РЕАКТОР ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТОКСИЧНЫХ ГАЛОГЕНОСОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Предлагаемая полезная модель относится к области переработки и уничтожения токсичных галогеносодержащих органических соединений, таких как боевые отравляющие вещества, полимерные отходы и диоксины.
Известен реактор для переработки отравляющих веществ, содержащий реакционную камеру для переработки веществ в продукты переработки в присутствии реагентов, устройства подачи перерабатываемых веществ и реагентов в реакционную камеру и устройства удаления из реакционной камеры конденсированных и газообразных продуктов переработки [Патент RU, 2163345 МКИ 7 F 42 D 5/04].
В этом реакторе реакционная камера выполнена в виде двух соединенных специальным каналом камер, в первой из которых - камере смешивания - осуществляется смешивание перерабатываемого вещества и реагентов, включающих в себя топливо, воздух, неорганические вещества. Во второй камере - камере сжигания - осуществляется беспламенное сжигание перерабатываемого вещества в присутствии реагентов. Устройство подачи перерабатываемых веществ включает в себя накопитель, заполненный перерабатываемым веществом, и насос. Устройство подачи реагентов включает в себя баки, заполненные топливом и неорганическими веществами (например, оксид кальция), вентилятор и специальный канал, соединяющий камеру смешивания с атмосферой. Устройства удаления из камеры сжигания конденсированных и газообразных продуктов переработки включают в себя холодильник и сепаратор, снабженные сборниками для сбора конденсированных продуктов переработки, камеру, в которой производится нейтрализация (например, суспензией вода-гидроокись кальция) продуктов переработки, отстойник, снабженный сборником для сбора осажденных продуктов и выпускным отверстием для удаления из реактора газообразных продуктов (например, азот, углекислый газ) в атмосферу.
Перерабатываемое вещество из накопителя с помощью насоса, топливо и реагенты из баков, воздух с помощью вентилятора подаются в камеру смешивания, в которой осуществляется смешивание этих компонентов. Полученная смесь поступает в камеру сжигания, в которой разложение перерабатываемого вещества на составляющие их компоненты осуществляется за счет нагрева этих веществ с помощью беспламенного
сжигания. Сжигание осуществляется в присутствии неорганических веществ, вступающих в химическую реакцию с продуктами разложения перерабатываемого вещества. Продукты переработки удаляются из реактора путем их ступенчатого охлаждения до температур конденсации и затвердевания различных продуктов переработки и накапливаются в сборниках для конденсированных продуктов переработки. Газообразные продуктов переработки отравляющих веществ выводятся из реактора в атмосферу.
Этот реактор имеет следующие недостатки:
1) для реализации процесса сжигания необходимо использовать сложные композитные материалы стойкие к воздействию химически активных веществ в условиях высоких температур;
2) существует возможность загрязнения образующихся продуктов переработки примесями из конструкционных материалов реактора, что обуславливает необходимость в дополнительных мерах по определению их химического состава и степени токсичности и в организации дополнительных стадий очистки продуктов переработки для их дальнейшего использования;
3) при переработке органических соединений существует возможность образования токсичных производных диоксина и бензофурана, которая связана с наличием свободного кислорода в реакционной камере;
4) при переработке химического оружия (зарин, зоман, иприт, люизит) в окислительной среде существует возможность образования окислов мышьяка, фосфора, серы, а при уничтожении люизита в восстановительной среде возможно образование арсинов.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является реактор для переработки отравляющих веществ, содержащий реакционную камеру для переработки веществ в продукты переработки в присутствии реагентов, устройства подачи перерабатываемых веществ и реагентов в реакционную камеру и устройства удаления из реакционной камеры продуктов переработки [Патент на полезную модель №33538 (RU 33538 U1), приоритет от 27.06.2003 г прототип].
В этом реакторе реакционная камера выполнена в виде замкнутого, вакуумноплотного, теплоизолированного контура и вакуумноплотно соединена с вакуумным насосом и через вентиль с баллоном, содержащим инертный газ, внутри реакционной камеры расположены насос, электроды, соединенные с источником высоковольтного импульсного напряжения, термостатированный участок реакционной камеры, расположенные вне реакционной камеры устройства подачи перерабатываемых
веществ и реагентов в реакционную камеру включают в себя резервуар с перерабатываемым веществом и нагреватель-холодильник, расположенный вне реакционной камеры резервуар с реагентами и нагреватель, устройства удаления из реакционной камеры продуктов переработки включают в себя устройство удаления конденсирующихся продуктов переработки, представляющее собой приспособление для фильтрации конденсированных продуктов переработки, расположенное внутри реакционной камеры, и сборник конденсированных продуктов переработки, расположенный снаружи реакционной камеры, устройство удаления из реакционной камеры газообразных продуктов переработки, представляющих собой водород, включает в себя расположенную в реакционной камере мембрану, пропускающую водород и не пропускающую другие газы, заполняющие реакционную камеру, и расположенные снаружи реакционной камеры насос и резервуар для сбора водорода.
В область, ограниченную электродами, поступает с потоком инертного газа, циркулирующего с помощью насосов в реакционной камере, перерабатываемое вещество, переведенное в газообразное состояние с помощью нагревателя-холодильника в случае жидких и твердых перерабатываемых веществ, и подаются пары реагентов. Между электродами осуществляется высоковольтный импульсный разряд, возбуждаемый с помощью блока питания, под действием которого молекулы перерабатываемого вещества разлагаются на атомы и радикалы, которые в межимпульсный интервал времени посредством химических реакций друг с другом и с атомами реагентов образуют первичные продукты переработки. Первичные продукты с потоком инертного газа и пары реагентов поступают в термостатированный участок, обеспечивающий заданную температуру газа по всей его длине. В термостатированном участке часть первичных продуктов вступает в химические реакции между собой и с реагентами, образуя вторичные продукты переработки. При заданных условиях все получившиеся вещества кроме водорода будут конденсироваться из паровой фазы. С потоком инертного газа конденсированные продукты переработки, пройдя через приспособление для фильтрации конденсированных продуктов переработки, накапливаются в специальных сборниках этих продуктов. Водород, отделенный с помощью мембраны от газовой смеси, циркулирующей в реакционной камере, посредствам насоса удаляется из реакционной камеры и собирается в резервуаре.
Недостаток этого реактора заключается в том, что для его практической реализации помимо стандартного оборудования, такого как вакуумметры, насосы, блок питания, необходимо спроектировать устройства удаления из реакционной камеры продуктов переработки, обеспечивающих постоянство переноса массы циркулирующей в
реакционной камере газообразной смеси, состоящей из инертного газа и продуктов переработки токсичных органических соединений. Названый реактор предназначен только для переработки токсичных органических соединений, не содержащих кислород, потому что одним из продуктов переработки токсичных органических соединений, содержащих кислород, является газообразный монооксид углерода, а устройство удаления газообразных продуктов позволяет выводить из реакционной камеры только водород.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу конденсации продуктов переработки токсичных органических соединений и дальнейшего удаления конденсированных продуктов из реакционной камеры, а также вывода газообразных водорода и монооксида углерода, обеспечивая постоянство переноса массы газовой смеси, состоящей из инертного газа и продуктов переработки, по реактору.
Поставленная техническая задача решается за счет того, реактор содержит реакционную камеру, выполненную в виде замкнутого, вакуумноплотного, теплоизолированного контура и вакуумноплотно соединенную с вакуумным насосом и через вентиль с баллоном, содержащим инертный газ, внутри реакционной камеры расположены насос, электроды, соединенные с источником высоковольтного импульсного напряжения, термостатированный участок реакционной камеры, расположенные вне реакционной камеры устройства подачи перерабатываемых веществ и реагентов включают в себя резервуар с перерабатываемым веществом и нагреватель-холодильник, расположенный вне реакционной камеры резервуар с реагентами и нагреватель, устройства удаления продуктов переработки токсичных органических соединений включают в себя расположенное внутри реакционной камеры съемное устройство конденсации продуктов переработки, выполненное в виде нескольких включенных параллельно узлов, каждый из которых представляет собой снабженный холодильником канал с расположенными внутри него диафрагмами, расположенное внутри реакционной камеры съемное устройство вывода из реакционной камеры монооксида углерода, выполненное в виде нескольких включенных параллельно узлов, каждый из которых представляет собой канал с расположенными внутри него металлической вставкой из металла, карбонил которого образуется в результате взаимодействия с монооксидом углерода, фильтром, предназначенный для удаления микрочастиц, способных отрываться от стенок узла, системой конденсации карбонила металла, и расположенных снаружи каналов устройств, регулирующих температуру системы конденсации карбонила металла и поддерживающих температуру металлической вставки на уровне, обеспечивающим реакцию образования карбонила металла при попадании на него молекул монооксида углерода, устройство вывода водорода, выполненное в виде нескольких включенных
параллельно и расположенных внутри реакционной камеры узлов, каждый из которых представляет собой канал с расположенными внутри него мембраной, в нагретом состоянии пропускающей водород, сеткой, предохраняющую мембрану от попадания на нее химически агрессивных веществ, нагревателем мембраны, и расположенных снаружи реакционной камеры насосом и резервуаром для сбора водорода.
2
2
2
2
Техническое решение поставленной задачи обусловлено тем, что, во-первых, продукты переработки токсичных органических соединений, такие вещества как СаС, CaF, СаСl P, As, можно улавливать посредством их конденсации из паровой фазы, так как при температурах около 300К эти вещества имеют низкие давления насыщенных паров и существуют в виде пересыщенного пара, состоящего из молекул и, возможно, кластеров, включающих в себя небольшое число молекул, во-вторых, известно, что никелевая мембрана генератора водорода в лазерах на парах металлов в холодном состоянии не проницаема ни для каких газов, в нагретом состоянии она проницаема только для молекул водорода, в-третьих, порошки некоторых металлов, например, таких как никель, железо, кобальт, непосредственно реагируют с монооксидом углерода при температуре порядка 100°С, давая карбонилы.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется схемой, показанной на фиг.1.
Реактор содержит реакционную камеру 1, представляющую собой замкнутый, вакуумноплотный, теплоизолированный контур. Реакционная камера 1 связана через вентиль 2 с баллоном 3, содержащим инертный газ. Снаружи к реакционной камере 1 посредством вакуумных соединений подсоединены вакуумметр 4 для контроля давления инертного газа и насос 5 для обеспечения рабочего давления инертного газа. Насос 6, осуществляющий поток инертного газа в направлении, показанном стрелкой 7, установлен внутри реакционной камеры 1. К реакционной камере 1 вакуумноплотно подсоединены резервуар 8. заполненный перерабатываемым веществом, снабженный нагревателем-холодильником 9, и резервуар 10, заполненный реагентами и снабженный нагревателем 11. Внутри реакционной камеры 1 расположены электроды 12, соединенные с блоком питания 13. Вблизи электродов 12 вниз по потоку расположен термостатированный участок 14, который вакуумноплотно соединен с резервуаром 10. Внутри реакционной камеры 1 расположено съемное устройство конденсации 15, включающее в себя несколько включенных параллельно узлов 16 (на фиг.1 показан один узел), каждый из которых представляет собой снабженный холодильником (на фиг.1 не показан) канал с расположенными внутри него диафрагмами 17, в котором продукты переработки токсичных органических соединений улавливаются посредством их конденсации из
паровой фазы и накапливаются в этом канале. Внутри реакционной камеры 1 расположено съемное устройство удаления монооксида углерода 18, представляющее собой несколько включенных параллельно узлов 19 (на фиг.1 показан один узел), каждый из которых представляет собой канал с расположенными внутри металлической вставкой из металла 20, карбонил которого образуется в результате взаимодействия с монооксидом углерода, фильтром 21, предназначенным для удаления микрочастиц, способных отрываться от стенок узлов, системой конденсации карбонила металла 22 и расположенных снаружи каналов устройств, регулирующих температуру системы конденсации карбонила металла и поддерживающих температуру металлической вставки на уровне, обеспечивающим реакцию образования карбонила металла при попадании на него молекул монооксида углерода (на фиг.1 не показаны). Далее по потоку внутри реакционной камеры 1 расположено устройство вывода водорода 23, представляющее собой несколько включенных параллельно узлов 24 (на фиг.1 показан один узел), каждый из которых представляет собой канал с расположенными внутри мембраной 25, в нагретом состоянии пропускающей водород и не пропускающей другие газы, сеткой 26, предохраняющей мембрану от попадания на нее химически агрессивных веществ, нагревателем мембраны 27, и расположенные снаружи реакционной камеры насос 28 и резервуар для сбора водорода 29. К реакционной камере 1 посредством вакуумных соединений подсоединены дозиметры 30.
Предлагаемая полезная модель работает следующим образом. В реакционную камеру 1 поступает через вентиль 2 из баллона 3 инертный газ, рабочее давление которого измеряется с помощью вакуумметра 4. Насос 5 для откачки инертного газа из реакционной камеры 1 позволяет установить заданное давление инертного газа. С помощью насоса 6 осуществляется циркуляция инертного газа в реакционной камере 1 в направлении, показанном на фиг.1, стрелкой 7. Из резервуара 8 в реакционную камеру 1 к инертному газу непрерывно или порциями добавляется газообразное токсичное органическое соединение, необходимое давление которого обеспечивается путем нагревания или охлаждения нагревателем-холодильником 9. Поток инертного газа увлекает за собой и перемещает по реакционной камере 1 пары перерабатываемого вещества в направлении, показанном стрелкой 7. Смесь инертного газа и паров перерабатываемого токсичного органического соединения поступает в область, расположенную между электродами 12, также в эту область из резервуара 10 поступают пары реагентов, необходимое давление которых обеспечивается путем нагревания реагентов с помощью нагревателя 11. Между электродами 12 осуществляется высоковольтный импульсно-периодический разряд, возбуждаемый с помощью блока
питания 13 с частотой следования от нескольких герц до нескольких десятков килогерц. Длительность разряда регулируется в пределах от десятков до сотен наносекунд.
С помощью высоковольтного импульсного разряда молекулы перерабатываемого токсичного органического соединения разлагаются на атомы, радикалы. В межимпульсный интервал времени эти атомы, и радикалы посредством химических реакций друг с другом и с атомами реагентов образуют молекулы и радикалы - первичные продукты переработки.
Первичные продукты с потоком инертного газа поступают в термостатированный участок 14, имеющий заданную температуру газа по всей его длине. В этот участок поступают также пары реагентов из резервуара 10. В термостатированном участке 14 часть первичных продуктов вступает в химические реакции между собой и с реагентами, образуя вторичные продукты переработки.
Конечные продукты переработки, представляющие собой смесь первичных и вторичных продуктов, поступают с потоком инертного газа в съемное устройство конденсации 15, между диафрагмами 17 узла 16 накапливаются конденсированные из паровой фазы продукты переработки токсичных органических соединений. При этом устройство конденсации 15 не должно оказывать значительного газодинамического сопротивления потоку газа. Дальнейшая переработка конденсированных продуктов осуществляется на химических предприятиях.
Условие конденсации, в предположении, что узел 16 имеет форму цилиндра, может быть записано в виде
д
1
D1
где R и l - соответственно радиус диафрагмы и длина узла 16 устройства конденсации 15, τ - характерное время диффузии кластеров максимального размера в
1
1
1
г
г
г
междиафрагменный зазор 17, t - время пребывания газового потока в узле 16 устройства конденсации 15, u - скорость газового потока в узле 16 устройства конденсации 15, D - коэффициент диффузии кластеров максимального размера, Т - температура инертного газа в узле 16 устройства конденсации 15 равная 300К, m и r - масса и радиус кластеров, m и r - масса и радиус молекул инертного газа.
1
В пренебрежении массой токсичных органических соединений по сравнению с массой инертного газа, прокачиваемого через узел 16 устройства конденсации 15, скорость u можно оценить из условия постоянства переноса массы газа по реактору
г
г1
1
где u - скорость газового потока через область, расположенную между электродами 12, n, n - соответственно концентрация атомов инертного газа в области, расположенной между электродами 12, и узле 16, S - поперечное сечение газового потока в области, расположенной между электродами 12, N - число узлов 16 устройства конденсации 15.
D1
1
Полагая для определенности, что τ=0,1t, из соотношений (2)-(5) можно получить соотношение
k
г
1
1
1
-8
2
18
-3
Полагая, что радиус кластера r=6·10 см, а масса кластера много больше массы атома инертного газа (например, гелия), получаем, что при S≅100 см, u=100 см/с, n=10 см lN≅1600 см. То есть, при длине узла 16 l=100 см устройство конденсации 15 должно включать в себя 16 узлов.
1
В предположении, что в узле 16 объем полости накопления конденсированных веществ значительно превышает объем полости прокачки газа, поперечный размер узла 16 можно оценить из количества конденсированных веществ, накапливаемых в узле 16 за отдельный цикл работы. В случае цилиндрической формы радиус узла конденсации R можно оценить по формулам
i
i
где, кроме известных соотношений М, ρ - общая масса и общая плотность конденсированных веществ, накапливаемых в узле 16 за цикл работы, М, ρ - соответственно масса и плотность конкретного вещества.
Оставшиеся в реакционной камере 1 газообразные продукты, такие как монооксид углерода и водород, с потоком инертного газа поступают в съемное устройство вывода монооксида углерода 18. В узле 19 устройства вывода монооксида углерода 18 при заданных условиях при взаимодействии молекул монооксида углерода с металлической вставкой 20 образуется карбонил металла, который улавливается из паровой фазы и накапливается в системе конденсации карбонила металла 22.
2
2
В предположении, что стенка узла 19 устройства вывода монооксида углерода 18 является гладкой, параметр lN можно рассчитать по формуле, аналогичной формуле (6) с учетом того, что не каждое соударение молекулы монооксида углерода с металлической поверхностью приводит к образованию молекулы карбонила
2
г2
где, кроме известных обозначений, η - эффективное число соударений молекулы монооксида углерода с металлической стенкой 20, обеспечивающее образование молекулы карбонила, D - коэффициент диффузии молекулы монооксида углерода в узле 19, n - концентрация атомов инертного газа в узле 19 устройства вывода монооксида углерода 18.
Представляется целесообразным изготавливать вставку 20 не из монолитного металла, а в виде прессовки из мелкодисперсных частиц. Стенки отверстия, выполненного в прессовке, должны оказывать большее газодинамическое сопротивление потоку газа в пристеночной области и тем самым способствовать более эффективному взаимодействию молекул монооксида углерода с металлом. Кроме того, изготовление металлической вставки 20 в виде прессовки обеспечивает возможность использования материала отработанной прессовки для изготовления новой прессовки.
Газообразный водород поступает с потоком инертного газа в устройство вывода водорода 23. Водород, отделенный мембраной 25, нагретой посредством нагревателя 27, от газовой смеси, циркулирующей в реакционной камере 1, посредством насоса 28
выводится из реакционной камеры и собирается в резервуаре 29. Мембрана 25 предохраняется от попадания на нее химически агрессивных веществ посредством сетки 26.
3
3
Основываясь на допущениях, использованных при оценке длины узла 16 устройства конденсации 15 и числа узлов 16, можно рассчитать аналогичные характеристики l и N:
3
г3
где, кроме известных обозначений, D - коэффициент диффузии молекулы водорода в узле 19 устройства вывода водорода 18, n - концентрация атомов инертного газа в узле 19.
1
1
3
3
3
3
Проводя расчет для тех же условий, для которых ранее были рассчитана величина lN, и с учетом приближенности проводимой оценки полагая, что радиус молекулы водорода в два раза больше радиуса атома водорода, получаем lN≅120 см. Таким образом, в случае l=0.6 м получаем, что N≅2.
Контроль степени переработки токсичных органических соединений осуществляется с помощью двух дозиметров 30, подсоединенных к реакционной камере 1 посредством вакуумных соединений и расположенных с обеих сторон от ввода в реактор токсичных органических соединений.