Пиротехнический состав для получения кислорода

 

Изобретение относится к получению технического кислорода с использованием твердых источников кислорода. Состав содержит, мас.%: перхлорат калия 80 - 92, бор 3 - 8, кремний 4 - 12. Состав химически стоек при хранении, устойчиво и равномерно горит при повышенных давлениях и в диапазоне температур от минус 50 до плюс 50^oС, удельное газовыделение 130-265 см³/г, содержание кислорода 97, 76 - 98, 65 об.%, температура горения 480 - 830^oС. 2 табл.

Изобретение относится к области пиротехники и может быть использовано для получения технического кислорода, например, в газогенераторах и источниках давления.

В промышленности кислород получают разделением воздуха, главным образом методом низкотемпературной ректификации, а также при промышленном электролизе воды /1/.

Для получения небольших количеств кислорода используют твердые источники кислорода (пиротехнические составы), действие которых основано на самораспространяющейся экзотермической реакции между окислителем-носителем кислорода (хлоратом или перхлоратом легкого металла) и горючим /1/.

Известен состав для получения кислорода /2/, включающий хлорат натрия, магний и оксид кальция (и/или пероксид кальция, гидроксид кальция) в качестве катализатора при следующем соотношении компонентов, мас.%: Хлорат натрия - 75-90 Магний - 2-5 Оксид кальция (и/или CaO₂, Ca(OH)₂) - 5-23 Температура горения состава 610-700^oC, удельное газовыделение 230-265 см³/г.

Недостатком состава является его низкая химическая стойкость вследствие значительной гигроскопичности хлората натрия /3/.

Известен состав для получения кислорода /4/, включающий перхлорат лития, пероксид бария для подавления образования свободного хлора, горючие бор и железо, медное волокно в качестве связи при следующем соотношении компонентов, мас.%: Перхлорат лития - 89,0 Пероксид бария - 4,0 Бор - 1,8 Железо - 2,2 Медное волокно - 3,0
Температура горения состава 800^oC, удельное газовыделение 337 см³/г.

Недостатками состава являются низкая химическая стойкость вследствие высокой гигроскопичности перхлората лития и его склонности к образованию тригидрата LiClO₄ · 3H₂O /1/; высокая токсичность пероксида бария - ПДК в воздухе 0,5 мг/м³ /5/.

Известен состав для получения кислорода /6/, включающий перхлорат натрия, пероксид и/или надпероксид натрия, оксид переходного металла NiO, Co₂O₃ или Fe₂O₃ в качестве катализаторов разложения перхлората, магний в качестве горючего при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Перхлорат натрия - 84,5-92,5
Пероксид (и/или надпероксид) натрия - 3,5-5,5
Оксид переходного металла - 1,5-3,5
Магний - 2,5-6,5
Температура горения состава 580-640^oC, удельное газовыделение 320-345 см³/г.

Недостатком состава является его низкая химическая стойкость вследствие гигроскопичности перхлората натрия и его склонности к образованию моногидрата NaClO₄ · H₂O /7/, высокая гигроскопичности пероксида (надпероксида) натрия, способного реагировать с влагой и углекислым газом воздуха с образованием смеси гидроксида и карбоната натрия.

Наиболее близким к заявляемому составу по технической сущности является пиротехнический состав /8/ по патенту России N 2061650, кл. C 01 B 13/02, который и выбран заявителем в качестве прототипа.

Состав включает перхлорат калия, порошок алюминия и пероксид бария при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Перхлорат калия - 60-90
Алюминий - 5-30
Пероксид бария - 5-10
Состав предназначен для использования в системах жизнеобеспечения летательных и подводных аппаратов, в кислородных масках и пр. Температура горения состава 1100-1800^oC, выход кислорода 150-250 см³/г, чистота газа - до 99,7 об.% кислорода, примеси хлора отсутствуют.

Данный состав имеет следующие недостатки:
- высокую температуру горения;
- жидкие и газообразные продукты горения;
- высокую токсичность.

При температуре горения состава испаряется образующийся при разложении перхлората хлорид калия (температуре кипения около 1500^oC) и вместе с остальными продуктами горения (оксидами алюминия и бария) выносится из зоны реакции, что весьма затрудняет задачу фильтрации кислорода.

При высоких температурах химическая активность кислорода значительно возрастает, он становится способным прожигать фильтры, трубки газовывода и другие элементы конструкции газогенератора, в связи с чем представляется затруднительным использование данного состава в системах газонаполнения и источниках давления.

Токсичность состава устанавливается по наиболее токсичному компоненту. Наиболее токсичным компонентом данного способа является пероксид бария - весьма токсичное вещество, ПДК в воздухе 0,5 мг/м³.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка пиротехнического состава для получения кислорода, имеющего:
- более низкую температуру горения;
- компактные, твердые, пористые шлаки, обладающие фильтрующей способностью;
- более низкую токсичность.

Технический результат, достигаемый при использовании заявленного пиротехнического состава, заключается в следующем:
1) удельное газовыделение 130-265 см³/г;
2) содержание кислорода 97,76-98,65 об.%;
3) температура горения 480-830^oC;
4) компактные, твердые, пористые шлаки;
5) состав обладает химической стойкостью;
6) состав способен к устойчивому, равномерному горению при повышенных давлениях;
7) состав устойчиво и стабильно горит в диапазоне температур от минус 50 до плюс 50^oC;
8) компоненты состава малотоксичны и негигроскопичны.

Для решения поставленной задачи в известный пиротехнический состав, содержащий горючее и перхлорат калия в качестве окислителя, согласно изобретению, в качестве горючего вводятся порошки бора и кремния при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Перхлорат калия - 80-92
Бор - 3-8
Кремний - 4-12
Бор имеет более низкую температуру воспламенения (400-450^oC), чем алюминий в прототипе (более 800^oC), и более высокую теплотворную способность /3/, что позволяет обеспечить составу легкость зажигания и способность к устойчивому горению в широком диапазоне температур.

Бор и кремний имеют более низкие температуры горения в кислороде, чем алюминий /9/, вследствие чего использование их в составе способствует снижению его температуры горения.

Кремний имеет высокую температуру воспламенения (700-900^oC), поэтому он сгорает до диоксида кремния SiO₂ лишь частично. Кремний и его диоксид имеют высокие температуры плавления (1430^oC и 1610^oC соответственно), поэтому при горении состава они остаются в твердом виде, их частички спекаются между собой и с другими продуктами горения (с KCl и B₂O₃), образуя компактный, твердый, пористый шлак, обладающий фильтрующей способностью.

Наиболее токсичным компонентом заявляемого состава является перхлорат калия. Перхлорат калия - слаботоксичное вещество /7/, ПДК в воздухе 1,0 мг/м³.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о том, что заявляемый состав соответствует критерию "Новизна".

Анализ известных пиротехнических составов не выявил составов, содержащих признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемого состава.

Это позволяет сделать вывод о соответствии критерию "Изобретательский уровень".

Для подтверждения промышленной применимости были изготовлены и испытаны несколько образцов из заявляемого состава.

Исходные компоненты состава после сушки и измельчения в шаровой мельнице просеивались через сито с размером отверстий 100 мкм. Затем компоненты смешивались в механическом смесителе в течение 30-40 мин и из полученной смеси прессовались цилиндрические образцы состава диаметром 15 мм и высотой 10 мм. Плотность образцов составляла 1,83 г/см³ (степень уплотнения 0,73).

Воспламенение образцов осуществлялось при помощи спирали накаливания.

Газовыделение состава определялось путем сжигания образцов в установке известного объема, предварительно откачанной до остаточного давления ~ 10^-2 мм рт.ст.

Анализ полученного газа осуществлялся при помощи масс-спектрометра.

Скорость горения образцов при атмосферном давлении (в открытом виде) определялась по времени сгорания с помощью фотодиодов, установленных у торцов шашки состава.

Температура воспламенения состава определялась по ОСТ 3-6613-90.

Температура горения состава определялась с помощью термопар "Хромельалюмель".

Калорийность состава определялась по стандартной методике в среде воздуха.

В табл. 1 представлены данные о составе образцов и результатах их испытаний, из анализа которых следует, что рецептуры N 3-6 наиболее полно удовлетворяют критериям качества заявляемого пиротехнического состава.

Для определения способности заявляемого состава к устойчивому горению в диапазоне температур от минус 50 до плюс 50^oC проводились опыты по сжиганию образцов состава, предварительно охлажденных (нагретых) до температуры минус 50^oC (плюс 50^oC).

Для составов с рецептурами N 3 и N 5 (табл. 1) определена способность к равномерному, устойчивому горению при повышенных давлениях (в замкнутом объеме).

В табл. 2 приведены результаты определения скорости горения состава в зависимости от достигаемого в газогенераторе давления. Регистрация процесса горения осуществлялась с помощью датчика давления.

Из данных табл. 2 следует, что заявляемый состав при повышенных давлениях (до 250 кгс/см²) горит устойчиво и не наблюдается резкого увеличения скорости горения.

Проведенные испытания заявляемого пиротехнического состава показали, что оптимальными являются соотношения компонентов, приведенные в п. N 3-6 табл. 1, при которых достигнуты следующие наилучшие технические показатели:
- удельное газовыделение 252-265 см³/г;
- содержание кислорода 97,96-98,65 об.%;
- температура горения 480-750^oC;
- скорость горения 0,7-3,4 мм/с
- удельная калорийность 1,65-2,71 кДж/г
Для составов с рецептурами N 3 и N 5 (табл. 1) определена способность к равномерному, устойчивому горению с плавным увеличением скорости горения в диапазоне давлений до 250 кгс/см².

Состав с рецептурами N 3-6 (табл. 1) горит с образованием компактных, твердых, пористых шлаков, сохраняющих форму исходного образца и обладающих фильтрующими свойствами.

Наиболее токсичным компонентом заявляемого состава является перхлорат калия. Перхлорат калия является слаботоксичным веществом, ПДК в воздухе составляет 1,0 мг/м³.

Список литературы
1. Химическая энциклопедия, т. 2, М., Советская энциклопедия, 1990.

2. Патент России N 2056341, кл. C 01 B 13/02, опубл. Б.И. N 8, 1996.

3. Шидловский А.А. Основы пиротехники. М., Машиностроение, 1973.

4. Патент США N 3174936, кл. 252-183, опубл. 1965.

5. Химический энциклопедический словарь, М., Советская энциклопедия, 1983.

6. Патент России N 2057707, кл. C 01 B 13/02, опубл. Б.И. N 10, 1996.

7. Химическая энциклопедия, т. 3, М., Советская энциклопедия, 1992.

8. Патент России N 2061650, кл. C 01 B 13/02, опубл. Б.И. N 16, 1996.

9. Похил П.Ф. и др. Горение порошкообразных металлов в активных средах. М., Наука, 1972.

Формула изобретения

Пиротехнический состав для получения кислорода, содержащий горючее и перхлорат калия в качестве окислителя, отличающийся тем, что в качестве горючего он содержит порошки бора и кремния при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Перхлорат калия - 80 - 92
Бор - 3 - 8
Кремний - 4 - 12

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2