автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.02, диссертация на тему:Исследование и разработка систем кислородообеспечения на основе пероксида водорода

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИНСТИТУТ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

Для служебного пользования экз. № I

на правах рукописи

Смиренный Алексей Львович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМ КИСЛОРОДООБЕСПЕЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПЕРОКСИДА

ВОДОРОДА

05.26.02 "Безопасность, защита, спасение и жизнеобеспечение населения в чрезвычайных ситуациях"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994г.

Работа выполнена в Институте медико-биологических

проблем Министерства здравоохранения Российской Федерации.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор IГришаенков Б. Г. 1

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Адамович Б. А.

кандидат технических наук, Климарев С. И.

Ведущая организация: АО НИИХИММАШ

Защита состоится <<^5>> ____.........1994 года.

в./£... часов на заседании совета Д074.31.02 при Институте медико-биологических проблем (123007, г. Москва, Хорошевское ш., 76).

О диссертацией можно ознакомится в библиотеке

Института.

Автореферат разослан << >> .Л/Ф/сШ.....1994 года.

Ученый секретарь совета, доктор биологических наук

Назаров Н. М.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Освоение человечеством космоса,

юрских и подземных глубин требует создания новых, альтернатив-ых традиционным, систем кислородообеспечения, необходимых для Читаемых объектов автономного существования, эффективных по це-евому назначению, энергетически экономичных, безопасных и эко-огически чистых.

Одним из главных факторов ограничивающих пребывание челове-а в гермообъекте является эффективность обеспечения его кисло-одом, удаление диоксида углерода и вредных примесей.

В настоящее .время возникают трудности в централизованных оставках кислорода для медицинских учреждений (больницы, амбу-атории, пункты оказания первой медицинской помощи, машины скрой помощи и т.д.) и технических нужд (сварочные работы), в осо-енности в отдаленные и труднодоступные районы, а также для ражданских объектов (постов автоинспекции, зданий в центре го-ода и т.д.).

Кроме того, широко распространенный способ хранения кисло-эда в баллонах не лишен ряда недостатков. Баллоны, как сосуды, аботающие под давлением, являются источником повышенной опас-эсти. требуют специальных условий транспортировки и хранения, а атасе обладают значительным весом (ГОСТ 5583-78).

В представленной работе рассматриваются два типа систем -гслородообеспечения на основе разложения водных (20-45%) растров пероксида водорода (рис. 1), а именно: система получения кислорода и воды;

комбинированная система получения кислорода и удаления угле-юлого газа.

Рассмотренные в данной работе системы кислородообеспечения ¡лесообразно использовать для подземных и подводных сооружений, ¡нтров гипербароксигенации, а также там, где нет ограничений по юсе, но требуется дозированная подача, продолжительный срок >анения и высокая надежность в работе.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью работы явилась

¡следование и разработка систем кислородообеспечения на основе сложения водных растворов пероксида водорода.

Задачи работы:

Практические исследования

Рис.1

- исследование характеристик реактора разложения пероксида водорода при работе на стабилизированных растворах;

- проведение выбора типа гомогенно-гетерогенного реактора и вида применяемой насадки;

- построение регрессионных зависимостей для всех типов исследуемых систем;

- проведение комплексных исследований комбинированной системы возмещения кислорода, удаления углекислоты и вредных примесей в токсикологическом эксперименте;

- разработка рекомендаций по применению систем кислородообеспе-чения на основе разложения водных растворов пероксида водорода в объектах различного назначения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Впервые разработаны и экспе-

риментально подтверждены подходы к определению наилучшего типа реактора разложения водных растворов пероксида водорода. Построены регрессионные зависимости функционирования реакторов, что позволило выбрать для них оптимальные параметры работы. Исследована возможнось применения стабилизированных растворов пероксида водорода для получения кислорода. На основании данной работы получено положительное решение на выдачу патента.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Полученные результаты функционирования комплексной системы обеспечения газового состава при токсикологической оценке в совместном медико-техническом эксперименте на животных свидетельствуют о возможности создания комплексной системы по обеспечению жизнедеятельности человека на основе разработанных технологий и конструкций. Предложена схема перспективной комплексной системы.

Разработанная система обеспечения кислородом позволяет получить надежные и доступные источники кислорода на основе пероксида водорода. В ходе работы подано три рационализаторских предложения.

ПОЛОЖЕНИЯ. ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

1. Результаты экспериментальных и расчетных исследований систем кислородообеспечения на основе разложения водных растворов пероксида водорода.

2. Исследование систем кислородообеспечения с помощью регрессионных зависимостей.

3. Схемные решения построения систем кислородообеспечения н; основе растворов пероксида водорода.

4. Рекомендации по применению разработанных систем кислородообеспечения.

АПРОБАЦИЯ ДИССЕРТАЦИИ. Работа обсуждалась и получила

положительную оценку на заседании секции 4 Ученого совета ИМБП РФ (протокол N2 от 30.06.1993г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 4 работы.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация изложена на 131 страницах и состоит из введения, четырех глав: "СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА". "ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ". "МЕТОДИКИ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ". "АНАЛИЗ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ". И "РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СОЗДАНИЮ СИСТЕМ КИСЛОРОДООБЕСПЕЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ РАЗЛОЖЕНИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА". выводов и приложений (оформленных отдельной брошюрой). Список испольвованой литературы содержит 88 ссылок, из них 60 отечественных и 28 иностранных авторов. Диссертация иллюстрированна 46 рисунками и 3 таблицами и снабжена приложениями на 82 листах.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.Исследования получения кислорода и воды из водных растворов пероксида водорода

Система кислородоводообеспечения была исследована в сани-тарно-химическом и одориметрическом экспериментах.

После проведения санитарно-химических и одориметрических исследований данная система проверялась в токсикологическом эксперименте. в котором определялась приемлемость для биологических объектов кислорода и воды, полученных методом гетерогенного каталитического разложения пероксида водорода. В качестве исходного вещества использовался 40% водный раствор пероксида водорода категории ОСЧ-8.

Во время эксперимента проводились замеры концентрации кис-

о

лорода. углекислого газа, влажности, давления и температуры.

На основании измеряемых параметров в ходе эксперимента проводилась коррекция состава атмосферы.

Следующим этапом после токсикологического эксперимента было проведение комплексных санитарно-химических исследований в гер-мообъекте объемом 100 м3 и рассчитанном на 10 человек. В этом эксперименте контролировались те же параметры среды, а система жизнеобеспечения была построена аналогично.

Развитием системы кислородо-водообеспечения было создание принципиально новой системы, основным отличием которой было то, что использовался стабилизированный водный раствор пероксида водорода.

2. Технология исследования комбинированных реакторов по обеспечению кислородом и удалению углекислоты

В работе изучался процесс обогащения воздушной массы кислородом при разложении пероксида водорода, причем исходная концентрация кислорода в ней изменялась от 19,5 до 21.ЗХ.

Одновременно изучалась хемосорбция при поглощении диоксида углерода из воздуха, содержавшего от 0,2 до 1% СОг. растворами щелочей.

В процессе разработки и исследования аппаратов для специфических условий были изготовлены и испытаны различные массообмен-ные аппараты, комбинированные гомогенно-гетерогенные реакторы, отличавшиеся друг от друга способом взаимодействия фаз, организацией движения газа и жидкости и сепарации газожидкостного потока, удовлетворяющих следующим требованиям:

1. Минимальное энергопотребление;

2. Небольшие Габариты;

3. Длительное хранение до применения;

4. Простота в управлении и эксплуатации;

5. Высокая надежность и безопасность;

6. Длительное (месяц и более) функционирование.

Испытания проводились на сконструированном для этой цели стенде. При проведении экспериментальных исследований гомогенно-гетерогенных реакторов стенд состоял из двух частей: 1. Формирования газовой смеси воздух - диоксид углерода и жидкой

фазы - едкий калий и пергидроль.

2. Контрольно-измерительной части стенда, позволявшей получать необходимый объем информации.

Сформированная газовая смесь, смешанная с диоксидом углерода, направлялась в исследуемый реактор.

Реактор представлял собой разъемную конструкцию, предназначавшуюся для процесса разложения 30-45% водного раствора перок-сида водорода на гомогенно-гетерогенном катализаторе (КОН + кольца Рашига из окиси марганца или КОН + металлическая насадка в виде эллипсоидных пружин) с одновременной сорбцией диоксида углерода 5-40% раствором едкого калия с получением кислорода и водных карбонатных растворов.

Таким образом, в одном аппарате - реакторе совмещались два функциональных процесса: возмещение кислорода и очистка газовой среды от диоксида углерода.

Продукты реакции - карбонат и раствор частично не прореагировавшей гидроокиси калия выводился из реактора для дальнейшего использования в качестве консерванта жидких и твердых отходов жизнедеятельности человека. Обогащенный кислородом и очищенный до приемлемых норм диоксида углерода, воздух на выходе из реактора контролировался газоанализаторами на кислород (анализатор ГИАМ5М) и диоксид углерода (анализатор типа 0А-2209). Состояние среды в исследуемом реакторе контролировалось иономером (ЭВ-74).

При проведении исследований с реакторами различных конструкций каждый эксперимент имел индивидуальные особенности. Независимо от конструктивного оформления, с целью объективной оценки работоспособности реакторов, в ходе экспериментов определялись и контролировались следующие параметры: расход воздуха, проходившего через аппарат, концентрация диоксида углерода на входе и выходе из аппарата, концентрация кислорода на входе и выходе . количество подававшейся на орошение щелочи и перекиси и их концентрация. Эпизодически брались пробы продуктов реакции на предмет содержания в них перекиси и щелочи.

Все опыты проводились при нормальном атмосферном давлении, комнатной температуре и относительной влажности ф=60-80%. Частота взятия проб составляла один час.

У

2. Экспериментальный стенд с использованием комбинированного реактора для возмещения кислорода, и удаления диоксида углерода при токсикологических исследованиях

Использовался комбинированный реактор насадочного типа из нержавеющей стали. Для токсикологической оценки комбинированной перекисно-щелочной комплексной системы обеспечения газового состава гермообъектсв был осуществлен совместный медико-технический эксперимент на животных. Медицинская часть длилась 36 суток. В течение первых 21 суток животные подвергались воздействию искусственной газовой среды в специально оборудованной герметичной камере, а в последующие 15 суток исследовался период последействия. ;

В технической части изучалась работа реактора, его оптимальные характеристики по расходам компонентов при выделении кислорода , а также при поглощении диоксида углерода и вредных примесей.

Стенд состоял из двух одинаковых термокамер для животных с раздельными системами газообеспечения. Одна камера предназначалась для опытной группы животных (экспериментальный стенд), а вторая - для контрольной.

Экспериментальный стенд состоял из термокамеры, реактора, агрегатов подачи перекиси и щелочи, агрегатов прокачки и фильтрации газовой смеси.

Для контроля состава воздушной смеси камера соединялась с газоанализаторами на кислород и диоксид углерода, гигрометром и регулятором температуры.

Реактор предназначался для обеспечения животных кислородом, получавшимся при разложении пероксида водорода, поглощения диоксида углерода с помощью щелочи. Продукты реакции удалялись в специальную емкость.

Контрольный стенд обеспечивался кислородом из баллона с кислородом, а углекислый газ удалялся с помощью химического поглотителя .

В камерах с животными в ходе' проведения эксперимента контролировались концентрация кислорода и диоксида углерода на входе и выходе из камер, концентрация вредных примесей, температура газовой среды, относительная влажность.

Кроме этих параметров в экспериментальной установке контролировался расход перекиси, щелочи и воздушной смеси.

3. Методика построения регрессионных зависимостей для исследуемых систем кислородообеспечения

Для получения общих закономерностей и нахождения оптимальных условий работы исследуемых систем проводилось количественное описание протекающих процессов.

Для построения регрессионных зависимостей исследовавшейся системы использовались все результаты эксперимента, которые можно было разделить на входные и выходные характеристики.

На первом этапе построения зависимости изображали структурную схему контролируемых параметров процесса, отражавших входные и выходные характеристики см. рис.2,3,4, представляли выходные величины, как функции входных, т.е.

Ф(ХЬ.....ХЛЬ Р(Х1,....,Хп , А1.....Ак). (1)

где XI......Хп- входные параметры;

А1,...,АП - коэффициенты их влияния на выходную величину.

Выходные переменные могут быть описаны неизвестной функцией. Для построения регрессионных зависимостей применяются методы аппроксимации.

Заметим, что современные вычислительные методы и ЭВМ позволяют почти всегда решить эту задачу аппроксимации при практически произвольном наборе исходных данных. Так как гомогенно-гетерогенный процесс возмещения кислорода и удаления диоксида углерода является сложным и еще не исследован, то в настоящее время отсутствуют сведения о виде аппроксимирующей функции, поэтому она должна быть результатом анализа численной информации. Если речь идет о приближении непрерывных функций, а изменения концентраций кислорода и диоксида углерода являются таковыми в изучаемом процессе, то существуют универсальные классы приближающих функций такие, например, как ряды Фурье или степенные ряды, гарантирующие сколь угодно точное приближение при достаточной длине ряда. Методы приближения на таких классах достаточно хорошо разработаны и реализованы на ЭВМ.

На втором этапе построения модели представляли выходную величину в зависимости от входных, используя полиномную зависи-

С

Структурная схема измеряемых параметров комбинированных реакторов:

чвозд. Реактор рВЫХ 2

гвх 2

Сох 2

%°2 свых °2

СКОН

\°2

°КОН

Рис.2

Структурная схема измеряемых параметров экспериментального токсикологического стенда:

Рис.3

Структурная схема измеряемых параметров реактора СКВО:

Уг

Ъ°2

Рис. 4

мость: ц „

i> -Ao+ ZAl»+£?Bij XiXj . где (2)

n - количество входных параметров.

Результаты полинома первого порядка в большинстве случае незначительно отличались от полиномов более высоких порядкоЕ поэтому во всех случаях была приведена регрессионная эависимост с использованием полинома первого порядка. Если зависимость пло хо отражала действительные выходные характеристики, то приводи лась еще и вависимость более высокого порядка. Для каждой per рессионной зависимости указывались граничные условия по все входным характеристикам, выход эа пределы которых вел к искаже нию информации по выходным параметрам.

Для гомогенного реактора, работающего на стабилизирование растворе пероксида водорода, структурная схема приведена н. рис.3, а регрессионная зависимость будет иметь вид:

V V Ч\о2 +а2%02 (3)

Структурная схема для гомогенно-гетерогенного процесса при ведена, на рис.2, а регрессионная зависимость первого порядка i общем виде :

°С0£(02)- A+AlVa.+A2CC02 +А3°02 +А4\0г +А5%)Н +А6%0£

+А7°К0Н <4>

При исследовании и для уточнения регрессионных зависимостей устанавливалась степень влияния каждого из входных параметров н; выходную величину, так как применяемый пакет программ "Statgraf' поэволял обрабатывать только двенадцать типов переменных.

Для оценки этого влияния в статистике применяют частные коэффициенты корреляции. Они позволяют оценить степень влияни: каждого входного фактора на выходной при условии, что влияние остальных факторов исключено . Затем выбирают так называемые более значимые входные параметры в исследуемом процессе и используют их для построения регрессионных зависимостей более высокой порядка, позволяющих с большей точностью аппроксимировать проис ходящий процесс.

Следует отметить важный физический смысл коэффициентов An. Например коэффициент Aj в формуле (3) отвечает на вопрос, нь

сколько единиц в среднем изменится выходная концентрация диоксида углерода, если расход воздуха изменится на какое-то значение в-предположении, что другие величины при этом сохраняют постоянные значения.

Таким образом, формулы регрессионных зависимостей позволяют исключать влияние множества факторов, корреляционно связанных с выходным и изучать влияние одного входного фактора на выходной, так сказать, в чистом виде.

4. Методика обработки и анализа параметров функционирования гомогенно-гетерогенного процесса возмещения' кислорода и сорбции диоксида углерода в токсикологических исследованиях

Для системы п независимых случайных величин Х1____Хп определяли средние арифметические, дисперсии, среднее квадратичное отклонение. О помощью последней величины определяли коэффициент вариации.

Если коэффициент вариации составлял более 20%, то отмечали сильное разнообразие, Ю-20%- среднее, если коэффициент был менее 10%, то считали, что разнообразие слабое (устойчивый параметр. признак).

Для выявления общих закономерностей функционирования гомогенно-гетерогенной установки при токсикологических исследованиях была проведена оценка достоверности результатов исследования и определены доверительные границы средней арифметической в генеральной совокупности.

АНАЛИЗ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 1. Изменение параметров микроклимата при получении кислорода из водных растворов пероксида водорода

Создана принципиально новая система, как развитие системы кислородо-водообеспечения. посредством реактора разложения, но с использованием стабилизированных водных растворов пероксида водорода.

В результате разложения перекиси образовывалась паровая и жидкая фаза. Жидкая фаза выводилась через гидрозатвор с вентилем. Паровая, проходя через теплообменник, охлаждалась, конденсировалась и накапливалась в емкости для сбора жидкости из паро-

вой фазы, а кислородо-паровая смесь, осушалась в ловушке с с кагелем и очищалась от аммиака в ловушке с А1г0з+ 207, Ь (вместо катионита КУ-23), фиксировалась на газовых часах.

Основной целью работы на этом стенде было определение сурса работы катализатора до его отравления стабилизирующими Оавками, находившимися в растворе пероксида водорода, и ма мально допустимого расхода, который можно поддерживать длит ный период времени. В ходе проведения этой работы были по три рацпредложения.

В результате обработки данных, полученных в ходе экспери та. была построена регрессионная зависимость для выходной ха теристики по кислороду в зависимости от концентрации и рас: перекиси. Соответствие этой зависимости составило 76%.

Используя эти результаты построили трехмерный график В1 кислорода в зависимости от расхода и концентрации пере! (см.рис.5). Полученная поверхность позволяет выбирать необхс мые параметры работы установки.

Полученное в ходе эксперимента количество кислорода окг лось достаточным для обеспечения одного человека в течение суток. Максимальный выход кислорода из реактора соответствс кислородопотреблению трех человек. Во время проведения экспе мента проскока перекиси в паровую фазу не наблюдалось, а маь мальное содержание ее в жидкой фазе составило 0.98%.

Дальнейшее совершенствование данной системы было реализов в конструкции малогабаритного реактора разложения водных раст ров пероксида водорода. В нем в качестве насадки использов крошка из оксидов марганца (Мп).

Образующийся кислород после отделения влаги с помощью г рофильных пористых элементов и очистки в фильтре вредных при сей поступает к потребителю. Система позволяет использовать р личные сорта пероксида водорода: химически чистый, особо чист стабилизированный медицинский пергидроль (30%) в широком диа зоне концентраций от 20 до 50%. Образующаяся водная фракция > водится из реактора и накапливается в емкости приемнике. Реак' может работать дискретно (периодически) или непрерывно, кисло] к потребителю может.поступать под давлением до 5 атм. Произво, тельность системы по кислороду определяется и регулируется а

Нзч-гг.ег' tí kíxc;,;? x:-:cic>r.v,;- от кониектрашчт i: ргсходг. персгс;:да годорсуу. Д1Л г.егхтора разтокечкя

%02 M

ростыо подачи пероксида водорода в реактор (м3/час), активностью и объемом каталитического патрона.

Работа реактора в стационарном варианте может быть организована таким образом, чтобы пероксид водорода подавался в реактор непосредственно из товарной тары или из стационарного хранилища.

Проведенные эксперименты по испытанию реактора подтвердили его работоспособность и свидетельствуют о возможности его применения в народном хозяйстве.

2. Сравнительная оценка исследуемых реакторов

В качестве первого варианта аппарата был выбран барботажный газлифтный реактор тарельчато-колпачкового типа, выполненный из стекла, что позволило визуально наблюдать за процессом. Все секции реактора и приемная емкость, соединялись между собой по газовой фазе, за счет чего в различных участках системы поддерживалось равенство давления газа над раствором. Организованный процесс входа-выхода реагентов и продуктов реакции в системе давал возможность постоянно поддерживать необходимый газо-динамический режим, реализовывать конструкцию аппарата, как многоступенчатого. в котором взаимное движение фаз каждой ступени, могло осуществляться любым способом. Это имеет принципиальное значение при абсорбции из газов компонентов невысокой концентрации при малых значениях отношения объемных расходов жидкости и газа.

Для оптимальной работы реактора можно подобрать наилучшие характеристики расходов воздуха, перекиси и щелочи, а также концентраций последних, причем первыми тремя характеристиками можно варьировать в процессе изменения входных концентраций кислорода и диоксида углерода ,а две последние выбираются заранее.

Обработка всех данных по работе данного реактора позволила построить регрессионные зависимости для выходных величин по кислороду и диоксиду углерода. Анализируя регрессионные зависимости первого порядка определили, какие из выходных характеристик оказывали наибольшее влияние, а затем, используя наиболее значимые члены, построили регрессионную зависимость с членами полинома второго порядка.

Соответствие регрессионной зависимости и экспериментальных

значений для кислорода составило 83% (для диоксида углерода аналогично составленая зависимость дала соответствие 25%). Подставляя в зависимость следующие значения: С** -20,8%; С®*-0,5%; 0^30%; <^0, Зл/ч <3В08Д.-9 м3/ч,

построили трехмерный график: - Г (Он^О^' СЩР2 '

Изображение этого графика представлено на рис. 6. При анализе графика подтверждается зависимость выхода кислорода от расхода и концентрации перекиси.

На стадии лабораторных исследований барботажного реактора решались задачи наилучшей организации газожидкостного контакта и последующего разделения фаз с целью достижения максимальных значений показателей массообмена и массопередачи.

Было установлено, что, даже в отсутствие гетерогенного катализатора, окислов марганца, процесс гомогенного инициирования разложения пероксида водорода протекает при температуре, не превышающей 40 °С. При этом теплосъем обеспечивается за счет больших скоростей воздушного потока

Работу барботажного реактора можно оценить, как достаточно эффективную, с хорошими характеристиками по массопереносу. Так, скорость абсорбции, при расходе воздушного потока 6 м^/час, составляла 25 л/час. Следует отметить трудности по стабилизации гидродинамической обстановки на тарельчато-колпачковых элементах различных ступеней реактора

Большой объем жидкой фазы, подвергаясь значительному пено-обраэованию, резко дестабилизировал процесс каскадного перетекания абсорбента со ступени на ступень при моделировании возмущений в расходе воздушного потока Часто имели место ситуации, при которых с одной стороны возникали проскоки газовой фазы без контакта с жидкой, а с другой стороны наблюдалось резкое увеличение гидравлического сопротивления аппарата с дальнейшим выносом в магистрали значительного количества абсорбента

Альтернативная конструкция аппарата представляла из себя на-садочный абсорбер с насадкой, выполненной в виде колец Рашига, изготовленных из окиси марганца Корпус реактора был выполнен из оргстекла. Соприкосновение газа с жидкостью происходило в основном на смоченной поверхности насадки, по которой стекала орошаю-

Изменение концентрации Ог °т расхода п концентрации перекиси в барботзжном газлифтном реакторе

%02 [л/ч]

щая жидкость.

По результатам эксперимента построили регрессионые зависимости. Соответствие зависимости по кислороду, экспериментальным значениям, составило 22% (для диоксида углерода аналогично сос-тавленая модель дала соответствие 67%). Значение концентрации кислорода на выходе в ходе эксперимента составляло около 21%.

Из совместного анализа регрессионных зависимотей по кислороду и диоксиду углерода установили, что расход перекиси целесообразнее поддерживать от 0,3 до 0,9 л/ч. Оптимальный режим, с точки зрения наименьших расходов используемых компонентов, соответствует режиму барботажного реактора.

В процессе проведения экспериментов с двумя типами реакторов было установлено, что процесс разложения пероксида водорода влияет на массообменные характеристики процесса абсорбции диоксида углерода улучшая их, по-видимому, за счет создания пузырьками выделяющегося кислорода более развитой поверхности контакта газ-жидкость.

Известно, что при одинаковом гидродинамическом режиме (например, при одинаковой скорости газа) величина сопротивления бар-ботажных аппаратов обычно значительно превышает сопротивление насадочных . Очевидно, что работа насадочного реактора, является более устойчивой при всех имеющихся в системе возмущениях, что наблюдалось визуально, через прозрачные корпуса реакторов.

Из всего перечисленного следует, что для комбинированной системы обеспечения газового состава предпочтительнее использовать насадочный тип реактора.

С целью дальнейшей отработки конструкции насадочного абсорбера из оргстекла был изготовлен реактор из нержавеющей стали, в котором для увеличения поверхности контакта и снижения стоимости применяемой насадки последняя была выполнена в виде стальных эллиптических спиралей.

На основании параметров работы реактора построили регрессионную зависимость концентрации диоксида углерода на выходе. Соответствие этой зависимости и экспериментально полученных значений составило 77%.

Сравнение графиков реактора из оргстекла с насадкой в виде колец Рашига, выполненных из оксидов Мп, и реактора из нержавею-

щей стали с насадкой из стальных эллиптических пружин, щ

скон - 152' ссаг Окон - °'3 л/ч Лозд. - 9 "3/ч- пока31 вает, что величина выходных характеристик по кислороду, в заш симости от концентрации и расхода перекиси, практически одинакс ва для обоих реакторов. Несколько большей поглопщщей спосоС ностью по ОО2 обладает реактор с насадкой в виде колец Рапш (при выше перечисленных постоянных величинах е зависимости с расхода щелочи и воздуха).

Известно, что в настоящее время не существует насадочш элементов, которые были удовлетворяли всем требованиям эффекта! ной работы.

На основании проведенных экспериментов мы отказались от ис пользования в комбинированной системе обеспечения газового сос тава насадки в виде колец Рашига. Было показано практически, 41 для разложения пероксида водорода достаточно использовать в кг честве катализатора щелочные растворы на развитой поверхноо стальных эллиптических спиралей, где основным катализируют компонентом является концентрация ионов ОН. Процесс протекг достаточно интенсивно, со скоростью удовлетворяющей условш эксперимента Поэтому в дальнейших исследованиях целесообраз! использовать реактор из нержавеющей стали с металлической наса; кой в виде эллиптических пружин.

3. Изменение параметров микроклимата в комплексной системе обес печения газового состава

При токсикологических исследованиях на экспериментально стенде оценивались параметры среды обитания в камере с животнь ми, которая формировалась комбинированной системой обеспечен! газового состава. Эта система предназначена для получения кислс рода, удаления углекислого газа и поглощения газообразных приме сей кислого характера, а также - для поддержания необходимо! температурно-влажностного режима.

Выделение кислорода и очистка газовой смеси происходит реакторе. Кислород образовывался в результате гомогенно-гетерс генного разложения водных стабилизированных растворов пероксщ водорода (ГОСТ 177-80Е). Катализаторами являлись металлически

насадка и раствор гидроокиси калия. Поглощение диоксида углерода происходило при его взаимодействии с гидроокисью калия. Реакция протекала по схеме:

ZEzOz 2Н2С>2 + Ог . (5)

2КОН + СО2— К2СО3 + Н20 (6)

Газообразные примеси кислого характера удалялись при их растворении в смеси реагентов, имеющих щелочную реакцию (рН около 13).

После анализа измеренных в ходе эксперимента параметров, были выявлены наиболее значимые из них, и. на основе полученных результатов, построены регрессионные зависимости.

Сходимость полученных зависимостей к экспериментальным значениям составила для кислорода 25% и 56% для диоксида углерода.

При следующих постоянных значениях: влажность - 70%, температура в камере - 24°С, количество животных -60 штук, концентрация КОН - 15%, построили зависимость концентрации кислорода от расхода и концентрации перекиси (см. рис.7).

На рис.8,9 представлены среднесуточные изменения концентрации кислорода и диоксида углерода соответственно. Кроме того, указаны доверительные границы ( с доверительной вероятностью Р=0,9), и приведены кривые, полученные после использования регрессионных зависимостей.

В процессе проведения испытаний на экспериментальном стенде измерялось так же содержание вредных примесей.

Анализ концентраций вредных примесей показывает, что реактор позволяет поглощать примеси кислого характера (пропионовую, изо-масляную, масляную, изовалериановую кислоты). При этом в два раза снижается концентрация масляного альдегида и уксусной кислоты, примерно в три раза - концентрация валериановой кислоты. Поглощающей способностью по окиси углерода (СО) реактор не обладает.

с

Изменение концентраций кислорода от расхода я концентрации перекиси в экспериментальном стенде

"Среднесуточное изменение кислорода

■л

» 4 ? 12 К 2? 24

сутки

- - экспериментальные значения

---- значения при кспользогенлл. регрессионной зависимости

Среднесуточное изменение диоксида углерода

ссо2 М

1 ь п и м

сутки

- экспериментальные значения

- экиченкл кспозьзоганп;: - регрессионно?: зависимое

Рь-С -9

ВЫВОДЫ

1. Экспериментально исследованы два типа реакторов кислородообеспечения при их работе в различных режимах и установлено, что в комбинированной системе получения кислорода и удаления углекислого газа предпочтительнее применять реактор типа на-садочной колонны и использовать металлическую насадку в виде эллиптических пружин. Режим с минимальным расходом компонентов для обеспечения жизнедеятельности человека, в исследуемых аппаратах соответствует расходам воздуха ~9м3/ч, перекиси и щелочи (КОН) -0,3л/ч. концентрации щелочи -15% и перекиси не менее 40%.

2. Построены регрессионные зависимости для всех исследованных реакторов кислородообеспечения, которые позволяют проводить выбор расхода компонентов для получения требуемых выходных параметров. Соответствие регрессионных зависимостей по кислороду экспериментальным значениям составляет для барбо-тажного-газлифтного реактора -83%, насадочного реактора с насадкой в виде колец Рашига-22%, насадочного реактора с металлической насадкой, работающего в составе токсикологического стенда -25% и реактора разложения -76%, что укладывается в разброс экспериментально полученных значений.

3. Исследования с использованием гермообъекта объемом 100 м3 и рассчитанного на 10 человек позволили провести испытания системы кислородообеспечения на основе разложения стабилизированных растворов пероксида водорода, и определить, что система способна обеспечивать кислородом трех человек в течение не менее 30 суток. В результате разработан малогабаритный реактор для получения кислорода. По данным материалам получено положительное решение на патент.

4. Проведены комплексные исследования комбинированной системы в токсикологическом эксперименте на животных. Установлено, что система работоспособна, позволяет обеспечивать возмещение кислорода, удалять диоксид углерода и примеси кислого характера. На основе используемой технологии разработана схема комплексной системы для обеспечения жизнедеятельности человека.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ. При исследовании и разработке

систем кислородообеспечения на основе разложения водных растворов пероксида водорода необходимо провести эксперимент при граничных условиях работы системы (возможно, с некоторыми промежуточными параметрами), после которого построить регрессионные зависимости работы данной системы, которые позволят найти оптимальные параметры расходов воздуха, перекиси водорода и щелочи, а так же осуществить выбор наиболее приемлемых концентраций используемых реагентов.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гришаенков Б.Г.. Афанасьев Ю.Н., Смиренный А.Л.. Федоров В.Н.// Генератор кислорода. Заявка на патент N5059334 от £0.08.92

2. Афанасьев Ю.Н..Смирнов И.А. .Смиренный А.Л.//Система получения кислорода и воды. Тезисы доклада Международного Симпозиума по системам Жизнедеятельности и процессам интеграции. Москва. 24-27 августа 1993г.

3. Смиренный А.Л..Афанасьев Ю.Н..Смирнов И.А.//Комбинированная система получения кислорода и удаления углекислого газа. Тезисы доклада Международного Симпозиума по системам Жизнедеятельности и процессам интеграции. Москва. 24-27 августа 1993г.

4. Солдатов П.Э..Смиренный А.Л.//Токсикологическая оценка комбинированной системы обеспечения газового состава. Тезисы доклада Международного Симпозиума по системам Жизнедеятельности и процессам интеграции. Москва. 24-27 августа 1993г.