Регистрация / Вход
Прислать материал

14.579.21.0046

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.579.21.0046
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
Открытое акционерное общество "Аквасервис"
Название доклада
Разработка и создание экспериментального образца генератора искусственной атмосферы на основе гибридных мембранно-сорбционных технологий для создания безопасных дыхательных зон при неблагоприятных природных и техногенных воздействиях
Докладчик
Лагунцов Николай Иванович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Основной задачей проекта является разработка научно – технологических решений по созданию генераторов дыхательных атмосфер на основе гибридных мембранно-сорбционных технологий для создания безопасных дыхательных зон в замкнутых объемах.
Целью прикладного научного исследования является разработка научно–технических решений по созданию генераторов дыхательных атмосфер с очисткой от опасных примесей и различной степенью обогащения кислородом для создания безопасных дыхательных зон в замкнутых объемах при неблагоприятных природных и техногенных воздействиях.
В рамках поставленной задачи предполагается создание и проведение испытаний экспериментального образца многопараметрической мембранно-сорбционной системы с использованием наноструктурированных газоразделительных мембран, предназначенной для генерирования и поддержания локальных дыхательных атмосфер различного заданного состава в локальных зонах, например, в помещениях в местах скопления населения, пострадавшего при природных и техногенных воздействиях, в мобильных госпиталях, в автомобилях и т.д. Использование данной системы поможет, в частности, спасти население и ликвидаторов от отравления и заражения, в том числе радиационного, а в случае отравления сократить период восстановления. Другим важным применением искусственных дыхательных атмосфер является ускоренное восстановление оперативного персонала занятого в ликвидации последствий катастроф.
Актуальность и новизна исследования
Природные и техногенные катастрофы обычно приводят к разрушению территориальной инфраструктуры и загрязнению атмосферы продуктами горения, токсичными химическими веществами, распространению бактерий и вирусов. Другими словами, ликвидация последствий катастроф, как правило, проходит в условиях недостаточных ресурсов жизнеобеспечения, основным из которых является плохое качество дыхательной атмосферы. Таким образом, представляется актуальным создание устройств генерирования искусственной атмосферы для получения в замкнутых помещениях подготовленного для дыхания человека газа, т.е. дыхательной атмосферы, очищенной от опасных аэрозолей, ядовитых газов, радиоактивных веществ, при этом, необходимо нормализовать дыхательную атмосферу по содержанию кислорода, угарного и углекислого газа. Устройства генерирования искусственной атмосферы являются многопараметрическими поскольку должны поддерживать на безопасном уровне сразу несколько параметров атмосферы.
Основной задачей проекта является разработка необходимых научно – технологических решений по созданию генераторов дыхательных атмосфер на основе гибридных мембранно-сорбционных технологий, различающихся степенью очистки от опасных примесей и обогащения кислородом для создания безопасных дыхательных зон в замкнутых объемах и для питания реабилитационных систем при проведении спасательных операций. Таким образом, впервые будет осуществлено комплексное прикладное исследование создания научно – технологических решений по сожданию генераторов дыхательных атмосфер на основе гибридных мембранно-сорбционных технологий
Описание исследования

Разработана математическая модель управления технологическим процессом короткоцикловой безнагревной адсорбции для эффективного управления системы генерации дыхательных атмосфер, модель реализована с использованием пакета Simulink в cреде MATLAB и основана на феноменологическом описании процесса адсорбции-десорбции газа на основе экспериментального и теоретического описания процессов.

Проведены исследовательские испытания макетного образца, исследования подтвердили предложенную концепцию газоразделения, для оптимизации работы макетного образца гидропневматическая схема была дополнена активными элементами управления для согласования сорбционного и мембранного блоков.

Проведена экспериментальная апробация методик определения эффективных циклограмм, определены длительности стадии вытеснения в сорбционной колонне в зависимости от скорости вытеснения. Получены зависимости концентрации кислорода от времени для разных производительностей, позволяющих определить вид фронта адсорбции. 

Гибридные мембранно-сорбционные системы разделения смесей газов с использованием цеолитовых сорбентов и нанопористых мембран, позволяют улучшить технико-экономические показатели процесса разделения. Оптимальное сочетание преимуществ использования  сорбционного и мембранного метода позволяют использовать гибридные схемы в различных целях. Использование гибридной схемы позволяет в полной мере использовать преимущества обоих процессов разделения с одной стороны, и компенсировать их недостатки с другой стороны. Кроме того, использование гибридных мембранно-сорбционных систем позволяет уменьшить вредное воздействие на окружающую среду и затраты на производственные процессы.

В процессе разработки эжекторной мембранно-сорбционной гибридной системы возникла необходимость оптимизации работы циклограммы КЦА ступени системы. Один цикл работы адсорбера в такой системе представляет собой три стадии: заполнение, вытеснение и сброс. Причем сброс включает в себя помимо сброса газа из адсорбера еще и регенерацию сорбента, а длительность стадии вытеснения равна сумме длительностей стадий заполнения и регенерации.

Целью настоящей работы является апробация методики, позволяющей качественно и количественно определить оптимальную скорость вытеснения газа из адсорбера, максимально достижимую концентрацию кислорода в КЦА ступени системы, уточненные длительности стадий работы циклограммы, влияние времени регенерации сорбента на его сорбционные качества. А также, исследовать влияние геометрии сорбента на оптимальную скорость вытеснения газа. ре использовать преимущества обоих процессов разделения с одной стороны, и компенсировать их недостатки с другой стороны. Кроме того, использование гибридных мембранно-сорбционных систем позволяет уменьшить вредное воздействие на окружающую среду и затраты на производственные процессы.

Схема исследовательского стенда представляет собой три контура, с помощью которых реализуются различные методы регенерации сорбента.

         – контур регенерации сорбента при атмосферном давлении;

         – контур вакуумной регенерации сорбента безмасляным насосом;

         – контур вакуумной регенерации сорбента эжектором.

         Организация постоянной производительности компрессора, необходимой при вытеснении газа из адсорбера и при эжекторном восстановлении адсорбера, достигается с помощью двух регулировочных клапанов. Их настройка на необходимую скорость вытеснения производится непосредственно перед проведением эксперимента, контроль расхода осуществляется расходомером. сброс включает в себя помимо сброса газа из адсорбера еще и регенерацию сорбента.

         Газ с помощью компрессора нагнетается в адсорбер через осушитель. По достижению заданного давления клапан соединяющий ресивер и адсорбер открывается, и газ расширяется в адсорбер, заполненный цеолитом. Давление в адсорбере поднимается до необходимого, после чего запирающий клапан открывается, и газ обогащенный кислородом начинает вытесняться газом из компрессора, через редуктор на расходомер и газоанализатор. Таким образом, с помощью газоанализатора фиксируется время прохождения фронта адсорбции для данной скорости вытеснения. Далее проводится стадия регенерации сорбента либо с помощью вакуумного насоса, либо с помощью эжектора.

            Метод регенерации сорбента эжектором позволяет оценить реальную возможность восстановления им цеолита.  а следовательно и оценить целесообразность использования эжектора на стадии сброса в гибридных мембранно-сорбционных системах. 

Результаты исследования

Разработаны технические требования и предложения по производству генератора дыхательных атмосфер с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера. 

Разработана программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов. Разработка проведена на основе аналогичного документа для макетного образца и дополнена пунктами, учитывающими изменение ряда комплектующих и материалов, использованных при изготовлении экспериментального образца и основана на феноменологическом описании процесса адсорбции-десорбции газа на основе экспериментального и теоретического описания процессов. 

Основными дополнениями в методику испытания являются прочностные испытания отдельных элементов каркаса на точечную нагрузку. Испытание должно проводится методом нагружения в центре незакрепленной, установленной по торцам на призмы балки. При помощи индикатора часового типа производится измерение прогиба балки, относительно ненагруженного состояния.  Также последовательно производится разгрузка балки, результатом испытаний является получение механического гистерезиса балки, с последующим вычислением модуля Юнга, и его сверкой на соответствие технической документации на материал.

Кроме того, дополняется проведение испытания проверки адсорбера на прочность и герметичность стыковых швов. Испытание методом наложения распределенной нагрузки на оболочку адсорбера. Испытания проводятся методом измерения диаметра штангенциркулем в месте стыковых швов без нагрузки давлением, с последующим промером диаметров оболочки в месте стыковых швов с увеличением распределенной нагрузки внутри адсорбера путем нагнетания давления компрессором.

На основе полученных экспериментальных и теоретических исследований оформлена заявка на получение патента на изобретение.Технический результат, достигаемый при реализации заявленного патента, заключается в обеспечении стационарного режима работы мембранного фильтра при постоянных потоках питания и продукта и постоянного потока вытеснения с адсорберов для обеспечения максимальных разделительных характеристик устройства в целом. Устройство позволяет обеспечить стационарный режим работы разделительных элементов – мембранного фильтра при постоянных потоках питания и продукта и постоянного потока вытеснения с адсорберов для обеспечения максимальных разделительных характеристик устройства в целом. лительных характеристик устройства в целом. 

В соответствии с ЭКД на экспериментальный образец изготовлен экспериментальный образец устройства генерации дыхательных атмосфер. 

Проведена оценка РИД, полученных при выполнении ПНИ, с целью их вовлечения в хозяйственный оборот. Составлен протокол оценки РИД, согласно протокола, разработанные РИД могут быть вовлечены Индустриальным партнером в хозяйственный оборот с целью получения прибыли. 

Поставленные, в рамках проекта, на данном этапе задачи решены полностью в соответствии с Планом-графиком. Проведенные работы соответствуют требованиям Технического задания и нормативной документации. 

Практическая значимость исследования
Применение гибридных мембранно-сорбционных схем для создания специальных устройств, позволяющих получить стабилизированный продуктовый поток повышенного давления с концентрацией кислорода выше 50% является практически безальтернативным, поскольку мембранные газоразделительные схемы требуют применения дорогостоящего кислородного компрессора, а использование КЦА-схем также нецелесообразно, поскольку они не обеспечивают необходимую чистоту продукта от продуктов истирания сорбентов и примесей в исходном потоке питания.
Достигаемые преимущества разработки: полная (100%) защита продуктового потока от продуктов истирания сорбентов, аэрозолей, радионуклидов; стабилизация продуктового потока в широком диапазоне входных давления и температуры, возможность создания обогащенного кислородом продуктового потока повышенного давления без использования специального кислородного компрессора; увеличение степени извлечения и снижение энергопотребления до 20% по сравнению с сорбционными и мембранными методами.
Разработка научно-технологических основ создания генераторов дыхательных атмосфер с различной степенью очистки от опасных примесей и обогащения кислородом для создания безопасных дыхательных зон в замкнутых объемах позволит создать семейство принципиально новых устройств генерирования искусственной атмосферы.
Разрабатываемые генераторы искусственной дыхательной атмосферы могут применяться для:
• создания локальных дыхательных атмосфер с повышенным содержанием кислорода на производственных объектах и объектах специальных структур, где требуется поддержание сотрудников в состоянии повышенной готовности ;
• оснащения машин скорой помощи, создание кислородных палаток и других объектов с искусственной дыхательной атмосферой, обогащенной кислородом;
• создания локальных дыхательных атмосфер очищенных от вредных примесей на объектах социальной сферы в неблагоприятных районах мегаполисов.
В целом, в результате работы будет создан масштабный научный задел, который окажет влияние на группу отраслей, связанных с применением технологий предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, а также технологий разделения газовых смесей.