СПОСОБ ТЕРМОФОРМОВАНИЯ ПОГЛОТИТЕЛЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА Российский патент 2020 года по МПК B01J20/30 B01J20/04 B01J20/22 

Изобретение относится к способам изготовления поглотителей, применяемых в средствах защиты органов дыхания, и может быть использовано в производстве химического поглотителя диоксида углерода СО₂.

Известен способ изготовления структурированного регенеративного продукта (патент РФ 2591164, МПК B01J 20/04, 2016). Исходный армирующий материал в виде мата или ленты увлажняют растворами целевых продуктов, после чего отжимают избыток раствора на перфорированной пластине валком. Затем пропитанный армирующий материал размещают между двумя перфорированными пластинами и подвергают сушке в вакуумной камере. Вначале сушку осуществляют под вакуумом без подвода тепла в течение 15-30 мин, после чего продукт подвергают инфракрасному нагреву со скоростью разогрева 5÷10 град/мин с последующей выдержкой при температуре 125-135°С в течение 10-20 минут. Окончательная формовка производится одновременно с процессом сушки.

Недостатком такого способа является большой разброс геометрических размеров пластин из-за проведения окончательного формования одновременно с процессом сушки и коробления пластин в процессе сушки, что не позволяет обеспечить равномерный поток очищаемой от СО₂ газовоздушной смеси через блок для регенерации воздуха, собранный из полученных пластин.

Этот недостаток частично устранен в способе прессования предварительно сформованных или плоских заготовок по патенту РФ 2323085, МПК В28В 3/00, В28В 17/00, 2008. Способ прессования предварительно сформованных плоских керамических заготовок заключается в выполнении следующих стадий:

а) располагают предварительно сформованные заготовки отдельно друг от друга на конвейерной ленте;

б) передвигают ленту с заготовкой для прессования в прессовочный блок, снабженный, по крайней мере, одним верхним штампом, с которым связана штамповочная пластина;

в) измеряют положение предварительно сформованной заготовки относительно положения штампа пресса с помощью подходящих средств для измерения;

г) сравнивают измеренные значения с соответствующими заранее заданными контрольными значениями;

д) на основе результата такого сравнения располагают штамп пресса точно над указанной заготовкой и с той же ориентацией, которую имеет заготовка на конвейерной ленте;

е) осуществляют прессование предварительно сформованной заготовки с получением плитки.

Согласно этому способу при помощи измерения поддерживают нужное положение штампа пресса. Измерение включает в себя: измерение расстояния между средством для измерения и двумя различными точками по крайней мере на одном крае заготовки или измерение расстояния между средством для измерения и одной точкой на одном крае заготовки и расстояния между средством для измерения и одной точкой на смежном крае заготовки, или включает в себя измерение расстояния между средством для измерения и двумя различными точками на одном крае заготовки и расстояния между средством для измерения и двумя различными точками на смежном крае заготовки. Плитку предварительно формуют под давлением, составляющем предпочтительно от 10 до 100 кг/см².

Такой способ может использоваться для раскроя погонажных материалов ленточного типа, однако для изготовления блочных регенеративных продуктов, на которых необходимо выполнять рифления, а при сборке в блок - половину полученных пластин переворачивать на другую сторону, он не применим.

Известен принятый в качестве прототипа способ изготовления каталитического блока нейтрализатора отработавших газов (патент РФ 2028469, МПК F01N 3/28, B01J 35/04, опубл. 1995). Каталитический блок содержит рулон, выполненный из гофрированной жаростойкой стальной ленты. Лента намотана слоями, которые берут свое начало в центре блока и виток за витком, накладываясь друг на друга, сворачиваются в газопроницаемый рулон. Впадины и гребни гофр ленты расположены под углом, или по дуге, или по ломаной линии к кромке ленты. Гребни одного слоя размещены с возможностью пересечения с впадинами соседнего слоя с образованием газовых каналов, поверхность которых покрыта катализатором. Гребни и впадины соседних слоев в местах пересечений вдавлены одни в другие. Способ изготовления каталитического блока нейтрализатора отработанных газов осуществляется путем гофрирования жаростойкой стальной ленты по меньшей мере на одном валке, намотки из ленты рулона слоями, формирования окисного слоя на поверхности ленты и нанесения на него катализатора, при этом после гофрирования ленты осуществляют ее нагрев между двумя электродами, фиксирующими рулон, и вдавливание гребней и впадин гофр соседних слоев в местах их пересечений.

Величину вдавливания в процессе намотки поддерживают постоянной, либо величину вдавливания в процессе намотки изменяют. С целью уменьшения отходов ленты в производстве, рулон формируют из двух кусков ленты на независимых валках.

Такой способ обеспечивает минимальное сопротивление газовому потоку при очистке газа катализатором, нанесенным методом пропитки носителя солями благородных металлов с последующим их восстановлением. В свою очередь носитель из оксида металла может быть присоединен к стали термическим воздействием. Однако такой способ не применим при изготовлении блока из листов поглотителя, который вместо металлических лент содержит волокнистую подложку, пропитанную гидроксидом щелочного металла. Такая подложка выдерживает однократную деформацию, но из-за хрупкости продукта, деформированные в продольном направлении участки пропитанной подложки нельзя подвергнуть деформации в поперечном направлении, и наоборот.

Техническим результатом изобретения является создание способа, обеспечивающего получение химического поглотителя диоксида углерода в виде блоков из профилированных пластин.

Технический результат достигается способом термоформования поглотителя диоксида углерода, включающим пропитку пористой листовой подложки полимерным связующим и активным компонентом в виде гидроксида щелочного металла, путем воздействия на него формующим инструментом в прессе с обогреваемой плитой. Согласно изобретению в качестве пористой листовой подложки используют нетканый материал «Спанлейс», на который наносят раствор, содержащий картофельный крахмал и гидроксид щелочного металла, предпочтительно лития, после чего на обработанную таким образом подложку в виде листа материала «Спанлейс», укладывают второй лист материала «Спанлейс», не содержащий раствор крахмала и гидроксида лития, и формующий инструмент, в качестве которого используют тефлоновую сетку, помещаемую между плитой пресса и формуемым поглотителем. Указанную сборку подвергают термокомпрессионной обработке при температуре 220±2°С при давлении 0,5-2 МПа в течение 1-10 мин, после чего тефлоновую сетку отделяют от термоформованного поглотителя, а полученный поглотитель охлаждают до комнатной температуры в герметичной емкости.

В качестве тефлоновой сетки используют фторопластовую безузелковую сетку с прямоугольными ячейками, повернутую по отношению к продольной оси предпочтительно на угол 45°.

Толщина наносимого на подложку слоя раствора крахмала и гидроксида лития не превышает величины, соответствующей полуторной толщине подложки.

Использование технологии термоформования поглотителя диоксида углерода, обеспечивает:

- получение листов химического поглотителя диоксида углерода с расположенными на внешней поверхности каналами для прохода очищаемого воздуха и с максимальной динамической активностью по поглощению диоксида углерода;

- расширение ассортимента форм поглотителя и снижение затрат на изготовление формующего инструмента;

- полное удаление воды из раствора крахмала и гидроксида лития, что повышает надежность работы поглотителя при длительном хранении перед применением и обеспечивает получение поглотителя с максимальной сорбционной емкостью по диоксиду углерода.

Использование в качестве формующего инструмента фторопластовой безузелковой сетки с прямоугольными ячейками, повернутой предпочтительно на угол 45° по отношению к продольной оси подложки «Спанлейс», обеспечивает равномерное распределение воздушного потока между листами поглотителя.

Применение толщины наносимого на подложку слоя раствора крахмала и гидроксида лития, не превышающего полторы толщины подложки, исключает просачивание раствора крахмала и гидроксида лития при термоформовании за пределы подложки, что уменьшает пыление поглотителя диоксида углерода после его осушки.

Помещение на подложку с нанесенным раствором крахмала и гидроксида лития перед термоформованием дополнительных подложек с нанесенным на них с одной стороны раствором крахмала и гидроксида лития обеспечивает получение более толстых пластин поглотителя, которые могут использоваться в системах регенерации воздуха, работающих с большой производительностью, либо в аналогичных системах, рассчитанных на большую продолжительность работы.

Ниже приводятся характеристики продуктов и материалов, используемых для изготовления поглотителя СО₂.

Лития гидроокись техническая по ГОСТ 8595-83 (Лития гидроксид). Настоящий стандарт распространяется на технический лития гидроксид, представляющий собой моногидрат лития гидроксида и применяемый в производстве водостойких смазочных материалов, в качестве добавки к электролиту для щелочных аккумуляторов, в системах кондиционирования воздуха, в аналитической химии, в качестве исходного сырья для получения различных соединений лития и других целей, и устанавливает требования к лития гидроксиду, изготавливаемому для нужд народного хозяйства и для поставки на экспорт. Формула LiOH⋅Н₂О. Молекулярная масса (по международным атомным массам 1985 г.) - 41,96. Лития гидроксид изготовляют двух марок: ЛГО-1 и ЛГО-3. По физико-химическим показателям лития гидроксид должен соответствовать нормам, указанным в табл. 1

Крахмал картофельный по ГОСТ Р 53876-2010. Настоящий стандарт распространяется на картофельный крахмал, получаемый механической переработкой картофеля. Картофельный крахмал применяется в различных отраслях пищевой промышленности (кондитерской, концентратной, мясомолочной, хлебопекарной и др.) в качестве товара народного потребления; в химико-фармацевтической промышленности в качестве наполнителя в таблетированных лекарственных средствах и присыпках, а также для технических целей (производство декстрина, в текстильной, бумажной и других отраслях промышленности). По физико-химическим показателям картофельный крахмал должен соответствовать требованиям и нормам, указанным в табл. 2.

Спанлейс по ТУ 8390-001-50030680-09 - это нетканое полотно, полученное путем плотного соединения волокон (нитей) водяными струями высокого давления, без применения клеевых составов. Состав: нетканое полотно («Спанлейс»): 50% вискоза, 50% полиэфир. Свойства: мягкий безворсовый материал с большой впитывающей способностью. Используется как протирочный материал в быту и в производстве в виде салфеток. Материал при необходимости хорошо стерилизуется.

Вода дистиллированная по ГОСТ 6709-72. Настоящий стандарт распространяется на дистиллированную воду, получаемую в перегонных аппаратах и применяемую для анализа химических реактивов и приготовления растворов реактивов. Дистиллированная вода представляет собой прозрачную, бесцветную жидкость, не имеющую запаха. Формула Н₂О. Молекулярная масса (по международным атомным массам 1971 г.) - 18,01. По физико-химическим показателям дистиллированная вода должна соответствовать требованиям и нормам, указанным в табл. 3.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примером конкретного выполнения, где приведен один из вариантов аппаратурной реализации предлагаемого способа.

На представленных чертежах изображены:

на фиг. 1 - тефлоновая сетка, вид в сверху;

на фиг. 2 - сечение по А-А фиг. 1;

на фиг. 3 - раскрой тефлоновой сетки для поглотителя;

на фиг. 4 - схема взаимного расположения слоев и термоформующих элементов при термоформовании поглотителя диоксида углерода;

на фиг. 5 - вид каналов на поверхности пластины поглотителя диоксида углерода;

на фиг. 6 - поглотитель диоксида углерода с каналами на одной стороне пластины в разрезе;

на фиг. 7 - поглотитель диоксида углерода с каналами на обеих сторонах пластины в разрезе;

на фиг. 8 - блок для регенерации воздуха в виде пакета пластин поглотителя диоксида углерода, вид сверху.

Перечень позиций, указанных на чертежах:

1. тефлоновая сетка;

2. подложка «Спанлейс»;

3. раствор крахмала и гидроксида лития;

4. плита нижняя;

5. плита верхняя;

6. пластина поглотительная;

7. оболочка пакета пластин (блока для регенерации воздуха);

8. воздушный канал.

Способ осуществляется следующим образом.

На стол укладывают тефлоновую сетку 1. На сетку 1 укладывают подложку «Спанлейс» 2 и на ее поверхность шпателем наносят раствор крахмала и гидроксида лития 3. На слой раствора крахмала и гидроксида лития 3 укладывают лист «Спанлейса» 2, не содержащего раствор крахмала и гидроксида лития 3. Полученный набор из сетки 1, листов «Спанлейса» 2 с заключенным между ними слоем раствора крахмала и гидроксида лития 3 помещают на нижнюю плиту 4, как показано на фиг. 4, после чего нижнюю плиту 4 поднимают до соприкосновения формуемого продукта с верхней плитой 5, после чего включают нагрев верхней плиты 5 (нагреватель условно не показан). Процесс термоформования ведут при температуре 220±2°С, давлении 0,5-2 МПа в течение 1-10 мин, после чего отключают нагрев верхней плиты 5, нижнюю плиту 4 отводят в нижнее положение, тефлоновую сетку отделяют от термоформованного поглотителя, полученный поглотитель охлаждают до комнатной температуры в герметичной емкости.

Полученные пластины химического поглотителя 6 собирают в пакет заданной толщины и помещают в оболочку 7 и в герметичной таре подают на снаряжение изолирующих дыхательных аппаратов (ИДА). На поглотительных листах после удаления сетки образуются каналы 8, как показано на фиг. 5-7.

Главным показателем работоспособности химического поглотителя диоксида углерода является время защитного действия (ВЗД), сопротивление дыханию и механическая прочность. Они зависят от ряда факторов, основными из которых являются толщина гофрированной пластины, величина и размеры каналов.

Ниже приведены примеры конкретной реализации предлагаемого способа.

Пример 1. Для нанесения раствора крахмала и гидроксида лития на заготовку «Спанлейса» на столе расстилают тефлоновую сетку с размерами 400×500 мм, размером ячеек 4×4 мм и толщиной 0,6 мм, на которую укладывают лист «Спанлейса» с размерами 400×500 мм и толщиной 0,4 мм. На лист «Спанлейса» наносят 0,25 дм³ раствора крахмала и гидроксида лития и шпателем равномерно распределяют по всей поверхности листа. После этого лист «Спанлейса» с нанесенным слоем раствора крахмала и гидроксида лития накрывают вторым листом «Спанлейса» и подвергают прессованию под нагревом при температуре 220°С и давлении 0,5 МПа в течение 5 мин, после чего тефлоновую сетку отделяют от термоформованного поглотителя. Полученный поглотитель охлаждают до комнатной температуры в герметичной емкости, после чего лист поглотителя обрезают по контуру до заданных размеров. В результате были получены гофрированные пластины поглотителя с размером 110×86 мм с толщиной 1,2 мм.

После изготовления описанным выше способом нескольких пластин поглотителя, производят сборку блока из пластин в количестве до 66 штук, фиксацию пластин блока осуществляют посредством намотки на его боковую поверхность стеклобумаги БМД-К в 4 слоя.

Полученный блок направляется на снаряжение поглотительного патрона. Для контроля защитных и эксплуатационных характеристик пластин поглотителя диоксида углерода после их сборки в блок и помещения в поглотительный патрон ИДА, их подвергали испытаниям на вибрационном стенде, на котором определяли механическую прочность (по отсутствию пылевыделения из патрона при продувке воздухом), и затем испытанию на установке искусственные легкие (ИЛ) для определения сопротивлению дыханию на различных режимах и времени защитного действия.

Результаты. В режиме легочной вентиляции 35 л/мин время защитного действия составило 24 мин. Максимальная величина сопротивлению дыханию не превышала 38 мм вод. ст.

Пример 2. Для нанесения раствора крахмала и гидроксида лития на заготовку «Спанлейса» на столе расстилают тефлоновую сетку с размерами 400×500 мм, размером ячеек 6x6 мм и толщиной 0,8 мм, на которую укладывают лист «Спанлейса» с размерами 400×500 мм и толщиной 0,2 мм. На лист «Спанлейса» наносят 0,25 дм³ раствора крахмала и гидроксида лития и шпателем равномерно распределяют по всей поверхности листа. После этого лист «Спанлейса» с нанесенным слоем раствора крахмала и гидроксида лития накрывают вторым листом «Спанлейса» и подвергают прессованию под нагревом при температуре 218°С и давлении 0,5 МПа в течение 1 мин, после чего тефлоновую сетку отделяют от термоформованного поглотителя. Полученный поглотитель охлаждают до комнатной температуры в герметичной емкости, после чего лист поглотителя обрезают по контуру до заданных размеров. В результате были получены гофрированные пластины поглотителя с размером 110×86 мм с толщиной 1,5 мм.

После изготовления описанным выше способом нескольких пластин поглотителя, производят сборку блока из пластин в количестве до 53 штук, фиксацию пластин блока осуществляют посредством намотки на его боковую поверхность стеклобумаги БМД-К в 4 слоя.

Полученный блок направляется на снаряжение поглотительного патрона. Для контроля защитных и эксплуатационных характеристик пластин поглотителя диоксида углерода после их сборки в блок и помещения в поглотительный патрон ИДА, их подвергали испытаниям на вибрационном стенде, на котором определяли механическую прочность (по отсутствию пылевыделения из патрона при продувке воздухом), и затем испытанию на установке искусственные легкие (ИЛ) для определения сопротивлению дыханию на различных режимах и времени защитного действия.

Результаты. В режиме легочной вентиляции 35 л/мин время защитного действия составило 26 мин. Максимальная величина сопротивлению дыханию не превышала 40 мм вод. ст.

Пример 3. Для нанесения раствора крахмала и гидроксида лития на заготовку «Спанлейса» на столе расстилают тефлоновую сетку с размерами 400×500 мм, размером ячеек 8×8 мм и толщиной 1 мм, на которую укладывают лист «Спанлейса» с размерами 400×500 мм и толщиной 0,3 мм. На лист «Спанлейса» наносят 0,25 дм³ раствора крахмала и гидроксида лития и шпателем равномерно распределяют по всей поверхности листа. После этого лист «Спанлейса» с нанесенным слоем раствора крахмала и гидроксида лития накрывают вторым листом «Спанлейса» и подвергают прессованию под нагревом при температуре 222°С и давлении 1 МПа в течение 10 мин, после чего тефлоновую сетку отделяют от термоформованного поглотителя. Полученный поглотитель охлаждают до комнатной температуры в герметичной емкости, после чего лист поглотителя обрезают по контуру до заданных размеров. В результате были получены гофрированные пластины поглотителя с размером 110×86 мм с толщиной 1,84 мм.

После изготовления описанным выше способом нескольких пластин поглотителя, производят сборку блока из пластин в количестве до 44 штук, фиксацию пластин блока осуществляют посредством намотки на его боковую поверхность стеклобумаги БМД-К в 4 слоя.

Полученный блок направляется на снаряжение поглотительного патрона. Для контроля защитных и эксплуатационных характеристик пластин поглотителя диоксида углерода после их сборки в блок и помещения в поглотительный патрон ИДА, их подвергали испытаниям на вибрационном стенде, на котором определяли механическую прочность (по отсутствию пылевыделения из патрона при продувке воздухом), и затем испытанию на установке искусственные легкие (ИЛ) для определения сопротивлению дыханию на различных режимах и времени защитного действия.

Результаты. В режиме легочной вентиляции 35 л/мин время защитного действия составило 28 мин. Максимальная величина сопротивлению дыханию не превышала 37 мм вод. ст.

Пример 4. Для нанесения раствора крахмала и гидроксида лития на заготовку «Спанлейса» на столе расстилают тефлоновую сетку с размерами 400×500 мм, размером ячеек 8×8 мм и толщиной 1,2 мм, на которую укладывают лист «Спанлейса» с размерами 400×500 мм и толщиной 0,4 мм. На лист «Спанлейса» наносят 0,25 дм³ раствора крахмала и гидроксида лития и шпателем равномерно распределяют по всей поверхности листа. После этого лист «Спанлейса» с нанесенным слоем раствора крахмала и гидроксида лития накрывают вторым листом «Спанлейса», затем сверху накрывают второй тефлоновой сеткой с размерами 400×500 мм, размером ячеек 8×8 мм и толщиной 1,2 мм, и подвергают прессованию под нагревом при температуре 220°С и давлении 1,5 МПа в течение 10 мин, после чего тефлоновую сетку отделяют от термоформованного поглотителя. Полученный поглотитель охлаждают до комнатной температуры в герметичной емкости, после чего лист поглотителя обрезают по контуру до заданных размеров. В результате были получены гофрированные пластины поглотителя с размером 110×86 мм с толщиной 2,2 мм.

После изготовления описанным выше способом нескольких пластин поглотителя, производят сборку блока из пластин в количестве до 36 штук, фиксацию пластин блока осуществляют посредством намотки на его боковую поверхность стеклобумаги БМД-К в 4 слоя.

Полученный блок направляется на снаряжение поглотительного патрона. Для контроля защитных и эксплуатационных характеристик пластин поглотителя диоксида углерода после их сборки в блок и помещения в поглотительный патрон ИДА, их подвергали испытаниям на вибрационном стенде, на котором определяли механическую прочность (по отсутствию пылевыделения из патрона при продувке воздухом), и затем испытанию на установке искусственные легкие (ИЛ) для определения сопротивлению дыханию на различных режимах и времени защитного действия.

Результаты. В режиме легочной вентиляции 35 л/мин время защитного действия составило 22 мин. Максимальная величина сопротивлению дыханию не превышала 42 мм вод. ст. По результатам испытаний этого блока и других определяли оптимальные режимы изготовления химического поглотителя диоксида углерода.

По результатам этого блока и других блоков по примерам 1-3 были определены оптимальные режимы изготовления химического поглотителя диоксида углерода. Результаты испытаний и сравнение с аналогичным поглотителем диоксида углерода представлены в таблице 4.

Предлагаемый химический поглотитель имеет более высокую сорбционную емкость и время защитного действия, чем известные. Предлагаемый способ получения термоформованного поглотителя диоксида углерода прост в аппаратурном исполнении и эксплуатации.

Изобретение относится к способам изготовления поглотителей, применяемых в средствах защиты органов дыхания, в частности к способу термоформования поглотителя диоксида углерода. Способ включает пропитку волокнистой подложки, в качестве которой используют листы материала «Спанлейс» 2, путем укладки первого листа материала «Спанлейс» 2, нанесения на него пасты 3, содержащей раствор картофельного крахмала и гидроксида щелочного металла, предпочтительно лития, и размещения на нем второго листа материала «Спанлейс» 2, воздействие формующим инструментом, в качестве которого используют тефлоновую сетку 1, в прессе с обогреваемой плитой, при этом сетку 2 помещают между плитой пресса 4 и первым листом материала «Спанлейс» 2, термокомпрессионную обработку пакета материалов при температуре 220±2°С при давлении 0,5-2 МПа в течение 0,5-10 мин, отделение тефлоновой сетки от термоформованного поглотителя и охлаждение его до температуры 20±5°С в герметичной емкости. Изобретение обеспечивает получение поглотителя, имеющего более высокую сорбционную емкость и время защитного действия, простым в аппаратурном исполнении и эксплуатации способом. 4 з.п. ф-лы, 4 пр., 4 табл., 8 ил.

1. Способ термоформования поглотителя диоксида углерода, включающий пропитку волокнистой подложки полимерным связующим и активным компонентом в виде гидроксида щелочного металла, путем воздействия на него формующим инструментом в прессе с обогреваемой плитой, отличающийся тем, что в качестве волокнистой подложки используют листы материала «Спанлейс», на один из которых наносят пасту, содержащую раствор картофельного крахмала и гидроксида щелочного металла, предпочтительно лития, с последующим размещением на нем второго листа материала «Спанлейс», не содержащего пасту, в качестве формующего инструмента используют тефлоновую сетку, которую помещают между плитой пресса и первым листом материала «Спанлейс», после чего пакет из указанных материалов подвергают термокомпрессионной обработке при температуре 220±2°С при давлении 0,5-2 МПа в течение 0,5-10 мин, по завершении которой тефлоновую сетку отделяют от термоформованного поглотителя диоксида углерода и охлаждают его до температуры 20±5°С в герметичной емкости.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве тефлоновой сетки используют фторопластовую безузловую сетку с прямоугольными ячейками.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что толщина наносимого на лист из материала «Спанлейс» слоя пасты не превышает полторы толщины листа из материала «Спанлейс».

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термоформованию подвергается пакет из нескольких листов из материала «Спанлейс» с нанесенной на них пастой, размещенных между тефлоновой сеткой и листом из материала «Спанлейс», не содержащим пасту.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используемая в качестве формующего инструмента тефлоновая сетка размещается между нижней плитой пресса и первым листом материала «Спанлейс», и между последним листом материала «Спанлейс» и верхней плитой пресса.