СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ В КОНТЕЙНЕРЕ, СОДЕРЖАЩЕМ ГОРЮЧИЕ ГАЗООБРАЗНЫЕ ВЕЩЕСТВА
METHOD OF CONTROLLING GASEOUS MEDIUM IN CONTAINER CONTAINING COMBUSTIBLE GASEOUS SUBSTANCES

Предлагаемое изобретение относится к области методов и средств контроля за содержанием горючих или токсичных компонентов и может быть использовано для контроля и регулирования содержания газообразных токсичных или горючих веществ в стационарных или транспортируемых контейнерах.
Актуальность решаемой проблемы основана на повышении безопасности при транспортировке, хранении и проведении работ по обслуживанию контейнеров, содержащих горючие газообразные вещества, накопление которых внутри контейнера сверх предельно допустимых концентраций может привести к воспламенению, взрыву или нарушению экологии окружающей среды.
Из предшествующего уровня техники известен способ и устройство регулирования газовой среды полостей рабочих приборов путем сбрасывания взрывоопасных и токсичных газов в атмосферу или на межаппаратурные коммуникации (патент РФ №2422177, МПК A62C 3/04, опубл. 27.06.2011 г.), согласно которому сбрасывание указанных газов осуществляют с использованием транспортирования их по магистральному газопроводу, один конец которого подключен к блоку поступления взрывоопасных и токсичных газов, а другой соединен через предохранительный клапан с факельной трубой для сжигания газов.
Известен способ наблюдения за газовой средой объемов и ее регулирования из патента РФ №2138856 (МПК G08B 17/107, опубл. 27.09.1999 г.), в котором для предупреждения возникновения пожаро-взрывоопасной ситуации из-за утечки газов в различных емкостях летательных аппаратов используется метод селективного измерения содержаний опасных газов с последующим сравнением измеренных величин с эталонным постоянным и безопасным содержанием газов в эталонной камере (водорода и кислорода).
К недостаткам аналогов относится отсутствие возможности в течение продолжительного времени наблюдения и регулирования параметров газовой среды контейнеров, содержащей токсичные или горючие газообразные вещества.
Известен в качестве прототипа заявляемого способ регулирования атмосферы камеры дожигания путем вытеснения инертным газом токсичного материала (патент РФ №2035809, МПК H01M 8/04, опубл. 20.05.1995 г.), согласно которому из камеры дожигания после продувки ее водородом, удаляют токсичную жидкость при поступлении в эту камеру инертного газа.
К недостаткам прототипа относится отсутствие возможности обеспечения безопасной и стабильной атмосферы и экологической безопасности окружающей среды за счет повышения надежности предотвращения риска возгорания, взрыва или выхода токсичных газообразных продуктов в окружающую среду.
Задачей авторов изобретения является разработка способа регулирования газовой среды в контейнере, содержащем газообразные горючие или токсичные вещества, для обеспечения безопасности газовой среды и экологической безопасности окружающей среды.
Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого способа, заключается в обеспечении безопасности и экологической чистоты окружающей среды за счет повышения надежности предотвращения риска возгорания, взрыва или выхода токсичных газообразных продуктов в атмосферу.
Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в отличие от известного способа регулирования газовой среды в контейнере, содержащем газообразные горючие вещества, включающего создание инертной атмосферы с использованием инертного газа, выдерживание контейнера до установления безопасного содержания горючего газообразного вещества, согласно предлагаемому способу контейнер, снабженный съемной крышкой, помещают в герметичный сосуд, затем в свободное пространство, образовавшееся между стенками герметичного сосуда и контейнером, погружают шарик, заполненный гелием и снабженный грузом, массу которого подбирают так, чтобы шарик, заполненный гелием, с грузом находился во взвешенном состоянии в аргоне, затем в свободное пространство между стенками герметичного сосуда и контейнером подают аргон для вытеснения воздуха до момента, когда шарик, заполненный гелием и снабженный грузом, поднимется до границы съемной крышки и горловины контейнера, продолжают подачу аргона и одновременно приоткрывают съемную крышку контейнера на высоту h=Δ, достаточную для выпуска излишка горючих или токсичных газообразных продуктов из контейнера в герметичный сосуд с аргоном, после чего фиксируют съемную крышку над горловиной контейнера посредством проставок, выдерживают ее в таком положении в течение времени τ, которое определяют на основании математической формулы:
<mrow><mi>τ</mi><mo>≥</mo><mn>1,2</mn><mfrac><mrow><mi>W</mi><mi>δ</mi></mrow><mrow><mi>D</mi><mo>∗</mo><mi>F</mi></mrow></mfrac><mi>ln</mi><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mrow><mo>[</mo><mi>C</mi><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>
3
где W - объем газового пространства контейнера, м;
δ - толщина стыка крышки и горловины контейнера, м;
2
D - коэффициент диффузии газообразного горючего компонента в воздухе, м/с;
3
F - площадь зазора между съемной крышкой и горловиной контейнера, м: F=LΔ;
Δ - величина зазора между съемной крышкой и горловиной контейнера, м
0
C - концентрация горючего газообразного компонента, % об.;
[C] - предельно допустимое значение концентрации горючего газообразного компонента, % об.;
Предлагаемый способ поясняется следующим образом.
На фиг.1 представлено устройство, на котором реализован данный способ, где 1 - контейнер, 2 - горловина контейнера, 3 - съемная крышка, 4 - проставки для регулирования высоты подъема съемной крышки, 5 - сосуд, 6 - трубопровод для подачи инертного газа, 7 - шарик, 8 - груз.
В контейнере 1 содержится горючий газ, который может накапливаться при выделении из материалов, находящихся в контейнере (например, полимеры, содержащие пары органических жидкостей, бензол, толуол, ксилол и т.п.).
Во избежание риска возгорания газа при проведении работ с контейнером, в предлагаемом способе контейнер 1 помещают в герметичный сосуд 5, снабженный трубопроводом 6 для подачи аргона. Предварительно подготавливают резиновый шарик 7, который заполняют гелием. К шарику прикрепляют груз 8, массу которого подбирают таким образом, чтобы шарик, заполненный гелием, с грузом находился во взвешенном (равновесном) состоянии в среде аргона. Шарик 7 с грузом 8 размещают в свободное пространство между стенками герметичного сосуда 5 и контейнером 1. Далее через трубопровод 6 включают подачу аргона, в результате чего происходит вытеснение воздуха из пространства между сосудом 5 и контейнером 1. По мере вытеснения воздуха шарик 7 будет подниматься. Его подъем на высоту до границы съемной крышки и горловины контейнера будет указывать на отсутствие в этой зоне воздуха и наличие в ней аргона. После достижения данного состояния съемная крышка 3 контейнера 1 поднимется за счет установки проставок 4, обеспечивающих зазор Δ между крышкой 3 и горловиной 2 контейнера 1. Выдержку контейнера 1 в сосуде с непрерывной подачей аргона производят в течение времени τ, определяемого по формуле 1.
Использование шарика, заполненного гелием, с грузом для определения момента вытеснения воздуха из пространства между сосудом и контейнером позволяет упростить процесс регулирования газовой среды без привлечения сложных систем контроля, повысить надежность предотвращения риска возгорания, взрыва или выхода токсичных газообразных (при их наличии) продуктов в атмосферу.
Как это показали экспериментальные исследования, при использовании предлагаемого способа обеспечивается безопасность и экологическая чистота окружающей среды за счет повышения надежности предотвращения риска возгорания, взрыва или выхода токсичных газообразных продуктов в атмосферу.
Возможность промышленной реализации предлагаемого способа подтверждается следующим примером.
Пример 1. В лабораторных условиях предлагаемый способ опробован на опытном образце устройства, изображенного на фиг.1, в качестве которого использован металлический контейнер цилиндрической формы, имеющий следующие характеристики:
- высота внутренней полости: h=1620 мм;
- диаметр внутренней полости контейнера 1 d=782 мм;
- толщина стыка крышки 3 и горловины 2 δ=40 мм.
0
Температура при проведении эксперимента составляла 21°C. В контейнере, первоначально заполненном воздухом, была создана начальная концентрация водорода C=6,6% об., превышающая нижний предел воспламенения данного газа в воздухе, равный [C]=4,12% об. Контейнер поместили в сосуд, снабженный трубопроводом для подачи аргона. Предварительно был подготовлен резиновый шарик, заполненный гелием. К шарику прикрепили груз, массу которого подобрали таким образом расположения стыка крышки контейнера м, чтобы шарик с грузом в среде аргона находился в равновесном состоянии. Шарик с грузом разместили в пространстве между сосудом и контейнером. Затем через трубопровод начали подачу аргона. Поскольку плотность аргона больше плотности воздуха, начался процесс вытеснения воздуха из пространства между сосудом и контейнером. По мере вытеснения воздуха шарик начал подниматься. После подъема шарика на высоту, соответствующую зоне расположения стыка крышки контейнера и горловины, отстыковали крышку от контейнера и установили на проставки высотой Δ=80 мм, создав тем самым зазор между крышкой и горловиной, равный 80 см. После этого, не прекращая подачу аргона, провели выдержку контейнера в сосуде в течение времени, рассчитанного по формуле (1) при следующих значениях параметров:
3
- объем газового пространства контейнера W=0.539 м;
- толщина стыка крышки и горловины контейнера δ=40 мм;
- длина стыка крышки с горловиной контейнера L=2,111 м;
- высота проставок Δ=80 мм;
2
- площадь зазора между крышкой и горловиной контейнера F=LΔ=0,169 м;
дифф
-5
2
- коэффициент диффузии водорода в воздухе при температуре 21°C CD=7,4*10 м/с;
0
- начальная концентрация водорода в контейнере C=6,6% об.;
- допустимое значение концентрации водорода в контейнере [C]=4,12% об.
Расчетное время выдержки согласно формуле (1) составило 15,2 мин. Фактически выдержка продолжалась 15,5 мин. После завершения выдержки был проведен анализ пробы газовой среды из полости контейнера на содержание водорода. Согласно результатам анализа, содержание водорода составило 3,8% об.
Выполнение указанных выше операций позволило обеспечить дальнейшее безопасное обращение с контейнером, во внутреннем объеме которого первоначально имелась пожароопасная газовая среда.