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        高氯酸鋰制氧氣原理及其應(yīng)用研究*

        2012-07-11 08:47:10張振山梁偉閣
        艦船電子工程 2012年8期
        關(guān)鍵詞:輸送泵氯酸鹽高氯酸

        朱 銳 張振山 梁偉閣

        (海軍工程大學兵器工程系 武漢 430033)

        1 引言

        高氯酸鹽作為一類高能氧化劑[1],其高含氧量的特點使其在推進技術(shù)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。在推進劑中添加高氯酸鹽[2]使燃料充分燃燒,可以獲得更高的推進效率。在需要用純氧的應(yīng)用中,例如某型熱動力系統(tǒng)采用氫氣與氧氣燃燒產(chǎn)生動力、氫氧燃料電池等,由于氧氣是強氧化劑,稍有不甚就會發(fā)生爆炸[3],高壓或低溫下儲存的純氧不但不利于實際應(yīng)用,而且長期儲存存在安全隱患。通過含氧物質(zhì)熱分解產(chǎn)生氧氣來解決氧氣的實時產(chǎn)生問題,能明顯提高系統(tǒng)的安全性,而高氯酸鹽含氧量高,在較小容積下能儲備大量的氧。因此通過選取在一定溫度、壓力范圍條件下物理化學性質(zhì)穩(wěn)定的高氯酸鹽,通過熱分解的方法實時生成氧氣是一種切實可行、可控安全的供氧方式。在所有金屬高氯酸鹽中,高氯酸鋰(LiCLO4)的有效含氧量最高,達到60.1%[4],且化學性質(zhì)穩(wěn)定,便于常溫常壓儲存與使用。

        2 高氯酸鋰的物理化學性質(zhì)

        高氯酸鋰易溶于水,除無水鹽外還有一水鹽及三水鹽,由三水鹽向一水鹽轉(zhuǎn)化溫度為92.5℃,由一水鹽向無水鹽轉(zhuǎn)化溫度為145.7℃,無水高氯酸鋰為無色結(jié)晶[5],密度為2.428g/cm3,熔點為236℃左右,常用于火箭噴氣燃料的制造,在430℃左右能夠迅速分解為氯化鋰和氧氣。文獻[6]通過實驗測得了高氯酸鋰的熱解重量分析曲線,如圖1所示,高氯酸鋰在低于400℃下性質(zhì)非常穩(wěn)定,不發(fā)生熱分解反應(yīng),便于常溫常壓下儲存,利于實際使用。在430℃~500℃之間,高氯酸鋰受熱分解失重明顯,曲線斜率較大。

        圖1 高氯酸鋰熱解重量分析曲線

        3 高氯酸鋰的熱分解過程

        高氯酸鋰通常是以固態(tài)形式儲存,在加熱到240℃左右開始熔化,變成液態(tài)的高氯酸鋰。在達到熱分解反應(yīng)溫度后,高氯酸鋰能夠迅速發(fā)生分解反應(yīng),且十分劇烈。具體化學反應(yīng)方程式如下[7]:

        第一個反應(yīng)是吸熱的,后兩個反應(yīng)是放熱的。文獻[8]通過實驗指出:高氯酸鋰的熱分解反應(yīng)速率對于溫度有較高的依賴性,在低于316℃時,反應(yīng)是很輕微的,只有極少一部分高氯酸鋰發(fā)生分解反應(yīng),在413℃時,反應(yīng)變得很迅速,而達到507℃時,反應(yīng)變得很劇烈。高氯酸鋰熱分解反應(yīng)過程中放出大量熱量,不斷提高未參與反應(yīng)的高氯酸鋰及其熱分解產(chǎn)物溫度,導致反應(yīng)啟動后反應(yīng)非常迅速。文獻[9]研究了氧化鋰Li2O和金屬Mn作為催化劑,對于高氯酸鋰熱分解反應(yīng)的影響,實驗結(jié)果表明:氧化鋰Li2O能夠加快反應(yīng)的發(fā)生并降低反應(yīng)啟動的溫度,并使使反應(yīng)物的溫度不會超過氯化鋰的熔點,使氯化鋰維持在固態(tài),便于對氧氣的后續(xù)提純處理,同時氧化鋰的存在有利于形成穩(wěn)定的氧氣流。金屬錳由于能夠與高氯酸鋰反應(yīng)放出大量熱量,能夠使反應(yīng)物及其環(huán)境溫度急劇上升,加快了反應(yīng)速度,生成的錳的氧化物作為最終的催化劑能加快高氯酸鋰熱分解反應(yīng)速度。

        4 高氯酸鋰熱分解反應(yīng)動力學模型

        在熱分解重量分析中,高氯酸鋰的熱分解速率表示為

        根據(jù) Arrhenius方程[10]k=A·e-E/RT有:

        在恒定的程序升溫速率下[11]β=dT/dt,則:

        可以求出高氯酸鋰的熱分解動力學方程式為

        5 高氯酸鋰實時生成氧氣系統(tǒng)

        圖2 高氯酸鋰制氧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        基于高氯酸鋰的物理化學性質(zhì),從其熔點及熱分解反應(yīng)溫度出發(fā),設(shè)計了氧氣實時生成系統(tǒng),能夠根據(jù)需要安全、實時可控地生成氧氣,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,主要由以下部分組成:

        1)高氯酸鋰儲存裝置主要用于儲存固態(tài)形式的高氯酸鋰。要求密封性良好,容器材料不與高氯酸鋰反應(yīng)。

        2)輸送泵 用于根據(jù)需要精確輸送一定量的液態(tài)高氯酸鋰至熱分解反應(yīng)裝置。根據(jù)產(chǎn)生64g氧氣,輸送106.5g高氯酸鋰的比例來控制輸送泵的流量。

        3)高氯酸鋰分解裝置 主要完成將輸送進來的液態(tài)高氯酸鋰進行熱分解,同時由于熱分解反應(yīng)放出大量熱量,分解裝置必須設(shè)置有冷卻系統(tǒng),使分解裝置的溫度維持在系統(tǒng)可以承受的范圍之內(nèi)。為降低反應(yīng)起始溫度及加快反應(yīng)速度,分解裝置內(nèi)置有催化劑氧化鋰及少量的的錳粉。

        系統(tǒng)工作原理為:高氯酸鋰在系統(tǒng)沒有啟動時是以固態(tài)形式儲存在儲存裝置中,系統(tǒng)啟動后,在點火藥柱的作用下,高氯酸鋰迅速熔化由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài),并通過溫控單元,使高氯酸鋰在系統(tǒng)啟動后就始終維持在液態(tài)。根據(jù)實際氧氣需求量,通過輸送泵將相應(yīng)質(zhì)量的液態(tài)高氯酸鋰輸送到分解裝置,分解裝置四周壁面有一層氧化鋰覆蓋,在底部有一部分金屬錳粉,用于加快反應(yīng)速度,降低反應(yīng)的起始溫度。液態(tài)的高氯酸鋰噴灑在高溫壁面上,并和催化劑接觸瞬間分解出氧氣。系統(tǒng)穩(wěn)定運行時,通過輸送泵調(diào)節(jié)輸送到分解裝置中的液態(tài)高氯酸鋰的流量來調(diào)節(jié)實時生成的氧氣的流量。

        6 結(jié)語

        為實現(xiàn)高效、可控安全地制備氧氣,基于高氯酸鋰有效含氧量高,常溫常壓下的物理化學性質(zhì)穩(wěn)定的特點,設(shè)計了高氯酸鋰實時生成氧氣系統(tǒng)。系統(tǒng)將高氯酸鋰熔化后,通過泵輸送液態(tài)高氯酸鋰進入熱分解裝置來獲得氧氣,通過添加催化劑氧化鋰及金屬錳實現(xiàn)提高反應(yīng)速度、降低反應(yīng)起始溫度。通過調(diào)節(jié)輸送泵的流量來實現(xiàn)氧氣生成量的精確控制。從理論和實際出發(fā),利用高氯酸鋰熱分解實時生成氧氣是一種較為理想、安全的獲取氧氣的方式。

        [1]于佳,唐玄樂,劉家仁.高氯酸鹽對人體健康影響的研究進展[J].環(huán)境與健康,2008,25(7):648-650.

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