Способ получения газов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области получения газов и может быть использовано в системах наддува средств спасания на воде и любых резино-технических изделий (РТИ), в системах вытеснения или аэрации жидкостей или порошков, а также в других областях техники, где требуются автономные источники любых газов при различных давлениях с температурой окружающей среды либо не выше 100°С. Цель изобретения повышение газопроизводительности и создание условий безопасного процесса получения газа в режиме вынужденной конвекции продуктов сгорания через исходное вещество. В способе получения газов, основанном на сжигании твердых топлив, используют вещества с калорийностью 100 500 ккал/кг. Устройство состоит из корпуса в виде картонной гильзы с капсюлем, воспламенительным и основным газогенерирующим составами, фильтром и сеткой, основной состав выполнен в виде монолитного многоканального блока, при этом площадь каналов должна составлять 5 30% от площади торца блока. 2 с. п. ф-лы, 4 ил. 7 табл.

Изобретение относится к области получения газов и может быть использовано в системах наддува средств спасания на воде и любых резино-технических изделий (РТИ), в системах вытеснения или аэрации жидкостей или порошков, а также в других областях техники, где требуются автономные источники любых газов при различных давлениях с температурой окружающей среды либо не выше 100^оС.

В настоящее время наибольшее распространение для наддува РТИ получили системы на сжатом баллонном газе при давлениях 150-250 ат (ГОСТ 949-73). Данные системы имеют большие габариты и вес (табл.1) и низкую надежность, так как в ряде случаев имеют место утечки газа при хранении, что требует регулярного контроля, ремонта и заправки в стационарных условиях специальных мастерских. Такие отказы и только на 10-25% обеспеченность средствами спасания пассажиров речного и морского транспорта приводят к массовой гибели людей при авариях.

Существующие источники газов на твердых топливах газогенераторы даже при наличии специальных устройств для охлаждения газов за счет теплообмена, либо затрат тепла на разложение инертных веществ, не позволяют получать газы с температурой менее 300^оС и теряют все свои эксплуатационные преимущества по габаритам и весу, сохраняя преимущества постоянной готовности к работе и автономности [1] Другие способы и устройства позволяют получать низкотемпературные газы О₂; Н₂; Cl₂; F₂, но являются стационарными и не могут быть реализованы в автономных устройствах.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения газов, основанный на сжигании твердых топлив в режиме вынужденного конвективного горения. Этот режим заключается в том, что твердое топливо поджигают, образующиеся при его сжигании газы пропускают через исходное вещество, передавая всю тепловую энергию этому веществу [2] Недостатком способа-прототипа является то, что при экзотермическом взаимодействии химических реагентов во время сжигания твердых топлив происходит переход к объемному горению и взрыву, сопровождающийся разрушением источника газа или системы и подачей в систему высокотемпературного газа.

Известны устройства для получения газов на твердых химических реагентах, которые не позволяют получать газы с температурой менее 300^оС, даже при наличии специальных устройств их охлаждения за счет теплообмена, либо затрат тепла из разложением инертных веществ.

Наиболее близким к предлагаемому устройству для получения газов является устройство [3] состоящее из корпуса в виде картонной гильзы с капсюлем, воспламенительным и основным газогенерирующим составами, фильтром и сеткой. Это устройство позволяет получать газ с температурой не выше 50^оС. Однако данное устройство имеет низкую газопроизводительность с единицы объема (0,4-0,3 л/см³) и обладает таким недостатком, что нельзя увеличивать длину состава более трех его диаметров, что влияет на общую газопроизводительность изделия, так как состав непропрессовывается и происходит его уплотнение во время работы, что связано со значительным ростом давления и разбросом временных характеристик работы изделия, нельзя увеличивать длину даже набором отдельно отпрессованных блоков, так как возрастает газодинамическое сопротивление и также растет давление, что приводит к росту веса корпуса и габаритов.

Недостаток известных способа и устройства заключается в том, что они не обеспечивают безопасного процесса получения газа и высокой газопроизводительности.

Цель изобретения повышение газопроизводительности и создание условий безопасного процесса получения газа в режиме вынужденной конвекции продуктов сгорания через исходное вещество.

Цель достигается тем, что в способе получения газов, основанном на сжигании твердых топлив, используют вещества с калорийностью 100-500 ккал/кг. Это объясняется тем, что в способе получения газов при экзотермическом разложении вещества образующиеся газы пропускают по каналам блока исходного вещества, передавая тепло следующему слою и инициируя в нем химическую реакцию. При этом для ряда составов для получения H₂; N₂; F₂; N₂+CO₂, было установлено, что имеется верхний и нижний пределы калорийности вещества, а именно: при калорийности ниже 100 ккал/кг в веществе не возникает устойчивого послойного разложения и происходит прекращение процесса разложения, а при калорийности более 500 ккал/кг возникает объемное горение, при котором образуется горячий газ и возможно разрушение корпуса. И только вещество с калорийностью 100-500 ккал/кг для различных составов позволяет получить устойчивое послойное разложение вещества с постоянной массовой скоростью и с температурой газа на выходе из блока, равной температуре окружающей среды.

Поставленная цель увеличения газопроизводительности устройства, состоящего из корпуса в виде картонной гильзы с капсюлем, воспламенительным и основным газогенерирующим составами, фильтром и сеткой, основной состав выполнен в виде монолитного многоканального блока, при этом площадь каналов должна составлять 5-30% от площади торца блока.

Заявляемые значения калорийности, суммарной площади отверстий позволяют организовать устойчивый процесс газообразования.

В качестве исходного сырья используют вещества с калорийностью 500-100 ккал/кг, а для увеличения удельной газопроизводительности используют прессованный блок с каналами определенных размеров и числа, что позволяет организовать описанный процесс газификации.

В качестве примеров для осуществления данного способа можно привести результаты испытаний составов для получения: 1. Азота, который образуется по реакции: 3NaN₃+2Fe₂O₃=3NaFeO₂+Fe+4,5N+Q NaN Na+1,5N₂ при избытке NaN₃ образуется металлический натрий и дополнительное количество азота.

Результаты испытаний данной смеси в режиме конвективного горения приведены в табл.2. Температура газа измерялась после фильтра толщиной 1 см.

2. Фтора, который образуется при взаимодействии, например, избытка гексафторникелата калия с алюминием по реакции: K₂NiF₆ + ²₃Al ²₃AlF₃ + 2KF + NiF₂ + Q K₂NiF 2KF+NiF₂+F Результаты испытаний приведены в табл.3.

3. Водорода/ который образуется при взаимодействии избыточных количеств К^- и Nа^- боргидридов с окислами металлов: 3КВН₄+2MoO₃ __→ 3КВО₂+2Mo+6H₂+Q
КВН₄ K+B+2H₂
Результаты испытаний приведены в табл.4.

4. Смеси газов, которая образуется при взаимодействии NaN₃ с нитратами целлюлозы и бикарбонатом натрия.

Результаты испытаний приведены в табл.5.

Приведенные данные показывают, что для различных составов имеются условия, когда в режиме вынужденной конвекции продуктов разложения через блок исходного вещества возможна организация послойного горения без перехода в объемное горение и взрыв. Этот процесс протекает при калорийности исходных составов 100-500 ккал/кг.

На фиг.1, 3, 4 представлено предлагаемое устройство; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1.

Химический источник газа (ХИГ) состоит из корпуса 1, герметизирующей мембраны 2, упорной сетки 3, фильтра 4, кружка перкаля или шелковой сетки 5, газогенерирующего блока 6, воспламенительного состава 7, картонного пыжа 8, капсюля или электровоспламенителя 9. При изготовлении ХИГ диаметром более 50 мм рекомендуется использовать крышку со штуцером 10 (фиг.2), упорную решетку 11, а газогенерирующий блок формировать набором пучка шнуров, имеющих в сечении шестигранную форму 12, что обеспечивает их плотную упаковку. Полости блока усеченной шестигранной формы заполняются элементами 13 из того же состава либо инертной массой. Оси каналов расположены по сторонам правильного шестигранника или по концентрическим окружностям с шагом 3-10 мм и в их центре.

Работа устройства происходит следующим образом.

При срабатывании средства инициирования (электровоспламенителя 9) и состава 7 в газогенерирующем блоке 6 инициируется химическая реакция, образующиеся продукты движутся по каналам блока через сетку 5, фильтр 4, упорную сетку 3, решетку 11 и штуцер 10 крышки в наддуваемый объект. Мембрана 2 предохраняет состав от воздействия внешней среды и разрывается в начальный момент работы ХИГ, решетка 11 воспринимает нагрузки и препятствует выбросу фильтра и шлаков в наддуваемое изделие, фильтр 4 очищает газ от твердых и жидких примесей и частично охлаждает, шелковая сетка 5 или перкаль препятствуют попаданию материала фильтра и воспламенительного состава в каналы блока, пыж 8 служит для размещения капсюля-воспламенителя.

Отработка ХИГ показала, что на их работу существенное влияние оказывают геометрические параметры блока. Испытания проводились на образцах диаметром 20 мм с плотностью 1,4 г/см³. Результаты испытаний приведены в табл.6-7.

Испытания показали, что предлагаемая конструкция позволяет увеличить газосъем до 0,6-0,7 л/см³ в то время как у прототипа эта величина составляет 0,3-0,4 л/см³, т.е. газосъем с единицы объема возрастает в 1,5-2,0 раза, что уменьшает габариты и вес ХИГ.

Площадь каналов оказывает влияние на секундный расход газа.

Таким образом при увеличении площади каналов секундный расход газа можно уменьшать в 2,5 раза.

Таким образом уменьшая площадь каналов, можно снижать секундный расход в 1,5 раза.

То есть изменяя геометрию газогенерирующего блока, разрабатывать ХИГ с различными расходными характеристиками.

При изменении длины блока было установлено, что у прототипа при длине состава, равной пяти его диаметрам, давление в донной части поднималось до 190 кг/см², в то время как в предлагаемом варианте оно составляет 9-15 кг/см², т.е. давление меньше, чем в прототипе в 10-20 раз. При длинах, равных десяти диаметрам блока в прототипе, составы либо не горят, либо горение носит прогрессивный характер с большим разбросом по времени работы, достигающим трех раз. В то же время канальный блок позволяет сохранять постоянство расходных и временных характеристик.

Низкие значения давления в корпусе генератора позволяют использовать для изготовления корпусов картон, пластмассы, алюминий, что приводит к снижению габаритов и веса, а постоянство геометрических размеров блока обеспечивает постоянство временных характеристик. Так если выпускаемые в настоящее время ХИГ ЭГ-2 в соответствии с прототипом имеют разброс по времени работы от 0,5 до 20 с, что связано с различными факторами объективного и субъективного характера, то ЭГ-2М на многоканальном блоке обеспечивает время работы 3,0-4,2 с.

Одновременно было установлено, что снаряжение ХИГ диаметром до 50 мм удобно производить одним газогенерирующим блоком с диаметром, равным внутреннему диаметру корпуса. При больших же габаритах ХИГ возникают сложности при формировании блоков с числом каналов более двадцати, заключающиеся в увеличении блока по смещению каналов к центру. В этом случае изготовление блоков больших диаметров возможно только набором отдельных шнуров, изготовленных из газогенерирующего состава. Для повышения плотности заполнения корпуса газогенерирующим составом предусмотрено изготовление шнуров шестигранного сечения и любой длины методом проходного прессования.

Малогабаритные ХИГ (фиг.1) предназначаются для использования в качестве вкладных элементов в корпуса систем наддува, снабженных ударным механизмом, а ХИГ (фиг.2) работают как самостоятельные источники, заменяя баллон.

Таким образом использование многоканальных блоков в ХИГ с целью получения газа с температурой не более 100^оС позволяет получить следующие преимущества: увеличить газосъем с единицы объема генератора в 1,5-2,0 раза; уменьшить габариты и вес генератора за счет использования пластмассы и картона; многократно понизить давление в корпусе; обеспечить постоянство временных характеристик работы ХИГ; использовать блоки большей длины, что обеспечивает увеличение времени работы ХИГ.

Формула изобретения

1. Способ получения газов путем сжигания в режиме конвективного горения газогенерирующего твердого топлива, содержащего в своем составе горючее, окислитель, отличающийся тем, что газогенерирующий блок воспламеняют с глухого торца и всю массу образующихся газов пропускают через каналы или поры исходного топлива, имеющего калорийность 100 500 ккал/кг.

2. Устройство для получения газов, состоящее из корпуса, узла воспламенения, включающего средство инициирования и дополнительный воспламенитель, газогенерирующего блока твердого топлива, фильтра и сетки, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит крышку со штуцером и упорную решетку, а газогенерирующее топливо выполнено в виде монолитного многоканального блока, либо набрано пучком шнуров шестигранной формы, при этом площадь каналов составляет 5- 30% от площади торца блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7