении из него фильтров. Используемый в нем песок широко распространен в природе, а все другие компоненты производятся промышленностью, доступны и дешевы.
Фильтры из заявляемого ФМ прошли огневые испытания в ряде модельных газогенераторов и подтвердили свою эффективность.
Таким образом, предлагаемое техническое решение практически реализуемо и удовлетворяет существующую потребность в дешевом и доступном фильтрующем материале с широким диапазоном областей применения.