УСТАНОВКА ДЛЯ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА, ИЗВЛЕКАЕМОГО ИЗ АТМОСФЕРЫ (ВАРИАНТЫ)

2
2
Полезная модель относится к устройствам для очистки воздуха, преимущественно к способам регенерации воздуха в герметично закрытых объектах коллективной защиты, посредством восстановления физического и химического состава воздуха в обитаемом отсеке при длительном нахождении в нем укрываемого личного состава, например, таких как космические корабли и станции, атомные подводные лодки, объекты коллективной защиты. Также решение может быть использовано для концентрации и утилизации CO из воздуха на открытых пространствах, где отмечается высокая концентрация CO.
2
В [1, 2] рассматриваются системы концентрирования CO на диффузионных мембранах с термической десорбцией диоксида углерода [1], в водородном деполяризационном элементе [2]. Каждый из этих способов имеет свои проблемы. При термическом разложении солей - высокотемпературный реактор, а в водородном ТЭ реагирующий газ содержит избыток инертного компонента - азота, затрудняющего подвод кислорода к зоне реакции.
2
2
2
2
Известен вариант очистки воздуха от CO опубликован в [3] в 1927 г. Теоретическое обоснование этого варианта изложено в [4] в 1929 г. Поглощение CO осуществляется барботированием воздуха через раствор щелочи. Поглощенный диоксид углерода реагируя с щелочью образует карбонатные и бикарбонатпые соли, из которых электролитическим путем высвобождается CO. Но в этом случае вопрос о концентрировании CO не рассматривается (диоксид углерода выходит из электролизера совместно с другими газами).
Известны способы, основанные на улучшении физического состава воздуха в помещении посредством охлаждения и осушки воздуха перед подачей в обитаемый отсек [5].
2
2
Известен также способ регенерации воздуха в обитаемом отсеке объекта коллективной защиты [6]. Он обеспечивает восстановление и поддержание необходимого для дыхания состава воздуха по кислороду O и двуокиси углерода CO в обитаемых отсеках войсковых убежищ.
2
2
Способ основан на использовании для регенерации воздуха пластины из кислородсодержащего вещества, включающего в свой состав элементы первой группы (надперекись калия KO или надперекись натрия NaO). Вещество регенеративных пластин, обладающее сильными щелочными и окислительными свойствами, вступает в химическую реакцию с двуокисью углерода и парами воды, находящимися в регенирируемом воздухе, в результате из пластин выделяется кислород.
Обе реакции протекают на границах твердой и газообразной фаз и являются экзотермическими. Это, с одной стороны, способствует возникновению естественной конвекции регенерируемого воздуха, а с другой, увеличивает теплоизбытки (от 50 до 150 ккал/ч) и повышает влажность в обитаемом отсеке объекта коллективной защиты.
2
3
2
3
Недостатками известного способа регенерации воздуха являются: ухудшение температурно-влажностного режима за время регенерации воздуха в обитаемом отсеке объекта коллективной защиты (температура повышается до 50-80°С, а влажность 65-75%), при этом укрываемый личный состав начинает испытывать чувство духоты, самочувствие его ухудшается; понижение работоспособности личного состава в связи с возникающими дискомфортными условиями; на реагирующей поверхности регенеративного вещества образуется жесткая корка карбоната (KCO или NaCO), что тормозит протекание реакции и приводит к неполному использованию (только 80%) исходного вещества; ограничено время регенеративного действия, а также ограничен срок хранения регенеративного вещества (оно обладает сильными щелочными и окислительными свойствами, поэтому требует периодической замены); используемое регенеративное вещество взрывоопасно и пожароопасно, что влечет за собой дополнительные затраты по обеспечению безопасности его хранения и эксплуатации.
Известен способ очистки воздуха от двуокиси углерода, реализованный в системе регенерации атмосферы в замкнутом объеме [7].
2
2
Данный способ заключается в том, что двуокись углерода CO связывают щелочным раствором элементов первой группы в гетерогенной среде газ-жидкость. Процесс связывания двуокиси углерода проводят следующим образом: в абсорбер насосом подают щелочной раствор элементов первой группы и через него прокачивают воздух с повышенным содержанием CO. При этом создается гетерогенная среда газ-жидкость, а в абсорбере происходят реакции между постоянно подаваемой щелочью и двуокисью углерода, в результате происходит очищение воздуха.
2
Однако указанный способ очистки воздуха от двуокиси углерода (и реализующая его система регенерации атмосферы в замкнутом объеме) обладает рядом существенных недостатков: ограничена поверхность контакта реагирующих сред, что исключает полноту протекания процесса хемосорбции; ухудшается влажностный режим в объектах коллективной защиты, так как не удаляются избытки влаги (паров воды) из обитаемого отсека объекта коллективной защиты, что снижает работоспособность и ухудшает физическое и психологическое состояние укрываемого личного состава при длительном нахождении в убежище, а также создает возможность попадания в воздушную среду обитаемого отсека вместе с капельками воды щелочного раствора из абсорбера; принцип, на котором основан указанный способ, требует постоянной замены хемосорбента щелочного раствора элементов первой группы, так как при определенных условиях (при подаче избыточных концентраций двуокиси углерода CO в условиях длительного нахождения личного состава в убежище) в незаменяемом щелочном растворе образуются кислые растворимые соли гидрокарбонаты, что приводит к ухудшению процесса очистки воздуха от двуокиси углерода.
Из уровня техники известен способ очистки воздуха [8] от двуокиси углерода в обитаемом отсеке объекта коллективной защиты путем абсорбции двуокиси углерода щелочным раствором, охлаждения очищенного воздуха с последующей подачей обогащенного кислородом воздуха в обитаемый отсек объекта, отличающийся тем, что абсорбцию двуокиси углерода проводят щелочным раствором элементов второй группы в присутствии кристаллизатора, представляющего собой твердые частицы карбонатов, при этом над поверхностью раствора располагают металлизированную шихту для осаждения капелек барботируемого воздухом щелочного раствора, которым связывают не успевшую прореагировать в растворе двуокись углерода, а перед охлаждением его осушают. Способ требует использования металлической шихты, что делает установку на его основе в целом громоздкой, а процесс осушки и охлаждения слишком энергозатратной.
2
Технический результат заявленного решения заключается в создании простой и малоэнергозатратной установки для концентрирования и диоксида углерода из воздуха, в которой выдача диоксида углерода происходит с концентрацией 90-100%, не содержащего других компонентов, в систему утилизации СО.
2
2
Заявленный технический результат достигается за счет того, что установка для концентрирования диоксида углерода получаемого из атмосферы, содержащая водный раствор щелочи (NaOH или KOH) для абсорбции диоксида углерода, и последующей десорбцией из прореагировавшего раствора CO, отличающаяся тем, что содержит: насос высокого давления, функцией которого является подача раствора щелочи в поток очищаемого воздуха через распылительную форсунку; содержит циклонный или центробежный сепаратор жидкости, с функцией сбора прореагировавшего раствора, содержащего карбонатные и бикарбонатные соли, подключенный к насосу для перекачки раствора в электролизер, к которому подведены газоотводные трубки, ведущие в водородно-кислородный топливный элемент, функцией которого является окисление водорода, а на выходе из топливного элемента получают диоксид углерода и пары воды. Другой вариант предусматривает, что установка для концентрирования диоксида углерода получаемого из атмосферы, содержащая водный раствор щелочи (NaOH или KOH) для абсорбции диоксида углерода, и последующей десорбцией из прореагировавшего раствора CO, отличающаяся тем, что содержит диффузионный мембранный аппарат, с функцией абсорбции диоксида углерода, и выполненный с возможностью подачи потока очищаемого воздуха с одной стороны мембраны и прокачки раствора щелочи с помощью насоса внутри аппарата с другой стороны мембраны, к диффузионному мембранному аппарату подключен насос, с функцией перекачки образованного раствора карбонатов и бикарбонатов в электролизер, к которому подведены газоотводные трубки, ведущие в водородно-кислородный топливный элемент, функцией которого является окисление водорода, а на выходе из топливного элемента получают диоксид углерода и пары воды.
Работа установки основана на следующих реакциях, протекающих в водном растворе щелочи (упрощенно).
2
3
1. KOH+CO=KHCO
При поглощении раствором щелочи диоксида углерода в результате реакции образуется бикарбонатная соль.
3
2
3
2
2. KHCO+KOH=KCO+HO
В результате реакции бикарбоната с щелочью, образуется карбонатная соль.
2
3
2
3
3. KCO+HO↔KHCO+KOH
в водном растворе в динамическом равновесии находятся карбонатные и бикарбонатные соли.
3
2
эл-з
4. KHCO→+KOH+CO↑
3
2
Разлагая с помощью электролиза KHCO с выделением CO, исходная щелочь восстанавливается.
2
2
2
эл-з
5. HO→H↑+O↑
Присутствующая в растворе вода под действием электролиза разлагается на водород и кислород. Таким образом, на выходе электролизера имеем диоксид углерода, кислород и водород.
Принцип работы установки следующий (см. Фиг.1).
2
2
2
Воздух из атмосферы замкнутого обитаемого объема, с помощью воздуходувки (1), продувается через абсорбер (3), поглощающий CO раствор щелочи, с помощью насоса высокого давления (8) и форсунки (2), впрыскивается в поток воздуха. За счет абсорбции диоксид углерода поглощается щелочью с образованием карбонатных и бикарбонатных солей. Установленный на выходе из абсорбера сепаратор (циклонный или центробежный) жидкости (4) отделяет полученный раствор солей от воздуха. Очищенный от CO воздух поступает в атмосферу обитаемого объема, а раствор солей с помощью жидкостного насоса (5) прокачивается через электролизер (6), где из раствора солей выделяется CO, а также из воды водород и кислород. Полученные газы направляются в водородно-кислородный топливный элемент (7), где происходит окисление водорода. Диоксид углерода и пары воды направляются в систему утилизации.
2
2
Другой вариант установки (см. Фиг.2) работает так. Воздух из атмосферы замкнутого обитаемого объема с помощью воздуходувки (1) продувается через адсорбер (3), представляющий из себя мембранный диффузионный аппарат, причем воздух продувается с одной стороны мембраны, а поглощающий CO раствор щелочи циркулирует с другой стороны мембраны. За счет диффузии через стенку мембраны, диоксид углерода поглощается щелочью с образованием карбонатных и бикарбонатных солей. На выходе из абсорбера очищенный от диоксида углерода воздух подается в атмосферу обитаемого объема, а полученный раствор солей с помощью жидкостного насоса (5) прокачивается через электролизер (6), где из раствора солей выделяется CO, a также из воды водород и кислород. Полученные газы направляются в водородно-кислородный топливный элемент (7), где происходит окисление водорода. Диоксид углерода и пары воды направляются в систему утилизации.
Топливный элемент в обоих установках вырабатывает энергию, за счет которой осуществляется работа насосов (5 и/или 8).
Тем самым полезная модель обеспечивает достаточно низкую энергоемкость и частичный возврат потраченной энергии за счет окисления водорода.
Источники информации:
1. В.П.Серебряков Основы проектирования систем жизнеобеспечения экипажем космических летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1983 г., 160 с.
2. А.Е.Аврущенко, А.Ф.Новиков, В.И.Френкель. Системы электрохимической регенерации воздуха атомных подводных лодок. М.; Издательство «Русская истории», 2002 г, 432 с
3. Патент DE 443684
4. Е.Muller, H.Markert, Fr.Heinrih. Befreiung der Luft von Kolensaure durch elektrolytische Uberfurung, Zeitschrift fur Elektrochemie, Bd. 35, №1, 1929.
5. Зубарев Д.Я., Рубак В.М. Вентиляция и кондиционирование воздуха на атомных судах. - Л.: Судостроение, 1968, с.277.
6. Барманов Ю.И., Тырников А.А. Средства защиты химического и инженерного вооружения. - М.: ВА им. Дзержинского, 1980, с.34-38.
7. Патент US 3502429, кл. В01D 53/00, 1970.
8. Патент RU 2091095 от 27.09.1997