АППАРАТ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ РАСТВОРА ДИОКСИДА ХЛОРА И ХЛОРА В ВОДЕ
APPARATUS FOR REALISING METHOD OF CHLORIDE DIOXIDE AND CHLORIDE IN WATER SOLUTION

Аппарат относится к оборудованию для производства хлорсодержащих окислителей, применяемых в качестве реагентов при обеззараживании и очистке питьевой воды, сточных, оборотных вод, а конкретно, к производству водного раствора смеси диоксида хлора и хлора. Он может также быть использован как реактор для других систем жидкость-газ.
Аналогом предлагаемого изобретения является способ и реактор получения раствора диоксида хлора, описанный в патенте RU №2188791. В данном изобретении процесс получения диоксида хлора и хлора ведут путем взаимодействия раствора хлората и хлорида натрия с серной кислотой 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 за счет разрежения величиной 75-150 мм рт.ст. 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 газообразных диоксида хлора и хлора водой и получение. раствора диоксида хлора и хлора происходит в водоструйном эжекторе, присоединенном к реактору.
Данное изобретение обеспечивает высокую степень превращения хлората в диоксид хлора, но его существенным недостатком является необходимость продувки реактора воздухом для барботажа и удаления газообразных диоксида хлора и хлора поскольку циркуляция в растворе незначительная. Это приводит к высокому энергопотреблению и неустойчивой гидродинамике работы аппарата.
Кроме того, к недостаткам аналога можно отнести: невозможность подачи раствора из установки прямо на всасывающую линию центробежного насоса; невозможность деления потока раствора из установки; при больших производительностях - необходимость в поглотительной башне для очистки воздуха от хлорсодержащих газов.
Наиболее близким аналогом - прототипом предлагаемого изобретения - является европейский патент №0106503. Согласно нему взаимодействие реагентов в реакторе осуществляют восстановлением хлорат-ионов хлорид-ионами в реакционной среде, содержащей серную кислоту с общей кислотностью 8,5-12 нормальной, путем подачи раствора хлората и хлорида натрия и серной кислоты в зону реакции и удаления отработанного реакционного раствора из зоны реакции. Для удаления газовой смеси из паров воды, двуокиси хлора и хлора из зоны реакции применяют разреженную атмосферу. Для сохранения концентрации образующейся сульфатной соли в реакционной среде ниже уровня насыщения контролируют время пребывания реакционного раствора в зоне реакции.
Процесс ведут при температуре 40-70°C в условиях кипения реакционной смеси, которое обеспечивается поддержанием высокого разрежения (абсолютное давление от 60 до 160 мм рт.ст. или 8÷21 кПа) без продувки воздуха.
В качестве реактора получения диоксида хлора и хлора используют полый цилиндрический аппарат с раздельными вводами раствора хлората и хлорида натрия и серной кислоты через стенки корпуса у днища, вертикальными стержнеобразными нагревательными элементами реакционного раствора, подведенными через днище корпуса и помещенными в вытяжные трубы, а также одним общим отверстием у верхней крышки для вывода образующихся разбавленной водяным паром газовой смеси и отработанного реакционного раствора в эжектор. Согласно описанию, благодаря жесткому автоматическому контролю режима и переливу. отработанного реакционного раствора из аппарата предупреждается кристаллизация сульфата натрия из раствора в зоне реакции.
Существенными особенностями данного изобретения являются необходимость применения нагрева реакционного раствора и глубокого разрежения, что обуславливает следующие недостатки прототипа:
2
2
1. Высокое энергопотребление за счет нагрева и режима кипения, а также за счет необходимости пропускания значительно большего количества воды через эжектор для конденсации пара - технологическое потребление воды на единицу производимого дезинфектанта. По данным приведенных. примеров на получение 5 кг диоксида хлора и хлора при 110 мм рт.ст.(14,7 кПа) при 60°C в режиме кипения выделяется 15 кг НО, при 40°C - 2 кг НО.
2
2. Неустойчивый гидродинамический режим работы аппарата, в частности, из-за наличия в зоне реакции поверхности нагрева. Режим кипения, с одной стороны, позволяет поддерживать достаточно высокую скорость образования паров с площади поверхности реакционной среды (более 0,5 г/мин·см в пересчете на диоксид хлора) и иметь реактор небольшого объема (при этом размер реактора в компоновке всей установки не имеет определяющего значения). С другой стороны, наличие поверхности. нагрева помимо увеличения энергозатрат предъявляет достаточно жесткие условия к стационарности процесса, а значит и его безопасности: в описании отмечается возможность появления локальных зон перегрева раствора, образования крупных пузырьков газа и распада диоксида хлора - "пыхтения". При этом не исключается возможность частичных потерь диоксида хлора вследствие его самопроизвольного распада вблизи нагревательных элементов, а также кристаллизации кислого сульфата натрия из реакционного раствора.
Из описания прототипа и примеров следует, что процесс осуществляется в периодическом режиме, нарабатывается заданное количество раствора. По-видимому, непрерывная работа установки не предусматривается вследствие высокой вероятности выхода режима из стационарного. На это указывает наличие жесткой системы автоматического. регулирования, очень узко заданных параметров, а также контроль времени работы. Режим, заявленный в пункте 3 формулы изобретения прототипа, указывающий температуру процесса менее 40°С (проведение процесса без нагрева на нижней границе температурного интервала), упомянутый также в примере 3 и таблице 5 (строка 3), характеризуется высоким выходом и небольшим временем пребывания. Однако он является маловероятным с точки зрения промышленной применимости (и в примере приведен для сравнения) по следующим обстоятельствам. Стационарность процесса напрямую зависит от циркуляции раствора в аппарате. Циркуляция в зоне. реакции осуществляется за счет нагрева, а без нагрева аппарат с конструктивными характеристиками, приведенными в описании, как оказалось при экспериментальном воспроизведении, может проработать не более 2 часов. После этого начинает сказываться неравномерность температуры и концентрации по объему, появляются "пыхтение" и "хлопки". Это обязано сопровождаться автоматическим отключением установки.
Указанные недостатки прототипа устраняются предлагаемым изобретением.
Техническая задача - снижение энергопотребления на получение раствора диоксида хлора и хлора и повышение устойчивости гидродинамического режима аппарата.
Техническая задача решается тем, для реализации способа используют аппарат для получения раствора диоксида хлора и хлора, содержащий корпус с патрубками для ввода реагентов, расположенными в нижней части корпуса, выходное отверстие для вывода газообразных продуктов и отработанного водного раствора, расположенное в верхней части корпуса и соединенное с эжектором, подключенным к аппарату. При этом корпус выполнен в виде обечайки с сечением, увеличивающимся кверху, коаксиально корпусу закреплено циркуляционное устройство в виде обечайки, а патрубки для ввода реагентов размещены в торцевой части корпуса, заведены внутрь циркуляционного устройства и расположены соосно оси корпуса. Корпус аппарата может быть выполнен в виде обечайки с сечением, увеличивающимся кверху, он может быть цилиндрическим, состоящим из обечаек с разным диаметром, либо коническим. Циркуляционное устройство, выполненное в нижней части корпуса в виде обечайки, также может иметь сечение, увеличивающееся кверху. Корпус и циркуляционное устройство могут быть выполнены в виде усеченного конуса.
Основное отличие предлагаемого технического решения от прототипа - это отсутствие нагрева и организация устойчивого гидродинамического режима за счет конструкции аппарата. Кроме того, по прототипу в эжектор установки подается весь поток обрабатываемой воды, по заявляемому решению - только меньшая его часть (менее 5%), а получившийся технологический раствор далее соединяется с общим потоком обеззараживаемой воды. Поэтому удельные энергозатраты на получение раствора диоксида хлора и хлора существенно снижаются.
Заявленный аппарат за счет наличия циркуляционного устройства и оптимальной конструкции характеризуется стационарным режимом и может работать в установках непрерывного действия с возможностью изменения его производительности по диоксиду хлора в широких пределах.
В таблице 1 приведены сравнительные удельные энергозатраты на производство раствора диоксида хлора и хлора.
Таблица 1
Показатели
Производительность по диоксидухлора, кг/час
Расход воды на эжектор, м<sup>3</sup>/час
Давление в аппарате [абсолютное),кПа
Давление воды на эжектор(абсолютное), кПа
Удельные энергозатраты, кДж/кг диоксида хлора* час
На эжектирование
На нагрев
Аналог
0,5
4,5
85
400
2700
нет
Прототип
5,0
75,0
8÷21
540÷680 (табл.1 описания)
6600÷8700
6495
Заявляемое решение
0,5
1,4
22÷400
260
448
нет
5,0
14
22÷100
260
448
нет
Как видно из таблицы, удельные энергозатраты на получение 1 кг раствора диоксида хлора и хлора по заявленному техническому решению во много раз ниже, чем по прототипу.
На фиг.1 представлен вариант аппарата для осуществления способа. Аппарат содержит корпус (1) с встроенным циркуляционным устройством (2). Корпус представляет собой два соосных цилиндра, при этом сечение верхнего цилиндра больше, чем сечение нижнего цилиндра. В днище корпуса подведены патрубки подачи серной кислоты (3) и хлорат-хлоридного раствора (4), заведенные внутрь циркуляционного устройства (2) параллельно его оси. В верхней части корпуса (1) имеется патрубок для отвода паро-газожидкостной смеси (5), соединенный с эжектором (6). В корпусе (1) аппарата имеются отверстия для замера температуры раствора (7) и давления (8).
Аппарат работает следующим образом. Подают воду в эжектор (6), и в аппарате сразу же образуется пониженное давление, которое замеряют прибором через патрубок (8). Когда давление достигнет 10 кПа, подачу воды прекращают, и корпус (1) через патрубок (5) и эжектор (6) автоматически заполняется водой из трубопровода технологического раствора за счет остаточного пониженного давления в аппарате. После этого возобновляют подачу воды в эжектор (6) и устанавливают ее номинальное давление, при этом излишки воды из корпуса (1) аппарата отсасываются эжектором (6) через патрубок (5). Таким образом, уровень воды (а впоследствии и уровень рабочего раствора) в аппарате определяется положением патрубка (5). В аппарат через патрубок (3), заведенный внутрь циркуляционного устройства (2), подают серную кислоту.
Вследствие большого количества теплоты, выделяющейся при растворении серной кислоты в воде, смесь сильно нагревается, часть воды при этом испаряется, т.к. в аппарате достаточно низкое давление. Температуру жидкости фиксируют прибором через патрубок (7). Образовавшиеся пузырьки пара вытесняют часть жидкости из циркуляционного устройства (2), в результате чего удельный вес парожидкостной смеси внутри циркуляционного устройства (2) становится меньше удельного веса жидкости (воды, а затем водного раствора кислоты), находящейся снаружи циркуляционного устройства. Как следствие этого, более тяжелая жидкость (снаружи) передавливает более легкую парожидкостную смесь (внутри циркуляционного устройства) и через зазор между нижним концом циркуляционного устройства (2) и дном корпуса (1) поступает внутрь циркуляционного устройства (2). Парожидкостная смесь, поднявшись по циркуляционному устройству (2), попадает в верхнюю часть аппарата, где происходит отделение пара от жидкости: пар поступает в парогазовое пространство аппарата, а оттуда через патрубок (5) - в эжектор (6), а жидкость через зазор между циркуляционным устройством (2) и нижней частью корпуса (1) опускается вниз. Таким образом, формируется циркуляционный контур жидкости в аппарате, отмеченный на фигуре 1: внутренняя часть циркуляционного устройства (2) - верхняя часть аппарата - зазор между циркуляционным устройством (2) и нижней частью корпуса (1) аппарата - нижняя часть корпуса (1) - внутренняя часть циркуляционного устройства (2).
После достижения заданного значения кислотности в аппарате начинают подачу хлорат-хлоридного раствора через патрубок (4). В результате химической реакции между хлоратом, хлоридом и серной кислотой внутри циркуляционного устройства (2) образуются газообразные диоксид хлора и хлор, которые еще больше способствуют циркуляции раствора в аппарате, тем самым обеспечивается равенство концентрации рабочего раствора по всему объему аппарата. Это сводит к минимуму появление застойных зон, в которых может повышаться концентрация диоксида хлора в растворе, влекущая "хлопки" и "пыхтение", нарушающие стационарный режим работы аппарата.
Получившиеся в результате химической реакции газообразные диоксид хлора и хлор, а также жидкую фазу из корпуса (1) через патрубок (5) отсасывают эжектором (6), где от смешивания с водой, подаваемой в эжектор (6), получившийся водный раствор затем направляют на обработку воды.
В процессе работы аппарат позволяет варьировать производительность по раствору диоксида хлора и хлора в широких пределах без нарушения гидродинамики путем изменения расхода подаваемых в него реагентов.
Остановка работы аппарата сводится к прекращению подачи кислоты и раствора, в результате чего давление в аппарате быстро понижается и аппарат через патрубок (5) заполняется водой, тем самым прекращая химическую реакцию в нем.
Аппараты с цилиндрическим корпусом, имеющим одну дополнительную обечайку сверху большего диаметра, и с цилиндрическим циркуляционным устройством (наиболее простая в изготовлении конструкция) используются в установках производительностью до 0,2 кг/час по диоксиду хлора (по обеззараживаемой воде до 5 м3/час). При большей производительности используют корпус, состоящий из большего количества обечаек либо конический.
Контроль за работой аппарата осуществляют по давлению и температуре рабочего раствора в нем, для чего через патрубки (7) и (8) внутрь вводят датчики соответствующих приборов.
Работу заявляемого аппарата можно пояснить следующими примерами осуществления.
Пример 1. Получение водного раствора диоксида хлора и хлора ведут в цилиндрическом вертикально расположенном аппарате непрерывного действия. Внутренний диаметр корпуса 46 мм, высота 250 мм, диаметр цилиндрического циркуляционного устройства 20 мм, высота 150 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 - 0,15 л/ч, скорость подачи раствора хлората и хлорида натрия - 0,28 л/ч. Расход воды через эжектор - 320 л/ч. Давление (абсолютное) воды на входе в эжектор - 0,3 МПа. Слив воды (раствора) из эжектора - свободный. Давление (абсолютное) в аппарате - 22 кПа, температура 51°C (Производительность по диоксиду хлора при этом составляет 50 г/час).
Пример 2. Способ проведения процесса аналогичен описанному в примере 1. Получение водного раствора диоксида хлора и хлора ведут в цилиндрическом вертикально расположенном аппарате непрерывного действия. Внутренний диаметр верхней части аппарата - 150 мм, высота -140 мм; внутренний диаметр нижней части аппарата - 70 мм, высота - 210 мм; диаметр циркуляционной трубы - 32 мм, высота 220 мм, к верхнему торцу трубы прикреплен диск с наружным диаметром 130 мм.
3
Скорость подачи кислоты в реактор поддерживают 1,5 л/ч, скорость подачи раствора хлората и хлорида натрия - 2,75 л/ч. Расход воды через эжектор - 1,56 м/ч, давление (абсолютное) на входе в эжектор - 0,29 МПа, слив из эжектора - свободный. Давление (абсолютное) в реакторе - 26 кПа, температура - 56°C Производительность по диоксиду хлора при этом составляет 0,5 кг/час).
3
Пример 3. Способ проведения процесса аналогичен описанному в примере 1. Получение водного раствора диоксида хлора и хлора ведут в аппарате непрерывного действия, корпус аппарата и циркуляционного устройства представляют собой усеченные конусы с диаметрами в нижней части 70 и 35 мм соответственно, диаметрами в верхней части 180 и 100 мм соответственно и высотой 300 и 210 мм соответственно. Скорость подачи кислоты в реактор поддерживают 2,03 л/ч, скорость подачи раствора хлората и хлорида натрия - 3,85 л/ч. Расход воды через эжектор - 2,22 м/ч, давление (абсолютное) воды на входе в эжектор - 0,16 МПа, слив из эжектора -свободный. Давление (абсолютное) в реакторе - 70 кПа, температура - 65°C Производительность по диоксиду хлора при этом составляет 0,7 кг/час).