УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ КИСЛОРОДА ИЗ ВОЗДУХА

Полезная модель относится к области химической технологии и может быть использована для получения кислорода выделением из атмосферного воздуха для лабораторных или технических целей.
Известно устройство для получения жидкого кислорода выделением его из воздуха (Установка для получения кислорода и азота из атмосферного воздуха. Болдырев А.П., Алексеев В.В., Огарков А.А., Земсков В.Н., Якимович А.В., Вьюнов В.В., патент RU 2447014). Это происходит в последовательном применении целого ряда устройств, в том числе компрессора, при помощи которого получается сжатый воздух, теплообменника, где происходит охлаждение сжатого воздуха, детандера, где происходит расширение воздуха с его ожижением, разделительной колонки, где происходит отделение жидкого кислорода от азота. Недостатком данного устройства является то, что это устройство очень сложное по конструкции и в применении, используется много дорогостоящего оборудования, требуется многочисленный высококвалифицированный персонал для его обслуживания. Устройство обладает высокой энергоемкостью, элементы устройства, такие как резервуары для сжатого воздуха и сжиженного кислорода, создают повышенную взрыво- и пожароопасность, требуют постоянного квалифицированного обслуживания и регулярной проверки на пригодность к применению. Это устройство экономически выгодно только для получения больших объемов кислорода.
Наиболее близким по конструкции к предлагаемой полезной модели является устройство для получения кислорода методом короткоцикловой безнагревной адсорбции (сокращенно КБА) (Установка для получения кислорода из атмосферного воздуха. Володин Н.А., Кормилицин Л.Н., Постников О.Д., Лагунов А.Т., патент RU 2140806), содержащее компрессор, подающий сжатый воздух в емкость, наполненную цеолитом. В результате наполнения сжатым воздухом емкости с цеолитом происходит взаимодействие кислорода, содержащегося в воздухе, с поверхностью пор цеолита и образованием связей кислорода с молекулами цеолита с последующей адсорбцией кислорода в порах цеолита. Азот, не обладая такой способностью, остается в газообразном состоянии. После достижения определенного значения давления прекращается нагнетание воздуха в объем с цеолитом и часть газа выпускают наружу. При этом в первую очередь уходит азот. Потом выходит смесь кислорода и азота с постепенным повышением концентрации кислорода. Когда чистота кислорода достигнет приемлемой величины, сброс давления прекращают и выделяющийся кислород подают потребителю. В таком устройстве используются две совершенно одинаковые емкости с цеолитом, это дает возможность обеспечить непрерывную подачу кислорода потребителю. В то время как в одну из емкостей нагнетается воздух, другая служит источником кислорода, в следующем цикле наоборот первая емкость служит источником кислорода, а во вторую емкость нагнетают воздух. Недостатком этого устройства является высокое энергопотребление для создания повышенного давления воздуха. Потери кислорода на этапе сбрасывания давления и вымывания азота из системы, опасности, возникающие с большими объемами сжатого воздуха, громоздкость аппаратуры.
Целью создания полезной модели являются: возможность работы устройства при обычном атмосферном давлении, уменьшение габаритов и веса устройства, а также снижение энергетических затрат при производстве кислорода.
Указанная цель достигается тем, что в устройстве, предназначенном для выделения кислорода из атмосферного воздуха, содержащем компрессор для подачи атмосферного воздуха с воздушным фильтром на его выходе, две емкости, внутри которых располагается рабочее тело, используемое для сорбции кислорода из воздуха, с входной трубкой для подачи от компрессора атмосферного воздуха, предлагается в качестве рабочего тела использовать рабочую жидкость, избирательно поглощающую кислород из воздуха. Кроме того, имеющиеся две емкости располагаются одна над другой, причем в нижней емкости ниже уровня поверхности рабочей жидкости расположен выход трубки, другой конец которой подсоединен через фильтр к компрессору, нагнетающему атмосферный воздух, кроме того, у дна нижней емкости расположен входной конец трубки для перекачки рабочей жидкости, второй конец которой соединен с насосом, а через трубку, снабженную наружным нагревателем, выход этого насоса соединен с верхней емкостью, в нижней части этой верхней емкости имеется входной конец трубки для перетекания рабочей жидкости в нижнюю емкость, а в верхней части верхней емкости имеется вход в отводную трубку для отвода выделившегося кислорода потребителю. В качестве рабочей жидкости предлагается использовать ацетат глицерола с гомогенным катализатором, в качестве которого используется ацетат марганца.
В предлагаемом устройстве не используется повышенное давление воздуха, в связи с чем повышается его экономичность, потому что не надо тратить энергию на сжатие воздуха, что также одновременно повышает безопасность, снижает вес и уменьшает габариты устройства.
Полезная модель поясняется чертежом, приведенным на фигуре 1.
Полезная модель содержит нижнюю емкость 1 с налитой в эту емкость рабочей жидкостью 2, входной воздушный патрубок 3, компрессор 4, воздушный фильтр 5, входную трубку 6, барботер 7, выпускной патрубок 8, трубку для отбора рабочей жидкости из нижней емкости 9, насос 10, верхнюю емкость 11, крышку 12, трубчатый электрический нагреватель 13, входной патрубок в верхнюю емкость 14, колпачок 15, пластинку крепления 16, выводную трубку для рабочей жидкости 17, рабочую жидкость в верхней емкости 18, трубку для отбора выделившегося кислорода 19, выпускной клапан 20, выходной патрубок для кислорода 21, крышку верхней емкости 22.
Полезная модель, показанная на фигуре 1, работает следующим образом. Атмосферный воздух продувается через рабочую жидкость 2, находящуюся в нижней емкости 1. Эта жидкость берется такой, что она способна образовывать непрочное химическое соединение с кислородом. В качестве такой жидкости использовался диацетат глицерола. Но подобными свойствами обладает и моноацетат глицерина, и триацетат глицерина, а также любые их смеси. Все они, будучи эфирами, относительно образуют перекисные соединения с кислородом атмосферного воздуха даже при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении. Для облегчения образования перекисных соединений и их распада в рабочую жидкость может добавляляться до 5 весовых процентов гомогенного катализатора - ацетата марганца. Через эту рабочую жидкость продувался воздух. Этот воздух забирается снаружи через внешний воздушный патрубок 3, перекачивается компрессором 4. Для очистки воздуха от нежелательных примесей и пыли, следов масла на выходе компрессора используется воздушный фильтр 5. Далее воздух подается через входную трубку в верхнюю емкость 6. Для уменьшения размера пузырьков воздуха и их количества в рабочей жидкости подаваемый воздух пропускается через барботер 7, имеющий конструкцию горизонтально расположенной металлической трубки с заглушенными концами и мелкими отверстиями диаметром порядка 1 мм, расположенными в нижней части периметра этой трубки. Прошедший через рабочую жидкость воздух выпускается через выпускной патрубок 8. В рабочей жидкости после продувания через нее атмосферного воздуха появляются непрочные соединения кислорода с этой рабочей жидкостью - перекисные соединения. Эта рабочая жидкость, содержащая непрочные химические соединения с кислородом, отбирается при помощи трубки 9, нижний конец которой расположен у дна нижней емкости, и при помощи насоса 10 перекачивается в емкость 11, которая располагается выше. Все входящие в нижнюю емкость трубки и патрубки сделаны из металла и крепятся к стальной крышке 12 при помощи пайки. А сама крышка герметично закрывает нижнюю емкость. Отбираемая из нижней емкости рабочая жидкость при помощи жидкостного насоса 10, через трубчатый электрический нагреватель 13 подается далее через входной патрубок 14 в верхнюю емкость 11. При нагреве рабочей жидкости выше критической температуры, которая зависит от соотношения ацетатов глицерола, концентрации катализатора и концентрации перекисных соединений происходит распад перекисного соединения. Этот распад протекает по динамике цепной реакции в соответствии с теорией Семенова. Распад перекисного соединения сопровождается выделением температуры и образованием радикалов, которые ускоряют этот процесс. Кроме того, такие металлы, как медь и серебро, играют роль гетерогенных катализаторов процесса распада. Поэтому изготовление трубки трубчатого нагревателя из меди будет, с одной стороны, облегчать передачу тепла рабочей жидкости, а с другой - катализировать процесс распада перекисных соединений. Поэтому в верхнюю емкость смесь кислорода и рабочего тела будет поступать толчками. Для безопасной работы устройства важно как можно ниже понизить критическую температуру распада перекиси, что достигается совместным применением гомогенного и гетерогенного катализаторов. Для уменьшения разбрызгивания рабочей жидкости в верхней емкости на конец этого входного патрубка прикрепляется колпачок 15 при помощи пластинки крепления 16. Рабочая жидкость выводится из верхней емкости в нижнюю емкость при помощи выводной трубки 17. За счет равновесия между входящим и выходящим потоком рабочей жидкости в верхней емкости устанавливается равновесный уровень рабочей жидкости 18. Но в верхней емкости давление кислорода непостоянно и может быть как положительным, так и отрицательным по отношению к нижней емкости за счет того, что кислород выделяется неравномерно и может еще абсорбироваться рабочей жидкостью в верхней емкости как за счет повышенного давления во время толчков, так и за счет несколько более высокой температуры по сравнению с нижней емкостью. За счет этого может происходить засасывание рабочей жидкости с частью атмосферного воздуха из нижней емкости. Чтобы этого не происходило могут быть применены такие конструктивные решения, как наполнение части объема верхней емкости частицами крупного наполнителя, например стеклянными или керамическими частицами, в том числе шариками. Эти частицы за счет нелинейного гидродинамического сопротивления будут стабилизировать поток рабочей жидкости. Эти частицы могут быть покрыты и гетерогенным катализатором для разложения перекисных соединений, например оксидом трехвалентного железа со связующим материалом. Кроме того, для предотвращения всасывания воздуха из нижнего объема может применяться такое технической решение, когда сливная трубка свои нижним концом опускается ниже уровня рабочей жидкости в нижней емкости. Из верхней части верхней емкости производится отбор кислорода при помощи трубки 19, которая через выпускной клапан 20 и выходной патрубок 21 выводит кислород наружу. Выпускной клапан необходим для предотвращения обратного всасывания кислорода и стабилизации его потока. Такое явление возможно потому, что, с одной стороны, повышение температуры рабочей жидкости после разложения перекисного соединения, с другой стороны, повышение концентрации кислорода создают благоприятные условия для образования перекисного соединения. Образование перекисного соединения в верхней емкости в зависимости от текущих условий может протекать достаточно интенсивно, так что давление в верхней емкости может резко упасть, а эффективность работы полезной модели снизиться. Кроме того, для уменьшения площади взаимодействия кислорода с рабочей жидкостью может быть применено такое конструктивное решение, как превышение уровня наполнителя выше уровня рабочей жидкости в верхней емкости. Верхняя емкость герметизируется при помощи металлической крышки 22, к которой припаиваются входящие и выходящие металлические трубки. Таким образом, циркулирующая рабочая жидкость постепенно нагревается трубчатым нагревателем до рабочей температуры, при которой будет происходить поглощение и выделение кислорода. Производительность устройства, таким образом, регулируется скоростью подачи атмосферного воздуха и мощностью трубчатого нагревателя. В связи с тем, что образование перекисного соединения протекает с поглощением тепловой энергии и протекает более интенсивно при нагреве рабочего тела, эффективность работы полезной модели зависит от потерь тепловой энергии. Поэтому энергетическая эффективность может быть существенно повышена за счет применения тепловой изоляции для покрытия ею как внешней поверхности нижней, так и верхней емкостей, а также соединительных трубок. Кроме того, потери могут быть снижены за счет применения теплообменника любой конструкции, который бы забирал тепло из выходящего из нижней емкости воздуха и передавал это тепло воздуху, поступающему в нижнюю емкость из атмосферы.
Теоретически, заявленная полезная модель позволяет при использовании совершенной тепловой изоляции и использовании высокоэффективного теплообменника энергетические затраты на извлечение кислорода из воздуха свести в основном к первоначальному прогреву устройства и текущим затратам энергии, необходимым для продувки воздуха через рабочую жидкость и перекачку рабочей жидкости, то есть сделать энергетические затраты во много раз меньше, чем в существующих устройствах выделения кислорода из атмосферного воздуха.