Пиротехнический состав для получения кислорода

 

Использование: для получения кислорода в системах жизнеобеспечения при аварийных ситуациях. Сущность изобретения: пиротехнический состав включает 87 - 94 мас.% NaClO₃ и 6 - 13 мас.% Cu₂S. Выход O₂ 231 - 274 л/кг, температура в зоне горения 520 - 580 ^oС. 1 табл.

Изобретение относится к области получения газообразного кислорода из твердых составов, генерирующих кислород за счет самоподдерживающей термокаталитической реакции, протекающей между компонентами состава в узкой области горения. Такие составы называют кислородными свечами. Генерируемый кислород может использоваться в системах жизнеобеспечения, в аварийных ситуациях диспетчерских служб.

Известные пиротехнические источники кислорода, так называемые кислородные или хлоратные свечи, содержат три основных компонента: кислородоноситель, горючее и катализатор [1] В хлоpатных свечах кислородоносителем служит хлорат натрия, содержание которого лежит в пределах 80-93% Горючим служит порошок металла железа с углекислотой. Функцию катализатора выполняют оксиды и пероксиды металлов, например МgFeO₄. Выход кислорода лежит в пределах 200-260 л/кг. Температура в зоне горения хлоратных свечей, содержащих металл в качестве горючего, превышает 800^оС.

Наиболее близким к изобретению является состав [2] содержащий в качестве кислородоносителя хлорат натрия 92% горючего сплав магния с кремнием в соотношении 1:1 (3 мас.), а в качестве катализатора смесь оксидов меди и никеля в соотношении 1:4. Выход кислорода с этого состава составляет 265 ±5 л/кг. Температура в зоне горения 850-900^оС.

Недостаток известного состава высокая температура в зоне горения, которая влечет за собой необходимость усложнения конструкции генератора, введения специального теплообменника для охлаждения кислорода, возможность загорания корпуса генератора от попадания на него искр горящих частиц металла, появление избыточного количества жидкой фазы (расплава) вблизи зоны горения, что ведет к деформации блока и увеличению количества пыли.

Цель изобретения снижение температуры в зоне гонения состава при сохранении высокого выхода кислорода.

Это достигается тем, что состав в качестве кислородоносителя содержит хлорат натрия, а в качестве горючего и катализатора сульфит меди (Cu₂S). Компоненты состава берут в следующем отношении, мас. хлорат натрия 87-94; сульфид меди 6-13. Возможность использования в качестве горючего и катализатора сульфида меди основана на особом механизме каталитического действия. В ходе реакции обе составные части сульфида меди экзотермически окисляются: Сu₂S + 2,5O₂ CuSO₄ + CuO + 202,8 ккал. Эта реакция поставляет энергию для протекания самораспространяющегося процесса. Удельная энтальпия сгорания Сu₂S (1,27 ккал/г) ненамного отличается от удельной энтальпии сгорания железа (1,76 ккал/г). Большая часть энергии поступает от окисления сульфидной серы до сульфатной и лишь небольшая часть от окисления меди. Сульфид меди более реакционноспособен, чем порошок металла железа и магния, поэтому основная экзотермическая реакция может протекать достаточно быстро при сравнительно низкой температуре 500^оС.

Низкую температуру в зоне горения обеспечивает также то, что и сульфид меди, и продукт его окисления оксид меди являются эффективными катализаторами распада хлората натрия. По данным ДТА чистый хлорат натрия при нагревании со скоростью 10^оС/мин распадается на NaCl и O₂ при 480-590^оС, в присутствии 6 мас. Сu₂S при 260-360^оС, а в присутствии 12 мас. СuO при 390-520^оС.

Порошок Сu₂S отличается более высокой дисперсностью α< 0,01 мм и лучшей адгезией к хлорату натрия, по сравнению с металлическим Fe или Мg. Благодаря этому элементарный объем, приходящийся на долю каждой частицы горючего в случае значительно меньше, чем в случае частиц металла, что и обеспечивает меньшие температурные градиенты вблизи зоны горения и равномерность движения фронта горения.

Дополнительные преимущества состава высокая равномерность горения и полное отсутствие искр, всегда наблюдаемые при горении составов с порошком металла, в качестве горючего.

Выход кислорода в предлагаемом составе в зависимости от содержания Сu₂S меняется от 230 до 274 л/кг. Температура горения лежит в пределах 520-580^оС, т. е. на 260-300^оС ниже, чем в известных составах. Скорость движения горячей зоны также зависит от содержания Сu₂S и меняется от 0,23 до 0,5 мм/с при увеличении его от 6 до 13% Генерируемый кислород содержит небольшое количество диоксида серы около 0,2 мг/м³, что в 10 раз выше ПДК для медицинского кислорода.

Используются технические реактивы без дополнительной очистки, производимые отечественной промышленностью. Для приготовления блоков смесь исходных компонентов перемешивают в шаровой мельнице в течение 30 мин. После этого прессуют блоки в стальной пресс-форме. Испытания прессованных блоков проводят в реакторе, снабженном воспламенительным устройством с электроспиралью. Объем выделившегося кислорода измеряют газосчетчиком ГСБ-400, температуру во фронте горения измеряют термопарой, помещенной в прессованный блок на глубину 5 мм.

П р и м е р 1. Прессованный цилиндрический блок диаметром 30 мм и высотой 17,5 мм, содержащий 94 мас. NaClO₃, 6 мас. сульфида меди, после инициирования спиралью равномерно горит со скоростью 0,23 мм/с с температурой в зоне горения 520^оС. Количество выделившегося кислорода 274 л/кг. В таблице представлены результаты испытаний состава по изобретению. Из них следует, что при уменьшении количества сульфида меди состав не горит. При увеличении количества сульфида меди относительно заявленных границ состав горит с очень высокой скоростью (выше 1 мм/с), с большим количеством пыли (100 мг/л). При такой высокой скорости горения возникает опасность взрыва состава. При занижении или завышении содержания хлората натрия или горючего-катализатора-сульфида меди состав теряет работоспособность.

Таким образом, изобретение позволяет получить высокий выход кислорода 231-274 л/кг при сравнительно невысокой температуре в зоне горения 520-580^оС. Полученный кислород не содержит таких вредных примесей, как Сl₂, углеродные соединения и минимальное количество SO₂ не более 0,55 кг/м³.

Формула изобретения

ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ СОСТАВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОРОДА, включающий хлорат натрия и соединение меди, отличающийся тем, что в качестве соединения меди он содержит сульфид меди при следующем содержании компонентов, мас.%: NaClO₃ - 87 - 94 Cu₂S - 6-13

РИСУНКИ

Рисунок 1