Система переработки диоксида углерода и водорода Российский патент 2023 года по МПК B64G1/48 

Предлагаемое изобретение относится к области создания регенерационных физико-химических максимально замкнутых систем жизнеобеспечения экипажа космического аппарата длительного функционирования.

Изобретение может быть также использовано в воздушных, наземных, подземных, надводных и подводных специальных гермообъектах.

При осуществлении космических полетов вне земной орбиты и создании инопланетных баз целесообразно максимально использовать вещества, выделяемые в процессе жизнедеятельности экипажа, т.е. система должна быть максимально замкнута и основана на регенерационном принципе.

Известен общий подход к созданию замкнутой физико-химической системы жизнеобеспечения с подсистемой регенерации воздуха (Б.Г. Гришаенков. Регенерация и кондиционирование воздуха. Основы космической биологии и медицины. Под общ. ред. О.Г. Газенко и М. Кальвина. М.: Наука, 1975. Т. 3, С. 70-121; А.С. Гузенберг. Регенерация и кондиционирование воздуха. Космическая биология и медицина. Под общ. ред. О.Г. Газенко, А.И. Григорьева и А.Е. Никогосяна, С.Р. Молера. М.: Наука, 1994. Т. 2, С. 252-296).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является регенерационная система жизнеобеспечения экипажа космического аппарата, а в качестве прототипа выбрана система переработки диоксида углерода и водорода, входящая в эту основную систему. Данная система переработки диоксида углерода и водорода (прототип) включает в себя: узел переработки диоксида углерода и водорода, блок электролитического разложения воды, аккумулятор водорода с интерметаллидом, адсорбер кислорода, дожигатель оксида углерода с палладиевым катализатором, абсорбер водорода с интерметаллидом (Климарев С.И., Синяк Ю.Е., Гаврилов Л.И. и др. Регенерационная система жизнеобеспечения экипажа космического аппарата. Патент RU №2500590. 2013).

Недостатками системы переработки диоксида углерода и водорода являются:

- избыточное накопление диоксида углерода;

- использование кислорода для дожигания оксида углерода до диоксида углерода в дожигателе;

- совместная подача примесных газов в водороде (непрореагировавшего диоксида углерода и образовавшегося оксида углерода), снижающая скорость абсорбции водорода в его абсорбере и сорбционную емкость интерметаллида;

- использование диоксида углерода в оранжерее, которая находится в жилом отсеке;

- удаление диоксида углерода за борт, содержащего значительное количество кислорода.

Задача и технический результат заключается в создании системы переработки диоксида углерода и водорода, максимально перерабатывающей как исходные реагенты (диоксид углерода и водород), так и продукты их взаимодействия; в исключении окисления оксида углерода до диоксида углерода и его удалении за борт космического аппарата; в предотвращении накопления избыточного количества диоксида углерода; в отсутствии совместной подачи непрореагировавшего диоксида углерода и водорода и образовавшегося оксида углерода в абсорбер водорода; в получении сверхчистого водорода за счет отделения примесных газов (диоксида и оксида углерода).

Поставленная задача решается тем, что в системе переработки диоксида углерода и водорода, содержащей узел переработки диоксида углерода и водорода, блок электролитического разложения воды, аккумулятор водорода с интерметаллидом, адсорбер кислорода, дожигатель оксида углерода с палладиевым катализатором, абсорбер водорода с интерметаллидом, между узлом переработки диоксида углерода и водорода и абсорбером водорода установлен мембранный модуль с фильтрующими элементами для сепарации водорода и подачи его в абсорбер водорода; мембранный модуль соединен также с адсорбером диоксида углерода, в который направляется непрореагировавший диоксид углерода и образовавшийся в результате реакции оксид углерода; оксид углерода, пройдя через адсорбер диоксида углерода, направляется в сборник оксида углерода с последующим использованием в двигателе коррекции орбиты космического аппарата, или удаляется за борт, при этом адсорбер диоксида углерода связан с его концентратором.

В качестве адсорбента в адсорбере диоксида углерода может быть использован, например, цеолит, поглощающий высокочастотную электромагнитную энергию.

В узле переработки диоксида углерода и водорода в качестве нагревательных элементов может быть использован тлеющий разряд переменного тока, СВЧ разряд или их комбинация.

Для поглощения водорода в его аккумуляторе и абсорбере водорода применяется интерметаллид на основе сплава LaNis (Колачев Б.А., Ильин А.А., Лавренко В.А., Левинский Ю.В. / Гидридные системы. Справочник. М. Металлургия. 1992. 352 с.).

Применение мембранного модуля с фильтрующими элементами между узлом переработки диоксида углерода и водорода и абсорбером водорода является новым техническим решением. Фильтрующие элементы мембранного модуля выполнены на основе сплава PdInRu для отделения непрореагировавшего водорода из газовой смеси непрореагировавшего диоксида углерода и образовавшегося в результате реакции оксида углерода (Словецкий Д.И. // Сверхчистый водород. Новые технологии. The Chemical Journal. Январь-февраль. 2010. С 33-35).

Наличие в системе переработки диоксида углерода и водорода сборника оксида углерода улучшает работу системы в целом.

Предлагаемое техническое решение иллюстрирует фигура 1, на которой приведена блок-схема системы жизнеобеспечения, где: 1 - жилой отсек; 2 - система очистки атмосферы от вредных примесей; 3 - узел переработки диоксида углерода и водорода; 4 - блок электролитического разложения воды; 5 - аккумулятор водорода с интерметаллидом; 6 - система регенерации твердых и жидких отходов жизнедеятельности экипажа; 7 - сборник питьевой воды; 8 - сборник метаболической воды; 9 - сборник отходов; 10 - система очистки атмосферы от диоксида углерода и паров воды; 11 - концентратор диоксида углерода; 12 - мембранный модуль с фильтрующими элементами; 13 - абсорбер водорода с интерметаллидом; 14 - адсорбер диоксида углерода; 15 - сборник оксида углерода.

Система переработки диоксида углерода и водорода, входящая в систему жизнеобеспечения, состоит из: узла 3 переработки диоксида углерода и водорода; блока 4 электролитического разложения воды; аккумулятора водорода 5 с интерметаллидом; мембранного модуля 12 с фильтрующими элементами; абсорбера водорода 13 с интерметаллидом; адсорбера диоксида углерода 14; сборника оксида углерода 15.

Перечисленные узлы и блоки системы переработки диоксида углерода и водорода взаимосвязаны между собой следующим образом: блок электролитического разложения воды 4 первым выходом связан с жилым отсеком 1, а вторым - со входом аккумулятора водорода 5; первый вход блока электролитического разложения воды 4 связан со сборником воды метаболической 8; выход аккумулятора водорода 5 соединен со вторым входом узла переработки диоксида углерода и водорода 3; второй вход узла переработки диоксида углерода 3 связан с концентратором диоксида углерода 11; первый выход блока переработки диоксида углерода и водорода 3 соединен со входом мембранного модуля 12 с фильтрующими элементами, а второй выход блока 3 - со вторым входом в блок электролитического разложения воды 4; первый выход мембранного модуля 12 с фильтрующими элементами соединен со входом в абсорбер водорода 13, выход которого, в свою очередь, соединен со вторым входом в аккумулятор водорода 5; второй выход мембранного модуля 12 соединен со входом в адсорбер диоксида углерода 14, из которого через первый выход диоксид углерода десорбируется в концентратор диоксида углерода 11, а через второй выход оксид углерода подается в сборник 15 оксида углерода, из которого по мере необходимости направляется в двигатель коррекции орбиты или удаляется за борт.

Система переработки диоксида углерода и водорода работает следующим образом:

По окончании процесса концентрирования диоксида углерода и сорбции водорода осуществляется процесс переработки диоксида углерода и водорода в следующей последовательности: в аккумуляторе водорода 5 электрическим нагревателем производится нагрев интерметаллида; затем диоксид углерода из концентратора 11 и водород из аккумулятора 5 в соотношении 1:2 соответственно стравливаются с постоянным расходом в узел переработки диоксида углерода и водорода 3; величина давления в этих блоках выбирается экспериментальным путем для поддержания постоянной скорости смеси этих газов, обеспечивающей максимальную степень превращения диоксида углерода; переработка диоксида углерода и водорода осуществляется плазмохимическим методом с использованием безынерционного тлеющего или СВЧ разряда, либо их комбинации; образовавшаяся в результате гидрирования диоксида углерода вода подается в электролизер 4 для разложения на кислород и водород.

После системы переработки диоксида углерода и водорода 3 смесь оксида углерода, непрореагировавшего диоксида углерода и водорода направляется в мембранный модуль 12 с фильтрующими элементами для отделения водорода от оксида и диоксида углерода; затем водород подается в абсорбер водорода 13; далее непрореагировавший диоксид углерода и образовавшийся в результате реакции оксид углерода направляются в адсорбер диоксида углерода 14, в котором происходит адсорбция диоксида углерода, а оксид углерода направляется в его сборник 15, водород при этом из абсорбера 13 по окончании процесса переработки подается в аккумулятор водорода 5; после этого система не работает до начала следующего цикла переработки.

Таким образом, предложенное расположение узлов и блоков в предлагаемом техническом решении позволяет в максимальной степени перерабатывать диоксид углерода и водород; исключить избыточное накопление диоксида углерода и его удаления за борт космического аппарата; отказаться от использования кислорода для окисления оксида углерода до диоксида углерода; обеспечить подачу сверхчистого водорода в его абсорбер; складировать оксид углерода в его сборнике с последующим использованием, например, в двигателе коррекции космического аппарата или для удаления за борт.

Изобретение относится к регенерационным физико-химическим системам жизнеобеспечения экипажа космического аппарата (КА) с максимально замкнутым циклом. Предлагаемая система содержит узел переработки диоксида углерода (СО₂) и водорода (Н₂), блок электролитического разложения воды, аккумулятор и абсорбер Н₂ с интерметаллидом. Между узлом переработки СО₂ и Н₂ и абсорбером Н₂ установлен мембранный модуль с фильтрующими элементами для сепарации Н₂ и подачи его в абсорбер Н₂. Данный модуль соединен также с адсорбером СО₂, в который направляется непрореагировавший СО₂ и образовавшийся в результате реакции оксид углерода (СО). СО, пройдя через адсорбер СО₂, направляется в сборник СО, с последующим использованием в двигателе коррекции орбиты КА, или удаляется за борт, при этом адсорбер СО₂ связан с его концентратором. Технический результат состоит в максимальной утилизации исходных реагентов и конечных продуктов, предотвращении накопления избыточного СО₂, исключении совместной подачи непрореагировавших СО₂ и Н₂ и образовавшегося СО в абсорбер Н₂, получении сверхчистого Н₂ за счет отделения примесных газов. 1 ил.

Система переработки диоксида углерода и водорода, содержащая узел переработки диоксида углерода и водорода, включающий нагревательные элементы, блок электролитического разложения воды, дожигатель оксида углерода с палладиевым катализатором, абсорбер водорода с интерметаллидом, аккумулятор водорода с интерметаллидом, адсорбер кислорода, отличающаяся тем, что между узлом переработки диоксида углерода и водорода и абсорбером водорода установлен мембранный модуль с фильтрующими элементами для сепарации водорода и подачи его в абсорбер водорода, причем мембранный модуль соединен также с адсорбером диоксида углерода, в который направляется непрореагировавший диоксид углерода и образовавшийся в результате реакции оксид углерода, так что оксид углерода, пройдя через адсорбер диоксида углерода, направляется в сборник оксида углерода с последующим использованием в двигателе коррекции орбиты космического аппарата, или удаляется за борт, при этом адсорбер диоксида углерода связан с его концентратором.