Способ создания избыточного давления газообразного диоксида углерода внутри рабочего объема упаковки для распыления вещества - RU2016820C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к упаковочной технике и может быть использовано, например, в аэрозольных упаковках.

Известно техническое решение, согласно которому для создания избыточного давления внутри рабочего объема упаковки, необходимого для распыления вещества, используют фреон низкого давления. Однако фреон, выходящий за пределы упаковки в процессе распыления жидкости, оказывает вредное воздействие на окружающую среду, что является существенным недостатком этого технического решения. Поэтому для создания избыточного давления внутри упаковки в настоящее время предлагаются альтернативные технические решения, в результате использования которых уменьшается или исключается вредное воздействие на окружающую среду.

Так, в качестве вытеснителей, обеспечивающих рабочее давление внутри упаковки, служат скважинные или сжатые газы, которые внутри упаковки хранятся отдельно от распыляемого вещества в баллоне, корпус которого рассчитан на высокое давление этих газов. К основным недостаткам этих решений следует отнести недостаточный уровень безопасности при хранении и транспортировке таких упаковок вследствие существующей возможности их взрыва, например при хранении их рядом с тепловыделяющим устройством, а также незапланированного самосрабатывания в случае неисправности клапана баллона с сжатым газом.

Известны также технические решения, согласно которым газ - вытеснитель, обеспечивающий создание в упаковке давления, необходимого для распыления жидкости, вырабатывается в герметичном и эластичном мешке, погруженном внутри упаковки в распыляемую жидкость, в результате взаимодействия некоторых веществ за счет подвода к ним внешнего воздействия. Основным недостатком этих решений (как и ранее рассмотренных) является ограниченность сферы применения таких упаковок вследствие угрозы незапланированного срабатывания, например, при изменении климатических условий и т.п.

В известных технических решениях, в которых устранены указанные недостатки, давление рабочего газа обеспечивается за счет использования в составе конструкции упаковок воздушного насоса, выполненного в виде цилиндро-поршневого ручного насоса. Хотя экономичность и безопасность этих решений находится на должном уровне, однако использование в этих конструкциях ручного воздушного насоса снижает эксплуатационную надежность таких упаковок вследствие возможного отказа насоса, а также отрицательно сказывается на удобстве их эксплуатации.

Наиболее близким по существу технического решения и достигаемому результату является известный способ создания избыточного давления газообразного диоксида углерода внутри рабочего объема упаковки для распыления жидкости, заключающийся в десорбировании СО₂, растворенного в сорбенте.

К основным недостаткам данного способа следует отнести: излишнюю материалоемкость конструкции для реализации данного способа вследствие большого избыточного давления; неравномерность расхода распыляемого вещества вследствие уменьшения количества абсорбента в процессе распыления; вредное воздействие на окружающую среду использованной упаковки вследствие продолжения выхода из нее CО₂, т.к. всю жидкость распылить невозможно, а также в случае распыления агрессивных аэрозолей и при длительном хранении отработанных упаковок будет происходить коррозия элементов конструкции упаковки, и таким образом в атмосферу будут поступать вредные вещества; недостаточная степень заполнения упаковки распыляемой жидкостью вследствие необходимости иметь большой запас рабочего газа над уровнем жидкости для ее распыления; ограниченность круга вещества, которые могут распыляться этим способом вследствие выполнения функций абсорбента распыляемым веществом.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. обеспечение равномерности расхода распыляемого вещества и расширение круга распыляемых веществ, повышение экономичности, а также уменьшение выброса СО₂ в атмосферу.

Поставленная цель достигается тем, что в способе создания избыточного давления газообразного диоксида углерода внутри рабочего объема упаковки для распыления вещества, заключающегося в десорбировании СО₂, растворенного в сорбенте, предложено избыточное давление СО₂ в рабочем объеме поддерживать при распылении вещества за счет подачи в рабочий объем газообразного СО₂, десорбированного из сорбента, обладающего поглощающей способностью по отношению к СО₂ в упаковке, большей, чем у распыляемого вещества, и сохраняющего свое количество неизменным при распылении.

Предложено также подпитку десорбированного СО₂ в рабочий объем осуществлять по достижении заданного перепада давления между изолированными друг от друга распыляемым веществом и сорбентом.

Кроме того, предложено десорбирование СО₂ осуществлять в отдельной емкости и/или на периферии рабочего объема упаковки.

Также предложено в качестве сорбента использовать активированный уголь.

Изобретение поясняется чертежом, где: на фиг.1 приведена конструктивная схема предпочтительного варианта размещения сорбента в упаковке; на фиг.2 - конструктивная схема вариантов размещения сорбента в упаковке; на фиг.3 - конструктивная схема распыляющей головки с закрытым клапаном; на фиг.4 - конструктивная схема распыляющей головки с открытым клапаном; на фиг.5 - упаковка, вид сверху.

Упаковка для распыления веществ представляет собой герметичную емкость 1, выполненную, например в виде цилиндрического наружного корпуса 2 с днищем 3 и крышкой 4, к которой герметично присоединена распыляющая головка 5 с клапаном 6. Внутри наружного корпуса 2 установлен внутренний корпус 7 с рабочим объемом 8, заполненным распыляемым веществом 9 (жидкостью). В полости 10 между наружным корпусом 2 и внутренним корпусом 7 размещают сорбент 11, например активированный уголь. В верхней части внутреннего корпуса 7 выполнены отверстия 12 (окна и т.д.), посредством которых рабочий объем 8 сообщается с полостью 12. В рабочем объеме 8 снизу вверх проходит трубка 13 для подачи распыляемой жидкости 9 на вход распыляющей головки 5. В днище 3 выполнен заправочный клапан 14 для сорбента и СО₂. На фиг.2 показано другое возможное размещение сорбента внутри упаковки. Сорбент 11 размещен внутри внутреннего корпуса 7 и/или в верхней части рабочего объема 8 над уровнем распыляемой (разбрызгиваемой) жидкости 9. Возможно также размещение сорбента вне наружного корпуса 2 упаковки, но тогда он должен быть заключен в отдельную герметичную емкость, сообщающуюся магистралью подачи десорбированного СО₂ с газовой полостью рабочего объема (на чертеже не показано). В верхней части наружного корпуса 2 установлен заправочный клапан 15 для распыляемой жидкости. Заправочные клапаны 14 и 15 могут быть установлены в любом удобном месте на наружном корпусе 2. Схема движения десорбированного СО₂ и распыляемой жидкости показаны на чертеже стрелками.

Упаковка эксплуатируется за счет избыточного давления СО₂ внутри ее объема, содержащего распыляемое вещество 9, в качестве которого могут использоваться жидкости, эмульсии, суспензии и даже мелкодисперсные порошки. В последнем случае подачу вещества обеспечивают за счет создания в нижней части рабочего объема 8 упаковки псевдоожиженного слоя за счет подвода СО₂, десорбированного из сорбента 11 в период снижения давления в рабочем объеме 8 при открытии клапана 6 распыляющей головки 5.

В рабочий объем 8 СО₂ может подаваться как из сообщающейся с рабочим объемом полости 10, где размещен сорбент 11, например, образуемой кольцевым пространством между внутренним корпусом 7, содержащим распыляемое вещество 9, и наружным корпусом 2 упаковки (см.фиг.1), так и из сорбента 11, размещаемого непосредственно в рабочем объеме 8 (см.фиг.2). Поскольку подвод энергии, необходимой для десорбции СО₂, производят из окружающей упаковку среды, важным условием является обеспечение теплового контакта между наружным корпусом 2 упаковки и веществом сорбента 11, достаточного для выделения СО₂ с нужной скоростью, обуславливающей динамику восстановления требуемого давления в рабочем объеме 8 в период после срабатывания упаковки, т.е. непосредственно после окончания очередного режима распыления.

В предпусковой период осуществляют режим заполнения упаковки распыляемым веществом 9 и сорбентом 11, а затем - СО₂, подаваемым внутрь полости 10 с сорбентом либо в виде газа (при пониженной температуре и отводе тепла от упаковки), либо в жидком виде (также при низкой температуре, например, около 200К), либо в твердом виде - сухого льда. В последних двух вариантах (см. фиг. 2) отвод тепла от упаковки (около 1,5 кДж/г СО₂) практически не требуется, т. е. обеспечивается за счет поглощения тепла при фазовом переходе СО₂ из жидкого или твердого в сорбированное состояние.

Заполнение производят из расчета подачи в полость сорбента количества СО₂, способного поглотиться в сорбенте при заданных условиях заправки. Емкость сорбента по СО₂ определяется при этом как типом сорбента, так и требуемым давлением СО₂ в рабочем объеме Р при заданной эксплуатационной температуре (например, 290К). Для характерного требуемого давления на уровне 0,15 МПа емкость а такого сорбента, как активированный уголь (типа АГ) составляет около 33 г СО₂ на 100 г угля при температуре 290К. Однако, с учетом возможного увеличения стартового давления в упаковке до, например, 0,2 МПа и/или в расчете на сохранение эксплуатационных свойств при изменении температуры эксплуатации в заданных пределах, начальная степень заполнения сорбента СО₂ составляет большую величину, а именно, 50 г СО₂ на 100 г сорбента.

Соотношение а и Р при постоянной температуре описывается уравнением изотермы сорбции Фрейндлиха
lna = lnK +

Поскольку при нижнем значении Р рабочего диапазона и остаточном значении а количества поданного за время рабочей эксплуатации упаковки СО₂ должно быть достаточно для практически полного вытеснения распыляемого вещества, что означает, что при плотности СО₂ на уровне 300 л/кг (при давлении 0,15 МПа и t = 290К) на вытеснении 1 л распыляемой жидкости десорбировать около 3 г СО₂. При разнице стартового и конечного значения а 50 - 35 = 15 г СО₂/100 г сорбента, это означает, что количество сорбента должно быть не менее 30 г. При насыпной плотности сорбента на уровне 600 г/л объем, заполненный сорбентом, должен быть не менее 0,05 л. Изложенное относится к предложенному техническому решению, когда используется для подачи в рабочий объем весь стартовый объем сорбента. Это означает, что должны быть обеспечены условия сохранения количества сорбента в процессе рабочей эксплуатации неизменным и необходимый теплоподвод ко всему его объему.

При распылении мелкодисперсных порошков, как это описано выше, часть СО₂ будет выходить из упаковки при переносе порошка в зону распыления и в окружающую упаковку среду, что потребует использования больших удельных количеств сорбента, чем приведенные выше.

Для предотвращения взаимодействия (например, при кантовании упаковки) распыляемого вещества 9 и сорбента 11, когда используют такое их сочетание, что указанное взаимодействие может привести к нежелательному изменению их свойств, подачу СО₂ из полости 10, содержащей сорбент 11, в рабочий объем 8 (см.фиг.1) ведут лишь при достижении некоторого заданного перепада давления между этими пространствами, что может достигаться, например, срабатыванием подпружиненного клапана (аналогично действию клапана 6 распыливающей головки 5), который открывает доступ СО₂ из полости 10 сорбента в рабочий объем 8 лишь при снижении давления в рабочем объеме (например, в режиме распыления) и/или при росте давления в полости 10 сорбента (например, при увеличении температуры в этой полости).

Важным качеством использования сорбента с поглощающей способностью выше, чем распыляемого вещества, является возможность предотвращения выхода СО₂, заполняющего упаковку (после ее рабочего использования), в окружающую среду, например, при повреждении корпуса (за счет, в частности, коррозии). Эта возможность достигается за счет снижения температуры окружающей среды, например, при перемещении использованной упаковки в холодные климатические зоны. При необходимости возможно даже организовать переработку использованных упаковок таким образом, что вскрытие упаковки ведут после снижения ее температуры до значения, при котором значительная (до 80-90%) часть СО₂ вновь сорбируется в сорбенте, и, так же, как и сам сорбент может быть повторно использована.

Требуемое снижение температуры определяется зависимостью
lnP = - AT^-1 + B, где А и В - параметры данного сорбента, а Р характеризует остаточное давление несорбированного СО₂.

В качестве сорбента может быть использован активированный уголь, обладающий достаточно высокой поглощающей способностью по отношению к СО₂ и относительно невысокой стоимостью.

Описанное техническое решение позволяет: обеспечить равномерность расхода распыляемого вещества за счет большей сорбционной способности поглощения СО₂ в неизменяемом количестве сорбента (лучшая кинетика), т.к. в прототипе по мере распыления жидкости сорбента часть СО₂, десорбированного из рабочего объема жидкости, расходуется во время распыления и уносится с распыленной жидкостью; расширить круг распыляемых веществ, например, обеспечив возможность использования веществ в твердой фазе в виде мелкодисперсных порошков; повысить экономичность изготовления и эксплуатации, а также снизить материалоемкость и повысить степень заполнения упаковки распыляемым веществом за счет восстановления избыточного давления СО₂ над распыляемой жидкостью вследствие подачи СО₂ из неизменного в процессе распыления количества сорбента, а также снижения начального избыточного давления СО₂; уменьшить вредные выбросы СО₂ в атмосферу и воздействие на окружающую среду отработанных упаковок за счет использования сорбции остаточных веществ (СО₂, распыляемых веществ) в сорбенте, предотвращения коррозионных и других процессов, протекающих в отработанных упаковках; упростить операции по заправке упаковок за счет загрузки СО₂ в твердой фазе; повысить надежность, а также расширить диапазон климатических зон использования и/или рабочий диапазон хранения и эксплуатации таких аэрозольных упаковок за счет возможности использования сорбентов с требуемыми свойствами; расширить круг используемых сорбентов за счет исключения взаимодействия распыляемого вещества и сорбента при кантовании, встряхивании и т.п. упаковки; возможность при эксплуатации иметь температуру распыляемого сорбента отличной от температуры сорбента и окружающей среды, что достигается путем разнесения сорбента и распыляемой жидкости, а также теплоизолирующими и/или теплопоглощающими свойствами сорбента.

Реферат

Использование: в упаковочной технике, например, в аэрозольных упаковках. Сущность изобретения: внутри рабочего объема упаковки для распыления вещества создают избыточное давление CO₂ , десорбированного из сорбента, при этом избыточное давление CO₂ в рабочем объеме поддерживают при распылении вещества за счет подачи в рабочий объем газообразного CO₂ , десорбированного из сорбента, обладающего поглощающей способностью по отношению к CO₂ в упаковке большей, чем у распыляемого вещества, и сохраняющего свое количество неизменным. 3 з.п.ф-лы. 5 ил.

Формула