ЭЖЕКТОРНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2005 года по МПК A62D3/00 F04F5/54 

Изобретение относится к оборудованию для химической переработки, преимущественно детоксикации, отравляющих и токсичных веществ, а более конкретно к устройствам непрерывного действия эжекторного типа для уничтожения химического оружия, снаряженного химическими отравляющими веществами (ОВ). Изобретение может быть использовано при ликвидации запасов химических боеприпасов и запасов ОВ, преимущественно люизита.

Уничтожение запасов химического оружия и токсичных ВВ представляет собой актуальную и одновременно сложную техническую задачу, требующую разработки специальных технологий, обеспечивающих высочайшую безопасность, достаточную производительность и приемлемую стоимость.

На сегодняшний день, среди прочих, предпочтение отдается химическим методам детоксикации химического оружия и ОВ, так как они способны удовлетворить строгим требованиям технической безопасности и обеспечить необратимость преобразования высокотоксичных химических продуктов.

Использование эжектора (струйного насоса, насоса трения) для перекачивания и откачивания жидких и газообразных сред достаточно широко известно в технике вообще и в насосно-эжекторных установках, в частности, см. патенты RU № 2192565, кл. F 04 F 5/54, 2001 г. и № 2182266, 2000 г. Роль эжектора в этих установках ограничена только его насосными функциями, а свойства эжектора как смесителя и тем более как химического реактора никак не использованы.

Известны средства химической детоксикации с использованием гидролиза щелочами, см. патенты RU № 2123368, кл. А 62 D 3/00, 1997 г. и № 2172196, 1999 г., в том числе и с использованием, по меньшей мере, одного эжектора для непрерывного смешения эжектируемого потока подлежащего детоксикации вещества и потока рабочей жидкости - нуклеофильного агента (вода, растворы гидроокисей металлов, гипохлоритов, аммиак, спирты, кислоты и т. д.), подаваемого насосом-дозатором под давлением, см. патент RU № 2182505, кл. А 62 D 3/00, 2001 г. Общим существенным недостатком указанных технических решений является существенная длительность временного периода, в течение которого исходные ОВ или продукты незавершенного процесса их детоксикации сохраняются в опасных концентрациях.

Известна установка для утилизации люизита с получением металлического мышьяка, патент RU № 2066218, кл. А 62 D 3/00, 1992 г., включающая блок подачи люизита, блок подачи восстановительного компонента, блок получения парогазовой смеси, непрерывный реактор вытеснения, камеру осаждения, холодильник, адсорберы и десорбер, мембранный разделитель и патронный фильтр. Установка обеспечивает непрерывность и высокую степень завершенности процесса утилизации. Вместе с тем наличие блока подачи люизита предполагает его нагнетание в блок получения парогазовой смеси и затем в непрерывный реактор вытеснения под избыточным давлением. Люизит (β-хлорвинилдихлорарсин) является ОВ, обладающим даже в нормальных условиях высочайшей проникающей способностью, а нахождение его под избыточным давлением на практике означает неизбежные неконтролируемые утечки в производственные помещения и окружающую среду.

Известна установка для термохимического обезвреживания высокотоксичного вещества, см. патент RU № 2005519, кл. А 62 D 3/00, 1992 г., включающая источник высокотемпературного газа в виде ракетного двигателя, гидросистему подачи в текучем виде высокотоксичного вещества, смесительное устройство в виде сверхзвукового эжектора, систему ввода дополнительных химреагентов, реакционную камеру, многозвенную систему очистки, утилизации и улавливания, выхлопную систему для газа. В установке ОВ подают в поток горячих газов из ракетного двигателя и перемешивают в сверхзвуковом эжекторе с нейтрализующим химреагентом, на выходе из эжектора продукты для термохимического обезвреживания подвергают окончательной очистке и дегазации. Установка обеспечивает непрерывность и высокую степень обезвреживания высокотоксичного вещества. Данное известное техническое решение принято в качестве прототипа как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату аналог.

К недостаткам прототипа относится высокая степень газообразования, которой сопровождается термическая детоксикации люизита, что снижает эффективность протекания процессов детоксикации в эжекторе. Кроме того, в процессе терморазложения люизита образуются кислотосодержащие продукты, приводящие к преждевременному выходу из строя оборудования.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, который выражается в улучшении условий протекания процессов химической конверсии отравляющих и токсичных веществ в эжекторе при одновременном повышении уровня контроля параметров функционирования установки.

В конечном итоге, указанный технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой установки, позволяет повысить экологическую чистоту и безопасность процесса детоксикации отравляющих и токсичных веществ, а также его эффективность при сохранении всех положительных свойств прототипа.

Указанный положительный результат обеспечивается в эжекторной установке для химической переработки, включающей систему хранения и подачи нейтрализующих растворов, систему подвода перерабатываемого вещества, эжектор с камерой смешения, диффузором и патрубками подвода основного рабочего потока и перерабатываемого вещества, последовательно соединенный с диффузором эжектора проточный реактор, емкость накопления продуктов реакции и систему газоочистки, путем оснащения ее системой подачи под давлением в проточный реактор, преимущественно, нейтрального газа и системой контроля герметичности соединений. Система подачи под давлением в проточный реактор, преимущественно, нейтрального газа состоит из, по меньшей мере, одного соплового аппарата и запорно-регулирующей и контрольной арматуры, газосвязанных между собой и с источником преимущественно нейтрального газа под давлением. Системы хранения и подачи нейтрализующих растворов и подвода перерабатываемого вещества соединены, соответственно, патрубками подвода основного рабочего потока и перерабатываемого вещества эжектора. Проточный реактор выполнен в виде трубопровода с размещенным в нем, по меньшей мере, одним осевым турбинным смесителем для активизации химических реакций. Сопловой аппарат системы подачи под давлением в проточный реактор, преимущественно, нейтрального газа установлен перед осевым турбинным смесителем. Система контроля герметичности соединений выполнена в виде соединенных между собой и заполненных инертной средой, по меньшей мере, одной кольцевой камеры, охватывающей контролируемое соединение, средств создания избыточного давления инертной среды и контрольно-измерительной аппаратуры.

Возможно оснащение трубопровода проточного реактора установки, по меньшей мере, одним компенсатором неизотермических температурных напряжений и тепловых деформаций, выполненным в виде сильфонной вставки, размещенной, преимущественно, на его концевых участках и/или в средней части.

Предпочтительной является схема эжекторной установки, в которой кольцевая камера системы контроля герметичности соединений расположена, по меньшей мере, в месте соединения диффузора эжектора с проточным реактором и образована углублением в смежных поверхностях.

В дополнение к изложенному, возможно оснащение системы подачи под давлением в проточный реактор, преимущественно, нейтрального газа штуцером, установленным в стенке проточного реактора тангенциально перед сопловым аппаратом, последний выполнен в виде турбодетандера, осевой турбинный смеситель при этом может иметь выходной аппарат, выполненный в виде лопаточного колеса, причем турбодетандер, осевой турбинным смеситель и лопаточное колесо могут быть последовательно расположены на едином валу.

Применение эжектора в установке позволяет упростить ряд технологических операций и решить вопросы безопасности, особенно при переработке токсичных соединений. Непосредственный отбор ОВ из хранилища без перекачивания его в промежуточную емкость и минимизация суммарной массы вещества во внутренних полостях исполнительных агрегатов установки за счет заполнения только патрубка подвода перерабатываемого вещества эжектора при отсутствии повышенного давления, наоборот, в откачиваемом объеме создается разрежение до 0,03...0,025 кгс/см², что позволяют полностью исключить утечки ОВ в максимальной концентрации в окружающую среду. Кроме эффекта всасывания эжектор обеспечивает хорошее смешение высокоскоростного активного (рабочего) и всасываемого (пассивного) потоков. Таким образом, использование жидкостного эжектора позволяет объединить в одном функциональном агрегате процессы перекачки отравляющих и токсичных веществ с одновременным смешением. В процессе смешения в жидкостном эжекторе осуществляется высокоэффективная химическая детоксикация с образованием на выходе смеси продуктов неполной переработки. Полностью детоксикация завершается только на выходе из проточного реактора, который выполняет функцию дополнительного активатора химических реакций.

Эжектор в комплексе с проточным химическим реактором является установкой непрерывного действия и идеального смешения. В гладком трубопроводе проточного реактора не удается обеспечить высокую эффективность смешения и скорость химических превращений, необходимые для полноты завершения процессов конверсии ОВ, в силу ламинарного характера течения реакционной смеси и недостаточной динамики взаимной диффузии реагентов. В проточном реакторе поток продуктов незавершенного процесса детоксокации подвергается последовательному воздействию тангенциальной струи нейтрального газа под давлением, турбодетандера, осевого турбинного смесителя и лопаточного колеса. Повышение степени смешения реагентов не является в установке основной функцией системы подачи под давлением в проточный реактор преимущественно нейтрального газа, однако тангенциальный ввод через штуцер, например, сжатого азота перед сопловым аппаратом значимо турбулизирует поток и активно способствует перемешиванию продуктов детоксикации. Одним из эффективных способов торможения и усреднения свободно расширяющегося газожидкостного потока в объеме является срабатывание кинетической энергии струи в механическую работу, например, на турбине. В конструкции проточного реактора использован, по меньшей мере, один осевой турбинный смеситель для активизации химических реакций, способствующий одновременно торможению и усреднению нейтрального газа в объеме и механическому перемешиванию продуктов детоксикации. Осевой турбинный смеситель является лопаточной машиной и должен быть оснащен неподвижными входным и выходным аппаратами, каковыми и являются расположеные на едином валу турбодетандер и лопаточное колесо. Основное назначение соплового и выходного аппаратов заключается в изменение вектора скорости газожидкостного потока перед входом и на выходе из осевого турбинного смесителя, который свободно вращается на едином валу.

Интенсивное смешение и вихреобразование в потоке, вызванное вращением осевого турбинного смесителя со скоростью нескольких тысяч оборотов в минуту, является высокоэффективным средством увеличения скорости химических реакций. За счет использования дополнительных осевых турбинных смесителей можно обеспечить сколь угодно высокую полноту смешения и любую длительность пребывания элементарной порции реагирующей смеси в проточном реакторе, а следовательно, и любую требуемую степень конверсии ОВ.

При детоксикации некоторых видов ОВ происходит интенсивное выделение горючих и взрывоопасных газов, например ацетилена. Для проведения технологически безопасного процесса установка снабжена системой подачи под давлением в проточный реактор преимущественно нейтрального газа, посредством которой осуществляется распределенная по длине гомогенная подача нейтрального газа в поток продуктов нейтрализации и продувка проточного реактора нейтральным газом, например азотом. Известно, что воздушно-ацетиленовая смесь взрывоопасна при концентрации ацетилена в ней от 2,3 до 80,7%, а при разбавлении ацетилена азотом в соотношении 1/10 он безопасен в воздушной среде, даже под давлением. Система подачи под давлением в проточный реактор преимущественно нейтрального газа содержит кроме соплового аппарата и тангенциального штуцера запорно-регулирующую и контрольную арматуры, газосвязанных между собой и с источником преимущественно нейтрального газа под давлением, что позволяет при проведении реакций детоксикации, например щелочного гидролиза люизита, поддерживать безопасную концентрацию ацетилена и давление в проточном реакторе.

В соответствии с техническими требованиями к опасным объектам установка нейтрализации должна отвечать общепринятым требованиям по надежности исполнительных агрегатов и механизмов. Требования по герметичности узлов и агрегатов, имеющих контакт с ОВ, должны соответствовать классу 0-0 по ГОСТ Р50430-92. В случае возникновения нештатной ситуации, проектном отказе или любом отклонении от номинального режима работы исполнительного агрегата не должно происходить выбросов ядовитых паров ОВ из проточного реактора в атмосферу. Наиболее опасными, с точки зрения возникновения негерметичности, в установке являются места соединений ее узлов. Система контроля герметичности соединений позволяет не только своевременно зафиксировать возникновение негерметичности и просигнализировать о нем, но и предотвратить при этом выброс опасных веществ в атмосферу.

Химическая реакция детоксикации некоторых видов ОВ является экзотермической, т.е. протекает с выделением значительного количества тепла, что вызывает возникновение в элементах конструкции установки тепловых деформаций. Для компенсации указанных тепловых деформаций и неизотермических температурных напряжений, возникающих в установке в процессе ее монтажа и эксплуатации, она оснащена сильфонной вставкой, размещенной, преимущественно, в наиболее уязвимом месте или местах.

Техническое решение иллюстрировано чертежами.

На фиг.1 изображена принципиальная схема эжекторной установки для химической переработки отравляющих и токсичных веществ; фиг.2 - участок проточного реактора в разрезе; фиг.3. - узел соединения проточного реактора с диффузором эжектора.

Эжекторная установка для химической переработки, преимущественно детоксикации отравляющих и токсичных веществ, состоит из эжектора 1 с камерой смешения 2, диффузором 3 и патрубками подвода основного рабочего потока 4 и перерабатываемого вещества 5. Патрубок 4 подвода основного рабочего потока сообщен с системой хранения и подачи нейтрализующих растворов, которая состоит из хранилища 6, вентилей 7, 8 и 9, расходомера 10, обратного клапана 11 и манометра 12. Патрубок 5 подвода перерабатываемого вещества соединен с системой подвода перерабатываемого вещества, которая состоит из сосуда 13 с ОВ, которым может быть и собственно боеприпас, вентиля 14, расходомера 15 и обратного клапана 16. Камера смешения 2 соединена через вентиль 17 с манометром 18. С диффузором 3 последовательно соединен проточный реактор 19, выполненый в виде трубопровода, который оснащен системой подачи в него под давлением преимущественно нейтрального газа, состоящей из, по меньшей мере, одного соплового аппарата 20 в виде турбодетандера, тангенциально установленного в стенке перед ним штуцера 21, газосвязанного с запорно-регулирующей и контрольной арматурой, представленной вентилем 22, расходомером 23 манометром 24 и обратным клапаном 25, и источником 26 преимущественно нейтрального газа под давлением. Внутри проточного реактора 19 размещен, по меньшей мере, один осевой турбинный смеситель 27 с выходным аппаратом 28, выполненным в виде лопаточного колеса. Сопловой аппарат 20, осевой турбинный смеситель 27 и выходной аппарат 28 последовательно расположены на едином валу 29, причем осевой турбинный смеситель 27 с возможностью свободного вращения. Проточный реактор 19 также оснащен системой контроля герметичности фланцевых соединений, которая состоит из вентиля 30, манометра 31 и обратного клапана 32, соединенных с кольцевыми камерами 33, образованными углублением в смежных поверхностях фланцевых соединений 34 между двумя кольцевыми уплотнениями 35. Средством создания избыточного давления инертной среды для системы контроля герметичности соединений служит источник 26 преимущественно нейтрального газа под давлением, который также соединен с вентилем 7 системы хранения и подачи нейтрализующих растворов.

Входной участок трубопровода проточного реактора 19 со стороны диффузора 3 снабжен компенсатором неизотермических температурных напряжений и тепловых деформаций, выполненным в виде сильфонной вставки 36. Выходной участок трубопровода проточного реактора 19 соединен с емкостью 37 накопления продуктов реакции, которая имеет отвод 38 в систему газоочистки (на фигуре не показана).

Эжекторная установка для химической переработки отравляющих и токсичных веществ работает следующим образом.

Перед началом работы установки осуществляют ее продувку нейтральным газом, например сжатым азотом, через систему подачи нейтрального газа, для чего открывают вентиль 22, и газ от источника 26 через расходомер 23 и обратный клапан 25 и штуцер 21 поступает в установку, заполняя ее и вытесняя остатки атмосферного воздуха. Затем подключают систему контроля герметичности фланцевых соединений путем открытия вентиля 30. Сжатый азот под избыточным давлением от источника 26 через обратный клапан 32 заполняет кольцевые камеры 33. Давление подачи сжатого азота превышает рабочее давление в проточном реакторе 19 и контролируется манометром 31. В случае нарушения герметичности любого из двух кольцевых уплотнений 35 фланцевых соединений 34 происходит вдув сжатого азота из кольцевой камеры 33 в зону образовавшейся в соединении 34 негерметичности, что предотвращает выброс продуктов детоксикации во внешнюю среду. При этом манометр 31 своими показаниями падения давления в системе будет сигнализировать о возникшем нарушении герметичности. После этого установка готова к работе и можно включать систему хранения и подачи нейтрализующих растворов. Открывают вентили 7 и 8, в результате чего нейтрализующий раствор из хранилища 6 вытесняется давлением сжатого азота от источника 26 через расходомер 10, обратный клапан 11 и патрубок 4 подвода основного рабочего потока в камеру смешения 2 эжектора 1. После установления в камере смешения 2 эжектора 1 достаточного разрежения, величина которого контролируется манометром 18, включают систему подвода перерабатываемого вещества путем открытия вентиля 14. Люизит из сосуда или боеприпаса 13 через расходомер 15, обратный клапан 16 и патрубок 5 подвода перерабатываемого вещества поступает в камеру смешения 2 эжектора 1. В камере смешения 2 люизит взаимодействует с основным рабочим потоком, при этом происходит интенсивное турбулентное взаимодействие и перемешивание рабочего и всасываемого потоков, а затем постепенное выравнивание поля скоростей и образование усредненного течения смеси. Дальнейшее смешивание и торможение жидкостей в диффузоре 3 сопровождаются интенсивным химическим взаимодействием. Возникающие в процессе работы установки неизотермические температурные напряжения и тепловые деформации компенсируются деформацией сильфонной вставки 36. Полнота завершения процесса детоксикации ОВ в эжекторе 1 составляет около 70%, поэтому реакционная смесь и продукты реакции поступают из него в проточный реактор 19 для окончательной переработки.

В проточном реакторе 19 реакционная смесь подвергается турбулизации и разбавлению азотом из системы подачи нейтрального газа через штуцер 21. Но основным средством интенсификации и завершения процесса детоксикации ОВ в проточном реакторе 19 является осевой турбинным смеситель 27 в совокупности с сопловым 20 и выходным 28 аппаратами, которые обеспечивают нормальную работу осевого турбинного смесителя 27. Опыты показывают, что на выходе уже из первого осевого турбинного смесителя 27 полнота завершения процесса детоксикации ОВ составляет 97...98%.

Таким образом, на выходе из проточного реактора 19, оснащенного достаточным количеством осевых турбинных смесителей 27, возможно получение взрывобезопасной смеси продуктов детоксикации с заданной степенью конверсии, которые не нуждаются в повторной обработке. Из проточного реактора 19 продукты реакции отводятся в емкость накопления 37. Через отвод 38 газообразные продукты передаются в систему газоочистки, а жидкие и нерастворимые сливаются из емкости накопления 37 для последующей утилизации.

Изобретение относится к установкам непрерывного действия эжекторного типа для уничтожения оружия, снаряженного химическими отравляющими веществами, преимущественно люизитом. Установка включает систему хранения и подачи нейтрализующих растворов, систему подвода перерабатываемого вещества, эжектор с камерой смешения, диффузором и патрубками подвода основного рабочего потока и перерабатываемого вещества, последовательно соединенный с диффузором эжектора проточный реактор, емкость накопления продуктов реакции и систему газоочистки. Установка снабжена системой подачи под давлением в проточный реактор, преимущественно, нейтрального газа и системой контроля герметичности соединений, при этом система подачи под давлением в проточный реактор, преимущественно, нейтрального газа состоит из, по меньшей мере, одного соплового аппарата и запорно-регулирующей и контрольной арматуры, газосвязанных между собой и с источником, преимущественно, нейтрального газа под давлением, а системы хранения и подачи нейтрализующих растворов и подвода перерабатываемого вещества соединены, соответственно, с патрубками подвода основного рабочего потока и перерабатываемого вещества эжектора. Проточный реактор выполнен в виде трубопровода с размещенным в нем, по меньшей мере, одним осевым турбинным смесителем для активизации химических реакций. Сопловой аппарат системы подачи под давлением в проточный реактор, преимущественно, нейтрального газа установлен перед осевым турбинным смесителем. Система контроля герметичности соединений выполнена в виде соединенных между собой и заполненных инертной средой, по меньшей мере, одной кольцевой камеры, охватывающей контролируемое соединение, средств создания избыточного давления инертной среды и контрольно-измерительной аппаратуры. Технический результат изобретения выражается в улучшении условий протекания процессов химической конверсии отравляющих и токсичных веществ в эжекторе при одновременном повышении уровня контроля параметров функционирования установки, что в конечном итоге позволяет повысить экологическую чистоту и безопасность процесса детоксикации. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Эжекторная установка для химической переработки, преимущественно детоксикации отравляющих и токсичных веществ, включающая систему хранения и подачи нейтрализующих растворов, систему подвода перерабатываемого вещества, эжектор с камерой смешения, диффузором и патрубками подвода основного рабочего потока и перерабатываемого вещества, последовательно соединенный с диффузором эжектора проточный реактор, емкость накопления продуктов реакции и систему газоочистки, отличающаяся тем, что она снабжена системой подачи под давлением в проточный реактор преимущественно нейтрального газа и системой контроля герметичности соединений, при этом система подачи под давлением в проточный реактор преимущественно нейтрального газа состоит из, по меньшей мере, одного соплового аппарата и запорно-регулирующей и контрольной арматуры, газосвязанных между собой и с источником преимущественно нейтрального газа под давлением, а системы хранения и подачи нейтрализующих растворов и подвода перерабатываемого вещества соединены соответственно с патрубками подвода основного рабочего потока и перерабатываемого вещества эжектора, причем проточный реактор выполнен в виде трубопровода с размещенным в нем, по меньшей мере, одним осевым турбинным смесителем для активизации химических реакций, сопловой аппарат системы подачи под давлением в проточный реактор преимущественно нейтрального газа установлен перед осевым турбинным смесителем, система контроля герметичности соединений выполнена в виде соединенных между собой и заполненных инертной средой, по меньшей мере, одной кольцевой камеры, охватывающей контролируемое соединение, средств создания избыточного давления инертной среды и контрольно-измерительной аппаратуры.2. Эжекторная установка по п.1, отличающаяся тем, что трубопровод проточного реактора снабжен, по меньшей мере, одним компенсатором неизотермических температурных напряжений и тепловых деформаций, выполненным в виде сильфонной вставки, размещенной преимущественно на его концевых участках и/или в средней части.3. Эжекторная установка по п.2, отличающаяся тем, что кольцевая камера системы контроля герметичности соединений расположена, по меньшей мере, в месте соединения диффузора эжектора с проточным реактором и образована углублением в смежных поверхностях фланцевых соединений между двумя кольцевыми уплотнениями.4. Эжекторная установка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что система подачи под давлением в проточный реактор преимущественно нейтрального газа снабжена штуцером, установленным в стенке проточного реактора тангенциально перед сопловым аппаратом, а последний выполнен в виде турбодетандера, при этом осевой турбинный смеситель имеет выходной аппарат, выполненный в виде лопаточного колеса, а турбодетандер, осевой турбинный смеситель и лопаточное колесо последовательно расположены на едином валу.