Установка для концентрирования диоксида углерода, извлекаемого из атмосферы (варианты)

Полезная модель относится к устройствам для очистки воздуха, преимущественно к способам регенерации воздуха в герметично закрытых объектах коллективной защиты, посредством восстановления физического и химического состава воздуха в обитаемом отсеке при длительном нахождении в нем укрываемого личного состава, например, таких как космические корабли и станции, атомные подводные лодки, объекты коллективной защиты. Также решение может быть использовано для концентрации и утилизации CO₂ из воздуха на открытых пространствах, где отмечается высокая концентрация CO₂. Технический результат заявленного решения заключается в создании простой и малоэнергозатратной установки для концентрирования и последующей утилизации диоксида углерода из воздуха, в которой выдача диоксида углерода происходит с концентрацией 90-100%, не содержащего других газовых компонентов, в систему утилизации CO₂. Заявленный технический результат достигается за счет того, что установка для концентрирования диоксида углерода получаемого из атмосферы, содержащая водный раствор щелочи (NaOH или KOH) для абсорбции диоксида углерода, и последующей десорбцией из прореагировавшего раствора CO₂, отличающаяся тем, что содержит: насос высокого давления, функцией которого является подача раствора щелочи в поток очищаемого воздуха через распылительную форсунку; содержит сепаратор жидкости (циклонный или центробежный), с функцией сбора прореагировавшего раствора, содержащего карбонатные и бикарбонатные соли, подключенный к насосу для перекачки раствора в электролизер, к которому подведены газоотводные трубки, ведущие в водородно-кислородный топливный элемент, функцией которого является окисление водорода, а на выходе из топливного элемента получают диоксид углерода и пары воды. Другой вариант предусматривает, что установка содержит диффузионный мембранный аппарат, с функцией абсорбции диоксида углерода, и выполненный с возможностью подачи потока очищаемого воздуха с одной стороны мембраны и прокачки раствора щелочи с помощью насоса внутри аппарата с другой стороны мембраны, к диффузионному мембранному аппарату подключен насос, с функцией перекачки образованного раствора карбонатов и бикарбонатов в электролизер.

Полезная модель относится к устройствам для очистки воздуха, преимущественно к способам регенерации воздуха в герметично закрытых объектах коллективной защиты, посредством восстановления физического и химического состава воздуха в обитаемом отсеке при длительном нахождении в нем укрываемого личного состава, например, таких как космические корабли и станции, атомные подводные лодки, объекты коллективной защиты. Также решение может быть использовано для концентрации и утилизации CO₂ из воздуха на открытых пространствах, где отмечается высокая концентрация CO₂.

В [1, 2] рассматриваются системы концентрирования CO₂ на диффузионных мембранах с термической десорбцией диоксида углерода [1], в водородном деполяризационном элементе [2]. Каждый из этих способов имеет свои проблемы. При термическом разложении солей - высокотемпературный реактор, а в водородном ТЭ реагирующий газ содержит избыток инертного компонента - азота, затрудняющего подвод кислорода к зоне реакции.

Известен вариант очистки воздуха от CO₂ опубликован в [3] в 1927 г. Теоретическое обоснование этого варианта изложено в [4] в 1929 г. Поглощение CO₂ осуществляется барботированием воздуха через раствор щелочи. Поглощенный диоксид углерода реагируя с щелочью образует карбонатные и бикарбонатпые соли, из которых электролитическим путем высвобождается CO₂. Но в этом случае вопрос о концентрировании CO₂ не рассматривается (диоксид углерода выходит из электролизера совместно с другими газами).

Известны способы, основанные на улучшении физического состава воздуха в помещении посредством охлаждения и осушки воздуха перед подачей в обитаемый отсек [5].

Известен также способ регенерации воздуха в обитаемом отсеке объекта коллективной защиты [6]. Он обеспечивает восстановление и поддержание необходимого для дыхания состава воздуха по кислороду O₂ и двуокиси углерода CO₂ в обитаемых отсеках войсковых убежищ.

Способ основан на использовании для регенерации воздуха пластины из кислородсодержащего вещества, включающего в свой состав элементы первой группы (надперекись калия KO₂ или надперекись натрия NaO₂). Вещество регенеративных пластин, обладающее сильными щелочными и окислительными свойствами, вступает в химическую реакцию с двуокисью углерода и парами воды, находящимися в регенирируемом воздухе, в результате из пластин выделяется кислород.

Обе реакции протекают на границах твердой и газообразной фаз и являются экзотермическими. Это, с одной стороны, способствует возникновению естественной конвекции регенерируемого воздуха, а с другой, увеличивает теплоизбытки (от 50 до 150 ккал/ч) и повышает влажность в обитаемом отсеке объекта коллективной защиты.

Недостатками известного способа регенерации воздуха являются: ухудшение температурно-влажностного режима за время регенерации воздуха в обитаемом отсеке объекта коллективной защиты (температура повышается до 50-80°С, а влажность 65-75%), при этом укрываемый личный состав начинает испытывать чувство духоты, самочувствие его ухудшается; понижение работоспособности личного состава в связи с возникающими дискомфортными условиями; на реагирующей поверхности регенеративного вещества образуется жесткая корка карбоната (K₂CO₃ или Na ₂CO₃), что тормозит протекание реакции и приводит к неполному использованию (только 80%) исходного вещества; ограничено время регенеративного действия, а также ограничен срок хранения регенеративного вещества (оно обладает сильными щелочными и окислительными свойствами, поэтому требует периодической замены); используемое регенеративное вещество взрывоопасно и пожароопасно, что влечет за собой дополнительные затраты по обеспечению безопасности его хранения и эксплуатации.

Известен способ очистки воздуха от двуокиси углерода, реализованный в системе регенерации атмосферы в замкнутом объеме [7].

Данный способ заключается в том, что двуокись углерода CO₂ связывают щелочным раствором элементов первой группы в гетерогенной среде газ-жидкость. Процесс связывания двуокиси углерода проводят следующим образом: в абсорбер насосом подают щелочной раствор элементов первой группы и через него прокачивают воздух с повышенным содержанием CO₂. При этом создается гетерогенная среда газ-жидкость, а в абсорбере происходят реакции между постоянно подаваемой щелочью и двуокисью углерода, в результате происходит очищение воздуха.

Однако указанный способ очистки воздуха от двуокиси углерода (и реализующая его система регенерации атмосферы в замкнутом объеме) обладает рядом существенных недостатков: ограничена поверхность контакта реагирующих сред, что исключает полноту протекания процесса хемосорбции; ухудшается влажностный режим в объектах коллективной защиты, так как не удаляются избытки влаги (паров воды) из обитаемого отсека объекта коллективной защиты, что снижает работоспособность и ухудшает физическое и психологическое состояние укрываемого личного состава при длительном нахождении в убежище, а также создает возможность попадания в воздушную среду обитаемого отсека вместе с капельками воды щелочного раствора из абсорбера; принцип, на котором основан указанный способ, требует постоянной замены хемосорбента щелочного раствора элементов первой группы, так как при определенных условиях (при подаче избыточных концентраций двуокиси углерода CO₂ в условиях длительного нахождения личного состава в убежище) в незаменяемом щелочном растворе образуются кислые растворимые соли гидрокарбонаты, что приводит к ухудшению процесса очистки воздуха от двуокиси углерода.

Из уровня техники известен способ очистки воздуха [8] от двуокиси углерода в обитаемом отсеке объекта коллективной защиты путем абсорбции двуокиси углерода щелочным раствором, охлаждения очищенного воздуха с последующей подачей обогащенного кислородом воздуха в обитаемый отсек объекта, отличающийся тем, что абсорбцию двуокиси углерода проводят щелочным раствором элементов второй группы в присутствии кристаллизатора, представляющего собой твердые частицы карбонатов, при этом над поверхностью раствора располагают металлизированную шихту для осаждения капелек барботируемого воздухом щелочного раствора, которым связывают не успевшую прореагировать в растворе двуокись углерода, а перед охлаждением его осушают. Способ требует использования металлической шихты, что делает установку на его основе в целом громоздкой, а процесс осушки и охлаждения слишком энергозатратной.

Технический результат заявленного решения заключается в создании простой и малоэнергозатратной установки для концентрирования и диоксида углерода из воздуха, в которой выдача диоксида углерода происходит с концентрацией 90-100%, не содержащего других компонентов, в систему утилизации СО₂.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что установка для концентрирования диоксида углерода получаемого из атмосферы, содержащая водный раствор щелочи (NaOH или KOH) для абсорбции диоксида углерода, и последующей десорбцией из прореагировавшего раствора CO₂, отличающаяся тем, что содержит: насос высокого давления, функцией которого является подача раствора щелочи в поток очищаемого воздуха через распылительную форсунку; содержит циклонный или центробежный сепаратор жидкости, с функцией сбора прореагировавшего раствора, содержащего карбонатные и бикарбонатные соли, подключенный к насосу для перекачки раствора в электролизер, к которому подведены газоотводные трубки, ведущие в водородно-кислородный топливный элемент, функцией которого является окисление водорода, а на выходе из топливного элемента получают диоксид углерода и пары воды. Другой вариант предусматривает, что установка для концентрирования диоксида углерода получаемого из атмосферы, содержащая водный раствор щелочи (NaOH или KOH) для абсорбции диоксида углерода, и последующей десорбцией из прореагировавшего раствора CO₂, отличающаяся тем, что содержит диффузионный мембранный аппарат, с функцией абсорбции диоксида углерода, и выполненный с возможностью подачи потока очищаемого воздуха с одной стороны мембраны и прокачки раствора щелочи с помощью насоса внутри аппарата с другой стороны мембраны, к диффузионному мембранному аппарату подключен насос, с функцией перекачки образованного раствора карбонатов и бикарбонатов в электролизер, к которому подведены газоотводные трубки, ведущие в водородно-кислородный топливный элемент, функцией которого является окисление водорода, а на выходе из топливного элемента получают диоксид углерода и пары воды.

Работа установки основана на следующих реакциях, протекающих в водном растворе щелочи (упрощенно).

1. KOH+CO₂=KHCO₃

При поглощении раствором щелочи диоксида углерода в результате реакции образуется бикарбонатная соль.

2. KHCO ₃+KOH=K₂CO₃+H₂O

В результате реакции бикарбоната с щелочью, образуется карбонатная соль.

3. K₂CO₃+H₂ OKHCO₃+KOH

в водном растворе в динамическом равновесии находятся карбонатные и бикарбонатные соли.

4. KHCO₃^эл-з+KOH+CO₂

Разлагая с помощью электролиза KHCO ₃ с выделением CO₂, исходная щелочь восстанавливается.

5. H₂O^эл-зH₂+O₂

Присутствующая в растворе вода под действием электролиза разлагается на водород и кислород. Таким образом, на выходе электролизера имеем диоксид углерода, кислород и водород.

Принцип работы установки следующий (см. Фиг.1).

Воздух из атмосферы замкнутого обитаемого объема, с помощью воздуходувки (1), продувается через абсорбер (3), поглощающий CO₂ раствор щелочи, с помощью насоса высокого давления (8) и форсунки (2), впрыскивается в поток воздуха. За счет абсорбции диоксид углерода поглощается щелочью с образованием карбонатных и бикарбонатных солей. Установленный на выходе из абсорбера сепаратор (циклонный или центробежный) жидкости (4) отделяет полученный раствор солей от воздуха. Очищенный от CO₂ воздух поступает в атмосферу обитаемого объема, а раствор солей с помощью жидкостного насоса (5) прокачивается через электролизер (6), где из раствора солей выделяется CO₂, а также из воды водород и кислород. Полученные газы направляются в водородно-кислородный топливный элемент (7), где происходит окисление водорода. Диоксид углерода и пары воды направляются в систему утилизации.

Другой вариант установки (см. Фиг.2) работает так. Воздух из атмосферы замкнутого обитаемого объема с помощью воздуходувки (1) продувается через адсорбер (3), представляющий из себя мембранный диффузионный аппарат, причем воздух продувается с одной стороны мембраны, а поглощающий CO₂ раствор щелочи циркулирует с другой стороны мембраны. За счет диффузии через стенку мембраны, диоксид углерода поглощается щелочью с образованием карбонатных и бикарбонатных солей. На выходе из абсорбера очищенный от диоксида углерода воздух подается в атмосферу обитаемого объема, а полученный раствор солей с помощью жидкостного насоса (5) прокачивается через электролизер (6), где из раствора солей выделяется CO ₂, a также из воды водород и кислород. Полученные газы направляются в водородно-кислородный топливный элемент (7), где происходит окисление водорода. Диоксид углерода и пары воды направляются в систему утилизации.

Топливный элемент в обоих установках вырабатывает энергию, за счет которой осуществляется работа насосов (5 и/или 8).

Тем самым полезная модель обеспечивает достаточно низкую энергоемкость и частичный возврат потраченной энергии за счет окисления водорода.

Источники информации:

1. В.П.Серебряков Основы проектирования систем жизнеобеспечения экипажем космических летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1983 г., 160 с.

2. А.Е.Аврущенко, А.Ф.Новиков, В.И.Френкель. Системы электрохимической регенерации воздуха атомных подводных лодок. М.; Издательство «Русская истории», 2002 г, 432 с

3. Патент DE 443684

4. Е.Muller, H.Markert, Fr.Heinrih. Befreiung der Luft von Kolensaure durch elektrolytische Uberfurung, Zeitschrift fur Elektrochemie, Bd. 35, 1, 1929.

5. Зубарев Д.Я., Рубак В.М. Вентиляция и кондиционирование воздуха на атомных судах. - Л.: Судостроение, 1968, с.277.

6. Барманов Ю.И., Тырников А.А. Средства защиты химического и инженерного вооружения. - М.: ВА им. Дзержинского, 1980, с.34-38.

7. Патент US 3502429, кл. В01D 53/00, 1970.

8. Патент RU 2091095 от 27.09.1997

1. Установка для концентрирования диоксида углерода, получаемого из атмосферы, содержащая водный раствор щелочи (NaOH или KOH) для абсорбции диоксида углерода, и последующей десорбцией из прореагировавшего раствора CO₂, отличающаяся тем, что содержит насос высокого давления, функцией которого является подача раствора щелочи в поток очищаемого воздуха через распылительную форсунку; содержит циклонный или центробежный сепаратор жидкости, с функцией сбора прореагировавшего раствора, содержащего карбонатные и бикарбонатные соли, подключенный к насосу для перекачки раствора в электролизер, к которому подведены газоотводные трубки, ведущие в водородно-кислородный топливный элемент, функцией которого является окисление водорода, а на выходе из топливного элемента получают диоксид углерода и пары воды.

2. Установка для концентрирования диоксида углерода, получаемого из атмосферы, содержащая водный раствор щелочи (NaOH или KOH) для абсорбции диоксида углерода и последующей десорбции из прореагировавшего раствора CO₂, отличающаяся тем, что содержит диффузионный мембранный аппарат с функцией абсорбции диоксида углерода и выполненный с возможностью подачи потока очищаемого воздуха с одной стороны мембраны и прокачки раствора щелочи с помощью насоса внутри аппарата с другой стороны мембраны, к диффузионному мембранному аппарату подключен насос с функцией перекачки образованного раствора карбонатов и бикарбонатов в электролизер, к которому подведены газоотводные трубки, ведущие в водородно-кислородный топливный элемент, функцией которого является окисление водорода, а на выходе из топливного элемента получают диоксид углерода и пары воды.