Патент на изобретение №2344073

(54) ТЕРМОВАКУУМНАЯ КАМЕРА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ФОСФОРНОГО ШЛАМА (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Изобретение относится к экологически безопасной и экономически выгодной утилизации фосфорных шламов при помощи устройства для их термической обработки. Термовакуумная камера для утилизации фосфорного шлама содержит герметичный корпус, установленный на мобильной платформе, внутри которого расположена рабочая камера, установленная при помощи опор, с образованием между ними вакуумных отсеков. Рабочая камера имеет нагревательные элементы. Термовакуумная камера имеет отверстие – люк в рабочую камеру, герметично закрывающийся крышкой, вокруг которой выполнены сквозные отверстия для рукавов вакуумного насоса. Термовакуумная камера по второму варианту состоит из двух разъемных частей, соединенных между собой с возможностью раскрытия внутреннего пространства термовакуумной камеры для установки в нее утилизируемых отходов в таре их хранения. Источником питания для нагревательных элементов является электроэнергия или производимый гидроэнергогенератором водяной пар. Термовакуумная камера может быть снабжена теплообменным гидровакуумным блоком, который крепится на внешней поверхности корпуса термовакуумной камеры и содержит тонкостенную емкость прямоугольной формы небольшой толщины, внутри которой расположен кассетный накопитель для поступления газообразного фосфора из термокамеры. Термовакуумная камера может включать аварийный нейтрализатор, содержащий емкость с известковой водой. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к устройствам для утилизации фосфорных отходов, образующихся из шламовых остатков при производстве и реализации белого (желтого) фосфора и может быть использовано в производстве, отходами которого являются фосфорные шламы, например при производстве фосфорной кислоты.

Шламовые отходы, содержащие белый фосфор, относятся к категории сильнодействующих ядов [Глинка Н.Л. Общая химия / Под ред. В.А.Рабиновича. – Л.: Химия, 1974. – С.414-415] [1]. Опасность скопления такого рода отходов заключается в большой вероятности их воспламенения и обширного загрязнения окружающей среды.

Известные способы утилизации фосфорного шлама предлагают использовать его в качестве фосфоросодержащего сырья для производства фосфористой кислоты [Патент 2096318 RU, МПК⁶ С01В 25/16, С01 В 25/163. Способ получения фосфористой кислоты / Бутенко Ю.В. и др.; Рос.хим. – технол. ун-т им. Д.И.Менделеева. – №94045417; заявл. 14.12.1994 г.; опубл. 20.11.1997 г.] [2].

Известна технология переработки фосфорного шлама, образующегося при производстве фосфора электротермическим способом [Патент 2074112 RU, МПК⁶ С01 В 25/20. Способ получения фосфорной кислоты / Назаров Е.А., Назарова С.А.; – 94039838/26, заявл. 25.10.1994 г.; опубл. 27.02.1997 г.] [3].

Известно устройство для утилизации ядовитых веществ, содержащих фосфор, имеющее камеру [Патент 2146567 RU, МПК⁷ В09В 5/00. Способ утилизации органических соединений и устройство для его осуществления / Эдуард Буцетцки (AT); Франц Ховорка (AT). – №96104465/28; заявл. 06.03.1996 г.; опубл. 20.03.2000 г.] [4].

При помощи известного устройства возможна утилизация веществ, которые содержат галогены, фосфор, серу, а также атомы металлов, таких как ртуть, мышьяк и т.п.

Заявляемое техническое решение создано в связи с проблемой возгорания фосфорного шлама, хранившегося в количестве 420 тонн на территории обанкротившегося ОАО «Содовый завод» в г.Донецке (Украина).

Задачей предлагаемого изобретения является безопасное обезвреживание отходов производства фосфорной кислоты – фосфорного шлама, с преобладанием в нем белого (желтого) фосфора. Указанные отходы скапливаются в значительных количествах на предприятиях из шламовых остатков, образующихся после опустошения емкостей с техническим белым (желтым) фосфором. Количество данных остатков при реализации фосфора в качестве промышленного продукта контролируется ГОСТом, согласно которому оно не должно превышать 15-20 сантиметров от общей высоты стандартной тары. Еще одним источником опасных фосфоросодержащих шламов являются заброшенные обанкротившиеся предприятия, ранее занимавшиеся производством продукции, сырьем для которой служил желтый фосфор и на территории которых хранится значительное количество отходов, содержащих довольно высокий процент фосфора.

В связи с этим промышленные химические отходы представляют большую угрозу нарушения экологического равновесия региона, создают опасность заражения различных природных сред – воздушной, водной, а также заражения грунта. Фосфорные отходы или фосфоросодержащие вещества, наиболее активно вступающие в химическую реакцию, на предприятиях принято хранить в емкостях, чаще всего изготовленных из непригодной для этих целей нержавеющей стали. Существующие методы утилизации стоят дорого. Доставка к месту переработки также не малая проблема. Во-первых, цена вывоза такого рода веществ является затратной, во-вторых, сама перевозка столь активного вещества может закончиться непредвиденной ситуацией. Например, аварией, причиной которой может оказаться резкий перепад температуры, давления, влажности и т.д.

Белый фосфор является сильнодействующим ядовитым веществом (СДЯВ), наиболее трудно поддающимися хранению и утилизации, обладает большим радиусом поражения. Несмотря на то что он встречается не слишком часто, так как основной промышленностью, используемой его в качестве исходного сырья, является военная промышленность, даже небольшое количество скопившегося вещества представляет потенциальную угрозу экологической катастрофы регионального или государственного масштаба. Существует почти стопроцентная вероятность образования фосфорного ангидрида – производного при реакции фосфора с воздухом. Фосфорный ангидрид – бело-пенистое вещество, жадно поглощающее и отнимающее у воздуха влагу, именно это свойство использовалось во времена второй мировой войны при изготовлении воздушных бомб. Способность распространяться на дальние расстояния делает его смертоносным для растительных и животных организмов.

Поставленная задача требует индивидуального подхода к проблеме и нестандартного решения.

Предлагаемое техническое решение по утилизации белого фосфора не только дает возможность свести на нет возникновение оксида фосфора, но и получить пригодное к промышленному потреблению вещество, к примеру красный фосфор, основными потребителями которого являются производители спичек, металлургическая и фармацевтическая промышленности, военная промышленность.

Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение вредного воздействия опасных отходов на окружающую среду при снижении материальных затрат на утилизацию ядовитых фосфоросодержащих отходов.

Технический результат достигается при помощи устройства, представляющего собой герметичный корпус в виде прямой четырехугольной призмы, установленный боковой плоскостью на мобильной платформе и жестко соединенный с ней. Внутри герметичного корпуса расположена рабочая камера, установленная в центре корпуса при помощи опор, соединяющих внешний корпус рабочей камеры и внутреннюю поверхность указанного выше герметичного корпуса с образованием между ними вакуумных отсеков. На внутренней поверхности рабочей камеры расположены нагревательные элементы, например ТЭНы. В нижней части рабочей камеры установлен поддон с возможностью выдвижения его из рабочей камеры и возврата в камеру. Один из торцов герметичного корпуса выполнен разъемным в виде заслона для обеспечения загрузки перерабатываемого сырья и выгрузки целевого продукта, а также для возможной аварийной очистки вакуумных отсеков в случае крайне высокого уровня их загрязнения в процессе эксплуатации термовакуумной камеры.

Указанный выше заслон крепится к корпусу при помощи, например, навесов и замков. В центральной части заслона расположена крышка, открывающая отверстие – люк в рабочую камеру, снабженная механизмом для ее открывания. Указанная выше крышка выполнена плотно закрывающей отверстие – люк в рабочую камеру и крепится к заслону одной стороной при помощи навесов. В заслоне, вокруг указанной выше крышки, выполнены сквозные отверстия с расположенными в них герметичными закрывающими устройствами. Отверстия служат для удаления воздуха из вакуумных отсеков при помощи вакуумного насоса.

Опоры, обеспечивающие положение рабочей камеры в центре корпуса, имеют вид металлических пластин.

Механизм для открывания отверстия – люка в рабочую камеру состоит из двигателя, установленного на верхней наружной поверхности герметичного корпуса, катушки для троса, соединенной с двигателем посредством приводных ремней, опоры для катушки, швеллера с роликом.

Заявляемое устройство снабжено теплообменным гидровакуумным блоком, который крепится на одной из внешних поверхностей герметичного корпуса термовакуумной камеры. Гидровакуумный блок состоит из внешнего корпуса, представляющего собой тонкостенную емкость прямоугольной формы небольшой толщины, внутри которой расположен кассетный накопитель, имеющий форму внешнего корпуса, но меньшего размера. Пространство между корпусом и накопителем предназначено для создания вакуума. На верхней грани обеих емкостей расположена пластина с тремя отверстиями для труб. Пластина выполняет роль герметизирующей крышки и имеет разъемные соединения с кассетным накопителем и с внешним корпусом. Одно из отверстий в пластине предназначено для поступления газообразного фосфора из термокамеры в кассетный накопитель, другое – для подачи воды из резервуара, которым может быть оснащен гидровакуумный блок. Отверстие, расположенное в пространстве между внешним корпусом и кассетным накопителем, соединено с установкой для создания вакуума.

Источником питания для нагревательных элементов рабочей камеры является электроэнергия.

Источником питания для нагревательных элементов рабочей камеры является водяной пар, образующийся в гидроэнергогенераторе, состоящем из двух емкостей, нижней и верхней, с отверстиями для труб, снабженных клапанами и насосами. В нижней емкости расположена печь – топка для сжигания отходов с установленным внутри в центральной ее части котлом-накопителем водяного пара. Печь-топка снабжена термодатчиками, датчиками контроля содержания кислорода в печи-топке и датчиками давления. Верхняя емкость расположена над нижней и соединена с ней при помощи клапана для возврата воды в котел-накопитель. В верхней части котла накопителя имеются отверстия для труб, одна из которых предназначена для подачи воды в котел-накопитель, другая – для трубы выхода водяного пара в систему нагревательных элементов рабочей камеры. Гидроэнергогенератор может быть установлен в одном или более вакуумных отсеках термовакуумной камеры.

Труба для выхода водяного пара в систему нагревательных элементов рабочей камеры может быть составлена из отдельных элементов, соединенных между собой при помощи, например, резьбового соединения. Каждый указанный выше отдельный элемент состоит из внешней, изоляционной трубы и соосно установленной внутри нее при помощи опор рабочей трубы. Опоры могут быть выполнены из низкотеплопроводного материала в виде небольших брусков, обеспечивающих надежную точечную фиксацию рабочей трубы внутри изоляционной. Изоляционная труба имеет сквозное отверстие – выступ для создания вакуума в пространстве между указанными выше трубами.

Достижение технического результата осуществляют также при помощи термовакуумной камеры, содержащей герметичный корпус в виде прямоугольной призмы, состоящей из двух равных разъемных частей, соединенных гранями между собой с одной стороны с возможностью раскрытия внутреннего пространства термовакуумной камеры. Внутри корпуса, в центральной его части, установлена при помощи опор разъемная рабочая камера с образованием между внешней поверхностью рабочей камеры и внутренними стенками корпуса вакуумных отсеков. На внутренней поверхности каждой из двух частей рабочей камеры расположены нагревательные элементы. Основание корпуса с размещенной внутри рабочей камерой и вакуумными отсеками установлено на мобильную платформу с обеспечением их герметичности. Мобильная платформа снабжена механизмом раздвигания и закрытия половинок камеры при проведении рабочего процесса. Корпус с рабочей камерой закрыт сверху плитой, установленной на четыре опоры-колонны, основания которых закреплены на мобильной платформе по ее четырем углам. Между плитой и верхними торцевыми гранями корпуса и рабочей камеры установлены герметизирующие устройства в виде, например, уплотняющих прокладок. Указанная выше плита выполнена со сквозными отверстиями, количество и расположение которых соответствует количеству и расположению вакуумных отсеков. Еще одно или несколько отверстий обеспечивают доступ соответствующего количества шлангов вакуумного насоса в рабочую камеру. Указанные выше отверстия предназначены для создания вакуума в вакуумных отсеках и снабжены для герметизации закрывающими их устройствами. Термовакуумная камера снабжена вакуумным насосом, закрепленным на внешней поверхности указанной выше плиты.

Механизм раздвигания половинок камеры выполнен в виде дискового переводного механизма, состоящего из двух дисков, расположенных внутри мобильной платформы, с возможностью вращения их в противоположных направлениях. Механизм раздвигания включает два двигателя, установленных на внутренней поверхности нижней части мобильной платформы и соединенных с центрами указанных двух дисков двумя приводящими валами. Указанные диски и каждая разъемная часть термовакуумной камеры соединены при помощи вертикальных штырей, установленных каждый в свою борозду в верхней части платформы. При закрывании камеры обеспечивается ее герметичность

Источником питания для нагревательных элементов рабочей камеры, выполненной по второму варианту, является электроэнергия или приведенный в описании выше гидроэнергогенератор, энергоносителем которого является водяной пар, образующийся при сжигании промышленного и бытового мусора.

Изложенный выше вариант конструкции термовакуумной камеры позволяет утилизировать опасные фосфорные отходы в таре их безопасного хранения – бочках «вечного хранения».

Термовакуумная камера может быть укомплектована аварийным нейтрализатором, состоящим из корпуса, внутри которого в верхней его части расположен распылитель для известкового раствора, соединенный с емкостью для этого раствора. В нижней суженной части емкости находится перекрывающий кран, а в верхней части имеется отверстие для залива в него известкового рабочего раствора. Корпус аварийного нейтрализатора имеет в верхней части отверстие для установки трубы, предназначенной для поступления паров фосфора из термовакуумной камеры, а в нижней части корпуса расположено отверстие для удаления воды и осадка, образованного в результате реакции взаимодействия паров фосфора и рабочего раствора.

На Фиг.1-12 представлены варианты выполнения термовакуумной камеры и схемы устройств, необходимых для ее работы.

Фиг.1 – общий вид термовакуумной камеры при ее горизонтальном исполнении с обеспечением рабочего процесса при помощи электроэнергии (вариант 1).

Фиг.2 – поперечный разрез камеры, представленной на Фиг.1.

Фиг.3 – схема процесса удаления воздуха из вакуумных отсеков термовакуумной камеры при ее горизонтальном исполнении,

Фиг.4 – схема процесса ввода в камеру (вариант 1) перерабатываемого сырья.

Фиг.5 – общий вид теплообменного гидровакуумного блока.

Фиг.6 – схема поперечного разреза гидроэнергогенератора для работы термовакуумной камеры для утилизации фосфорных отходов.

Фиг.7 – отдельный элемент трубы для выхода водяного пара в систему нагревательных элементов рабочей камеры, выполненный с продольным разрезом.

Фиг.8 – разрез А-А элемента, приведенного на Фиг.7.

Фиг.9 – общий вид термовакуумной камеры при ее вертикальном исполнении (вариант 2).

Фиг.10 – рабочая часть термовакуумной камеры (вариант 2) в раскрытом виде.

Фиг.11 – конструкция механизма раздвигания разъемных частей термовакуумной камеры (вариант 2).

Фиг.12 – схема аварийного нейтрализатора.

Устройство по варианту 1 (Фиг.1) содержит герметичный корпус 1 в виде прямой четырехугольной призмы. Корпус 1 установлен одной из боковых плоскостей на мобильной платформе 2 и жестко соединен с ней. Рабочая камера 3 (Фиг.2) установлена внутри герметичного корпуса 1 в его центре при помощи опор 4, соединяющих внешний корпус рабочей камеры 3 и внутреннюю поверхность указанного выше герметичного корпуса 1 с образованием между ними вакуумных отсеков 5. Опоры 4 имеют вид металлических пластин. На внутренней поверхности рабочей камеры 3 расположены нагревательные элементы 6, например ТЭНы. На нижней поверхности рабочей камеры 3 над нагревательными элементами 6 установлен поддон 7 с возможностью выдвижения его из рабочей камеры 3 и возврата в нее. На одном из торцов герметичного корпуса 1 расположен заслон 8 для возможной аварийной очистки вакуумных отсеков. Заслон 8 крепится к корпусу 1 при помощи, например, навесов 9 и замков 10. Заслон 8 в центральной части имеет крышку 11, которая обеспечивает доступ в рабочую камеру 3. Крышка 11 выполнена плотно закрывающей отверстие – люк в рабочую камеру 3 и крепится к заслону 8 при помощи навесов 12 и замка 10а. Крышка 11 снабжена механизмом для ее открывания, который включает двигатель 13, установленный на верхней наружной поверхности герметичного корпуса 1, катушку 14 для троса, соединенную с двигателем 13 посредством приводных ремней 15, трос 16, опоры 17 для катушки 14, швеллер 18 с роликом 19.

В заслоне 8 вокруг крышки 11 выполнены сквозные отверстия 20 с расположенными в них герметичными закрывающими устройствами 21. Отверстия 20 служат для удаления воздуха из вакуумных отсеков и количество их соответствует количеству вакуумных отсеков 5.

Удаление воздуха из вакуумных отсеков 5 осуществляют при помощи вакуумного насоса 22 (Фиг.3), устройства-распределителя 23 и связанных с ним рукавов 24, противоположные концы которых соединяют с отверстиями 20 вакуумных отсеков.

При загрузке большого количества отходов, занимающих практически весь объем рабочей камеры 3, создания вакуума в ней не требуется.

Устройство может быть снабжено теплообменным гидровакуумным блоком (Фиг.5), который может крепиться на одной из внешних поверхностей герметичного корпуса 1 термовакуумной камеры (Фиг.1). Гидровакуумный блок (Фиг.5) состоит из внешнего корпуса 25 в виде тонкостенной емкости прямоугольной формы небольшой толщины, внутри которой расположен кассетный накопитель 26, форма которого подобна форме внешнего корпуса 25, но имеет меньший размер. Пространство между корпусом 25 и накопителем 26 предназначено для создания вакуума. На верхней грани обеих емкостей расположена съемная пластина-крышка 27. Пластина-крышка 27 герметично закрывает емкости 25 и 26 и имеет отверстия для труб. Одно из отверстий в пластине предназначено для ввода трубы 28, по которой поступает газообразный фосфор из термокамеры в кассетный накопитель 26. Через другое отверстие по трубе 29 подается вода из резервуара 30, которым может быть оснащен гидровакуумный блок. Труба 31, соединенная с отверстием, расположенным в пространстве между внешним корпусом 25 и кассетным накопителем 26, служит для создания вакуума в этом пространстве.

При оснащении термовакуумной камеры гидровакуумным блоком (Фиг.5) в герметичном пространстве рабочей камеры 3 предусматривают отверстие с клапаном 32 для выводящей пары трубы 28.

При применении нагревательных элементов 6 рабочей камеры 3, работающих на электроэнергии, термовакуумная камера содержит необходимое для этого оборудование, том числе, электрокабель 33.

В качестве источника питания для нагревательных элементов 6 рабочей камеры 3 возможно использование пара из гидроэнергогенератора (Фиг.6), состоящего из двух соединенных между собой емкостей, нижней 34 и верхней, представляющей собой бак-конденсатор 35. В нижней емкости 34 расположена печь – топка 36 для сжигания отходов. Внутри печи-топки 36 установлен котел-накопитель 37 водяного пара. Печь-топка 36 снабжена устройствами для поджигания поступаемого топлива 38, термодатчиками 39, датчиками контроля содержания кислорода 40 в печи-топке 36 и датчиками давления 41. Бак-конденсатор 35 установлен над котлом-накопителем 37 водяного пара при помощи опоры 42 и соединен с котлом-накопителем 37 своей нижней более узкой частью в виде отверстия – трубы, снабженной клапаном 43 для возврата воды в котел-накопитель 37. Опора 42 расположена по периметру бака-конденсатора и выполнена в виде металлических пластин или стержней. Емкость 34 и бак-конденсатор 35 имеют технологические отверстия для труб, снабженных клапанами и насосами. В верхней части котла-накопителя 37 водяного пара расположены отверстия, одно из которых предназначено для трубы 44, по которой водяной пар из котла-накопителя 37 поступает в спирали нагревательных элементов 6 рабочей камеры 3. У выхода трубы 44 из котла-накопителя 37 расположен термодатчик 39а. Другое отверстие предназначено для трубы 45, используемой для залива воды в котел-накопитель 37. Труба 45 имеет ответвление 46 для откачивания воздуха перед подачей воды. В верхней части бака-конденсатора 35 имеется отверстие для трубы 47 для возврата водяного пара из спирали нагревательных элементов 6 в бак-конденсатор 35. Печь-топка 36 имеет две трубы 48 для подачи в нее топлива – отходов. Труба 49, входящая в печь-топку 36, осуществляет подвод воздуха, выход очищенного пара происходит через ответвление 50 той же трубы, снабженное фильтром 51 очистки выходящего газа. В нижней части печи-топки 36 расположен контейнер 52 для сбора твердых частиц продуктов горения, оснащенный трубой 53 и насосами 54 для забора твердых частиц продуктов сгорания, образующихся в результате работы. Контейнер 52 имеет выход 55 для удаления указанных выше продуктов сгорания. Гидроэнергогенератор может быть установлен в одном или более вакуумном отсеке 5 термовакуумной камеры.

Труба 44 для выхода водяного пара в систему нагревательных элементов 6 рабочей камеры 3 может быть составлена из отдельных элементов, соединенных между собой при помощи, например, резьбы. Каждый указанный выше отдельный элемент (Фиг.7, 8) состоит из внешней изоляционной трубы 44а и соосно установленной внутри нее при помощи опор 56 рабочей трубы 57. Опоры 56 представляют собой отдельные небольшие бруски из низкотеплопроводного материала и обеспечивают надежную точечную фиксацию рабочей трубы 57 внутри изоляционной 44а. Изоляционная труба имеет сквозное отверстие-выступ 58 для создания вакуума в пространстве между указанными выше трубами 44а и 57. Для получения трубы 44 из описанных выше отдельных элементов с торцевых сторон рабочей трубы 57 предусмотрены внешняя резьба 59 и внутренняя резьба 60. Аналогичным образом может быть смонтирована труба 45 для залива воды в котел-накопитель. В этом случае практически не происходит потери температуры воды, поступающей в котел-накопитель 37, при ее транспортировке.

Работа термовакуумной камеры происходит следующим образом. Вначале проводят процесс удаления воздуха из вакуумных отсеков 5 через отверстия 20 в герметичном заслоне 8 с помощью, например, водокольцевого вакуумного насоса 22, коробки распределителя 23 и восьми отсековых рукавов 24, подсоединенных к отверстиям 20 (Фиг.3.). Затем начинают загрузку рабочей камеры 3 фосфорными отходами, заключенными в нейтральную, легко распадающуюся при воздействии повышенных температур упаковку. Для этого открывают крышку 11 отверстия – люка в рабочую камеру 3 при помощи специального механизма (Фиг.4). При этом при помощи двигателя 13 приводят в движение катушку 14 с тросом 16, проходящим через вспомогательный ролик 19, закрепленный на длинном швеллере 18. Трос 16, наматывающийся в результате вышеуказанных действий на катушку, поднимает крышку 11, приваренную к нему. При поднятии крышки 11 из внутреннего пространства рабочей камеры 3 выдвигается поддон 7, на который укладывают упаковки с отходами, нуждающимися в переработке. Поддон 7 задвигают в рабочую камеру, крышку 11 при помощи указанного выше механизма опускают, проверяют плотное прилегание ее к краям закрываемого отверстия и замыкают. После процесса загрузки включают спирали нагревательных элементов 6 и доводят температуру в рабочей камере 3 до 255-260°С.

При постепенном повышении температуры нейтральная упаковка плавится, освобождая фосфорные отходы (фосфорный шлам, содержащий белый фосфор). При достижении внутри термовакуумной камеры температуры более 260°С проводят отключение части нагревательных устройств. Это необходимо, потому что при переходе белого фосфора в красную форму выделяется большое количество тепла, используя которое можно с успехом продолжить процесс утилизации. После отключения части тэнов проводят постоянное слежение за температурным режимом внутри рабочей части 3 при помощи датчиков температурного контроля.

После завершения процесса температурной обработки отходов, продолжительность которой составляет 35-60 часов, проводят полное выключение нагревательных элементов 6 и подъем крышки 11 люка с помощью описанного выше механизма для открывания камеры. Полученный продукт снимают с выдвинутого из рабочей камеры поддона 7, отделяют целевой продукт (красный фосфор), упаковывают и отправляют по назначению.

Для обеспечения безопасной работы термовакуумной камеры и получения сопутствующего продукта (технического желтого фосфора) термовакуумная камера может быть снабжена теплообменным гидровакуумным блоком, который устанавливают в доступной близости от основного устройства.

Теплообменный гидровакуумный блок может быть закреплен на внешней стороне герметичного корпуса 1 термовакуумной камеры при помощи соответствующего крепления (Фиг.1).

При создании в рабочей камере оптимального технологического температурного режима (около 256°С) пары фосфорного шлама (белый фосфор и сопутствующие вещества) начинают скапливаться в закрытом объеме камеры и далее под давлением воздействуют на клапан 32, установленный в отверстии верхней части рабочей камеры. Под воздействием достаточного давления клапан открывается и насыщенный газообразный фосфор следует по проведенной от клапана трубе 28 в кассетный накопитель 26 теплообменного гидровакуумного блока. В этом блоке пары фосфора, постепенно остывая, конденсируются и превращаются в аморфное вещество – восстановленный технический воскообразный желтый фосфор. После окончания процесса восстановления в кассетный накопитель 26 по трубе 29 подают воду из резервуара 30 для защиты образованного фосфора от окисления воздухом. Безопасность при проведении процесса осаждения обеспечивают также созданием вакуумного пространства между кассетным накопителем 26 и внешним корпусом 25. Затем кассетный накопитель 26 с полученным продуктом, залитым для безопасности водой, освобождают от труб, закрывая герметично отверстия, вынимают из внешнего корпуса и транспортируют по назначению.

Применение описанного выше устройства позволяет получить из образовавшегося в термовакуумной камере во время утилизации фосфорного шлама пара белого фосфора, относительно чистый промышленный желтый фосфор, тем самым, обезопасив устройство от возможного взрыва, вызванного большим скоплением насыщенного фосфорного пара внутри него.

Работа гидроэнергогенератора происходит следующим образом.

Вначале приводят в действие вакуумный насос, присоединенный к трубе 46, и удаляют воздушную массу из котла-накопителя 37. После удаления воздуха из котла-накопителя 37 в него заливается вода, объем которой составляет не более трети объема котла-накопителя. Одновременно или последовательно затем загружают в печь-топку 36 способные гореть промышленные и бытовые отходы через трубы 47 и воспламеняют их при помощи устройства для поджигания 38. Печь-топка 36 сообщает тепловую энергию котлу-накопителю 37, нагревая его, что приводит к закипанию воды. Когда температура пара в котле-накопителе достигает 260 – 270°С, датчик 39а, расположенный у выхода трубы 44, подает сигнал, открывают клапан для выпуска горячего пара, который по трубе 44 поступает в полые спирали нагревательных элементов 6 рабочей камеры 3. Необходимую для осуществления технологического процесса температуру в рабочей камере 3 контролируют при помощи термодатчиков. При падении температуры в нагревательных элементах 6 ниже 200°С включают насос и водяной пар с конденсатом из нагревательных элементов перемещают по трубе 47 в бак-конденсатор 35 Освобожденные нагревательные элементы 6 снова заполняют водяным паром необходимой для проведения процесса температуры. Для этого в котел-накопитель 37 при необходимости подают другую порцию воды. Получаемую в баке-конденсаторе 35 воду через клапан 43 также возвращают в котел-накопитель 37 для достижения водяным паром необходимой температуры для обеспечения непрерывного процесса. Образовавшиеся в результате горения сжигаемых отходов газы очищают при помощи фильтра 51, а образующиеся твердые отходы при помощи насосов 54 и труб 53 собирают в контейнер 52, из которого их удаляют через предусмотренный для этого выход 55.

Термовакуумная камера по второму варианту (Фиг.9) содержит герметичный корпус в виде прямоугольной призмы, состоящий из двух равных разъемных частей 1а и 1б, установленный основанием на мобильную платформу, имеющую верхнюю 2а и нижнюю 2б части. Указанные выше части 1а и 1б герметичного корпуса 1 соединены между собой с возможностью раскрытия внутреннего пространства термовакуумной камеры и ее закрытия. Внутри каждой части 1а и 1б корпуса установлены половинки 3а и 3б рабочей камеры при помощи опор 4, которые являются одновременно перегородками для вакуумных отсеков 5 (Фиг.10). Вакуумные отсеки 5 расположены между внешней поверхностью половинок 3а и 3б рабочей камеры и внутренними стенками частей 1а и 1б корпуса. На внутренней поверхности каждой из двух частей 1а и 1б рабочей камеры расположены нагревательные элементы 6а и 6б, автономные для каждой из указанных выше половинок 3а и 3б рабочей камеры. Разъемные части корпуса и рабочей камеры соединены при помощи устройства 61 (Фиг.10), обеспечивающего движение этих частей относительно друг друга при раскрытии внутреннего пространства рабочей камеры и возврате ее в исходное положение.

Герметичность термовакуумной камеры в закрытом положении также обеспечивается при помощи ограничивающей нижний ее торец поверхностью верхней части 2а мобильной платформы и покрывающей ее верхний торец плитой 62. Плита 62 установлена на четыре опоры-колонны 63, основания которых жестко закреплены на указанной выше мобильной платформе по ее четырем углам, а верхние концы жестко соединены с плитой 62. Опоры-колонны 63 поддерживают плиту 62 при движении соединенных половинок термовакуумной камеры. Между верхней торцевой гранью корпуса и плитой 62 установлены герметизирующие устройства в виде, например, уплотняющих прокладок. Аналогичные герметизирующие устройства предусмотрены также между плитой 62 и торцевой поверхностью рабочей камеры, состоящей из половинок 3а и 3б. Плита выполнена со сквозными отверстиями 64, количество и расположение которых соответствует количеству и расположению вакуумных отсеков. Указанные выше отверстия 64 предназначены для присоединения рукавов 65 от распределяющего устройства 66 вакуумного насоса 67. В плите 62 предусмотрены дополнительно одно или несколько сквозных отверстий для удаления воздуха или иной газообразной смеси из внутреннего пространства рабочей камеры при помощи рукава 80.

Отверстия 64 и дополнительное одно или несколько отверстий снабжены устройствами для герметизации. Вакуумный насос 67 закреплен на внешней поверхности указанной выше плиты 62.

Механизм для раздвигания частей термовакуумной камеры (Фиг.11) состоит из двух двигателей 68, закрепленных на внутренней поверхности днища нижней части 2б мобильной платформы, двух дисков 69, установленных на приводном валу 70 каждого из двигателей 68, и стержней зацепления 71 в виде небольших вертикальных штырей. Стержни зацепления 71 соединяют диски 69 с нижними частями термовакуумной камеры и имеют возможность движения в специальных направляющих бороздах 72, выполненных в верхней части 2а мобильной платформы для раздвигания половинок термовакуумной камеры. Сдвинутые части корпуса 1а и 1б стягивают замком 73. Предусмотрено также крепление устройства на мобильной платформе после закрытия камеры при помощи элементов крепления 74, представляющих собой металлические уголки, приваренные одной стороной к внешним поверхностям частей корпуса 1а и 1б (Фиг.9).

В качестве источника питания для нагревательных элементов 6а и 6б половинок рабочей камеры 3а и 3б может быть электроэнергия или водяной пар, производимый описанным выше гидроэнергогенератором, схема которого приведена на (Фиг.6).

Термовакуумная камера может быть дополнительно снабжена аварийным нейтрализатором (Фиг.12), состоящим из корпуса 75, внутри которого в верхней его части расположен распылитель 76 для известкового раствора, соединенный с емкостью 77 для этого раствора. В нижней суженной части емкости 77 находится перекрывающий кран 78, а в верхней части – отверстие 79 для залива в емкость 77 известкового рабочего раствора. Корпус 75 аварийного нейтрализатора имеет в верхней части отверстие для подведения трубы 80 для поступления паров фосфора из термовакуумной камеры, а в нижней части – отверстие 81 для удаления воды и образованного в результате реакции взаимодействия осадка. Труба 80 предусмотрена в термовакуумной камере (Фиг.9) для вывода удаляемого воздуха или газообразной смеси.

Работа раздвижной термовакуумной камеры по варианту 2 происходит следующим образом.

Вначале проводят осмотр и оценку состояния тары хранения, содержащей нуждающееся в переработке вещество, представляющее собой фосфорные ядовитые отходы. Если требуется герметизация образовавшихся в результате длительного воздействия агрессивных химических соединений в корпусе тары трещин, проводят устранение их с помощью предназначенных для этого веществ.

Затем включают двигатели 68 для приведения в рабочее состояние механизма для раздвигания частей термовакуумной камеры, раскрывают внутреннее пространство рабочей камеры 3 и помещают в него тару с отходами. Половинки 3а и 3б рабочей камеры закрывают и соединение половинок внешнего корпуса 1а и 1б стягивают замком 73. Проверив герметичность внешнего корпуса камеры, дополнительно закрепляют термовакуумную камеру на поверхности верхней части 2а мобильной платформы болтами при помощи уголков 74. Затем включают вакуумный насос 67 для создания вакуума в вакуумных отсеках 5 термовакуумной камеры. Одновременно удаляют воздушную смесь из пространства рабочей камеры, создавая в нем вакуум. При использовании для проведения рабочего процесса электроэнергии подключают к электропитанию нагревательные элементы 6а и 6б.

После проведения процедуры утилизации фосфорно-ядовитых отходов при 255-260°С в течение 30-60 часов с использованием термовакуумной камеры вертикальной загрузки (вариант 2) проводят разводку двух половин 1а и 1б термовакуумной камеры при помощи двигателей 68 и дисковых механизмов 69. Затем производят выемку из рабочей камеры конечного целевого продукта – красного фосфора с последующим удалением его из тары – контейнера или бочки «вечного» хранения для дальнейшего его промышленного использования.

После проведения основной процедуры утилизации при наличии в таре хранения паров красной формы фосфора, регистрируемых датчиками, проводят дополнительную процедуру температурного воздействия на помещенные в камеру отходы в таре хранения в последовательности, описанной выше.

При проведении процесса утилизации осуществляют наблюдение за показаниями датчиков, расположенных в каждом вакуумном отсеке. При резком повышении температуры и обострении химической нагрузки в искусственно созданной среде – вакууме, при признаках вытечки обрабатываемого продукта, находящегося в таре хранения, при появлении паров фосфорных отходов в рабочей камере, при угрозе разрушения корпуса термической камеры процесс нагревания резко прекращают.

При возникновении аварийной ситуации пары фосфора и/или фосфорного ангидрида, проникшие в вакуумные отсеки, принудительно направляют по трубе 80 во внутреннюю полость корпуса 75. При попадании паров фосфора в корпус 75 нейтрализатора открывают кран 78 и известковая вода из емкости 77 через распылитель 76 поступает в полость корпуса 75. В результате взаимодействия происходит гашение опасного химического соединения с образованием безвредного осадка. Полученный осадок, удаленный через отверстие 81, после необходимых анализов может быть применен в агротехнической промышленности в качестве основы для удобрения.

Использование предлагаемой термовакуумной камеры исключает вероятность аварийной утечки, которая может возникнуть при перевозке опасных отходов. Практически полная автономность и мобильность устройства делает возможным переработку и обезвреживание отходов непосредственно в зоне их создания или накопления. В технологии переработки фосфорного шлама с использованием заявляемого устройства учтены основные свойства исходного вещества (в данном случае это белый фосфор) и приняты во внимание все опасные факторы, возможные при обычном хранении такого вида отходов.

Переработка фосфорных отходов с получением преимущественно безвредного сырья (красного фосфора) для использования его в различных отраслях промышленности не только окупает все затраты на изготовление и эксплуатацию термовакуумной камеры, но и дает значимую прибыль, устраняет необходимость в перевозке отходов, исключает возможность загрязнения окружающей среды.

Источники информации

1. Глинка Н.Л. Общая химия / Под ред. В.А.Рабиновича. – Л.: Химия, 1974. – С.414-415.

2. Патент 2096318 RU, МПК⁶ С01В 25/16, С01В 25/163. Способ получения фосфористой кислоты / Бутенко Ю.В. и др.; Рос. хим. – технол. ун-т им. Д.И.Менделеева. – №94045417; заявл. 14.12.1994 г.; опубл. 20.11.1997 г.

3. Патент 2074112 RU, МПК⁶ С01В 25/20. Способ получения фосфорной кислоты / Назаров Е.А., Назарова С.А.; – №94039838/26, заявл. 25.10.1994 г., опубл. 27.02.1997 г.

4. Патент 2146567 RU, МПК⁷ В09В 5/00. Способ утилизации органических соединений и устройство для его осуществления / Эдуард Буцетцки (AT); Франц Ховорка (AT). – №96104465/28; заявл. 06.03.1996 г.; опубл. 20.03.2000 г.

Формула изобретения

1. Термовакуумная камера для утилизации фосфорного шлама, содержащая герметичный корпус в виде прямоугольной призмы, установленный боковой плоскостью на мобильной платформе и жестко соединенный с ней, внутри корпуса в его центре расположена рабочая камера, установленная при помощи опор, соединяющих внешний корпус рабочей камеры и внутреннюю поверхность указанного выше герметичного корпуса с образованием между ними вакуумных отсеков, на внутренней поверхности рабочей камеры расположены нагревательные элементы, на нижней поверхности рабочей камеры установлен поддон с возможностью выдвижения его из рабочей камеры и возврата в камеру, один из торцов герметичного корпуса является разъемным в виде заслона, присоединенного к корпусу при помощи, например, навесов и замков, в центральной части заслона расположена крышка, открывающая отверстие-люк в рабочую камеру, снабженная механизмом для ее открывания, указанная выше крышка крепится к заслону при помощи навесов, в заслоне вокруг указанной выше крышки выполнены сквозные отверстия для рукавов вакуумного насоса, указанные сквозные отверстия снабжены герметичными закрывающими устройствами.

2. Термовакуумная камера для утилизации фосфорного шлама по п.1, отличающаяся тем, что опоры, соединяющие внешний корпус рабочей камеры и внутреннюю поверхность герметичного корпуса, имеют вид металлических пластин.

3. Термовакуумная камера для утилизации фосфорного шлама по п.1, отличающаяся тем, что содержит механизм для открывания отверстия-люка в рабочую камеру, который состоит из двигателя, установленного на верхней наружной поверхности герметичного корпуса, катушки для троса, соединенной с двигателем посредством приводных ремней, опоры для катушки и швеллера с роликом.

4. Термовакуумная камера для утилизации фосфорного шлама по п.1, отличающаяся тем, что снабжена теплообменным гидровакуумным блоком, который крепится на одной из внешних поверхностей герметичного корпуса термовакуумной камеры и состоит из внешнего корпуса, представляющего собой тонкостенную емкость прямоугольной формы небольшой толщины, внутри которой расположен кассетный накопитель, имеющий форму, подобную внешнему корпусу, меньшего размера, между корпусом и накопителем находится пространство для создания вакуума, на верхней грани обеих емкостей расположена пластина с тремя отверстиями для труб, указанная пластина является герметизирующей крышкой и имеет разъемное соединение с кассетным накопителем и с внешним корпусом, одно из отверстий в пластине предназначено для поступления газообразного фосфора из термокамеры в кассетный накопитель, другое – для подачи воды из резервуара, которым может быть оснащен гидровакуумный блок, одно из отверстий, расположенное между внешним корпусом и кассетным накопителем, соединено с установкой для создания вакуума.

5. Термовакуумная камера для утилизации фосфорного шлама по п.1, отличающаяся тем, что источником питания для нагревательных элементов рабочей камеры является электроэнергия.

6. Термовакуумная камера для утилизации фосфорного шлама по п.1, отличающаяся тем, что источником питания для нагревательных элементов рабочей камеры является водяной пар, полученный в гидроэнергогенераторе, состоящем из двух емкостей, нижней и верхней, с отверстиями для труб, снабженных клапанами и насосами, в нижней емкости расположена печь-топка для сжигания отходов с установленным внутри емкости в центральной ее части котлом-накопителем водяного пара, печь-топка снабжена термодатчиками, датчиками контроля содержания кислорода в печи-топке и датчиками давления, верхняя емкость с сужающейся нижней частью расположена над котлом-накопителем и соединена с ним при помощи клапана для возврата воды в него, в верхней части котла-накопителя имеются отверстия для трубы для залива воды в котел-накопитель и для трубы выхода водяного пара в систему нагревательных элементов рабочей камеры.

7. Термовакуумная камера для утилизации фосфорного шлама по п.6, отличающаяся тем, что труба для выхода энергоносителя (водяного пара) в систему нагревательных элементов рабочей камеры составлена из отдельных элементов, соединенных между собой при помощи, например, резьбового соединения, при этом каждый указанный выше отдельный элемент состоит из внешней изоляционной трубы и соосно установленной внутри нее при помощи опор рабочей трубы, опоры представляют собой небольшие детали, например, в виде брусков из низкотеплопроводного материала, изоляционная труба имеет сквозное отверстие-выступ для создания вакуума в пространстве между указанными выше трубами.

8. Термовакуумная камера для утилизации фосфорного шлама по любому из пп.6 или 7, отличающаяся тем, что нагревательные элементы рабочей камеры выполнены в виде полых спиралей.

9. Термовакуумная камера для утилизации фосфорного шлама по п.6, отличающаяся тем, что гидроэнергогенератор может быть установлен в одном или более вакуумных отсеков термовакуумной камеры.

10. Термовакуумная камера для утилизации фосфорного шлама, содержащая герметичный корпус в виде прямоугольной призмы, состоящей из двух равных разъемных частей, соединенных гранями между собой с возможностью раскрытия внутреннего пространства термовакуумной камеры, внутри корпуса в центральной его части при помощи опор установлена разъемная рабочая камера с образованием между внешней поверхностью рабочей камеры и внутренними стенками корпуса вакуумных отсеков, на внутренней поверхности каждой из двух частей рабочей камеры расположены нагревательные элементы, корпус установлен основанием на мобильную платформу, которая снабжена механизмом раздвигания и закрытия половинок камеры, верхний торец корпуса с рабочей камерой закрыт сверху плитой, установленной на четыре опоры-колонны, основания которых закреплены на мобильной платформе по ее четырем углам, при этом между плитой и верхними торцевыми гранями корпуса и рабочей камеры установлены герметизирующие устройства в виде, например, уплотняющих прокладок, в плите выполнены сквозные отверстия с закрывающимися устройствами, количество и расположение которых соответствует количеству вакуумных отсеков, дополнительно одно или несколько сквозных отверстий обеспечивают доступ в рабочую камеру.

11. Термовакуумная камера для утилизации фосфорного шлама по п.10, отличающаяся тем, что снабжена вакуумным насосом, закрепленным на внешней поверхности указанной выше плиты, закрывающей верхний торец корпуса и рабочей камеры.

12. Термовакуумная камера для утилизации фосфорного шлама по п.10, отличающаяся тем, что содержит механизм раздвижения и закрытия половинок камеры в виде дискового переводного механизма, состоящего из двух дисков, расположенных внутри мобильной платформы, с возможностью вращения их в противоположных направлениях, механизм раздвигания имеет два двигателя, установленных на внутренней поверхности нижней части мобильной платформы и соединенных с центрами указанных двух дисков приводящими валами, указанные диски и каждая разъемная часть термовакуумной камеры соединены при помощи вертикальных штырей, установленных каждый в свою борозду в верхней части платформы.

13. Термовакуумная камера для утилизации фосфорного шлама по п.10, отличающаяся тем, что источником питания для нагревательных элементов рабочей камеры является электроэнергия.

14. Термовакуумная камера для утилизации фосфорного шлама по п.10, отличающаяся тем, что энергоносителем для нагревательных элементов рабочей камеры является водяной пар, образующийся в гидроэнергогенераторе, выполненном в соответствии с п.6.

15. Термовакуумная камера для утилизации фосфорного шлама по п.14, отличающаяся тем, что труба для выхода водяного пара в систему нагревательных элементов рабочей камеры составлена из отдельных элементов по п.7, а энергоноситель поступает в нагревательные элементы рабочей камеры, выполненные в виде полых спиралей.

16. Термовакуумная камера для утилизации фосфорного шлама по п.10, отличающаяся тем, что имеет аварийный нейтрализатор, состоящий из корпуса, внутри которого в верхней его части расположен распылитель для известкового раствора, соединенный с емкостью для этого раствора, в нижней суженной части указанной выше емкости находится перекрывающий кран, а в верхней части отверстие для залива в него известкового рабочего раствора, корпус имеет в верхней части отверстие для подведения трубы для поступления паров фосфора из термовакуумной камеры, а в нижней части расположено отверстие для удаления воды и образованного осадка.

РИСУНКИ