Способ приготовления дегазирующего водного раствора гипохлорита кальция Российский патент 2021 года по МПК B01F3/12 B01F1/00 A62D3/30 C01B11/06 

Изобретение относится к области проведения специальной обработки, а именно к области обеспечения безопасности объектов, передовых и аварийно-спасательных отрядов при ликвидации чрезвычайных ситуаций на химически опасных объектах и может быть использовано в технических средствах специальной обработки для приготовления хлорсодержащего водного дегазирующего раствора.

Известен механический способ смешения жидкости с твердыми компонентами, заключающийся в перемещении слоев жидкой среды относительно друг друга лопастями мешалок, например, якорной, рамной, листовой (Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов, часть 1, 2-е изд. М.: Химия, 1995, с. 153-157). Недостатком данного способа перемешивания является малая эффективность, связанная с ламинарным режимом движения слоев жидкости.

Также известен способ смешения сыпучих компонентов в жидкой среде с помощью мешалки, гидравлическое сопротивление которой при вращении по часовой стрелке резко отличается от гидравлического сопротивления мешалки при вращении ее против часовой стрелки (Патент RU 2130334 С1 «Способ смешения компонентов в жидкой среде», заявка: 95109481/25, 1995.06.06, электронный ресурс https://yandex.ru/patents/doc/RU2130334C1_19990520). Смешивание осуществляют в непрерывно чередующихся разгонном и тормозном режимах. Однако применение данного способа в технических средствах специальной обработки не целесообразно, так как для его реализации требуется дополнительный узел привода мешалки, что ведет к существенному усложнению конструкции.

Известен гидравлический способ приготовления суспензий (Патент RU 2006127269 А «Способ приготовления суспензий», заявка: 2006127269/15, 2006.07.28, электронный ресурс https://yandex.ru/patents/doc/RU2006127269А_20080210). Способ заключается в совмещении процесса диспергирования твердой фазы с процессом образования суспензии, которое осуществляют путем воздействия на твердую фазу сверхзвуковой струи жидкости, имеющей в момент взаимодействия удельную кинетическую энергию и время воздействия, достаточные для разрушения твердого материала. Следует учесть, что процесс смешения происходит только в момент взаимодействия струи жидкости с твердой фазой. После дробления твердой фазы на дне емкости происходит образование осадка, что приведет к снижению эффективности перемешивания.

В патенте на изобретение (Патент RU 23 5661 ОС 1 «Способ перемешивания жидкости», заявка: 2007135400/15, 2007.09.24, электронный ресурс https://vandex.ru/patents/doc/RU235661 ОС 1 20090527) изложен способ, применяемый для химической и физико-химической очистки природных и сточных вод. Способ основан на перемешивании жидкости барботированием газом, при этом создается нисходящий поток очищаемой воды, навстречу которому подается восходящий поток крупнодисперсных пузырьков воздуха. В результате перемешивания повышается однородность смеси, что обеспечивает снижение концентрации загрязняющих веществ. Недостатком данного изобретения является отсутствие критериальных значений параметров качества барботирования, необходимых для эффективного приготовления водного раствора гипохлорита кальция (ГК).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ перемешивания рециркуляцией с направленным струйным возвратом рабочей жидкости в расходную емкость. Данный способ перемешивания жидкости реализован в техническом средстве специальной обработки, а именно в авторазливочной станции АРС-14, а также в ее модификациях: АРС-14К и АРС-14КМ (Авторазливочная станция АРС-14КМ // Руководство по эксплуатации ЛОЛ.15.00.00.00000 РЭ, 1996.-254 с.).

Недостатком прототипа является то, что при приготовлении 1,5% (масс.) водного раствора гипохлорита кальция II категории выход в раствор «активного» хлора ниже теоретически возможных 0,71%. Кроме того, так как во время рециркуляции рабочих растворов в течение 10 мин задействован механизм отбора мощности, то в этих условиях авторазливочная станция не может быть использована для выполнения других мероприятий по предназначению.

Задача настоящего изобретения заключается в повышении качества и сокращении сроков приготовления дегазирующего 1,5% (масс.) водного раствора гипохлорита кальция в авторазливочной станции АРС-14 и ее модификациях АРС-14К и АРС-14КМ.

Поставленная задача решается применением способа приготовления дегазирующего раствора гипохлорита кальция, включающего смешивание и растворение в воде 1,5% (масс.) гипохлорита кальция в авторазливочных станциях (АРС-14, АРС-14К, АРС-14КМ), при этом перераспределение твердой фазы происходит посредством пропускания атмосферного воздуха с величиной межфазной поверхности от 1,2 до 1,8 м² через приготовляемый раствор, атмосферный воздух подается в течение 5 мин из аппарата перфорированных патрубков, содержащих от 30 до 45 выходных отверстий диаметром 1 мм, выход «активного» хлора составляет от 0,65% до 0,68%.

На основании анализа литературных данных было установлено, что основной характеристикой барботажного процесса, влияющего на эффективность выхода в раствор «активного» хлора, является величина межфазной поверхности, т.е. площади поверхности пузырьковых образований воздуха, приходящейся на высоту столба жидкости в цистерне авторазливочной станции.

Оценку влияния величины межфазной поверхности (F) на выход «активного» хлора в раствор при приготовлении водных суспензий ГК в цистерне авторазливочной станции АРС-14 проводили при температуре воды плюс 20°С.

Величина межфазной поверхности в опытах составляла от 0,4 до 1,8 м². Ее изменение осуществляли путем варьирования расхода воздуха (от 48 до 135 л/ч), подаваемого в барботажное устройство, и количества выходных отверстий (от 15 до 45 шт). При этом диаметр выходных отверстий не изменялся и составлял 1 мм. Результаты экспериментальных исследований представлены в виде графической зависимости на фигуре 1.

В результате анализа полученных данных, представленных на рисунке 1, установлено, что с увеличением значений межфазной поверхности от 0,4 до 1,8 м² содержание «активного» хлора в растворе увеличивается до 0,58-0,68%. При этом среднее время барботирования до постоянного значения выхода «активного» хлора составляет 5-6 мин.

При величине межфазной поверхности 0,4 м² уровень выхода «активного» хлора в раствор был существенно ниже теоретически возможного (0,68%) и в течение 8 мин перемешивания увеличился до 0,60%. Полученные результаты обусловлены низкой интенсивностью процессов барботирования и образованием на дне цистерны плотного осадка, обладающего значительной механической прочностью.

Достаточно качественное перемешивание без образования осадка на дне емкости достигалось при величине межфазной поверхности 1,2 м², при этом выход «активного» хлора в течение 5 мин барботирования составил 0,65%. При увеличении показателя межфазной поверхности до 1,8 м² за 5 мин барботирования максимальный показатель выхода «активного» хлора в раствор составил 0,68%.

Таким образом, для приготовления 1,5% (масс.) водного раствора гипохлорита кальция с максимальным значением выхода «активного» хлора необходимо использовать барботеры с величиной параметра межфазной поверхности газ-жидкость в интервале 1,2-1,8 м².

Сравнительную оценку эффективности приготовления 1,5% (масс.) водного раствора суспензий ГК предложенным способом барботирования с величиной межфазной поверхности 1,2 м² проводили относительно методов механического перемешивания и рециркуляции.

Результаты сравнительной оценки эффективности приготовлении 1,5% (масс.) водной суспензии ГК с использованием традиционных методов перемешивания и разработанного способа барботирования при температуре воды плюс 20°С представлены в виде графической зависимости на фигуре 2.

В результате анализа приведенных данных установлено, что без механического воздействия на суспензию выход «активного» хлора в раствор незначителен и составляет 0,39%. При применении механического перемешивающего устройства процент выхода «активного» хлора резко возрастает, а время его стабилизации, т.е. время, в течение которого устанавливается постоянное содержание «активного» хлора в суспензии, уменьшается.

Наиболее эффективным является способ с использованием барботажной установки, позволяющей в течение 5 мин увеличить выход «активного» хлора до 0,65%. Полученный результат в 1,3 раза выше, чем при перемешивании методом рециркуляции (0,49% за 5 мин), реализованном в существующей авторазливочной станции АРС-14 и ее модификациях АРС-14К и АРС-14КМ.

Величина межфазной поверхности зависит от объемного расхода воздуха (производительности компрессора), диаметра пузырьков воздуха, выходящих из барботера, числа выходных отверстий, а также от характера движения пузырьков. Наиболее эффективен цепной барботаж, при котором пузырьковые образования воздуха имеют турбулентное движение.

Критическое значение объемного расхода воздуха (V_кp) на 1 м² свободной поверхности резервуара с жидкостью, разграничивающее цепной и свободный барботаж при диаметре выходного отверстия барботера 0,001 м, может быть рассчитано по формуле (Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и др. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию, 2-е изд. М.: Химия, 1991, с. 34-37):

где δ - поверхностное натяжение жидкости, составляет 0,072 Н⋅м^-1;

d - диаметр одного барботажного отверстия, м;

ρ_Ж - удельный вес жидкости, составляет 998,2 кг⋅м^-3;

q - ускорение свободного падения, м⋅с^-2.

На барботажной установке объемный расход воздуха составил 67,5 л/мин, при этом патрубки установки имели 30 выходных отверстий диаметром 0,001 м на единицу площади поверхности раствора, следовательно, на одно отверстие барботера объемный расход воздуха составит:

При пересчете получаем, что 135 л/ч составляет 3,75⋅10^-5 м³/с.

Из приведенных расчетных данных следует, что критический расчет воздуха меньше объемного, следовательно, движение пузырьков воздуха имеет цепной характер.

Диаметр пузырька воздуха может быть определен по формуле для цепного движения:

Поверхность пузырька воздуха, выходящего из одного отверстия барботера, приходящаяся на единицу высоты слоя жидкости, может быть рассчитана по формуле:

Следовательно, величина межфазной поверхности в емкости авторазливочной станции составит:

где h - высота слоя жидкости, м;

n - число выходных отверстий в барботажной установке, шт.

Приведенный расчет позволяет оценить эффективность барботажных установок, имеющих различные технические характеристики, при приготовлении и перемешивании суспензий ГК по величине межфазной поверхности.

Таким образом, предложен способ приготовления 1,5% (масс.) водного раствора гипохлорита кальция, отличающийся тем, что перераспределение твердой фазы вещества в воде и выход от 0,65% до 0,68% «активного» хлора происходит в результате пропускания атмосферного воздуха через жидкость, при этом на 1 м² поверхности воды величина межфазной поверхности газ-жидкость составляет от 1,2 до 1,8 м², атмосферный воздух подается в течение 5 мин через аппарат перфорированных патрубков, содержащих от 30 до 45 выходных отверстий диаметром 1 мм.

Изобретение может быть использовано для приготовления хлорсодержащего водного дегазирующего раствора в авторазливочных станциях АРС-14, АРС-14К, АРС-14КМ при ликвидации чрезвычайных ситуаций на химически опасных объектах. Способ приготовления дегазирующего раствора гипохлорита кальция включает смешивание и растворение в воде 1,5% по массе гипохлорита кальция в авторазливочных станциях. Перераспределение твердой фазы осуществляют в результате движения потока атмосферного воздуха с величиной межфазной поверхности от 1,2 до 1,8 м² через приготовляемый раствор. Атмосферный воздух подают в течение 5 мин из аппарата перфорированных патрубков, содержащих от 30 до 45 выходных отверстий диаметром 1 мм. Изобретение позволяет сократить сроки приготовления дегазирующего раствора. 2 ил.

Способ приготовления дегазирующего раствора гипохлорита кальция, включающий смешивание и растворение в воде 1,5% по массе гипохлорита кальция в авторазливочных станциях, отличающийся тем, что перераспределение твердой фазы осуществляют в результате движения потока атмосферного воздуха с величиной межфазной поверхности от 1,2 до 1,8 м² через приготовляемый раствор, атмосферный воздух подают в течение 5 мин из аппарата перфорированных патрубков, содержащих от 30 до 45 выходных отверстий диаметром 1 мм.