Способ очистки топливных баков ракет от остатков горючего несимметричного диметилгидразина

Способ очистки топливных баков ракет от остатков горючего несимметричного диметилгидразина

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к способам уничтожения (нейтрализации) остатков горючего - несимметричного диметилгидразина (НДМГ) в топливных баках баллистических ракет.

В настоящее время известны и описаны следующие способы уничтожения НДМГ, являющиеся аналогами изобретения (1):

1. Очистка топливных баков путем вымывания НДМГ каким-либо растворителем с последующим его сжиганием. Наиболее часто применяющимся растворителем является керосин. В топливные баки подается керосин в количестве приблизительно 30-40 кг на 1 кг НДМГ. Вымывание осуществляют не менее трех раз. Способ является дорогостоящим и не обеспечивает полного вымывания НДМГ, особенно находящегося в металле. Образовавшиеся растворы НДМГ в керосине сжигают. Сжигание осуществляется в установках дожигания, которые полностью НДМГ не уничтожают, что приводит к значительному загрязнению окружающей среды НДМГ и продуктами его неполного окисления. Недостатками описанного способа являются:

- неполное вымывание НДМГ из баков даже после многократных циклов;

- необходимость последующего сжигания раствора НДМГ в керосине в термических агрегатах нейтрализации;

- большие объемы сжигаемого раствора НДМГ в керосине;

- образование в процессе этих операций продуктов разложения НДМГ, в числе которых канцероген - диметилнитрозоамин.

2. Способ вымывания НДМГ из баков водяным паром с последующим сжиганием промывных вод в керосине. Способ проводится в несколько стадий путем вымывания НДМГ водяным паром при температуре около 100°С. Он требует дожигания в керосине больших объемов загрязненной НДМГ воды в термических агрегатах нейтрализации. В процессе использования способа образуются большие количества промывных вод, имеющих высокую степень загрязнения НДМГ. Недостатками описанного способа являются:

- неполное удаление НДМГ из баков даже после многократных пропарок ;

- наличие сложного оборудования и энергетическая дороговизна способа, связанная с прогревом больших количеств воды и подачи пара в баки ракеты;

- длительность осуществления способа (до двух суток на одну ракету);

- необходимость последующего сжигания раствора НДМГ в воде в термических агрегатах нейтрализации;

- большие объемы сжигаемого раствора НДМГ в воде;

- образование в процессе этих операций продуктов разложения НДМГ, в числе которых канцероген - диметилнитрозоамин.

3. Способ вымывания НДМГ с использованием комплексообразующих добавок. Данный способ лучше удаляет НДМГ с поверхностей баков, но также требует последующего уничтожения вод. Ему присущи те же недостатки, что и первым двум аналогам.

4. Способ нейтрализации НДМГ растворами ДТСГК и хлорной извести. В процессе проведения способа полной нейтрализации ни НДМГ ни продуктов его превращения не происходит. Степень уничтожения сильно зависит от условий и достигает 70-80% от исходного количества НДМГ. Частично НДМГ превращается в соли кислот HCl, HClO и др. и впоследствии снова может появиться в технологических смесях и на внутренних поверхностях в виде основания.

5. Способ адсорбционно-каталитического уничтожения НДМГ, который заключается в окислении НДМГ до простейших продуктов - вода, углекислый газ, азот путем его окисления на палладиевых или платиновых катализаторах. Способ является дорогостоящим, требующим сложного и очень дорогого оборудования, которое может выйти из строя при несоблюдении технологических ограничений.

Прототипом изобретения является "Способ очистки топливных баков ракет..., см. патент RU 2046124 C1, C 06 B 47/08, 20.10.1995. Сущность способа заключается в подаче в топливные баки ракет 20% раствора формалина:

Данная операция в избытке формалина приводит к полному уничтожению НДМГ (100% за один цикл обработки, т.к. альдегиды взаимодействуют с НДМГ количественно, очень летучи и способны проникать даже в застойные зоны в топливной системе ракеты). При этом исключается образование в процессе нейтрализации диметилнитрозоамина - самого опасного компонента среди продуктов превращения НДМГ. Вместе с тем в способе не оговорены условия безопасного проведения этой реакции. Величина выделяющегося при этом процессе тепла очень значительна и протекание данной реакции для исключения вскипания НДМГ в зоне реакции следует исключить. Сама реакция должна быть проведена только в атмосфере азота для исключения возможности дальнейшего накопления токсичных продуктов и возможного самовозгорания НДМГ. Второй фазой уничтожения диметилгидразона формальдегида является добавление в баки агента, вызывающего димеризацию диметилгидразона формальдегида в бис-диметилгидразон глиоксаля и полимерную массу:

Таким агентом может быть любая кислота. В способе-прототипе названа сильная кислота - 30% соляная, которая при добавлении в топливные баки помимо димеризации вызывает коррозию топливных баков, их разрушение и образование водорода по реакции с алюминиевыми стенками бака, что крайне нежелательно.

Таким образом, недостатками способа-прототипа являются:

- отсутствие инертной среды (азота) в зоне реакции и возможности вскипания реакционной смеси с последующим возгоранием из-за значительного выделения тепла, возможного присутствия воздуха и отсутствия контроля температуры реакции;

- возможность разрушения алюминиевых топливных баков в процессе добавления соляной кислоты и образования водорода в технологических полостях.

Сущность изобретения заключается в совокупности существенных признаков, которые находятся в причинно-следственной связи и обеспечивают достижение заявляемого результата: быстрого и безопасного способа уничтожения НДМГ, исключающего нарушение герметичности топливных баков, путем его превращения в другие соединения - диметилгидразон формальдегида как промежуточный продукт и бис-диметилгидразон глиоксаля в составе полимерной массы.

Существенными признаками изобретения являются:

- проведение реакции в атмосфере азота при нормальном давлении или повышенном (до 0,3-05 кг/см²) для исключения процессов окисления и самовоспламенения горючего;

- подачу раствора формальдегида осуществляют под контролем температуры, ограничивая ее величину 30-35°С. Температура кипения НДМГ составляет 62°C. Поэтому для исключения вскипания горючего в зоне реакции температуру необходимо ограничивать. Безопасным значением, как было установлено в результате проведения экспериментов, является интервал 30-35°C градусов;

- расход 20% раствора формальдегида должен исключать возможное вскипание НДМГ в зоне реакции и поэтому его подача осуществляется порциями по 200 г в минуту 20% раствора формалина в течение 5 мин. Это количество формалина (200 г) приведет к нейтрализации 400 г НДМГ и в результате реакции выделится 120 г - 6,6 моля воды с энергией 44 кДж/моль. Данной энергии достаточно, чтобы нагреть приблизительно 30 кг (такой цифрой оценивается остаточное количество НДМГ в баках объемом около 10 м³) НДМГ от 0 до 30°С. Дальнейшая подача раствора формальдегида проводится при снижении температуры баков до 20°С. Признаком окончания реакции является отсутствие тепловыделения при добавлении очередной порции раствора формалина;

- димеризующим диметилгидразон формальдегида агентом является уксусная кислота в широком диапазоне концентраций (свыше 20% до ледяной). Использование уксусной кислоты позволяет полностью исключить возможность разъедания ею топливных баков из алюминиевого сплава и образования взрывоопасного водорода. При подаче в баки уксусной кислоты в меньшей чем 20% концентрации реакция димеризации протекает длительно и требует дополнительного подогрева.

Примером конкретного выполнения способа является гидрогазовая схема его реализации (см. чертеж). После стравливания азота (около 1 кг/см² избыточного давления) через вентиль Вн6 и фильтр, который закачивается в топливные баки сразу после слива горючего, в бак подается 20% раствор формалина небольшими порциями (0,9-1 кг) с расходом 200 г/мин под контролем термометра, размещенного на стенке топливного бака в районе подачи нейтрализующих компонентов. Для этого открываются вентиль запорный на баллоне, вентили на входе и выходе из емкости с раствором формалина Вн1, Вн3. Остальные вентили находятся в закрытом состоянии. Нагружая редуктор, азотом из бака выдавливается требуемый объем формалина в течение 5 мин, после чего вентили Вн1, Вн3 закрываются. Реакцию проводят при нормальном или повышенном (до 0,3-0,5 кг/см²) давлении. Температура и давление внутри бака контролируется термометром и манометром. Тепловой эффект реакции (1) при отделении 1 моля воды составляет 44 кДж/моль или (1 Дж = 0,24 кал) около 10,56 ккал/моль. Удельная теплоемкость НДМГ при 20⁰С составляет около 0,66 (г·°C). Остаточное количество НДМГ в баках объемом 10 м³ оценивается после слива топлива около 30 кг. Для его нагрева от 0°С до 30°С требуется: 30000 г·0,66 (г·°C)·30 г=594000 кал ≈600 ккал. Такую теплоту реакция (1) выделит при образовании 600/10,56≈6 молей воды (108 г). Для образования такого количества воды по уравнению реакции (1) требуется 180 г формальдегида или ≈900 г его 20% раствора. Реальная температура будет ниже расчетной из-за потерь тепла на нагрев топливных баков и воды, входящей в состав 20% раствора формалина. (При проведении нейтрализации при других окружающих температурах тепловые расчеты делаются с учетом окружающей температуры, а количество подаваемого раствора формалина уточняется.)

При необходимости производят стравливание избыточного давления в топливном баке в атмосферу через адсорбционный фильтр. По достижении температуры 30-35°С подачу формалина прекращают и возобновляют ее при падении температуры до 20°С. По окончании тепловыделения в бак добавляют 3-5 л формалина в избытке и начинают подачу уксусной кислоты. Для подачи кислоты открывают вентили на входе и выходе из емкости с уксусной кислотой Вн2, Вн4. Остальные вентили находятся в закрытом состоянии. Температура и давление внутри бака контролируется термометром и манометром. Уксусная кислота вызывает процесс димеризации в широком диапазоне концентраций. Для проведения димеризации и образования полимерной массы предпочтительнее использовать ледяную уксусную кислоту, подачу которой также осуществляют с расходом 200 г/мин под контролем температуры, не давая ей повышаться более 30-35°С. После подачи 1 кг ледяной уксусной кислоты вентили Вн2, Вн4 закрываются и подача кислоты возобновляется после охлаждения бака до 20°С. Кислоту подают до окончания тепловыделения, что соответствует окончанию процесса димеризации диметилгидразона формальдегида. Образующиеся продукты димеризации - бис-диметилгидразон глиоксаля и полимерная масса мало летучи, умеренно токсичны, легко вымываются водой при ее подаче через вентили Вн7, Вн8.

Литература:

1. В.И.Цуцуран, Н.В.Петрухин, С.А.Гусев "Военно-технический анализ состояния и перспективы развития ракетных топлив" М., 1999 г., стр.128.

Способ очистки топливных баков ракет от остатков горючего несимметричного диметилгидразина, включающий подачу в баки 20%-ного раствора формальдегида с последующим добавлением димеризующего диметилгидразон формальдегида агента и удалением образующейся смеси водой, отличающийся тем, что раствор формальдегида подают в баки с расходом в 200 г/мин в атмосфере азота при нормальном или повышенном давлении с контролем температуры реагирующих компонентов, ограничивая ее величиной 30-35°С, а в качестве димеризующего агента используют уксусную кислоту с концентрацией свыше 20%, подачу которой осуществляют с контролем температуры, ограничивая ее величиной 30-35°С, до окончания тепловыделения.