Криогенное разделение воздуха

В наземных условиях абсорбционные процессы осуществляются в специальных аппаратах, отличающихся друг от друга методом контактирования фаз. В пленочных аппаратах жидкость стекает в виде тонкой пленки, на поверхности которой и происходит соприкосновение фаз. Отекание жидкости обеспечивается за счет действия силы земного притяжения и, следовательно, в условиях невесомости будет нарушено. В аппаратах, работающих по принципу распыления жидкости в массе газа, соприкосновение фаз происходит на поверхности капель. В условиях невесомости соприкосновение фаз будет осуществляться, но отделение жидкой фазы от газообразной нарушится из-за отсутствия разности в удельном весе.

В барботажных аппаратах, работающих по принципу распыления газа в массе жидкости, соприкосновение газа с жидкостью происходит на поверхности пузырьков газа, проходящих через слой жидкости. В этом случае также будет затруднен процесс отделения газа от жидкости из-за отсутствия разности в удельном весе между контактирующими фазами.

Абсорберы поверхностного типа обеспечивают соприкосновение двух фаз за счет пропускания газа над свободной поверхностью неподвижной или медленно текущей жидкости. В условиях невесомости жидкость будет растекаться по стенкам аппарата, в результате чего по газоотводящим каналам пойдет газожидкостная смесь.

Рис. 17. Зависимость абсорбционной емкости (q) водных растворов едкого натрия от его концентрации и содержания углекислого газа в воздухе NaOH (в г*экв/л):

1 -- 1, 2 -- 2, 3 -- 4

Следует отметить, что при использовании таких аппаратов в условиях невесомости, очевидно, будет затруднено подведение и отведение жидкой фазы, что также приведет к нарушению статики и кинетики абсорбции, т. е. равновесия между жидкой и газовой фазами и скорости процесса массообмена. Следовательно, наземные абсорбционные аппараты использовать в условиях невесомости нельзя.

При использовании десорбционных аппаратов (десорберов) в условиях невесомости для осуществления процесса перехода вещества из жидкой фазы в газовую, как и абсорбционных аппаратов, возникают проблемы, связанные с удержанием электролита в реакционном аппарате, с подведением и отведением жидкости, с разделением жидкой и газовой фаз. По этим причинам использовать наземные десорбционные аппараты в условиях невесомости также невозможно.

Рис. 18. Принципиальная схема абсорбции СО2 като-литом (КОН) и десорбции СО2 из анолита (КНСОз)

1 -- электролизер,

2 -- десорбер,

3 -- нагревательный элемент,

4,10 -- теплообменники-разделители,

5, 9, 11 -- контуры хладоносителей,

6, 8 -- щелочные насосы,

7 -- смеситель,

12 -- абсорбер

На основании исследований, проведенных С. Усыскиным и Р. Зигелем, установлено, что подведение тепла к десорберу и сам процесс выделения газа из жидкости при кипении в условиях ослабленного гравитационного поля или невесомости будут отличаться от аналогичных процессов в условиях Земли. При уменьшении интенсивности гравитационного поля, согласно теоретическим исследованиям, критический тепловой поток уменьшается. При пузырьковом кипении с ослаблением гравитационного поля уменьшается скорость свободно поднимающихся пузырьков и увеличивается их диаметр примерно пропорционально интенсивности поля в степени 1/3,5, т. е. при невесомости пленочное и пузырьковое кипение выглядят одинаково.

При рассмотрении данных процессов следует иметь в виду два критерия, касающихся процессов кипения: уровень нагрева, при котором динамические силы пузырьков преобладают и их величина оказывается достаточной для обеспечения удаления пузырьков с поверхности нагрева; скорость вынужденной конвекции, при которой силы сдвига вблизи поверхности нагрева преобладают и их величина является достаточной для удаления пара с поверхности нагрева.

Исследованиями С. Усыскина и Р. Зигеля существенного влияния гравитации на эти критерии процессов кипения не было установлено, т. е. можно полагать, что подвод тепла и кипение в условиях невесомости будут такими же, как и в земных условиях.

При электролизе растворов солей в настоящее время абсорбционно-десорбционные процессы осуществляются за счет искусственной циркуляции электролита с последующим разделением газожидкостной смеси в специальных аппаратах с капиллярно-пористыми элементами.

Принципиальная схема абсорбции и десорбции СО2 с использованием вторичных продуктов электролиза солей представлена на рис. 18.

Как уже отмечалось, по данной схеме абсорбция и десорбция СО2 осуществляются непрерывно и аппараты связаны в единой системе, замкнутой по газовым и жидкостным коммуникациям.

Удаление и концентрирование СО2 путем абсорбции при электролизе растворов солей с ионообменными мембранами

В электрохимических процессах при электролизе водных растворов щелочей и солей существенное влияние на внешнюю диффузионную кинетику оказывает явление, связанное с перераспределением под действием электрического поля в межэлектродном пространстве части ионов, не принимающих непосредственного участия в электродных процессах. Это приводит к возникновению градиентов концентраций и диффузионных потоков, создающих миграцию ионов в направлении, противоположном действию внешнего электрического поля. Такое явление вызывает увеличение общих энергозатрат и снижение возможностей системы в целом.

Как уже отмечалось, при электролизе водных растворов солей необходимо одновременно с получением водорода и кислорода получать в необходимом количестве и определенной концентрации анолит и католит. При электролизе водных растворов солей это достигается подбором удельной скорости электрохимического процесса (плотности тока) и скорости подвода электролита в электролизер с учетом возникающих при этом диффузионных потоков, зависящих прежде всего от разности потенциалов между электродами и температуры, ускоряющей или замедляющей этот процесс. Тесная взаимосвязь основных электрохимических и массообменных процессов в значительной степени усложняет получение анолита и католита в определенных количествах и необходимой концентрации. Локализация этих явлений может быть достигнута интенсификацией внешних массообменных потоков. Применение селективных мембран обеспечивает упорядоченное перемещение ионов различного заряда в межэлектрод-ном пространстве, что упрощает процесс получения необходимой концентрации анолита и католита.

Ионит является гетерогенной системой, состоящей из матрицы и жидкости в порах. В связи с этим скорости диффузионных потоков зависят от пространственного заполнения ионами матрицы и пористой структуры самой мембраны (пористость, тип пор, величина и распределение пор по объему).

Ионные мембраны, предназначенные для использования в электрохимических устройствах, должны обладать определенной селективностью, высокой электропроводностью, допустимым набуханием, прочностью и стойкостью в течение длительного времени.

Применение ионообменных мембран в электрохимических устройствах для регенерации газовой среды в отличие от электролиза растворов солей позволяет создать аппарат, выполняющий одновременно несколько функций: получение кислорода и водорода, очистку атмосферы от СО2 и одновременное получение СО2 100%-ной концентрации.

В аппарате с ионообменными мембранами под действием электрического поля обеспечивается направленный массоперенос ионов определенного заряда с достижением необходимой концентрации в соответствующих полостях, а также одновременное осуществление физико-химических реакций, приводящих к интенсивной хемосорбции СО2 из проходящего воздушного потока и образованию химически нестойких веществ, распадающихся с выделением углекислого газа.

В условиях реального космического полета, как и при электролизе растворов солей, организацию электрохимических и физико-химических процессов в электродиализаторе предполагается осуществлять созданием искусственной циркуляции электролита с последующим разделением газоэлектролитных продуктов в специальных аппаратах и применением капиллярно-пористых элементов.

Принципиальная схема регенерации газовой среды гермокабин, основанная на применении электрохимического устройства с ионообменными мембранами, представлена на рис. 19.

Электродиализатор 6 состоит из трех ионообменных мембран. Воздушный поток из гермообъекта проходит между ионообменными мембранами 8, 9, где осуществляется удаление СО2 посредством его хемосорбции по реакциям

Рис. 19. Принципиальная схема электрохимического устройства (электродиализатора) с ионообменными мембранами

1 -- редуктор,

2 -- буферная емкость с углекислым газом,

3 -- компрессор,

4, 10, 12, 17 -- теплообменники-разделители,

5, 11, 13, 16 -- контуры хладоносителей,

6 -- электродиализатор,

7, 8, 9 -- катионные и анионные мембраны,

14 -- промежуточная емкость по воде,

15 -- щелочной насос

Отрицательно заряженные ионы НСОз СОз- под действием электрического поля переходят в полость, расположенную слева между катионообменной и анионообменной мембранами, в которой осуществляется десорбция СО2 по реакциям

Из электродиализатора воздушный поток и образующиеся газы (СО2, Н2, О2) поступают на соответствующие теплообменники-разделители 4, 10, 12, 27, в которых происходит конденсация паров влаги и отделение жидкой фазы от газообразной. Жидкая фаза (водный раствор электролита и воды) нагнетается насосом 15 в соответствующие полости электродиализатора. Очищенный углекислый газ поступает в буферную емкость 2.

Применение ионообменных мембран в электрохимических аппаратах позволяет значительно интенсифицировать физико-химические процессы абсорбции и десорбции СО2 за счет создания оптимальных условий по концентрациям взаимодействующих реагентов и снижения диффузионных ограничений.

Однако в аппаратах с ионообменными мембранами в межэлектродном пространстве удельные характеристики мощности выше, чем в электрохимических аппаратах с проте-каемыми мембранами: на выделение 1 л О2 в час требуется 16--18 вт.

криогенный воздух углекислый газ абсорбция

Удаление и концентрирование СО2 путем абсорбции в кислородо-водородном топливном элементе

Организация технологического процесса очистки атмосферы от СО2 и последующего его концентрирования в электрохимических устройствах типа кислородо-водородного топливного элемента представляет значительный интерес для интенсификации хемосорбцион-ных процессов за счет значительного снижения ограничений диффузионного характера, поскольку массообменные процессы зависят в основном только от скорости электрохимического процесса. Принципиальная схема ячейки топливного элемента представлена на рис. 20.

Ячейка состоит из двух пористых электродов 2, 5, вплотную примыкающих к пористой межэлектродной диафрагме 4. Активной частью пористого диффузионного электрода, находящегося в контакте с жидким электролитом, является область взаимодействия трех фаз -- жидкости, газа и твердой фазы самого электрода. Поток воздуха (О2, СО2) из гермо-

Рис. 20. Принципиальная схема концентратора СО2, основанная на использовании топливного элемента

1 -- катодная камера,

2 -- катод,

3 -- потребитель электрической энергии,

4 -- пористый межэлектродный элемент,

5 -- анод,

в -- анодная камера

Рис. 21. Принципиальная схема очистки атмосферы от СО2, основанная на использовании топливного элемента

1 -- воздухозаборник,

2 -- влаготеплообменник,

3 -- топливный элемент,

4 -- компрессор,

5 -- регулятор расхода,

6 -- теплообменник-влагоотделитель,

7 -- обратный клапан,

8 -- буферная емкость

объекта пропускается через катодную камеру. На катоде осуществляется электрохимическая реакция, приводящая к ионизации кислорода и образованию гидроксила, от количества которого зависит процесс хемосорбции СО2. В общем виде катодные и анодные процессы можно представить следующим образом:

В данном электрохимическом аппарате в основном предполагается получать СО2 не в чистом виде, а в определенном соотношении с водородом. Как будет показано далее, такая газовая система (СО2---Н2) с успехом может быть утилизирована для получения конечных веществ (С, СН4, Н2О). Одной из проблем организации такого технологического процесса следует считать разработку способа удаления воды, образующейся в результате химической реакции. В принципе удаление Н2О может осуществляться при температуре, близкой к 100°, или при более высокой температуре и повышенном давлении; при низких температурах и пониженном давлении; при циркуляции газа с обеспечением определенной разности температур газа и электролита.

Принципиальная схема очистки атмосферы от СО2, основанная на использовании топливного элемента, представлена на рис. 21.

Электрохимическая система очистки от СО2 состоит из побудителей газовоздушных потоков 1, 4, топливного элемента 3 и двух отдельных аппаратов 2, 6, помещенных на входе и выходе газовоздушных потоков топливного элемента, выполняющих роль основных согласующих и стабилизирующих звеньев в системе. Влаготеплообменник 2 выполняет роль стабилизатора топливного элемента по температуре и по концентрации электролита. Проходящий через катодную камеру воздушный поток за счет диффузионных процессов и чисто механического взаимодействия с электролитом насыщается влагой, изменяя в какой-то степени концентрацию электролита, что, естественно, влияет на качество организации электрохимического процесса. С целью стабилизации процесса в системе используется звено 2, передающее входному потоку влагу, которая была унесена выходящим потоком. Теплообменник-влагоотделитель 6 конденсирует Н2О из газовой смеси СО2 + Н2 и одновременно отделяет образовавшуюся жидкую фазу от газообразной.

Данная система представляет значительный интерес вследствие простоты организации технологического процесса и малой его энергоемкости.

Рис. 22. Способы очистки воздуха гермообъектов от углекислого газа

Рис. 23. Способы концентрирования углекислого газа

Систематизация основных способов удаления и концентрирования углекислого газа

Системы очистки атмосферы гермообъектов от углекислого газа и концентрирования его являются первым звеном, ответственным за последующую организацию процесса регенерации кислорода (в системах с кругооборотом по кислороду) и предопределяющим выбор технологических звеньев получения кислорода из СО2, Н2О или из их смеси.

Методы очистки воздуха от углекислого газа можно подразделить по фазовому принципу на «газ -- твердое тело» и «газ -- жидкость -- твердое тело». Технологическая организация адсорбционных процессов в условиях динамической невесомости проста и не требует принципиально новых решений в отличие от абсорбционных процессов. Однако, несмотря на некоторую сложность осуществления абсорбции, она выгодно отличается компактностью и непрерывностью абсорбционно-десорбционных процессов.

Рассмотренные выше методы очистки и концентрирования углекислого газа можно представить в общем виде двумя схемами.

Выбор того или иного метода будет определяться прежде всего надежностью и стабильностью технологических процессов, сохраняющих неизменными свои рабочие характеристики в течение длительного периода эксплуатации.

Размещено на Allbest.ru