способ получения раствора диоксида хлора и хлора в воде и реактор для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ получения раствора диоксида хлора и хлора в воде, включающий взаимодействие реагентов: раствора хлората и хлорида натрия с серной кислотой в многокамерном реакторе с выделением газов - диоксида хлора и хлора из реакционного раствора в виде пузырей и поглощение их водой, отличающийся тем, что реагенты подают в нижнюю камеру реактора, а воду для поглощения и удаления из реактора диоксида хлора и хлора подают в верхнюю камеру реактора, при этом производительность реактора не превышает 4 г·ч/см ² сечения реактора.

2. Реактор для получения раствора диоксида хлора и хлора, включающий не менее двух камер, отличающийся тем, что камеры выполнены проточными, расположены последовательно по вертикали и разделены перегородками с отверстиями, в верхней камере размещены патрубки для подвода и отвода воды, а в нижней камере размещены патрубки для подвода реагентов и патрубок для слива реакционного раствора.

3. Реактор по п.2, отличающийся тем, что в нижней и в верхней камерах расположены лопасти, соединенные между собой, по крайней мере, одним валом, проходящим параллельно вертикальной оси реактора.

4. Реактор по п.2, отличающийся тем, что перегородки могут иметь форму поверхности конуса, направленного вершиной поочередно вверх и вниз.

5. Реактор по пп.2 и 4, отличающийся тем, что в перегородках, направленных вершиной конуса вверх, отверстия выполнены вблизи вершины конуса, а в перегородках, расположенных вершиной конуса вниз, отверстия выполнены по внешнему краю перегородки.

6. Реактор по п.2, отличающийся тем, что между верхней и нижней камерами может располагаться камера, заполненная насадкой, например кольцами Рашига.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству хлорсодержащих окислителей (хлор, диоксид хлора, гипохлорит), применяемых в качестве реагентов при обеззараживании и очистке питьевой воды, сточных, оборотных вод, отбеливании тканей, бумажной массы, используемых в качестве окислителей в технологических процессах.

Известен способ получения диоксида хлора и хлора путем взаимодействия раствора хлората и хлорида натрия с серной кислотой при температуре 30°С и атмосферном давлении (Патент Канады №543589). Получение диоксида хлора и хлора ведут в однокамерном реакторе, через который пропускают воздух для удаления образующихся в реакторе газов диоксида хлора и хлора. Растворение этих газов в воде ведут в специальной поглотительной башне.

Недостатками данного изобретения являются низкая степень разложения хлората и низкая скорость образования диоксида хлора и хлора из-за применения однокамерного реактора, низкой концентрации реагентов, а также наличие дополнительного устройства - поглотительной башни. Недостатком является и то, что через реактор необходимо прокачивать воздух для удаления из реактора диоксида хлора и хлора и предотвращения накопления в газовоздушном пространстве реактора взрывоопасной концентрации диоксида хлора.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ и реактор получения раствора диоксида хлора (патент RU №2188791). В данном изобретении процесс получения диоксида хлора и хлора ведут путем взаимодействия раствора хлората и хлорида натрия и серной кислоты в многокамерном реакторе. Реагенты подают в верхнюю камеру реактора. Диоксид хлора и хлор выделяются из реакционного раствора в виде пузырей, поступают в газовоздушное пространство реактора и удаляются оттуда воздухом, который прокачивается через реакционный раствор и реактор с помощью эжектора. Камеры в реакторе расположены каскадно. При работе реактора реакционный раствор переливается через стенку вышерасположенной камеры в нижележащую камеру. Из нижней камеры отработанный реакционный раствор вместе с диоксидом хлора, хлором и поступающим в реактор воздухом отсасывается водоструйным эжектором. Для разбавления отработанного реакционного раствора и предотвращения кристаллизации в нем сульфата натрия в нижнюю камеру дополнительно подают воду. Перемешивание реагентов в верхней камере ведут подаваемым в реактор воздухом путем барботажа. Поглощение диоксида хлора и хлора водой и получение раствора диоксида хлора происходит за пределами реактора в водоструйном эжекторе.

Данное изобретение обеспечивает высокую степень превращения хлората в диоксид хлора, но его существенным недостатком является необходимость продувки реактора воздухом для разбавления и удаления газообразных диоксида хлора и хлора. Для обеспечения необходимой скорости протока воздуха необходимо иметь дополнительное оборудование (эжектор, регулирующие устройства, органы контроля). Данный способ и реактор не являются безопасными, т.к. газовая смесь, содержащая более 10% объемных диоксида хлора, является взрывоопасной. В связи с этим расход воздуха, проходящего через реактор, должен находиться в определенных пределах. При недостаточном расходе воздуха концентрация диоксида хлора в реакторе превысит 10% и газовая смесь становится взрывоопасной. При слишком большом расходе воздуха происходит выбрасывание реакционного раствора из верхней камеры реактора из-за интенсивного барботажа, что снижает степень разложения хлората и соответственно уменьшает скорость образования диоксида хлора.

Недостатком известного способа является также необходимость дополнительной подачи воды в нижнюю камеру реактора для предотвращения кристаллизации образующегося в реакторе сульфата натрия.

Технической задачей настоящего изобретения является упрощение способа получения раствора диоксида хлора и хлора и повышение его безопасности.

Техническая задача решается применением способа получения раствора диоксида хлора и хлора в воде взаимодействием раствора хлората и хлорида натрия с серной кислотой в многокамерном реакторе с выделением газов диоксида хлора и хлора из реакционного раствора в виде пузырей и поглощение их водой. При этом подачу раствора хлората и хлорида натрия и серной кислоты ведут в нижнюю камеру реактора, а подачу воды для поглощения и удаления из реактора диоксида хлора и хлора ведут в верхнюю камеру реактора.

Производительность реактора не превышает 4 граммов в час на квадратный сантиметр сечения реактора.

Процесс проводят в реакторе, включающем не менее двух камер, которые выполнены проточными, расположены последовательно по вертикали и разделены перегородками с отверстиями. В верхней камере размещены патрубки для подвода и отвода воды, а в нижней камере размещены патрубки для подвода реагентов и патрубок для слива реакционного раствора.

В нижней и верхней камерах реактора могут быть расположены лопасти, соединенные между собой по крайней мере одним валом, проходящим параллельно вертикальной оси реактора. Перегородки могут иметь форму поверхности конуса, направленного вершиной поочередно вверх и вниз. В перегородках, направленных вершиной конуса вверх, отверстия выполнены вблизи вершины конуса, а в перегородках, расположенных вершиной конуса вниз, отверстия выполнены по внешнему краю перегородки.

Между верхней и нижней камерами может располагаться камера, заполненная насадкой, например кольцами Рашига.

На чертеже представлено устройство четырехкамерного реактора с конусными перегородками. Реактор 1 представляет собой цилиндрический сосуд, разделенный на камеры перегородками 2, 3 и 4. Вдоль вертикальной оси реактора 1 размещен вал 5, на котором закреплены лопасти 6 и 7. Вал 5 проходит через отверстия в перегородках 2, 3 и 4 и может свободно вращаться. Конусообразные перегородки 2, 3 и 4 делят реактор 1 на камеры 8, 9, 10 и 11, сообщающиеся между собой через отверстия в перегородках 2, 3 и 4. В перегородках 2 и 4, расположенных вершиной конуса вверх, отверстия выполнены вблизи вершины конуса. В перегородке 3, расположенной вершиной конуса вниз, отверстия выполнены по внешнему краю перегородки 3. В верхней камере 8 расположены штуцер 12 подвода воды (расположен тангенциально) и штуцер 13 для отвода воды с растворенными в ней хлором и диоксидом хлора. В нижней камере 11 расположены штуцер 14 подачи раствора хлората и хлорида натрия, штуцер 15 для слива раствора из реактора 1 при его ремонте или отключении и штуцер 16 подачи серной кислоты.

Получение водного раствора диоксида хлора и хлора с использованием предлагаемого способа и реактора осуществляют следующим образом.

Вначале в реактор 1 через штуцер 12 подают воду. Эта вода заполняет камеру 8 и уходит из реактора 1 через штуцер 13. Одновременно вода поступает в нижние камеры 9, 10 и 11 через отверстия в перегородках 2, 3 и 4. Одновременно под действием потока поступающей в камеру 8 воды начинается вращение лопастей 6 и 7, закрепленных на валу 5. После заполнения водой всего объема реактора 1 включают подачу реагентов (серная кислота и раствор хлората и хлорида натрия) в реактор 1 через штуцеры 14 и 16. Реагенты поступают в нижнюю камеру 11 реактора 1 и смешиваются с водой вращающимися лопастями 7, в результате чего их концентрация значительно снижается и образования диоксида хлора и хлора не происходит. По мере поступления новых порций реагентов их концентрация в камере 11 возрастает и начинается выделение диоксида хлора и хлора, которые вначале растворяются в реакционном растворе, а затем, после превышения предела растворимости, начинают выделяться из реакционного раствора камеры 11 в виде мелких пузырей, которые поднимаются вверх и уходят из камеры 11 самостоятельно через отверстия в перегородке 4. Пути движения пузырей диоксида хлора с хлором и реакционного раствора показаны стрелками. Поступив в вышерасположенную камеру 10 пузыри диоксида хлора с хлором вначале также растворяются в воде, заполняющей камеру 10, а после ее насыщения начинают поступать в камеру 9 через отверстия в перегородке 3 и далее в камеру 8 через отверстия в перегородке 2. Через камеру 8 постоянно протекает вода, поэтому пузыри диоксида хлора с хлором растворяются в ней полностью и из реактора 1 через штуцер 13 уходит водный раствор диоксида хлора и хлора, не содержащий пузырей. Этот раствор используют для обеззараживания и дезинфекции различных сред. По мере поступления в реактор 1 новых порций реагентов реакционный раствор из нижней камеры 11 постепенно поступает в камеры 10, 9, вытесняя из них воду, затем поступает в камеру 8, где смешивается с водой и уносится из реактора 1 вместе с потоком уходящей воды, хлором и диоксидом хлора.

Как показали экспериментальные исследования, самопроизвольного разложения диоксида хлора со взрывами или хлопками в предлагаемом реакторе 1 не происходит, хотя концентрация диоксида хлора в отдельно взятом газовом пузыре значительно (в 5-7 раз) превышает взрывоопасную концентрацию 10%. Причина этого явления нами не установлена. Возможно, для разложения диоксида хлора требуется не только его высокая концентрация в газовой фазе, но и достаточно большой объем этой газовой фазы. В предлагаемом способе объем газовой фазы, в котором содержится диоксид хлора, равен объему отдельного взятого газового пузыря, выделяющегося из реакционного раствора, т.е. является минимально возможным. Это, по-видимому, препятствует разложению пузырей диоксида хлора с хлором в течение достаточно малого времени их нахождения в реакторе 1 при подъеме из камеры 11 в камеру 8.

В рабочем режиме температура внутри реактора 1 поднимается до 40-50°С за счет протекания химических реакций. Это обстоятельство, а также отсутствие обдува реакционного раствора воздухом предотвращает кристаллизацию сульфата натрия из раствора.

При остановках реактора 1 кристаллизации сульфата натрия тоже не происходит, т.к. реакционный раствор постепенно сливается из реактора 1 через штуцер 15, а сам реактор 1 при этом промывается водой, поступающей из камеры 8.

Как показали экспериментальные исследования, при использовании в предлагаемом способе четырехкамерного реактора 1 и времени пребывания реагентов в реакторе 1 около 30 мин степень разложения хлората достигает 90%. При увеличении числа камер и времени пребывания реагентов в реакторе 1 степень разложения хлората повышается.

Максимальная производительность предлагаемого реактора 1 достигает 3 г/ч на 1 см² сечения реактора 1. При большей производительности снижается выход диоксида хлора, нарушается устойчивость работы реактора 1 (появление "хлопков"), очевидно из-за слияния отдельных газовых пузырьков в крупные пузыри, которые способны самопроизвольно разлагаться. При производительности по диоксиду хлора, не превышающей 4 г/ч на 1 см ² сечения, реактор 1 работает устойчиво.

Проток воды через реактор 1 следует поддерживать таким, чтобы обеспечить устойчивое вращение лопастей 6 и 7, а концентрация диоксида хлора в отходящей воде не превышала 1 г/л. При слишком низкой скорости протока воды замедляется либо вообще прекращается перемешивание раствора в камере 11, что нарушает устойчивую работу реактора 1. Кроме того, при низкой скорости протока воды возрастает концентрация растворенного в ней диоксида хлора и хлора, что может привести к выделению этих газов из воды в виде крупных газовых пузырей, способных к самопроизвольному разложению ("хлопки" в трубопроводе). При слишком высокой скорости протока воды увеличивается попадание воды в нижние камеры, что ведет к уменьшению степени разложения хлората и снижению производительности реактора 1 по диоксиду хлора. Реактор 1 может работать как в условиях разрежения, так и в условиях избыточного давления на выходе. Предпочтительнее работать при избыточном давлении на выходе реактора 1, т.к. в этом случае уменьшается газовыделение в нижних камерах и снижается вероятность разложения диоксида хлора.

Использование предлагаемого способа и реактора позволяет снизить стоимость установок по производству диоксида хлора и хлора на 20-30% по сравнению с прототипом с одновременным повышением надежности и безопасности их работы. Водный раствор диоксида хлора и хлора не содержит пузырьков воздуха или других газов, что упрощает его дальнейшее использование.

Пример

Получение водного раствора диоксида хлора и хлора ведут в цилиндрическом, вертикально расположенном реакторе. Внутренний диаметр реактора - 80 мм, высота - 160 мм.

В качестве реагентов используют товарную серную кислоту с концентрацией 94-96% и водный раствор хлората и хлорида натрия, содержащий 310-320 г/л хлората натрия и 180-190 г/л хлорида натрия. Скорость подачи серной кислоты в реактор поддерживают - 0,3 л/ч, скорость подачи раствора хлората и хлорида натрия - 0,5 л/ч. Проток воды через реактор - 500 л/ч. Давление воды на входе в реактор - 0,06 МПа (0,6 атм.). Слив воды из реактора - свободный.

При указанных выше режимах производительность по диоксиду хлора составляет 100 г/ч, степень разложения хлората достигает 90%, концентрация диоксида хлора и хлора в отходящем растворе составляет 200 мг/л и 120 мг/л соответственно. Выход на рабочий режим - через 18-22 мин после начала подачи реагентов.