CC BY
0
УДК 66.047
DOI: 10.17277^^.2023.04^.624-630
ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ НА КАЧЕСТВО РЕГЕНЕРАТИВНОГО ПРОДУКТА НА ОСНОВЕ НАДПЕРОКСИДА КАЛИЯ
В. В. Еськов, А. Н. Пахомов, Н. Ц. Гатапова, М. Н. Краснянский
Кафедра «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность», panpost@yandex.ru; ФГБОУВО «ТГТУ», Тамбов, Россия
Ключевые слова: вакуумная сушка; генерируемый кислород; качество; поверхность; подложка; регенеративный продукт; цвет.
Аннотация: Регенеративные продукты являются основным источником кислорода в индивидуальных дыхательных аппаратах изолирующего действия. Предложен процесс изготовления пластин регенеративного продукта с использованием вакуумной сушки. Дано описание технологии получения регенеративного продукта, основанной на взаимодействии гидроксида калия и пероксида водорода с образованием раствора, содержащего дипероксогидрат пероксида калия. Выявлена и формализована взаимосвязь цвета поверхности высушенных регенеративных пластин с качеством продукта, характеризуемого количеством генерируемого кислорода. Приведена методика определения содержания активного кислорода в регенеративных продуктах. Представлены результаты обобщения экспериментальных данных. Указаны основные причины потери качества регенеративного продукта в процессе сушки.
Введение
Регенеративные продукты широко используют в качестве источника кислорода в индивидуальных дыхательных аппаратах изолирующего действия и установках регенерации воздуха коллективного типа. Это связано с тем, что они выделяют кислород при поглощении углекислого газа и паров воды, тем самым обеспечивая необходимые условия для поддержания жизнедеятельности человека в условиях изоляции от естественной атмосферы [1, 2]. Существуют разные формы выпускаемых регенеративных продуктов, в том числе в виде прессованных блоков, зерна, таблеток, пластин.
В работе рассмотрен регенеративный продукт на основе надпероксида калия, выполненный в виде гофрированных пластин. Обычно пластины регенеративных продуктов изготавливаются методом прессования. Наряду с простотой аппаратурного оформления и удобством производства, такой способ имеет значительный недостаток, связанный с низким удельным выходом кислорода вследствие малой удельной поверхности контакта твердой и газовой фаз.
Для устранения данного недостатка предложена технология изготовления пластин регенеративного продукта с использованием вакуумной сушки. В качестве подложки для крепления кристаллов надпероксида калия используются маты из супертонкого стеклянного волокна марки МСТВ-2. Материал мата представляет собой слои хаотически расположенных штапельных супертонких стеклянных волокон с условным диаметром не более 2,8 мкм, скрепленных за счет адгезион-
ного сцепления. Теплопроводность составляет не более 0,042 Вт/(м-К) при (25 ± 5) °С, плотность не более 10 кг/м3.
Такие маты нашли широкое применение для теплозвукоизоляции различного оборудования, судовых и строительных конструкций при температуре изолируемой поверхности не более 450 °С. К достоинствам матов марки МСТВ-2 следует отнести также их негорючесть.
Раствор надпероксида калия наносят на подложку и высушивают в вакуумной сушильной камере с инфракрасным теплоподводом. Преимущество такого способа получения пластин регенеративного продукта заключается в том, что кристаллы надпероксида калия закрепляются на поверхности инертных стеклянных волокон и между собой, образуя жесткую пористую структуру. Это позволяет получить развитую поверхность контакта твердой и газовой фаз, вследствие чего максимальное количество кристаллов надпероксида калия взаимодействуют с парами воды и углекислым газом. Соответственно увеличивается степень отработки (количество выделенного кислорода с единицы объема надпероксида калия) регенеративного продукта при использовании в дыхательных аппаратах по сравнению с прессованными пластинами.
Для получения регенеративного продукта необходимо, чтобы пропитанная раствором дипероксогидрата калия подложка 1 (рис. 1) располагалась между двумя перфорированными листами, выполненными из инертного материала, не вступающего в реакцию с раствором и обладающего минимальным теплоподводом к подложке 2 (см. рис. 1). В качестве материала, удовлетворяющего данным требования, выбран фторопласт. Однако, с точки зрения технологии производства регенеративных пластин требуемых размеров, фторопласт имеет существенный недостаток: материал прогибается и не сохраняет постоянную форму в процессе пропитки и сушки, что приводит к потере качества готового продукта. Поэтому при производстве регенеративных пластин используют металлические перфорированные листы, имеющие фторопластовое покрытие.
Металлические перфорированные листы, между которыми закрепляется подложка, также придают определенный рельеф поверхности высушенных пластин (гофрирование). Гофрирование позволяет повысить удобство сборки пластин в пакет и установки пакета пластин в патрон дыхательного аппарата. Кроме того, обеспечивается небольшой зазор между пластинами, необходимый для снижения сопротивления прохождению газовой дыхательной смеси в патроне, что также положительно влияет на снижение сопротивления на вдох пользователя дыхательного аппарата.
Экспериментальная часть
Технология получения регенеративного продукта основана на взаимодействии гидроксида калия и пероксида водорода с образованием раствора, содержащего в основном дипероксогидрат пероксида калия. Далее полученным раствором пропитывается пористая подложка, происходит реакция диспропорционирования и сушка в вакууме с подводом тепла в виде ИК-излучения. В результате получаем регенеративный продукт, способный к поглощению углекислого газа с выделением кислорода.
Рис. 1. Схема регенеративной пластины:
1 - подложка; 2 - перфорированный лист
2
Реакция взаимодействия надпероксида калия с углекислым газом в присутствии водяных паров может быть представлена следующим итоговым уравнением [1]
2KO2 + CÛ2Î = K2CO3! + 1,502. (1)
При этом первичной реакцией является взаимодействие KO2 с водяным паром
2K02 + 3H20Î = 2K0H-2H20| + 1,502. (2)
Затем идет образование карбоната или бикарбоната калия:
2K0H4 + C02Î = K2C03! + H20; (3)
K0H4 + C02Î = KHC034. (4)
По окончании процесса вакуумной сушки подложки с нанесенным на нее раствором, при заданном разрежении в сушильной камере и отсутствии перегрева, формируется так называемая качественная пластина с поверхностью однородного цвета.
В местах, где фторопластовое покрытие металлических перфорированных листов разрушается, и появляются открытые участки металлической подложки, раствор активно разлагается уже в процессе пропитки и сушки, выделяя кислород и водяной пар, в результате чего на пластине появляются дефектные участки, характеризуемые пониженным содержанием активного кислорода и отличающиеся визуально по цвету от качественной поверхности.
При несоблюдении режимов сушки (нестабильном вакууме и/или перегреве материала) также происходит разложение материала, и на пластине появляются дефектные участки, характеризуемые цветом, отличным от цвета поверхности качественной пластины.
Для анализа цвета поверхности высушенных пластин регенеративного продукта на специальной установке сделаны фотографии пластин разного цвета (качества). Установка для получения фотографий поверхности пластин состоит из двух осветителей холодного цвета интенсивностью 1000 Лм, закрепленных на специальных штативах таким образом, чтобы на поверхности пластины не было теней от гофрированных участков. Фотосъемка поверхности пластины проводилась на цифровую фотокамеру. Для идентификации цвета поверхности отдельных участков пластины полученное изображение анализировалось программным способом с помощью атласа цветов RAL C1 DIGITAL 4.0 (RAL German Insitute for Quality Assurance and Certification) [3].
Результаты экспериментов и обсуждение
На поверхности качественной пластины наблюдается однородный цвет по всей поверхности, включая участки гофрирования, определяемый по атласу цветов как RAL CLASSIC 1000 (зелено-бежевый). В результате анализа цвета поверхности пластин разного качества выявлены следующие дефекты:
1) отдельно проявившиеся незначительные по площади участки, определяемые по атласу цветов как RAL Classic 7032 (цементно-серый). Такие дефекты, как правило, занимают небольшую площадь пластины и отнесены к легким дефекта поверхности;
2) однородно расположенные по всей поверхности дефекты, определяемые по атласу цветов, как RAL Classic 7032 (цементно-серый), RAL Design 110 60 40, RAL Classic 7002 (оливково-серый). Эти дефекты проявляются как на свободной поверхности пластины, так и на элементах гофрирования и относятся
к легким, средним и существенным дефектам пластины, в определенной степени ухудшающим качество пластины (количество выделяемого участком пластины кислорода);
3) отдельные участки пластины, характеризующиеся обширными по площади темными участками и отсутствием гофрирования в районе темных участков. Эти участки определены по атласу цветов, как RAL Classic 7042 (транспортный серый) и RAL Classic 9006 (серо-алюминиевый до графитового). Выделенные участки пластины со значительными дефектами приводят к отбраковке пластины вследствие неудовлетворительного качества.
Для определения степени повреждения пластины проведены эксперименты по выделению кислорода качественной пластиной без дефектов и пластинами с дефектными участками. Для этого использовалась лабораторная установка для определения содержания активного кислорода в регенеративных продуктах (рис. 2).
Методика определения количества выделяемого активного кислорода заключается в следующем [4, 5].
На сетчатое дно сосуда 4 помещают слой гигроскопической ваты, обеспечивающий прикрытие дна. Затем до горловины насыпают индикаторный осушитель и накрывают его ватой. Горловину сосуда 4 плотно закрывают пробкой 5 и вынимают сосуд 4 из реакционный колбы 1, чтобы заполнить его через боковой патрубок 3 на 0,75 объема раствором сернокислой меди с массовой долей 5 %. Затем сосуд 4 вставляют в реакционную колбу 1, убирают пробку 5. Измеряют массу установки m\, г, на лабораторных весах специального или высокого класса с ценой деления 0,1 мг. После замера вынимают сосуд 4 и вносят в реакционную колбу 0,5...2 г продукта. После чего измеряют массу установки m2, г.
Приоткрывают пробку бокового патрубка 3 и дают раствору сернокислой меди по каплям вытекать из сосуда в реакционную колбу так, чтобы выделение кислорода было спокойным, при этом пробка 5 при проведении анализа должна быть вынута. Когда выделение кислорода замедлится или прекратится, сливают оставшийся раствор сернокислой меди из сосуда, оставив в нем 2.3 см3 раствора в качестве гидрозатвора. Затем закрывают боковой патрубок пробкой 3, встряхнув установку для полного выделения кислорода (до прекращения выделения пузырьков), выдерживают ее на воздухе в течение 15 мин, вставляют пробку 5 и измеряют массу установки m3, г.
По результатам проведения экспериментов массовую долю активного кислорода А, %, рассчитывают по формуле
100
А = (ш2 - т)-. (5)
Ш2 - т-1
Результаты идентификации цвета пластины и количества активного кислорода, выделяемого из идентифицированных участков регенеративной пластины, приведены 1 - реакционная колба; 5 - пробка; в табл. 1. 3 - боковой патрубок; 4 - сосуд
Рис. 2. Лабораторная установка для определения содержания
активного кислорода в регенеративных продуктах:
Таблица 1
Результаты идентификации цвета пластины и количества выделяемого активного кислорода
Степень проявления дефекта и причина его появления Цвет Массовая доля активного кислорода А, масс. %
Дефекты отсутствуют (качественная поверхность) RAL CLASSIC 1000 (зелено-бежевый) 20,9
Легкий дефект. Разрушение покрытия металлических перфорированных листов (раствор активно разлагается в процессе сушки) RAL Classic 7032 Цементно-серый 17,6
Средний дефект. Несоблюдение режимов сушки (незначительное изменение температуры в процессе сушки) RAL Design 110 60 40 14,5
Существенный дефект. Несоблюдение режимов сушки (перегрев материала) RAL Classic 7002 Оливково -серый RAL Classic 7042 Транспортный серый RAL Classic 9006 Серо-алюминиевый до графитового 8,0...0,2
Заключение
В результате сопоставления экспериментальных данных по наблюдаемым цветам поверхности полученных регенеративных пластин и величин массовой доли активного кислорода в них, выявлена взаимосвязь цвета поверхности высушенных регенеративных пластин с качеством пластины. Предложенная идентификация дефектных участков по цвету поверхности и зависимость массовой доли активного кислорода от цвета поверхности позволяет разработать методику расчета количества кислорода, выделяемого заданной пластиной в зависимости от вида и количества дефектных участков.
Список литературы
1. Мельников, А. Х. Исследование взаимодействия надперекиси калия с водяным паром и углекислым газом / А. Х. Мельников, Т. П. Фирсова, А. Н. Моло-дина // Журнал неорганической химии. - 1962. - Т. 7, № 6. - С. 1228 - 1236.
2. Кинетика взаимодействия диоксида углерода с надпероксидом калия / Н. Ф. Гладышев, Т. В. Гладышева, С. И. Дворецкий [и др.] // Химическая физика. -2007. - Т. 26, № 10. - С. 67 - 70.
3. Пахомова, Ю. В. Оценка качества готового продукта при сушке жидких дисперсных веществ / Ю. В. Пахомова, В. И. Коновалов // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В. И. Вернадского. - 2011. - № 2(33). - С. 407 - 412.
4. Дорохов, Р. В. Аппаратурно-технологическое оформление процесса синтеза регенеративного продукта на матрице с улучшенными хемосорбционными
характеристиками : дис. ... канд. техн. наук : 05.17.08 / Дорохов Роман Викторович. - Тамбов, 2007. - 18 с.
5. Дворецкий, Д. С. Кинетика взаимодействия диоксида углерода с регенеративным продуктом на матрице рпк-п / Д. С. Дворецкий, М. Ю. Плотников // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2010. -Т. 16, № 3. - С. 597 - 602.
The Impact of the Drying Process on the Quality of a Generative Potassium Superoxide Based Product
V. V. Eskov, A. N. Pakhomov, N. Ts. Gatapova, M. N. Krasnyanskiy
Department of Technological Processes, Devices and Technosphere Safety, panpost@yandex.ru; TSTU, Tambov, Russia
Keywords: vacuum drying; generated oxygen; quality; surface; substrate; regenerative product; color.
Abstract: Regenerative products are the main source of oxygen in individual self-contained breathing apparatus. A process for manufacturing plates of a regenerative product using vacuum drying is proposed. The paper describes the technology for producing a regenerative product based on the interaction of potassium hydroxide and hydrogen peroxide to form a solution containing potassium peroxide diperoxy hydrate. The relationship between the color of the surface of dried regenerative plates and the quality of the product, characterized by the amount of oxygen generated, has been identified and formalized. A method for determining the content of active oxygen in regenerative products is presented. The results of generalization of experimental data are presented. The main reasons for the loss of quality of the regenerative product during the drying process are indicated.
References
1. Mel'nikov A.Kh., Firsova T.P., Molodina A.N. [Study of the interaction of potassium superoxide with water vapor and carbon dioxide], Zhurnal neorganicheskoy khimii [Journal of Inorganic Chemistry], 1962, vol. 7, no. 6, pp. 1228-1236. (In Russ., abstract in Eng.)
2. Gladyshev N.F., Gladysheva T.V., Dvoretskiy S.I. [et al.], [Kinetics of interaction of carbon dioxide with potassium superoxide] Khimicheskaya fizika [Chemical Physics], 2007, vol. 26, no. 10, pp. 67-70. (In Russ., abstract in Eng.)
3. Pakhomova Yu.V., Konovalov V.I. [Assessment of the quality of the finished product when drying liquid dispersed substances], Voprosy sovremennoj nauki i praktiki. Universitet im. V.I. Vernadskogo [Problems of Contemporary Science and Practice. Vernadsky University], 2011, no. 2(33), pp. 407-412. (In Russ., abstract in Eng.)
4. Dorokhov R.V. Extended abstract of Candidate's of Engineering thesis, Tambov, 2007, 18 p. (In Russ.)
5. Dvoretskiy D.S., Plotnikov M.Yu. [Kinetics of interaction of carbon dioxide with a regenerative product on a pk-p matrix], Transactions of the Tambov State Technical University, 2010, vol. 16, no. 3, pp. 597-602 (In Russ., abstract in Eng.)
Einfluss des Trocknungsprozesses auf die Qualität des Regenerationsprodukts auf der Basis von Kaliumsuperoxyd
Zusammenfassung: Regenerative Produkte sind die Hauptquelle für Sauerstoff in individuellen Isolationsatemgeräten. Es ist ein Verfahren zur Herstellung von Regenerationsproduktplatten unter Verwendung von Vakuumtrocknung vorgeschlagen. Es ist die Technologie der Herstellung eines regenerativen Produkts beschrieben, die auf der Wechselwirkung von Kaliumhydroxid und Wasserstoffperoxid zur Bildung einer Lösung basiert, die Kaliumperoxiddiperoxyhydrat enthält. Der Zusammenhang zwischen der Farbe der Oberfläche getrockneter regenerativer Platten und der Qualität des Produkts, gekennzeichnet durch die erzeugte Sauerstoffmenge, ist identifiziert und formalisiert. Die Methode zur Bestimmung des Gehalts an aktivem Sauerstoff in regenerativen Produkten ist angeführt. Die Ergebnisse der Verallgemeinerung der experimentellen Daten sind vorgestellt. Es sind die Hauptgründe für den Qualitätsverlust des regenerativen Produkts während des Trocknungsprozesses aufgezeigt.
Influence du processus de séchage sur la qualité du produit régénérateur à base de surteroxyde de potassium
Résumé: Les produits régénératifs sont la principale source de l'oxygène dans les appareils respiratoires individuels à action isolante. Est proposé le processus de la fabrication des plaques du produit régénératif utilisant le séchage à vide. Est donnée la description de la technologie pour fabriquer un produit régénérateur basé sur l'interaction de l'hydroxyde de potassium et du peroxyde d'hydrogène pour former une solution contenant du peroxyde de potassium diperoxohydraté. Est identifiée et formalisée la relation entre la couleur de surface des plaques régénératives séchées et la qualité du produit, caractérisée par la quantité d'oxygène générée. Est donnée la méthode de la détermination de la teneur en oxygène actif dans les produits régénérateurs. Sont présentés les résultats de la synthèse des données expérimentales. Sont indiquées les principales raisons de la perte de qualité du produit régénérateur pendant le séchage
Авторы: Еськов Владимир Александрович - аспирант кафедры «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность»; Пахомов Андрей Николаевич - доктор технических наук, профессор кафедры «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность»; Гатапова Наталья Циби-ковна - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность»; Краснянский Михаил Николаевич - доктор технических наук, профессор, ректор, ФГБОУ ВО «ТГТУ», Тамбов, Россия.
