Способ получения аэрозоля и аэрозольный генератор

Способ получения аэрозоля и аэрозольный генератор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретения относятся к средствам маскировки в военном деле для ведения наступательных или оборонительных действий, а именно к способам и устройствам для образования дымовых завес с применением аэрозолей, полученных методом диспергирования в атмосферу частиц твердого вещества. Согласно общепринятой классификации такие аэрозоли относятся к номенклатуре дымов.

Известны различные способы и устройства (дымовые машины и шашки, генераторы аэрозолей) для получения дымов: горение и термовозгонка с последующей конденсацией, распыление твердых частиц сжатым газом или взрывом (Шидловский А.А. Основы пиротехники. М.: ГИОП, 1954). К веществам, дающим дым в результате возгонки и последующей конденсации, относятся хлористый аммоний, ароматические углеводороды (нафталин, антрацен, фенантрацен и др.) и некоторые углеводороды жирного ряда. К пиротехническим дымовым составам, применяемым в дымовых шашках и гранатах, относят металлохлоридные смеси на основе порошкообразных окислов металлов (цинка, железа) и различных галогенированных углеводородов (четыреххлористого углерода, гексахлорэтана). Известно использование фосфора в качестве аэрозолеобразующего вещества (Соловьев Н.К. Дымовые и огнеметно-зажигательные средства. М.: ВИВМ СССР, 1951). Белый фосфор применяется для снаряжения авиационных бомб, кассетных боеприпасов авиации, артиллерийских снарядов и мин. При взрыве такого боеприпаса происходит дробление фосфора на куски, которые самовоспламеняются на воздухе, образуя облако белого дыма. Красный фосфор применяется для снаряжения зажигательно-дымовых патронов.

Известны также способы образования дымов в результате испарения и последующей конденсации паров в атмосфере. В таких способах в качестве исходных веществ используются различные нефтепродукты (дизельное топливо, мазут, соляровое масло) и пенообразующие смолы, постановка аэрозолей осуществляется с помощью генераторов или дымовых машин различных конструкций. Пенообразующие смолы впрыскивают в поток газов, температура которых выше температуры образования пенопластов, капельки смолы приобретают ячеистую структуру и затвердевают в мелкие частицы пенопласта, образуя дым (Шидловский А.А., Сидоров А.И., Силин Н.А. Пиротехника в народном хозяйстве. М.: Машиностроение, 1978).

Главным недостатком известных способов и устройств для постановки дымовых завес, как правило, является их недостаточная маскирующая способность.

Для увеличения маскирующей способности штатных дымовых составов предложен способ получения аэрозоля, включающий введение в основной пиротехнический аэрозолеобразующий состав (АОС) газогенерирующих смесей, при сгорании которых выделяется большое количество газов, что позволяет осуществлять дробление (диспергирование) твердых частиц горячих шлаков основного состава при выбросе их в атмосферу (патент RU 2102689, кл. F 41 H 9/00, C 06 D 3/00, опубл. 20.01.1998; патент RU 2102691, кл. F 41 H 9/00, C 06 D 3/00, опубл. 20.01.1998).

Недостатком данного известного способа является кратковременность режима постановки аэрозолей, связанная с ограниченностью объема основного пиротехнического состава, исходно находящегося непосредственно в камере горения, недостаточно высокое значение маскирующей способности и неблагоприятное воздействие продуктов горения на людей, находящихся в зоне применения аэрозоля.

Для придания аэрозолям маскирующей способности в радиолокационном диапазоне электромагнитного излучения предложен способ, предусматривающий введение в дымовые завесы электропроводящих частиц, обладающих размерами, соизмеримыми с длиной волны КВЧ диапазона, например частицы терморасширенного модифицированного графита. Модифицированный графит располагают таким образом, что при воспламенении пиротехнического АОС он находится в газовом потоке продуктов горения состава и вместе с ними выбрасывается в атмосферу (патент RU 2113427, кл. C 06 D 3/00, F 41 H 9/00, опубл. 20.06.1998; заявка RU 2001101404, кл. F 41 H 9/00, F 41 H 3/02, опубл. 10.12.2002).

Недостатком этого известного способа также является кратковременность режима постановки аэрозолей, связанная с ограниченностью объема пиротехнического состава, исходно находящегося непосредственно в камере горения, недостаточно высокое значение маскирующей способности и неблагоприятное воздействие продуктов горения на людей, находящихся в зоне применения аэрозоля.

Наиболее близким к предлагаемому способу получения аэрозоля является способ, включающий введение в основной штатный пиротехнический состав белого дыма (состоящий из антрацена, хлористого аммония и хлората калия) газогенерирующей смеси, тщательное перемешивание, окисление (сжигание) исходных компонентов полученного более сложного состава и диспергирование горячих продуктов окисления перед выбросом их в атмосферу путем воздействия на них большим количеством газов, выделившихся при сгорании газогенерирующей смеси (патент RU 2102691, кл. F 41 H 9/00, C 06 D 3/00, опубл. 20.01.1998 - прототип).

Известный способ-прототип позволяет повысить маскирующую способность штатного дымового состава в видимой области. К недостаткам данного способа следует отнести кратковременность режима постановки аэрозолей, связанную с ограниченностью объема основного пиротехнического состава, исходно находящегося непосредственно в камере горения, недостаточно высокое значение маскирующей способности и невозможность регулирования степени диспергирования продуктов окисления. Недостатком является также неблагоприятное воздействие продуктов горения на людей, находящихся в зоне применения аэрозоля. Следует отметить, что кратковременность постановки аэрозолей для данного и ему подобных способов является принципиальным недостатком.

Наиболее близким к предлагаемому аэрозольному генератору является генератор, основанный на конструкции штатного тяжелого пехотного огнемета ТПО-50М, применямого для постановки аэрозольных завес в целях маскировки войск (патент RU 2119143, кл. F 41 H 9/06, опубл. 20.09.1998 - прототип). Генератор-прототип содержит сменный ствол, соединенный со стволом огнемета, снабженным соплом для выброса аэрозоля, и пороховую камеру с пороховым зарядом. Сменный ствол представляет собой емкость, разделенную на газовую область и область для жидкости, и входит в комплект ТПО-50М. При использовании ТПО-50М в качестве аэрозольного генератора сменный ствол снаряжают штатным АОС, например, раствором серного ангидрида в хлорсульфоновой кислоте (смесь С-4). Принцип действия генератора основан на выбрасывании АОС с помощью порохового заряда. Пороховые газы, образующиеся при сгорании заряда в пороховой камере, создают рабочее давление в газовой области сменного ствола 60 кг/см² и выбрасывают весь АОС через ствол огнемета за 0,25-0,32 с, создавая за 0,3-0,5 с сплошное облако. Следует отметить, что при этом весь АОС исходно находится в генераторе и полностью используется в ходе одноразовой постановки аэрозоля.

К недостаткам известного генератора (прототипа) прежде всего относится кратковременность его действия (0.3-0.5 с) и, соответственно, кратковременность постановки аэрозоля, а также неблагоприятное воздействие распыленных продуктов на людей, находящихся в зоне применения аэрозоля, и слабая маскирующая способность аэрозоля.

Задачей изобретения является создание такого способа получения аэрозоля, который позволит осуществлять постановку дымовой завесы в режиме непрерывного пролонгированного действия, обеспечит аэрозолю повышенную маскирующую способность в видимой и инфракрасной (3-14 мкм) областях спектра, позволит вводить в состав получаемого аэрозоля как диэлектрические, так и электропроводящие частицы, будет обладать возможностью регулирования степени диспергирования продуктов окисления и позволит избежать неблагоприятного воздействия на человека в течение всего временного интервала его использования.

Задачей изобретения является также разработка аэрозольного генератора, способного работать в режиме непрерывного пролонгированного действия, обеспечивающего аэрозолю повышенную маскирующую способность в видимой и инфракрасной (3-14 мкм) областях спектра и создающего аэрозоль, не обладающий неблагоприятным воздействием на человека в течение всего временного интервала его применения.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым способом получения аэрозоля, включающим осуществление реакции окисления исходных компонентов аэрозолеобразующего состава, диспергирование продуктов реакции и выброс аэрозоля в атмосферу за счет энергии реакции окисления, в котором, согласно изобретению, в качестве исходных компонентов аэрозолеобразующего состава используют порошок активированного алюминия и воду, которые подают одновременно и отдельно друг от друга в модуль суспензирования и перемешивают в нем до образования суспензии с концентрацией активированного алюминия в ней 5-60% мас., готовую суспензию активированного алюминия в воде подают насосом высокого давления в реактор, в котором окисление активированного алюминия проводят не полностью для обеспечения регулирования степени диспергирования продуктов реакции, и выброс аэрозоля в атмосферу осуществляют при достижении в реакторе давления 295-300 атм.

В качестве активированного алюминия можно использовать порошок алюминия, частицы которого покрывают пленкой из водорастворимого полимера.

В качестве водорастворимого полимера можно использовать полигликоли, краунэфиры и поданды.

Суспензию активированного алюминия в воде можно подавать в реактор непрерывно в циклическом режиме.

Циклический режим подачи суспензии активированного алюминия в воде можно осуществлять путем прекращения подачи суспензии при повышении давления в реакторе до 15-40 атм и возобновления подачи суспензии после выброса аэрозоля в атмосферу для повторения рабочего цикла.

Решение поставленной задачи достигается также предлагаемым генератором для получения аэрозоля, содержащим емкость для аэрозолеобразующего состава и выходной патрубок для выброса аэрозоля, который, согласно изобретению, снабжен модулем суспензирования, насосом высокого давления, а емкость для аэрозолеобразующего состава выполнена в виде реактора с входными отверстиями для подачи в него активированного алюминия и воды и с выходным патрубком для выброса аэрозоля, при этом реактор соединен с модулем суспензирования при помощи насоса высокого давления.

В качестве активированного алюминия в предлагаемом генераторе может использоваться порошок алюминия, частицы которого покрыты пленкой из водорастворимого полимера.

В качестве водорастворимого полимера могут использоваться полигликоли, краунэфиры и поданды.

Главными отличиями предлагаемого способа получения аэрозолей от известного (прототипа) являются:

1) возможность осуществлять постановку дымовой завесы в режиме непрерывного пролонгированного действия благодаря размещению исходных компонентов аэрозоля (окисляемого компонента и окислителя) отдельно друг от друга и от реакционной камеры и организации их подачи в реактор (после перемешивания) на протяжении любого необходимого времени постановки аэрозоля.

2) принципиально иной путь решения проблемы диспергирования продуктов окисления исходных компонентов АОС. В способе-прототипе диспергирование осуществляют путем воздействия на продукты окисления основного пиротехнического АОС большим количеством газов, выделившихся при сгорании газогенерирующей смеси, что приводит к дроблению продуктов окисления (горячих шлаков). Известный способ не позволяет регулировать степень диспергирования продуктов окисления. В предлагаемом способе получаемый аэрозоль представляет собой продукт реакции неполного окисления алюминия, состоящий из смеси высокодисперсных частиц окиси алюминия и частиц металлического алюминия, покрытых тонкой оксидной пленкой.

Реакция полного окисления алюминия описывается следующим уравнением (сопровождается выделением значительного количества энергии):

2Аl+3Н₂O=Аl₂О₃+3Н₂+921,8 кДж.

При уменьшении количества поступающего окислителя (воды) образуется смесь, содержащая, наряду с продуктами окисления, непрореагировавший металлический алюминий: AlO(OH)+Al₂O₃+Al+H₂+H₂O. Концентрация металлического алюминия в получаемом аэрозоле зависит от полноты «сгорания» исходного алюминиевого порошка, причем чем больше глубина протекания реакции, тем меньше эта концентрация. Вместе с тем, размер частиц аэрозоля уменьшается с ростом глубины реакции. Варьируя условия реакции, осуществляют регулирование глубины ее протекания и тем самым степени диспергирования продуктов реакции, что позволяет получать аэрозоль с оптимальными физическими и пространственно-временными параметрами.

Главными отличиями предлагаемого аэрозольного генератора от известного (прототипа) являются:

1) размещение исходных компонентов аэрозоля (активированный алюминий и вода) и смесительного модуля для получения суспензии активированного алюминиевого порошка в воде отдельно друг от друга и от реакционной камеры. В результате обеспечивается непрерывность действия генератора в отличие от одноразового выброса аэрозоля в генераторе-прототипе. Продолжительность постановки аэрозоля предлагаемым генератором легко регулируется величиной объема емкостей для активированного алюминия и воды. Специальная емкость для воды необязательна, так как ее можно брать из любых природных или других источников (море, река и т.д.).

2) совершенно иные средства, обеспечивающие выброс аэрозоля в атмосферу под давлением. В генераторе-прототипе давление создается пороховыми газами, для чего необходимы наличие в генераторе пороховой камеры и снаряжение ее пороховым зарядом. В предлагаемом генераторе давление в реакторе создается за счет протекания химической реакции между исходными компонентами аэрозоля, и при достижении в реакторе давления 295-300 атм аэрозоль выбрасывается в атмосферу.

Предлагаемый аэрозольный генератор состоит (см. фиг.1) из емкости для активированного порошка алюминия 1, модуля суспензирования 2, насоса высокого давления 3 и реактора 4.

На фиг.2 показан один из возможных вариантов конструкции реактора (рабочей камеры) с входным отверстием 1 для подачи суспензии активированного алюминия в воде и выходным патрубком 2 для выброса алюмоаэрозоля в атмосферу.

Предлагаемый способ осуществляют при работе заявленного генератора следующим образом. Порошок активированного алюминия подается из предназначенной для его хранения и транспортировки емкости 1 одновременно с водой (из любого источника) в модуль суспензирования 2, где происходит перемешивание исходных компонентов АОС при температуре 10-30°С до образования суспензии с концентрацией алюминия 5-60% мас. Активированный алюминий представляет собой алюминиевый порошок, частицы которого покрыты водорастворимым полимером, например полигликолем, краунэфиром, подандом. Его получают измельчением (например, в шаровой мельнице) любого промышленного порошка алюминия в среде водорастворимого полимера, что обеспечивает покрытие поверхности частиц алюминия не оксидной, а водорастворимой защитной пленкой. Время смешивания активированного алюминиевого порошка с водой должно быть меньше времени растворения защитной полимерной пленки. Готовая суспензия из модуля 2 подается насосом высокого давления 3 во входное отверстие рабочей камеры (реактора) 4, в которой начинается экзотермическая реакция взаимодействия алюминия с водой. Подача суспензии прекращается при повышении давления в рабочей камере до 15-40 атм. В течение 140-160 секунд с момента начала подачи суспензии осуществляется реакция неполного окисления алюминия с образованием алюмоаэрозоля. При этом за счет образующегося водорода и повышения температуры в реакторе до 290-300°С давление в нем повышается до 300 атм. При достижении давления 295-300 атм происходит выброс аэрозоля из реактора через выходной патрубок в атмосферу в течение 25-30 с до остаточного давления 5-10 атм, температура в рабочей камере при этом снижается до 200-250°С. После сброса аэрозоля цикл повторяется, начиная с момента подачи суспензии в рабочую камеру.

Работу аэрозольного генератора можно остановить путем прекращения подачи исходных компонентов АОС - активированного алюминия и воды - в смесительный модуль 2.

В качестве примера приводим в таблице физические параметры процесса образования алюмоаэрозоля при осуществлении предлагаемого способа.

Таблица
Концентрация алюминия в суспензии 30% мас.
Параметры процесса в реакторе	Рабочий цикл
Впрыскивание суспензии и окисление алюминия	Сразу после выброса аэрозоля
Т, °С (температура)	295	230
Р, атм (давление)	20-300	8
t, с (продолжительность)	150	30

Таким образом, предложенные способ и генератор позволяют осуществлять постановку дымовой завесы в режиме непрерывного пролонгированного действия, при этом продолжительность постановки аэрозоля легко регулируется (величиной объема емкостей для активированного алюминия и воды).

Большим преимуществом предложенных способа и генератора является то, что создаваемый ими аэрозоль, а также и исходные компоненты, не обладают неблагоприятным воздействием на человека в течение всего временного интервала их использования.

Кроме того, изобретения обеспечивают аэрозолю повышенную маскирующую способность в видимой и инфракрасной (3-14 мкм) областях спектра, так как позволяют вводить в состав получаемого аэрозоля как диэлектрические, так и электропроводящие частицы. Весьма существенно также, что в предложенном способе путем регулирования глубины протекания реакции окисления достигнута возможность регулирования степени диспергирования продуктов окисления.

1. Способ получения аэрозоля, включающий осуществление реакции окисления исходных компонентов аэрозолеобразующего состава, диспергирование продуктов реакции и выброс аэрозоля в атмосферу за счет энергии реакции окисления, отличающийся тем, что в качестве исходных компонентов аэрозолеобразующего состава используют порошок активированного алюминия и воду, которые подают одновременно и отдельно друг от друга в модуль суспензирования и перемешивают в нем до образования суспензии с концентрацией активированного алюминия в ней 5-60 мас. %, готовую суспензию активированного алюминия в воде подают насосом высокого давления в реактор, в котором окисление активированного алюминия проводят не полностью для обеспечения регулирования степени диспергирования продуктов реакции, и выброс аэрозоля в атмосферу осуществляют при достижении в реакторе давления 295-300 атм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве активированного алюминия используют порошок алюминия, частицы которого покрывают пленкой из водорастворимого полимера.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве водорастворимого полимера используют полигликоли, краунэфиры и поданды.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что суспензию активированного алюминия в воде подают в реактор непрерывно в циклическом режиме.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что циклический режим подачи суспензии активированного алюминия в воде осуществляют путем прекращения подачи суспензии при повышении давления в реакторе до 15-40 атм и возобновления подачи суспензии после выброса аэрозоля в атмосферу для повторения рабочего цикла.

6. Генератор для получения аэрозоля, содержащий емкость для аэрозолеобразующего состава и выходной патрубок для выброса аэрозоля, отличающийся тем, что он снабжен модулем суспензирования, насосом высокого давления, а емкость для аэрозолеобразующего состава выполнена в виде реактора с входными отверстиями для подачи в него активированного алюминия и воды и выходным патрубком для выброса аэрозоля, при этом реактор соединен с модулем суспензирования при помощи насоса высокого давления.

7. Генератор для получения аэрозоля по п.6, отличающийся тем, что в качестве активированного алюминия в нем использован порошок алюминия, частицы которого покрыты пленкой из водорастворимого полимера.

8. Генератор для получения аэрозоля по п.7, отличающийся тем, что в качестве водорастворимого полимера использованы полигликоли, краунэфиры и поданды.