ГЕНЕРАТОР ГАЗА Российский патент 1998 года по МПК B01J7/00 

Изобретение относится к технической химии, в частности к устройствам для селективного получения газов, например, кислорода, водорода и др., и может быть использовано в химической технологии или лабораторной технике.

Известно устройство для получения газа [1] , включающее герметичный корпус, капсулы с жидким и твердым реагентами, инициирующий механизм и патрубок для отвода газа. Данное устройство достаточно просто и надежно, однако кинетика газовыделения имеет импульсный характер, что делает невозможным его применение в тех случаях, когда требуется постоянный выход газа в течение длительного времени.

Известен генератор газа, включающий много капсул с жидким реагентом, размещенных внутри твердого реагента по определенному типу упаковки [2]. Выделение газа в этом устройстве происходит за счет тепла химической реакции газообразующих реагентов с послойным термическим разрушением капсул с жидким реагентом, вследствие этого данный генератор газа обеспечивает более равномерный выход газа, чем предыдущее устройство, но тем не менее время газовыделения исчисляется минутами, и генератор также непригоден для долговременных процессов.

Изобретение направлено на расширение функциональных возможностей газогенерирующего устройства за счет обеспечения долговременного и постоянного выхода газа.

Сущность изобретения заключается в том, что в генераторе газа, включающем корпус, внутри которого расположены области размещения жидкого и твердого реагентов, разделенные, как минимум, одной мембраной, непроницаемой для жидкого реагента, и патрубок для отвода газа, разделительная мембрана выполнена проницаемой для паров жидкого реагента, а все области размещения твердого реагента сообщены между собой и с патрубком для отвода газа.

В известных технических решениях области размещения жидкого реагента расположены внутри капсул, а их оболочка представляет разделительную мембрану, т. е. признаки частично совпадают, но в предлагаемом решении мембрана (оболочка) выполнена паропроницаемой, и механизм смешения реагентов здесь совершенно иной, а именно: жидкий реагент сорбируется разделительной мембраной, диффундирует через нее и, испаряясь с противоположной стороны, поступает в газовой фазе к твердому реагенту. В этом случае, в отличие от известных технических решений, разделительная мембрана в процессе генерации газа не разрушается и, фактически, реакция проходит по схеме газ + твердое тело, а не жидкость + твердое тело, как в известных технических решениях.

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области, показало, что известны примеры капсулирования твердого реагента [3] в оболочку, не проницаемую для жидкого реагента, но проницаемую для его паров. В этом случае газ получают, погружая капсулы с твердым реагентом в жидкий реагент, жидкий реагент через оболочку диффундирует к твердому, а в обратном направлении - газообразный продукт, который, собираясь в пузырьки на внешней стороне оболочки, затем барботирует через жидкий реагент. Но при этом очевидно, что газогенератор должен быть постоянно ориентирован определенным образом в поле тяжести, и нарушение ориентировки может привести к аварийному поступлению жидкого реагента через газовыводной патрубок. В предлагаемом решении кроме признака, связанного с паропроницаемостью разделительной мембраны, есть признаки, позволяющие организовать генерирование газа независимо от ориентации газогенератора в пространстве и наличия поля тяжести вообще, а именно, отбора газа осуществляется из пространственных областей газогенератора, где жидкого реагента (в жидком агрегатном состоянии) нет вообще или, другими словами, все области размещения твердого реагента сообщены между собой и с патрубком для отвода газа.

В предлагаемом решении скорость газовыделения определяется, в основном, скоростью диффузии паров жидкого реагента к твердому реагенту, которая, в свою очередь, зависит от проницаемости жидкого реагента через разделительную мембрану, конструктивных внутрикамерных особенностей устройства, и определяется, в основном, площадью поверхности разделительной мембраны.

Большим интервалом изменения удельной поверхности обладают капсулы или микрокапсулы. Так выделение содержимого из больших капсул, размером несколько миллиметров, может происходить годы, а, например, вода из микрокапсул размером ≈ 10 мкм (оболочка полистирол) испаряется за несколько минут, т.е. разделительная мембрана, представляющая оболочки капсул или микрокапсул с жидким реагентом, может быть достаточно эффективна.

В предлагаемо варианте генератора газа области размещения жидкого реагента расположены внутри капсул, оболочки которых представляют разделительную мембрану. Для того, чтобы получить стабильность при хранении, необходимо конструктивно обеспечить невозможность самопроизвольного взаимодействия реагентов, т.е. выполнить корпус, как минимум из двух камер, имеющих возможность сообщения в рабочем состоянии и разобщения при хранении, в одной из камер должен быть размещен твердый реагент, а в другой - капсулы с жидким реагентом.

Со временем в камере с капсулами (в разобщенном состоянии) происходит выравнивание химического потенциала, и жидкий реагент распределяется по всему объему камеры, т.е. будет находиться как внутри капсул, так и снаружи, конкретное соотношение зависит от смачиваемости поверхностей камеры и оболочек капсул жидким реагентом. Но в любом случае это явление отрицательно сказывается на характеристиках и работоспособности устройства. Сконденсировавшийся вне капсул жидкий реагент уменьшает удельную поверхность оболочек, при сообщении камер может поступать к твердому реагенту в жидком агрегатном состоянии, что совершенно искажает кинетику газовыделения, приводит к непредсказуемому росту давления, возгоранию и т.д. Поэтому пространство между капсулами в разобщенном состоянии предлагается заполнять жидкостью или жидким реагентом, который перед использованием (сообщение камер) сливают.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен вариант генератора газа с одной разделительной мембраной; на фиг. 2 схематично изображен второй вариант генератора газа, разделительная мембрана которого представляет оболочки капсул с жидким реагентом, и на фиг. 3, фиг. 4 представлены полученные экспериментально кинетические зависимости для конкретных примеров.

Генератор газа по первому варианту содержит корпус 1, газоотводящий патрубок 2, разделительную мембрану 3, жидкий и твердый реагенты 4 и 5 и дополнительный патрубок 6 для заливки жидкого реагента. В нерабочем состоянии жидкого реагента 4 внутри корпуса 1 нет. Для приведения генератора газа в рабочее состояние жидкий реагент 4 через патрубок 6 заливают в генератор, при этом реагент 4 сорбируется мембраной 3 и, испаряясь с наружной ее стороны, в газовой фазе диффундирует к твердому реагенту 5, в результате чего происходит химическая реакция пара жидкого реагента 4 с твердым реагентом 5, сопровождаясь выделением газа. Полученный газ через патрубок 2 поступает к потребителю.

Генератор газа по второму варианту отличается от первого тем, что жидкий реагент 4 размещен внутри капсул, оболочки которых представляют мембрану 3, кроме того, корпус выполнен составным из двух камер 7 и 8. Внутри камеры 7 размещены капсулы с жидким реагентом и ограничительная сетка 9, а верхняя камера 8 содержит твердый реагент 5, спрессованный в плотную массу со сквозными цилиндрическими отверстиями, фильтр 10 и патрубок 2. В нижней части генератора имеется крышка 11.

В нерабочем состоянии камеры 7 и 8 разобщены, т.е. крышка 11 установлена на месте камеры 8, которая, в свою очередь, устанавливается вместо крышки 11, при этом камера 7 полностью заполнена жидким реагентом.

Для приведения генератора газа в рабочее состояние снимают крышку 11, затем сливают жидкий реагент из камеры 7 и меняют крышку 11 и камеру 8 местами (см. фиг. 2). Жидкий реагент 4, испаряясь через оболочки капсул 3, в виде пара диффундирует к твердому реагенту 5, образующийся газ через фильтр 10 и патрубок 2 поступает к потребителю.

Пример 1. Газообразующие реагенты: тонкодисперсная надперекись калия KO₂, жидкий реагент - вода. Разделительная мембрана - два круглых листа гидрофобизированной целлюлозы, склеенная по краям, между которыми размещается порошок KO₂. Зависимость выхода кислорода от времени представлена на фиг. 3.

Пример 2. Газообразующие реагенты: твердый реагент - гранулы, надперекись калия + волокнистый асбест (размер гранул ≈ 5 мм), жидкий реагент - вода, заключенная в парафиновые микрокапсулы средним размером ≈ 0,7 мм, 60 об.% - вода, остальное - оболочка. Слои гранул с надперекисью и микрокапсулы разделялись медными сетками и размещались поочередно (по типу заряда "сэндвич"). Кинетическая кривая изображена на фиг. 4.

Полученные кинетические кривые показывают, что в обоих случаях участки постоянной скорости выхода газа значительно превышают участки спада скорости газовыделения в начале и конце работы газогенератора.

Кроме описанных примеров выполнения раздельной мембраны (плоская и сферическая), могут быть использованы мембраны самой разнообразной геометрии: гофрированные, трубчатые, рулонные и т.п. Большую удельную поверхность имеют пучки половолоконных мембран.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получать практически постоянный выход газа в течение всего цикла генерации газа без каких либо дополнительных элементов регулирования. Генератор газа может работать полностью автономно, независимо от ориентации в поле тяжести и от его наличия. Время генерации газа может варьироваться от нескольких минут до нескольких лет.

Источники информации
1. А.с. 580892, кл. B 01 J 7/00
2. А.с. 1524912, кл. B 01 J 7/00
3. Патент. 4867902, США.

Использование: генератор газа может быть использован в различных случаях, где требуется постоянный и долговременный выход газа. Генератор газа включает корпус, внутри которого расположены области размещения жидкого и твердого реагентов, разделенные мембраной, непроницаемой для жидкого реагента, но проницаемой для его паров, при этом все области размещения твердого реагента сообщены между собой и с патрубком для отвода газа. Разделительную мембрану могут представлять оболочки капсул с жидким реагентом. Для обеспечения работоспособности генератора в этом случае корпус должен состоять, как минимум, из двух камер, выполненных с возможностью сообщения-разобщения, в одной из которых размещается твердый реагент, а в другой-капсулы с жидким реагентом, причем пространство между капсулами в разобщенном состоянии может быть заполнено жидкостью или жидким реагентом. Генератор позволяет без дополнительного регулирования получать постоянный выход газа в течение всего цикла генерации. 1 с. и 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Генератор газа, включающий корпус, внутри которого расположены области размещения жидкого и твердого реагентов, разделенные, как минимум, одной мембраной, не проницаемой для жидкого реагента, и патрубок для отвода газа, отличающийся тем, что разделительная мембрана выполнена проницаемой для паров жидкого реагента, а все области размещения твердого реагента сообщены между собой и с патрубком для отвода газа. 2. Генератор газа по п.1, отличающийся тем, что области размещения жидкого реагента расположены внутри капсул, оболочки которых представляют разделительную мембрану. 3. Генератор газа по пп.1 и 2, отличающийся тем, что его корпус состоит, как минимум, из двух камер, выполненных с возможностью разобщения при хранении и сообщения в рабочем состоянии, в одной из которых размещен твердый реагент, а в другой капсулы с жидким реагентом. 4. Генератор газа по пп.1 - 3, отличающийся тем, что пространство между капсулами в разобщенном состоянии заполнено жидкостью или жидким реагентом.