CN1391495A - 提供气体混合物的方法及设备 - Google Patents
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Abstract
一种由第一易燃气体和第二气体制备非可燃性气体混合物的方法和设备，其中所述第一气体是易燃的。空气从环境或需处理的储存容器中抽取。空气通过鼓风机(14)在管道(22)内循环。易燃气体喷射(12)到该管道中，迅速稀释到低于其可燃性极限。这种方法适用于长期不需人们干预的自动化操作处理设备，或浓度和流量均很高并且过程处于人工监测的所谓“一次喷射/扩散排出”熏蒸。
Description
技术领域
本发明涉及气体的稀释，具体是易燃气体如磷化氢与空气的稀释。
发明内容
许多熏蒸剂和杀菌气体都是易燃的。例如，磷化氢(PH3)可用作对储存产品如谷物中滋生的昆虫的熏蒸剂。磷化氢有许多要求作为具备高渗透性能、低的粮食吸附和很低的残留物形成的熏蒸剂的产品。然而，它在空气中会自燃。磷化氢在空气中的可燃性极限为1.6-100％。
使用磷化氢方法目前包括将金属磷化物片暴露在环境空气的水分中产生磷化氢。金属磷化物片是一种缓释制剂，它经过两天可释放高浓度可燃磷化氢即大于50％PH3的气体混合物。这种方法还存在许多与使用后废弃片中未反应磷化物有关的问题。除了处置这种危险废弃物有关的费用外，还有在处理废弃片和可能的处理残留物时的职业健康和安全问题。
为了减少危险，许多熏蒸剂和杀菌气体与非可燃性液体如液态二氧化碳混合。例如，销售的磷化氢一般是在液态二氧化碳中含量为2％(重量)的磷化氢。这样的磷化氢组合物装在48升钢瓶内并处于合适压力下时，一般在环境温度含有约16.5m3气体。当磷化氢组合物蒸发时，蒸发的气体通常是CO2中包含约2.6％PH3。虽然对磷化氢可燃性的大量研究表明磷化氢的可燃性随温度和压力变化，但发现绝对可燃性极限为空气中0.11％(1100ppm)磷化氢。磷化氢/氧的比值小于该比值的混合物在任何压力下都不会燃烧。National Registration Authority(NRA)审定的杀虫剂标签上所批准的磷化氢最高推荐浓度为700ppm(相当于1克PH3/m3)。
使用磷化氢和液态二氧化碳的非可燃混合物解决了与金属磷化物片有关的一些问题，但是，当用于熏蒸大容积或偏远的谷物储存设施时，还需要钢瓶处理、运输和使用中方面额外费用。
避免钢瓶处理问题的一个解决方法是现场混合工业级的磷化氢(99％(重量))，这种方法已经证明是有效的。一种建议是将钢瓶容纳的工业级磷化氢容量增加到净重18千克，相当于老式磷化氢/液体CO2钢瓶的29。通常排列两个包含工业级磷化氢的钢瓶，一个投入使用，另一个待用，这相当于老式PH3/CO2钢瓶的58，能明显降低对钢瓶的需要，减少钢瓶处理和用于送气的集合管。
然而，本领域的技术人员认为，向偏远部位提供液态二氧化碳费用很高，因为涉及长途运输和现场使用的液态二氧化碳储存容器。这些与偏远地区如通常谷物生长地区有关的额外费用降低了气态磷化氢熏蒸剂的经济利益。由于纯磷化氢和其他杀虫气体具有易燃性能，所以迄今尚不能将它们和空气直接混合。
本发明致力于克服现有技术的至少某些缺陷或提供工业可行的替代方法。
发明综述
本发明第一方面，提供一种由第一易燃气体和第二气体制备非可燃气态混合物的方法，所述第一气体在该气体混合物中是易燃的，所述方法包括使第一易燃气体混入到所述第二气体的湍流中，第二气体的流速很高使得该易燃气体能迅速稀释到低于其可燃性极限。
易燃气体可以是选自磷化氢、环氧丙烷、丙烯腈、硫化羰(carbonylsulphite)、环氧乙烷、甲酸乙酯、氢氰酸、甲酸甲酯以及它们的混合物的熏蒸剂，在另一个实施方案中，第二气体是空气。
在另一个实施方案中，湍流气流的最小流速应足以扑灭火焰和/或足以将气体混合物传送到用这样的气体混合物进行处理的几乎所有区域。易燃气体较好和约4米/秒或更大流速的第二气体进行混合。
申请人发现，采用上述方法可以通过将例如易燃熏蒸气体与空气混合，提供一种现场使用的气体混合物。将例如磷化氢喷射到空气湍流中，此易燃磷化氢能迅速被稀释到低于其可燃性极限，并被迅速混入运动的空气中，避免燃烧的可能性。特别研制的故障自动保险的分配设备还可以手动控制或自动控制磷化氢/空气的现场混合。实施上述方法的设备较好的包括如故障自动保险的分配装置，用于如果易燃性熏蒸气体或湍流气流不在控制范围内时结束该混合过程。这种方法提供的非可燃熏蒸剂组合物能达到NRA批准的使用要求，包括对产生易燃气体如磷化氢的要求。由于制得的气体混合物的组成低于绝对可燃性极限，所以这种混合物在任何周围环境条件下都是非可燃的。
第二方面，本发明提供了由第一易燃气体和第二气体制备非可燃气体混合物的设备，在所述气体混合物中所述第一气体是易燃的，所述设备包括第一气体的供气装置、适合保持湍流的第二气体供气装置以及混合装置，该混合装置使第一气体和第二气体接触，并以使第一气体迅速稀释到低于其可燃性极限的速度保持湍流。
除非上下文中清楚地要求，否则在说明书和权利要求书中，术语“包括”、“包含”等解释为不排它的，而非排它的也可以说“包括但不限于”的含义。
附图简述
现在采用实施方案并结合附图来描述本发明，能更清楚地理解本发明，附图中：
图1是根据本发明第一实施方案提供气体的设备的示意图。
图2是根据本发明第二实施方案提供气体的设备的流程图。
本发明的最佳实施方案
图1和图2中，采用本发明方法和设备向一储存设施如谷物仓提供熏蒸剂气体。然而，应理解，这种方法和设备具有较之熏蒸剂气体更广泛的用途，并且下述实施方式不应构成对本发明的限制。
广义上，图1和图2涉及向一谷物仓提供熏蒸剂气体的两种方案。图1适合但不限于长期自动熏蒸的谷物仓，而图2更适合但不限于手工控制的迅速熏蒸方法(1-2小时)。
首先参看图1，是一种需要进行熏蒸的典型谷物仓15。熏蒸剂提供设备20包括熏蒸剂气体的供应源，这种情况下，是工业级磷化氢在加压的钢瓶1，2内。每个钢瓶由合适的阀调节器4/5控制，阀调节器以常规方式通过集合管6连接到总过程控制装置7。
吹扫气体的供气装置3提供惰性气体，在此情况下是提供二氧化碳来吹扫磷化氢供应管21，如下面所述。吹扫气体供气装置3和磷化氢提供装置1，2都通过集合管6连接到磷化氢供应管21。
通过控制装置7进行过程控制。这种控制装置连接到各易燃气体传感器、烟雾监测器和空气流传感器9，13，确保过程严格控制在规定的参数之内。
磷化氢供应管21包括控制阀10、流量显示器11和磷化氢喷射器12。磷化氢喷射器12包括桨轮阀(paddle wheel valve)12a，它与空气流传感器串联，向控制装置7提供必要的控制数据，以控制或防止在如果湍流气流流速下降到低于预定的流速时熏蒸剂磷化氢气体的喷射。通过循环鼓风机14保持空气流通过管道22，应在所有时间保持湍流。
在熏蒸剂提供设备壳体20上装有排气风扇8作为进一步的安全措施。
上述设备的操作如下：首先，使用CO2气体吹扫磷化氢喷射器12和供应管21。鼓风机14启动，控制装置7监测管道22中的空气流速。一旦空气流速达到要求的最小值并保持该值后，打开阀4/5，使磷化氢经集合管6通过管21进入磷化氢喷射器12，自此混入到湍流气流中进入仓15，熏蒸其中的谷物或其它被储存物质。这一实施方案中，要由基本纯的工业级磷化氢稀释至浓度至多约为100ppm，得到熏蒸气体，并将此熏蒸气体长期即数天甚至几周内输入仓中。鼓风机14能将磷化氢/空气混合物继续循环到整个仓体内，确保被储存物质和熏蒸气体的完全接触。简单的计算可以确定必须供给仓15进行充分处理所要求的磷化氢/空气混合物量。达到上述条件后，关闭磷化氢混合物，并再次用CO2气体吹扫供应管道。
易燃性熏蒸剂气体(在此情况下是易燃的气体磷化氢)喷射到空气中，空气的湍流速度必须达到能迅速将该易燃气体稀释到低于其可燃性极限的程度。
另外，通过选择最佳的第一气体喷射速度和第二气体的速度，提供非可燃性气体混合物，这种方法和设备能提供较之常规方法令人惊奇的益处。例如，谷物储存设施如谷物仓通常位于远离人们生活的遥远地区。要求能够提供不需人们干预的自动化操作处理设备。如上所述，图1所示的实施方案主要用于长期低浓度的处理。为充分处理储存设施并提供不需人们干预的安全可靠的方法，可以将设备优化到湍流/气体混合物的速度不仅能迅速稀释易燃气体至低于其可燃性极限，而且还可以：
i)将气体混合物输送到如仓的处理空间的几乎所有区域，
ii)扑灭易燃气体的着火/燃烧。
本领域的技术人员应理解，确保所有气态处理混合物和需处理体积的所有区域接触是非常重要的。还很重要的一点是能迅速扑灭靠近喷射点的可燃性混合物的任何着火或燃烧。令人惊奇的是，已发现易燃性气体浓度约为100ppm时，线性流速约为4m/sec的湍流气流就足以迅速稀释第一气体至低于其可燃性极限，将产生的气体混合物输送到仓的所有区域并扑灭在靠近易燃性气体喷射点产生的任何火焰。就后一方面，申请人在靠近喷射点提供连续的着火(高压电火花)情况下试验了湍流的各种流速。令人惊奇地发现，不是最低流量，而是最小约4m/sec的线性流速扑灭了在点火点数厘米内产生的任何火焰。
因此可见，本发明的方法和设备能有效而可靠地将易燃基体如磷化氢熏蒸剂转变为非可燃性气体混合物供处理之用，此时能保证所得的气体混合物到达要被处理空间的所有部分，并具有能扑灭该气体混合物火焰燃烧的故障自动保险的机制。
当然，如上所述，控制装置7也连接到各附加的气体传感器、空气流传感器和烟雾监测器，进一步保证图1所示设备无需人工操作下的安全操作。
参看图2，此实施方案涉及但不限于间隙式熏蒸方法。这种方法有时称作“一次喷射”或“快速排出”熏蒸，进行时间为几个小时。采用这种一次喷射/快速排出方法，可以使用体积流量高达20倍，浓度高达10倍。由于浓度较高和着火危险较大，此1-2小时的熏蒸过程要至少接受部分人工控制。
这种方法按照类似于图1中所述的方式操作。图2中同样的编号代表和图1相同的部件。例如，熏蒸剂提供设备20包括熏蒸剂提供装置1和吹扫气体供应装置3。人工操作各流量显示器、阀等7以控制熏蒸剂和吹扫气体的供应，将在下面讨论。提供鼓风机14，保持湍流空气流。空气流传感器13位于管道22内，让易燃气体喷射点12前面的气体混合物进行循环。
如第一实施方案，用惰性气体吹扫供应管之后，熏蒸剂气体通过管11喷射到湍流空气流中和仓15中。如上所述，此实施方案中熏蒸剂气体的流量比图1所示实施方案的流量高得多，所以一般浓度高达1000ppm。
为稀释这样大量的易燃熏蒸剂气体，需要大量的湍流空气。体积流量通常高达103m3/0.5小时，当然也可以依据储存容器的尺寸、管道等进行调整。用这样的“一次喷射”或“快速排出”法进行熏蒸，仓15通常是密封的。要求迅速达到气体混合物浓度，并如第一实施方案，如果需要，鼓风机14连续在仓中循环产生的气体混合物，确保充分地处理被储存物质。
本领域的技术人员应理解，第二实施方案中高浓度和高流量的气体混合物增加了着火/爆炸的可能性。由于这一点，而且这种处理方法仅费时1-2小时，这种“一次喷射/快速排出”的处理一般由人工操作。然而，除了这种人工操作之外，还使用其它安全装置来监测/隔离易燃气体的供应，如果着火的话。通常，使用各种温度和烟雾传感器来切断易燃气体的供应。也可以使用热熔丝。这些熔丝包括由热敏材料如塑料制成的密封管。如果发生着火，热敏材料分解，就释放管内压力，切断阀，切断易燃气体的供应。同时，热熔丝还可以打开惰性气体管道，从而除去设施中的可燃混合物。
如第一实施方案，进行了试验来考察在靠近磷化氢喷射器12处人为点燃气体混合物时的结果。产生了10厘米至1米长度的火焰。因为在喷射点有很高浓度的易燃性熏蒸剂气体，这样长的火焰并不令人惊奇。通过使用能强化可燃熏蒸剂气体稀释的扩散器可以减弱这种现象。如第一实施方案，还可以优化湍流空气流的速度，来降低易燃性气体着火/燃烧的可能性。然而，只要“一次喷射/扩散排出”系统一般在人工监督下运行，距点燃点短距离的易燃性气体的着火/燃烧并不象图1方法中气体连续着火/燃烧那样是个严重问题。
采用上述方法和设备，通过就地将钢瓶中工业级的99％易燃气体如磷化氢和空气进行混合，可明显降低所述方法和设备的费用。如上所述，其中有基本纯的磷化氢的钢瓶比上述含有2％(重量)磷化氢/CO2混合物的市售钢瓶能使用长得多的时间，结果减少了钢瓶的维护、管理和运输费用。
与现有技术相比的另一个显著的优点，是相比于仓的空气体积在仓中加入的磷化氢量相对较小，从而避免了仓过分受压的问题。在使用惰性气体载体中少量熏蒸剂气体如CO2中的PH3的常规方法中，必须在仓中输入大量的这种气体混合物，才得以充分处理被储存物质。因为使用这样大体积的气体，尤其在密封储存容器内增压可能性很明显。另一方面，若采用本发明方法，需处理的储存设施的空气体积只需加入非常少量的熏蒸剂气体，即仅几个百分点。加入这样少量的熏蒸剂气体，基本上没有增压问题。另外，为了对储存设施再次处理，可以除去其中原有的气体，此时用熏蒸剂气体输入顶推，将原有气体循环回到储存容器中。而采用常规方法，储存设施中所有的气体都必须除去，并再充以新鲜的熏蒸剂气体。这样不仅浪费和消耗时间，而且可能将仍有危险的气体混合物排放到环境中，引起可能的环境问题。
应理解，在不偏离本发明的精神或范围条件下，可以其它形式实施在此公开的方法和设备。
Claims (19)
1.一种由第一易燃气体和第二气体制备非可燃性气体混合物的方法，该气体混合物中所述第一气体为易燃的，所述方法包括将第一易燃气体混入到所述第二气体的湍流中，第二气体流速应能使第一易燃气体迅速稀释到低于其可燃性极限。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述湍流气流的最小流速足以熄灭火焰。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述湍流的最小流速足以将气体混合物传送到需用这种气体混合物进行处理的空间的几乎所有区域。
4.如前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述易自燃气体是熏蒸剂。
5.如前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述易燃气体选自磷化氢、环氧丙烷、丙烯腈、二硫化碳、硫化羰、环氧乙烷、甲酸乙酯、氢氰酸、甲酸甲酯以及它们的混合物。
6.如前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述第二气体是空气。
7.如前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述第二气流的流速约为4m/s或更高。
8.如前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述易燃气体稀释至约10-1000ppm范围。
9.如前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述易燃气体通过一个或多个局部喷射点喷射到第二气体的湍流中。
10.如前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述第二气体从要用非可燃气体混合物处理的容器中抽取出来，与易燃气体混合后，再重新返回该容器中。
11.一种用于从第一易燃气体和第二气体制备非可燃气体混合物的设备，其中所述第一气体是易燃，所述设备包括第一气体供应装置、适于保持所述第二气体湍流的第二气体供应装置、以及适于使第一和第二气体接触并保持湍流气流的流速能使第一气体迅速稀释至低于其可燃性极限的混合装置。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于所述第二气体供应装置保持湍流气流的最小流速能足以熄灭火焰。
13.如权利要求11或12所述的设备，其特征在于所述第二气体供应装置保持湍流气流的最小流速能足以将所述气体混合物传送到需用该气体混合物处理的空间的几乎所有区域。
14.如权利要求11-13中任一权利要求所述的设备，其特征在于所述第二气体供应装置适于从要用非可燃气体混合物处理的容器中抽取出气体，与易燃气体混合，再重新输入该容器中。
15.如权利要求11-14中任一权利要求所述的设备，其特征在于所述设备包括一个或多个喷射器，用于将易燃气体喷射到第二气体的湍流中。
16.如权利要求15所述的设备，其特征在于所述设备还包括在各局部喷射点的一个或多个扩散器，用以强化易燃气体在第二气体湍流中的稀释。
17.如权利要求11-16中任一权利要求所述的设备，其特征在于所述设备还包括控制装置，用于切断易燃气体的供应和/或用惰性气体吹扫所有气体管道。
18.一种按照附图和/或实施例中说明的本发明任一实施方案所述的制备非可燃性气体混合物的方法。
19.一种按照附图和/或实施例中说明的本发明任一实施方案所述的制备非可燃性气体混合物的设备。
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