СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ СОСТАВА МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ В ГЕРМЕТИЗИРОВАННОМ КОНТЕЙНЕРЕ И УСТРОЙСТВО ГЕРМЕТИЗИРОВАННОГО КОНТЕЙНЕРА
METHOD FOR CONTROL OF COMPOSITION OF MULTICOMPONENT GAS MEDIUM IN SEALED CONTAINER AND DEVICE OF SEALED CONTAINER

Предлагаемое изобретение относится к области методов регулирования состава газовых сред (ГС) герметизированных контейнеров и может быть использовано для регулирования содержания газообразных компонентов ГС с хранящимися в них и выделяющими агрессивные газообразные компоненты материалами для обеспечения безопасных условий их хранения.
Известен способ получения регулируемых газовых смесей с малым содержанием кислорода (патент РФ №2079002, МГЖ F04F 5/14, публ. 10.05.1997 г.), включающий измерение параметров многокомпонентной газовой среды, содержащей активный (азот) и пассивный (кислород) компоненты, регулирование параметров многокомпонентной ГС путем доведения их значения до номинального и безопасного уровня с использованием размещенного в емкости в качестве устройства регулирования состава ГС путем подсоса пассивной среды рассчитанного заранее на требуемый состав регулируемой газовой смеси сменного кольцевого вкладыша с соответствующим числом калиброванных отверстий.
Недостатком известного способа является отсутствие возможности регулирования с требуемой точностью концентрации агрессивного компонента на безопасном уровне, поскольку предусмотрена регистрация изменения только одного параметра газовой среды - давления активной среды.
Задачей авторов изобретения является разработка способа, позволяющего с требуемой точностью измерять и регулировать концентрацию агрессивного компонента газовой среды с поддержанием номинального безопасного состояния с учетом изменения комплекса показателей состояния многокомпонентной газовой среды.
Новый технический результат, обеспечиваемый предлагаемым способом, заключается в обеспечении безопасности и возможности более точного регулирования концентрации агрессивного компонента газовой среды с поддержанием номинального безопасного состояния с учетом изменения комплекса показателей состояния многокомпонентной газовой среды.
Кроме того, технический результат состоит в обеспечении возможности регулирования состава многокомпонентной газовой среды для поддержания безопасного содержания агрессивного компонента (водорода) путем удаления его из ГС герметизированного контейнера.
Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в отличие от известного способа регулирования состава многокомпонентной ГС в герметизированном контейнере, включающем помещение выделяющего агрессивные газообразные компоненты материала для хранения его в полости герметизированного контейнера, в котором выполнен элемент для введения пассивной среды в полость контейнера, согласно предлагаемому способу в процессе хранения упомянутого материала поддерживают постоянный естественный приток пассивной среды в виде кислорода с потоком воздуха через съемную калиброванную трубку в качестве элемента для введения пассивной среды в полость контейнера, диаметр съемной трубки определяют из условия соответствия амплитуды периодического изменения давления в герметизированном контейнере значению, рассчитываемому по следующей математической формуле:
где  - амплитуда изменения давления в контейнере, Па;
- средняя скорость выделения агрессивного газообразного компонента в контейнере, моль/с;
σ - период изменения температуры теплоносителя, с;
3
R - универсальная газовая постоянная, Па⋅м/(моль⋅К);
Т - температура, К;
3
W - объем газового пространства контейнера, м
- относительная концентрация кислорода в воздухе;
- относительная минимальная концентрация кислорода в контейнере, и осуществляют в режиме реального времени постоянную регистрацию содержания водорода в качестве агрессивного компонента в ГС герметизированного контейнера при помощи соответствующих датчиков концентраций водорода, содержание которого изменяют до номинального с использованием комплексного порошкообразного поглотителя продуктов взаимодействия водорода с кислородом воздуха, состоящего из порошкообразного поглотителя воды и порошкообразного катализатора реакции связывания водорода в гидроокись водорода, а установление факта безопасного содержания водорода в ГС герметизированного контейнера осуществляют путем сравнения измеренной концентрации водорода в ГС с номинальным (безопасным) значением, и дополнительно осуществляют поступление кислорода из атмосферы воздуха путем использования U-образной трубки для введения теплоносителя в полость герметизированного контейнера, соединяющей его с источником теплоносителя, температуру которого меняют один раз в сутки с выдержкой в ступенчатом режиме сначала при (10±5)°С, затем при (45±5)°С для принудительного введения кислорода с воздухом под действием сформированного таким образом градиента/перепада между давлением ГС в полости герметизированного контейнера и окружающей средой.
Известно устройство контейнера с хранящимися в нем материалами, выделяющими агрессивные компоненты их взаимодействия с ГС из патента РФ №2079002, МГЖ F04F 5/14, публ. 10.05.1997 г.), включающее корпус, снабженный элементом сообщения внутренней полости контейнера с окружающей средой.
Недостатком известного устройства является то, что в нем предусмотрена регистрация изменения только одного параметра газовой среды - давления активной (агрессивной) среды.
Техническим результатом заявляемого устройства является обеспечение возможности регулирования состава ГС герметизированного контейнера как по агрессивному так и по пассивному компоненту ГС герметизированного контейнера.
Указанный технический результат достигается тем, что в отличие от известного устройства, включающего корпус, снабженный элементом сообщения внутренней полости контейнера с окружающей средой, согласно предлагаемому изобретению в полости герметизированного контейнера дополнительно установлена U-образная трубка для принудительного введения теплоносителя в герметизированный контейнер, соединяющая его с источником теплоносителя, контейнер снабжен сменной трубкой из набора трубок с калиброванными размерами, зависящими от переменных параметров ГС герметизированного контейнера, в качестве элемента сообщения полости контейнера с окружающей средой для введения кислорода с потоком воздуха, дополнительно в полости контейнера установлены датчики концентрации водорода и комплексный поглотитель, состоящий из пространственно отделенного катализатора реакции окисления водорода кислородом воздуха от поглотителя продуктов окисления (гидроокиси водорода), образовавшихся при взаимодействии водорода с кислородом воздуха, при этом диаметр трубки герметизированного контейнера, выбирается из математической формулы:
где  - амплитуда изменения давления в контейнере, Па;
- средняя скорость выделения агрессивного газообразного компонента в контейнере, моль/с;
σ - период изменения температуры теплоносителя, с;
3
R - универсальная газовая постоянная, Па⋅м/(моль⋅К);
- средняя температура, К;
3
W - объем газового пространства контейнера, м;
- относительная концентрация кислорода в воздухе;
- относительная минимальная концентрация кислорода в контейнере.
Предлагаемые способ и устройство для его реализации поясняется следующим образом.
На фиг. 1 представлен общий вид конструкции герметизированного контейнера, где 1 - контейнер, 2 - материал, выделяющий агрессивный газообразный компонент (водород), 3 - калиброванная трубка газообмена с окружающей средой, 4 - датчик концентрации водорода, 5 - датчик давления, 6 - комплексный поглотитель, 7 - катализатор реакции окисления агрессивного компонента (водород), 8 - сорбент продукта окисления, 9 - U-образная трубка и трубопровод теплоносителя.
Устройство, представленное на фиг. 1 работает следующим образом.
Первоначально во внутреннюю полость в герметизированного контейнера 1 помещают выделяющий агрессивный газообразный компонент (водород) материал 2 для его хранения в течение времени наблюдения.
В контейнере 1 устанавливают трубопровод 9 в виде U-образной трубки, по которому осуществляется постоянное движение теплоносителя. Температуру теплоносителя периодически меняют ступенчато от минимального (10±5)°С до максимального (45±3)°С значений. Изменение температуры теплоносителя приводит к периодическому изменению температуры газовой среды контейнера и, как следствие, к периодическому изменению давления в контейнере. В результате возникает знакопеременный перепад между давлением в контейнере и давлением окружающей среды, приводящий к образованию знакопеременного конвективного движения через трубку 3 газовой среды из контейнера в окружающую среду и обратного потока воздуха в контейнер, что способствует регулированию состава ГС в полости контейнера.
Через трубку 3 газообмена с окружающей средой вместе с потоком воздуха в контейнер 1 поступает пассивная среда в виде кислорода.
Для обеспечения поступления в контейнер необходимого количества кислорода диаметр трубки 3 газообмена с окружающей средой подбирают из набора сменных калиброванных трубок таким образом, чтобы амплитуда периодического изменения давления в контейнере соответствовала значению, рассчитываемому по следующей математической формуле:
где  - амплитуда изменения давления в контейнере, Па;
- средняя скорость выделения агрессивного газообразного компонента в контейнере, моль/с;
σ - период изменения температуры теплоносителя, с;
3
R - универсальная газовая постоянная, Па⋅м/(моль⋅К);
- средняя температура, К;
3
W - объем газового пространства контейнера, м;
- относительная концентрация кислорода в воздухе;
- относительная минимальная концентрация кислорода в контейнере.
В ходе наблюдения в герметизированном контейнере 1 поддерживается постоянный приток пассивной среды в виде кислорода, за счет газообмена, вызванного колебаниями давления в контейнере.
При реализации способа осуществляют в режиме реального времени постоянную регистрацию давления в контейнере с помощью датчика 5 и содержания агрессивного газообразного компонента (водород) в ГС герметизированного контейнера при помощи соответствующих датчиков 4 концентраций водорода, установленных в полости герметизированного контейнера 1. Содержание агрессивного газообразного компонента (водород) изменяют до номинального с использованием комплексного поглотителя 6, который обеспечивает окисление водорода кислородом воздуха. Поглотитель 6 состоит из катализатора реакции окисления водорода 7 и сорбента продукта окисления (вода) 8 (например, палладийсодержащий катализатор и силикагель в качестве сорбента воды).
В ходе хранения материала 2 (как это можно наблюдать по показаниям датчиков 4 концентраций) постоянно удалялись из объема контейнера агрессивный газообразный компонент (водород) и продукт его окисления (вода) за счет функционального участия комплексного поглотителя 6. При этом концентрация водорода оставалась на постоянном безопасном уровне.
Таким образом, показано, что заявляемый способ обеспечивает регулирование состава ГС герметизированного контейнера за счет снижения/удаления агрессивного газообразного компонента (водорода) до безопасного значения концентрации его в ГС и частичной компенсации кислорода, израсходованного на каталитическое окисление водорода путем естественной и принудительной подачи кислорода с потоком воздуха.
Возможность промышленной реализации предлагаемого изобретения подтверждена следующим примером.
3
3
Пример 1. Заявляемый способ реализован в лабораторных условиях с использованием емкости (объем 8,0 дм) в качестве герметизированного контейнера с исходной воздушной средой, куда было организовано поступление водорода. Емкость была оснащена датчиками измерения концентраций водорода, кислорода и давления. В условиях примера емкость была помещена в герметичный контейнер объемом 2 м, для того чтобы исключить влияние изменения атмосферного давления.
3
3
3
Продолжительность эксперимента составила 220 суток. Скорость поступления водорода в емкость составила следующие величины: в первые 40 суток - 0,05 дм/сут.; в промежутке (40-100) суток - 0,02 дм/сут.; в промежутке (100-200) суток - 0,01 дм/сут.
В качестве катализатора реакции окисления водорода был использован металлический палладий, нанесенный на гранулы оксида алюминия в количестве - 2% масс. Масса катализатора составила 4 г. В качестве адсорбента для поглощения воды был применен силикагель КСМГ. В емкость был вмонтирован трубопровод, по которому было осуществлено движение теплоносителя (вода).
В условиях примера температура теплоносителя изменялась по следующей схеме: первые сутки (10±5)°С, вторые сутки (45±5)°С, третьи сутки (10±5)°С, четвертые сутки (45±5)°С и т.д. с такой же периодичностью.
Диаметр трубки газообмена с окружающей средой 3 был подобран экспериментально, исходя условия соответствия амплитуды периодического изменения давления в емкости значению, рассчитываемому по формуле
где  - амплитуда изменения давления в емкости, Па;
- средняя скорость выделения агрессивного газообразного компонента в емкости, моль/с;
σ - период изменения температуры теплоносителя, с;
3
R - универсальная газовая постоянная, Па⋅м/(моль⋅К);
- средняя температура, К;
3
W - объем газового пространства емкости, м;
- относительная концентрация кислорода в воздухе;
- относительная минимальная концентрация кислорода в емкости.
Входящие в формулу (1) параметры имели следующие значения:
- средняя скорость выделения водорода в емкости
v
-8
J=1,085⋅10 моль/с = 0,021 л/сут.;
4
- период изменения температуры теплоносителя σ=8,64⋅10 с=1 сутки;
3
- универсальная газовая постоянная R=8,314 Па⋅м/(моль⋅К);
- средняя температура в емкости
-3
3
- объем газового пространства емкости W=8⋅10 м.
- относительная концентрация кислорода в воздухе
- относительная минимальная концентрация кислорода в емкости
Согласно формуле (1), расчетное значение амплитуды изменения давления в контейнере составило 461 Па (3,5 мм рт. ст.). Диаметр трубки газообмена с окружающей средой 3, обеспечивающий указанное значение амплитуды составил 12 мкм при длине трубки 10 мм.
Измерения давления в контейнере показали, что среднее значение амплитуды изменения давления в контейнере составило 4,1 мм рт. ст.
3
Объемы газов расчетным путем приводили к нормальным условиям (температура 0°С, давление 101,325 кПа). За время эксперимента в герметичную емкость поступило 4,2 дм водорода.
Концентрация водорода, измеренная в конце эксперимента составила менее 0,001% об.
3
3
3
3
Концентрация кислорода, измеренная в конце эксперимента составила 17,2% об. Объем кислорода, находившегося в емкости в конце эксперимента, составил 1,33 дм. Объем кислорода, израсходованный на окисление поступившего в емкость водорода, составил 2,1 дм. Изначально в емкости находилось 1,57 дм кислорода. Результирующий поток кислорода, поступившего из воздуха окружающей среды в емкость, составил 1,33 дм.
Для регулирования состава ГС дополнительно установлена U-образная трубка для введения теплоносителя в емкость, соединяющая ее с источником теплоносителя, температуру которого с кратностью один раз в сутки ступенчато меняют в диапазоне величин от (10±5)°С до (45±5)°С. Это способствует поступлению дополнительного количества кислорода с воздухом из окружающей среды за счет сформированного таким образом перепада давлений в объеме емкости.
Таким образом, экспериментально установлено, что при использовании заявляемого способа и устройства для его реализации, обеспечивается новый технический результат, заключающийся в обеспечении возможности регулирования состава ГС герметизированного контейнера за счет частичной компенсации кислорода, израсходованного на каталитическое окисление водорода, поступающего путем естественной и принудительной подачи кислорода с воздухом в полость герметизированного контейнера.