Использование химического противоречия в инновационном проекте: кислородная свеча

"Использование химического противоречия в инновационном проекте: кислородная свеча"

Волобуев Д.М., Егоянц П.А., Маркосов С.А. ЦИТК «Алгоритм» г.Санкт-Петербург

 

Аннотация.

В предыдущей работе мы ввели понятие химического противоречия (ХП), решаемого введением или удалением вещества  из композиции.  В данной работе мы разбираем алгоритм решения ХП на примере выполнения одного из инновационных проектов.

 

Введение

Химические противоречия довольно часто возникают в ходе выполнения инновационных проектов, однако не формулируются в явном виде, поэтому успешность таких проектов определяется только эрудицией и научной подготовкой изобретательского коллектива. Приведенная в нашей предыдущей работе классификация приемов решения ХП позволяет нам предложить здесь пошаговый алгоритм решения ХП, который призван систематизировать научный поиск и, возможно, облегчить представление результатов работы людям, далеким от такого поиска.

Потребность в решении ХП, как правило, возникает на заключительной (верификационной) стадии инновационного проекта. Возможные направления исследований, область приемлемых решений, и ограничения выявлены на предыдущих стадиях проекта. Предлагаемый алгоритм не претендует на полноту и должен дорабатываться по мере выполнения проектов.

Пошаговый алгоритм решения ХП

  1. Сформулировать ХП
  2. Выбрать способ решения: (1) Введение дополнительного вещества или (2) сепарации вещества из композиции. Сепарация обычно требует перевода вещества в жидкую или газовую фазу. Если по условиям задачи вещество находится в твердой фазе, выбирается способ (1)
  3. Уточнить класс веществ или группу технологий для (1) или (2) соответственно.
  4. Использовать функционально-ориентированный поиск (ФОП) для выявления технологии, максимально близкой к искомой. Главным образом, поиск сфокусирован на научных статьях и патентах с подробным описанием технологий.
  5. Использовать перенос свойств (ПС) с найденных объектов на улучшаемый.
  6. Выбрать оптимизируемый состав исходя из результатов ФОП и ограничений проекта.
  7. Спланировать серию экспериментов и, если требуется, построить лабораторную установку для оптимизации состава
  8. Провести эксперименты и изобразить результаты оптимизации на фазовой диаграмме или треугольнике состава
  9. Если результат оптимизации неудовлетворителен, вернуться к пункту 3 и модифицировать состав композиции или закончить работу

Пример 1. Кислородная свеча (Катализатор).

Контекст: Эта проблема возникла в ходе изобретения "бездымной сигареты" - сигарета должна сгорать в герметичном футляре, поставляя курильщику дым только при затяжке.

Ограничения: футляр должен быть маленьким (носимым в кармане) и дешевым.

Нужно отметить, что сигарета в футляре гаснет за единицы секунд из-за выгорания кислорода, поэтому центральной задачей проекта была признана разработка дешевого (одноразового) химического генератора кислорода.

Возможное решение: Кислород поступает при разложении бертолетовой соли. Температура и скорость реакции снижается за счет добавки катализатора (Fe2O3), снижающего порог активации. 

Ход решения по шагам:

  1. Формулировка ХП: Газообразный кислород должен быть в зоне горения, чтобы поддерживать горение и его не должно быть в зоне горения, чтобы избежать теплового взрыва.
  2. Способ решения:  Выбираем направление (1) - добавка дополнительного вещества, поскольку, исходя из условий задачи, мы должны запасти окислитель в твердом агрегатном состоянии.
  3. Уточнение класса веществ: Вещества, выделяющие или поглощающие значительные количества энергии.
  4. Результат ФОП: была найдена существующая на рынке система, выполняющая функцию генерации чистого кислорода - это т.н. кислородная свеча, широко используемая в пассажирских самолетах для аварийной поставки кислорода для дыхания пассажира. Устройство кислородной свечи довольно сложное  (см., например, [1], [2]), и обычно включает в себя буферную накопительную емкость с системой клапанов, т.к. кислород выделяется быстрее, чем это необходимо потребителю.
  5. Перенос свойств: Необходимо перенести свойство генерировать кислород с найденной кислородной свечи на искомую мини-свечу. Использование буферной емкости в нашем устройстве недопустимо, вследствие наложенных ограничений, поэтому дальнейшая работа свелась к оптимизации химического состава свечи.
  6. Выбор состава композиции: В качестве базовой была выбрана двойная система горючее-окислитель со смещенным равновесием в сторону окислителя [3]. В качестве доступного окислителя выступала бертолетова соль, в качестве горючего и связующего - крахмал.
  7.  Планирование экспериментов и лабораторная установка: Необходимо провести серию экспериментов смеси крахмала с бертолетовой солью с различными концентрациями крахмала, измерить время реакции и выход кислорода. С этой целью необходимо разработать и собрать лабораторную установку с возможностью дистанционного электрического поджига, визуального контроля времени реакции и количественной оценки концентрации кислорода. Собранная установка показана на Рис.1.
  8. Результаты экспериментов и выводы: Первые эксперименты показали, что в этой двойной системе искомое решение отсутствует - при малых добавках горючего подожженная свеча гаснет в футляре, с увеличением количества  горючего сгорание свечи происходит недопустимо быстро - за одну-две секунды вместо искомых единиц минут => Возврат к пункту 3. Шаги последующей повторной итерации обозначены индексом "+".
  9. Способ решения+:  добавка дополнительного вещества.
  10. Уточнение класса веществ+: Катализаторы
  11. ФОП и ПС+: Изучение устройства спички [5] позволяет заключить, что катализаторами разложения бертолетовой соли являются MnO2 и Fe2O3
  12. Выбор состава композиции+:  к базовой композиции подмешивалось третье вещество – оксид железа (Fe2O3), выступающее одновременно катализатором распада бертолетовой соли, снижающим порог активации реакции и инертным наполнителем, отводящим тепло из зоны реакции.
  13.  Планирование экспериментов и лабораторная установка+: прежняя (Рис.1). Эффект от добавки катализатора в смесь заранее неочевиден, поэтому подмешивание катализатора начинали с малых величин и с соблюдением техники безопасности.
  14. Результаты экспериментов и выводы+: Вследствие двухступенчатого характера реакции распада бертолетовой соли, добавка катализатора заметно снижала температуру и, соответственно, скорость реакции.

Рис. 1. Лабораторная установка для определения параметров горения и концентрации кислорода в составе продуктов горения кислородной свечи.

 

 Добавка катализатора, кроме того, позволила заметно понизить пограничное количество горючего в смеси, при котором еще поддерживается устойчивая реакция. Контрольная добавка в базовую двухкомпонентную систему инертного наполнителя (аэросил SiO2) не привела к заметным изменениям скорости горения.

Рис. 2. Треугольник состава для оптимизации трехкомпонентной смеси. Слева показано расположение экспериментальных точек. Справа цветом показано время горения смеси, аппроксимирующее экспериментальные точки гладкой функцией, красный цвет соответствует максимальному времени горения.

Дальнейшая оптимизация трехкомпонентной смеси с использованием треугольника состава [4] (Рис.2) позволила снизить скорость горения в 10-20 раз, и, таким образом, приблизиться к требуемым параметрам. 

Список литературы

  1. Bovard, R.M. Oxygen Sources for Space Flights. (1960) In: Aerospace Medicine, 407-412
  2. http://www.avoxsys.com/pdf/brochures/ChemicalOxygenGenerators900.pdf (01.2013)
  3. Патент США № 2469414
  4. Жариков В.А. Основы физической геохимии. http://geo.web.ru/db/msg.html?mid=1178971&uri=part05.html (01.2013)
  5. http://n-t.ru/ri/kk/hm04.htm (01.2013)

Алфавитный указатель: 

Рубрики: 

Subscribe to Comments for "Использование химического противоречия в инновационном проекте: кислородная свеча"