AUTOMATIC CONTROL SYSTEM OF O2 AND H2 CONCENTRATIONS IN TECHNOLOGICAL GAS CIRCUITS OF BTLSS SPACE APPLICATION

Full Text

Введение. В Институте биофизики СО РАН, где находится базовая кафедра ЗЭС СибГУ им. М. Ф. Решетнева, ведутся эксперименты по гранту РНФ 14-14-00599(П) с экспериментальной моделью замкнутой экосистемы (ЭМЗЭ) [1-9]. Целью экспе- риментов является тестирование совокупности техно- логий нового поколения [10] для вовлечения отходов жизнедеятельности человека в круговорот биотехни- ческой системы жизнеобеспечения (БТСЖО) [2; 3] в течение нескольких месяцев. ЭМЗЭ включает звено высших растений и имитирует 6 % газообмена чело- века и 8 % массообмена с вовлечением в него органи- ческих отходов. Одной из задач данного эксперимен- та является проверка динамики состава атмосферы замкнутой камеры с конвейером культурных растений с целью определения возможных потенциально опас- ных газовых микропримесей [7] в накопительном ре- жиме [2; 3] для планируемого полномасштабного экс- перимента БИОС-4, включающего человека, а также исследования возможных дисбалансов газового со- става. В случае обнаружения таковых необходимо будет предложить пути их устранения. Для утилизации плотных и жидких выделений человека в ЭМЗЭ используется метод «мокрого» сжи- гания в водном растворе H2O2 под действием пере- менного тока [4; 5]. До сих пор открытым является вопрос методов синтеза перекиси водорода для рабо- ты реактора [10]. В данной экспериментальной моде- ли ЗЭС, рассчитанной на включение доли метаболиз- ма человека, перекись водорода вносилась извне, что приводило к выделению избыточного количества O2 в атмосферу камеры при утилизации отходов челове- ка. Это связано с тем, что при окислении отходов по- рядка 20-40 % H2O2 распадается до воды и кислорода, не вступая в реакцию с органическим веществом. В полномасштабной системе этот избыточный кислород будет вновь использован для синтеза перекиси водо- рода. Для регуляции газообмена по кислороду в ЭМЗЭ необходимо разработать физико-химический метод фиксации кислорода из газовой среды. В качестве такого способа предложен контур переработки газов, в котором избыточный кислород каталитически свя- зывается с водородом, получаемым электролизом вне- системной воды. Далее синтезируемая вода может мерно изыматься из системы, и таким образом избы- точный кислород в составе воды выводится из массо- обмена. Для регуляции концентраций газов в таком газовом контуре и предотвращения детонации взры- воопасной в широком диапазоне концентраций смеси O2 и H2 должна быть разработана система автомати- ческого управления работой контура переработки газов, способная снижать концентрацию кислорода до заданных значений в безопасном режиме. Целью данного исследования является определе- ние кинетических характеристик каталитического процесса связывания кислорода с водородом в газо- вой среде и создание системы автоматического кон- троля работы контура переработки газов. Контур переработки газов. Для определения ки- нетических характеристик каталитического процесса связывания кислорода с водородом был создан экспе- риментальный газовый контур, в котором газ из реак- тора «мокрого» сжигания рабочим объемом 0,25 л после фиксации аммиака в кислоте [7] поступает в газгольдер, подключенный к замкнутому контуру переработки газа (рис. 1). В контуре газ циркулирует с заданной скоростью (1 л/мин) при использовании насоса и ротаметра. Избыточный кислород реагирует с водородом в каталитической камере объемом 35 мл за счет контакта с платиновым катализатором площа- дью 80 см2, нагретым до температуры 600-650 ºС. На платиновом катализаторе также происходит окис- ление органических примесей за исключением мета- на, накопление которого в ЭМЗЭ в течение несколь- ких месяцев не приводит к негативному влиянию на растения, а его концентрация не превышает 0,1 об. % в ЭМЗЭ при ее функционировании в течение года. Параметры каталитической камеры обеспечивают время контакта с катализатором в течение 2 с при скорости протока газа 1 л/мин. Водород поступает в контур из U-образного элек- тролизера, объемом 350 мл, в котором содержится водный раствор KOH с концентрацией 355,8 г/л. Сила тока, проходящего через электролизер, в соответствии со вторым законом электрохимии [11] пропорцио- нальна скорости поступления водорода в контур и в условиях стационарной концентрации водорода определяет скорость связывания кислорода. Для определения зависимости скорости фиксации кислорода от силы тока в электролизере был проведен эксперимент по снижению концентрации кислорода в 5 л газа в режиме стационарной концентрации водо- рода - 1,45-1,50 об. %. Для обеспечения данной кон- центрации водорода через электролизер пропускали ток 1,5 А. Чтобы избежать эффекта влияния измене- ния объема газа, концентрацию O2 снижали с 20 до 18 об. % (рис. 2). Результаты данного эксперимента показали, что зависимость скорости фиксации от тока составляет 0,09 л/(ч·А). Таким образом, можно рас- считать силу тока в электролизере, необходимую для снижения в течение суток концентрации кислорода в суточной норме газа из реактора «мокрого» сжигания, поступающего в ЭМЗЭ. Для поддержания заданной расчетной доли мета- болизма человека в массообменном цикле ЭМЗЭ требуется ежесуточная переработка 250 мл раствора эк- зометаболитов человека и перекиси водорода. Объем выделяющегося газа при минерализации 250 мл дан- ной смеси составляет 18 ± 1 л. В его состав входит в основном кислород (68 об. %), водород (28 об. %) и углекислый газ (4 об. %), а также примеси летучих органических соединений [7]. Для снижения концен- трации кислорода с 68 до 10 об. % в данном объеме газа в течение суток, в условиях стационарной кон- центрации водорода необходим ток в электролизере, равный 6 А. Рис. 1. Схема устройства контура переработки газа из реактора «мокрого» сжигания Подпись: Концентрация,%Fig. 1. Scheme of the installation of the gas processing circuit from the “wet” combustion reactor Рис. 2. Кинетические характеристики каталитического процесса связывания кислорода с водородом Fig. 2. The kinetic characteristics of the catalytic process of oxygen binding to hydrogen Система автоматического контроля работы контура переработки газов. Смесь O2 и H2 взрыво- опасна в широком диапазоне концентраций - от 4 до 70 об. % водорода. Поэтому для предотвращения взрывов в процессе связывания кислорода была орга- низована система контроля концентрации водорода в газовом контуре посредством включения и выклю- чения электролизера в зависимости от показаний датчика водорода (см. рис. 1). Процесс переработки газа завершается при достижении заданного значения концентрации кислорода в соответствии с показаниями датчика кислорода (см. рис. 1): происходит отключе- ние электролизера, каталитической камеры и насоса. Алгоритм работы автоматической системы представ- лен на рис. 3. Аппаратно-программный комплекс выполнен с помощью датчика «Верба-Д» серии ИГС-98 испол- нения 009, предназначенного для непрерывного авто- матического измерения концентрации водорода, и датчика «Клевер-Д» серии ИГС-98 исполнения 021, предназначенного для непрерывного автоматического измерения концентрации кислорода (рис. 4). Данные датчики подключены к системе контроля загазован- ности А-4М, предназначенной для непрерывного кон- троля и измерения численных значений концентраций газов в атмосфере рабочей зоны (рис. 4). Для отсле- живания и фиксации в базу данных показаний с дат- чиков в реальном времени было осуществлено под- ключение к компьютеру через COM-порт с помощью конвертера сигнала RS232-RS485 [12]. Для дальней- шей обработки необходимые показания из базы дан- ных можно вывести в файл Microsoft Excel [13]. Эксперименты, моделирующие пороговые усло- вия, с электролизером и датчиками на водород и кислород показали, что система автоматического контроля способна успешно поддерживать концен- трацию H2 в контуре в безопасном диапазоне 1,5-2,5 об. % (рис. 3) и завершать работу контура при достижении целевого значения концентрации кислорода. Рис. 3. Алгоритм работы автоматической системы управления контуром переработки газа Fig. 3. The algorithm of the automatic control system of the gas processing circuit Рис. 4. Фрагмент системы автоматического контроля работы контура переработки газов: 1 - пульт контроля А-4М; 2 - ротаметр; 3 - датчик кислорода «Клевер-Д»; 4 - датчик водорода «Верба-Д»; 5 -каталитическая камера Fig. 4. Fragment of the automatic control system of the gas processing circuit: 1 - control panel A-4M; 2 - a rotameter; 3 - oxygen sensor “Klever-D”; 4 - hydrogen sensor “Verba-D”; 5 - catalytic chamber Заключение. Был сконструирован эксперимен- тальный контур переработки газа из реактора «мокро- го» сжигания и создана автоматизированная система контроля концентрации газов в данном контуре. Экс- перименты по определению кинетических характери- стик каталитического связывания кислорода с водо- родом показали, что для снижения концентрации ки- слорода в суточной норме газа из реактора «мокрого» сжигания, поступающего в ЭМЗЭ, требуется ток в электролизере, равный 6 А. Данное значение действи- тельно для условий стационарной концентрации во- дорода, которая может быть установлена путем по- вышения скорости потока газа до 4 л/мин и достаточ- ным временем контакта с катализатором. Поддержа- ние концентрации водорода в безопасном диапазоне значений (в случае выхода контура переработки газа из стационарного режима) завершение процесса и сохранение данных динамик концентраций газов может быть осуществлено разработанной автоматизи- рованной системой контроля концентрации газов. Созданная система контроля концентраций водо- рода и кислорода может быть также использована в замкнутых газовых контурах других физико- химических процессов полномасштабных БТСЖО, требующих определенных концентраций данных га- зов. Например, разрабатываемые процессы нитрифи- кации аммиака [14] и синтеза перекиси водорода [15] могут требовать повышенных концентраций кислоро- да [16]. При соответствующем алгоритме работы сис- тема контроля способна поддерживать данные про- цессы, обеспечивая содержание кислорода в пределах требуемого диапазона.

About the authors

Ye. A. Morozov

Institute of Biophysics SB RAS; Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: yegormorozov@ibp.ru
50/50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation; 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

S. V. Trifonov

Institute of Biophysics SB RAS; Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

50/50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation; 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

A. V. Murygin

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

A. A. Tikhomirov

Institute of Biophysics SB RAS; Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

50/50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation; 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

References

Supplementary files