РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РАСТВОРА ДИОКСИДА ХЛОРА И ХЛОРА

Полезная модель относится к производству хлорсодержащих окислителей (хлор, гипохлорит, диоксид хлора), применяемых в качестве реагентов при обеззараживании и очистке питьевой воды, сточных и оборотных вод, отбеливании тканей и бумажной массы.
Известен реактор для получения диоксида хлора и хлора путем взаимодействия раствора хлората и хлорида натрия и серной кислоты при температуре 30°С и атмосферном давлении [Патент СА №543589, oп. 17.07.1957 г., С01В 11/02]. Реактор представляет собой одну реакционную камеру, через которую пропускают воздух для разбавления и удаления, образующихся в реакторе газообразных продуктов диоксида хлора и хлора. Растворение диоксида хлора и хлора ведут в специальной поглотительной башне.
Недостатком данного изобретения является низкая скорость образования диоксида хлора и хлора вследствие неоптимальных условий протекания процесса. Это обусловлено применением однокамерного реактора большого объема, что не позволяет достичь оптимального температурного режима и высокой концентрации реагентов. Реактор обладает низкой производительностью, что делает его малопригодным в процессах водоподготовки.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является реактор получения раствора диоксида хлора и хлора [патент RU №2188791, oп. 10.09.2002 г., С01В 11/02]. В данном изобретении процесс получения раствора диоксида хлора и хлора проводят путем взаимодействия раствора хлората и хлорида натрия в реакционной среде содержащей серную кислоту в многокамерном реакторе, где число камер не меньше двух.
Двухкамерный реактор включает корпус с крышкой, в котором размещены каскадно две камеры, верхняя и нижняя. Патрубок ввода хлорат-хлоридного раствора натрия, патрубок ввода серной кислоты и патрубок ввода воздуха выполнены в крышке корпуса, причем нижние концы патрубков располагаются в верхней камере. Нижний конец патрубка ввода раствора хлорат - хлоридного раствора натрия выведен в газовоздушное пространство на поверхность реакционного раствора верхней камеры, нижний конец патрубка ввода серной кислоты выведен непосредственно в объем реакционного раствора. Нижний конец патрубка ввода воздуха выведен в объем реакционного раствора на дно верхней камеры. Патрубок ввода воды, также выполнен в крышке корпуса и выведен в объем отработанного реакционного раствора нижней камеры. Патрубок отвода продуктов реакции из внешней камеры выполнен в стенке корпуса и расположен на уровне "зеркала" поверхности отработанного реакционного раствора. Газообразные продукты реакции, которые выделяются из реакционного раствора в виде пузырей, поступают в газовоздушное пространство реактора и удаляются оттуда воздухом, который прокачивается через реакционную среду. При работе реактора реакционный раствор переливается через стенку верхней камеры в нижнюю реакционную камеру. Перемешивание реагентов в верхней камере ведут подаваемым воздухом, путем барботажа, при этом создается постоянное движение газовоздушной смеси в направлении сверху вниз. Для разбавления отработанного реакционного раствора и предотвращения кристаллизации в нем сульфата натрия в нижнюю реакционную камеру дополнительно подают воду. Из нижней камеры отработанный реакционный раствор вместе с диоксидом хлора, хлором и поступающими в реактор воздухом и водой отсасывается водоструйным эжектором. В дальнейшем осуществляют поглощение диоксида хлора и хлора водой и получение раствора этих газов.
Данное изобретение не обеспечивает высокую степенью превращения хлората натрия в диоксид хлора. Двухкамерный реактор позволяет достичь степень превращения хлората натрия в диоксид хлора лишь 90-91%.
Это обусловлено тем, что технологический процесс идет при неоптимальной низкой рабочей концентрации хлората и хлорида натрия и низкой температуре.
Заявляемая полезная модель решает задачу повышения производительности реактора и увеличения процента относительного выхода продукта при меньших габаритах реактора, с одновременным повышением надежности и безопасности его работы, что обеспечивается достижением технического результата, заключающегося в создании условий интенсификации протекаемых реакций, необходимого температурного режима и оптимального отведения продуктов реакции. Поставленная задача решается тем, что в реакторе для получения раствора диоксида хлора и хлора, включающем корпус с крышкой, внутри которого размещены две реакционные камеры, патрубок ввода хлорат-хлоридного раствора натрия, патрубок ввода серной кислоты, патрубок ввода воздуха и патрубок ввода воды, выполненные в крышке, и патрубок вывода конечного продукта, согласно полезной модели реакционные камеры установлены осесимметрично, причем внутренняя реакционная камера выполнена проточной и расположена на дне внешней реакционной камеры на ножках, патрубок ввода хлорат-хлоридного раствора натрия соединен с нижним распылительным устройством, установленным на боковой поверхности внутренней реакционной камеры, патрубок ввода серной кислоты соединен с верхним распылительным устройством, также установленным на боковой поверхности внутренней реакционной камеры, патрубок ввода воздуха и патрубок ввода воды объединены в один патрубок, который соединен с донным распылительным устройством, патрубок вывода готового продукта выполнен в днище внешней реакционной камеры, причем верхний конец его достигает пространства в непосредственной близости от крышки корпуса. Кроме того, нижнее распылительное устройство выполнено в виде шайбы, внутри которой выполнен кольцевой проточный канал, которая закреплена на внешней поверхности внутренней реакционной камеры в нижней ее части, так, чтобы оси проточного канала и форсунок нижнего пояса, выполненных в боковой поверхности внутренней реакционной камеры были на одном уровне.
Верхнее распылительное устройство выполнено в виде шайбы, внутри которой выполнен кольцевой проточный канал, которая закреплена на внешней поверхности внутренней реакционной камеры в верхней ее части, так, чтобы оси проточного канала и форсунок верхнего пояса, выполненных в боковой поверхности внутренней реакционной камеры были на одном уровне.
Донное распылительное устройство выполнено внутри днища внешней реакционной камеры и представляет собой горизонтальные щелевые каналы и вертикальные форсунки.
Корпус снабжен водяной рубашкой с терморегулятором.
В днище внешней реакционной камеры установлен сливной вентиль, а в крышке корпуса установлен для сброса предохранительный клапан избыточного давления.
При таком разноуровневом способе подведения реагентов их взаимодействие происходит в локализованной зоне реакционного пространства внутренней камеры и более тяжелый реагент при распылении просачивается через впрыскиваемый под ним более легкий реагент, что способствует их хорошему перемешиванию.
Донное распылительное устройство выполнено внутри днища и представляет собой горизонтальные щелевые каналы и вертикальные форсунки, сопла которых выходят в придонное пространство внешней и внутренней реакционных камер.
Посредством каналов и ряда равномерно расположенных форсунок воздух подается снизу вверх в реакционное пространство внутренней и внешней камер, в объем отработанного реакционного раствора на дне внешней камеры и протягивается через общее газовоздушное пространство реактора. Восходящие потоки воздуха в реакционном пространстве внутренней камеры поднимают впрыскиваемый более легкий раствор хлората и хлорида натрия под впрыскиваемую более тяжелую серную кислоту, что также способствует хорошему перемешиванию и более интенсивному взаимодействию реагентов.
Кроме того, образующиеся во время реакции газообразные диоксид хлора и хлор разбавляются прокачиваемым воздухом до взрывобезопасной концентрации и вместе с воздухом поднимаются в общее газовоздушное пространство внутренней и внешней реакционных камер реактора. Благодаря проточной конструкции внутренней камеры, отработанный реакционный раствор собирается на дне как внутренней, так и внешней реакционных камер, где он интенсивно барботируется потоком воздуха входящего через патрубок и периодически разбавляется подаваемой через этот же патрубок промывочной водой, что способствует его дальнейшему удалению из реактора в виде воздушно-капельной смеси.
Корпус реактора снабжен водяной рубашкой с терморегулятором, что способствует сохранению теплоты протекающей химической реакции и в целом более эффективному протеканию процесса.
В днище внешней реакционной камеры установлен сливной вентиль, а в крышке корпуса установлен предохранительный клапан для сброса возможного избыточного давления в реакторе и безопасного проведения процесса.
Таким образом, использование заявляемой конструкции реактора, снабженного водяной рубашкой и предохранительными клапанами обеспечивает создание условий интенсификации протекаемых реакций необходимый температурный режим и оптимальное отведение продуктов реакции, и тем самым позволяет повысить производительность процесса, обеспечить более высокий выход продукта при меньших габаритах реактора, с одновременным повышением надежности и безопасности его работы.
На чертеже представлен общий вид реактора для получения диоксида хлора и хлора.
Реактор содержит вертикальный цилиндрический корпус 1, который снабжен водяной рубашкой 2. Сверху корпуса 1 установлена герметичная крышка 3. В корпусе 1 осесимметрично установлены внешняя реакционная камера 4 и внутренняя реакционная камера 5, причем внутренняя реакционная камера 5 выполнена проточной и монтируется на ножках 6 соосно на дне внешней реакционной камеры 4. На боковой поверхности внутренней реакционной камеры 5 выполнены нижний пояс из форсунок 7 и верхний пояс из форсунок 8.
В крышке 3 корпуса 1 выполнен патрубок 9 ввода воздуха и воды. Нижний конец патрубка 9 соединен с донным распылительным устройством 10, выполненным в днище внешней реакционной камеры 4. Донное распылительное устройство 10 имеет щелевые горизонтальные каналы 11 и вертикальные форсунки 12.
В крышке 3 корпуса 1 выполнен патрубок 13 ввода хлорат-хлоридного раствора натрия, нижний конец которого соединен с нижним распылительным устройством 14, выполненным в виде шайбы 15, которая крепится на внешней поверхности внутренней реакционной камеры 5. На внутренней поверхности шайбы 15 выполнен кольцевой канал 16. Конструктивно, распылительное устройство 14 закреплено на теле внутренней реакционной камеры 5 так, чтобы оси форсунок 7 нижнего пояса и кольцевого канала 16 были на одном уровне.
В крышке 3 корпуса 1 выполнен патрубок 17 ввода серной кислоты, нижний конец которого соединен с верхним распылительным устройством 18, выполненным в виде шайбы 19, которая крепится на внешней поверхности внутренней реакционной камеры 5. На внутренней поверхности шайбы 19 выполнена кольцевой канал 20. Конструктивно, верхнее распылительное устройство 18 закреплено на теле внутренней реакционной камеры 5 так, чтобы оси форсунок 8 верхнего пояса и проточного канала 20 были на одном уровне.
В днище внешней реакционной камеры 4 установлен выходной патрубок 21 вывода продуктов реакции и отработанного реакционного раствора, верхний конец которого достигает пространства под крышкой 3.
В крышке 3 корпуса 1 установлен предохранительный клапан 22, а на дне внешней реакционной камеры 4 установлен сливной вентиль 23.
Реактор работает следующим образом. Предварительно, в общем реакционном пространстве реактора через выходной патрубок 21 отвода и транспортирования газовоздушной смеси и отработанного реакционного раствора, создают разрежение не менее 0,01 МПа. Разряжение создает эжекционная система, находящая вне реактора и на чертеже не показана. Затем через патрубок 9 во внешнюю реакционную камеру 4 и во внутреннюю реакционную камеру 5 подают водовоздушную смесь. В момент появления воды на выходе выходного патрубка 21 подачу воды прекращают, а подачу воздуха продолжают. Воздух, проходя по донному распылительному устройству 10, через его щелевые горизонтальные каналы 11 и вертикальные форсунки 12 поступает в нижнюю часть внешней и внутренней реакционных камер 4 и 5. Через патрубок 13 во внутреннюю реакционную камеру 5 через нижнее распылительное устройство 14 по кольцевому проточному каналу 16 и форсункам нижнего 7 нижнего пояса подают с определенной скоростью раствор хлората и хлорида натрия. Одновременно через патрубок 17 во внутреннюю реакционную камеру 5 через верхнее распылительное устройство 18 по кольцевому каналу 20 и форсункам 8 верхнего пояса подают с определенной скоростью концентрированную серную кислоту. Такой способ подведения реагентов обеспечивает их взаимодействие в локализованной зоне реакционного пространства внутренней реакционной камеры 5. В этой зоне более тяжелый реагент - концентрированная серная кислота, распыляемый форсунками 8 верхнего пояса просачивается в нижний более легкий реагент - хлорат-хлоридный раствор натрия, впрыскиваемый форсунками 7 нижнего пояса. Воздух, распыляемый снизу, дополнительно способствует подниманию более легкого реагента вверх - под более тяжелый. Происходит интенсивное перемешивание реагентов и в целом более эффективное протекание процесса. Небольшой объем реакционного пространства внутренней реакционной камеры 5, и впрыскивание растворов реагентов высокой концентрации на различных по высоте уровнях, с учетом различий их плотности, позволяет достигать максимально благоприятного температурного режима, за счет теплового эффекта химической реакции, высокой скорости протекания процесса и высокий относительный выход продукта. Оптимальный интервал температур в реакторе 35-40°C поддерживают также с помощью водяной рубашки 2 в корпусе 1 реактора. Терморегулятор, управляющий температурой жидкости в водяной рубашке 2 в зависимости от температуры окружающей среды, на чертеже не показан.
Образующиеся во время реакции газообразные диоксид хлора и хлор разбавляются прокачиваемым воздухом до взрывобезопасной концентрации менее 10% и вместе с воздухом поднимаются в общее газовоздушное пространство внутренней и внешней реакционных камер 4 и 5. Благодаря проточной конструкции внутренней реакционной камеры 5, отработанный реакционный раствор собирается как во внутренней, так и во внешней реакционных камерах 4 и 5, где он интенсивно барботируется потоком воздуха из донного распылительного устройства 10, поступающего через патрубок 9 и периодически разбавляется подаваемой через этот же патрубок 9 промывочной водой, что способствует его дальнейшему удалению из реактора в виде воздушно-капельной смеси.
Водоструйный эжектор через выходной патрубок 21 выводит газообразные фракции диоксида хлора, хлора и воздуха, а также отработанный реакционный раствор. Отвод продуктов реакции на поглощение водой за пределами реактора происходит из общего газовоздушного пространства под верхней крышкой 3. При этом движение газовоздушной смеси и потока капель отработанного реакционного раствора организовано снизу вверх по ходу движения проточного воздуха. Это способствует эффективному удалению продуктов реакции из реактора и протеканию прямой химической реакции.
В днище внешней реакционной камеры 4 расположен сливной вентиль 23 для слива реакционного раствора при ремонте реактора, его отключении, а также при аварийной ситуации, что повышает безопасность эксплуатации реактора. В крышке 3 корпуса 1 установлен предохранительный клапан 22 для сброса возможного избыточного давления в реакторе, что также повышает безопасность технологического процесса.
Использование заявляемого реактора, снабженного водяной рубашкой и предохранительным клапанами при применении оптимальных условий получения диоксида хлора и хлора в реакторе: определенных концентраций реагентов, их соотношения друг к другу, температурного режима и способа отведения продуктов реакции, позволяет повысить производительность процесса, обеспечить более высокий выход продукта при меньших габаритах реактора с одновременным повышением надежности и безопасности его работы.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующим примером его практического осуществления.
Пример
Непрерывное получение раствора диоксида хлора и хлора ведут в цилиндрическом вертикальном двухкамерном реакторе с водяной рубашкой, с проточной внутренней реакционной камерой, расположенной осесимметрично на дне внешней реакционной камеры. Внутренний диаметр внешней камеры реактора - 100 мм, высота внешней камеры - 130 мм. В качестве реагентов используют серную кислоту с концентрацией 92-94% и водный раствор хлората и хлорида натрия, содержащий 320-350 г/л хлората натрия и 180-210 г/л хлорида натрия. Скорость подачи раствора хлората и хлорида натрия поддерживают 0,53 л/ч, скорость подачи серной кислоты составляет 0,27 л/ч. Объем воздуха прокачиваемого через реактор составляет 360-380 л/ч, скорость промывания реактора водой не менее 70 мл/ч, разрежение в реакторе поддерживают не менее 0,1 атм., температуру реакционной среды 35-40°C.
При указанных выше режимах, производительность реактора по диоксиду хлора составляет 100 г/ч при относительном выходе продукта составляет 93-95%. Раствор диоксида хлора и хлора в воде получают в водоструйном эжекторе, расход воды через который составляет 1200-1500 л/ч, с отведением этого рабочего раствора в основной поток обрабатываемой (обеззараживаемой воды).