RU2160490C1 - Singlet oxygen production process and device - Google Patents
Singlet oxygen production process and device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2160490C1 RU2160490C1 RU99106820A RU99106820A RU2160490C1 RU 2160490 C1 RU2160490 C1 RU 2160490C1 RU 99106820 A RU99106820 A RU 99106820A RU 99106820 A RU99106820 A RU 99106820A RU 2160490 C1 RU2160490 C1 RU 2160490C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- liquid
- tank
- singlet oxygen
- temperature
- refrigerant
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к лазерной технике, преимущественно к химическим лазерам, и может быть использовано в технологическом кислород-йодном лазере (КИЛ). The invention relates to laser technology, mainly to chemical lasers, and can be used in a technological oxygen-iodine laser (CIL).
При создании способов и устройств для получения синглетного кислорода, работающих в течение длительного времени, например, в технологическом кислород-йодном лазере, возникает целый ряд проблем. Часть из них связана с прокачкой высокоагрессивной рабочей жидкости - щелочного раствора перекиси водорода (Basic Hydrogen Peroxide - ВНР) через химический реактор. Первая проблема - выбор насоса и условий его работы для прокачки жидкости. Давление в химическом реакторе устройства обычно не превышает 30 - 100 Торр. При таком низком уровне давлений на входе в жидкостной насос необходима очень высокая степень сжатия насоса с тем, чтобы обеспечить необходимое давление жидкости на входе химического реактора (2 - 3 атм). Выбор таких насосов крайне ограничен, кроме того, из-за низкого давления всасывания и высокой степени сжатия в насосе интенсивно идут кавитационные процессы, и он быстро выходит из строя. Вторая проблема связана с необходимостью отвода значительного количества энергии (ΔН = -155 кДж/моль), выделяющейся при взаимодействии рабочей жидкости (ВНР) с газообразным хлором в химическом реакторе. В процессе работы устройства для уменьшения разложения рабочей жидкости, а также для снижения давления паров воды на выходе до уровня ~ 1 Торр, необходимо поддерживать температуру жидкости на уровне -(15-20)oC. В результате габариты теплообменника для охлаждения жидкости при непрерывной работе устройства получаются большими, а эффективность использования хладагента - низкой. Третья проблема связана с выработкой жидкости и необходимостью ее постоянного обновления или стабилизации состава в процессе работы устройства, особенно при непрерывном режиме работы.When creating methods and devices for producing singlet oxygen, operating for a long time, for example, in a technological oxygen-iodine laser, a number of problems arise. Some of them are associated with pumping a highly aggressive working fluid - an alkaline solution of hydrogen peroxide (Basic Hydrogen Peroxide - ВНР) through a chemical reactor. The first problem is the choice of the pump and its working conditions for pumping fluid. The pressure in the chemical reactor of the device usually does not exceed 30 - 100 Torr. With such a low pressure level at the inlet to the liquid pump, a very high degree of compression of the pump is necessary in order to provide the necessary liquid pressure at the inlet of the chemical reactor (2 to 3 atm). The choice of such pumps is extremely limited, in addition, due to the low suction pressure and a high degree of compression, cavitation processes are intensively in the pump, and it quickly fails. The second problem is related to the need to divert a significant amount of energy (ΔН = -155 kJ / mol) released during the interaction of the working fluid (VNR) with gaseous chlorine in a chemical reactor. In the process of operation of the device to reduce the decomposition of the working fluid, as well as to reduce the pressure of water vapor at the outlet to the level of ~ 1 Torr, it is necessary to maintain the temperature of the fluid at the level of - (15-20) o C. As a result, the dimensions of the heat exchanger for cooling the fluid during continuous operation the devices are large and the refrigerant efficiency is low. The third problem is associated with the production of fluid and the need for its constant updating or stabilization of the composition during operation of the device, especially during continuous operation.
Известен способ получения синглетного кислорода для кислород-йодного лазера [1] , заключающийся в том, что в химический реактор подают газообразный хлор и рабочую жидкость - щелочной раствор перекиси водорода. Рабочую жидкость предварительно приготовляют в резервуаре, охлаждают до температуры -(15-20)oC и подают в химический реактор с помощью шестеренчатого насоса. В реакторе струи щелочного раствора перекиси водорода химически взаимодействуют с потоком газообразного хлора, в результате образуется кислород с преимущественно возбужденным первым электронным уровнем (синглетный кислород), который выводят из химического реактора и подают для использования в лазерный объем КИЛ. Отработавшую в реакторе жидкость по трубопроводу возвращают в резервуар. Таким образам в устройстве осуществляют циркуляцию рабочей жидкости через химический реактор до ее полной выработки при взаимодействии с газообразным хлором. Недостатком способа является невозможность его осуществления в непрерывном режиме из-за выработки реагентов. Указанный способ получения синглетного кислорода реализован с помощью устройства [1], включающего химический реактор, резервуар с щелочным раствором перекиси водорода и жидкостной насос, объединенные трубопроводами в замкнутый контур, источник хлора и вакуумную систему, соединенные с химическим реактором, теплообменник, подключенный к источнику хладагента (охлажденного этилового спирта). Из-за значительного тепловыделения в химическом реакторе при взаимодействии между хлором и щелочным раствором перекиси водорода температура жидкости в резервуаре в процессе работы устройства непрерывно повышается, поэтому для поддержания постоянства ее температуры теплообменник имеет большую поверхность теплообмена, что увеличивает габариты и массу устройства.A known method of producing singlet oxygen for an oxygen-iodine laser [1], which consists in the fact that gaseous chlorine and a working fluid — an alkaline solution of hydrogen peroxide — are fed into a chemical reactor. The working fluid is pre-prepared in a tank, cooled to a temperature of - (15-20) o C and served in a chemical reactor using a gear pump. In the reactor, jets of an alkaline solution of hydrogen peroxide chemically interact with a stream of chlorine gas, resulting in the formation of oxygen with a predominantly excited first electronic level (singlet oxygen), which is removed from the chemical reactor and fed for use in the laser volume of the COIL. The liquid spent in the reactor is returned to the tank via a pipeline. Thus, in the device, the working fluid is circulated through the chemical reactor until it is fully developed by interaction with gaseous chlorine. The disadvantage of this method is the impossibility of its implementation in continuous mode due to the development of reagents. The specified method of producing singlet oxygen is implemented using a device [1], including a chemical reactor, a tank with an alkaline solution of hydrogen peroxide and a liquid pump, combined by pipelines in a closed loop, a chlorine source and a vacuum system connected to a chemical reactor, a heat exchanger connected to a refrigerant source (chilled ethyl alcohol). Due to the significant heat release in a chemical reactor during the interaction between chlorine and an alkaline solution of hydrogen peroxide, the temperature of the liquid in the tank during the operation of the device increases continuously, therefore, to maintain a constant temperature, the heat exchanger has a large heat exchange surface, which increases the dimensions and weight of the device.
Известен способ получения синглетного кислорода для кислород-йодного лазера [2] . В отличие от предыдущего аналога используют щелочной раствор перекиси водорода, находящийся при комнатной температуре, и подают в химический реактор с помощью насоса. В реакторе в результате взаимодействия ВНР с газообразным хлором образуется синглетный кислород, который выводят из химического реактора через криогенную ловушку, в которой вымораживают пары воды, и подают для использования в лазерный объем КИЛ. Отработавшую в реакторе жидкость возвращают в резервуар. По мере выработки рабочего раствора его частично стабилизируют добавлением водного раствора щелочи. Основным недостатком указанного способа является необходимость использования для его реализации криогенной ловушки, что усложняет и удорожает его использование и снижает выход синглетного кислорода. Способ реализован в генераторе синглетного кислорода (ГСК) для химического кислород-йодного лазера [2], включающем химический реактор, резервуар с щелочным раствором перекиси водорода и жидкостной насос, объединенные трубопроводами в замкнутый контур, источник хлора, соединенный с химическим реактором, установленные в резервуаре устройство для перемешивания ВНР и теплообменник, соединенный с источником низкотемпературного хладагента, источник щелочи, подключенный к резервуару, и криогенную ловушку, установленную на выходе химического реактора. За счет использования в качестве теплоносителя низкотемпературного хладагента (жидкого азота) и принудительного перемешивания жидкости эффективность охлаждения и однородность температуры ВНР в этом устройстве значительно лучше, чем у предыдущего аналога. Больше также и продолжительность работы благодаря добавлению щелочи в рабочую жидкость по мере ее выработки. В то же время ГСК такого типа обладает рядом недостатков. Во-первых, из-за наличия между хладагентом и рабочей жидкостью промежуточного элемента - теплообменника, обладающего значительным тепловым сопротивлением, эффективность теплообмена снижается. Кроме того, при работе ГСК на теплообменнике образуется ледяная "шуба", которая еще более уменьшает эффективность охлаждения ВНР. Обе причины приводят к повышению расхода хладагента. Во-вторых, как и в предыдущем аналоге, низкое давление рабочего раствора на входе приводит к кавитационным явлениям в насосе и быстрому выходу его из строя. В-третьих, добавление щелочи в выработанную жидкость полностью не решает проблему стабилизации состава ВНР и обеспечения непрерывной работы ГСК, поскольку при растворении щелочи выделяется большое количество тепла, а щелочной раствор перекиси водорода становится менее концентрированным. В-четвертых, работа при температуре жидкости 10 - 15oC требует использования на выходе устройства криогенной ловушки для удаления из синглетного кислорода паров воды, что усложняет конструкцию ГСК, увеличивает расход низкотемпературного хладагента и снижает выход синглетного кислорода.A known method of producing singlet oxygen for an oxygen-iodine laser [2]. In contrast to the previous analogue, an alkaline hydrogen peroxide solution at room temperature is used and fed to a chemical reactor using a pump. Singlet oxygen is formed in the reactor as a result of the interaction of BHP with gaseous chlorine, which is removed from the chemical reactor through a cryogenic trap in which water vapor is frozen and fed to the laser volume for COIL. The spent liquid in the reactor is returned to the tank. As the working solution is developed, it is partially stabilized by the addition of an aqueous alkali solution. The main disadvantage of this method is the need to use a cryogenic trap for its implementation, which complicates and increases the cost of its use and reduces the yield of singlet oxygen. The method is implemented in a singlet oxygen generator (HSC) for a chemical oxygen-iodine laser [2], including a chemical reactor, a tank with an alkaline solution of hydrogen peroxide and a liquid pump, combined by pipelines in a closed loop, a chlorine source connected to a chemical reactor installed in the tank a device for mixing VNR and a heat exchanger connected to a source of low-temperature refrigerant, an alkali source connected to the tank, and a cryogenic trap installed at the outlet of the chemical reactor. Due to the use of a low-temperature refrigerant (liquid nitrogen) as a coolant and forced mixing of the liquid, the cooling efficiency and uniformity of the temperature of the VNR in this device are much better than the previous analogue. Also, the duration of the work is longer due to the addition of alkali to the working fluid as it develops. At the same time, HSCs of this type have several disadvantages. Firstly, due to the presence of an intermediate element between the refrigerant and the working fluid - a heat exchanger with significant thermal resistance, the heat transfer efficiency is reduced. In addition, during the operation of the HSC, an ice "coat" is formed on the heat exchanger, which further reduces the cooling efficiency of the VNR. Both reasons lead to increased refrigerant consumption. Secondly, as in the previous analogue, the low pressure of the working solution at the inlet leads to cavitation phenomena in the pump and its rapid failure. Thirdly, the addition of alkali to the produced fluid does not completely solve the problem of stabilizing the composition of the BHP and ensuring the continuous operation of the HSC, since a large amount of heat is released when the alkali is dissolved, and the alkaline hydrogen peroxide solution becomes less concentrated. Fourth, working at a liquid temperature of 10 - 15 o C requires the use of a cryogenic trap at the outlet of the device to remove water vapor from singlet oxygen, which complicates the design of HSCs, increases the consumption of low-temperature refrigerant and reduces the output of singlet oxygen.
Известен способ получения синглетного кислорода для кислород-йодного лазера [3] , включающий подачу щелочного раствора перекиси водорода и газообразного хлора в химический реактор, вывод из реактора образовавшегося синглетного кислорода, отработанной жидкости и стабилизацию состава раствора. Рабочий раствор охлаждают в теплообменнике с помощью жидкого азота, а образовавшийся холодный газообразный азот подают в химический реактор в качестве буферного газа вместе с газообразным хлором, что уменьшает потери синглетного кислорода при его дальнейшей транспортировке. Для стабилизации состава раствора в него добавляют щелочь и перекись водорода, удаляют образовавшиеся при работе соль и воду. Недостатком способа является повышенный расход низкотемпературного хладагента - жидкого азота из-за низкой эффективности теплообмена и значительного тепловыделения при растворении щелочи в перекиси водорода. Указанный способ реализован в устройстве для получения синглетного кислорода в технологическом кислород-йодном лазере [3], включающем химический реактор, резервуар с щелочным раствором перекиси водорода, жидкостной насос, концентратор, смеситель, теплообменник, сепаратор соли, источники хлора, жидкого азота, перекиси водорода и щелочи. Для стабилизации состава рабочего раствора система содержит концентратор, сепаратор и смеситель. Концентратор служит для удаления избытка воды, а сепаратор - образовавшейся соли из отработанного раствора в специально предусмотренный сборник продуктов реакции. В смесителе производят восполнение выработанных веществ путем добавления в рабочий раствор перекиси водорода и щелочи. Данная система получения синглетного кислорода содержит все необходимые элементы для работы в непрерывном режиме и является наиболее совершенной из известных устройств. Тем не менее система обладает рядом очевидных недостатков. Во-первых, как и во всех предыдущих аналогах, низкое рабочее давление на входе в жидкостной насос и необходимая для работы системы высокая степень сжатия насоса приводят к кавитационным явлениям в насосе и быстрому выходу его из строя. Во-вторых, низкая эффективность использования жидкого азота из-за наличия теплообменника с передачей тепла через промежуточный элемент со значительным тепловым сопротивлением требует больших расходов жидкого азота, что удорожает эксплуатацию устройства. Указанные способ и устройство для получения синглетного кислорода, как наиболее близкие по своей технической сущности предлагаемому техническому решению, выбраны в качестве прототипа. There is a method of producing singlet oxygen for an oxygen-iodine laser [3], which includes supplying an alkaline solution of hydrogen peroxide and gaseous chlorine to a chemical reactor, withdrawing singlet oxygen, spent liquid from the reactor, and stabilizing the composition of the solution. The working solution is cooled in a heat exchanger using liquid nitrogen, and the resulting cold nitrogen gas is supplied to the chemical reactor as a buffer gas together with chlorine gas, which reduces the loss of singlet oxygen during its further transportation. To stabilize the composition of the solution, alkali and hydrogen peroxide are added to it, and the salt and water formed during operation are removed. The disadvantage of this method is the increased consumption of low-temperature refrigerant - liquid nitrogen due to the low heat transfer efficiency and significant heat during the dissolution of alkali in hydrogen peroxide. The specified method is implemented in a device for producing singlet oxygen in a technological oxygen-iodine laser [3], including a chemical reactor, a tank with an alkaline solution of hydrogen peroxide, a liquid pump, a concentrator, a mixer, a heat exchanger, a salt separator, sources of chlorine, liquid nitrogen, hydrogen peroxide and alkalis. To stabilize the composition of the working solution, the system contains a concentrator, a separator and a mixer. The concentrator serves to remove excess water, and the separator - the formed salt from the spent solution to a specially provided collection of reaction products. In the mixer, the produced substances are replenished by adding hydrogen peroxide and alkali to the working solution. This system for the production of singlet oxygen contains all the necessary elements for continuous operation and is the most advanced of the known devices. Nevertheless, the system has a number of obvious disadvantages. Firstly, as in all previous analogues, the low working pressure at the inlet to the liquid pump and the high degree of compression of the pump necessary for the system to operate lead to cavitation phenomena in the pump and its rapid failure. Secondly, the low efficiency of using liquid nitrogen due to the presence of a heat exchanger with heat transfer through an intermediate element with significant thermal resistance requires high costs of liquid nitrogen, which increases the cost of operation of the device. The specified method and device for producing singlet oxygen, as the closest in their technical essence to the proposed technical solution, are selected as a prototype.
Техническая задача изобретения состоит в создании способа непрерывного получения синглетного кислорода, в обеспечении бескавитационного режима работы устройства и использовании для его охлаждения теплоты фазового перехода жидкость - газ путем непосредственной инжекции в рабочий раствор жидкого низкотемпературного хладагента. The technical task of the invention is to create a method for the continuous production of singlet oxygen, to provide a cavitation-free mode of operation of the device and to use the heat of the liquid-gas phase transition to cool it by direct injection of a liquid low-temperature refrigerant into the working solution.
Технический результат в предлагаемых способе и устройстве для получения синглетного кислорода состоит в повышении надежности, уменьшении расхода хладагента и обеспечении непрерывного режима работы. The technical result in the proposed method and device for producing singlet oxygen is to increase reliability, reduce refrigerant consumption and ensure continuous operation.
Это достигается тем, что в известном способе получения синглетного кислорода, включающем подачу щелочного раствора перекиси водорода и газообразного хлора в химический реактор, вывод из реактора образовавшегося синглетного кислорода, отработанной жидкости и стабилизацию состава раствора, жидкость из реактора отводят через дополнительные баки, поочередно вакуумируя и наполняя жидкостью каждый из них, с последующим перепуском жидкости в резервуар под действием высокого давления, жидкость в резервуаре поддерживают при атмосферном давлении и охлаждают до рабочей температуры путем инжекции в нее жидкого низкотемпературного хладагента. This is achieved by the fact that in the known method for producing singlet oxygen, comprising supplying an alkaline solution of hydrogen peroxide and chlorine gas to a chemical reactor, withdrawing the formed singlet oxygen, spent liquid from the reactor and stabilizing the composition of the solution, the liquid is withdrawn from the reactor through additional tanks, evacuating and filling each of them with liquid, followed by transferring the liquid into the tank under high pressure, the liquid in the tank is maintained at atmospheric pressure enii and cooled to operating temperature by injecting into it a low-temperature liquid refrigerant.
Во втором варианте способа получения синглетного кислорода низкотемпературный хладагент подают в резервуаре навстречу потоку отработанной жидкости. In a second embodiment of the method for producing singlet oxygen, low-temperature refrigerant is supplied in the tank towards the flow of the spent liquid.
В известном устройстве для получения синглетного кислорода, включающем химический реактор, резервуар с щелочным раствором перекиси водорода, жидкостной насос, источник хлора, соединенный с химическим реактором, и источник низкотемпературного хладагента, отличительным является то, что оно снабжено, по крайней мере, двумя баками, соединенными с химическим реактором, резервуаром, источником высокого давления и вакуумной системой посредством отсечных клапанов, при этом резервуар снабжен инжектором жидкого низкотемпературного хладагента, устройствами слива отработанной жидкости и вывода газифицированного хладагента и подключен к источнику щелочного раствора перекиси водорода. In the known device for producing singlet oxygen, including a chemical reactor, a tank with an alkaline solution of hydrogen peroxide, a liquid pump, a source of chlorine connected to a chemical reactor, and a source of low-temperature refrigerant, it is distinctive that it is provided with at least two tanks, connected to a chemical reactor, a reservoir, a high pressure source and a vacuum system through shut-off valves, while the reservoir is equipped with a liquid low-temperature refrigerant injector , devices for draining waste liquid and withdrawing gasified refrigerant and is connected to a source of an alkaline solution of hydrogen peroxide.
Во втором варианте выполнения устройства отличительным является то, что источник низкотемпературного хладагента и инжектор соединены через регулятор расхода хладагента. In a second embodiment of the device, it is distinctive that the low-temperature refrigerant source and the injector are connected through a refrigerant flow controller.
В третьем варианте выполнения устройства отличительным является то, что на выходном конце трубопровода, соединяющего баки с резервуаром, установлен наконечник с отверстиями. In the third embodiment, the device is distinguished by the fact that at the output end of the pipeline connecting the tanks to the tank, a tip with holes is installed.
В четвертом варианте выполнения устройства отличительным является то, что отверстия наконечника выполнены напротив отверстий инжектора. In the fourth embodiment of the device, it is distinctive that the tip openings are made opposite the injector openings.
В пятом варианте выполнения устройства отличительным является то, что оно снабжено автоматической системой управления, входы которой соединены с датчиками температуры рабочей жидкости в резервуаре и ее уровня в баках, а выходы - с отсечными клапанами и регулятором расхода низкотемпературного хладагента. In the fifth embodiment, the device is distinguished by the fact that it is equipped with an automatic control system, the inputs of which are connected to sensors of the temperature of the working fluid in the tank and its level in the tanks, and the outputs are with shut-off valves and a low-temperature refrigerant flow controller.
Указанные отличия позволяют создать надежные непрерывно работающие способ и устройство для получения синглетного кислорода со значительно меньшими расходами хладагента и эксплуатационными затратами, чем у известных аналогов. These differences allow you to create a reliable continuously working method and device for producing singlet oxygen with significantly lower refrigerant costs and operating costs than the known analogues.
Не обнаружены способы получения синглетного кислорода, в которых отработанную жидкость отводят через дополнительные баки, поочередно вакуумируя и наполняя жидкостью каждый из них, с последующим перепуском жидкости в резервуар под действием высокого давления, жидкость в резервуаре поддерживают при атмосферном давлении. Для этого устройство снабжено, по крайней мере, двумя баками, соединенными с химическим реактором, резервуаром, источником высокого давления и вакуумной системой посредством отсечных клапанов. Использование данных отличительных признаков дает возможность реализовать непрерывный режим работы устройства, при котором в химическом реакторе поддерживается низкое рабочее давление, например, 20 - 100 Торр, а давление жидкости на входе в насос несколько превышает атмосферное (на высоту столба жидкости в резервуаре). Снабжение устройства более чем двумя баками позволяет снизить требования к скоростям откачки воздуха и опорожнения жидкости из баков, но требует для работы большего количества жидкости. Использование данного технического решения предотвращает возможность возникновения кавитационных процессов в насосе, существенно повышает его надежность, а с ним и всего устройства в целом. Известны устройства для перекачки жидкости под действием давления - пневматические насосы, или насосы Манжю [4]. Они работают в периодическом режиме и позволяют перекачивать жидкость, находящуюся при атмосферном давлении. В отличие от известных технических решений предлагаемые способ и устройство позволяют реализовать непрерывный режим прокачки жидкости через нагрузку (химический реактор) в значительно более широком диапазоне давлений, в том числе при давлении значительно ниже атмосферного. No methods were found for producing singlet oxygen, in which the spent liquid is discharged through additional tanks, vacuuming and filling each of them with liquid, followed by transfer of the liquid to the tank under high pressure, the liquid in the tank is maintained at atmospheric pressure. For this, the device is equipped with at least two tanks connected to a chemical reactor, a reservoir, a high pressure source and a vacuum system through shut-off valves. Using these distinguishing features makes it possible to realize a continuous mode of operation of the device, in which a low working pressure is maintained in a chemical reactor, for example, 20-100 Torr, and the liquid pressure at the pump inlet is slightly higher than atmospheric (by the height of the liquid column in the tank). The supply of the device with more than two tanks allows you to reduce the requirements for the rates of pumping air and emptying the liquid from the tanks, but requires more liquid to work. The use of this technical solution prevents the possibility of cavitation processes in the pump, significantly increases its reliability, and with it the entire device as a whole. Known devices for pumping fluid under pressure - pneumatic pumps, or Manju pumps [4]. They operate in periodic mode and allow pumping liquid at atmospheric pressure. In contrast to the known technical solutions, the proposed method and device allow to realize a continuous mode of pumping liquid through a load (chemical reactor) in a much wider range of pressures, including at pressures significantly lower than atmospheric.
Не обнаружены способы получения синглетного кислорода, в которых жидкость в резервуаре охлаждают путем инжекции в нее жидкого низкотемпературного хладагента. Для этого резервуар устройства снабжен инжектором жидкого низкотемпературного хладагента и устройством вывода газифицированного хладагента. Использование данных отличительных признаков позволяет подавать и испарять жидкий низкотемпературный хладагент, например жидкий азот, непосредственно в щелочном растворе перекиси водорода. Это дает возможность эффективно охлаждать рабочий раствор, используя как теплоту фазового перехода жидкость - газ низкотемпературного хладагента, так и низкую температуру газифицированного хладагента, отводить тепло из рабочей жидкости в реальном масштабе времени и, тем самым, уменьшить расход хладагента и реализовать непрерывный режим работы устройства. Известны устройства, в которых использован отличительный от прототипа признак - снабжение их инжектором жидкого азота [5, 6] . Технический результат, достигаемый при использовании этого признака в предлагаемом техническом решении и известных устройствах, одинаков. No methods have been found for producing singlet oxygen, in which the liquid in the tank is cooled by injection of a liquid low-temperature refrigerant into it. To this end, the reservoir of the device is equipped with an injector of liquid low-temperature refrigerant and a device for removing gasified refrigerant. The use of these distinguishing features allows the supply and evaporation of a liquid low-temperature refrigerant, for example liquid nitrogen, directly in an alkaline solution of hydrogen peroxide. This makes it possible to efficiently cool the working solution using both the heat of the liquid-gas phase transition of the low-temperature refrigerant and the low temperature of the gasified refrigerant, to remove heat from the working fluid in real time and, thereby, reduce the flow of refrigerant and realize continuous operation of the device. Known devices in which a feature distinguishing from the prototype is used — supplying them with a liquid nitrogen injector [5, 6]. The technical result achieved by using this feature in the proposed technical solution and known devices is the same.
Не обнаружены устройства для получения синглетного кислорода, в которых для стабилизации состава рабочего раствора они снабжены устройством слива отработанной жидкости и подключены к источнику щелочного раствора перекиси водорода. Использование указанных отличительных признаков позволяет обеспечить непрерывный режим работы устройства. No device was found for the production of singlet oxygen, in which, to stabilize the composition of the working solution, they are equipped with a device for draining the spent liquid and are connected to a source of alkaline hydrogen peroxide solution. The use of these distinguishing features allows for continuous operation of the device.
Подача низкотемпературного хладагента в резервуар навстречу потоку отработанной жидкости позволяет более интенсивно газифицировать хладагент, что уменьшает его расход и снижает стоимость эксплуатации устройства. The supply of low-temperature refrigerant to the tank towards the flow of waste liquid allows more intensive gasification of the refrigerant, which reduces its consumption and reduces the cost of operating the device.
Соединение источника низкотемпературного хладагента и инжектора через регулятор расхода хладагента позволяет устанавливать оптимальные расходы хладагента в различных режимах работы и поддерживать постоянную температуру в рабочем режиме. Так, например, в режиме подготовки к работе для охлаждения рабочей жидкости и элементов конструкции устройства достаточен примерно на порядок величины меньший расход хладагента, чем в рабочем режиме. Использование регулятора расхода хладагента позволит поддержать оптимальный расход хладагента и уменьшить расходы на эксплуатацию устройства в целом. The connection of the source of low-temperature refrigerant and the injector through the regulator of the flow of refrigerant allows you to set the optimal flow of refrigerant in various operating modes and maintain a constant temperature in operating mode. So, for example, in the preparation for operation, for cooling the working fluid and structural elements of the device, a lower flow rate of refrigerant is approximately an order of magnitude smaller than in the operating mode. Using a refrigerant flow regulator will help maintain optimal refrigerant flow and reduce the cost of operating the device as a whole.
Установка наконечника с отверстиями на выходном конце трубопровода, соединяющего баки и резервуар, позволяет уменьшать ценообразование в рабочей жидкости при ее перепуске из баков в резервуар. Это повышает надежность работы устройства. The installation of a nozzle with holes at the outlet end of the pipeline connecting the tanks and the tank allows to reduce the pricing in the working fluid when it is transferred from the tanks to the tank. This increases the reliability of the device.
Выполнение отверстий наконечника напротив отверстий инжектора позволяет направлять более теплые струи отработанной жидкости непосредственно на струи низкотемпературного хладагента, истекающие из инжектора. Это интенсифицирует газификацию хладагента, что уменьшает его расход и снижает стоимость эксплуатации устройства. The execution of the nozzle openings opposite the injector openings allows directing warmer jets of the spent liquid directly onto jets of low-temperature refrigerant flowing out of the injector. This intensifies the gasification of the refrigerant, which reduces its consumption and reduces the cost of operating the device.
Снабжение устройства для получения сиглетного кислорода автоматической системой управления, входы которой соединены с датчиками температуры в резервуаре и ее уровня в баках, а выходы - с отсечными клапанами и регулятором расхода низкотемпературного хладагента, позволяет выполнять все операции подготовки к работе и работы устройства с помощью компьютера и, тем самым, повышает надежность работы устройства. The supply of the device for producing siglet oxygen with an automatic control system, the inputs of which are connected to temperature sensors in the tank and its level in the tanks, and the outputs to shut-off valves and a low-temperature refrigerant flow controller, allows you to perform all the preparations for operation and operation of the device using a computer and , thereby, increases the reliability of the device.
На чертеже поясняются предлагаемые способ и устройство для получения синглетного кислорода. Цифрами обозначены следующие элементы: 1 - резервуар; 2 - рабочая жидкость; 3 - устройство вывода газифицированного хладагента; 4 - устройство ввода рабочей жидкости; 5 - источник рабочей жидкости; 6 - пары газифицированного низкотемпературного хладагента; 7 - низкотемпературный хладагент; 8 - инжектор; 9 - источник низкотемпературного хладагента; 10 - регулятор расхода хладагента; 11 - устройство слива; 12 - отработанная жидкость; 13 - отсечной клапан; 14 - всасывающий трубопровод; 15 - отсечной клапан; 16 - трубопровод; 17 - жидкостной насос; 18 - трубопровод; 19 - химический реактор; 20 - источник хлора; 21 - трубопровод; 22 - газообразный хлор; 23 - выход синглетного кислорода; 24 - трубопровод; 25, 26 - отсечные клапаны; 27, 28 - трубопроводы; 29, 30 - баки; 31, 32 - датчики уровня жидкости; 33, 34 - трубопроводы; 35-38 - отсечные клапаны; 39 - вакуумная система; 40 - источник высокого давления; 41, 42 - отсечные клапаны; 43 - трубопровод; 44 - наконечник; 45 - отверстия наконечника; 46 - датчик температуры; 47 - автоматическая система управления. The drawing illustrates the proposed method and device for producing singlet oxygen. The numbers denote the following elements: 1 - reservoir; 2 - working fluid; 3 - output device gasified refrigerant; 4 - input device for the working fluid; 5 - source of working fluid; 6 - vapor gasified low-temperature refrigerant; 7 - low temperature refrigerant; 8 - injector; 9 - source of low temperature refrigerant; 10 - refrigerant flow controller; 11 - drain device; 12 - waste liquid; 13 - shut-off valve; 14 - suction pipe; 15 - shut-off valve; 16 - pipeline; 17 - a liquid pump; 18 - pipeline; 19 - chemical reactor; 20 - a source of chlorine; 21 - pipeline; 22 - chlorine gas; 23 - output of singlet oxygen; 24 - pipeline; 25, 26 - shut-off valves; 27, 28 - pipelines; 29, 30 - tanks; 31, 32 - liquid level sensors; 33, 34 - pipelines; 35-38 - shut-off valves; 39 - a vacuum system; 40 - source of high pressure; 41, 42 - shut-off valves; 43 - pipeline; 44 - tip; 45 - tip holes; 46 - temperature sensor; 47 - automatic control system.
Устройство для получения синглетного кислорода содержит резервуар 1 для хранения и использования рабочей жидкости 2 - щелочного раствора перекиси водорода (ВНР). Резервуар 1 снабжен устройством вывода газифицированного хладагента 3 для удаления паров 6 низкотемпературного хладагента 7 и поддержания в резервуаре 1 атмосферного давления и устройством ввода рабочей жидкости 4 для подключения резервуара 1 к источнику рабочей жидкости 5. В нижней части резервуара 1 установлен инжектор 8 для охлаждения рабочей жидкости 2 путем впрыскивания в нее жидкого низкотемпературного хладагента 7 от источника низкотемпературного хладагента 9 через регулятор расхода 10. Резервуар 1 снабжен устройством слива 11 для удаления отработанной жидкости 12 и закрыт отсечным клапаном 13. В резервуаре 1 установлен всасывающий трубопровод 14 для забора рабочей жидкости 2, который через отсечной клапан 15 и трубопровод 16 соединен с входом жидкостного насоса 17. Выход насоса 17 через трубопровод 18 соединен с входом химического реактора 19, например, аэрозольно-струйного реактора с закрученным потоком газа [8]. Другой вход реактора 19 соединен с источником хлора 20 через трубопровод 21 для подачи в реактор 19 газообразного хлора 22. Первый выход химического реактора 19 служит для вывода полученного синглетного кислорода 23, другой выход через трубопровод 24 и отсечные клапаны 25, 26 и трубопроводы 27, 28 соединен с баками 29 и 30 для приема рабочей жидкости 2. В баках 29 и 30 установлены датчики уровня жидкости 31 и 32. Баки 29 и 30 через трубопроводы 33, 34 и отсечные клапаны 35 - 38 соединены, соответственно, с вакуумной системой 39 и источником высокого давления 40, например, воздушным компрессором. Баки 29 и 30 содержат отсечные клапаны 41, 42 и трубопровод 43 с установленным на его конце наконечником 44 с отверстиями 45. Управляющие входы отсечных клапанов 13, 15, 25, 26, 35 - 38, 41, 42, выходы датчиков уровня жидкости 31, 32 и температуры 46 соединены с автоматической системой управления 47. A device for producing singlet oxygen contains a tank 1 for storing and using a working fluid 2 - an alkaline solution of hydrogen peroxide (VNR). The tank 1 is equipped with a gasified refrigerant outlet device 3 for removing vapor 6 of low-temperature refrigerant 7 and maintaining atmospheric pressure in the tank 1 and a working fluid inlet 4 for connecting the reservoir 1 to the source of the working fluid 5. At the bottom of the tank 1, an injector 8 is installed for cooling the working fluid 2 by injecting liquid low-temperature refrigerant 7 into it from a source of low-temperature refrigerant 9 through a flow regulator 10. The tank 1 is equipped with a drain 11 discharge liquid 12 and is closed by a shut-off valve 13. In the tank 1 is installed a suction pipe 14 for intake of a working fluid 2, which is connected through a shut-off valve 15 and a pipe 16 to the inlet of the liquid pump 17. The output of the pump 17 through the pipe 18 is connected to the inlet of the chemical reactor 19 , for example, an aerosol-jet reactor with a swirling gas flow [8]. Another input of the reactor 19 is connected to a source of chlorine 20 through a pipe 21 for supplying chlorine gas 22 to the reactor 19. The first output of the chemical reactor 19 serves to output the obtained singlet oxygen 23, the other output through the pipe 24 and shut-off valves 25, 26 and pipelines 27, 28 connected to the tanks 29 and 30 for receiving the working fluid 2. In the tanks 29 and 30, liquid level sensors 31 and 32 are installed. The tanks 29 and 30 are connected through pipelines 33, 34 and shut-off valves 35 to 38, respectively, to the vacuum system 39 and the source high pressure 40 for example in air compressor. The tanks 29 and 30 contain shut-off valves 41, 42 and a pipe 43 with a tip 44 installed with openings 45 with openings 45. The control inputs of the shut-off valves 13, 15, 25, 26, 35 - 38, 41, 42, the outputs of the liquid level sensors 31, 32 and temperatures 46 are connected to the automatic control system 47.
Заявляемые способ и устройство для получения синглетного кислорода работают следующим образом. Для подготовки к работе все клапаны устройства закрывают. В резервуар 1 из источника рабочей жидкости 5 через устройство ввода 4 заливают предварительно приготовленную рабочую жидкость 2 - щелочной раствор перекиси водорода (ВНР). Для охлаждения жидкости 2, а также всех элементов замкнутого контура устройства: химического реактора 19, баков 29, 30, резервуара 1, жидкостного насоса 17, трубопроводов и отсечных клапанов, - до рабочего значения температуры (около -20oC), включают систему рециркуляции рабочей жидкости 2. Для этого открывают клапан 25 и подключают к устройству вакуумную систему 41 с помощью клапана 35. С помощью вакуумной системы 41 вакуумируют химический реактор 19, первый бак 29, жидкостный насос 17 и трубопроводы 16 и 18. После вакуумирования закрывают клапан 35. Открывают клапан 15 и через трубопроводы 14 и 16 заполняют рабочей жидкостью 2 полость насоса 17. Для запуска системы циркуляции рабочей жидкости 2 включают насос 17, с помощью которого подают рабочую жидкость 2 по трубопроводу 18 на вход химического реактора 19. При этом на входе химического реактора 19 создают напорное давление рабочей жидкости 2 в несколько атмосфер (2 - 3 атм). Для реализации предлагаемого способа получения синглетного кислорода жидкость из реактора отводят через дополнительные баки, поочередно вакуумируя и наполняя жидкостью каждый из них, с последующим перепуском жидкости в резервуар под действием высокого давления. Для этого заполняют первый бак 29 через открытый клапан 25 рабочей жидкостью 2, прошедшей через химический реактор 19. Одновременно открывают клапан 36 и соединяют второй бак 30 с вакуумной системой 41. Вакуумируют второй приемный бак 30, закрывают клапан 36. Открывают клапан 26, закрывают клапан 25 и заполняют рабочей жидкостью 2 второй бак 30. Одновременно открывают клапаны 37 и 41, соединяют первый бак 29 с источником высокого давления 40 и перепускают рабочую жидкость 2 из бака 29 по трубопроводу 43 в резервуар 1, закрывают клапан 37. Открывают клапан 35 и вакуумируют бак 29, закрывают клапан 35. Открывают клапан 25, закрывают клапан 26 и заполняют рабочей жидкостью 2 бак 30. Одновременно открывают клапаны 38 и 42, соединяют второй бак 30 с источником высокого давления 40 и перепускают рабочую жидкость 2 по трубопроводу 43 в резервуар 1, закрывают клапан 38. Открывают клапан 36 и вакуумируют второй бак 30, закрывают клапан 36. Далее цикл повторяется. Одновременно с отводом жидкости через дополнительные баки жидкость в резервуаре поддерживают при атмосферном давлении и охлаждают до рабочей температуры путем инжекции в нее жидкого низкотемпературного хладагента. Для этого в нижней части резервуара 1 через инжектор 8 в рабочую жидкость 2 впрыскивают жидкий низкотемпературный хладагент 7, который испаряется и отбирает тепло у рабочей жидкости 2. Пузырьки холодного газифицированного хладагента 7 барботируются сквозь столб рабочей жидкости 2 в резервуаре 1, охлаждают и одновременно перемешивают рабочую жидкость 2. Выходящий из жидкости 2 газифицированный хладагент 6 удаляют из резервуара 1 в атмосферу через устройство вывода 3. Для уменьшения пенообразования в резервуаре 1 при сливе в него рабочей жидкости 2 и улучшения перемешивания жидкости 2 и низкотемпературного хладагента 7 рабочую жидкость 2 перепускают из трубопровода 43 через наконечник 44 с отверстиями 45. Наконечник 44 размещают в резервуаре 1 выше уровня инжектора 8 для подачи низкотемпературного хладагента 7, а отверстия 45 направляют навстречу потоку низкотемпературного хладагента 7, поступающему из инжектора 8. Таким образом, процесс испарения низкотемпературного хладагента 7 интенсифицируют за счет более высокой температуры рабочей жидкости 2, поступающей из баков 29 и 30, по сравнению с температурой рабочей жидкости 2 в резервуаре 1. По достижении рабочей температуры ВНР (примерно -20oC) процесс подготовки устройства к работе заканчивают. Для получения синглетного кислорода 23 от источника хлора 20 в химический реактор 19 подают газообразный хлор 22. В химическом реакторе 19 при взаимодействии рабочей жидкости 2 и газообразного хлора 22 получают кислород 23 с преимущественно возбужденным первым электронным уровнем (синглетный кислород), который выводят из реактора 19 и направляют для дальнейшего использования (например, в кислород-йодный лазер). Одновременно в резервуар 1 через устройство ввода 4 из источника 5 подают концентрированный щелочной раствор перекиси водорода 2 и удаляют из резервуара 1 отработанную жидкость 12 через устройство слива 11 при открытом клапане 13.The inventive method and device for producing singlet oxygen work as follows. To prepare for operation, all valves of the device are closed. In the tank 1 from the source of the working fluid 5 through the input device 4 pour pre-prepared working fluid 2 - an alkaline solution of hydrogen peroxide (VNR). To cool the liquid 2, as well as all elements of the closed loop of the device: chemical reactor 19, tanks 29, 30, tank 1, liquid pump 17, pipelines and shut-off valves, to a working temperature (about -20 o C), include a recirculation system working fluid 2. To do this, open the valve 25 and connect the vacuum system 41 to the device using the valve 35. Using the vacuum system 41, the chemical reactor 19, the first tank 29, the liquid pump 17 and pipelines 16 and 18 are evacuated. After evacuation, close the valve 35. I open t valve 15 and through the pipelines 14 and 16 fill the working fluid 2 with the pump cavity 17. To start the system for circulating the working fluid 2, turn on the pump 17, which feeds the working fluid 2 through the pipe 18 to the inlet of the chemical reactor 19. At the same time, at the inlet of the chemical reactor 19 create a pressure head of the working fluid 2 in several atmospheres (2 - 3 atm). To implement the proposed method for the production of singlet oxygen, the liquid from the reactor is discharged through additional tanks, alternately evacuating and filling each of them with liquid, with the subsequent transfer of liquid into the tank under high pressure. To do this, fill the first tank 29 through the open valve 25 with the working fluid 2 passing through the chemical reactor 19. At the same time, open the valve 36 and connect the second tank 30 to the vacuum system 41. Vacuum the second receiving tank 30, close the valve 36. Open the valve 26, close the valve 25 and fill the second tank 30 with the working fluid 2. At the same time, the valves 37 and 41 are opened, the first tank 29 is connected to the high pressure source 40 and the working fluid 2 is transferred from the tank 29 through the pipe 43 to the tank 1, the valve 37 is closed. The valve 35 and the tank are opened die tank 29, close the valve 35. Open the valve 25, close the valve 26 and fill the working fluid 2 tank 30. At the same time open the valves 38 and 42, connect the second tank 30 to the high pressure source 40 and bypass the working fluid 2 through the pipe 43 to the tank 1 close the valve 38. Open the valve 36 and vacuum the second tank 30, close the valve 36. Next, the cycle repeats. Simultaneously with the removal of liquid through additional tanks, the liquid in the tank is maintained at atmospheric pressure and cooled to operating temperature by injection of liquid low-temperature refrigerant into it. To do this, in the lower part of the tank 1 through the injector 8, liquid low-temperature refrigerant 7 is injected into the working fluid 2, which evaporates and removes heat from the working fluid 2. Bubbles of cold gasified refrigerant 7 are bubbled through the column of working fluid 2 in the tank 1, cooled and at the same time mixed the working fluid liquid 2. The gasified refrigerant 6 leaving the liquid 2 is removed from the tank 1 to the atmosphere through the outlet 3. To reduce foaming in the tank 1 when the working fluid is drained into it 2 and improving mixing of the liquid 2 and the low-temperature refrigerant 7, the working fluid 2 is passed from the pipeline 43 through the nozzle 44 with openings 45. The nozzle 44 is placed in the tank 1 above the level of the injector 8 for supplying low-temperature refrigerant 7, and the openings 45 are directed towards the flow of low-temperature refrigerant 7 coming from the injector 8. Thus, the evaporation process of the low-temperature refrigerant 7 is intensified due to the higher temperature of the working fluid 2 coming from the tanks 29 and 30, by comparison NIJ with temperature of working fluid 2 in the container 1. Upon reaching the operating temperature BHP (approximately -20 o C) process is ready the device for finishing. To obtain singlet oxygen 23 from a source of chlorine 20, chlorine gas 22 is supplied to the chemical reactor 19. In a chemical reactor 19, oxygen 23 with a predominantly excited first electronic level (singlet oxygen) is removed from the reactor 19 by the interaction of the working fluid 2 and chlorine gas 22. and sent for further use (for example, in an oxygen-iodine laser). At the same time, a concentrated alkaline solution of hydrogen peroxide 2 is supplied to the tank 1 through the input device 4 from the source 5 and the spent liquid 12 is removed from the tank 1 through the drain device 11 with the valve 13 open.
В варианте выполнения устройства с автоматической системой управления датчики уровня жидкости 31 и 32 и температуры 46 подключают к входам системы управления 47, а выходы системы - к отсечным клапанам 13, 15, 25, 26, 35-38, 41, 42 и задают ей циклограмму работы, приведенную выше. In an embodiment of the device with an automatic control system, liquid level sensors 31 and 32 and temperature 46 are connected to the inputs of the control system 47, and the outputs of the system are connected to shut-off valves 13, 15, 25, 26, 35-38, 41, 42 and set the cyclogram for it the work given above.
Проведены оценочные расчеты и конструкторская проработка предлагаемого устройства для получения синглетного кислорода. В качестве химического реактора выбираем аэрозольно-струйный реактор с закрученным потоком газа [8] с производительностью по хлору 0.1 моль/с. Предполагаем, что будут использованы 2 бака с объемом по 5 литров каждый. Объем резервуара выбираем равным 80 литров, объем рабочей жидкости в резервуаре 50 литров, диаметр трубопроводов для прокачки рабочей жидкости 25 мм. Для обеспечения в химическом реакторе степени выработки хлора не менее 95% расход рабочей жидкости - щелочного раствора перекиси водорода - выбираем более, чем на порядок величины больше своего стехиометрического значения, определяемого химической реакцией
Сl2 + H2O2 + 2KOH = O2(lΔ) + 2H2O + 2KCl (1)
и принимаем равным 0.7 л/с. При таком расходе жидкости через реактор и заданном проходном сечении трубы скорость рабочей жидкости в трубе составит около 1.4 м/с. Расчет гидравлических потерь в системе вытеснения рабочей жидкости из химического реактора в баки выполнен по методике из работы [9]. Расчет дает суммарный коэффициент сопротивления 2.08 и суммарные потери давления около 20 Торр. Система удаления отработанной жидкости из аэрозольно-струйного ХГСК с закрученным потоком газа [8] создает на выходе из реактора давление 150 - 300 Торр, поэтому никаких проблем с подачей рабочей жидкости в приемные баки не ожидается. При заданных расходе жидкости (0.7 л/с) и объеме бака (5 л) заполнение бака произойдет приблизительно за 7 секунд. Считаем, что опорожнение бака за счет избыточного давления необходимо производить за вдвое меньшее время, т.е. за 3.5 с, чтобы такое же время использовать для вакуумирования бака. В этом случае необходимо обеспечить производительность прокачки 1.4 л/с (скорость жидкости 2.8 м/с). Длину перепускной линии принимаем равной 1 метру. Вычисленный по методике работы [9] суммарный коэффициент сопротивления трубопровода с учетом двух поворотов равен 6.45, а соответствующие потери давления - 3.44 • 104 Па, или ~ 0.35 атм. Т. к. давление жидкости в резервуаре равно сумме атмосферного давления и давления столба жидкости (примерно 1.02 атм), то источник высокого давления, например воздушный компрессор, должен обеспечивать давление вытеснения не менее ~ 1.4 атм. В вакуумной системе используем предварительно отвакуумированный до давления ~ 1 Торр ресивер объемом ~ 1 м3. При сбрасывании в него воздуха из бака объемом 5 литров давление в ресивере поднимется до уровня ~ 4 Торр. Воздух непрерывно удаляем из ресивера с помощью вакуумного насоса, например АВЗ-20, с производительностью 20 л/с. Рассчитанный коэффициент сопротивления тракта подачи рабочей жидкости из емкости в химический реактор при длине линии около 1.5 метров составляет ~ 4, потери давления ~ 0.1 атм, давление на входе в реактор ~ 3 атм. В качестве насоса для прокачки рабочей жидкости выбираем химический насос марки 1.5ХГ-6х2-2.8-2. Он обеспечивает расход жидкости 2.2 л/с, напор 3.5 атм при входном давлении жидкости, равном 1 атм, и предназначен для работы с агрессивными жидкостями, поэтому при прокачке рабочей жидкости (ВНР) не возникнет никаких проблем. Рабочий расход жидкости 0.7 л/с устанавливаем подбором проходного сечения расходной шайбы на выходе насоса. Как известно [1], при взаимодействии в химическом реакторе газообразного хлора с щелочным раствором перекиси водорода в соответствии с химической реакцией (1) выделяется энергия в количестве 155 кДж/моль. Будем считать, что вся энергия идет на нагрев рабочей жидкости. В нашем случае при производительности химического реактора по хлору 0.1 моль/с выделяемое тепло составит 15.5 кДж/с. Это избыточное тепло удаляем из рабочей жидкости путем непосредственного впрыскивания в нее жидкого азота. При этом происходит охлаждение рабочей жидкости как за счет газификации жидкого азота (199,2 Дж/г), так и за счет нагрева газифицированного азота от температуры -195.8oC до рабочей температуры раствора -20oC (184.6 Дж/г) [10, 11]. Таким образом, в рассматриваемых условиях 1 грамм жидкого азота способен отвести примерно 383.8 Дж тепла, и необходимое количество впрыскиваемого жидкого азота составит 40.4 г/с. В результате газификации жидкого азота объемный расход газа через емкость составит 32.4 л/с [11]. Хладагент подаем в нижней части расходной емкости, поэтому пузырьки газа, барботируя через рабочую жидкость, будут эффективно ее перемешивать, способствуя повышению однородности температуры и состава жидкости. Газифицированный азот при температуре около -20oC выводим из емкости через специальное устройство и используем, например, для поддержания необходимой температуры элементов конструкции устройства и охлаждения источника щелочного раствора перекиси водорода. Таким образом, приведенные оценки показывают несомненную осуществимость предлагаемого технического решения.Estimated calculations and design studies of the proposed device for producing singlet oxygen have been carried out. As a chemical reactor, we choose an aerosol-jet reactor with a swirling gas flow [8] with a chlorine productivity of 0.1 mol / s. We assume that 2 tanks with a volume of 5 liters each will be used. The volume of the tank is chosen equal to 80 liters, the volume of the working fluid in the tank is 50 liters, the diameter of the pipelines for pumping the working fluid is 25 mm. To ensure that the chlorine production rate in the chemical reactor is not less than 95%, the flow rate of the working fluid — an alkaline solution of hydrogen peroxide — is chosen more than an order of magnitude greater than its stoichiometric value determined by the chemical reaction
Cl 2 + H 2 O 2 + 2KOH = O 2 ( l Δ) + 2H 2 O + 2KCl (1)
and take equal to 0.7 l / s. With such a flow rate of the liquid through the reactor and a given pipe bore, the velocity of the working fluid in the pipe will be about 1.4 m / s. Calculation of hydraulic losses in the system for displacing the working fluid from a chemical reactor into tanks was carried out according to the method from [9]. The calculation gives a total resistance coefficient of 2.08 and a total pressure loss of about 20 Torr. The system for removing the spent liquid from the aerosol-jet HGSC with a swirling gas flow [8] creates a pressure of 150–300 Torr at the outlet of the reactor, therefore, no problems with the supply of the working fluid to the receiving tanks are expected. Given the liquid flow rate (0.7 l / s) and tank volume (5 l), the tank will fill up in about 7 seconds. We believe that emptying the tank due to excess pressure must be done in half the time, i.e. 3.5 s to use the same time for evacuating the tank. In this case, it is necessary to ensure a pumping capacity of 1.4 l / s (fluid velocity 2.8 m / s). The length of the bypass line is taken equal to 1 meter. The total coefficient of pipeline resistance calculated using the methodology of [9], taking into account two turns, is 6.45, and the corresponding pressure loss is 3.44 • 10 4 Pa, or ~ 0.35 atm. Since the pressure of the liquid in the tank is equal to the sum of the atmospheric pressure and the pressure of the liquid column (approximately 1.02 atm), a high pressure source, such as an air compressor, must provide a displacement pressure of at least ~ 1.4 atm. In a vacuum system, we use a receiver pre-evacuated to a pressure of ~ 1 Torr with a volume of ~ 1 m 3 . When air is discharged into it from a 5-liter tank, the pressure in the receiver rises to ~ 4 Torr. Air is continuously removed from the receiver using a vacuum pump, for example, AVZ-20, with a capacity of 20 l / s. The calculated coefficient of resistance of the path of the working fluid supply from the tank to the chemical reactor with a line length of about 1.5 meters is ~ 4, pressure loss ~ 0.1 atm, pressure at the inlet to the reactor ~ 3 atm. As a pump for pumping the working fluid, we select a chemical pump of the grade 1.5XG-6x2-2.8-2. It provides a fluid flow rate of 2.2 l / s, a pressure of 3.5 atm with an inlet fluid pressure of 1 atm, and is designed to work with aggressive fluids, so there will be no problems when pumping a working fluid (HPP). The working fluid flow rate of 0.7 l / s is set by selecting the bore of the consumable washer at the pump outlet. As is known [1], in the interaction of gaseous chlorine in a chemical reactor with an alkaline solution of hydrogen peroxide in accordance with chemical reaction (1), energy is released in the amount of 155 kJ / mol. We assume that all the energy goes to heat the working fluid. In our case, at a chlorine reactor capacity of 0.1 mol / s, the heat generated will be 15.5 kJ / s. This excess heat is removed from the working fluid by direct injection of liquid nitrogen into it. In this case, the working fluid is cooled both by gasification of liquid nitrogen (199.2 J / g) and by heating gasified nitrogen from a temperature of -195.8 o C to a working temperature of the solution of -20 o C (184.6 J / g) [10 , eleven]. Thus, under the conditions under consideration, 1 gram of liquid nitrogen is able to remove about 383.8 Joules of heat, and the required amount of injected liquid nitrogen will be 40.4 g / s. As a result of gasification of liquid nitrogen, the volumetric gas flow through the tank will be 32.4 l / s [11]. The refrigerant is supplied at the bottom of the supply tank, so gas bubbles, sparging through the working fluid, will effectively mix it, helping to increase the uniformity of temperature and composition of the fluid. Gasified nitrogen at a temperature of about -20 o C is removed from the tank through a special device and used, for example, to maintain the required temperature of the structural elements of the device and to cool the source of an alkaline solution of hydrogen peroxide. Thus, the above estimates show the undoubted feasibility of the proposed technical solution.
Использование изобретения позволяет существенно расширить типоряд насосов, пригодных для прокачки высоко агрессивной рабочей жидкости - концентрированного щелочного раствора перекиси водорода в устройствах для получения синглетного кислорода. Благодаря работе насоса устройства при атмосферном давлении в нем существенно снижается интенсивность кавитационных процессов, значительно повышаются надежность и долговечность насоса, а с ним и всего устройства в целом. Инжектирование жидкого низкотемпературного хладагента непосредственно в рабочую жидкость позволяет значительно уменьшить расход хладагента, повысить эффективность охлаждения, дает возможность стабилизировать температуру раствора при непрерывном режиме работы устройства. Подключение устройства к источнику щелочного раствора перекиси водорода и снабжение его устройством слива отработанной жидкости позволяют реализовать непрерывный режим работы. The use of the invention allows to significantly expand the range of pumps suitable for pumping a highly aggressive working fluid - a concentrated alkaline solution of hydrogen peroxide in devices for producing singlet oxygen. Due to the operation of the pump of the device at atmospheric pressure, the intensity of cavitation processes significantly decreases in it, the reliability and durability of the pump, and with it the entire device as a whole, significantly increase. Injecting liquid low-temperature refrigerant directly into the working fluid can significantly reduce the flow of refrigerant, increase cooling efficiency, makes it possible to stabilize the solution temperature during continuous operation of the device. Connecting the device to the source of an alkaline solution of hydrogen peroxide and supplying it with a device for draining the spent liquid allows for continuous operation.
Предлагаемые способ и устройство для получения синглетного кислорода благодаря низкому расходу хладагента, высокой надежности и способности работать в непрерывном режиме найдут широкое применение в промышленности, в частности, в технологических кислород-йодных лазерах для обработки различных материалов. The proposed method and device for producing singlet oxygen due to its low refrigerant consumption, high reliability and ability to operate continuously will find wide application in industry, in particular, in technological oxygen-iodine lasers for processing various materials.
Источники, принятые к рассмотрению
1. D. Furman, B.D. Barmashenko, and S. Rosenwaks, "An efficient supersonic chemical oxygen - iodine laser operating without buffer gas and simple nozzle geometry", Appl. Phys. Lett., 70 (18), 2341 (1997).Sources accepted for consideration
1. D. Furman, BD Barmashenko, and S. Rosenwaks, "An efficient supersonic chemical oxygen - iodine laser operating without buffer gas and simple nozzle geometry", Appl. Phys. Lett., 70 (18), 2341 (1997).
2. R.J. Richardson, C.E. Wiswall, P.A.G. Carr, F.E. Hovis, and H.V. Lilenfeld, "An efficient singlet oxygen generator for chemically pumped iodine lasers", J. Appl. Phys., 52(8), August 1981, P.P. 4962-4969. 2. R.J. Richardson, C.E. Wiswall, P.A.G. Carr, F.E. Hovis, and H.V. Lilenfeld, "An efficient singlet oxygen generator for chemically pumped iodine lasers", J. Appl. Phys., 52 (8), August 1981, P.P. 4962-4969.
3. J. Vetrovec, "Conceptual Design of an Industrial Chemical Oxygen - Iodine Laser", presented at the 12th Gas & Chemical Laser (GCL'98) Conference in St. Peterburg, Russia, September 1998.3. J. Vetrovec, "Conceptual Design of an Industrial Chemical Oxygen - Iodine Laser", presented at the 12 th Gas & Chemical Laser (GCL'98) Conference in St. Peterburg, Russia, September 1998.
4. H.A. Плевако. "Основы гидравлики и гидравлические машины". - М.: Изд. науч.-техн. лит., 1960, 428 с., ил. 4. H.A. Plevako. "Fundamentals of hydraulics and hydraulic machines." - M.: Publishing. scientific and technical lit., 1960, 428 p., ill.
5. "Water cooling method and apparatus employing liquid nitrogen", патент США N 3672182 от 25.06.70, МКИ F 25 D 17/02, публикация т. 899, N 4 от 27.06.72. 5. "Water cooling method and apparatus employing liquid nitrogen", US patent N 3672182 from 06.25.70, MKI F 25 D 17/02, publication t. 899, N 4 from 06.27.72.
6. "Контактный теплообменник", заявка Японии N 57-44918 от 03.02.78, МКИ F 28 C 3/04, публикация N 5-1123 от 24.09.82. 6. "Contact heat exchanger", Japanese application N 57-44918 from 03.02.78, MKI F 28 C 3/04, publication N 5-1123 from 09.24.82.
7. Н.Ф. Балан, М.И. Загидуллин, Ф.Ю. Куров, В.Д. Николаев, М.И. Свистун, "Генератор O2 ( 1Δ) высокого давления", Письма в ЖТФ, том 15, вып. 18, с. 64, 1989.7. N.F. Balan, M.I. Zagidullin, F.Yu. Kurov, V.D. Nikolaev, M.I. Whistler, "High Pressure O 2 ( 1 Δ) Generator", Letters in ZhTF, vol. 15, no. 18, p. 64, 1989.
8. Патент РФ N 2091939 "Способ получения синглетного кислорода и устройство для его осуществления", авторы: Б.А. Выскубенко, В.Ф. Герасименко, И. М. Круковский, опубл. 27.09.97., Бюл. N 27. 8. RF patent N 2091939 "Method for the production of singlet oxygen and a device for its implementation", authors: B.A. Vyskubenko, V.F. Gerasimenko, I. M. Krukovsky, publ. 09/27/97., Bull. N 27.
9. И. Е. Идельчик. "Справочник по гидравлическим сопротивлениям". - Л.: Госэнергоиздат, 1960, 464 с., ил. 9. I. E. Idelchik. "Reference to hydraulic resistance." - L .: Gosenergoizdat, 1960, 464 p., Ill.
10. "Кипение криогенных жидкостей"/Аметистов Е.В., Клименко В.В., Павлов Ю.М. - Под ред. В.А. Григорьева. - М.: Энергоатомиздат, 1995, 400 с. 10. "Boiling of cryogenic liquids" / Amethistov E.V., Klimenko V.V., Pavlov Yu.M. - Ed. V.A. Grigoryeva. - M .: Energoatomizdat, 1995, 400 p.
11. Н. Б. Варгафтик. "Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей". - М.: Наука, 1972, 720 с., ил. 11. N. B. Vargaftik. "Reference to the thermophysical properties of gases and liquids." - M .: Nauka, 1972, 720 p., Ill.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99106820A RU2160490C1 (en) | 1999-03-24 | 1999-03-24 | Singlet oxygen production process and device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99106820A RU2160490C1 (en) | 1999-03-24 | 1999-03-24 | Singlet oxygen production process and device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2160490C1 true RU2160490C1 (en) | 2000-12-10 |
Family
ID=20218018
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99106820A RU2160490C1 (en) | 1999-03-24 | 1999-03-24 | Singlet oxygen production process and device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2160490C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ301755B6 (en) * | 2006-08-31 | 2010-06-16 | Fyzikální ústav AV CR, v.v.i. | Generation process of oxygen in singlet delta state and generator for making the same |
-
1999
- 1999-03-24 RU RU99106820A patent/RU2160490C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| VETROVEC J. Conceptual Design of an Industrial Chemical Oxygen - Iodine Laser. Presented at the 12th Gas & Chemical Laser (GCL'98). Conference in St.Peterburg, Russia, September, 1998. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ301755B6 (en) * | 2006-08-31 | 2010-06-16 | Fyzikální ústav AV CR, v.v.i. | Generation process of oxygen in singlet delta state and generator for making the same |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5214925A (en) | Use of liquified compressed gases as a refrigerant to suppress cavitation and compressibility when pumping liquified compressed gases | |
| US4977749A (en) | Apparatus and method for purification of gases used in exciplex (excimer) lasers | |
| CN101704404A (en) | Vessel | |
| CN102027236B (en) | Device and method for pumping a cryogenic fluid | |
| US4744909A (en) | Method of effecting accelerated oxidation reaction | |
| US5613362A (en) | Apparatus and method for energy conversion using gas hydrates | |
| KR20010049264A (en) | A method and apparatus for keeping cold tanks for storing or transporting a liquefied gas | |
| CA2094185A1 (en) | Pumping of liquified gas | |
| CN103992829A (en) | Natural gas hydrate preparation system based on compressed gas refrigeration cycle | |
| RU2160490C1 (en) | Singlet oxygen production process and device | |
| CN114017004B (en) | Deep water oil and gas production shaft simulation test device and test method | |
| JP2002356685A (en) | Method and apparatus for producing gas hydrate | |
| KR101584566B1 (en) | Gas filling system and method for lng storage tank | |
| CN201615663U (en) | Forevacuum jet-flow evaporative refrigeration liquid storage tank | |
| EP2307823B1 (en) | Refrigerator, and method for producing very low temperature cold | |
| CN107827220A (en) | Air-bubble producing device | |
| TW200937500A (en) | An HVPE reactor arrangement | |
| CN114618381A (en) | CO generation by LNG cold energy2Preparation system of hydrate and concurrently as refrigerant | |
| CN207596534U (en) | Air-bubble producing device | |
| KR20220140830A (en) | Compression device and filling station comprising such device | |
| RU2240281C2 (en) | Method of production of singlet oxygen and a device for its realization | |
| KR102063526B1 (en) | Apparatus and Method for producing supercooling cryogenic liquid. | |
| JPH08285193A (en) | Cryogenic liquid storage equipment | |
| CN220119139U (en) | Evaporation gas treatment device and filling ship | |
| KR20140127460A (en) | A Fuel Gas Supply System of Liquefied Natural Gas |