DE2159493A1

DE2159493A1 - Einzelatemvorrichtung mit Massen auf Grundlage von Kaliumperoxid

Info

Publication number: DE2159493A1
Application number: DE19712159493
Authority: DE
Inventors: Michel Elancourt Rio (Frankreich)
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1970-12-02
Filing date: 1971-12-01
Publication date: 1972-06-15
Also published as: ES397481A1; DE2159493B2; FR2116657A5; DE2159493C3; ZA718001B; BE776161A; JPS5519614B1; GB1339634A; IT943687B; US3767367A

Description

Die Erfindung betrifft die Regenerierung der Atmosphäre in Eizelatmungsgeräten mit geschlossenem Kreislauf, die Massen auf der Grundlage von Kaliumsuperoxid enthalten. Letzteres ist ein sehr wichtiges Produkt für die Regenerierung von Atemgas, denn es bietet die Möglichkeit, Sauerstoff freizusetzen und Kohlendioxid zu binden. Diese Regenerierung beruht auf einem chemischen Vorgang in heterogenen Phasen, nämlich fest und gasförmig. Damit diese Reaktion in heterogener Phase unter guten Bedingungen erfolgt und quantitativ ist, nimmt man gewöhnlich eine starke Verteilung des Feststoffes zum Beispiel in Form

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Postidieck: Frankfurt/Main 67*3 Bank: Drcfdnif Bank AG, Wltibadtn, Konto-Nr. £76 807

einer Wirbelschicht vor, um die Kontaktoberfläche zwischen Feststoff und Gas zu vergrößern und regelmäßig zu erneuern. Es ist ersichtlich, daß dieses Verfahren für die Regenerierung von Atemgas durch Kaliumsuperoxid unzweckmäßig ist, und zwar aus verschiedenen Gründen.

Gemäß einer der am längsten bekannten Methoden wird Kaliumsuperoxid durch Verbrennung von Kaliummetall in einem Gemisch von Sauerstoff und Stickstoff hergestellt. Dieses Verfahren führt zur Gewinnung eines Pulvers in Form eines äußerst leichten flockigen Schnees, der nicht gießfähig ist. Zwecks leichterer Handhabung unterzieht man das flockige Pulver einer^cslchtenvenichtung, um Schuppen zu erhalten, die an-schliessend zu großen Blöcken von ungefähr 20 cm Durchmesser bei einer Dichte in der Größenordnung von 10 cm verpreßt werden. Anschliessend werden diese Blöcke zu Granalien gebrochen, die gesiebt werden. Alle diese Vorgänge werden in einer Atmosphäre von eingestellter Feuchtigkeit durchgeführt.

Dieses Verfahren ist mit dem Mangel behaftet, daß es zu einem heterogenen Verdichtungsprodukt führt. Es ist verständlich, daß die Verteilung der Drücke im Inneren eines Feststoffes.stark heterogen ist, und zwar um so mehr, je größer das Volumen ist, wenn man Plättchen komprimiert, um große Blöcke zu erhalten. An den auf diese Weise hergestellten Granalien sind Unterschiede in der Farbe festzustellen, die bezeichnend für eine heterogene Kompression sind. Daraus ergibt sich eine Heterogenität der Feststoff-Gasreaktionen.

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Man hat eine Konditionierung des Kaliumsuperoxids versucht, die zu einer besseren Druckverteilung und damit zu einer grösseren Homogenität der Gas-Feststoffreaktionen führt. Dieses neue Konditionierverfahren gestattet zwischen den neuen KO,,-ilassen Punktkontakte zu erzielen und zwischen diesen regelmäßige Zwischenräume zu gewinnen, welche eine homogene Verteilung des zu regenerierenden Gases begünstigen. Andererseits ist es bekannt, daß man zur Erzielung einer Reaktion eines Feststoffes mit einem Gas unter guten Bedingungen eine P-orosität erzeugen muß.

Die handelsüblichen Granalien besitzen eine relativ geringe Porosität, die beträchtlich unterhalb 40% in der Größenordnung von 37% liegt, und diese Kompaktheit ist für Feststoff-Gaskontakte und damit für eine gute Reaktionsfähigkeit ungünstig.

Es wurde festgestellt, daß das Kaliumsuperoxid, das man in Pulverform nach der französischen Patentschrift 1 460 714 vom 29. September 1965 der Anmelderin erhält, eine Konditionierung des Kaliumsuperoxids und die Gewinnung von Tabletten mit kalibrierten Abmessungen gestattet. Zwischen den durch Tablettierung erzielbaren Formen und derjenigen, die die größte Oberfläche im Verhältnis zum Volumen bieten, wurde ein Kompromiss gefunden, indem man dem glitschigen an Seife erinnernden Zustand des KO₂ Rechnung trägt, dessen Klebeneigung die Fertigung gewisser Formen nicht gestattet.

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Es wurde gefunden, daß jede KO^Masse von gekrümmter und/oder polygonaler Form, die mindestens konvexe Flächen aufweist, und das Vorhandensein einer gießen Oberfläche und von Kontaktpunkten gestattet, besonders geeignet für die Regenerierung der Atmosphäre ist.

Die in der Zeichnung in Fig. 1 bis 5 als Beispiele dargestellten Formen, wie Kegelstumpf, Sternform, Diabolform, Zylinder mit ausgewölbten Böden usw., die zumindest einige konvexe Flächen haben, sind von Bedeutung. S;Le können durch Tablettierung erhalten werden, bei der man Punktkontakte gewinnt und die für Reaktionen des zu regenerierenden Gases unzugänglichen Zonen auf ein Minimum beschränkt.

Die bevorzugte Masse ist in Form einer KO₂~Tablette konditioniert, die einen Zylinderkörper und zwei ausgewölbte Böden besitzt, wobei der Krümmungsradius annähernd gleich dem Durchmesser der Tablette ist. Diese Konditionierung durch Tablettierung von gekrümmter und/oder polygonaler geometrischer Form mit mindestens konvexen Flächen gestattet die Herstellung von Tabletten von einer gleichmäßigen schönen klargelben Farbe, was eine gleichmäßige Verteilung der Drücke im Inneren des Feststoffes anzeigt. Vorzugsweise wird gemäß der Erfindung das Ealiumsuperoxid ICO₂ zu Tabletten eines Durchmessers von 7 bis 10 mm bei einer Dicke von 4 bis 6 mm verpreßt.

Die Tablettierungdst besonders vorteilhaft für Kaliumsuper-

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oxid. Sie gestattet die Porosität in sehr genauer Weise zu regeln.

Eine Porosität von 40 bis 50% ist vorteilhaft, denn darunter sind de ΚΟ,,-Tabletten zu kompakt und darüber verlieren die Tabletten ihre Individualität und begünstigen die Bildung von zahlreichen bevorzugten Kanälen, die die Reaktionen zwischen dem zu regenerierenden Gas und dem KO₂ verhindern. Eine Porosität von 43 bi-s 47% ist besonders vorteilhaft.

Eine solche Porosität, die zwischen 40 und 50% eingegrenzt ist, führt zu einem ausgezeichneten Kompromiß zwischen dem gewünschten Reaktivitätsgrad, zwischen KO₂ und dem zu regenerierenden Gas und der mechanischen Festigkeit, welche die durch Tablettierung konditionierten K0₂~Formen als Funktion der Spannungen bieten sollen, denen sie bei Verwendung in der Aeronautik und unter Wasser ausgesetzt sind.

Um die Reaktionen zwischen dem zu regenerierenden Gas und dem Kaliumsuperoxid auszulösen und die Leisturlen des KO₂ möglichst günstig zu gestalten, erweist sich der Zusatz von Katalysatoren als vorteilhaft. Dieser Katalysator besteht vorzugsweise aus einer Kupferverbindung, wie Kupferoxychlorid Die durch Tablettierung nach der Erfindung erhaltenen K0_o-Formen enthalten 0,10 bis 0 20% Kupferoxychlorid # insbesondere 0,15 bis 3% 3 CuO.CuCl₂.3H₂O.

Die verschiedenen Formen der KO₂~Tabletten nach der Erfindung

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erhält man aus rieselfähigem Pulver, hergestellt nach der genannten französischen Patentschrift 1 460 714. I:Tach dem Verfahren dieser Patentschrift läßt man das Wasserstoffperoxid in konzentrierte Lösung auf Kaliumhydroxid einwirken. In geregelter Weise führt man das Wasserstoffperoxid in dispergiertem Zustand in ein organisches Milieu ein, das gegenüber den vorhandenen Reaktionspartnern inert ist und sie nicht auflöst, wie ein halogenierter Kohlenwasserstoff; man trennt diewässrige Phase ab und stellt daraus dann das Kaliumsuperoxid durch Verstäubung und Trocknung her. In gewissen Fällen betreibt man die Umsetzung von H₃O₂ mit KOH und die Trocknung des KO₃ in inerter Gasatmosphäre.

Das Verfahren zur Herstellung von K0„ gemäß der Anmeldung führt zur Gewinnung eines Pulvers, das eine ausreichende Gießfähigkeit und eine geeignete Schüttdichte besitzt, um die Verformung durch Tablettierung zu ermöglichen. Die Gießfähigkeit des Pulvers gestattet die Tablettenmatritze lediglich durch ein Schwingsieb zu füllen. Dann verdichtet man unter einem verhältnismäßig geringen Druck. Es wurde festgestellt, daß eine Ver-

dichtung in der Größenordnung von 80 bis 120 kg/cm dem glitschigen Zustand des Kaliumsuperoxids besonders angepaßt ist und gute Ergebnisse liefert. Ein K0₂-Pulver von einer Schüttdichte zwischen 0,35 bis 0,45 eignet sich gut für die Tablettierung.

Bevor man die Fertigung durch Tablettierung durchführt, nimmt

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man einen doppelten Eignungstest vor, um die Schüttdichte zu kennen und die Porosität zu ermitteln. Um jedes Anhaften des KC>2 zu vermeiden, bedeckt man die Füllöffnung mit einer Auskleidung aus Polytrifluorchloräthylen. Die Neigung des KO₀ zum Anhaften macht die Herstellung von Formen schwierig, deren Krümmungsgrad sehr groß ist.

Solche konditioniertcn KO„-riassen sind besonders geeignet zur Füllung der Patrone eines Luftregenerierelementes in Binzelatinungsgeräten mit geschlossenem Kreislauf.

Es ist zu bemerken, daß die Tablettenformen nach der Erfindung einen nahezu idealen Kompromiß zwischen der Geometrie, d. h. der größten Oberfläche für das kleinste Volumen, und der gleichmäßigen Verteilung des Gasflusses darstellen.

Jachsteiend wird beispielshalber eine Kaliumsuperoxidpatrone beschrieben, die die Erzielung einer sehr guten Reaktionsausbeute und bester Leistungen gestattet. Diese Patronokann beispielsweise in ein Einzelatmungsgerät für augenblickliche Inbetriebsetzung eingesetzt werden. Die Patrone ist in Fig. 6 der Zeichnung dargestellt.

Die Kaliumsuperoxidfüllung 1 ist in einem Zylinder aus einen l-iaterial, das mit dem Kaliumsuperoxid verträglich ist, wie Kupfer, nicht oxidierender Stahl oder verkupferter Stahl 2 eingesetzt, der zwei Böden 3 besitzt, die durch Quetschverbindung angebracht und gegenverschweißt sind, um eine völlige Dichtheit

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zu gewährleisten. Die Böden sind mit Kupferscheiben 3Ä von geringer Dicke, beispielsweise unter 1/10 mm, ausgerüstet, die dicht verschweißt sind, Diese Scheiben werden im Augenblick der Benutzung der Patrone mit einem geeigneten Werkzeug gelocht, um die Patrone sofort in Eetrieb zu setzen.

Die K0₉-Füllung besteht aus K0₉-Tabletten eines Durchmessers

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von 7 bis 10 mm. Sie haben eine Dicke von 4 bis 6 mm und bestehen aus einem zylindrischen Teil 4 und zwei ausgewölbten Böden 5 vonfeinem Krümmungsradius gleich dem Durchmesser der Tablette. Eine solche Tablette ist in Fig. 1 dargestellt. DieTabletten befinden sich in einem minimafen potentiellen Energiezustand. Die Patrone wird unter Schütteln gefüllt, um die Füllung möglichst dicht zusammenzurütteln. Alle Tabletten stehen miteinander in Kontakt. Diese Gestaltung gestattet zwischen den Tabletten. Punktkontakte zu erzielen und zwischen ihnen regelmäßige Zwischenräume zu bilden, welche eine homogene Verteilung des zu regenerierenden Gases gestatten.

Die Kaliumsuperoxidfüllung ist in zwei oder mehrere Chargen gegebenenfalls von gldchem Volumen durch ein oder mehrere Metallzwischenlagen aus mit KO₉ verträglichem Material, wie Metallblech oder Metallfolie 6 unterteilt, Die eine der Chargen wird zuerst von den zu regenerierenden Ausatemgasen berührt.

Diese Anordnung gestattet die Bildung großer Kanäle im Inneren der K0₉-Füllung während des Gebrauchs zu vermeiden. Diese Ka-

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— Q—

näle würden bevorzugt von dem zu regenerierenden Gas beaufschlagt werden, und ihr Vorhandensein würde die Feststoff-Gasberührung und damit die Regenerierleistung der Patrone vermindern .

Wenn keine besondere Anordnung vorgesehen wäre, so würden die Tabletten unter dem Einfluß eier exothermen chemischen Reaktionen und der Feuchtigkeit infolge der Neigung des Superoxides zur Erweichung sich gern agglomerieren, wodurch das ι Volumen der Füllung leicht abnehmen würde,und es würden sich dann Inseln aus zusammengebackenen Tabletten bilden, zwischen denen sich weite Kanäle bilden würden. Die Herabsetzung des Volumens der Füllung und die Gefahr der Bildung von bevorzugten Kanälen sind um so weniger ausgeprägt, je kleiner die Kaliumsuperoxidchargen sind.

Es wurden Mittel gefunden, die gestatten, das Auftreten dieser Zisammenziehungserschelnung des Kaliumsuperoxids zu vermindern, welche die Gefahr einer Loslösung der Füllung von der Kartusche, mit sich bringen würde. Diese Einrichtungen halten die Füllung in ihrem oberer)ünd unteren Teil. Sie bestehen aus einem Filter, das zwei Metallstücke von ausgewölbter Form aufweist und ein selbsttragendes Gewölbe darstellt. Das Filter befindet sich im unteren Teil der Patrone, und in ihrem oberen Teil befindet sich eine Feder, deren Dehnung derart begrenzt ist, daß sie Volumenverrainderung der Füllung kontrolliert wird. Diese Einrichtungen stellen wichtige Merkmale der Kaliumsuperoxidpatrone nach der Erfindung dar.

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Um die Volumenreduktion der KO₃-FuIlung während des Gebrauchs weitgehend zu vermindern, hält man die Füllung unter dem Druck einer Feder 7, die im oberen Teil der Kartusche liegt. Am dargestellten Beispiel beträgt die entwickelte Federkraft etwa

2
5 kg/dm . Um eine übermäßige Zusammendrückung der KO -Füllung

zu vermeiden, ist die Federdehnung jedoch auf einen Intervall von beispielsweise 5 bis 10 mm mittels einer Sicke oder eines Wulstes 8 begrenzt. Diese Einwölbung 8 ist an dem zylin- ψ drischen Patronenkörper ausgeführt,und auf ihr kommt eine starre Metallfolienscheibe 9 und ein Metallblech 10 von feinen Maschen zur Auflage, die beide zwischen das KO und die Feder eingesetzt sind. Die Feder 7 stufet sich auf die KO₂-Füllung mittels zwei Gittern ab, an denen das erste grobe Gitter zur geregelten Verteilung der Federkraft über die ganze Füllung und das feine Gitter zur Verhinderung von Beschädigungen der KO₂-Tabletten dienen.

^ In seinem unteren Teil wird die KO--Beschickung durch eine selbsttragende Wölbung gehalten, die aus einem Filter besteht.

Die zu regenerierenden Gase strömen von oben nach unten in der mit den KO₂~Tabletten beladenen Patrone. Nach Durchgang durch die Regenerierbeschickung werden die regenerierten Gase durch eine gewisse Schichtdicke 11 aus nicht brennbaren Mineralfasern, wie Glasfasern, filtriert.Gemäß der Erfindung verwendet man zweckmäßig ein Filter, das den Druck der Feder und das Gewicht der KO₂~Füllung ohne Deformation aushalten kann, um die FiI-

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ttieroberflache des Gases im Verhältnis zn einem flachen Filter zu vergrößern und dis Dicke und Kompression der Mineralfasern gleichmäßig einzustellen. Die gleichmäßige Zusammendrückung der Glasfasern verhindert jedes Reissen unter dem Einfluß von Schwingungen und infolgedessen jede Mitnahme von zerbrochenen Fasern, so daß die Gefahr von Geschwürbildungen in den Atmungswegan ausgeschaltet ist.

Dieses Filter besitzt zwei Metallstücke von gewölbter Form, die eine selbsttragende Wölbung darstellen,und zwar:

eine gewölbte Scheibe 12 aus sehr widerstandsfähigem Lochblech mit Löchern von etwa 2 mm. Das Blech besteht vorzugsweise aus Kupfer. Die Scheibe 12 besitzt eine elastische Schürze, die sich auf den Zylinderkörper der Patrone abstützt. Sie liegt andererseits im Anschlag mit der Sicke oder dem Wulst 14. Dieser Wulst oder die Auswölbung gestattet, die Wölbung zu zentrieren, wodurch sie sich leichter einsetzen läßt, und die Dichtung von Metall gegen Metall zu steigern. Die obere Scheibe 12 ist genügend starr, um das Gewicht der KO^-Füllung und die Federkraft aufzunehmen;

das Filter besitzt eine andere gewölbte Scheibe 13 aus gestecktem Iletal^nit feinen Maschen von Rautenform von ungefähr lmm χ 0,5 mm. Der Rand dieser Scheibe ruht auf dem Boden der Patrone.

Der zwischen den beiden Scheiben vorgesehene Abstand beträgt etwa IO mm. Das Filterelement ist in diesem Abstand untergebracht.

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Wenn das Filter eingesetzt wird, macht man die Patrone mit einem Stoß Druckluft leer und führt dann die KO₂-Füllung ein.

Falls man eine möglichst günstige Höchstleistung der Patrone anstrebt, löst man gemäß einer Abwandlung der Erfindung die ■Reaktion zwischen dem Feststoff und dem Gas aus, indem man in den oberen Teil der Füllung eine Schicht geringer Dicke von ungefähr 1 cm aus Tabletten anordnet, die mit einem geeigneten Katalysator, vorzugsweise Kupferoxychlorid, katalysiert sind. Diese Tabletten haben im allgemeinen kleinere Abmessungeiyals die reinen KO.-Massen, und zwar in einem Durchmesserverhältnis von 7 bis 9 mm.

Es versteht sich, daß eine möglichst günstige Gestaltung aller Kennzeichen der Patronen angestrebt werden soll, damit diese im Verhältnis zu einer intensiven Leistung, die von ihnen bezüglich der Atemanforderungen verlangt werden, sehr klein sind. Eine gemäß der Erfindung gefertige Patrone von 175 mm Höhe und 70 mm Durchmesser wird mit 450 g KO „ beschickt, das verteilt ist in einem Volumen, das seinerseits von einem Zylinder von 120 mm Höhe und 70 mm Durchmesser dargestellt wird. Man kann eine Autonomie von 3 Stunden im Falle leichter Arbeit unter Wasser sicherstellen.

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Claims

Patentansprüche

1.J Patrone zur Regenerierung von Atemgas, die in ein Einzelatmungsgerät mit geschlossenem Kreislauf einsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Patrone Massen auf Grundlage von Kaliumsuperoxid von gewölbter und/oder polygonaler Form besitzt, die mindestens konvexe Flächen aufweist und die man durch Tablettierung von Kaliumsuperoxidpulver erhält.

2. Patrone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Massen auf Grundlage von Kaliumsuperoxid zu Tabletten verformt sind, die einen zylindrischen Körper und zwei ausgewölbte Böden von einem Krümmungsradius im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Tablette besitzen.

3. Patrone nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität der Massen auf Grund age von Kaliumsuperoxid zwischen 40 und 50%, vorzugsweise zwischen 43 und 47% liegt.

4. Patrone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Massen auf Grundlage von Kaliumsuperoxid durch Verdichtung

eines Kaliumsuperoxidpulvers unter einem relativen Druck von

80 bis 120 kg/cm hergestellt sind.

5. Patrone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaliumsuperoxidmassen in einem minimalen potentiellen Ener-

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giezustand verarbeitet sind und alle Formkörper innerhalb der Patrone miteinander in Berührung stehen.

6. Patrone nach Anspruch 1, bestehend aus einem zylindrischen Körper aus mit dem Kaliumsuperoxid verträglichem Material, der zur Gewährleistung einer vollständigen Dichtheit durch

in

zwei Böden verschlossen ist und dessen Innerem die Kaliumsuperoxidfüllung untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Patrone im unteren Teil eine aus einem Filter bestehende selbsttragende Wölbung aufweist, die die Regenerierfüllung hält.

7. Patrone nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter 2 gelochte Metailstücke von ausgewölbter Form aufweist, zwischen denen das Filterelement untagebracht ist.

8. Patrone nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie im P oberen Teil eine Feder aufweist, deren Dehnung derart begrenzt ist, daß das Volumen der Regenerierfüllung kontrolliert wird.

9. Patrone nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie an dem zylindrischen Körper eine die Dehnung der Feder begrenzende Einwölbung, eine Meti-Xlscheibe mit großen Lochungen,

z. B. aus Streckmetall, und eine Metallscheibe mit feinen Lochungen, z. B. Metallblech mit feinen Maschen, aufweist, die zwischen die Regenerierfüllung und die Feder unter Auf-

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lage auf die Einwölbung eingesetzt ist und das mindestens eine Zwischenlage die Regenerierfüllung in mindestens zwei Chargen gleichen Volumens aufteilt und das Filter eine ausgewölbte Metallscheibe von großen Lochungen, ζ* Β. Streckmetall, die an einer im zylindrischen Körper in seinem unteren Teil ausgearbeiteten Einwölbung anliegt, und äne andere ausgewölbte 1-Eteilscheibe mit feinenLochungen aufweist, und ferner gekennzeichnet dadurch, daß die Böden der Patrone mit Folie geringer Dicke, vorzugsweise aus Kupfer, ausgerüstet sind.

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