Мар 29

Удаление углекислого газа

Организм человека функционирует как двигатель внутреннего сгорания, непрерывно поглощая кислород и образуя углекислый газ и водяные пары. В замкнутой атмосфере необходимо регулировать концентрацию этих продуктов. В настоящее время приняты следующие уровни парциального давления углекислого газа: предел в нормальных условиях – 5 мм рт. ст., в аварийных – 7,6 мм рт. ст. Существует много типов систем, которые могутрегулировать концентрацию ниже этих предельных уровней. Выбор оптимальной системы зависит от длительности полета и требований включения в общую систему жизнеобеспечения. Ниже обсуждаются три системы удаления углекислого газа с гидроокисью лития, молекулярными ситами и ионообменным электродиализом.

Гидроокись лития

Системы удаления углекислого газа для космических кораблей «Меркурий», «Джеминай» и «Аполлон» очень надежны. Они основаны на использовании гидроокиси лития, легко поглощающей углекислый газ в присутствии водяных паров. Реакция проходит по следующей формуле:

2LiОН+СО2→Li2СО3+Н2O.

Поскольку реакция экзотермическая, то образуется 485 ккал на 1 кг поглощенного углекислого газа. Подвергать гидроокись лития регенераций нерационально, поэтому на корабле должен быть ее запас из расчета 1,13 кг/сутки на человека. Для полетов продолжительностью свыше двух недель целесообразно использовать какую-либо регенерируемую систему удаления углекислого газа.

Молекулярные сита

В регенерируемых системах удаления углекислого газа применяются молекулярные сита из синтетических цеолитов (алюмосиликат с ионами металла). Первые полученные цеолиты содержали ионы натрия, которые могли замещаться более или менее крупными ионами металла, что приводило к изменениям диаметра внутренних пор и полярности. Молекулярные сита могут восстанавливаться путем нагревания или под воздействием вакуума. Температура десорбции зависит от поглощенных веществ, расчетного времени десорбции и рабочих параметров процесса. Например, для десорбции воды необходимо нагреть патрон с молекулярными ситами до 150–300°С, а десорбция углекислого газа может протекать в вакууме при комнатной температуре.

Рис. 24. Схема типичной системы удаления углекислого газа с помощью молекулярных сит:

1 – патрон с осушителем (силикагель или молекулярные сита); 2 – контур терморегулирования; 3 – нагреватель; 4 – промежуточный теплообменник; 5 – патрон для удаления СО2 (молекулярные сита); 6 – космический вакуум или система восстановления СО2.

На рис. 24 представлена схема типичной системы удаления углекислого газа молекулярными ситами, которую можно использовать, когда нет необходимости восстанавливать углекислый газ. В системе всего четыре регенерируемых патрона с адсорбентами: два для предварительной осушки технологического газа и два для удаления углекислого газа. Молекулярные сита восстанавливаются выведением углекислого газа в космический вакуум. В каждый момент времени функционирует один патрон, а другой десорбируется. Осушающие патроны (в нашем примере с силикагелем) восстанавливаются путем очистки нагретым сухим технологическим газом, возвращающимся из патронов с поглотителем углекислого газа. Действие патронов с осушителем и поглотителем углекислого газа на различных этапах абсорбции-десорбции регулируется системой клапанов. Для обеспечения оптимального веса и затрат электроэнергии желательно, чтобы цикл осушительных патронов был более длительным, чем патронов с поглотителем углекислого газа. Для обеспечения полной десорбции патронов с осушителем технологический газ нагреваемся приблизительно до температуры 120°С.

При использовании углекислого газа для восстановления кислорода нужно прибегать к другим способам десорбции молекулярных сит. Если для десорбции при комнатной температуре применять вакуумный насос, то это приведет к большому увеличению веса и потребления электроэнергии. Были проведены опыты, в которых слой молекулярных сит десорбировался без вакуумного насоса нагреванием до 340°С. На это расходовалось примерно 130вт на человека, т. е. меньше, чем при вакуумной десорбции.

Для полетов средней продолжительности, при которых углекислый газ можно десорбировать в космический вакуум, весьма заманчивыми представляются молекулярные сита. В тех случаях, когда требуется перенос углекислого газа из системы удаления в систему восстановления кислорода, оптимальными оказываются другие системы, например система ионообменного электродиализа.

Ионообменный электродиализ

Система ионообменного электродиализа представляет собой устройство, содержащее ионообменные смолы, которые вступают в реакцию с атмосферными газами, извлекая из них углекислый газ путем образования ионов карбоната. Смолы непрерывно восстанавливаются с помощью электрического поля, направленного перпендикулярно к газовому потоку и вызывающего перенос ионов карбоната из абсорбирующего элемента в концентрирующий. Характерные элементы устройства – катионо — и анионообменные мембраны, проницаемые для ионов с противоположным зарядом. Мембраны изготовляются из ионообменных смол в виде пленки. Анионообменные смолы обычно являются сополимерами стирола и дивинилбензола с четвертичными триметиламинометиленовыми придатками. Смолы обладают сильными основными свойствами в связи с наличием азота. Катионообменные смолы являются сульфированными сополимерами стирола и дивинилбензола с сильными кислотными свойствами. Основной процесс в этой системе – электродиализ (рис. 25). Составляющие процессы следующие:

Рис. 25. Схема ионообменного электродиализного поглотителя углекислого газа:

КС – катионообменная смола; АС – анионообменная смола; КМ – катионообменная мембрана; АМ – анионообменная мембрана.

1) абсорбция углекислого газа основной ионообменной смолой (абсорбирующий элемент) с образованием ионов карбоната:

2(R+ + ОН–) + СO2 → 2R+ + СO3– + Н2O;

2) перемещение ионов карбоната сквозь анионообменную мембрану в прилегающий реакционный слой (концентрирующий элемент);

3) перемещение ионов водорода от анода сквозь катионную мембрану на противоположную сторону реакционного слоя;

4) реакция ионов водорода и ионов карбоната в реакционном слое (концентрирующий элемент) с образованием углекислого газа и воды:

СO3– + 2Н+→Н2O + СO2,

причем образующийся в результате этой реакции углекислый газ высвобождается из ненасыщенного газа;

5) образование на катоде гидроксильных ионов, которые затем –перемещаются через абсорбирующий элемент, замещая ионы, израсходованные в ходе реакции, отмеченной в пункте 1;

6) образование небольшого количества газообразных водорода и кислорода на катоде и аноде соответственно.

В идеале для переноса 1 г·экв СО2 из абсорбирующего элемента в концентрирующий требуется заряд 2 ф (193 000 к), если он транспортируется в виде ионов карбоната. Действующая сила тока падает, если ионов карбоната недостаточно для его поддержания, и часть тока должна быть поэтому связана с гидроксильными ионами. Эффективное значение тока свыше 100% можно получить при создании тока ионами бикарбоната, а не карбоната. Скорость выделения углекислого газа (Q) вычисляется из уравнения (Q = 0,0197 ІY кг/сутки, где I – сила тока, а Y – КПД тока. Для функционирования установки необходимо энергии приблизительно 180 вт на человека. Но система еще только разрабатывается, поэтому, когда появятся лучшие уплотняющие материалы, потребности в электроэнергии будут уменьшены. Описываемая система идеально подходит для СЖО, в которую также входит система восстановления кислорода, поскольку концентрированный углекислый газ представляет собой чистый продукт, насыщенный водяными парами и находящийся под давлением, обычным для кабины. Следовательно, величина энергии, необходимой для переноса углекислого газа в систему регенерации кислорода, весьма незначительна. С учетом генерируемого системой кислорода затрата энергии на систему удаления углекислого газа сокращается с 180 до 93 вт на человека.

Похожие статьи:

  1. Кислородное питание экипажа космического корабля В герметической кабине космического корабля поддерживаются заранее заданное барометрическое давление...
  2. Системы регенерации кислорода По мере увеличения длительности космических полетов и понижения весовых нагрузок,...
  3. Недостатки закритических криогенных систем хранения В закритической системе жидкость относительно однородна, поэтому ее масса пропорциональна...

автор admin



Написать ответ

Вы должны войти чтобы комментировать.