Способ уничтожения супертоксичных соединений

 

Сущность изобретения: уничтожаемый объект, топливо и окислитель с коэффициентом избытка окислителя от 0,5 до 1,5 подают в реактор, где поддерживают давление 0,5^oC10 МПа и температуру 1500^oC3500 К при времени пребывания реагентов 10^-3oC10^-2 с, а отходящие газы выводят из реактора со скоростью звука, подвергают внезапному расширению и направляют во второй реактор, где при давлении 0,1^oC5 МПа и при температуре 1200 - 2500 К обеспечивают время пребывания в 10^-3oC10^-2 c.

Изобретение относится к области экологии, конкретно к химической технологии уничтожения опасных для природы и человека органических отходов и может быть использовано для уничтожения токсичных и супертоксичных органических соединений и их композиций.

Известен способ уничтожения зарина (изопропилового эфира метилфторфосфоновой кислоты) в не окислительной атмосфере при температуре 539^oC и времени воздействия 0,1 с, который обеспечивает полноту уничтожения 99% Существенным недостатком этого способа является 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 (5000^oC). Способ осуществлен фирмой "Вестингауз" США и обеспечивает конверсию 99,99% Существенным недостатком этого способа является так же недостаточная глубина превращения, несмотря на значительное повышение температуры процесса.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является способ уничтожении зарина.

Этот способ заключается в том, что зарин, при давлении близком к атмосферному, подают в высокотемпературную печь, где в окислительной атмосфере при температуре 1000^oC и времени пребывания 0,3 с, достигается более высокая глубина превращения 99,996% при удельной производительности 0,1 т/час·м³.

Существенным недостатком этого способа является все еще неудовлетворительная для такого супертоксичного вещества глубина превращения и относительно большое время пребывания, что одновременно с невысоким рабочим давлением приводит к низкой удельной производительности реактора.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности процесса.

Указанная цель достигается тем, что в способе уничтожения супертоксичных соединений путем высокотемпературного термического разложения в присутствии окислителя и последующей очистки отходящих газов от вредных веществ, с целью повышения эффективности процесса, термическое разложение осуществляют при температуре 1500 3000 К и давлении 0,5 10 МПа, α=0,5 1,5 в течение 10^-3 10^-2 c, а отходящие газы отводят со скоростью звука, подвергают внезапному расширению, после чего обрабатывают при давлении 0,1 5 МПа и температуре 1200 2500 К в течение 10^-3 10^-2 c.

Заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна", поскольку в отличие от прототипа, где процесс уничтожения ведут в высокотемпературных печах при температурах не выше 1500 К и давлениях, близких к атмосферному, в предлагаемом способе используется температурный диапазон 1500 3500 К, процесс проводят при давлении 0,5 10 МПа, а отходящие газы выводят из реактора со скоростью звука.

Кроме того, в отличие от прототипа, для дальнейшего увеличения конверсии предлагается направлять отходящие газы из первого реактора во второй.

В предлагаемом способе уничтожаемый объект, горючее и окислитель подают в реактор, выполненный по типу жидкостного ракетного двигателя. Параметры процесса (давление, температура и время пребывания) определяются соотношением массовых диаметром наименьшего сечения выходного канала и объемом реактора. Наилучшие результаты достигнуты при количестве окислителя, близком к стехиометрическому, но достаточно глубокая конверсия может быть достигнута и при коэффициенте избытка окислителя от 0,5 до 1,5. Уничтожение токсичных и супертоксичных органических соединений происходит как за счет высокотемпературного пиролиза (мономолекулярный процесс), так и за счет окислительной деструкции (бимолекулярный процесс). По мере того как горючее и уничтожаемое вещество выгорают, скорость химических процессов уменьшается.

Казалось бы, для увеличения глубины конверсии необходимо увеличить время пребывания в первом реакторе, но иногда это сопровождается нежелательными побочными явлениями, вызывающими снижение глубины конверсии. Поэтому для увеличения конверсии уничтожаемого вещества отходящие газы из первого реактора через канал с внезапным расширением, обеспечивающим интенсивное перемешивание в зоне реакции, подают во второй реактор. Время пребывания во втором реакторе может быть больше, чем в первом. Для того, чтобы второй реактор не оказывал нежелательного влияния на процессы в первом реакторе, между ними поддерживается сверхкритический перепад давления.

Для дальнейшего увеличения конверсии вместо второго реактора может быть использован каскад реакторов, в котором отходящие газы из предыдущего реактора направляются в последующий через канал с внезапным расширением. При этом перепады давления между реакторами каскада могут быть и меньше критического.

Достижение полученных в соответствии с предлагаемым способом высоких значений конверсии (см. пр. 1 6) при использовании температурного диапазона 1500^oC3500 К, что ниже, чем в плазменном способе, является неожиданным эффектом, поэтому заявляемый способ обладает существенными отличиями.

Как и в известных способах уничтожения токсичных органических веществ при деструктивном окислении и высокотемпературном разложении, эффективность предлагаемого способа мало зависит от природы уничтожаемого органического вещества. Поэтому предлагаемый способ может быть использован для любого токсичного и супертоксичного органического вещества или их смесей (см. пр. 2).

Среди супертоксичных веществ наибольшую опасность для человека представляют фосфорорганические соединения типа зарина, зомана и V-газов. Предельно допустимые концентрации этих соединений в воздухе около 10^-6 мг/м³. Поэтому в качестве прототипа мы выбрали способ уничтожения зарина, а в примерах, приведенных ниже, в качестве уничтожаемого вещества использован диизопропиловый эфир метилфосфоновой кислоты (ДИПМФ), который по своим физико-химическим свойства близок к зарину, но обладает гораздо более низкой токсичностью.

Специальными экспериментами было показано, что результаты по высокотемпературной окислительной деградации ДИПМФ совпадают с результатами для зарина и зомана в тех же условиях.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. В проточный реактор через форсунки подают смесь несимметричного диметилгидразина (НДМГ) и ДИПМФ в соотношении 85:15 (по объему) и тетроксид азота с коэффициентом избытка окислителя 0,5. При этом в реакторе поддерживают температуру 1500 К и давление 0,5 МПа при времени пребывания 10^-2 с. Отходящие газы через канал с внезапным расширением выводят во второй реактор. Во втором реакторе поддерживают температуру 1200 К и давление 0,2 МПа при времени пребывания 10^-2 с. Содержание ДИПМФ в отходящих газах соответствует степени превращения 99,9995% при удельной производительности реактора 10 т/ч·м³. Перепад давления между первым и вторым реактором обеспечивает критическое истечение со скоростью звука.

Остаточное содержание ДИПМФ в отходящих газах определяли хроматографическим методом (термоионный детектор). Отбор газов для анализа осуществляли в специальную емкость, снабженную электропневмоклапаном и предварительно вакуумированную.

Пример 2. В проточный реактор через форсунки подают смесь керосина, изопропилового эфира метилфосфоновой кислоты и ДИПМФ в соотношении 6:2:2 (по объему) и азотную кислоту с коэффициентом избытка окислителя 1,5. При этом в реакторе поддерживают температуру 2500 К и давление 4 МПа при времени пребывания 3·10^-3 c. Отходящие газы через канал с внезапным расширением выводят во второй реактор. Во втором реакторе поддерживают температуру 2100 К и давление 1,5 МПа при времени пребывания 3·10^-3 c. Перепад давления между первым и вторым реактором обеспечивает критическое истечение со скоростью звука. Содержание уничтожаемых веществ в отходящих газах соответствует степени превращения 99,99991% и 99,99992% соответственно при удельной производительности реактора 12 т/ч·м³.

Пример 3. В проточный реактор через форсунки подают смесь керосина и ДИПМФ в соотношении 8:2 (по объему) и кислород в стехиометрическом количестве. При этом в реакторе поддерживают температуру 3500 К и давление 10 МПа при времени пребывания 1·10^-3 c. Отходящие газы через канал с внезапным расширением выводят во второй реактор. Во втором реакторе поддерживают температуру 2500 К и давление 4,5 МПа при времени пребывания 10^-3 c. Перепад давления между первым и вторым реактором обеспечивает критическое истечение со скоростью звука. Содержание ДИПМФ в отходящих газах соответствует степени превращения 99,99995% при удельной производительности реактора 50 т/ч·м³.

Пример 4. В проточный реактор через форсунки подают смесь керосина и ДИПМФ в соотношении 7:3 и азотную кислоту с коэффициентом избытка окислителя 1,2. При этом в реакторе поддерживают температуру 2500 К и давление 5 МПа при времени пребывания 3·10^-3 c. Отходящие газы через канал с внезапным расширением выводят во второй реактор. Во втором реакторе поддерживают температуру 1500 К и давление 0,2 МПа при времени пребывания 10^-2 с. Перепад давления между первым и вторым реактором обеспечивает критическое истечение со скоростью звука. Содержание ДИПМФ в отходящих газах соответствует степени превращения 99,99999% при удельной производительности реактора 10 т/ч·м³.

Пример 5. В проточный реактор через форсунки подают смесь керосина и ДИПМФ в соотношении 8:2 (по объему) и кислород с коэффициентом избытка окислителя 1. При этом в реакторе поддерживают температуру 3500 К и давление 10 МПа при времени пребывания 3·10^-3 c. Отходящие газы через канал с внезапным расширением выводят во второй реактор. Во втором реакторе поддерживают температуру 2500 К и давление 5 МПа при времени пребывания 1·10^-3 c. Перепад давления между первым и вторым реактором обеспечивает критическое истечение со скоростью звука. Содержание ДИПМФ в отходящих газах соответствует степени превращения 99,99999% при удельной производительности реактора 25 т/ч·м³.

Пример 6. В проточный реактор через форсунки подают смесь керосина и ДИПМФ в соотношении 1:1 (по объему) и азотную кислоту с коэффициентом избытка окислителя 1,1. При этом в реакторе поддерживают температуру 2200 К и давление 5 МПа при времени пребывания 2·10^-3 с. Отходящие газы через канал с внезапным расширение выводят во второй реактор. Во втором реакторе поддерживают температуру 1200 К и давление 2 МПа при времени пребывания 2·10^-3 c. Перепад давления между первым и вторым реактором обеспечивает критическое истечение со скоростью звука. Содержание ДИПМФ в отходящих газах соответствует степени превращения 99,9991% при удельной производительности единицы реакционного объема реактора 8 т/час·м³.

Использование предлагаемого способа обеспечивает по сравнению с известными способами следующие преимущества и технико-экономические эффекты: 1. Использование предложенного способа будет способствовать решению важной экологической проблемы уничтожению токсичных отходов промышленности.

2. Достигнута конверсия 99,99999% что позволяет во многих случаях достичь ПДК уничтожаемых веществ в отходящих газах, не прибегая к их разбавлению.

3. Осуществлено одновременное уничтожение нескольких соединений в виде смеси.

4. Достигнута удельная производительность реактора 50 т/ч·м³ по уничтожаемому веществу при его содержании в топливе 20% что в сотни раз больше, чем в известных процессах.

5. Относительно малые габариты и незначительный вес реакторного узла позволяют смонтировать всю систему уничтожения с автономным энергоснабжением на специально оборудованном транспортном средстве. Это позволяет как доставлять систему уничтожения к месту хранения, так и вести процесс уничтожения в отдаленных регионах.

6. Предлагаемый способ позволяет воспользоваться опытом работы по автоматизации, дистанционному управлению и контролю устройств типа ЖРД, в том числе и в условиях пониженного давления, что обеспечивает высокую надежность и безопасность.

Формула изобретения

Способ уничтожения супертоксичных соединений путем высокотемпературного термического разложения в присутствии окислителя и последующей очистки отходящих газов от вредных веществ, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса, термическое разложение осуществляют при 1500 3000К, 0,5 10,0 МПа, α 0,5 1,5 в течение 10^-3 - 10^-2 с, отходящие газы отводят со скоростью звука, подвергают внезапному расширению, после чего обрабатывают при 0,2 5 МПа и 1200 2500К в течение 10^-3 10^-2 с.