Способ деструкции отравляющих веществ

Изобретение относится к области химического производства и может быть использовано в процессе получения гидротоплива. Предложен способ деструкции отравляющего вещества (ОВ), включающий получение смеси ОВ с водой, возбуждение кавитации в полученной смеси. Кавитацию в смеси возбуждают путем создания в ней по всему объему чередующихся растягивающих и сжимающих напряжений в вибрационном режиме с частотой в диапазоне 1-400 Гц. Изобретение направлено на уменьшение энергозатрат на деструкцию ОВ, экономию водных ресурсов, вовлеченных в технологический процесс. 1 ил.

 

Изобретение относится к области химического производства и предназначено для деструкции отравляющих веществ (ОВ), включая и боевые. Изобретение может быть также использовано в процессе приготовления гидротоплива.

Известен способ деструкции ОВ, который заключается в том, что внутренний объем снаряда или контейнера, содержащего ОВ, соединяют с объемом реактора посредством трубопровода. Затем дистанционно внутри герметичного соединения высверливают отверстие в корпусе снаряда или контейнера. После чего осуществляют перекачку ОВ из внутреннего объема снаряда или контейнера в реактор и производят разрушение химических связей ОВ с использованием углеродной смеси высокой реакционной способности методом пиролиза под действием токов сверхвысоких частот [1].

Описанная технология деструкции ОВ является сложной с точки зрения ее реализации. Так, на глубине водоема, а реально это могут быть десятки и сотни метров, предлагается соединить внутренний объем снаряда или контейнера с объемом реактора с помощью трубопровода. В практическом плане для манипулирования снарядом или контейнером необходимо создание роботизированного комплекса, способного действовать и управляться дистанционно. Конструкция комплекса должна включать систему захватов и специальных инструментов, а также технических средств герметизации зоны сверления. Так как метод пиролиза, предполагающий использование токов сверхвысоких частот для обработки смеси ОВ с углеродным веществом, требует постоянного подвода электроэнергии, обновления углеродного вещества и удаления конечного продукта, то реактор должен быть расположен вне водоема и стационарно. В этом плане связь реактора с комплексом превращается в трудно выполнимую техническую задачу, требующую решения проблем надежности и экологической безопасности процесса в целом. Кроме того, очевидна и низкая производительность предлагаемого способа из-за штучной технологии обработки снаряда или контейнера.

Известно, что большинство ОВ, включая и боевые, среди которых наиболее известны иприт, табун, зарин, люизит и т.п., являются химическими веществами, основой которых преимущественно являются углеводородные соединения. Все они обладают незначительной растворимостью в воде. В процессе химического взаимодействия ОВ с водой (гидролизации) последние прекращают свое существование как таковые, распадаясь на вещества, не приносящие вред, т.е. теряют свои отравляющие свойства. Время полупревращения при гидролизации составляет: 9 часов для табуна, 54 часа для зарина, 10 минут для иприта. Люизит гидролизуется еще быстрее иприта. Применение способа промышленного гидролиза позволяет не только уничтожить ОВ, но и утилизировать их с получением полезных веществ мирного назначения типа пластмасс, резин и других материалов [2].

Наиболее приемлемым и эффективным методом гидролизации является метод кавитации, создаваемой в водной среде. Доказано, что под действием кавитации вода расщепляется на высокореакционные атомы водорода (Н) и радикалы гидроксила (ОН). Если к воде, подвергаемой кавитационному воздействию, добавить другие соединения, в том числе и ОВ, то в ней могут происходить многие вторичные реакции. Органические соединения интенсивно разлагаются, не органические - могут окисляться или восстанавливаться, теряя свои изначальные свойства [3].

Кавитация как средство гидролизации находит все более и более широкое применение в различных отраслях промышленности. В частности, в процессе очистки сточных вод.

Основным источником кавитации в настоящее время является ультразвук, который успешно применяют в медицинской практике, в промышленности для сварки пластмассовых деталей и очистки материалов и т.п. Эти применения, однако, не связаны с химическим действием ультразвука, который может повысить реакционную способность вещества более чем в 10⁵ раз. Эти химические эффекты ультразвука обусловлены физическими процессами, благодаря которым в жидкости возникают, растут и охлопываются газовые и паровые пузырьки, составляющие основу такого явления, как кавитация. Ультразвуковые волны, как и все звуковые волы, включают циклы сжатия и разрежения. Во время циклов возникают локальные повышения давления в жидкости, что приводит к сближению молекул друг с другом. Во время циклов разрежения возникают локальные понижения давления, в результате чего молекулы отдаляются друг от друга, что и приводит к образованию пузырьков. Частицы жидкости удерживаются вместе силами притяжения, которые определяют ее прочность на разрыв. Для того чтобы образовался пузырек, величина, на которую уменьшается локальное давление в цикле разрежения, должна превышать прочность жидкости на разрыв. Как правило, размер пузырьков находится в пределах 30-300 мкм. Время схлопывания пузырьков не превышает 1 мкс, что приводит к нагреву содержащихся в них газов до температуры 5500°С и возникновению ударных гидравлических волн с давлением на фронте последней до 10⁴ атм.

Известен способ деструкции высокотоксичного химического соединения - пентахлорфенола, который с полным основанием может быть отнесен к ОВ. Сущность способа состоит в том, что пентахлорфенол в концентрации 10-60 мг на литр воды подвергают кавитационной обработке с помощью звуковых волн на частоте 5 кГц [4]. Активатор, генерирующий звук по своему устройству, относится к классу гидродинамических аппаратов роторного типа, основу которого составляет центробежный насос, снабженный парой оппозитно расположенных перфорированных колец, одно из которых смонтировано на рабочем колесе насоса, а другое - на статоре. Концентрация пентахлорфенола измерялась методом жидкостной хромотографии. Общий объем жидкости составлял 10 литров и обрабатывалась она в циркуляционном режиме в системе «активатор - трубопроводная обвязка - бак». В результате, в среднем, часовой обработки, независимо от начальной концентрации пентахлорфенола, остаточная его концентрация была в несколько раз ниже границы токсичности, которая определялась концентрацией в 5,3 мг на литр. При увеличении времени обработки концентрация ОВ уменьшается на порядки. Расчетное энергопотребление находится на уровне 70 кВт·ч на один кубический метр обрабатываемой жидкости.

Достоинством акустической (ультразвуковой) кавитации является постоянство зоны ее действия. Однако она невелика и эффективность этой зоны ограничивается несколькими сантиметрами от поверхности излучателя. Увеличение эффективной зоны действия требует непропорционального увеличения мощности, концентрируемой на излучателе. Наиболее применяемым диапазоном частот для создания акустической кавитации является диапазон от 16 до 60 кГц. Максимальная амплитуда в лучшем случае достигает 0,1 мм, т.е. можно утверждать, что в течение действия на жидкость полуволны растяжения деформация будет также равна 0,1 мм. Получаемое увеличение объема есть не что иное, как общий объем пустот всех кавитационных пузырьков в жидкости. Если учесть, что оптимальным, с технологической точки зрения, является размер пузырька в 100-150 мкм, то при средней длине волны в 76 мм на частоте 20 кГц насыщенность жидкости кавитационными пузырьками достигает 3,3·10⁵ 1/см³. При частоте 5 кГц насыщенность пузырьками будет еще меньше. Именно указанная выше цифра и определяет энергетический потенциал акустического способа получения кавитации, но она является и критической, так как любые изменения акустических параметров с целью повышения эффективности приводят к непропорциональному увеличению энергозатрат. Если учесть, что деструкция ОВ при концентрации 10-60 мг/л в объеме 1 м³ требует 70 кВт·ч энергии, то для деструкции ОВ при более значительных концентрациях потребуется и количество энергии, превышающее указанный уровень на порядки. Существенным недостатком способа-прототипа является и то, что количество сопоставимых единиц (1 мг) воды, необходимой для гидролизации единицы ОВ (1 мг), потребуется, как минимум, на несколько порядков больше. Это обстоятельство становится значительным препятствием на пути промышленного освоения этого способа, если учесть, что количество ОВ, подлежащих деструкции, исчисляется десятками и сотнями тысяч тонн, а объем водных ресурсов далеко не безграничен. Кроме того, для ультразвукового способа возбуждения кавитации характерны и другие недостатки, в частности дисперсное рассеивание энергии за счет внутреннего трения и фазовое рассеивание звуковых волн (потери на реактивную мощность).

Таким образом, задачей изобретения является уменьшение энергозатрат на деструкцию ОВ, а также экономия водных ресурсов, вовлеченных в технологический процесс.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе деструкции ОВ, включающем получение их смеси с водой, в которой затем возбуждают кавитацию, количество воды берут не менее 45% от общего объема смеси, а кавитацию в последней возбуждают путем создания в ней по всему объему чередующихся растягивающих и сжимающих напряжений в вибрационном режиме с частотой в диапазоне 1-400 Гц.

Техническая сущность изобретения состоит в том, что при используемом способе возбуждения кавитации за счет регулирования параметров вибрационного режима создания чередующихся растягивающих и сжимающих напряжений, таких как амплитуда и частота, появляется возможность получения кавитационного поля с регулируемой плотностью и насыщенностью обрабатываемого объема кавитационными пузырьками. При этом количество пузырьков в сравнении с ультразвуковым методом возбуждения кавитации, как показывают расчеты, увеличивается на порядок, что, с учетом наличия давления при схлопывании пузырьков, позволяет резко усилить эффективность воздействия на ОВ и дает возможность оптимизировать процесс деструкции ОВ в плане использования в нем минимального количества воды для процесса гидролизации. Экспериментально установлено, что нижний эффективный предел количества воды по отношению к объему смеси не должен быть менее 45% от этого объема, в котором остальное - ОВ. Если учесть, что процесс возбуждения кавитации осуществляется в вибрационном режиме, реализующемся в создании возвратно-поступательного перемещения рабочего органа кавитационного реактора, то использование резонансного режима дает значительное снижение энергозатрат на процесс деструкции ОВ. Опытным путем был получен расход электроэнергии на уровне 0,8-1,0 кВт·ч на 1 м³ обрабатываемой смеси аналога ОВ с водой при соотношении 45% Н₂О и 55% аналога ОВ.

На чертеже дано изображения общего вида установки для деструкции ОВ.

Установка для реализации предлагаемого способа содержит кавитационный реактор 1, который включает корпус 2, представляющий собой цилиндрическую емкость с размещенным в ней поршнем 3. Последний посредством штока 4 связан с электрическим виброрезонансным двигателем 5 возвратно-поступательного перемещения, смонтированным как и корпус 2 на станине 6, опирающейся на фундамент 7. Поршень 3 установлен с зазором по отношению к цилиндрической стенке корпуса 2, который определяется рядом технологических параметров, в частности, вязкостью смеси воды и ОВ. Амплитуда возвратно-поступательного перемещения поршня 3 является величиной переменной и регулируемой и назначается в зависимости от технологических требований, например соотношения воды и ОВ. Регулирование амплитуды и частоты перемещения поршня 3 задается системой управления (на чертеже не показана) двигателя 5. Расстояние от поршня 3 до внутренних торцовых стенок корпуса 2 определяется в зависимости от величины максимальной амплитуды колебания поршня 3, т.е. это расстояние должно быть больше, чем максимальная амплитуда, и равняться, например, ее двойной величине. Полость корпуса 2 посредством штуцера 8 связана со средством 9 предварительной подготовки смеси воды и ОВ, а посредством штуцера 10 - с емкостью 11 хранения гидролизованного ОВ. Средство 9 снабжено дозатором 12, сообщающимся через смеситель 13 и трубопроводную систему с внутренней полостью корпуса 2 реактора 1. Дозатор 12 выполнен в виде двухполостного цилиндра 14, верхняя полость 15 которого заполняется водой от емкости 16, а нижняя 17 заполняется ОВ из блока X, предназначенного для разделки снарядов и контейнеров, содержащих ОВ. Вытесняющие поршни, размещенные в обеих полостях, смонтированы на общем штоке 18, связанном с силовым приводом, например, пневмоцилиндром 19. Следует отметить, объемы обеих полостей одинаковы. В полости 15 размещено устройство регулирования процентного соотношения ОВ и воды. Оно выполнено в виде цилиндрического стержня 20, который введен в полость 15 через направляющее отверстие в соответствующем вытесняющем поршне и опирается на неподвижную стенку 21, разделяющую полости 15 и 17 цилиндра 14. При одинаковости объема полостей последнего стержень 20 заместит собой необходимое количество воды, увеличив, таким образом, процентное соотношение в пользу ОВ. Обе полости 15 и 17 через трубопроводы 22 и 23 соответственно связаны со смесителем 13, представляющим собой полый стакан 24, снабженный рядом параллельно установленных по высоте стакана перфорированных пластин 25. Перфорации представляют собой сквозные отверстия, обеспечивающие инжекционный эффект, способствующий на предварительном этапе получению эмульсии из ОВ и воды. Смеситель 13 сообщен с корпусом 2 через штуцер 8. На верхнем торце этого корпуса установлен воздушный клапан 26, предназначенный для сообщения надпоршневой полости реактора с наружным пространством.

Реализуется предлагаемый способ деструкции ОВ следующим образом. Полости 15 и 17 двухполостного цилиндра 14 дозатора 12 заполняется водой и ОВ из емкости 16 и блока Х соответственно. В первой из указанных полостей установлен сплошной стержень 20, регулирующий соотношение между водой и ОВ. В частности, в процессе одного из экспериментов он имел объем, равный 18% от полного объема полости 15, что создавало соотношение между водой и ОВ равное 45: 55. Пневмоцилиндром 19, на штоке 18 которого закреплены вытесняющие поршни, последние перемещаются вниз, подавая воду и ОВ в количествах, определяемых необходимым соотношением, через трубопроводы 22 и 23 в смеситель 13, где оба вещества, продавливаясь через перфорации пластин 25, активно перемешиваются и подаются трубопроводом через штуцер 8 в кавитационный реактор 1. Полученная смесь (эмульсия) попадает в подпоршневую полость корпуса 2 и вытесняет воздух, который удаляется через клапан 26. Одновременно с появлением смеси в реакторе включается в работу электрический виброрезонансный двигатель 5, который сообщает возвратно-поступательные перемещения поршню 3 с заданной амплитудой и частотой. По мере заполнения подпоршневой полости смесью, в последней, поршнем 3 будут создаваться чередующиеся растягивающие и сжимающие напряжения, первые из которых будут способствовать появлению кавитационных пузырьков, а вторые - содействовать их схлопыванию. Как указано выше, частота и амплитуда колебательного процесса позволяет регулировать интенсивность кавитации, а следовательно, и эффективность деструкции ОВ. Из подпоршневой полости через кольцевой зазор между стенкой корпуса 2 и боковой поверхностью поршня 3 частично обработанная смесь поступает в надпоршневую полость, где снова подвергается кавитационной обработке. Через штуцер 10 полностью обработанная смесь направляется в емкость 11 хранения гидролизованного ОВ. Для повышения эффективности и надежности процесса деструкции ОВ технологические возможности кавитационного реактора могут быть усилены за счет увеличения числа кавитационных «ячеек», обозначенных условно на чертеже фигурной скобкой с индексом А. Другими словами, число поршней, смонтированных на штоке 4 двигателя 5, может быть увеличено, как и число соответствующих полостей корпуса 2, в которых они расположены и которые последовательно сообщаются друг с другом.

Для подтверждения возможности практического использования изобретения, доказательства его высокой эффективности была осуществлена его экспериментальная проверка на кавитационном реакторе, конструктивно близком вышеописанному. В эксперименте в качестве аналога ОВ было выбрано вещество, химически сходное по составу, но не токсичное. Таким веществом является углеводородное соединение, обладающее низкой способностью к гидролизации, т.е. топочный мазут. Последний предварительно смешивался с водой в различных соотношениях и полученная смесь подвергалась кавитационной обработке с помощью растягивающих и сжимающих напряжений. В результате было получено гидротопливо, которое при определенных соотношениях воды и мазута по своим теплотехническим характеристикам было аналогично чистому мазуту и превосходило его по экологическим параметрам. При этом свободная вода химическим анализом не обнаруживалась, а полученное гидротопливо не расслаивалось в течение одного года даже при его периодическом нагревании. Проведенный эксперимент позволил найти минимальное соотношение между водой и мазутом, при котором гарантированно все молекулы углеводородного вещества разрушены на более мелкие фрагменты, свободные связи которых нейтрализованы активными радикалами Н и ОН, т.е. продуктами распада воды под воздействием кавитации. По такому пути будет осуществляться и деструкция ОВ. Энергозатраты на обработку одного м³ смеси составили величину около одного кВт·ч электроэнергии. Конструктивная простота кавитационного реактора, технологичность его деталей и узлов, высокая производительность, а также низкая стоимость изготовления дают возможность считать такой реактор пригодным для промышленного освоения. Одним из значительных достоинств предлагаемого способа и его технического воплощения является то, что появляется возможность создания передвижного завода для уничтожения ОВ. Другими словами, все необходимое оборудование для реализации способа может быть размещено на нескольких единицах транспортных средств, которые в рабочем состоянии соединяются между собой, образуя единую технологическую цепочку.

Источники информации

1. Патент РФ №2154803, кл. F 24 D 5/04, «Способ деструкции боевых отравляющих веществ», 20.08.2000.

2. Лаврентьев А.Н., статья «Не ищите бомбу на Балтике...», газета «С-Петербургские ведомости», 05.09.2000, с.5.

3. Кеннет С. Суслик, статья «Химические эффекты ультразвука», журнал «В мире науки», №4, 1989, с.54-61.

4. Кладов А. Кавитационная деструкция пентахлорфенола, http://roslo.narod.ru/fen/ - прототип.

Способ деструкции отравляющего вещества (ОВ), включающий получение смеси ОВ с водой, возбуждение кавитации в полученной смеси, отличающийся тем, что воду используют в количестве не менее 45% от общего объема смеси, а кавитацию в смеси возбуждают путем создания в ней по всему объему чередующихся растягивающих и сжимающих напряжений в вибрационном режиме с частотой в диапазоне 1-400 Гц.