реактор для получения раствора диоксида хлора

Формула изобретения

1. Реактор для получения раствора диоксида хлора, включающий три проточные камеры, расположенные последовательно по вертикали, разделенные перегородками, имеющими форму поверхности конуса, направленного вниз, с отверстиями, выполненными по внешнему краю перегородки, с патрубками для подвода воды и отвода водного раствора диоксида хлора в верхней камере и патрубками для подвода реагентов и слива реакционного раствора - в нижней, с возможностью размещения насадок, например колец Рашига, в средней камере, отличающийся тем, что камеры имеют округлую форму с изменяемой кривизной внутренней поверхности, их объем увеличивается от нижней к верхней, перегородки выполнены в форме поверхности конуса с ободами в основании, а в ободах выполнены радиальные каналы от внешнего его края к центру, при этом нижняя перегородка, по сравнению с верхней, характеризуется меньшим диаметром и большей высотой обода, большими длиной и площадью сечения радиальных каналов при меньшем их количестве.

2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что по его оси расположена трубка с регулируемой заглушкой для связи камеры с внешней средой.

3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что патрубки для подвода реагентов расположены в конусообразной части нижней камеры и направлены тангенциально друг к другу со смещением относительно центра камеры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству хлорсодержащих окислителей, применяемых в качестве реагентов при обеззараживании и очистке питьевой воды, сточных, оборотных вод.

Известно устройство для получения диоксида хлора [Патент RU № 2268241, C01B 11/02. Способ получения диоксида хлора. Опубл. 20.01.2006], включающее реактор, снабженный питательными трубопроводами для ионов хлората, пероксида водорода и кислоты и соединенный с эжектором, снабженным соплом для проточной воды и средствами для последующего пропускания проточной воды через эжектор, по меньшей мере частично, по спирали или винтообразно. Однако предложенный реактор с одной реакционной камерой предназначен для работы с большими объемами реагентов (до 100 кг/час диоксида хлора). Готовый продукт на выходе из такого реактора представляет собой неоднородную газожидкостную смесь. Одновременное наличие неоднородности газожидкостной смеси в реакторе и поддержание высокой температуры в нем может привести к локальным накоплениям диоксида хлора высокой концентрации с возможностью его саморазложения с характерными локальными «хлопками», что приводит не только к уменьшению количества образующегося диоксида хлора, но и к возможному нарушению стабильности работы реактора.

Известно также устройство для производства диоксида хлора другой конструкции [Патент RU № 2350550, C01B 11/02. Способ и устройство для производства диоксида хлора. Опубликован 27.03.2009], включающее реактор, циркуляционный трубопровод, проходящий через нагреватель, отверстие для подачи хлората натрия непосредственно в реактор, отверстия для подачи серной кислоты и перекиси водорода в циркуляционный трубопровод, отверстие для подачи перекиси водорода непосредственно в реактор. Функции реактора в этом устройстве выполняет также и циркуляционный трубопровод, в котором, как и в реакторе, взаимодействуют реагенты, осуществляется их значительный (30-100°C) нагрев и образуется диоксид хлора. Устройство, представляющее из себя единую систему «реактор -циркуляционный трубопровод - проточный нагреватель - циркуляционный насос», получается крупногабаритным и накладывает дополнительные требования на все составляющие узлы, в частности возможность их работы в условиях разрежения, повышенных температур, бурного выделения диоксида хлора в процессе реакции, возможных его локальных накоплений с быстрым саморазложением, циркулирующей химически активной газожидкостной среды.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является реактор для получения раствора диоксида хлора и хлора в воде [Патент RU № 2307067, C01B 11/02. Способ получения раствора диоксида хлора и хлора в воде и реактор для его осуществления. Опубл. 27.09.2007], включающий не менее двух камер, выполненных проточными, расположенных последовательно по вертикали и разделенных перегородками в форме поверхности конуса, направленного вершиной поочередно вверх и вниз, с отверстиями, выполненными в перегородках, направленных вершиной конуса вверх, вблизи вершины конуса, а в перегородках, расположенных вершиной конуса вниз, по внешнему краю перегородки, при этом в нижней и верхней камерах расположены лопасти, соединенные между собой по крайней мере одним валом, проходящим параллельно вертикальной оси реактора, между верхней и нижней камерами может располагаться камера, заполненная насадкой, например кольцами Рашига, в верхней камере размещены патрубки для подвода и отвода воды, а в нижней - патрубки для подвода реагентов и для слива реакционного раствора.

К недостаткам этого реактора следует отнести способ перемешивания газожидкостной смеси (вращающимися лопастями). При таком способе перемешивания слабый поток воды, используемый для вращения лопастей, и трение в местах установки вала приводит к замедлению их вращения или остановке. При этом происходит недостаточное диспергирование газов. Возможны также их локальные накопления с высокой концентрацией, что приводит к их произвольному саморазложению с характерными «хлопками», уменьшению количества получаемого диоксида хлора и стабильности работы реактора. Избыточно сильный поток воды может привести к нежелательным нарастанию давления в реакторе, изменению потоков газов и жидкостей в камерах реактора, устойчивости работы реактора. В этом случае также увеличивается попадание воды в нижнюю камеру, что ведет к снижению степени разложения хлората натрия и производства диоксида хлора. Изменение производительности реактора по диоксиду хлора требует установления нового оптимального, экспериментально определяемого расхода подаваемой в реактор воды. Кроме того, производительность реактора по диоксиду хлора небольшая и достигает 3 г/ч на 1 см² сечения реактора. При достижении большей производительности от 3 до 4 г/ч снижается степень разложения хлората натрия. При использовании предложенной конструкции реактора для получения 1,5 кг/ч диоксида хлора, что не является большой производительностью, его внутренний диаметр существенно увеличится с 1 см для получения 1 г/ч диоксида хлора до 25 см, а расход воды через реактор достигнет значительной величины ~7500 л/ч. Такие характеристики для установок подобного типа являются слишком большими и нежелательными.

Задачей изобретения является разработка реактора для получения диоксида хлора средней производительностью (~до 1,5 кг/ч по диоксиду хлора) при относительно небольших размерах, без движущихся элементов и узлов, обеспечивающего однородное распределение газовой фазы в готовом жидком растворе и требующего относительно небольшое количество внешней подводимой к реактору воды.

Для решения поставленной задачи предлагается реактор для получения раствора диоксида хлора, включающий три проточные камеры, расположенные последовательно по вертикали, разделенные перегородками со сквозными каналами, с патрубками для отвода водного раствора диоксида хлора в верхней камере и патрубками для подвода реагентов и слива реакционного раствора в нижней, с возможностью размещения насадок, например колец Рашига, в средней камере. Камеры имеют округлую форму с изменяемой кривизной внутренней поверхности, и их объем увеличивается от нижней к верхней. Перегородки выполнены в форме поверхности конуса, направленного вниз, с ободами в основании, в которых выполнены радиальные каналы от внешнего края обода к центру. При этом нижняя перегородка, по сравнению с верхней, характеризуется меньшим диаметром и большей высотой обода, большими длиной и площадью сечения радиальных каналов при меньшем их количестве.

По оси реактора расположена трубка для связи камеры с внешней средой.

Патрубки для подвода реагентов расположены в конусообразной части нижней камеры и направлены тангенциально друг к другу со смещением относительно центра камеры.

Форма камер реактора обеспечивает направленное течение газожидкостной среды снизу вверх и исключает появление застойных зон, прежде всего зон накопления газообразного диоксида хлора.

Увеличение объема камер реактора от нижней к верхней, а также увеличение суммарного объема радиальных каналов от нижней перегородки к верхней увеличивает отвод диоксида хлора из нижней камеры и снижает его концентрацию в водном растворе. Движение газа и жидких компонентов по радиальным каналам и их переход в среднюю и верхнюю камеры сопровождается диспергированием газа и жидкости, их перемешиванием, равномерным распределением и выравниванием их концентрации в объеме жидкой смеси.

Поступление воздуха из внешней среды в нижнюю камеру, осуществляемое с помощью трубки с регулируемой заглушкой, и вследствие создаваемого эжектором небольшого разрежения в реакторе, способствует дополнительному диспергированию образующихся газов, их распределению в объеме жидкой фазы в камерах и улучшению их отвода.

Тангенциальное расположение патрубков подвода реагентов приводит к тому, что потоки подаваемых реагентов входят в жидкий раствор, где происходит их незначительное разбавление, достаточное для небольшого снижения скорости быстропротекающей реакции образования диоксида хлора и необходимое для уменьшения его локального накопления с высокой концентрацией и возрастающей при этом возможностью разложения (самораспада).

Описания реактора для получения раствора диоксида хлора в воде, характеризующегося признаками, идентичными всем признакам заявляемого решения, в источниках информации не обнаружено. Предлагаемый реактор отличается от выбранного прототипа формой камер и перегородок между ними, расположением патрубков для подвода реагентов и наличием трубки с регулируемой заглушкой для подачи воздуха из внешней среды в его нижнюю камеру. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "новизна".

Достижение указанного технического результата возможно только при использовании всех существенных признаков предлагаемого технического решения в совокупности, что обеспечивает соответствие его критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 представлен реактор для получения раствора диоксида хлора (фронтальный вид в разрезе).

На фиг.2 представлена перегородка камер реактора (вид снизу).

На фиг.3 представлена нижняя камера реактора (вид сверху с сечением).

Реактор включает корпус 1 с тремя камерами округлой формы с изменяемой кривизной внутренней поверхности, нижней 2, средней 3 и верхней 4. На вертикальной направляющей 5, расположенной по оси реактора, установлены перегородки 6 и 7, разделяющие камеры 2-3 и 3-4. Перегородки выполнены в форме поверхности конуса с ободами 8 в основании и установлены вершиной конуса вниз. В ободах выполнены радиальные каналы 9 от внешнего края обода к центру, чередующиеся с направляющими 10. На границах раздела камер перегородки 6 и 7 опираются направляющими 10 на краю ободов на стенки камер 3 и 4, при этом радиальные каналы 9 обеспечивают проход для газа и жидкости из нижней камеры в верхнюю. В направляющей 5 по вертикальной оси расположена трубка 11 с регулируемой заглушкой 12 для связи камеры 2 с внешней средой. В камере 2 тангенциально расположены патрубки 13 и 14 для подвода реагентов и патрубок 15 для слива реакционного раствора. В верхней части корпуса 1 расположен патрубок 16 для отвода водного раствора диоксида хлора.

Внутренняя (рабочая) высота реактора составляет 37 см, а с учетом технологической оснастки наружная высота достигает 52 см. Максимальный внутренний диаметр самой большой камеры 4 составляет 17 см.

Процесс получения водного раствора диоксида хлора с использованием предлагаемого реактора происходит следующим образом.

Водный раствор хлората натрия с перекисью водорода и серная кислота по патрубкам 13 и 14 поступают в камеру 2, стекают, вследствие высокой плотности реагентов, по конической форме нижней части камеры и концентрируются внизу, что соответственно увеличивает скорость реакции между ними. Продукт реакции - газообразный диоксид хлора - поднимается к перегородке 6, попадает в радиальные каналы 9, по ним направляется к ободу 8 и переходит в камеру 3. Одновременно с газом в камеру 3 поступает жидкая смесь, состоящая из образующейся в процессе реакции воды и не полностью прореагировавших водных растворов реагентов. В процессе движения образующегося газа и жидких компонентов по радиальным каналам 9 и их перехода из камеры 2 в камеру 3 происходит диспергирование газов и жидкости и их перемешивание. Эти процессы и уменьшение концентрации реакционных компонентов приводят к небольшому снижению скорости реакции газообразования при переходе газожидкостной среды в камеру 3. Газообразные продукты реакции после заполнения камеры 3 по радиальным каналам 9 перегородки 7 поступают в камеру 4. При этом также происходит диспергирование компонентов, но на более мелкие фракции, вследствие меньшего геометрического сечения радиальных каналов 9 обода 8 перегородки 7 по сравнению с перегородкой 6. Соответственно происходит более равномерное перемешивание и распределение сред. Поступление внешнего воздуха по трубке 11 и его проток через камеру 2 вследствие создаваемого эжектором небольшого 90-95 КПа разрежения в реакторе способствует дополнительному диспергированию образующегося газа, его распределению в объеме жидкой фазы в камерах и улучшению отвода раствора через патрубок 16. Для подачи полученного водного раствора диоксида хлора из камеры 4 в патрубок 16 и в сетевую воду используется водоструйный эжектор. Расход проходящей через эжектор воды, необходимой при производстве 1,5 кг/ч диоксида хлора (6,5 г/ч на 1 см ² площади сечения большей камеры 4), составляет 800-900 л/ч. Разрежение в камере смешения эжектора вследствие прохождения через него потока воды приводит к насыщению проходящей воды раствором диоксида хлора. После смешения образующаяся смесь поступает в магистральную сеть подачи воды.

Преимущества предлагаемого реактора по сравнению с прототипом 1. При относительно небольших размерах реактора (внутренняя высота - 37 см, внутренний диаметр самой большой камеры - 17 см) производительность реактора по диоксиду хлора достигает 1500 г/ч или 6,5 г/ч на 1 см² площади сечения.

2. Реактор обеспечивает однородное распределение газовой фазы в готовом жидком растворе без использования движущихся элементов и узлов.

3. Для работы реактора требуется относительно небольшой расход воды (800-900 л/ч при максимальной производительности диоксида хлора 1500 г/ч и меньший расход воды при меньшей производительности).