Способ удаления активных газов и их смесей из замкнутого объема

Способ удаления активных газов и их смесей из замкнутого объема

Реферат

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к области изготовления и использования газопоглощающих систем на основе прессованных порошковых металлов или сплавов.

Известен способ удаления активных газов из замкнутой камеры, заключающийся в изготовлении газопоглотителя в виде неиспаряющегося геттера, нанесение его тонким слоем методом катодного напыления на поверхность стенки камеры, соединение камеры с вакуумной системой, просушку и приведение геттера в активное состояние нагревом до определенной температуры и выдерживанием в течение времени, за которое поверхность геттера очищается (см. патент SU 2193254 C2, 27.12.2000).

Ресурс газопоглотителя в данном известном способе ограничен в связи с тем, что он не имеет достаточной массы. Данная система может быть использована для получения лишь высокого вакуума при малых объемах откачиваемого газа после предварительного вакуумирования камеры, поскольку описанный газопоглотитель не может работать при высоких значениях давления: его масса быстро насыщается, резко снижается возможность откачки.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ удаления активных газов и их смесей из замкнутого объема, включающий изготовление газопоглотителя в виде прессованных газопоглощающих элементов, изготовленных из порошковых металлов, размещение их в замкнутом объеме и приведение в активное состояние нагревом до температуры незначительно выше 300°С (см. RU 2131323 С1, 10.06.1999).

Данный известный способ также может быть использован только при относительно низких значениях давления, он предназначен для «тонкой очистки», поскольку при больших значениях давления, то есть высокой концентрации газов, происходит быстрое насыщение поглощающей поверхности, практически прекращается откачка газов, газопоглотитель приходит в нерабочее состояние.

Данное обстоятельство делает невозможным, в частности, использование известного способа при пожаротушении, когда для предотвращения горения необходимо быстро снизить изначально высокую концентрацию кислорода. В этом случае потребовалась бы большая масса газопоглотителя с разветвленной поверхностью и продолжительное время.

К недостаткам способа относятся также невысокая скорость откачки газов (продолжительность откачки измеряется несколькими часами), неполнота использования ресурса газопоглотителя - в процессе откачки принимает участие преимущественно поверхностная часть газопоглотителя. Способ требует больших затрат средств, в том числе энергетических, поскольку для эффективной работы необходимо объемное и энергоемкое оборудование для нагрева, охлаждения, активации и регенерации газопоглотителя. На приведение в рабочее состояние газопоглотителя требуется значительное время, не менее часа.

Задачей изобретения является повышение эффективности удаления газов из замкнутого объема за счет увеличения интенсивности откачки, а именно скорости, количества откачиваемых газов, обеспечение возможности осуществления откачки при высоких значениях давления газов, повышение экономичности способа за счет снижения площадей, объема и энергоемкости применяемого оборудования.

В способе удаления активных газов и их смесей из замкнутого объема, включающем изготовление газопоглотителя в виде прессованных газопоглощающих элементов, размещение их в замкнутом объеме и приведение в активное состояние, в соответствии с изобретением каждый газопоглощающий элемент выполняют из, по меньшей мере, одного порошкового металла группы Ti, V, Zr, Nb, Hf или их сплавов в порошкобразном состоянии с добавлением продукта химического соединения исходного материала газопоглотителя с активным газом, иным, чем удаляемые газы, в количестве не более 30% от массы исходного материала, при этом между слоями газопоглотителя размещают по меньшей мере одну прослойку из быстрогорящего прессованного порошкообразного материала, выполненного из Ti и С и/или В, а приведение в активное состояние производят путем воспламенения быстрогорящего материала локальным инициированием реакции горения одновременно в нескольких точках с последующим проведением самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в объеме газопоглотителя.

Газопоглощающие элементы целесообразно выполнять с пористостью, составляющей 30-60%, из материала, фракционный состав порошков которого характеризуется тем, что частицы размером 5-100 мкм составляют не менее 80%.

Прослойку целесообразно выполнять из материала с размером частиц не более 20 мкм и пористостью, не превышающей 20%.

Прослойку целесообразно выполнять из материала с отношением массы С и/или В к массе Ti, равным 0,2-0,8.

Кроме того, прослойку целесообразно выполнять толщиной, составляющей 0,05-0,1 толщины каждого из разделяемых слоев газопоглотителя.

Прослойку (прослойки) можно размещать горизонтально или вертикально.

Газопоглощающие элементы могут быть помещены в модуль-стакан в стакане из металлической сетки с зазором между стенками модуль-стакана и стакана из металлической сетки.

В центральной части стакана из металлической сетки может быть размещена трубка из металлической сетки.

Газопоглощающие элементы могут быть выполнены в виде цилиндров.

Газопоглощающие элементы могут быть выполнены в виде втулок.

Газопоглощающие элементы могут быть выполнены в виде шестеренок.

Газопоглощающие элементы могут быть выполнены в виде цилиндров и/или втулок и/или шестеренок разных диаметров.

Газопоглощающие элементы могут быть выполнены в виде ленты.

Газопоглощающие элементы могут быть подвергнуты предварительному нагреву в вакууме.

В основе способа лежит использование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Структурная макрокинетика СВС имеет два направления, связанные с самостоятельными стадиями, - горение и структурообразование. В данном случае важен процесс горения, для которого характерно связывание газа с твердым телом. Процесс известен как фильтрационное горение и традиционно используется для получения продуктов «твердого пламени», а именно таких материалов, как нитриды, оксиды, карбиды и другие соединения. СВС происходит с высокой скоростью, при высокой температуре с использованием дешевой химической энергии вместо дорогой электрической, быстрого внутреннего разогрева вместо медленного нагрева через поверхность системы и с максимальным использованием ресурса материала газопоглотителя.

Фильтрационное горение - это, фактически, распространение волны экзотермического превращения в пористой среде при фильтрации газа. Один из реагентов - пористая среда, полученная прессованием порошка соответствующего состава, второй реагент - газовая среда. Инициирование реакции производят нагревом, например, вольфрамовой проволоки, создающей температуру, достаточную для начала процесса горения исходных компонентов. В дальнейшем процесс проходит за счет тепла, выделяющегося в результате реакции, протекающей в тонком слое, перемещающемся со скоростью 1-15 см/сек. Средний диапазон температур в зоне горения составляет 2000-3000°С.

Известно использование метода СВС для получения различных ценных в практическом отношении материалов. Основным фактором, определяющим необходимость использования этого метода, до настоящего времени было синтезирование твердого вещества, вызывающего интерес для дальнейшего применения. Сопутствующие этому процессу явления рассматривались лишь с точки зрения технологии получения того или иного вещества.

В настоящем изобретении назначением использования метода СВС является быстрое и эффективное удаление активных газов из замкнутого объема. В данном случае интерес представляет количество прореагировавшего (откачанного) газа и скорость реакции (откачивания). Получаемое же в результате реакции твердое вещество не представляет интереса, являясь побочным продуктом, что позволяет использовать в способе некоторые приемы, не свойственные ранее известным технологиям с применением СВС.

Для решения этой задачи необходим специальным образом изготовленный газопоглотитель, выполненный в виде комбинации газопоглощающих элементов. В качестве материала газопоглотителя используют, по меньшей мере, один порошковый металла группы Ti, V, Zr, Nb, Hf или их сплавы в порошкобразном состоянии. Выбор данных материалов обусловлен тем, что все перечисленные элементы обладают высокой газопоглощающей способностью. Материалом газопоглотителя могут быть:

- один из порошковых металлов указанной группы,

- смесь двух или более порошковых металлов группы,

- сплав в порошкообразном состоянии двух или более металлов группы.

Выбор того или иного материала из указанных выше может быть произведен исходя из его поглощающей способности по отношению к конкретному удаляемому газу (смеси газов) в процессе СВС, условия получения минимального равновесного давления после окончания процесса и времени откачки газа от начального до конечного давления.

Добавление в состав газопоглотителя продукта химического соединения исходного материала с активным газом, иным, чем удаляемые газы, допустимо в отличие от известных способов с использованием процесса СВС, поскольку состав конечного продукта реакции, как было указано выше, не имеет самостоятельного значения. Данный прием обусловлен следующими обстоятельствами. При значительных температурах, сопутствующих СВС (2000-3000°С), возможен процесс расплавления и спекания материала газопоглотителя, что приводит к ухудшению проницаемости и прекращению горения. Для того чтобы избежать этого нежелательного явления, в состав исходного материала добавляют продукт химического соединения исходного материала с активным газом, например, нитрид или оксид металла (сплава) газопоглотителя. Температура плавления добавляемого материала значительно превышает температуру плавления исходного материала, что позволяет ему выполнять функцию антиспекающего компонента. При этом добавление продукта соединения исходного материала газопоглотителя с газом, иным, чем откачиваемый, позволяет более полно использовать ресурс газопоглотителя. Так, например, если при необходимости откачивания кислорода в состав газопоглотителя добавить нитрид (продукт соединения с азотом), то в результате реализации СВС возможно дополнительное, хотя и менее активное, поглощение кислорода с образованием оксинитрида соответствующего металла или сплава. Добавление указанных веществ в количестве, превышающем 30% от массы исходного материала, может привести к резкому падению газопоглощающих свойств системы и к невыполнению основного назначения способа.

Газопоглощающие элементы располагают слоями, между которыми размещают по меньшей мере одну прослойку из быстрогорящего прессованного порошкообразного материала, выполненного из Ti и С и/или В, способных вступать в экзотермическую реакцию между собой и обеспечивающих при этом возможность дополнительного поглощения газов. Материал прослойки может быть выполнен из смеси порошков указанного состава или из сплава этих элементов в порошкообразном состоянии. Материал прослойки должен быть спрессован для обеспечения достаточной скорости экзотермической реакции. Размещение прослойки (прослоек) из быстрогорящего материала между слоями газопоглощающих элементов с последующим воспламенением этого материала одновременно в нескольких точках необходимо для создания оптимальных условий инициирования процесса СВС, увеличения скорости возникновения и распространения волны синтеза. Может быть использована одна прослойка с одновременным воспламенением ее в нескольких точках либо несколько прослоек с одновременным воспламенением каждой из них в одной или нескольких точках.

Газопоглощающие элементы могут быть выполнены из материала, пористость которого составляет предпочтительно 30-60%. При меньших значения пористости снижается проводимость системы, а именно уменьшается поток газа к активной поверхности газопоглотителя, что осложняет проведение процесса СВС, приводит к неполноте реакции и, в конечном счете, снижает быстроту откачки газа. Пористость более 60% может привести к снижению механических свойств газопоглотителя, возможности осыпания порошка.

Фракционный состав порошков для изготовления газопоглощающих элементов может быть выбран из условия наличия в нем частиц размером 5-100 мкм в количестве не менее 80%. С точки зрения распространения волны синтеза в прессованном газопоглотителе существенную роль играет реакционная поверхность, которая определяется преимущественно размером частиц порошка: для изготовления газопоглотителя предпочтительно использовать порошки мелких фракций. Однако использование порошков с размером частиц менее 5 мкм вызывает некоторые технологические трудности, в частности, ухудшение смешиваемости, вызванное агломерированием, увеличение пожароопасности. Использование порошков, в которых доля частиц размером менее 100 мкм составляет менее 80%, может не обеспечить необходимую реакционную поверхность, что, в свою очередь, может привести к затуханию волны синтеза. Выбор размера частиц (не более 20 мкм) и пористости (не более 20%) материала прослойки обусловлен термодинамическими факторами, определяющими условия ее воспламенения в сочетании с условиями последующего воспламенения с ее помощью газопоглотителя, имеющего приведенные выше параметры.

Для изготовления прослойки используют порошкообразный материала, выполненный из Ti и С и/или В с соотношением массы С и/или В и массы Ti, составляющим 0,2-0,8, что обеспечивает полноту протекания экзотермической реакции между этими элементами при условии одновременного дополнительного поглощения газов.

Соотношение толщин прослойки и разделяемых слоев газопоглотителя, выбранное из интервала значений 0,05-0,1, обеспечивает оптимальные условия инициирования СВС.

Прослойки могут быть размещены горизонтально или вертикально в зависимости от формы и расположения газопоглощающих элементов.

Газопоглощающие элементы могут быть помещены в модуль-стакан в стакане из металлической сетки с зазором между стенками модуль-стакана и стакана из металлической сетки, что обеспечит улучшение условий доступа газа к поверхности газопоглощающих элементов.

С этой же целью в центральной части стакана из металлической сетки может быть размещена трубка из металлической сетки.

Газопоглощающие элементы могут быть выполнены разной формы и размеров, в том числе лент, цилиндров и/или втулок и/или шестеренок разных диаметров. Выбор формы и размеров газопоглощающих элементов может иметь значение с точки зрения плотности укладывания их в емкости и создания благоприятных условий поджигания.

Газопоглощающие элементы могут быть подвергнуты предварительному нагреву в вакууме, что способствует повышению их поглощающей способности.

Массу газопоглотителя выбирают пропорционально количеству поглощаемого газа и газопоглощающей способности материала газопоглотителя.

Перечисленные приемы, характеризующие способ в части независимого, а также зависимых пунктов формулы изобретения, обеспечивают значительную интенсификацию процесса удаления активных газов из замкнутого объема: резкое увеличение скорости откачки, объема откачанного газа, сокращение продолжительности процесса (она составляет от нескольких секунд до нескольких минут), полноту использования газопоглотителя, повышение экономичности.

Данные факторы обуславливают возможность использования способа для быстрого удаления больших объемов газа. Это может быть актуально, например, при тушении пожаров снижением концентрации кислорода в замкнутом помещении типа отсека подводной лодки.

Возможность реализации способа подтверждает нижеприведенный пример.

В цилиндрическую камеру объемом 30 л, заполненную азотом при давлении 1 атм, помещают модуль-стакан с размещенным внутри него с зазором стаканом из металлической сетки, заполненным газопоглощающими элементами в виде цилиндров диаметром 15 мм и высотой 25 мм. Масса одной таблетки составляет 7,5 г. Цилиндры изготовлены из порошкового титана с добавлением карбида титана в количестве 8%. Частицы порошкового материала размером от 20 до 90 мкм составляют 92%. Пористость материала цилиндров - 54%. Прослойка, выполненная из прессованного порошкового борида титана (TiB₂), размещена в средней части модуль-стакана, разделяя равные слои плотно уложенных газопоглощающих элементов - цилиндров. Воспламенение осуществляют путем подачи кратковременного импульса электрического тока в режиме I=1,5 А, U=6 B через вольфрамовую спираль, находящуюся в контакте с материалом прослойки в двух разнесенных друг от друга точках. В результате воспламенения быстрогорящего материала прослойки и последующего воспламенения материала газопоглотителя начинается горение (азотирование титана). Фронт горения, то есть волна высокотемпературного синтеза, быстро распространяется в объеме всех газопоглощающих элементов. После завершения процесса СВС давление азота в камере упало до 0,03 атм. Время, в течение которого произведен синтез нитрида титана (иначе говоря, откачка азота), составило 25 сек. Материал газопоглощающих элементов использован практически полностью.

Таким образом, применение заявленного способа обеспечивает значительное увеличение скорости удаления газа, количества удаляемого газа. Средства, используемые для откачки газа, компактны и не требуют больших энергозатрат.

1. Способ удаления активных газов и их смесей из замкнутого объема, включающий изготовление газопоглотителя в виде прессованных газопоглощающих элементов, размещение их в замкнутом объеме и приведение в активное состояние, отличающийся тем, что каждый газопоглощающий элемент выполняют из, по меньшей мере, одного порошкового металла группы Ti, V, Zr, Nb, Hf или их сплавов в порошкобразном состоянии с добавлением продукта химического соединения исходного материала газопоглотителя с активным газом, иным, чем удаляемые газы, в количестве не более 30% от массы исходного материала газопоглотителя, при этом между слоями газопоглотителя размещают по меньшей мере одну прослойку из быстрогорящего прессованного порошкообразного материала, выполненного из Ti и С и/или В, а приведение в активное состояние производят путем воспламенения быстрогорящего материала локальным инициированием реакции горения одновременно в нескольких точках с последующим проведением самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в объеме газопоглотителя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газопоглощающие элементы выполняют с пористостью, составляющей 30-60%, а фракционный состав порошков для их изготовления характеризуется тем, что частицы размером 5-100 мкм составляют не менее 80%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, прослойку выполняют из материала с размером частиц не более 20 мкм и пористостью, не превышающей 20%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что прослойку выполняют из материала с отношением массы С и/или В к массе Ti, равным 0,2-0,8.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что прослойку выполняют толщиной, составляющей 0,05-0,1 толщины каждого из разделяемых слоев газопоглотителя.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что прослойку размещают горизонтально или вертикально.

7.Способ по п.1, отличающийся тем, что газопоглощающие элементы помещают в модуль-стакан в стакане из металлической сетки с зазором между стенками модуль-стакана и стакана из металлической сетки.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что в центральной части стакана из металлической сетки размещают трубку из металлической сетки.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что газопоглощающие элементы выполняют в виде цилиндров.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что газопоглощающие элементы выполняют в виде втулок.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что газопоглощающие элементы выполняют в виде шестеренок.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что газопоглощающие элементы выполняют в виде цилиндров, и/или втулок, и/или шестеренок разных диаметров.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что газопоглощающие элементы выполняют в виде ленты.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что газопоглощающие элементы подвергают предварительному нагреву в вакууме.