Мар 28

Системы регенерации кислорода

По мере увеличения длительности космических полетов и понижения весовых нагрузок, связанных с электроснабжением, становится необходимым регенерировать кислород из углекислого газа и воды. Теоретически минимальные потребности в энергии для регенерации кислорода из углекислого газа составляют 3,42 квт · ч на 1 кг восстановленного кислорода. Если регенерация обеспечивается энергией от системы, использующей в качестве источника энергии запасенные химические вещества, то удельный расход топлива должен быть меньше 1,43 кг/квт · ч, чтобы масса генерируемого кислорода превосходила массу расходуемого топлива. Ни одна из систем, применяемых в космических кораблях, не имеет такого малого расхода топлива. Следовательно, регенерация кислорода из углекислого газа может быть оправдана только в том случае, если в качестве источника энергоснабжения будет использоваться солнечная или ядерная энергия.

Было проведено изучение водорослей для удаления углекислого газа, генерации кислорода и использования их в пищу. Опыты показали, что требования к весу и потребляемой электроэнергии исключают водоросли из соревнования с неорганическими регенерирующими системами. Применение такой системы в длительных полетах представляется сомнительным из-за, сложности поддержания равновесия массы водорослей. Их будет образовываться больше, чем необходимо для питания членов экипажа, даже в случае пригодности в качестве пищи. Кроме того, для роста водорослей, помимо углекислого газа нужны питательные вещества.

Среди изучаемых систем регенерации кислорода следует назвать систему Сабатье с пиролизом метана и без него, систему Боша, электролиз с твердыми электролитами и электролиз с расплавленным карбонатом.

Реакции процесса Сабатье с последующим пиролитическим разложением метана и электролизом воды дают нужный конечный результат СО2→С+О2.

СО2+4Н2→СН4+2Н2О (реакция Сабатье);

СН4→С+2Н2(пиролиз);

2Н2О→2Н2+О2 (электролиз)

За исключением небольшого количества водорода, необходимого для начала реакций и подпитки, весь остальной водород будет восстанавливаться в ходе реакции.

Рис. 10. Схема системы регенерации кислорода, основанная на реакции Сабатье:

1 – аккумулятор СО2; 2 – регенератор; 3 – сепаратор и конденсатор воды; 4 – добавление воды; 5 – насос; 6 – электролитический элемент; 7 – реактор для разложения метана.

Промежуточные продукты – метан и вода – подвергнутся разложению в соответствии с приведенными реакциями. Реакция Сабатье отличается высоким использованием углекислого газа – 99% при 204°С, 95% при 338°С. Для осуществления реакции при любой практически достижимой температуре необходимы катализаторы. Их добавление обеспечит нормальную реакцию при низкой температуре, соответствующей выгодной константе равновесия по отношению к конкурирующим побочным реакциям.

Спонтанный пиролиз метана происходит при температуре 870°С и выше. Реакция в основном завершается при температуре 1100°С. Для реакции Сабатье в условиях космического полета желательны более низкие температуры. В таком случае реакция Сабатье без пиролиза метана (последний будет удаляться за борт), видимо, окажется наиболее пригодной для космических полетов. На борту должны иметься соответствующие запасы водорода для подпитки реакции.

Реакция Сабатье не сможет протекать в присутствии значительного количества кислорода, так как в этом случае пойдет соединение кислорода и водорода с образованием воды. Кроме того, большая концентрация кислорода в реакторе представляет большую опасность взрыва. Следовательно, необходимо работать со сравнительно чистым углекислым газом. На рис. 10 изображены элементы полной системы регенерации кислорода с постоянным потоком. Работа по изучению реакции Сабатье с целью установления возможности регенерации кислорода в СЖО космического корабля продвинулась далеко вперед, но все еще остается много невыясненных вопросов.

Рис. 11. Схема системы регенерации кислорода, основанной на реакции Боша:

1 – аккумулятор СО2; 2 – регенератор; 3 – рекуперативный теплообменник; 4 – конденсатор воды; 5 – насос-сепаратор; 6 – электролитический элемент

Для реакции Боша (рис. 11) необходимы температуры в диапазоне 600 — 76042, но коэффициент преобразования при этом невысокий (6–25% за цикл). Реакция характеризуется следующими уравнениями:

СО2+2Н2→С+2Н2О (реакция Боша);

2Н2О→2Н2+О2(электролиз).

Недостатки этого метода, связанные с высокими температурами и повторной циркуляцией газа, компенсируются тем, что количество водорода, образующегося при электролизе воды, оказывается достаточным для поддержания этой реакции, т. е. отпадает необходимость в дополнительной подаче водорода или отдельном пиролизном устройстве в отличие от реакции Сабатье.

Система с твердым электролитом (рис. 12) состоит из твердых электролитов и каталитического реактора. Первые служат для электролиза углекислого газа на окись углерода и кислород. Электролит представляет собой твердый раствор окислов циркония и иттрия, образующих аномальные смешанные кристаллы, в которых свободные места – «дырки» – случайно распределены в решетке из анионов. Это дает возможность ионам кислорода переходить от «дырки к дырке» и, следовательно, перемещаться в электрическом поле. Окислы изготовляются в виде полой трубки, внутренняя и внешняя поверхность которой имеет электропроводящее покрытие, играющее роль электродов.

Углекислый газ течет в трубке электролитических элементов, где захватывает два электрона и образует окись углерода и ион кислорода. Ионы кислорода проходят сквозь стенку трубки под влиянием электрического поля и отдают свои электроны на внутреннем электроде, образуя кислород высокой чистоты. Углекислый газ и окись углерода из электролитического элемента отводятся в каталитический реактор, в котором окись углерода преобразуется в углерод и углекислый газ, направляемый затем в электролитические элементы. Система с расплавленным карбонатом основана нанепрерывном электролизе расплавленного раствора карбоната лития и хлорида лития с одновременной реакцией образующейся окиси лития с подводимым в электролитические элементы углекислым газом.

Рис. 12. Система восстановления СО2 с твердыми электролитами

Продуктами всех реакций являются газообразный кислород и твердый углерод, который накапливается на катоде.

Литий, образующийся на катоде (4Li++4е→4Li), реагирует с расплавленным карбонатом, образуя углерод и окись лития (4Li+Li2CO3C+3Li2O). Окись лития вступает в реакцию с углекислым газом, образующимся на аноде (2СО3→2СО2+О2+4е), и углекислым газом, подводимым извне для питания системы (1/3 общего количества), улучшая качество карбоната (3Li2О+3СО2→3Li2CO3). Хлорид лития не вступает в реакцию, но вводится в систему для понижения ее точки плавления.

Похожие статьи:

  1. Удаление углекислого газа Организм человека функционирует как двигатель внутреннего сгорания, непрерывно поглощая кислород...
  2. Кислородное питание экипажа космического корабля В герметической кабине космического корабля поддерживаются заранее заданное барометрическое давление...
  3. Выделение кислорода из углекислого газа После того, как научились удалять углекислый газ из воздуха кабины...

автор admin



Написать ответ

Вы должны войти чтобы комментировать.