Способ нейтрализации аварийных выбросов газообразного хлора и установка для его осуществления
METHOD FOR NEUTRALIZATION OF EMERGENCY EMISSIONS OF GASEOUS CHLORINE AND INSTALLATION FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области нейтрализации вредных газов, а именно хлора и может быть использовано на любых предприятиях в технологии и в установках для нейтрализации аварийных выбросов газообразного хлора.
Известны «Способ очистки газов от хлора и хлорида водорода, и устройство для его осуществления»
1. Способ очистки газов от хлора и хлорида водорода, включающий подачу газов снизу в корпус газоочистителя, подачу жидкости в виде известкового молока противоточно движению газов, циркуляцию жидкости с последующим выводом отработанного раствора из системы циркуляции и вывод газов, отличающийся тем, что осуществляют закручивание газов и подачу их в завихритель, взаимодействие жидкости и газов с образованием газожидкостной эмульсии, разделение газожидкостной эмульсии на жидкость и газ путем пропускания ее через устройство для разделения газожидкостной эмульсии, при этом жидкость подают на тарельчатый элемент завихрителя, отделенную в устройстве для разделения газожидкостной эмульсии жидкость собирают на стенках корпуса, откуда она стекает в нижнюю часть корпуса, откуда ее отводят, на устройство для разделения газожидкостной эмульсии периодически подают воду для предотвращения на нем отложений.
2. Устройство для очистки газов от хлора и хлорида водорода, содержащее корпус, устройство для подачи жидкости, патрубок для слива жидкости, размещенный в нижней части, и патрубки для подачи и выхода газов, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит тангенциальный патрубок для подачи газов, завихритель с тарельчатым элементом, размещенный в кольцевой щели корпуса, устройство для разделения газожидкостной эмульсии, выполненное в виде тарелки с лопастями, установленное с зазором между стенками корпуса, отбойный козырек и форсунки для подачи воды, размещенные над устройством для разделения газожидкостной эмульсии, при этом верхняя и нижняя часть корпуса имеют разный диаметр, устройство для разделения жидкости и газа установлено в верхней части корпуса, а завихритель - в нижней части корпуса.
Патент РФ на изобретение №2304017; МКИ: B01D 53/68, публ. 2007.08.10.
Известны «Способ получения нитрита натрия и абсорбционный аппарат для его осуществления
1. Способ получения нитрита натрия, включающий абсорбцию горячей газовой смеси, образующейся в результате окисления аммиака и содержащей водяные пары, кислород и окислы азота, раствором гидроокиси натрия, проводимую в вертикальном многосекционном цилиндрическом абсорбционном аппарате с циркуляцией раствора гидроокиси натрия, промывку выхлопных газов, отличающийся тем, что абсорбцию ведут в аппарате, заполненном раствором гидроокиси натрия, при этом исходную газовую смесь и концентрированный раствор гидроокиси натрия подают в нижнюю часть абсорбционного отсека аппарата при поддержании концентрации гидроокиси натрия в циркуляционном растворе не менее 2%.
2. Абсорбционный аппарат для получения нитрита натрия, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, внутри которого находятся тарелки, разделяющие внутреннее пространство корпуса на секции, штуцеры подачи циркуляционного раствора, выхода продукционного раствора и отвода выхлопных газов, отличающийся тем, что внутреннее пространство корпуса разделено на верхний и нижний отсеки перегородкой, на которой установлен барботер для газа, тарелки, разделяющие пространство корпуса на секции, выполнены ситчатыми и расположены только в верхнем отсеке, причем на высоте 2/3 верхнего отсека установлены, по меньшей мере, две сепарационные тарелки с переливными патрубками, одна из тарелок сообщается с нижним отсеком аппарата, другая - с нижней частью верхнего отсека.
Патент РФ на изобретение №2174096; МКИ: B01D 53/18, публ. 2001.09.27.
Известен «Способ абсорбции газов жидкостями» путем проведения процесса в кавитационном режиме в зоне пониженного давления дроссельного регулирующего устройства, отличающийся тем, что предварительно абсорбируемые газы и жидкость под давлением от 0,5 до 100 МПа вводят в эжектор с созданием газожидкостной смеси, а смесь затем подают в кавитаторы для установления развитого кавитационного течения с величиной вакуума от 5 до 90% абсолютного давления посредством регулировочного дросселя.
Патент РФ на изобретение №2142327; МКИ: B01D 53/14, публ. 1999.12.10.
Наиболее близкими аналогами к предлагаемым в качестве изобретения техническим решениям являются:
1. «Способ нейтрализации аварийных выбросов газообразного хлора», включающий подачу хлоровоздушной смеси в нейтрализующую щелочную жидкость, циркуляцию нейтрализующей жидкости насосом, отличающийся тем, что смешивание и взаимодействие двух сред происходит в процессе эжекции при вакуумном всасывании хлоровоздушной смеси в поток нейтрализующей жидкости следующего состава, мас. %:
Гидроксид натрия (NaOH)
10-15
Тиосульфат натрия (Na<sub>2</sub>S<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
3-10
2. Установка для осуществления вышеописанного способа, содержащая емкость для нейтрализующей жидкости, патрубки подачи хлоровоздушной смеси и вывода воздуха, эжектор для смешивания хлора с нейтрализующей жидкостью, насос, встроенный в линию циркуляции нейтрализующей жидкости, и служащий для прокачки раствора при нейтрализации хлора, а также патрубок с вентилем для слива отработанной жидкости и линию подачи хлоровоздушной смеси на эжектор.
Патент РФ на изобретение №2367506; МКИ: B01D 53/18; публ. 2009.10.20.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности нейтрализации выбросов газообразного хлора в момент аварии, за счет оптимизации технологических параметров, введения в нейтрализующий раствор пеногасителя, способствующего улучшению процесса диспергирования хлора, а также за счет подбора оптимального соотношения параметров элементов эжектора, обеспечивающих максимальное поглощение хлоровоздушной смеси нейтрализующей жидкостью, что способствует ускорению процесса нейтрализации хлора на первой же стадии, а также полноте поглощения хлора в течение всего процесса нейтрализации.
Вышеуказанный технический результат достигается за счет того, что
2
2
3
1. Способ нейтрализации аварийных выбросов газообразного хлора, включает подачу хлоровоздушной смеси в нейтрализующий щелочной раствор, циркуляцию нейтрализующего раствора насосом, смешивание и взаимодействие двух сред в процессе эжекции при вакуумном всасывании хлоровоздушной смеси в поток нейтрализующей жидкости, содержащей гидроксид натрия (NaOH) и тиосульфат натрия (NaSO). При этом процесс смешивания и взаимодействие двух сред осуществляют при температуре 35°C, объеме нейтрализующей жидкости, равной 75% от объема резервуара. Причем на последнем этапе приготовления нейтрализующего раствора добавляют жидкий пеногаситель на основе полиметилсилоксана в количестве 0,05 мас.%.
1
2
1
2. Установка для нейтрализации аварийных выбросов газообразного хлора, содержит резервуар для нейтрализующего раствора, снабженный сверху люком с крышкой, трубопроводы подачи нейтрализующего раствора и хлоровоздушной смеси с патрубками для подачи и вывода газа и раствора, а также насосы, эжектор для смешивания хлора с нейтрализующим раствором. При этом установка снабжена блоком управления, содержащим измерительный преобразователь, связанный с сигнализатором-анализатором, с которым в свою очередь связаны установленные в резервуаре датчики уровня, контроля рН нейтрализующего раствора и температуры. Кроме того эжектор установки выполнен с параметрами, которые соответствуют следующим соотношениям: L=1,75D, L=1,75D, L=7,75D, a D=1,25D, D2=2,5D, где:
D - диаметр первой камеры смешения;
1
D - диаметр второй камеры смешения;
L - длина первой камеры смешения;
1
L - длина второй камеры смешения;
2
L - длина диффузора.
Схема устройства приведена на фиг. 1 и 2
Фиг. 1 - Установка для нейтрализации аварийных выбросов газообразного хлора (общая схема);
Фиг 2 - Установка для нейтрализации аварийных выбросов газообразного хлора (схема эжектора).
Установка для нейтрализации аварийных выбросов газообразного хлора содержит резервуар 1 для нейтрализующего раствора, снабженный сверху люком 2 с крышкой, насос 3, установленный на трубопроводе подачи нейтрализующего раствора 4, расположенный сверху резервуара и связанный с трубопроводом 4 эжектор 5, проходные вентили 6 на трубопроводе 4,и на входе в резервуар 1, а также три вентиля 7, один из которых расположен на входе в резервуар 1, второй на трубопроводе 4, и третий на выходе из резервуара 1 расположен на трубопроводе для слива отработанного нейтрализующего раствора. Установка снабжена блоком управления 8 с измерительным преобразователем, связанным с сигнализатором-анализатором 9, в свою очередь резервуар-нейтрализатор снабжен датчиками уровня 10, контроля рН раствора 11 и температуры 12, для вывода очищенного воздуха сверху резервуара 1 расположен трубопровод 13, а к эжектору 5, для обеспечения смешивания и образования газо-жидкой эмульсии из нейтрализующей жидкости и хлоровоздушной смеси, подведен трубопровод 14 для подачи хлоровоздушной смеси.
Способ нейтрализации аварийных выбросов газообразного хлора на установке для его осуществления реализуют следующим образом:
При обнаружении газообразного хлора в помещении система активируется сигнализатором-анализатором газов 9 в воздухе. Насос 3 подает обеззараживающий раствор под давлением в эжектор 5, создающий вакуум.
Образовавшееся разрежение засасывает хлор и воздух помещения непосредственно в обеззараживающий раствор. Хлор абсорбируется раствором и превращается в хлорид. Характерной особенностью процесса является растворение хлора в воде с последующим окислением ионов хлора тиосульфатом натрия. Конечные продукты взаимодействия (хлорид натрия и сульфатная соль) практически безвредны.
В исходном состоянии система (фиг. 1) находится в дежурном состоянии. Сигнализатор-анализатор 9, связанный с измерительным преобразователем блока управления 8, постоянно контролирует содержание хлора в воздухе помещения, где возможен аварийный выброс хлора и передает сигнал на блок управления 8. При превышении уровня заданного значения блок управления 8 с измерительным преобразователем включает соответствующую сигнализацию, а также насос 3. В результате работы насоса 3 нейтрализующий раствор прокачивается по замкнутому контуру: раствор в резервуаре 1 - проходные вентили 6 (вентили замены нейтрализующего раствора и вывода его 7 закрыты) - насос 3 - трубопровод прокачки раствора 4 - эжектор 5 - резервуар 1. При этом хлоровоздушная смесь подается через трубопровод 14 в эжектор 5, там всасывается в поток раствора и вступает с ним в химическое взаимодействие. В результате поэтапно обеспечивается нейтрализация хлора:
1) при попадании его в поток нейтрализующего раствора в сопле эжектора;
2) химическое взаимодействие его с нейтрализующего раствора в рабочей камере эжектора;
3) химическое взаимодействие его с нейтрализующим раствором в резервуаре.
Кроме того эффективность процесса связывания хлора повышается благодаря введению на последнем этапе подготовки нейтрализующего раствора в его состав жидкого пеногасителя на основе полиметилсилоксана в количестве 0,05 мас.%, а также поддерживанию оптимальной температуры нейтрализующего раствора, равной 35°C.
Очищенный от хлора воздух выдавливается из резервуара 1 через трубопровод 13, а слив отработанного нейтрализующего раствора осуществляют через трубопровод 7 с вентилем для слива отработанного нейтрализующего раствора, процесс продолжается до тех пор, пока уровень хлора в помещении не опустится ниже допустимого значения. При этом блок управления 8 отключает насос 3. Объем и концентрация нейтрализующего раствора должны соответствовать максимально возможному количеству хлора, заполняющего помещение в результате аварийной ситуации. В виду естественного испарения нейтрализующего раствора, а также образования мельчайшей взвеси, которая вылетает с очищенным воздухом, уровень нейтрализующего раствора неминуемо падает.
Контроль за уровнем раствора производится установленными на резервуарах датчик уровня 10, который визуально показывает уровень и дает сигнал на изменении объема раствора и необходимости его своевременной корректировки. Для контроля уровня рН предусмотрен датчик 11, который позволяет в режиме реального времени контролировать данный параметр и при его изменении вовремя, по примеру, корректировки уровня раствора, сохранять нейтрализующие свойства, оптимальную температуру 35°C нейтрализующего раствора контролируют с помощью датчика температуры 12. Нейтрализующий раствор готовится заранее следующим образом:
Наливается 3/4 (75% от объема резервуара, необходимого количества воды в резервуар для обеззараживающего раствора с помощью насоса 3 или вручную.
2
Подготовить необходимое количество Na-тиосульфата 5НО.
2
Медленно и постепенно добавлять его в воду вручную через крышку 2 резервуара 1 при помощи воронки (вентили трубопровода 7 закрыты). Постепенно перемешать Na-тиосульфат 5НО до полного растворения ручным включением насоса 3. Подготовить жидкий NaOH (49%) в отдельной емкости, затем медленно добавлять его в резервуар 1 с обеззараживающим раствором через крышку 2, непрерывно следя за температурой (вентили 7 закрыты). Температура раствора должна быть 35°C. Необходимо охлаждать раствор в процессе перемешивания, учитывая, что дозирование должно осуществляться очень медленно.
В процессе приготовления раствора для нейтрализации будет образовываться пена. Для осуществления оптимального процесса нейтрализации хлора на последнем этапе подготовки нейтрализующего раствора в его состав вводят жидкий пеногаситель на основе полиметилсилоксана в количестве 0,05 мас.%. При помощи эжектора 5 и насоса 3, перекачивающего через эжектор 5 циркулирующий нейтрализующий раствор, хлоровоздушная смесь засасывается и смешивается с раствором. Благодаря эжекции хлор и раствор смешиваются и взаимодействуют друг с другом, обеспечивая на этом этапе максимальную нейтрализацию аварийного выброса газообразного хлора. Полное поглощение хлора из эмульсионной смеси осуществляют в резервуаре 1 с нейтрализующим раствором.
На фиг. 2 представлена конструкция эжектора 5, предназначенная для введения газа (хлоровоздушной смеси) в жидкость (нейтрализующий раствор). Эжектор 5 состоит из линии подачи эжектирующего потока, представляющей собой конусообразное сопло 15, которое соединяется с камерой смешения (рабочая камера) 16 и второй камерой смешения 18. В рабочую камеру 15 подается эжектируемый газ через устройство 17. Диффузор 19 подает смесь газа и жидкости. Таким образом, действие эжектора 5 основано на передаче кинетической энергии эжектируещего потока (активного потока) жидкости, обладающего большим запасом энергии, эжектируемому (пассивному) потоку, обладающему малым запасом энергии. Запишем уравнение Бернулли для идеальной жидкости в соответствии, с которым сумма удельной потенциальной энергии (статического напора) и удельной кинетической энергии (скоростного напора) постоянна и равна полному напору:
2
1
2
1
Истекающая из сопла вода обладает большей скоростью (v>v), т.е. большим скоростным напором, поэтому пьезометрический напор потока жидкости в камере смешения (рабочей) 15 и во второй камере смешения 18 уменьшается (p<p), это и приводит к подсосу газа (в нашем случае хлоровоздушной смеси) в камеру смешения 15. В камере происходит перемешивание рабочей и эжектируемой сред. В диффузоре 19 скорость смеси сред уменьшается, а статический напор увеличивается.
Э
P
Отношение расхода эжектируемой среды (Q) к расходу рабочей (Q) называется коэффициентом подмешивания или эжекции - а. Коэффициент эжекции, зависящий от параметров эжектора, лежит в довольно широких пределах от 0.5 до 2.0. Наиболее устойчивая работа водоструйного насоса наблюдается при а=1.
Коэффициентом напора эжекционного насоса β назовем отношение полной геометрической высоты подъема (Н) эжектируемого потока жидкости в метрах - это давление на входе в эжектор к напору рабочего потока (h) в м - противодавлению.
Э
P
Важным параметром характеризующий эффективность работы эжектора и также зависящий от конструктивных параметров устройства является коэффициент полезного действия насоса. Как известно этот коэффициент равен отношению полезно затраченной мощности (H⋅Q⋅Y кГм/сек) к затраченной мощности (h⋅Q⋅Y кГм/сек), то есть:
Таким образом, эффективность работы эжекционного насоса определяется произведением коэффициентов напора и эжекции. Лабораторные эксперименты на стенде проводились для определения коэффициента напора эжекторов различной производительности.
Получено экспериментальное подтверждение зависимости расхода хлора Q от расхода воды R. Кривая Q=f(R) аппроксимируется двумя прямыми пересечение которых, отделяет зону эффективной эжекции с высоким коэффициентом эжекции от зоны неэффективной. Очевидно, что дальнейший интерес представляет область эффективной эжекции, а конструкция внутреннего сечения эжектора должна быть такова, чтобы коэффициент эжекции в этой области был максимально возможным.
1
1
Область, в которой изменяется коэффициент эжекции, определяется геометрическим параметром эжектора m, равным отношению площади сечения камеры смешения F к площади сечения сопла F: m=F/F,
Таким образом, этот параметр является основным, по которому рассчитывают все остальные основные размеры эжекционного насоса.
Анализ результатов, полученных из сопоставления экспериментальных результатов с существующими аналитическими данными, позволяет сделать следующие выводы.
Наиболее оптимальная эжекция соответствует параметру m, лежащему в диапазоне значений 1,5-2,0. В этом случае, определяемый по формуле диаметр камеры смешения D1=D, при D=7 мм лежит в диапазоне 8,6-10 мм.
Экспериментально установлена пропорция, связывающая все параметры, обозначенные на Фиг. 2: L=1,75D, L1=1,75D, L2=7,75D. Эти соотношения обеспечивают максимальный коэффициент эжекции, который лежит в области максимально эффективной эжекции.
Таким образом, можем сделать вывод, что для достижения максимальной эжекции конструкция внутреннего продольного сечения и соотношения размеров должны соответствовать найденным соотношениям D1=1,25D, D2=2,5D, L=1,75D, L1=1,75D, L2=7,75D
Сконструированный по данным соотношениям эжектор создает оптимальные условия для передачи кинетической энергии эжектируемой жидкости, поступающей на вход под большим давлением, определяемым по диаграмме (Фиг. 3), эжектируемому газу, подаваемому в камеру смешения с меньшим скоростным напором и меньшим запасом энергии, и обеспечивает максимальное подсасывание газа.
Предложенные в качестве изобретения «Способ нейтрализации аварийных выбросов газообразного хлора и установка для его осуществления» позволяют повысить эффективности нейтрализации выбросов газообразного хлора в момент аварии, и соответственно обеспечить безопасность людей, находящихся в помещениях, где хранится хлор или установлены устройства для дозирования хлора, а также улучшить технологичность способа.