СПОСОБ УНИЧТОЖЕНИЯ ТОКСИЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Российский патент 1997 года по МПК F23G5/00 F23G7/00 

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% [1] 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% [2] Существенным недостатком этого способа является также недостаточная глубина превращения, несмотря на значительное повышение температуры процесса.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является способ уничтожения зарина [3]
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 99,99% при удельной производительности 0,1 т/ч•м³.

Существенным недостатком подобного способа являются 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 токсичные соединения подвергают импульсному сжатию расширению при максимальных давлении и температуре в импульсе 9 20 МПа и 1500 3000 К соответственно при характерных временах 10^-3 10^-2 с, а отходящие газы повторно подвергают импульсному сжатию расширению при максимальных давлении и температуре 9 20 МПа и 1500 2300 К при характерных временах 10^-3 10^-2 с.

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 в импульсном режиме.

Кроме того, в отличие от прототипа, для дальнейшего увеличения конверсии предлагается газы после первого импульса снова подвергать импульсному сжатию
расширению.

В предлагаемом способе токсичные и супертоксичные вещества, горючее и воздух, подаются в химический реактор сжатия (ХРС) [4] При сжатии смесь газов нагревается за счет превращения механической энергии во внутреннюю энергию газов и происходит воспламенение органических веществ. Параметры процесса регулируют путем изменения коэффициента избытка воздуха, температуры на входе реактора, степени сжатия. Уничтожение токсичных и супертоксичных органических соединений происходит как за счет высокотемпературного пиролиза (мономолекулярный процесс), так и за счет окислительной деструкции (бимолекулярный процесс). По мере выгорания горючего и уничтожаемого вещества скорость химических процессов уменьшается.

Казалось бы, для повышения глубины конверсии необходимо увеличивать время пребывания в первом реакторе, но это приводит к увеличению теплового пограничного слоя и, соответственно, к снижению глубины конверсии. Поэтому для увеличения конверсии уничтожаемого вещества отходящие газы после первого сжатия расширения подвергаются такому процессу повторно. При повторном сжатии выделения тепла за счет реакций окисления практически не происходит, поэтому для достижения необходимой температуры нужно увеличить степень сжатия.

Для дальнейшего увеличения конверсии эту процедуру можно повторить.

Достижение полученных в соответствии с предлагаемым способом высоких значений конверсии (см. примеры 1 6) при использовании температурного диапазона 1500 3500 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.

Среди супертоксичных веществ наибольшую опасность для человека представляют фосфорорганические соединения типа зарина, зомана и V-газов. Согласно [3] предельно допустимые концентрации этих соединений в воздухе составляют около 10^-6 мг/м³. Поэтому в качестве прототипа мы выбрали способ уничтожения зарина, а в примерах, приведенных ниже, в качестве уничтожаемого вещества использовали диизопропиловый эфир метилфосфоновой кислоты (ДИПМФ), который по своим физико-химическим свойствам близок к зарину, но обладает гораздо более низкой токсичностью, что облегчает работу с ним.

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 ХРС подают воздух с коэффициентом избытка воздуха 0,5 и ДИМПФ, подвергают импульсному сжатию расширению при максимальной температуре в импульсе 1500 К, максимальном давлении в импульсе 9 МПа и характерном времени 0,01 с. Отходящие газы с температурой 300^oC направляют во второй ХРС, где подвергают импульсному сжатию расширению при максимальной температуре в импульсе 2300 К, максимальном давлении в импульсе 20 МПа и характерном времени 0,001 с. Остаточное содержание ДИПМФ в отходящих газах определяли хроматографическим методом (термоионный детектор). Достигнута конверсия уничтожаемого вещества 99,99999% при удельной производительности единицы реакционного объема реактора 0,20 т/ч•м³.

Пример 2. В ХРС подают воздух с коэффициентом избытка воздуха 1 и ДИПМФ, подвергают импульсному сжатию расширению при максимальной температуре в импульсе 3000 К, максимальном давлении в импульсе 20 МПа и характерном времени 0,001 с. Затем отходящие газы с температурой 300^oC направляют во второй ХРС, где подвергают импульсному сжатию расширению при максимальной температуре в импульсе 2300 К, максимальном давлении в импульсе 20 МПа и характерном времени 0,001 с. Достигнута конверсия уничтожаемого вещества 99,99999% при удельной производительности 0,40 т/ч•м³.

Пример 3. В ХРС подают воздух с коэффициентом избытка воздуха 1,5, смесь дизельного топлива с изопропиловым эфиром метилфосфоновой кислоты и ДИПМФ в соотношении 85: 10:5 (по объему) и подвергают импульсному сжатию расширению при максимальной температуре в импульсе 2000 К, максимальном давлении в импульсе 15 МПа и характерном времени 0,003 с. Затем отходящие газы с температурой 300^oC направляют во второй ХРС, где подвергают импульсному сжатию расширению при максимальной температуре в импульсе 1900 К, максимальном давлении в импульсе 15 МПа и характерном времени 0,003 с. Достигнута конверсия уничтожаемого вещества 99,99997% при удельной производительности 0,16 т/ч•м³.

Пример 4. В ХРС подают воздух с коэффициентом избытка воздуха 1,5 и смесь дизельного топлива с ДИПМФ в соотношении 85:15 (по объему), подвергают импульсному сжатию расширению при максимальной температуре в импульсе 2000 К, максимальном давлении в импульсе 15 МПа и характерном времени 0,003 с. Затем, отходящие газы с температурой 300^oC направляют во второй ХРС, где подвергают импульсному сжатию расширению при максимальной температуре в импульсе 1500 К, максимальном давлении в импульсе 9 МПа и характерном времени 0,01 с. Достигнута конверсия уничтожаемого вещества 99,99992% при удельной производительности 0,15 т/ч•м³.

Пример 5. В ХРС подают воздух с коэффициентом избытка воздуха 1,5 и смесь дизельного топлива с ДИПМФ в соотношении 85:15 (по объему) и подвергают импульсному сжатию расширению при максимальной температуре в импульсе 2000 К, максимальном давлении в импульсе 15 МПа и характерном времени 0,003 с. Затем отходящие газы с температурой 300^oC направляют во второй ХРС, где подвергают импульсному сжатию расширению при максимальной температуре в импульсе 2300 К, максимальном давлении в импульсе 20 МПа и характерном времени 0,001 с. Достигнута конверсия уничтожаемого вещества 99,99999% при удельной производительности 0,40 т/ч•м³.

Пример 6. В ХРС подают воздух с коэффициентом избытка воздуха 1,5, смесь дизельного топлива с ДИПМФ в соотношении 85:15 (по объему) и подвергают импульсному сжатию расширению при максимальной температуре в импульсе 2000 К, максимальном давлении в импульсе 15 МПа и характерном времени 0,003 с. Затем отходящие газы с температурой 300^oC направляют во второй ХРС, где подвергают импульсному сжатию расширению при максимальной температуре в импульсе 1900 К, максимальном давлении в импульсе 15 МПа и характерном времени 0,003 с. Достигнута конверсия уничтожаемого вещества 99,99997% при удельной производительности 0,16 т/ч•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 0,4 т/ч•м³ по уничтожаемому веществу при его содержании 15% в топливе, что в 10 раз больше чем в известных процессах.

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

Сущность: уничтожаемый объект, топливо и воздух с коэффициентом избытка воздуха от 0,5 до 1,5 подают в химический реактор сжатия, где подвергают импульсному сжатию - расширению при максимальной температуре в импульсе 1500 - 3000 К, максимальном давлении в импульсе 9 - 20 МПа и характерных временах 10^-3 - 10^-2с. Отходящие из первого реактора газы снова подвергают импульсному сжатию - расширению при максимальной температуре в импульсе 1500 - 2300 К, максимальном давлении в импульсе 9 - 20 МПа и характерных временах 10^-3 - 10^-2с.

Способ уничтожения токсичных соединений путем высокотемпературного термического разложения в присутствии окислителя с последующей очисткой отходящих газов от вредных веществ, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса, токсичные соединения подвергают импульсному сжатию-расширению при максимальных давлении и температуре в импульсе 9 20 МПа и 1500 3000К соответственно при характерных временах 10^- 3 10^- 2 с, а отходящие газы повторно подвергают импульсному сжатию-расширению при максимальных давлениях и температуре в импульсе 9 20 МПа и 1500 2300К и характерных временах 10^- 3 10^- 2 с.