Автоматическая система контроля концентраций О2

AUTOMATIC CONTROL SYSTEM OF O2 AND H2 CONCENTRATIONS IN TECHNOLOGICAL GASCIRCUITS OF BTLSSSPACEAPPLICATION

Ye. M Mooozov12 ,S. V. Tnfonov12,A. V. Mcrygin2,A.A. Tgfromnov12

6Instiiuto ofBiophyfic-SB RAS

50/e0, Algidvmoocodok, Kmnoyamk, 66aO36,Rocsian Federation 2ReshottrevSiOerian State UniversityofScisnceakdTechnology

3 6, Krnknooapsky Rybochy ov., K/63noya9sk,630037, Russian Federation

The Onstitute of Biophyoicn SB RAi is devoloping a physical experimental model of a closed ecosystem (EMCS) simotaaing mass-nxohenge flows in the xresrnoe of a cslcolateO prnportion of human metabolism. The model is designed io check the compatiiblliiy sX the highee plant Unkcogy the biologicci and fhosiaochemical links in the processing of organic wastes that are being deeelepeh. In this eocneetion, the EMCS does not contain a number of auxiliary reactors hdecomgosStion of ucca, nitrificohlon of cesmanio sud oynnhseis cf Sydrogen peroxide), the direct interaction of which whS the plant Unix is either excluded, or do not have a ncgcuive impact on cultivated plantc. The aOsance of these reactorsleads to anuhbidaceeinthePww of^nbsisanes itt thesyctemi in hasticulerexnesa axygdhisformehus a result of the procesc of “wet «hnCuPtoo ” af aaganlc westee in Oydadgen perooide. Pa nataeoashte fmo the model wns Solacee, a pecabal seas c1suuii in deoetomad ic which oenoae ie removed by diadtog to eypaaunh hS)laiaad by electrolysis of off-system wetrr. To contsoi thic process, aa uuimaatic seo coacentration moadtaning syctem has Caan deoetoghd that allows mnialnining etc onsanntsatinn gУhydaagen in a сгЦо aenge wtthoat ea iterator's paecnsae, rtoppina the psacess hy chhieaing due ruautend ahngpn cana:e1tlpntion, and e^xr eecasd^oe Аг eaaxas eenalisgc nuts the halaeore for frrflteic processiaf. hi adititios, to the ppepnced mhPюdonagibal epppashh, the deoe^eeeo)S rontrol ynatem san tet need in fullscale btotchnnibat Ufe-uepport snstетns to monigf due neyggy / OnCsepml onmpnfog)a of e gum madium in c gas circuit of oheer e>dlt7;sis^octг

Kit^wpoadsi doeed efu eeppoot acmnтss1 nlroodaa, wet unmduntton automalioe, reasf ^еаПтоП, ПУЧс anelpnus, atmos-pherecomposiiion ono1rntl.

Введение. В Институте биофизики СО РАН, где находится базовая кафедра ЗЭС СибГУ им. М. Ф. Решетнева, ведутся эксперименты по гранту РНФ^4-14-00^9( П^ с экспериментальной моделью замкнутой экосистемы^ ЭМЗЭ^^‒9]. Целью экспериментов является тестирование совокупности технологий нового поколения^10] для вовлечения отходов жизнедеятельности человека в круговорот биотехнической системы жизнеобеспечения^ БТСЖО^^^3] в течение нескольких месяцев. ЭМЗЭ включает звено высших растений и имитирует^^  газообмена чело века и^^ массообмена с вовлечением в него органических отходов. Одной из задач данного эксперимента является проверка динамики состава атмосферы замкнутой камеры с конвейером культурных растений с целью определения возможных потенциально опасных газовых микропримесей^7] в накопительном ре-жиме^2^3] для планируемого полномасштабного эксперимента БИОС-4, включающего человека, а также исследования возможных дисбалансов газового состава. В случае обнаружения таковых необходимо будет предложить пути их устранения.

Для утилизации плотных и жидких выделений человека в ЭМЗЭ используется метод^ мокрого» сжигания в водном растворе^ 2O2 под действием переменного тока^4^^. До сих пор открытым является вопрос методов синтеза перекиси водорода для работы реактора^10]. В данной экспериментальной модели ЗЭС, рассчитанной на включение доли метаболизма человека, перекись водорода вносилась извне, что приводило к выделению избыточного количества^ 2 в атмосферу камеры при утилизации отходов человека. Это связано с тем, что при окислении отходов по-рядка^0‒40 ^H 2O2 распадается до воды и кислорода, не вступая в реакцию с органическим веществом. В полномасштабной системе этот избыточный кислород будет вновь использован для синтеза перекиси водорода.

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 связывается с водородом, получаемым электролизом внесистемной воды. Далее синтезируемая вода может мерно изыматься из системы, и таким образом избыточный кислород в составе воды выводится из массо-обмена. Для регуляции концентраций газов в таком газовом контуре и предотвращения детонации взрывоопасной в широком диапазоне концентраций смеси O2 и^ 2 должна быть разработана система автоматического управления работой контура переработки газов, способная снижать концентрацию кислорода до заданных значений в безопасном режиме.^

Целью данного исследования является определение кинетических характеристик каталитического процесса связывания кислорода с водородом в газовой среде и создание системы автоматического контроля работы контура переработки газов.

Контур переработки газов. Для определения кинетических характеристик каталитического процесса связывания кислорода с водородом был создан экспериментальный газовый контур, в котором газ из реак-тора^ мокрого» сжигания рабочим объемом^,25 л после фиксации аммиака в кислоте^7^ поступает в газгольдер, подключенный к замкнутому контуру переработки газа^ рис.^). В контуре газ циркулирует с заданной скоростью^1 л/мин^ при использовании насоса и ротаметра. Избыточный кислород реагирует с водородом в каталитической камере объемом^5 мл за счет контакта с платиновым катализатором площа-дью^0 см², нагретым до температуры^00‒6^^  С.

На платиновом катализаторе также происходит окисление органических примесей за исключением метана, накопление которого в ЭМЗЭ в течение нескольких месяцев не приводит к негативному влиянию на растения, а его концентрация не превышает^,1 об.^ в ЭМЗЭ при ее функционировании в течение года. Параметры каталитической камеры обеспечивают время контакта с катализатором в течение^ с при скорости протока газа^ л/мин.

Водород поступает в контур из^- образного электролизера, объемом^^ мл, в котором содержится водный раствор^OH с концентрацией^5^8 г/л. Сила тока, проходящего через электролизер, в соответствии со вторым законом электрохимии^11] пропорциональна 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^ л газа в режиме стационарной концентрации водо-рода^ 1,4^1,^ об.^. Для обеспечения данной концентрации водорода через электролизер пропускали ток 1,5 А. Чтобы избежать эффекта влияния изменения объема газа, концентрацию 02 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 рассчитать 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 метаболизма человека в массообменном цикле ЭМЗЭ тре буется ежесуточная переработка 250 мл раствора экзометаболитов человека и перекиси водорода. Объем выделяющегося газа при минерализации 250 мл данной 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 концентрации кислорода с 60 до 20 об. % в данном объеме газа в течение суток, в условиях стационарной концентрации водорода необходим ток в электролизере, равный 6 А.

Рис.1. Схема устройства контура переработки газа из реактора «мокрого» сжигания

Fig. L SeCeme oftiieinstallation oftiie gas processingcircuitfromtilie“wet’’ combustion reactor

Рис. 2. Кинетические характеристики каталитического процесса связывания кислорода с водородом

O2

H2

Система автоматического контроля работы контура переработки газов. Смесь^ 2 и^ 2 взрывоопасна в широком диапазоне концентраций^ от^ до^0 об.^ водорода. Поэтому для предотвращения взрывов в процессе связывания кислорода была организована система контроля концентрации водорода в газовом контуре посредством включения и выключения электролизера в зависимости от показаний датчика водорода^ см. рис.^). Процесс переработки газа завершается при достижении заданного значения концентрации кислорода в соответствии с показаниями датчика кислорода^ см. рис.^): происходит отключение электролизера, каталитической камеры и насоса. Алгоритм работы автоматической системы представлен на рис.^.

Аппаратно-программный комплекс выполнен с помощью датчика^ Верба-Д» серии ИГС-98 испол-нения^09, предназначенного для непрерывного автоматического измерения концентрации водорода, и датчика^ Клевер-Д» серии ИГС-98 исполнения^21, предназначенного для непрерывного автоматического измерения концентрации кислорода^ рис.^). Данные датчики подключены к системе контроля загазованности А-4М, предназначенной для непрерывного контроля и измерения численных значений концентраций газов в атмосфере рабочей зоны^ рис.^). Для отслеживания и фиксации в базу данных показаний с датчиков в реальном времени было осуществлено подключение к компьютеру через^OM- порт с помощью конвертера сигнала^Ѕ232-R^85^12]. Для дальнейшей обработки необходимые показания из базы данных можно вывести в файл^icrosoft Excel^13].

Эксперименты, моделирующие пороговые условия, с электролизером и датчиками на водород и кислород показали, что система автоматического контроля способна успешно поддерживать концен-трацию^ 2 в контуре в безопасном диапазоне 1,5‒2,5 об.^ ( рис.^) и завершать работу контура при достижении целевого значения концентрации кислорода.^

Рис.^. Алгоритм работы автоматической системы управления контуром переработки газа

Fig.^.^he algorithm^f^he automatic cont rol^ystem^f^he^as^rocessing^ircuit

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

Fia.4.Fragment of the automatic control system oftiregasprocesscngcSrcuit:

1 contsolpanelA-4\1; 2 - acoraotster; 3 - oxapersensor “tPlever-D”;

4 - hydsogenpcrsor‘'У'erb-r[У^;; 5 saralyiigfromper

Заключение. Был сконструирован экспериментальный контур переработки газа из реактора <(мокрого» сжигания и создана автоматизированная система контроля концентрации газов в данном контуре. Эксперименты по определению кинетических характеристик каталитического связывания кислорода с водородом показали, что для снижения концентрации кислорода в суточной норме газа из реактора <(мокрого» сжигания, поступающего в ЭМЗЭ, требуется ток в электролизере, равный 6 А. Данное значение действительно для условий стационарной концентрации водорода, которая может быть установлена путем повышения скорости потока газа до 4 л/мин и достаточным временем контакта с катализатором. Поддержание 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 автоматизированной системой контроля концентрации газов.

Созданная система контроля концентраций водорода и кислорода может быть также использована в замкнутых газовых контурах других физикохимических процессов полномасштабных БТСЖО, требующих определенных концентраций данных газов. Например, разрабатываемые процессы нитрификации аммиака [141] и синтеза перекиси водорода [15] могут требовать повышенных концентраций кислорода [16]. При соответствующем алгоритме работы система контроля способна поддерживать данные процессы, обеспечивая содержание кислорода в пределах требуемого диапазона.

Acknowledgements. Tfe work on creation hf ths gas treatment^ircuit^as^onducted^ith^he^inancial^upport of^he^ussian Ѕcientific^oundation^rant^project^4-14-00599П)^t^B^ЅB^AЅ. The^orks on^reating^he^igi-tal^ata^ecording^ystem^f^he^as^reatment^ircuit^en-sors readings ^re^onducted^n^he frame^rk^f^he integration project^umber^^unit number^)^f ЅB RAЅ and^he^nstitute^f^iophysics^B^AЅ^n^tate^ask theme № 56.1.4.^or^013‒2020.