Спосіб отримання адсорбенту вуглекислого газу

Реферат: Спосіб отримання адсорбенту вуглекислого газу у формі гранул на основі стандартного хімічного поглинача вапняного ХПІ включає підготовку однорідної пасти на базі стандартного складу ХПІ з 96 мас. % Са(ОН)2 + 4 мас. % NaOH до надання їй потрібних пластичних властивостей шляхом змішування вихідних компонентів матеріалу з водою, дозування пасти в напівсферичні осередки матриць, що розмішені на рухомому по замкнутому контуру стрічковому транспортері в напрямку від дозатора до сушильної камери, формування в осередках матриць заготовок гранул, попереднє сушіння, їх вивантаження, остаточне сушіння гранул і їх зволоження. Використовують пасту підвищеної вологості 40÷50 мас. %, дозування однорідної пасти здійснюють шляхом її намазування із заповненням порожнини осередків матриць, виготовлених з теплопровідного матеріалу і попередньо підігрітих до температури, вище температури пароутворення води, з одночасним формоутворенням заготовок і сушінням протягом 3÷4 хвилин при температурі 110÷130 °C. При цьому шляхом теплового удару парою випаровують не менше 80-90 % вологи з матеріалу заготовок гранул. Остаточне сушіння отриманих заготовок гранул здійснюють на повітрі шляхом прожарювання в печі при температурі 250-300 °C з витримкою до повного видалення вологи, а зволоження - до вологи 18,5-21 мас. %. UA 109705 U (54) СПОСІБ ОТРИМАННЯ АДСОРБЕНТУ ВУГЛЕКИСЛОГО ГАЗУ UA 109705 U UA 109705 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі сорбційної техніки, зокрема до способів отримання адсорбентів вуглекислого газу на основі лужних і/або лужноземельних металів, конкретно до технології виготовлення хімічних поглиначів діоксиду вуглецю переважно у формі гранул на основі хімічного поглинача вапняного, і може бути використана в засобах захисту органів дихання. Відомо, що для поглинання вуглекислого газу, який утворюється в продуктах дихання людини, широко застосовується як основоположний стандартний матеріал хімічний поглинач вапняний (ХПІ), призначений для оснащення різних апаратів засобів хімічного захисту, наприклад ізолюючих протигазів, кисневих протигазів, ребризерів, в апаратах для анестезіології в медицині та інше. ХПІ, що виготовляють з маломагнезіального вапна та гідроксиду натрію, містить 96 % гідроксиду кальцію і 4 % гідроксиду натрію [ГОСТ 6755-88 Поглинач хімічний вапняний ХПІ. - М.: Видавництво стандартів, 1988]. ХПІ за співвідношенням "ціна - поглинальна здатність" значно перевершує відомі сорбенти інших типів (лужні, керамічні та ін.). Загальні ознаки операції способу отримання включають обробку водним розчином обпаленого вапна, гранулювання і сушіння. Стандартний хімічний поглинач використовується в зволоженому стані (16-21 %) при температурі 35 °C і масовій частці пов'язаного СО2 не більше 4 % і не може безпосередньо використовуватися при високих температурах і концентрації діоксиду вуглецю. Для цих умов на основі ХПІ розробляються спеціальні склади матеріалів поглинача СО2. До основних технічних характеристик розглянутого хімічного поглинача вапняного, що виготовляється у вигляді гранул різної форми, належать такі: форма і розмір гранул, причому не менше 90 % з фракцією від 2,8 до 5,5 мм і менше 1 % - пил, а також відкрита пористість, питома поверхня, поглинальна здатність, міцність гранул на стирання не менше 65 % для виключення пилоутворення, масова частка вологи в гранулі, максимально низький гідравлічний опір при засипці гранул у вигляді шару. Відомий також дрібнозернистий ХПІ-М з гранулами розміром до 2,8 мм, що випущений за окремими замовленнями на основі тимчасових технічних умов. Істотним недоліком загальноприйнятої технології отримання ХПІ є великі трудовитрати і енерговитрати, а також значна кількість відходів у процесі його виробництва, які потребують утилізації, оскільки від стехіометрично можливого виходу продукту виходить не більше 50 % придатного ХПІ. Випускається цілий ряд поглиначів діоксину вуглецю у вигляді гранул різної форми або таблеток. Для поліпшення тих чи інших технічних характеристик поглиначів до складу матеріалу можуть вводитися різні модифікуючі добавки, наприклад гідроксид натрію і/або калію, хлориди лужних або лужноземельних металів та інше. Відомо статтю на базі опису патенту РФ № 1585489 В.В. Самоніна та ін., опубліковану в Міжнародному технічному журналі "Альтернативна енергетика та екологія", 2008. - № 9 (65), з назвою "ХПІ-основний поглинач СО2 в пожежній справі, одержуваний з відпрацьованого продукту". У статті розглянуто технології отримання ХПІ з чотирма різними варіантами. Як вихідну сировину для одержання ХПІ використовують негашене вапно СаО, яке отримують випаленням вапняку СаСО3. Як вихідну сировину використовують карбонізований ХПІ, який є відходами отримання (СаСО3+NaOH+Н2О) і експлуатації. Випал зазначеної вторинної сировини СаСО3 залежно від його якості здійснюють при температурі 1000-1200 °C з отриманням СаО, що гасять водою в Са(ОН)2, вологістю до 2 мас. %. Потім змішують з 40 %-м водним розчином NaOH з утворенням пасти вологістю 30-40 мас. % залежно від в'язкості маси, яка утворюється. Необхідно підбирати потрібну пластичність конкретної пасти у вузькому діапазоні параметрів для її успішної переробки. Отриману масу формують в гранули протиранням через філь'єри, наприклад, діаметром 3 мм, і далі сушать при 110-130 °C. Висушені гранули піддаються ломці і розсіву з отриманням низьких фракцій, після чого дрібну фракцію (ретур) направляють в кількості не більше 20 % на стадію замісу, а цільову фракцію зволожують до 8,5±1,5 %. Відомо дисертацію Л.А. Корольової "Одержання хімічного вапняного поглинача з поліпшеними тактико-технічними характеристиками в умовах надзвичайних ситуацій", стосовно до пожежогасіння, захищену в 2003 році в м. Санкт-Петербург. Предметом дослідження були модифікуючі ХПІ добавки, що сприяють переведенню механізму поглинання вуглекислого газу на гідрокарбонатний маршрут, заснований на поглинанні кислих газів і парів у вигляді кислих солей. Звичайно карбонатний механізм вуглекислого газу, заснований на поглинанні нормальних солей кальцію, має в два рази меншу стехіометричну сорбційну ємність. 1 UA 109705 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Відомо дисертацію Μ.Π. Архипової (Віхляєвої) "Апаратурно-технологічне оформлення виробництва вапняного хімосорбента з поліпшеними сорбційними властивостями", захищену 24.11.2011 р. в м. Тамбові і виконану в Тамбовському державному технічному університеті - ВАТ "Корпорація "РОСХІМЗАХИСТ" "Нові хімічні технології". З метою поліпшення сорбційних і експлуатаційних характеристик хемосорбентів на основі гідрату оксиду кальцію, а також зниження технологічних втрат запропоновано принципово новий підхід для отримання вапняного хемосорбенту діоксиду вуглецю у вигляді гнучкого листового композиційного матеріалу, якому можна надати будь-які форми (рулони, листи, стрічки, шайби, диски). У роботі досліджені методи і пристрої попереднього видалення вологи та сушіння листового хемосорбентів на базі ХПІ в полі інфрачервоного випромінювання. Так, досліджено способи видалення надлишкової вологи з використанням відцентрової сушарки за патентом РФ № 2410616 та сушіння хемосорбентів конвективним нагріванням, змінним електричним струмом, в СВЧ-поле, інфрачервоним випромінюванням. З урахуванням отриманих результатів в РФ був розроблений технологічний процес виробництва вапняного хімосорбенту з поліпшеними сорбційними властивостями [патент РФ № 2381831 "Спосіб виготовлення хімічного адсорбенту діоксиду вуглецю" від 20.02.2010 року та аналогічна міжнародна заявка РСТ № 2009/139664 від 19.11.2009 р.], що використовує сушіння в полі інфрачервоного випромінювання. Розроблена і введена в експлуатацію у ВАТ "Корпорація "РОСХІМЗАХИСТ" досліднопромислова установка для одержання листового хімсорбенту з інфрачервоним нагрівом [Патент РФ № 2389544, опубл. 20.05.2010, B01J 20/04, F16C 13/00, Пристрій для виготовлення поглиначів кислих газів]. Відомо велику кількість патентів США із зазначеної проблеми, а за останні роки особливо в напрямку розробки практично міцних гранульованих поглиначів вуглекислого газу для апаратів анестезіології в медицині [патенти США № 5165399, № 5964221, № 6562748, № 6867165, № 7326280, № 7329307, № 7727309 та ін.]. Значна кількість патентів США спрямована на підвищення технічних характеристик і міцності гранул для запобігання пилоутворення матеріалів. За патентом США № 4997803, A62B01J 18/00, 11/00 заявлена маса для поглинання СО2, згідно з яким до основного компоненту - солі лужного металу додають гексаметафосфат натрію для підвищення міцності гранул, що важливо для застосування в анестезіології. За патентом США № 6562748 B01J 2/22, B01J 20/30, B01J 20/04 у 27 пунктах формули винаходу заявлено спосіб виробництва хімічного адсорбенту і формули хімічного адсорбенту, вільного від пилу (dust-free). Склад адсорбенту включає гідроксид кальцію, гідроксид натрію, воду і цеоліт (алюмосилікат). Цеоліт покращує механічну міцність гранули, продукт практично не пилить в умовах експлуатації. Відома як одна з провідних у світі в розглянутому секторі техніки німецька фірма Dräger Safety AG & Co. Вона виробляє різноманітні засоби індивідуального захисту дихання, зокрема на базі використання модифікованих хімічних поглиначів вапняних. Таким чином, з представлених технічних рішень - досягнутого рівня техніки з розглянутого хімічного поглинача вапняного і його модифікацій випливає, що окремо відомо багато спільних ознак і їх комбінацій для здійснення трьох основоположних операцій: обробка обпаленого вапна водними розчинами з отриманням пасти потрібної консистенції, гранулювання та сушка гранул в цілях поліпшення як технічних характеристик поглинача, так і експлуатаційних показників при його застосуванні в засобах захисту дихання. Найближчим до способу, що заявляється, є спосіб отримання адсорбенту вуглекислого газу, переважно у формі напівсферичних гранул, на основі стандартного хімічного поглинача вапняного ХПІ, що включає підготовку однорідної пасти на базі стандартного складу ХПІ з 96 % мас. Са(ОН)2+4 мас. % NaOH до надання їй потрібних пластичних властивостей шляхом змішування вихідних компонентів матеріалу з водою, дозування пасти в напівсферичні осередки матриць, які розміщені на рухомому по замкнутому контуру стрічковому транспортері в напрямку від дозатора до сушильної камери, формування в осередках матриць заготовок напівсферичних гранул, подання на стрічку конвеєра і далі на сушіння в піч із заданим газовим складом, вивантаження гранул і їх зволоження [ЄПВ № 1222958, B01J 20/40, 1997]. Вирішена задача за прототипом - забезпечення максимальної пористості при оптимальній щільності (міцності) продукту і зменшення його гідравлічного опору. Недоліками відомого способу є: - неможливість видалення з регенеративного продукту надлишку рідкої фази; - необхідність застосування складного формуючого обладнання, а також додаткових операцій і пристосувань для вилучення гранул і очищення поверхонь від залишків продукту; 2 UA 109705 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - за нерівномірного розподілу матеріалу, що пресується в порожнину формуючого інструмента, на окремих ділянках в западинах можлива як недопресовка, що призводить до зниженої механічної міцності, так і перепресовка, при якій надлишкова щільність викликає різке погіршення стехіометричних якостей продукту. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення способу отримання адсорбенту вуглекислого газу на основі хімічного поглинача вапняного шляхом модифікації режимів формувань і термічної обробки гранул для поліпшення технічних характеристик поглинача, збільшення виходу придатних гранул, підвищення продуктивності Поставлену задачу вирішують тим, що в способі отримання адсорбенту вуглекислого газу у формі гранул на основі стандартного хімічного поглинача вапняного ХПІ, який включає підготовку однорідної пасти на базі стандартного складу ХПІ з 96 мас. % Са(ОН)2+4 мас. % NaOH до надання їй потрібних пластичних властивостей шляхом змішування вихідних компонентів матеріалу з водою, дозування пасти в осередки матриць, що розмішені на рухомому по замкнутому контуру стрічковому транспортері в напрямку від дозатора до сушильної камери, формування в осередках матриць заготовок гранул, попереднє сушіння, їх вивантаження, остаточне сушіння гранул і їх зволоження, згідно з корисною моделлю, як однорідну пасту використовують пасту підвищеної вологості 40÷50 % мас. %, дозування однорідної пасти здійснюють шляхом її намазуванням із заповненням порожнини осередків матриць, виготовлених з теплопровідного матеріалу і попередньо підігрітих до температури, вище температури пароутворення води, з одночасним формоутворенням заготовок і сушінням протягом 3÷4 хвилин при температурі 110÷130 °C, при цьому шляхом теплового удару парою випаровують не менше 80-90 % вологи з матеріалу заготовок гранул, остаточне сушіння отриманих заготовок гранул здійснюють на повітрі шляхом прожарювання в печі при температурі 250-300 °C з витримкою до повного видалення вологи, а зволоження - до вологи 18,5-21 мас. %. Отримують адсорбент вуглекислого газу у формі напівсферичних гранул. Використання однорідної пасти з підібраною підвішеною вологістю 40÷50 % мас, попереднє сушіння заготовок гранул протягом 3÷4 хвилин при температурі підігріву пластин з осередками, виготовленими з корозійностійкої сталі, в межах 110-130 °C, остаточне сушіння отриманих заготовок гранул на повітрі шляхом прожарювання у печі при температурі 250-300 °C з витримкою до практично повного видалення вологи, зволоження гранул до 18,5-21 мас. % сприяє створенню міцних гранул для вивантаження їх у накопичувач. Відомо, що однією із значних труднощів, які слід долати при формуванні і сушінні гранул поглинача вуглекислого газу, є підвищена в'язкість пасти на основі ХПІ і адгезія її до металевих частин пристроїв, а також необхідність забезпечення при цьому максимального розкриття пор з поверхні і далі по всьому об'єму кожної гранули, що дасть можливість отримати гранично високі значення поглинальної здатності продукту. Термін структурування матеріалу гранул слід розуміти як можливість забезпечити в процесі одночасного суміщення формування гранул з їх термообробкою парою шляхом вирішення цієї комплексної проблеми. Однорідна рухлива вапняна маса з підвищеним вмістом води, стикаючись з поверхнею осередків, виконаних в металевих матрицях, попередньо нагрітих до температури вище точки кипіння води, утворює шар пари, що відокремлює формуючу пасту від поверхні осередків, а це сприяє розкриттю пор в матеріалі гранул, запобіганню сильного прилипання пасти, а надалі легкому витяганню гранул з комірок при повороті у вертикальній площині пластин транспортера. Швидке нагрівання формуючої гранули у вигляді теплового удару сприяє при цьому видаленню великої кількості води та інтенсифікації пароутворення за рахунок вихідного назовні пару. За рахунок видалення води, що протікає, і одночасно процесу спікання вапняна гранула зменшується, вмощується до ~ 10 % у розмірі, що сприяє згодом швидкому вилученню сформованих гранул з комірок. Подальший нагрів сформованих гранул в режимі прожарювання при температурі 250-300 °C протягом експериментально підібраного часу, наприклад 20-30 хвилин, забезпечує отримання підвищеної міцності гранул продукту. Розміщення пасти в осередках, формоутворення гранул і 100 % вивантаження їх з осередків без застосування вібрації істотно спрощує технологію і підвищує продуктивність. Таким чином, пропоноване структурування матеріалу зволоженої пасти в процесах формування та сушіння гранул дозволить отримати технологію виготовлення гранул з поліпшеними технічними характеристиками в порівнянні з аналогічними характеристиками прототипу у частині механічної міцності, підвищення відкритої пористості і поліпшення експлуатаційних показників. 3 UA 109705 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Були проведені експериментальні дослідження на малорозмірній моделі, яка містить основні вузли аналогічних установок: - пристрій для дозованої подачі вихідного матеріалу - пасти з підвищеною вологістю у вигляді лопатевого дозатора; - набір тонких металевих пластин, розміщених під пристроєм, на гладкій лицьовій поверхні яких у щільному порядку розміщені форми напівсферичних осередків заданого розміру, наприклад 3÷4 мм; - пристрій у вигляді привідного пластинчастого конвеєра з пластинами, закріпленими з можливістю повороту у вертикальній площині; - прохідна сушильна піч на основі, наприклад, інфрачервоних випромінювачів, під якою встановлено накопичувач гранул. Для виготовлення пасти беруть 96 мас. % пушонки Са(ОН)2 вологістю до 2 мас. %, яку змішують з 4 мас. % 40 %-ної NaOH і розводять водою, наприклад, до 40-50 мас. %. Після змішування виходить рухлива текуча однорідна маса, яка легко і без зусилля стискається, тільки при ковзанні лопаті дозатора по лицьовій стороні поверхні матриць, заповнює напівсферичні осередки у кількості до 50 штук в кожній пластинчастій матриці. При цьому за рахунок щільного ковзання пружною лопатою пластинчастого дозатора при намазуванні пасти в порожнині кожного осередку лицьова поверхня матриць залишається чистою і не вимагає надалі спеціального очищення. У результаті цілої серії експериментів були підібрані температурні режими першого попереднього етапу сушіння гранул, які забезпечують достатню міцність гранулам для вивантаження їх у накопичувач. При температурі підігріву пластин матриць з осередками до 110-130 °C матеріал однорідної пасти при витримці заготовок в осередках 3÷4 хвилини одночасно піддається формоутворенню, сушінню і спіканню в умовах інтенсивного пароутворення. Ці режими забезпечують заготівлям гранул достатню міцність і 100 % вивантаження їх у накопичувач для подальшого другого етапу остаточного сушіння заготовок гранул шляхом прожарювання в печі на повітрі при температурі 250-300 °C. Напрацьована необхідна кількість однорідних білого кольору напівсферичних гранул діаметром 3,5 мм для проведення подальших досліджень технічних характеристик. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Спосіб отримання адсорбенту вуглекислого газу у формі гранул на основі стандартного хімічного поглинача вапняного ХПІ, що включає підготовку однорідної пасти на базі стандартного складу ХПІ з 96 мас. % Са(ОН)2 + 4 мас. % NaOH до надання їй потрібних пластичних властивостей шляхом змішування вихідних компонентів матеріалу з водою, дозування пасти в напівсферичні осередки матриць, що розмішені на рухомому по замкнутому контуру стрічковому транспортері в напрямку від дозатора до сушильної камери, формування в осередках матриць заготовок гранул, попереднє сушіння, їх вивантаження, остаточне сушіння гранул і їх зволоження, який відрізняється тим, що як однорідну пасту використовують пасту підвищеної вологості 40÷50 мас. %, дозування однорідної пасти здійснюють шляхом її намазування із заповненням порожнини осередків матриць, виготовлених з теплопровідного матеріалу і попередньо підігрітих до температури, вище температури пароутворення води, з одночасним формоутворенням заготовок і сушінням протягом 3÷4 хвилин при температурі 110÷130 °C, при цьому шляхом теплового удару парою випаровують не менше 80-90 % вологи з матеріалу заготовок гранул, остаточне сушіння отриманих заготовок гранул здійснюють на повітрі шляхом прожарювання в печі при температурі 250-300 °C з витримкою до повного видалення вологи, а зволоження - до вологи 18,5-21 мас. %. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що отримують адсорбент вуглекислого газу у формі напівсферичних гранул. 50 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4