Газопоглотитель

 

Изобретение относится к вакуумной технике и в частности к газопоглотителям для газовых лазеров. Цель изобретения - улучшение сорбционных свойств газопоглотителя, который состоит из лития (20-70 мас.) и оксида натрия (остальное). Процесс газопоглощения осуществляется как за счет химического превращения в газопоглотителе литий оксид натрия, так и при связывании кислорода, азота, водорода в замкнутой системе выделившимся натрием и плавящимся литием. 2 табл.

Изобретение относится к средствам получения пониженного давления в замкнутом объеме химическим путем, а более конкретно к газопоглотителям для газовых лазеров. Цель изобретения улучшение сорбционных свойств газопоглотителя. Сущность процесса газопоглощения состоит в осуществлении последовательных реакций химического превращения газопоглотителе как в смеси литий-оксид натрия, так и при связывании кислорода, водорода азота в замкнутой системе, выделяющимися натрием и плавящимся литием. Подтверждение работоспособности заявляемого газопоглотителя проводили на установке, состоящей из герметически замкнутой стальной емкости объемом 7 л, снабженной вакуумметром ВИТ-2, систем для напуска газов (азот, водород, кислород, аргон, диоксид углерода) и системы откачки. Для получения газопоглотителя было подготовлено восемь образцов, включающих смесь порошков лития и оксида натрия, отличающиеся друг от друга содержанием компонентов, мас. лития 18,0; 19,0; 20,0; 21,0; 40,0; 70,0; 73,0; 85,0; оксид натрия остальное. Порошок лития готовили путем диспергирования расплава лития в парафине с последующей отмывкой в бензине, сушкой и отсевом крупных фракций (400 мкм и более). Порошок лития смешивали с порошком оксида натрия марки "4". Газопоглотитель из смеси порошков помещали на подставку с электрическим подогревом. Перед заполнением объема газовой смесью емкость вакуумировали до давления 1-5 Па, а затем подавали из баллона заданный объем газа или смеси различного состава. Суммарное давление газов в емкости составляло 1 атм. После заполнения емкости образец газопоглотителя нагревали до 69-70^оС. За протеканием реакции в газопоглотителе следили по уменьшению давления. Результаты экспериментов приведены в табл.1. В табл.2 приведены данные по количеству энергии, необходимой для приведения газопоглотителя в работоспособное состояние, определяемой по затратам электроэнергии. Эксперимент проводили в основном объеме 7 л с количеством масла газопоглотителя, необходимых для поглощения 99% объема газа. При поджигании смеси происходит восстановление натрия литием по уравнению 2Li + Na₂O Li₂O + 2Na + Q (1) Выделяющийся расплавленный натрий загорается в кислороде, химически связывая его в пероксид Na + 1/2O₂ Na₂O₂ + Q (2) Поскольку сродство натрия с кислородом значительно выше, чем у лития, связывание кислорода идет главным образом по пути горения натрия. При температуре 400^оС и выше идет реакция Na₂O₂ Na₂O + 1/2O₂ (3) Оба твердофазных вещества вновь реагируют с литием: оксид натрия по уравнению 1 пероксид согласно реакции: Na₂O₂ + 4Li + 2Na + 2Li₂O + Q (4) Химическое связывание азота идет за счет его взаимодействия с литием 6Li + N₂ 2Li₃N + Q (5)
Эта реакция начинается уже при комнатной температуре, а с ее повышением ускоряется. Даже при минимальном содержании лития в газопоглотителе (20%) реакция металлотермического восстановления (1) даст повышение температуры в смеси на 195% поэтому поглощение азота из газовой фазы идет очень активно. Поглощение водорода происходит также за счет его взаимодействия с литием
Li + 1/2H₂ + LiH + Q (6)
Гидрид натрия, если и образуется в результате реакции
Na + 1/2H₂ NaH + Q (7) то является промежуточным соединением, так как при 400^оС идет реакция разложения гидрида
NaH Na + 1/2H₂ (8)
Кроме того, гидрид натрия способен сгорать в кислороде
2NaH + O₂ Na₂O + H₂O
Данные фазового химического анализа продуктов сгорания во всех исследуемых случаях показали отсутствие в них гидридов, нитридов и азидов натрия. Следовательно, состав газопоглотителя и его количество для заданного объема различных газовых смесей обусловлено тем, что в конечном итоге окисление натрия осуществляется кислородом, а лития азотом и водородом. В смеси Li-Na₂O стехиометрическое соотношение обеспечивается при содержании лития 18,2 мас. 2Li + Na₂O 2Na + Li₂O
13,8 + 62,0 75,8
75,8 100%
13,8 х, х 18,2%
Из табл. 1 видно, что практически нижний предел по количеству лития составляет 20 мас. а верхний 70 мас. так как при меньшем содержании лития он весь используется только на восстановление натрия (примеры 1 и 2). Уже при 20% содержания лития в газопоглотителе начинается поглощение газов (пример 3). Верхний предел обусловлен термодинамическими процессами. С увеличением содержания лития в газопоглотителе все меньше выделяется тепла при металлотермическом восстановлении (меньше выделяется натрия и больше процесс теплоотдачи, теплоемкость лития довольно велика и составляет 5,85 кал/моль.град). При 73% содержании лития и выше выделяющийся натрий уже не является инициатором устойчивого горения газовой смеси, он покрывается пленкой оксида и реакция прекращается (пример 4 и 5). Приведены в табл.1 данные подтверждаются актом испытаний. Весьма важным является выявление содержания лития в указанном интервале в газопоглотителе, исходя из состава газовой смеси, а также общее количество газопоглотителя. Согласно приведенным уравнениям химических реакций рассчитывают весовые коэффициенты, соответствующие массовому количеству лития, необходимому на взаимодействии с одним объемом водорода, азота и кислорода, последний рассчитывают по эквивалентному количеству выделенного натрия. Следует отметить, что кроме газов, учитываемых в расчетных выражениях, заявляемый газопоглотитель активно поглощает в газовой смеси и кислородсодержащем газы, например диоксид углерода, диоксид серы, диоксид азота и др. При этом рабочим телом являются продукты реакции газопоглотителя оксиды лития и натрия. Поглощение идет по уравнениям
Li₂O + CO₂ + Li₂CO₃ + 76,85 ккал,
Na₂O + CO₂ Na₂CO₃ + 54,09 ккал. Предложенный состав является активным газопоглотителем, который не требует для проведения рабочего процесса больших энергетических затрат. Достаточно иметь источник разогрева до 70^оС, чтобы обеспечить начало последовательных химических реакций. По сравнению с известным газопоглотителем заявляемый снижает энергозатраты в несколько раз (табл.2), а следовательно, улучшает его сорбционные свойства.

Формула изобретения

ГАЗОПОГЛОТИТЕЛЬ, содержащий литий, отличающийся тем, что, с целью улучшения сорбционных свойств, в него дополнительно введен оксид натрия при следующих соотношениях компонентов, мас. Литий 28,0 70,0
Оксид натрия Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2