способ экологически чистого уничтожения супертоксичных веществ при горении и устройство для его осуществления
Классы МПК: | F23G7/00 Печи или другие устройства, специально предназначенные для уничтожения специфических отходов или низкокачественного топлива, например химикатов F23G7/04 жидких отходов, например сульфитного щелока |
Автор(ы): | Билера И.В., Колбановский Ю.А., Петров С.К., Платэ Н.А., Россихин И.В. |
Патентообладатель(и): | Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-05-03 публикация патента:
27.04.2003 |
Изобретение относится к области экологии, конкретно - к химической технологии уничтожения опасных для природы и человека органических, в частности элементоорганических, веществ, и может быть использовано для уничтожения токсичных и супертоксичных соединений и их композиций. Способ уничтожения супертоксичных органических, в частности элементоорганических, веществ в смеси с горючим и окислителем в условиях высокотемпературного газофазного горения при повышенном давлении в двухкамерном проточном реакторе включает подачу в первую камеру горючего, окислителя и супертоксичного вещества, горение при максимальной температуре в первой камере при отношении окислителя к горючей смеси, соответствующем коэффициенту избытка окислителя, близкому к единице, вывод продуктов сгорания со звуковой скоростью через канал внезапного расширения во вторую камеру. Подачу супертоксичного вещества начинают только после установления в первой камере сгорания, которая является охлаждаемой, стационарного режима по давлению и температуре, через канал внезапного расширения, который также является охлаждаемым. Выводят продукты сгорания во вторую камеру, которая является теплоизолированной и в которую через специальные вводы подают дополнительное количество окислителя. Выводят продукты сгорания из второй камеры через сопло со звуковой скоростью, затем прекращают подачу супертоксичного вещества, после чего прекращают подачу горючего, продолжая подачу окислителя еще 2-3 с до прекращения процесса. Охарактеризовано также устройство для реализации способа. Технический результат: обеспечение экологической чистоты процесса уничтожения супертоксичных веществ, улучшение технологического процесса и повышение производительности. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
Формула изобретения
1. Способ уничтожения супертоксичных органических, в частности элементоорганических, веществ в смеси с горючим и окислителем в условиях высокотемпературного газофазного горения при повышенном давлении в двухкамерном проточном реакторе, включающий подачу в первую камеру горючего, окислителя и супертоксичного вещества, горение при максимальной температуре в первой камере при отношении окислителя к горючей смеси, соответствующем коэффициенту избытка окислителя, близкому к единице, вывод продуктов сгорания со звуковой скоростью через канал внезапного расширения во вторую камеру, отличающийся тем, что подачу супертоксичного вещества начинают только после установления в первой камере сгорания, которая является охлаждаемой, стационарного режима по давлению и температуре, через канал внезапного расширения, который также является охлаждаемым, выводят продукты сгорания во вторую камеру, которая является теплоизолированной и в которую через специальные вводы подают дополнительное количество окислителя, выводят продукты сгорания из второй камеры через сопло со звуковой скоростью, затем прекращают подачу супертоксичного вещества, после чего прекращают подачу горючего, продолжая подачу окислителя еще 2-3 с до прекращения процесса. 2. Устройство для уничтожения супертоксичных органических, в частности элементоорганических, веществ в смеси с горючим и окислителем в условиях высокотемпературного газофазного горения при повышенном давлении, представляющее собой проточный реактор, состоящий из двух или более камер, соединенных каналами внезапного расширения, первая из которых выполнена по типу жидкостного ракетного двигателя и снабжена форсунками для подачи горючего, окислителя и супертоксичного вещества, отличающееся тем, что в устройстве для реализации способа по п.1 первая проточная камера сгорания, снабженная запальным устройством для поджига, и блок форсунок для подачи окислителя, горючего и супертоксичного вещества выполнены охлаждаемыми, а вторая камера дожига является теплоизолированной и снабжена изнутри защитной вставкой из жаропрочного материала и форсунками для дополнительной подачи окислителя через управляемые электроклапаны, которые предназначены также для отбора проб, причем канал внезапного расширения для подачи продуктов сгорания из первой во вторую камеру выполнен охлаждаемым. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что включает несколько последовательных камер дожига.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области экологии, конкретно - к химической технологии уничтожения опасных для природы и человека органических, в частности элементоорганических, веществ, и может быть использовано для уничтожения токсичных и супертоксичных соединений и их композиций. Известен способ уничтожения зарина (изопропилового эфира метилфторфосфоновой кислоты) в не окислительной атмосфере при температуре 539oС и времени воздействия 0,1 с, который обеспечивает полноту уничтожения 99%. Существенным недостатком этого способа является очень низкая для такого супертоксичного вещества глубина превращения, не позволяющая обеспечить, даже в минимальной степени, экологическую безопасность процесса. Известен способ уничтожения хлористых дифенилов в плазменной струе, образующейся при пропускании воздуха через электрическую дугу (5000oС). Способ осуществлен фирмой "Вестингауз" США и обеспечивает конверсию 99,99%. Существенным недостатком этого способа является также недостаточная глубина превращения, несмотря на значительное повышение температуры процесса. Известен также способ уничтожения, сущность которого заключается в том, что зарин при давлении, близком к атмосферному, подают в высокотемпературную печь, где в окислительной атмосфере при температуре 1000oC и времени пребывания 0,3 с достигается более высокая, чем в предыдущих способах, глубина превращения 99,996% при удельной производительности 0,1 т/час![способ экологически чистого уничтожения супертоксичных веществ при горении и устройство для его осуществления, патент № 2203452](/images/patents/267/2203008/8226.gif)
![способ экологически чистого уничтожения супертоксичных веществ при горении и устройство для его осуществления, патент № 2203452](/images/patents/267/2203003/945.gif)
Использовали экспериментальную установку, принципиальная схема которой приведена на фиг. 1 (а и б). Экспериментальная установка состоит из двух камер - камеры сгорания и камеры дожига. В первую из них (охлаждаемую) через охлаждаемый блок форсунок подают окислитель и горючее (или его смесь с супертоксикантом). Поджиг осуществляют при помощи специального запального устройства (на схеме не показано). Продукты сгорания через охлаждаемый канал внезапного расширения, расположенный внизу первой камеры, направляют во вторую камеру. Вторая (теплоизолированная) камера имеет внутри защитную вставку из жаропрочного материала. В верхнюю часть второй камеры подают дополнительное количество окислителя. Избыточное давление во второй камере поддерживают при помощи сопла. После сопла продукты процесса направляют в дренаж. Отбор газовой пробы на анализ производят из нижней части второй камеры. Измеряют давление в первой и второй камерах, температуру во второй камере, расход компонентов. Подачу в реактор окислителя, горючего (или его смеси с супертоксикантом), а также отбор пробы на анализ осуществляют при помощи электроклапанов. Управление электроклапанами и сбор экспериментальных данных выполняют при помощи специальной компьютерной программы. Порядок работы. Подают в первую камеру через блок форсунок "чистое" горючее, а затем окислитель. Затем осуществляют инициированное воспламенение смеси. После установления стационарных значений давления и температуры начинают подачу в реактор смеси горючего с супертоксикантом. Вслед за этим прекращают подачу "чистого" горючего. При помощи пробоотборника через электроклапан осуществляют отбор пробы в предварительно вакуумированную герметичную емкость из нержавеющей стали до появления в ней небольшого избыточного давления. После отбора пробы начинают подачу "чистого" горючего в реактор, а подачу смеси горючего с супертоксикантом прекращают. Подачу "чистого" горючего и окислителя продолжают в течение времени, достаточного для продувки всей системы горячими продуктами сгорания "чистого" топлива. После этого прекращают подачу горючего и через 2-3 с - окислителя. Такой порядок обеспечивает удаление со стенок возможных отложений продуктов уплотнения. После охлаждения металлической емкости, содержащей пробу продуктов процесса, измеряют ее температуру и давление газа в ней. Затем в эту емкость под давлением добавляют 100 мл этилового спирта. Емкость с пробой отсоединяют от экспериментальной установки и встряхивают в течение 30 мин. После этого из нее при помощи прецизионного шприца отбирают газовую пробу и вводят ее в испаритель газового хроматографа. Объем пробы 300 мкл. Использовали ион-селективный (термоионный) детектор. Затем выравнивают давление газа в емкости с атмосферным давлением, после чего открывают емкость. Пробу спиртового раствора, содержащего следы супертоксиканта и некоторые продукты его деградации, вводят в испаритель газового хроматографа при помощи прецизионного жидкостного шприца. Объем пробы - 1 мкл. В качестве исследуемых соединения (ТС) использовали триэтилфосфат (С2Н5О)3РО и диизопропиловый эфир метилфосфоновой кислоты (С3Н7O)2Р(СН3)O, в качестве горючего использовали продажный бензин марки Аи 76 без предварительной очистки или обработки. Доля триэтилфосфата в смеси с бензином составляла 10 вес.%, а доля ДИПМФ - до 20 вес.%. В качестве окислителя использовали газообразный кислород. Количественное определение триэтилфосфата проводили методом абсолютной калибровки. Для построения калибровочной кривой было приготовлено 9 спиртовых растворов триэтилфосфата, каждый из них анализировали от трех до пяти раз. Калибровочная кривая приведена на фиг.2. Видно, что первая экспериментальная точка на калибровочной кривой соответствует содержанию фосфорорганического соединения порядка 10-11 г в пробе. Аналитическая процедура при работе с ДИПМФ была аналогичной и здесь не описывается. Пример 1. Проводили процедуру уничтожения триэтилфосфата в его 10 мас.% смеси с бензином А-76, как описано выше. При этом скорость подачи в первую камеру упомянутой смеси составляла 12 мл/с, а скорость подачи окислителя - газообразного кислорода была равна 26 л/с. Давление в первой камере составляло 11,7 атмосферы, а температура - 2850К. Давление во второй камере составляло 3,2 атмосферы при температуре 1250К. В течение эксперимента в первую камеру было подано 144 мл бензина А-76:
на первой стадии (горючее без супертоксиканта) - 36 мл, на второй стадии (горючее вместе с супертоксикантом) - 80 мл, на третьей стадии (горючее без супертоксиканта) - 36 мл. Общее количество поданного супертоксиканта составляло 8 мл. В течение эксперимента в первую камеру было подано кислорода всего 282,6 л (равномерно по всем этапам), и, отдельно, во вторую камеру - 125,4 л. Время пребывания продуктов в первой камере составляло ~10-3 с, во второй камере - ~10-2 с. Методом газожидкостной хроматографии установлено, что в газовой пробе, отобранной из емкости с продуктами процесса уничтожения триэтилфосфата, указанное соединение отсутствует. Типичные результаты анализа спиртового раствора продуктов процесса представлены в таблице 1. Таким образом, надежное и хорошо воспроизводимое значение конверсии триэтилфосфата составляет не менее 0,9999999. Судя по хроматограмме, примеси второстепенных фосфорсодержащих продуктов (помимо ортофосфорной кислоты, являющейся основным продуктом процесса) в своей совокупности составляют не более 1%. Пример 2. Проводят согласно описанной выше процедуре уничтожение ДИПМФ в его 20% смеси с бензином А-76. При этом скорость подачи в первую камеру упомянутой смеси составляла 12 мл/с, а скорость подачи окислителя - газообразного кислорода была равна 26 л/с. Давление в первой камере составляло 11,7 атмосферы, а температура - 2950К. Давление во второй камере составляло 3,2 атмосферы при температуре 1300К. В течение эксперимента в первую камеру было подано 136 мл бензина А-76:
на первой стадии (горючее без супертоксиканта) - 36 мл, на второй стадии (горючее вместе с супертоксикантом) - 80 мл, на третьей стадии (горючее без супертоксиканта) - 36 мл. Общее количество поданного супертоксиканта составляло 16 мл. В течение эксперимента в первую камеру было подано кислорода всего 282,6 л (равномерно по всем этапам), и, отдельно, во вторую камеру - 125,4 л. Время пребывания продуктов в первой камере составляло ~10-3 с, во второй камере - ~10-2 с. Методом газожидкостной хроматографии установлено, что в газовой пробе, отобранной из емкости с продуктами процесса уничтожения ДИПМФ, указанное соединение отсутствует. Типичные результаты анализа спиртового раствора продуктов процесса приведены в таблице 2
Таким образом, надежное и хорошо воспроизводимое значение конверсии ДИПМФ составляет 0,9999999. Судя по хроматограмме, примеси второстепенных фосфорсодержащих продуктов (помимо ортофосфорной кислоты, являющейся основным продуктом процесса) в своей совокупности составляют не более 1%. Использование предлагаемого способа обеспечивает по сравнению с известными способами следующие преимущества и технико-экономические эффекты:
1. Использование предложенного способа способствует решению важной экологической и химико-технологической проблемы - уничтожению супертокисичных соединений. 2. Воспроизводимо достигнута конверсия 0,9999999, что позволяет во многих случаях достичь ПДК уничтожаемых веществ в отходящих газах. 3. Осуществлено одновременное уничтожение нескольких соединений в виде смеси. 4. При содержании супертоксичного вещества в топливе 10-20% весовых удельная производительность реактора по уничтожаемому веществу превышает в сотни раз производительность известных процессов. 5. Относительно малые габариты и вес реакторного узла позволяют смонтировать его на специально оборудованном транспортном средстве, что обеспечивает мобильность установки. 6. Предлагаемый способ позволяет воспользоваться опытом работы по автоматизации, дистанционному управлению и контролю устройств типа ЖРД, что обеспечивает высокую надежность и безопасность узла уничтожения. 7. Предложенная совокупность операций приводит к снижению технического риска, обеспечивает экологическую чистоту процесса и безопасное проведение регламентных работ.
Класс F23G7/00 Печи или другие устройства, специально предназначенные для уничтожения специфических отходов или низкокачественного топлива, например химикатов
Класс F23G7/04 жидких отходов, например сульфитного щелока