РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РАСТВОРА ДИОКСИДА ХЛОРА
REACTOR FOR OBTAINING CHLORINE DIOXIDE SOLUTION

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.
2
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 см 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.
2
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 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.
2
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 см 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).