ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ СОСТАВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОРОДА

ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ СОСТАВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОРОДА


RU (11) 2142401 (13) C1

(51) 6 C01B13/02 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 15.01.2008 - прекратил действие, но может быть восстановлен 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 98109283/12 
(22) Дата подачи заявки: 1998.05.08 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 1998.05.08 
(45) Опубликовано: 1999.12.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: PU 2061650 С1, 10.06.96. SU 1604729 А1, 07.11.90. PU 2056342 С1, 20.03.96. GB 1573966 А1, 28.08.80. DE 2319755 В2, 25.08.77. 
(71) Заявитель(и): Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно- исследовательский институт экспериментальной физики; Министерство Российской Федерации по атомной энергии 
(72) Автор(ы): Голубев В.А.; Демидов О.С.; Ионова Н.В.; Усков А.А.; Харламов М.В. 
(73) Патентообладатель(и): Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно- исследовательский институт экспериментальной физики; Министерство Российской Федерации по атомной энергии 
Адрес для переписки: 607190, Саров Нижегородской обл., пр.Мира, 37, РФЯЦ-ВНИИЭФ, начальнику ОПИНТИ Кимачеву Анатолию Алексеевичу 

(54) 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 50oС, удельное газовыделение 130-265 см3/г, содержание кислорода 97, 76 - 98, 65 об.%, температура горения 480 - 830oС. 2 табл. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



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 610-700oC, 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 800oC, 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 580-640oC, 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 1100-1800oC, 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 1500oC) 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 480-830oC;

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 50oC;

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 (400-450oC), чем алюминий в прототипе (более 800oC), 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 (700-900oC), поэтому он сгорает до диоксида кремния SiO2 лишь частично. Кремний и его диоксид имеют высокие температуры плавления (1430oC и 1610oC 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 50oC проводились опыты по сжиганию образцов состава, предварительно охлажденных (нагретых) до температуры минус 50oC (плюс 50oC).

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 480-750oC;

- 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


ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян

Независимый научно технический портал
Устройства и способы получения, хранения водорода, кислорода и биогаза






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска: "и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+водород -молекулярный".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "водород" будут найдены слова "водорода", "водородный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("водород!").


Устройства и способы получения кислорода и водорода | Устройства и способы хранения водорода и кислорода | Устройства и способы получения и хранения биогаза


Рейтинг@Mail.ru