Устройство для получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля иодида щелочных металлов в воздухе

Полезная модель относится к области физики аэродисперсных систем, а именно к устройствам для получения гигроскопичных субмикронных аэрозолей галогенидов щелочных металлов и может быть использована в системах кондиционирования воздуха и создания целебного микроклимата помещений, а также в медицине при лечении заболеваний, при которых показаны ингаляции воздуха, содержащего гигроскопичный субмикронный аэрозоль галогенидов щелочных металлов. Технический результат, заключается в расширении функциональных возможностей устройства для получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля галогенидов щелочных металлов в воздухе путем его концентрирования в локальном объеме воздуха для последующей прямой ингаляции с целью галатерапии индивидуального заинтересованного лица путем осаждения субмикронных аэрозольных частиц галогенидов щелочных металлов на слизистой оболочке бронхиального дерева и в респираторных отделах дыхательного тракта, причем локальный объем воздуха с концентрированным аэрозолем соизмерим с объемом вдыхаемого воздуха. Указанный результат достигается тем, что в устройстве для получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля галогенида щелочных металлов в воздухе, содержащем цилиндрический корпус, в центральной части которого соосно, с кольцевым зазором расположена цилиндрическая электропечь, в трубчатом канале которой размещен керамический реактор с испаряющимся гигроскопичным галогенидом щелочного металла, вентилятор, установленный соосно трубчатому каналу перед цилиндрической электропечью для подачи через сетку, установленную в нижнем торце цилиндрического корпуса, атмосферного воздуха в кольцевой зазор между цилиндрической электропечью и цилиндрическим корпусом, камеру турбулентного разбавления и охлаждения паровоздушной смеси атмосферным воздухом на выходе из керамического реактора, блоки питания вентилятора и электропечи регулируемым напряжением, согласно полезной модели, на верхнем торце цилиндрического корпуса соосно установлена цилиндрическая съемная ингаляционная емкость с перфорированным выходом для подачи аэрозольного потока в атмосферный воздух, на боковой поверхности которой перед перфорированным выходом аэрозольного потока в атмосферный воздух расположен патрубок ингаляции субмикронного аэрозоля с обратным клапаном. 2 з.п. ф-лы. 1 илл.

Полезная модель относится к области физики аэродисперсных систем, а именно к устройствам для получения гигроскопичных субмикронных аэрозолей галогенидов щелочных металлов и может быть использована в системах кондиционирования воздуха и создания целебного микроклимата помещений, а также в медицине при лечении заболеваний, при которых показаны ингаляции воздуха, содержащего гигроскопичный субмикронный аэрозоль галогенидов щелочных металлов.

Известно устройство для получения субмикронного аэрозоля галогенидов щелочных металлов, включающее цилиндрическую электропечь, в которой установлен кварцевый цилиндрический реактор с испаряющимся гигроскопичным хлоридом натрия (NaCl), патрубок подачи воздуха от компрессора в кварцевый цилиндрический реактор, камеру турбулентного смешения на выходе из кварцевого цилиндрического реактора паровоздушной смеси с холодным воздухом с образованием субмикронного аэрозоля NaCl (см., например, Н.А. Фукс, А.Г. Сутугин, Высокодисперсные аэрозоли, Успехи химии, 1968, т. 37, выпуск 11, с. 1965).

Недостатком устройства является невозможность концентрирования субмикронного аэрозоля хлорида натрия в локальном объеме воздуха для последующей ингаляции с целью галатерапии индивидуального человека субмикронными аэрозольными частицами NaCl.

Известно также устройство для получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля галогенидов щелочных металлов в атмосферном воздухе, содержащее цилиндрический корпус, в центральной части которого соосно, с кольцевым зазором расположена цилиндрическая электропечь, в трубчатом канале которой размещен химически инертный реактор с испаряющимся иодидом щелочного металла, вентилятор для подачи через сетку, установленную в нижнем торце цилиндрического корпуса, атмосферного воздуха внутрь трубчатого канала цилиндрической электропечи и в кольцевой зазор между ней и цилиндрическим корпусом, камеру турбулентного разбавления с охлаждением паровоздушной смеси на выходе из керамического реактора потоком атмосферного воздуха из кольцевого зазора между цилиндрическим корпусом и цилиндрической электропечью, блоки питания вентилятора и электропечи регулируемым напряжением (Патент RU, 2276608, Кл. A61L 9/14, опублик. 2006) Недостатком устройства является невозможность концентрирования субмикронного аэрозоля иодидов калия (KI) и/или натрия (NaI) в локальном объеме воздуха для последующей прямой ингаляции с целью галатерапии индивидуального заинтересованного лица субмикронными аэрозольными частицами KI и/или NaI.

Наиболее близким по технической сути и достигаемом)' техническому результату является устройство для получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля галогенида щелочных металлов в воздухе, содержащее цилиндрический корпус, в центральной части которого соосно, с кольцевым зазором расположена цилиндрическая электропечь, в трубчатом канале которой размещен керамический реактор с испаряющимся гигроскопичным галогенидом щелочного металла, вентилятор, установленный соосно трубчатому каналу перед цилиндрической электропечью для подачи через сетку, установленную в нижнем торце цилиндрического корпуса, атмосферного воздуха в кольцевой зазор между цилиндрической электропечью и цилиндрическим корпусом, камеру турбулентного разбавления и охлаждения паровоздушной смеси атмосферным воздухом на выходе из керамического реактора, блоки питания вентилятора и электропечи регулируемым напряжением, установленные в нижней части цилиндрического корпуса (Патент RU, 2334560, Кл. B05B 17/00, опублик. 2008)

Задачей полезной модели является обеспечение возможности концентрирования гигроскопичного субмикронного аэрозоля галогенидов щелочных металлов в локальном объеме воздуха для ингаляции.

И тем, что керамический реактор изготовлен из диоксида циркония ZrO ₂.

И тем, что геометрический объем съемной ингаляционной емкости превышает два литра.

Технический результат, получаемый от использования полезной модели заключается в расширении функциональных возможностей устройства для получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля галогенидов щелочных металлов в воздухе путем его концентрирования в локальном объеме воздуха для последующей прямой ингаляции с целью галатерапии индивидуального заинтересованного лица путем осаждения субмикронных аэрозольных частиц галогенидов щелочных металлов на слизистой оболочке бронхиального дерева и в респираторных отделах дыхательного тракта, причем локальный объем воздуха с концентрированным аэрозолем соизмерим с объемом вдыхаемого воздуха.

В результате установки на верхнем торце цилиндрического корпуса соосно съемной ингаляционной емкости с перфорированным выходом для подачи аэрозольного потока в атмосферный воздух на боковой поверхности которой перед перфорированным выходом аэрозольного потока в атмосферный воздух расположен патрубок ингаляции субмикронного аэрозоля с обратным клапаном расширяются функциональные возможности устройства для получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля галогенидов щелочных металлов в воздухе путем его концентрирования в локальном воздушном объеме и последующей прямой ингаляции с осаждением субмикронных аэрозольных частиц галогенидов щелочных металлов на слизистой оболочке бронхиального дерева и в респираторных отделах дыхательного тракта индивидуального человека.

Геометрический объем съемной ингаляционной емкости превышает два литра и соизмерим с объемом вдыхаемого воздуха человеком в состоянии покоя. Это позволяет осуществлять аспирационную подачу неразбавленного воздухом субмикронного аэрозоля непосредственно в органы дыхания человека из ингаляционной емкости через патрубок ингаляции аэрозольного потока с обратным клапаном, который не позволяет воздуху, выдыхаемому человеком, поступать в ингаляционную емкость. Обратный клапан направляет поток выдыхаемого человеком воздуха в атмосферу.

В качестве галогенидов щелочных металлов используют гигроскопичные соли иодидов, бромидов и хлоридов калия и натрия (KI, KBr, KCl, NaBr и/или NaCl) или их смеси, которые используются для галотерапии человека в соляных спелеопещерах и галокамерах.

Керамический реактор выполнен из диоксида циркония. Этот материал по данным дифференциальнотермического (метод DTA-TGA) и атомноэмиссионного анализов (метод ICP-AES) устойчив к длительному коррозионному воздействию расплавов солей галогенидов щелочных металлов при температуре до 900°C в окислительной влажной атмосфере комнатного воздуха. Кроме того, сам диоксид циркония не окисляет галогениды натрия и калия на поверхности при температуре до 900°C в потоке влажного воздуха с образованием молекулярного йода, брома и хлора. Эти результаты согласуется с термодинамическими расчетами.

Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства для получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля иодида щелочных металлов в воздухе. Устройство, описанное ниже, содержит цилиндрический корпус 1, цилиндрический тигель 2. выполненный из металла, цилиндрическую электропечь 3 с трубчатым каналом 4, кольцеобразный зазор 5 между цилиндрическим корпусом 1 и цилиндрической электропечью 3, керамический реактор 6 из диоксида циркония, заправленный галогенидом щелочного металла, камеру 7 для турбулентного разбавления с охлаждением паровоздушной смеси на выходе из реактора 6 потоком атмосферного воздуха из кольцевого зазора 5, съемная ингаляционная емкость 8 с выходным перфорированным выходом 9 для подачи концентрированного аэрозольного потока в атмосферный воздух, на боковой поверхности которой установлен патрубок ингаляции аэрозольного потока 10 с обратным клапаном 11 субмикронного аэрозоля, сетку 12, установленную на нижнем торце цилиндрического корпуса 1 для подачи атмосферного воздуха в устройство, блок питания цилиндрической электропечи 13, блок питания вентилятора 14, вентилятор 15, перфорированную подставка 16 под керамический реактор 6.

На схеме приняты также следующие обозначения: Q=Q₁+Q₂ - объемный расход атмосферного воздуха, подаваемый вентилятором 15 в корпус 1 через сетку 12: Q₁ - объемный расход воздушного потока в трубчатый канал 4; Q₂ - дополнительный объемный расход воздушного потока через кольцевой зазор 5 для теплосъема и последующего охлаждения с турбулентным перемешиванием и одновременным разбавлением аэрозольного потока Q₁ ; T₁ - температура воздушного потока на входе в цилиндрический корпус 1; T₂ - температура в центре химически инертного реактора; T₃ - температура аэрозольного потока на выходе из реактора 6; U_H - напряжение питания электропечи 3 от блока 13, U_B - напряжение питания вентилятора 15 от блока 14.

Съемная ингаляционная емкость 8 установлена соосно на верхнем торце цилиндрического корпуса 1.

Корпус 1, тигель 2, электропечь 3, трубчатый канал 4, реактор 6, камера 7, съемная ингаляционная емкость 8, вентилятор 15, подставка 16 расположены соосно.

Реактор 6 выполнен из диоксида циркония, который химически инертен к расплавам солей галогенидов щелочных металлов при температуре до 950°C в окислительной воздушной атмосфере. Его установку в трубчатый канал 4 осуществляют при снятой емкости 8. Галогенид щелочного металла предварительно засыпают в реактор 6 в виде проплавленных гранул или порошка.

В качестве теплоизолятора цилиндрической электропечи 3 применяют картон и войлок на основе муллитокремнезема.

Объем цилиндрического тигля 2 превышает объем заправленного в реактор 6 расплавленного галогенида щелочного металла.

Обратный клапан 11 пропускает воздушный поток из емкости 8 к человеку при вдохе и выбрасывает его в атмосферу при выдохе. Выдыхаемый воздух не поступает в емкость 8.

Устройство работает следующим образом. С помощью вентилятора 15 из окружающей атмосферы в устройство поступает воздушный поток Q с комнатной температурой T₁ . Далее небольшую часть потока с объемной скоростью Q₁ подают в трубчатый канал 4, в котором установлен химически инертный цилиндрический реактор 6, содержащий галогенид щелочного металла, например. KI, KBr, KCl, NaBr, NaCl и/или их смесь. Одновременно, дополнительный воздушный поток Q₂ подают в кольцевой зазор 5 между цилиндрическим корпусом 1 и цилиндрической электропечью 3. Поток Q₁ насыщают парами испаряющегося галогенида щелочного металла при температуре 550-850°C в зависимости от типа соли. Его нагрев осуществляют электропечью 3.

Паровоздушный поток Q₁ на выходе из химически инертного цилиндрического реактора первоначально охлаждают до температуры T₃=150-250°C коаксиальным потоком атмосферного воздуха Q₂ в ламинарном режиме за счет излучения и теплопроводности. В процессе спонтанной термоконденсации пересыщенных паров KI-NaI с величиной L_I>10² образуются биполярно заряженные аэрозольные частицы йодистого калия-натрия с диаметром от 0,005 до 1 мкм, массовая концентрация которых зависит от температуры T₂ и величины поверхности испарения иодидов щелочных металлов в цилиндрическом реакторе. Далее поток Q₁ с субмикронным аэрозолем дополнительно охлаждают в камере 7 до температуры 30-50°C с одновременным разбавлением его концентрации от 2 до 100 турбулентным перемешиванием в камере 7 с тем же дополнительным потоком атмосферного воздуха Q ₂. Соотношение объемных скоростей потоков Q₂ /Q₁ варьируют от 2 до 100 для соответствующего разбавления массовой концентрации субмикронного аэрозоля от 2 до 100.

Таким образом, на первом этапе осуществляют охлаждение паровоздушной смеси до T₃=150-250°C с образованием субмикронного аэрозоля с использованием преимущественно ламинарного потока из атмосферы Q₂, а на втором этапе дополнительно охлаждают аэрозольный поток практически до комнатной температуры с одновременным разбавлением массовой концентрации субмикронных частиц турбулентным перемешиванием с дополнительным атмосферным потоком Q₂.

Поток Q₂ создают не только для охлаждения, разбавления концентрации субмикронного аэрозоля и последующего его перемешивания с атмосферным воздухом, но и для снятия тепловых нагрузок с цилиндрического корпуса 1. В результате его температура отличается от температуры окружающей воздушной атмосферы не более чем на 10-20°C.

Вентилятор 10 защищен от воздействия теплового-инфракрасного излучения рассеивающей поверхностью цилиндрического тигля из металла 2, диаметр которого больше диаметра трубчатого канала 4 (D>d). Кроме того, в случае случайного или аварийного отключения вентилятора конвективный поток воздуха из трубчатого канала не воздействует на вентилятор, поскольку последний расположен ниже электропечи, а конвективный поток направлен вверх.

При случайном или аварийном разрушения реактора 6 расплавленную соль полностью собирают в емкость цилиндрического тигля из металла 2, так как его объем V>V₁.

Оптимальная относительная влажность атмосферного воздуха для генерации субмикронного аэрозоля иодида щелочных металлов составляет 30-70% при температуре 10-40°C. Оптимальная рабочая температура T₂ в реакторе 6 составляет 650-750°C, а максимальная рабочая температура не превышает 800°C.

Пример

Работа устройства при температуре химически инертного реактора 750°C.

Для заправки аэрозольного генератора использовался йодистый калий согласно (ГОСТ 4232-74, чда, содержание KI по массе более 99,5%). Около 22 г йодистого калия было загружено в виде гранул в цилиндрический тигель из корунда с внутренним диаметром 14 мм и длиной 65 мм.

Диаметр трубчатого канала 4 составлял d=25 мм, а диаметр цилиндрического тигля D=30 мм. Расстояние между тиглем 2 и трубчатым каналом 4 было равно L=0,3d=7,5 мм. Объем йодистого калия в реакторе V_I=M_I/ж9 см³, поскольку его плотность _ж(0,75-0,8) 2,5 г/см³. Кристаллографическая плотность йодистого калия =3,2 г/см³. Объем цилиндрического тигля V=20 см³.

Относительная влажность атмосферного воздуха составляла около 50% при 22-24°C. Объемный расход атмосферного воздуха Q₁=0,04 литр/сек. а расход коаксиального потока воздуха Q₂=0,8 литр/сек. Величина кратности разбавления концентрации аэрозольных частиц на выходе из устройства при турбулентном перемешивании потоков Q₂ и Q ₁ была равна отношению Q₂/Q₁=20. Температуру вдоль оси и на поверхности реактора регистрировали термопарами из материала хромель-алюмель.

Соль KI гигроскопична и при комнатной температуре адсорбирует влагу в зависимости от величины относительной влажности и температуры атмосферного воздуха. Это может влиять на коррозионную стойкость химически инертного реактора в процессе возможного пирогидролиза материала в присутствии йода. Поэтому осуществляли предварительную сушку йодистого калия в реакторе 6 при его нагревании от 100 до 500°C в течение 15-30 минут.

При температуре в реакторе T₂=750°C давление насыщенных паров йодистого калия или йодистого натрия составляет Р(750°C)1,1 мм. рт. ст., а при температуре на выходе из кварцевого реактора T₂=250°C давление паров Р(250°C)<10 ^-5 мм. рт. ст. Соответственно, степень пересыщения L _I=Р(750°C)/P(250°C>10⁵. Измеренное значение массовой производительности субмикронного аэрозоля KI было равно М=3 микрограмм/сек. Массовая концентрация измерялась путем отбора на стекловолокнистые плоские фильтры с ультратонким диаметром волокон (тип «ФСВ-У»). Средний размер гигроскопичных частиц KI, измеренный по величине коэффициента их диффузии, составлял около 0,15-0,2 мкм. Доля заряженных частиц, измеренная путем пропускания потока аэрозолей через плоский конденсатор с напряженностью электрического поля Е=5 кВ/см, была равна X=70-75%. Заряд частиц q=+/-(1-4)е, где е=1,6×10^-19 кулона. Температура аэрозольного потока после турбулентного перемешивания на выходе из устройства составляла 50°C.

Напряжение питания вентилятора U_B=12 В, а электропечи U_H =170-175 В.

Прямые измерения показали, что температура корпуса вентилятора 10 близка к температуре T₁ атмосферного воздуха на входе в устройство, т.е. вентилятор и блоки питания 11 и 12 защищены от воздействия теплового-инфракрасного излучения.

В ходе создания аварийной ситуации с разрушением реактора 6 было установлено, что расплав KI полностью собирали в цилиндрическую емкость тигля 2 и последний не протекал в нижнюю часть цилиндрического корпуса 1.

Заправленной соли иодида калия (22 г) было достаточно для непрерывного получения биполярно заряженного субмикронного аэрозоля KI в атмосферном воздухе с массовым расходом-производительностью М=3 микрограмм/сек при непрерывной работе по 8 часов в сутки в течение 210 дней.

На выходе 9 субмикронный аэрозоль разбавлялся атмосферным воздухом и его концентрация была существенно меньше концентрации частиц в емкости 8. Ингаляция концентрированного аэрозоля из емкости 8 через патрубок 10 и клапан 11 осуществляется с помощью медицинского шланга на основе тефлона, соединенного с патрубком 10 и органами дыхания человека через рот.

Следовательно, описанное устройство обеспечивает получение концентрированного гигроскопичного субмикронного аэрозоля галогенидов щелочных металлов с размером положительно и отрицательно заряженных частиц от 0,005 до 1 мкм в локальном объеме воздуха. Это позволяет использовать данное устройство для моделирования морского воздуха по содержанию йода, хлора, брома, натрия и калия, а также в медицинских и профилактических целях путем ингаляции воздуха из локального объема, содержащего концентрированный гигроскопичный субмикронный аэрозоль галогенидов щелочных металлов с регулируемой массовой концентрацией.

1. Устройство для получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля галогенида щелочных металлов в воздухе, содержащее цилиндрический корпус, в котором соосно с кольцевым зазором расположена цилиндрическая электропечь с трубчатым каналом, в котором размещен керамический реактор с испаряющимся гигроскопичным галогенидом щелочного металла, вентилятор, установленный соосно трубчатому каналу перед цилиндрической электропечью для подачи через сетку, установленную в нижнем торце цилиндрического корпуса, атмосферного воздуха в кольцевой зазор между цилиндрической электропечью и цилиндрическим корпусом, камеру турбулентного разбавления и охлаждения паровоздушной смеси атмосферным воздухом на выходе из керамического реактора, блоки питания вентилятора и электропечи регулируемым напряжением, отличающееся тем, что на верхнем торце цилиндрического корпуса соосно установлена цилиндрическая съемная ингаляционная емкость с перфорированным выходом для подачи аэрозольного потока в атмосферный воздух, на боковой поверхности которой перед перфорированным выходом расположен патрубок ингаляции субмикронного аэрозоля с обратным клапаном.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что керамический реактор изготовлен из диоксида циркония ZrO₂.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что геометрический объем съемной ингаляционной емкости превышает два литра.