Sposób otrzymywania nadtlenku wodoru, zwłaszcza klasy HTP do zastosowań napędowych i układ do destylacji próżniowej

Istota wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania nadtlenku wodoru, zwłaszcza klasy HTP do zastosowań napędowych, i układ do destylacji próżniowej. Bardziej szczegółowo, wynalazek dotyczy sposobu zatężania nadtlenku wodoru do stężenia 98% i powyżej, oraz oczyszczania do czystości pozwalającej zakwalifikować go jako HTP (High Test Peroxide), który może zostać wykorzystany jako materiał pędny bądź też silny utleniacz. Niniejszy wynalazek dotyczy więc także sposobu uzyskiwania nadtlenku wodoru do zastosowań napędowych (np. rakietowych) – a więc nadtlenku klasy RGHP (Rocket Grade Hydrogen Peroxide), spełniającego określone specyfikacje. Niniejszy wynalazek dotyczy także zastosowania (równolegle do zatężania) metody oczyszczania zatężonego wcześniej nadtlenku wodoru, tak aby spełniał on klasę RGHP, określoną w specyfikacji MIL-PRF-16005F, z 2003 roku.

W Instytucie Lotnictwa w 2008 roku uruchomiono Program Badań i Rozwoju nad Ekologicznymi Napędami Rakietowymi. Program ten powstał w odpowiedzi na zmieniające się w Europie tendencje w tej dziedzinie. Od kiedy hydrazyna i jej pochodne (stosowane powszechnie jako materiały pędne do satelitów) zostały sklasyfikowane na liście REACH (rejestracja, ocena i autoryzacja substancji chemicznych) jako związki wyjątkowo niebezpieczne dla środowiska (toksyczne, rakotwórcze, mutagenne), europejski przemysł kosmiczny wraz z jednostkami naukowymi rozpoczął poszukiwania substancji alternatywnych. Jednym z najważniejszych kandydatów do zastąpienia hydrazyny jest nadtlenek wodoru o wysokim stężeniu i czystości (HTP, RGHP). Jest nietoksyczny, jako substancja chemiczna występuje w żywych organizmach. 3% nadtlenek wodoru to woda utleniona. Analiza rynku, przeprowadzona tuż po uruchomieniu Programu przez Instytut Lotnictwa wykazała, że w Polsce dostępny jest nadtlenek wodoru w stężeniu nie wyższym niż 60%, a na europejskim maksymalnie 90%. Import spoza Europy jest obarczony restrykcjami. Powyższe stało się impulsem do rozpoczęcia własnych badań. Faktem jest że wraz ze stężeniem nadtlenku wodoru rosną osiągi silników rakietowych. Wyższe osiągi przekładają się na mniejsze zużycie materiału pędnego a więc dłuższy czas „życia” satelity. Dlatego też aktualnie wiele jednostek badawczych w Europie poszukuje substancji o najwyższej klasie stężenia – 98%.

Wynalazek Instytutu Lotnictwa pozwala na otrzymywanie co najmniej 98% nadtlenku wodoru o wysokiej czystości, przy wykorzystaniu dostępnych w Polsce 60% roztworów. W szklanej instalacji laboratoryjnej odbywa się proces destylacji frakcyjnej pod obniżonym ciśnieniem. Wykorzystanie próżni wewnątrz instalacji jest konieczne ze względu na bezpieczeństwo prowadzenia procesu, bowiem warunki wrzenia nadtlenku wodoru przy ciśnieniu atmosferycznym (temperatura 150°C) stwarzają ryzyko wybuchu jego par. Przy odpowiednim poziomie próżni można uniknąć tego zagrożenia. Ponadto nadtlenek wodoru ulega w tej temperaturze intensywnemu samoczynnemu rozkładowi, co jest zjawiskiem niekorzystnym dla procesu zatężania.

Określenie optymalnych warunków procesu destylacji było tylko jedną z zastosowanych innowacji. Kolejną jest sam układ instalacji, pozwalający na jednoczesne zatężanie i oczyszczanie produktu, dotychczas prowadzone za pomocą dwóch osobnych urządzeń. Pozwala to na oszczędność czasu, energii oraz nakładu pracy. Był to jednocześnie warunek zastosowania wynalazku w praktyce przemysłowej. Użycie rotacyjnej wyparki próżniowej pozwoliło na wzrost wydajności procesu odparowania.

Korzyści

Niewątpliwie korzyścią z zastosowania wynalazku jest możliwość udostępnienia produktu – nadtlenku wodoru najwyższej klasy – na rynku europejskim. Jego podaż stanie się impulsem do zintensyfikowania badań nad ekologicznymi rakietowymi materiałami pędnymi oraz rozwoju technologii. Prowadzenie jakichkolwiek prac z hydrazyną (współcześnie stosowaną w napędach kosmicznych), ze względu na charakter tej substancji, wiąże się z koniecznością zapewnienia kosztownej infrastruktury oraz pozwoleń na działalność. Ogranicza to możliwość rozwoju dla małych i średnich firm. Nadtlenek wodoru nie wymaga takich rozwiązań. Stąd też istnieje duże zainteresowanie nie tylko jednostek badawczych, ale również przedsiębiorstw zajmujących się napędami zarówno dla satelitów jak i rakiet nośnych. Ponadto nadtlenek wodoru 98% może być zastosowany w: ogniwach paliwowych, laserach wysokiej mocy, awaryjnych źródłach energii elektrycznej oraz siłownikach pneumatycznych (np. do napędu mechanizmów protez).

Potencjał komercjalizacji

W drugiej połowie 2013 roku Instytut Lotnictwa nawiązał współpracę z firmą Jakusz Sp. z o.o. z siedzibą w Kościerzynie w celu wdrożenia wynalazku do produkcji przemysłowej. Analiza rynku europejskiego wykazała istnienie popytu na produkt – nadtlenek wodoru 98% - w ilości uzasadniającej rozpoczęcie produkcji. W drugiej połowie 2014 roku Jakusz Sp. z o.o. wraz z Instytutem Lotnictwa uruchomił pilotażową instalację do otrzymywania produktu w skali pół-technicznej. Rozpoczęto produkcję przemysłową.

Potencjał komercjalizacyjny wynalazku jest znacznie wyższy od przeprowadzonych dotychczas działań. Możliwe jest bowiem uruchomienie produkcji laboratoryjnych i pół-technicznych instalacji do uzyskiwania nadtlenku wodoru najwyższej klasy i sprzedaż urządzeń do jednostkom naukowym i firmom, prowadzącym własne programy rozwojowe z wykorzystaniem tej substancji.