СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОДУКТА ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ ВОЗДУХА Российский патент 2016 года по МПК A62D9/00 B01D53/62 

Изобретение относится к способам получения продуктов для регенерации воздуха на основе надпероксида калия, используемых в индивидуальных дыхательных аппаратах (ИДА).

Известен способ получения продукта для регенерации воздуха [патент РФ №2518610, МПК А62D 9/00, 2014 г. ], осуществляемый следующим образом. В раствор пероксида водорода (Н₂О₂) с концентрацией от 50 до 85% массовых при интенсивном перемешивании последовательно вводят сульфат магния (MgSO₄), гидроксид лития (LiOH), галогениды щелочных металлов (MeHal) и гидроксид калия. В качестве галогенидов щелочных металлов используют хлориды лития, натрия, калия или их смесь. Гидроксид калия вводят в систему не менее чем через 30 минут после введения галогенидов щелочных металлов. Причем мольное соотношение исходных компонентов должно составлять следующие величины: H₂O₂/MgSO₄=500÷1000; H₂O₂/LiOH=2,65÷11,78; KOH/MeHal=15÷105; Н₂O₂/КОН=1,68÷1,94. Для снижения кинетики процесса распада пероксида водорода добавление гидроксида калия проводят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°С. Полученный щелочной раствор пероксида водорода диспергируют форсункой в сушильную камеру в прямотоке сушильного агента, где происходит его дегидратация. Температуру сушильного агента варьируют в пределах от 120 до 300°С (предпочтительно 180÷230°С). Далее полученный продукт формуют различными способами для придания определенной геометрической формы (гранулы, блоки, таблетки и др.).

Однако продукт для регенерации воздуха, полученный известным способом, характеризуется недостаточно высокой механической прочностью. Низкая механическая прочность продукта для регенерации воздуха приводит к образованию большого количества мелкодисперсной фракции (пыли), образующейся при механическом истирании гранул продукта, вызванного вибрацией при постоянном ношении индивидуальных дыхательных аппаратов на теле пользователя (шахтеры, горноспасатели и представители ряда других профессий в силу специфики своего труда для обеспечения безопасной деятельности должны постоянно носить индивидуальные дыхательные аппараты). Наличие большого количества мелкодисперсной фракции регенеративного продукта в патроне индивидуального дыхательного аппарата при его эксплуатации приводит к высокому содержанию щелочных аэрозолей в регенерируемом воздухе, что негативно сказывается на здоровье пользователя.

Кроме того, наличие большого количества мелкодисперсной фракции приводит к уменьшению удельной поверхности транспортных пор продукта, что в дальнейшем осложняет процесс поглощения паров воды и диоксида углерода (основные процессы регенерации воздуха), снижает кинетику хемосорбционного процесса и приводит к увеличению гидродинамического сопротивления дыханию человека.

Задачей изобретения является разработка способа получения продукта для регенерации воздуха, имеющего улучшенные эксплуатационные характеристик при его работе в составе индивидуальных дыхательных аппаратов.

Технический результат заключается в получении продукта для регенерации воздуха, имеющего высокую механическую прочность, обеспечивающего высокую скорость процесса хемосорбции диоксида углерода и снижение гидродинамического сопротивления дыханию пользователя при его эксплуатации в индивидуальных дыхательных аппаратах.

Дополнительным техническим результатом является повышение экономичности и безопасности процесса.

Технический результат достигается тем, что в способе получения продукта для регенерации воздуха путем смешения раствора пероксида водорода с сульфатом магния и гидроксидами лития и калия с последующей дегидратацией полученного щелочного раствора пероксида водорода распылением его в токе сушильного агента в раствор пероксида водорода после его смешения с сульфатом магния вводят тетрабораты щелочных металлов.

При этом мольное соотношение исходных компонентов равно следующим величинам: пероксид водорода/сульфат магния (H₂O₂/MgSO₄)=450÷800; пероксид водорода/тетраборат щелочного металла (Н₂О₂/Ме₂В₄O₇)=400÷700; пероксид водорода/гидроксид лития (Н₂О₂/LiOH)=3,0÷15,0; пероксид водорода/гидроксид калия (Н₂О₂/КОН)=1,60÷2,00.

Предпочтительно в качестве тетраборатов щелочных металлов используют тетрабораты лития, натрия, калия или их смесь.

Гидроксид калия предпочтительно вводить в жидкую фазу примерно через 10÷15 минут после введения всех других компонентов.

Изобретение позволяет достигнуть заявленный технический результат по следующим обстоятельствам. Во-первых, введение в состав продукта для регенерации воздуха в указанном количестве тетраборатов щелочных металлов в результате совместной кристаллизации с остальными компонентами из жидкой фазы улучшает адгезионные свойства материала, что положительно сказывается на механической прочности получаемых из него гранул, блоков и др. Во-вторых, как хорошо известно специалистам, работающим в технике процессов хемосорбции, поглощение из газообразной фазы сорбата происходит в тонком слое жидкой фазы, образующейся на поверхности хемосорбентов. Часто лимитирующей стадией процессов хемосорбции является внутренняя диффузия молекул сорбата в объем жидкой фазы и образование в ней ионизированных молекул, вступающих в химические реакции. Присутствие в жидкой фазе в указанном количестве тетраборатов щелочных металлов приводит к снижению вязкости поверхностной пленки водного раствора, образующейся на поверхности продукта для регенерации воздуха, что приводит к усилению диффузионных процессов на границах раздела фаз, в жидкой фазе и повышению растворимости и ионизации реагирующих веществ в водном растворе поверхностной пленки. В результате за счет интенсификации массообменных процессов на границах газ - жидкость и жидкость - твердая фаза повышается кинетика процесса хемосорбции диоксида углерода продуктом для регенерации воздуха.

Следует также отметить, что полученный щелочной раствор пероксида водорода при температуре 25°С за 8 часов (продолжительность технологического цикла) теряет не более 0,35% активного кислорода, т.е. меньше, чем щелочной раствор пероксида водорода, приготовленный с использованием технологических приемов и соотношения компонентов, описанных в патенте РФ 2518610. Таким образом, здесь абсолютно уместно говорить об увеличении стабилизирующего влияния присутствующих в щелочном растворе пероксида водорода ионов на химическую устойчивость жидкой фазы и повышении безопасности процесса получения продукта для регенерации воздуха. Механизм стабилизации различных растворов пероксида водорода неизвестен [Г.А. Серышев. Химия и технология перекиси водорода. - Л.: Химия, - 1984. - С. 182]. Поэтому сложно однозначно оценить влияние того или иного иона или их ассоциатов, содержащихся в многокомпонентном растворе, на стабильность системы в целом. Нахождение стабилизатора для конкретной цели - задача, которая решается только эмпирическим путем. Но было отмечено, что в раствор пероксида водорода в первую очередь следует вводить сульфат магния, а после его растворения вводить в полученный раствор тетрабораты щелочных металлов.

Кроме того, использование тетраборатов щелочных металлов позволяет ускорить процесс приготовления щелочного раствора пероксида водорода, что положительно отражается на экономичности способа получения продукта для регенерации воздуха.

Способ получения продукта для регенерации воздуха осуществляют следующим образом. В раствор пероксида водорода с концентрацией от 50 до 85% массовых при интенсивном перемешивании вводят сульфат магния. После его полного растворения (примерно 1-3 минуты) в жидкую фазу вводят тетрабораты щелочных металлов, гидроксид лития и гидроксид калия. Гидроксид калия вводят в систему через 10÷15 минут после введения гидроксида лития. Мольное соотношение исходных компонентов должно составлять следующие величины: пероксид водорода/сульфат магния (H₂O₂/MgSO₄)=450÷800; пероксид водорода/тетраборат щелочного металла (Н₂О₂/Ме₂B₄О₇)=400÷700; пероксид водорода/гидроксид лития (Н₂О₂/LiOH)=3,0÷15,0; пероксид водорода/гидроксид калия (Н₂О₂/КОН)=1,60÷2,00. Для снижения кинетики процесса распада пероксида водорода добавление гидроксидов лития и калия проводят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 25°С. Полученный щелочной раствор пероксида водорода диспергируют форсункой в сушильную камеру в прямотоке предварительно декарбонизированного сушильного агента, где происходит его дегидратация. 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÷220°С). По окончании дегидратации твердый продукт отделяют от газовой смеси с помощью обычного батарейного циклона и рукавного фильтра и собирают в специальный контейнер.

В примерах 1-5 приведены данные о получении заявляемым способом продукта для регенерации воздуха.

Пример 1

К 56,82 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 150 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=800). После растворения MgSO₄ примерно через 1 минуту в жидкую фазу вводят 425 г тетрабората лития (Н₂O₂/Ме₂В₄O₇=400), затем 8 кг гидроксида лития (Н₂O₂/LiOH=3). Примерно через 15 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (Н₂O₂/КОН=2,0). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 25°С. После этого раствор диспергируют через форсунку в сушильную камеру, в которую подают декарбонизованный осушенный воздух, нагретый до температуры 220°С. Расход раствора через форсунку составляет 155 мл/мин. Расход сушильного агента 970 кг/час. Получают 40,1 кг продукта, содержащего 66,4% КO₂, 8,4% КОН, 15,7% Li₂O₂, 4,1% LiOH, 4,0% Н₂O, 1,05% Li₂В₄O₇ и 0,35% MgSO₄.

Пример 2

К 51,7 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 210 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=520). После растворения MgSO₄ примерно через 1,5 минуты в жидкую фазу вводят 304 г тетрабората калия (Н₂O₂/Ме₂В₄O₇=700), затем 4,37 кг гидроксида лития (Н₂O₂/LiOH=5). Примерно через 13 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (Н₂O₂/КОН=1,82). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 25°С. Далее, как в примере 1. Получают 38,7 кг продукта, содержащего 72,5% КO₂, 10,1% КОН, 9,5% Li₂O₂, 2,7% LiOH, 4,2% Н₂O, 0,75% К₂В₄O₇ и 0,25% MgSO₄.

Пример 3

К 45,45 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 160 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=600). После растворения MgSO₄ примерно через 1,5 минуты в жидкую фазу вводят 270 г тетрабората натрия (Н₂O₂/Ме₂В₄O₇=600), затем 1,28 кг гидроксида лития (Н₂O₂/LiOH=15). Примерно через 10 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (Н₂O₂/КОН=1,6). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 25°С. Далее, как в примере 1. Получают 36,4 кг продукта, содержащего 78,7% КO₂, 13,4% КОН, 2,8% Li₂O₂, 0,4% LiOH, 3,5% Н₂O, 0,74% Na₂B₄O₇ и 0,46% MgSO₄.

Пример 4

К 27,23 л водного 85% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 167 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=670). После растворения MgSO₄ примерно через 2 минуты в жидкую фазу вводят 218 г тетрабората калия и 158 г тетрабората лития (H₂O₂/Me₂B₄O₇=500), затем 3,19 кг гидроксида лития (Н₂O₂/ LiOH=7). Примерно через 14 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (Н₂O₂/КОН=1,86). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 25°С. Далее, как в примере 1. Получают 37,9 кг продукта, содержащего 75,6% КO₂, 12,0% КОН, 6,4% Li₂O₂, 1,4% LiOH, 3,3% Н₂O, 0,85% Ме₂В₄O₇ и 0,45% MgSO₄.

Пример 5

К 48,9 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 230 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=450). После растворения MgSO₄ примерно через 3 минуты в жидкую фазу вводят 121,9 г тетрабората калия, 105,2 тетрабората натрия и 88,6 г тетрабората лития (Н₂O₂/Ме₂В₄O₇=550), затем 2,06 кг гидроксида лития (Н₂О₂/LiOH=10). Примерно через 12 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (Н₂О₂/КОН=1,72). Добавление КОН производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 25°С. Далее, как в примере 1. Получают 36,6 кг продукта, содержащего 74,8% КO₂, 12,7% КОН, 5,8% Li₂O₂, 0,8% LiOH, 4,4% Н₂O, 0,83% Ме₂В₄O₇ и 0,67% MgSO₄.

Продукт для регенерации воздуха, полученный заявляемым способом, испытан в патроне серийного индивидуального дыхательного аппарата ШСС-Т (ТУ ВТ 8.154.000), используемого шахтерами и горноспасателями, на установке "Искусственные легкие". Перед проведением испытаний на установке "Искусственные легкие" аппараты ШСС-Т, снаряженные продуктом для регенерации воздуха, изготовленным по примерам 1-5, были подвергнуты вибрационной нагрузке, имитирующей непрерывное ношение ИДА на теле пользователя в течение 2 дней.

Испытания на установке "Искусственные легкие" проводили при следующих условиях:

легочная вентиляция 35,0±1, л/мин объемная подача диоксида углерода 1,57±0,03, л/мин влажность газовоздушной смеси, % 96-98 частота дыхания 20±0,5, мин^-1 температура окружающей среды 20-25°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 в тех же условиях (включая проведение вибрационных нагрузок) испытывался продукт для регенерации воздуха, специально изготовленный по способу, описанному в патенте РФ №2518610 (пример 4). Все продукты для регенерации воздуха имели форму гранул одинакового размера и плотности. Время защитного действия ИДА определяли как время от начала его работы до того момента, когда концентрация СO₂ в потоке газовоздушной смеси на линии "вдоха" установки «Искусственные легкие» достигала 3%. Результаты испытаний представлены в таблице и на графиках Фиг. 1 и Фиг. 2. На Фиг. 1 представлена зависимость гидродинамического сопротивления дыханию пользователя от времени работы в патроне ИДА на линии вдоха. Кривая 1 на графике Фиг. 1 характеризует гидродинамического сопротивления дыханию пользователя при работе ИДА, снаряженного продуктом для регенерации воздуха, полученным по способу, описанному в патенте РФ №2518610. Кривая 2 на графике Фиг. 1 характеризует изменение данного параметра при работе ИДА, снаряженного продуктом для регенерации воздуха, полученным по изобретению. Поскольку для всех продуктов для регенерации воздуха, изготовленных по примерам 1-5, разница изменения данного параметра в единицу времени не превышает 5%, на графике (кривая 2) представлено изменение среднего значения гидродинамического сопротивления дыханию пользователя. На Фиг. 2 представлены кинетические кривые поглощения диоксида углерода различными продуктами для регенерации воздуха. Кривая 1 характеризует кинетику поглощения СO₂ продуктом для регенерации воздуха, полученным по способу, описанному в примере 4 патента РФ №2518610. Кривая 2 характеризует кинетику поглощения СO₂ продуктом для регенерации воздуха по изобретению. Поскольку для всех продуктов для регенерации воздуха, изготовленных по примерам 1-5, разница количества поглощенного диоксида углерода в единицу времени не превышает 5%, на фиг. 2 (кривая 2) представлено изменение среднего значения этого параметра.

Из представленных на графиках Фиг. 1 зависимостей можно сделать вывод, что продукт для регенерации воздуха, полученный по изобретению, обладает большей механической прочностью, чем продукт, изготовленный по патенту РФ №2518610. Это следует из того факта, что в момент запуска индивидуального дыхательного аппарата, снаряженного продуктом, изготовленным по патенту РФ №2518610, гидродинамическое сопротивление дыханию пользователя на 12-16 мм водяного столба выше вследствие образования при вибрационной нагрузке в патроне аппарата мелкодисперсной фракции, чем аналогичное значение для аппарата, снаряженного продуктом для регенерации воздуха, полученным по изобретению.

Как видно из представленных на Фиг. 2 графических данных, продукт для регенерации воздуха, полученный по изобретению, обладает более высокими кинетическими параметрами процесса хемосорбции диоксида углерода в сравнении с продуктом по патенту РФ №2518610. При этом по таким важным эксплуатационным характеристикам, как время защитного действия и степень отработки по диоксиду углерода (данные представлены в таблице), продукт для регенерации воздуха, полученный по изобретению, превосходит аналогичные показатели продукта по патенту РФ №2518610.

Перечисленные выше позитивные аспекты, связанные с процессом регенерации воздуха в патроне ИДА, обусловлены наличием в продукте для регенерации воздуха тетраборатов щелочных металлов и способом их введения в продукт, что приводит, во-первых, к повышению механической прочности гранул продукта, а во-вторых, к снижению вязкости поверхностной пленки водного раствора, образующейся на поверхности продукта. Это, в свою очередь, приводит к усилению диффузионных процессов на границах раздела фаз, в жидкой фазе и повышению растворимости и ионизации реагирующих веществ в водном растворе поверхностной пленки. В результате за счет интенсификации массообменных процессов на границах газ - жидкость и жидкость - твердая фаза повышается кинетика процесса хемосорбции диоксида углерода продуктом для регенерации воздуха. Это особенно актуально при эксплуатации продукта для регенерации воздуха в системах жизнеобеспечения человека в режиме высоких нагрузок, требующих быстрого удаления из газовой фазы значительного количества СO₂.

Кроме того, присутствие в щелочном растворе пероксида водорода тетраборатов щелочных металлов и последовательность введения в жидкую фазу исходных компонентов позволяют сократить время приготовления щелочного раствора пероксида водорода и снизить в течение производственного цикла выделение атомарного кислорода, т.е. повысить безопасность и экономичность процесса.

Изобретение относится к способам получения продуктов для регенерации воздуха для систем жизнеобеспечения человека. Способ получения продукта для регенерации воздуха заключается во взаимодействии стабилизированного сульфатом магния раствора пероксида водорода и гидроксидов лития и калия с последующей дегидратацией полученного щелочного раствора пероксида водорода распылением его в токе сушильного агента. В раствор пероксида водорода после добавления сульфата магния вводят тетрабораты щелочных металлов, в качестве которых используют тетрабораты лития, натрия, калия или их смесь. Мольное соотношение исходных компонентов равно следующим величинам пероксид водорода/сульфат магния (H₂O₂/MgSO₄)=450÷800; пероксид водорода/тетраборат щелочного металла (Н₂О₂/Ме₂B₄О₇)=400÷700; пероксид водорода/гидроксид лития (H₂O₂/LiOH)=3,0÷15,0; пероксид водорода/гидроксид калия (Н₂О₂/КОН)=1,60÷2,00. Продукт для регенерации воздуха, полученный по изобретению, имеет высокую механическую прочность, обеспечивает высокую скорость процесса хемосорбции диоксида углерода, большее время защитного действия и снижение гидродинамического сопротивления дыханию пользователя при его эксплуатации в индивидуальных дыхательных аппаратах. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 5 пр.

1. Способ получения продукта для регенерации воздуха путем смешения раствора пероксида водорода с сульфатом магния и гидроксидами лития и калия с последующей дегидратацией полученного щелочного раствора пероксида водорода распылением его в токе сушильного агента, отличающийся тем, что в раствор пероксида водорода после его смешения с сульфатом магния вводят тетрабораты щелочных металлов, в качестве которых используют тетрабораты лития, натрия, калия или их смесь, при этом мольное соотношение исходных компонентов равно следующим величинам: пероксид водорода/сульфат магния (H₂O₂/MgSO₄)=450÷800; пероксид водорода/тетраборат щелочного металла (H₂O₂/Me₂B₄O₇)=400÷700; пероксид водорода/гидроксид лития (H₂O₂/LiOH)=3,0÷15,0; пероксид водорода/гидроксид калия (H₂O₂/KOH)=1,60÷2,00.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что гидроксид калия вводят в жидкую фазу через 10÷15 минут после введения всех других компонентов.