РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПРОДУКТ ДЛЯ ИЗОЛИРУЮЩИХ ДЫХАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК A61D9/00 

Группа изобретений относится к составам и способам получения регенеративных продуктов на основе надпероксида калия, используемых в системах регенерации воздуха и в изолирующих дыхательных аппаратах с химически связанным кислородом.

Регенеративный продукт обычно содержит как основной компонент надпероксид калия (70-90% весовых) и различные структурообразующие добавки и катализаторы, способствующие улучшению кинетических и диффузионных характеристик продукта при его работе в регенеративном патроне изолирующего дыхательного аппарата. Продукт изготавливают путем механического смешения необходимых компонентов и последующего формования полученной шихты в насадки различной формы (гранулы, блоки и др.).

Использование регенеративных продуктов на базе надпероксида калия основано на выделении им необходимого для дыхания человека кислорода при взаимодействии с парами воды и диоксидом углерода выдыхаемого воздуха. При этом имеющие место в процессе работы регенеративного продукта его химические превращения, осложненные термическими эффектами, приводят к оплыванию и плавлению гранул регенеративного продукта. Это затрудняет диффузию газов внутрь гранул продукта, что приводит не только к снижению степени отработки регенеративного продукта в реальных условиях, но и существенно увеличивает сопротивление дыханию пользователя. Под степенью отработки регенеративного продукта понимается отношение количества выделенного кислорода и поглощенного в реальных условиях диоксида углерода к стехиометрическим величинам.

Улучшение работы регенеративного продукта осуществляется как путем совершенствования конструкции дыхательного аппарата, так и оптимизацией состава регенеративного продукта. Для повышения степени отработки регенеративного продукта в реальных условиях в его состав вводят различные добавки и катализаторы, улучшающие условия диффузии паров воды и диоксида углерода внутрь гранул продукта и приводящие к равномерному выделению кислорода и поглощению СО₂ на протяжении всего времени работы изделия.

Наиболее близким к заявляемому регенеративному продукту в группе изобретений является регенеративный продукт, содержащий надпероксид калия, гидрооксид калия, воду и оксид кальция в качестве структурообразующей добавки [1]. Введение в состав регенеративного продукта структурообразующей добавки позволяет повысить температуру плавления смеси продуктов реакций надпероксида калия с влагой и диоксидом углерода выдыхаемого человеком воздуха, что уменьшает возможность спекания и плавления продукта в патроне дыхательного аппарата. Соответственно улучшатся условия диффузии паров воды и диоксида углерода внутрь гранул продукта. Катализаторы используют для интенсификации выделения кислорода (особенно в начальный период работы дыхательного аппарата).

Однако данный состав регенеративного продукта характеризуется неравномерным выделением кислорода и поглощением диоксида углерода, а также недостаточно высокой динамической емкостью по диоксиду углерода и кислороду, что обусловлено осложненной диффузией газов в объем гранул регенеративного продукта. Каталитическое увеличение интенсивности выделения кислорода необходимо лишь в начальный период работы регенеративного продукта, а в дальнейшем это приводит к избыточному выделению кислорода. Все это не позволяет максимально рационально использовать ресурс регенеративного продукта.

Известен способ получения регенеративного продукта [1, 2], по которому исходный надпероксид калия получают путем взаимодействия водных растворов пероксида водорода и гидрооксида калия с последующей дегидратацией промежуточного аддукта - дипероксогидрата пероксида калия К₂О₂·2Н₂О₂ на поверхности вращающегося цилиндра при температуре около 160°С. Образующийся на поверхности цилиндра надпероксид калия удаляется с помощью скребка. Конечный продукт содержит до 85% КО₂, до 15% КОН и до 5% Н₂О. Этот продукт смешивают с оксидом кальция в смесителе сыпучих материалов. Полученную смесь формуют в виде пластин, таблеток и др.

Недостатком способа является необходимость подвода под избыточным давлением насыщенного водяного пара, служащего теплоносителем, внутрь вращающегося барабана и отвода из него образующегося конденсата. Это снижает надежность процесса и затрудняет его промышленное использование. Кроме того, данный способ имеет невысокую производительность.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому в группе изобретений способу по совокупности признаков является следующий способ получения надпероксида калия [3]. По этому способу надпероксид калия получают путем взаимодействия растворов пероксида водорода и гидрооксида калия с последующей дегидратацией промежуточного аддукта-дипероксогидрата пероксида калия распылением его в токе сушильного агента при температуре 130-250°С. В качестве сушильного агента используют сухой декарбонизованный газ (например, воздух, азот и др.). При этом используется раствор пероксида водорода концентрацией от 50 до 85% и раствор гидрооксида калия с концентрацией 50-60%. Мольное соотношении Н₂О₂/КОН=1,3÷2,0. Конечный продукт содержит до 85% надпероксида калия, гидрооксид калия, воду и примеси.

Этот способ, по сравнению с предыдущим, более надежен и характеризуется достаточно высокой производительностью.

Однако для получения регенеративного продукта с требуемыми характеристиками полученный надпероксид калия, содержащий гидрооксид калия и воду, должен быть подвергнут дальнейшей обработке, так же как и в способах [1, 2], которая заключается во введении в полученный продукт различных добавок. Введение добавок осуществляется в этих случаях путем механического смешения, что принципиально не позволяет равномерно распределить добавку по всему объему основного компонента из-за большой массовой разницы основы и добавки и, соответственно, получить регенеративный продукт со стабильными на протяжении всего времени работы характеристиками - выделением кислорода и поглощением диоксида углерода. Это не позволяет максимально рационально использовать ресурс данного продукта на протяжении всего времени его работы в патроне изолирующего дыхательного аппарата. В реальных условиях регенеративный продукт, полученный данным способом, отрабатывает не больше 70% от своей стехиометрической емкости.

Кроме того, введение в качестве добавки оксида кальция приводит к тому, что в ходе работы дыхательного аппарата из-за значительного экзотермического эффекта реакции взаимодействия оксида кальция с водяным паром существенно повышается температура вдыхаемого воздуха. Это создает значительные неудобства для пользователя.

Задачей группы изобретений является улучшение эксплуатационных характеристик регенеративного продукта.

Техническим результатом группы изобретений является создание регенеративного продукта, имеющего высокую динамическую емкость по СО₂ и кислороду на единицу массы и обеспечивающего при этом низкую температуру воздуха на вдохе пользователя.

Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - веществу достигается тем, что регенеративный продукт, включающий надпероксид калия, гидрооксид калия и воду, дополнительно содержит силикат щелочного металла при следующем соотношении компонентов, мас.%:

надпероксид калия (КО₂)50-85гидрооксид калия (КОН)3-20вода (Н₂О)1-10силикат щелочного металла (Me₂SiO₃)0,1-20

Регенеративный продукт предложенного состава обеспечивает более высокую динамическую емкость по диоксиду углерода и кислороду на единицу массы. Силикат щелочного металла выступает в качестве структурообразующей добавки, препятствующей оплыванию поверхности продукта и плавлению смеси соединений, образующихся при работе регенеративного продукта. Это улучшает условия диффузии паров воды и диоксида углерода в объем гранул регенеративного продукта на протяжении всего времени работы дыхательного аппарата, что позволяет более эффективно использовать ресурс регенеративного продукта и за счет этого увеличить время защитного действия дыхательного аппарата при неизменности его массогабаритных характеристик.

Технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - способу достигается тем, что в способе получения регенеративного продукта на основе КО₂, включающем взаимодействие раствора пероксида водорода и гидрооксида калия с последующей дегидратацией полученного щелочного раствора пероксида водорода, в исходный щелочной раствор пероксида водорода перед дегидратацией вводят требуемое количество силиката щелочного металла.

Такой прием позволяет получить продукт, содержащий надпероксид калия, гидрооксид калия, воду и силикат щелочного металла в виде структурообразующей добавки. При этом структурообразующая добавка - силикат щелочного металла, вводится непосредственно в ходе синтеза и равномерно распределена по всему объему целевого продукта, т.е. регенеративный продукт, полученный данным способом, имеет однородный состав (и, следовательно, свойства) по всему объему. Размеры частиц всех компонентов регенеративного продукта приблизительно одинаковы. Кроме того, введение структурообразующей добавки в виде силиката щелочного металла непосредственно в процессе синтеза позволяет минимизировать количество технологических стадий при производстве регенеративного продукта (удаление стадии механического смешения компонентов), что приводит к уменьшению его стоимости.

Примеры составов регенеративного продукта представлены в таблице 1.

Таблица 1.Регенеративный продуктСостав продукта, %КО₂КОНН₂ОMe₂SiO₃По примеру 150,020,010,018,3По примеру 278,415,14,70,1По примеру 375,218,34,80,1По примеру 480,412,23,72,1По примеру 572,111,33,111,9По примеру 659,915,23,620,0По примеру 768,719,44,65,5По примеру 8853.01,09,2По примеру 981,88,62,05,7Примечание: В примерах 1, 2, 4, 5, 6, 8, 9 Me - калий, в примере 3 Me - литий, в примере 7 Me - натрий. В состав регенеративных продуктов может входить до 3% весовых разнообразных примесей (из исходного сырья), не влияющих на качественные характеристики продукта.

Регенеративный продукт с химическим составом по примерам 1-9 может быть использован в виде таблеток, гранул, блоков или их сочетания в зависимости от конструкции патрона дыхательного аппарата и условий его эксплуатации. Условия эксплуатации влияют и на соотношение компонентов в регенеративном продукте.

Способ получения регенеративного продукта осуществляется следующим образом. Готовят исходный щелочной раствор пероксида водорода, для чего раствор пероксида водорода концентрацией от 50 до 85% смешивают с раствором гидрооксида калия концентрацией 30-60% в мольном соотношении Н₂О₂/КОН=1,5÷2,0. Гидрооксид калия можно использовать и в твердом виде. После этого в раствор вводят силикат щелочного металла, например в виде жидкого стекла. Количество силиката щелочного металла, введенного на этой стадии процесса, определяет его содержание в целевом продукте. Кроме того, коллоидный раствор силикатов щелочных металлов выступает в качестве стабилизатора щелочного раствора пероксида водорода. Использование стабилизатора позволяет сократить нормы расхода пероксида водорода. Так же для предотвращения разложения перекисных продуктов при смешении исходных компонентов процесс ведут при охлаждении. Температура в зоне реакции не должна превышать 50°С, предпочтительно температура составляет 10°С. Полученный таким образом раствор диспергируют форсункой в сушильную камеру в прямотоке предварительно декарбонизированного сушильного агента. Используется типовая сушильная камера с форсункой. В качестве сушильного агента используют воздух или любой инертный газ, например азот. Декарбонизация сушильного агента проводится с помощью любого поглотителя диоксида углерода. Для уменьшения расхода сушильного агента его предварительно можно обезвоживать, пропуская через регенерируемые поглотители воды типа цеолита, силикагеля и др. Температуру сушильного агента варьируют в пределах от 120 до 300°С (предпочтительно 180-230°С). По окончании дегидратации твердый продукт отделяют от газовой смеси с помощью обычного батарейного циклона и рукавного фильтра и собирают в специальный контейнер.

Дегидратацию щелочного раствора пероксида водорода, содержащего силикат щелочного металла, можно проводить в вакууме при температуре 30-150°С (предпочтительно при 85-110°С).

Полученный таким образом регенеративный продукт, уже готовый для последующего формования, имеет следующий состав, мас.%:

надпероксид калия (КО₂)50-85гидрооксид калия (КОН)3-20вода (Н₂О)1-10силикат щелочного металла (Me₂SiO₃)0,1-20

Пример 1.

В 432 мл 50% пероксида водорода добавляют 175 г 50% раствора силиката калия. Полученный раствор смешивают с 375 мл 50% раствора гидрооксида калия (мольное соотношение Н₂О₂/КОН=1,5) так, чтобы температура в зоне реакции не превышала 50°С. После этого раствор диспергируют через охлаждаемую до 10°С форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210°С. Расход раствора через форсунку составляет 9 мл/мин. Расход сушильного агента 87 кг/час. Получают 453 г продукта, содержащего 50% КО₂, 20% КОН, 10% Н₂О, 18,3% K₂SiO₃. Остальное примеси.

Пример 2.

В 475 мл 50% пероксида водорода добавляют 0,7 г 50% раствора силиката калия. Полученный раствор смешивают с 375 мл 50% раствора гидрооксида калия (мольное соотношение Н₂О₂/КОН=1,65) так, чтобы температура в зоне реакции не превышала 50°С. После этого раствор диспергируют через охлаждаемую до 10°С форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 215°С. Расход раствора через форсунку составляет 8,8 мл/мин. Расход сушильного агента 89 кг/час. Получают 350 г продукта, содержащего 78,4% KO₂, 15,1% КОН, 4,7% Н₂О, 0,1% K₂SiO₃. Остальное примеси.

Пример 3.

В 575 мл 50% пероксида водорода добавляют 0,7 г 50% раствора силиката лития. Полученный раствор смешивают с 375 мл 50% раствора гидрооксида калия (мольное соотношение Н₂О₂/КОН=2) так, чтобы температура в зоне реакции не превышала 50°С. После этого раствор диспергируют через охлаждаемую до 10°С форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210°С. Расход раствора через форсунку составляет 9 мл/мин. Расход сушильного агента 88 кг/час. Получают 347 г продукта, содержащего 75,2% КО₂, 18,3% КОН, 4,8% Н₂О, 0,1% Li₂SiO₃. Остальное примеси.

Пример 4.

В 475 мл 50% пероксида водорода добавляют 15,7 г 50% раствора силиката калия. Полученный раствор смешивают с 375 мл 50% раствора гидрооксида калия (мольное соотношение Н₂О₂/КОН=1,65) так, чтобы температура в зоне реакции не превышала 50°С. После этого раствор диспергируют через охлаждаемую до 10°С форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 220°С. Расход раствора через форсунку составляет 9 мл/мин. Расход сушильного агента 97 кг/час. Получают 357 г продукта, содержащего 80,4% КО₂, 12,2% КОН, 3,7% Н₂О, 2,1% К₂SiO₃. Остальное примеси.

Пример 5.

В 475 мл 50% пероксида водорода добавляют 100 г 50% раствора силиката калия. Полученный раствор смешивают с 375 мл 50% раствора гидрооксида калия (мольное соотношение H₂O₂/KOH=1,65) так, чтобы температура в зоне реакции не превышала 50°С. После этого раствор диспергируют через охлаждаемую до 10°С форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210°С. Расход раствора через форсунку составляет 7,7 мл/мин. Расход сушильного агента 94 кг/час. Получают 395 г продукта, содержащего 72,1% KO₂, 11,3% КОН, 3,1% Н₂О, 11,9% K₂SiO₃. Остальное примеси.

Пример 6.

В 475 мл 50% пероксида водорода добавляют 182 г 50% раствора силиката калия. Полученный раствор смешивают с 375 мл 50% раствора гидрооксида калия (мольное соотношение Н₂O₂/КОН=1,65) так, чтобы температура в зоне реакции не превышала 50°С. После этого раствор диспергируют через охлаждаемую до 10°С форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210°С. Расход раствора через форсунку составляет 8,1 мл/мин. Расход сушильного агента 96 кг/час. Получают 431 г продукта, содержащего 59,9% KO₂, 15,2% КОН, 3,6% Н₂О, 20% К₂SiO₃. Остальное примеси.

Пример 7.

В 851 мл 30% пероксида водорода добавляют 42,4 г 50% раствора силиката натрия. Полученный раствор смешивают с 375 мл 50% раствора гидрооксида калия (мольное соотношение Н₂O₂/КОН=1,65) так, чтобы температура в зоне реакции не превышала 50°С. После этого раствор диспергируют через охлаждаемую до 10°С форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 215°С. Расход раствора через форсунку составляет 8,5 мл/мин. Расход сушильного агента 104 кг/час. Получают 366 г продукта, содержащего 68,7% KO₂, 19,4% КОН, 4,6% Н₂О, 5,5% Na₂SiO₃. Остальное примеси.

Пример 8.

В 242 мл 85% пероксида водорода добавляют 74,5 г 50% раствора силиката калия. Полученный раствор смешивают с 311 г твердого 90% гидрооксида калия (мольное соотношение Н₂О₂/КОН=1,65) так, чтобы температура в зоне реакции не превышала 50°С. После этого раствор диспергируют через охлаждаемую до 10°С форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный обезвоженный воздух, нагретый до температуры 210°С. Расход раствора через форсунку составляет 10,2 мл/мин. Расход сушильного агента 103 кг/час. Получают 385 г продукта, содержащего 85% КО₂, 3% КОН, 1% Н₂O, 9,2% К₂SiO₃. Остальное примеси.

Пример 9.

В 475 мл 50% пероксида водорода добавляют 44,2 г 50% раствора силиката калия. Полученный раствор смешивают с 375 мл 50% раствора гидрооксида калия (мольное соотношение Н₂О₂/КОН=1,65) так, чтобы температура в зоне реакции не превышала 50°С, после чего щелочной раствор пероксида водорода сушат в вакууме при 30-100°С в течение 3-5 часов. Получают 387 г продукта, содержащего 81,8% КО₂, 8,6% КОН, 2,0% Н₂О, 5,7% К₂SiO₃. Остальное примеси.

Регенеративный продукт предлагаемого состава испытан в патроне изолирующего дыхательного аппарата на установке "Искусственные легкие" (ИЛ) при следующих условиях:

- легочная вентиляция35±1 л/мин- объемная подача диоксида углерода1,57±0,03 л/мин- влажность газовоздушной смеси, %>98- частота дыхания20±0,5 мин^-1- температура окружающей среды20-25°С

Объемы кислорода и диоксида углерода указаны при 10°С и 101,3 кПа, легочная вентиляция - при 37°С и 101,3 кПа. Для сравнения с регенеративными продуктами различного состава по примерам 1-9 из таблицы 1 в тех же условиях брался серийно выпускаемый отечественной промышленностью регенеративный продукт ОКЧ-3 (аналог по химическому составу продукта по пат. Франции №2521034). Время защитного действия определяли как время от начала работы регенеративного продукта до того момента, когда концентрация СО₂ в потоке газовоздушной смеси на линии "вдоха" установки ИЛ достигала 3%. Во всех проведенных испытаниях использовался регенеративный продукт в виде гранул приблизительно одинакового размера и плотности. Результаты испытаний представлены в таблице 2 и на чертеже. При замене силиката калия на силикаты лития и натрия полученные данные аналогичны результатам, приведенным в таблице 2 и на чертеже.

Таблица 2
Результаты испытаний регенеративных продуктов на установке "Искусственные легкие".Состав продуктаМасса продукта, гВремя защитного действия, минДинамическая емкость продукта, л/кгМаксимальная температура на вдохе, °Спо CO₂по O₂По примеру 125915,387,3105,437,0По примеру 225620.8126,5128,738,0По примеру 325420,3125,4127,537,0По примеру 425321,2131,2154,838,5По примеру 525620,0122,6128,937,5По примеру 625318,2112,8113,537,0По примеру 725520,5126,1131,938,0По примеру 825219,8122,5148,637,5По примеру 925521,7132,8155.338,5ОКЧ-326015,286,2104,352,0

На чертеже представлены зависимости температуры газовоздушной смеси на вдохе пользователя от времени работы для патрона изолирующего дыхательного аппарата, снаряженного продуктом ОКЧ-3 (кривая 2) и среднее изменение температуры на вдохе для патронов, снаряженных регенеративными продуктами по примерам 1-9 (кривая 1). Поскольку для всех регенеративных продуктов по примерам 1-9 из таблицы 1 изменение температуры на вдохе при работе в патроне не превышает 5%, на чертеже представлено изменение среднего значения этого параметра. Зависимости температуры газовоздушной смеси на вдохе пользователя от времени работы изолирующего дыхательного аппарата тождественны при замене одного силиката щелочного металла на другой при постоянстве массового соотношения других компонентов.

Температура газовоздушной смеси на вдохе пользователя является одним из основных эксплуатационных показателей изолирующих дыхательных аппаратов, во многом определяющимся составом и свойствами регенеративного продукта. Увеличение этого показателя выше 50°С недопустимо по соображениям безопасности дыхания человека. Соответственно, снижение данного показателя до температур, близких к температуре окружающей среды, создает более безопасные и комфортные условия для пользователей изолирующих дыхательных аппаратов.

Как видно из представленных табличных и графических данных, состав регенеративного продукта и способ его получения обеспечивают высокую динамическую емкость по диоксиду углерода и кислороду на единицу массы за счет улучшения условий диффузии СО₂ и паров воды в объем регенеративного продукта. Перечисленные позитивные, по сравнению с продуктом ОКЧ-3, параметры регенеративного продукта достигаются за счет того, что в качестве структурообразующей добавки в состав регенеративного продукта непосредственно в процессе синтеза вводится силикат щелочного металла. Это позволяет более эффективно использовать ресурс регенеративного продукта и за счет этого увеличить время защитного действия дыхательного аппарата при тех же массогабаритных характеристиках. Кроме того, изолирующий дыхательный аппарат, снаряженный предложенным регенеративным продуктом, имеет более низкую температуру газо-воздушной смеси, поступающей на вдох пользователю. Это обеспечивает более комфортные условия при эксплуатации изолирующих дыхательных аппаратов.

Источники информации

1. Патент Франции №2521034, МПК В 01 У 20/04, 1983 г.

2. Патент Франции №2175652, МПК А 62 D 9/00, 1973 г.

3. Заявка ФРГ №3105 5 84, С 01 В 15/043, 1982 г.

Изобретение может быть использовано в системах регенерации воздуха и в изолирующих дыхательных аппаратах. Регенеративный продукт включает надпероксид калия, гидрооксид калия, воду и силикат щелочного металла в определенном соотношении. Способ получения регенеративного продукта включает взаимодействие раствора пероксида водорода и гидрооксида калия, последующую дегидратацию полученного щелочного раствора пероксида водорода и диспропорционирование промежуточного аддукта дипероксигидрата пероксида калия распылением его в токе сушильного агента. В исходный щелочной раствор пероксида водорода перед его дегидратацией вводят силикат щелочного металла. Предложенное изобретение позволяет получить регенеративный продукт, имеющий высокую динамическую емкость и обеспечивающий низкую температуру воздуха на вдохе пользователя. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Регенеративный продукт для изолирующих дыхательных аппаратов, включающий надпероксид калия, гидрооксид калия и воду, отличающийся тем, что дополнительно содержит силикат щелочного металла при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Надпероксид калия (КО₂)50-85Гидрооксид калия (КОН)3-20Вода (Н₂О)1-10Силикат щелочного металла (MeSiO₃)0,1-20