CN103482576B - 一种高效制备高纯度二氧化氯的方法及其专用设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效制备高纯度二氧化氯的方法，包括如下步骤：将氯酸钠溶液、硫酸溶液和过氧化氢溶液加入到二氧化氯气体发生器（1）中进行反应，通过曝气管（8）不断地曝气下产生高纯度二氧化氯气体，并由引入的空气将其带出所述二氧化氯气体发生器（1），送至需要消毒的场所，所述二氧化氯气体发生器（1）为U型或S型。本发明还公开了一种用于实现上述方法的二氧化氯气体发生器。本发明所述方法制备成本低，操作简便，安全性强，运行稳定，杀菌、消毒效果理想，可满足各种场所的水处理需要。

Description

一种高效制备高纯度二氧化氯的方法及其专用设备

技术领域

本发明涉及一种二氧化氯的制备方法及设备，特别是涉及一种高效制备高纯度二氧化氯的方法及其专用设备。

背景技术

二氧化氯作为国际上公认的新一代广谱强力杀菌消毒剂，在社会上已被广泛应用于饮用水消毒、循环水及污水处理等领域。由于二氧化氯杀菌迅速、效果好，无残留，无副作用，所以，越来越得到人们的认可。

制备二氧化氯的发生器在国内已有近20年的历史了，在各方面都有了很大的发展，其行业规模也得到了不断发展壮大，在环保领域发挥着重要作用。但是，目前市场上的二氧化氯气体发生器主要都是以复合型发生器为主，高纯型的发生器很少，尤其是三元法工艺（即氯酸钠、硫酸、过氧化氢）制备的就更少了，有的高纯型也只是亚氯酸钠法制备，由于消毒成本高，很难推广。之所以出现这种局面，主要有以下问题所致：

1.三元法制备的二氧化氯纯度高，一般ClO₂纯度可达到99.9%，如有不慎，极易发生分解爆炸，与复合型发生器的控制、操作都是不能等同的，需要一定技术的支持，资金的投入，研制中并具有一定的风险性。

2.三元法高纯型二氧化氯气体发生器因使用硫酸作为酸介质，这就对设备材质、制备操作、生产管理等都带来了严格的要求，如有疏漏，也同样会带来各种问题，产生不安全因素。

3.硫酸参与反应过程中，由于与其他原料混合时其稀释热很大，对材质、操作都带来不利因素，所以，必须采取合理的技术措施，才能得到有效的控制，设备才能正常、稳定运行，否则，该制备根本无法实施。

当前，随着国民经济的快速发展，高纯二氧化氯气体发生器对许多水体的杀菌、消毒，特别是特殊要求水体的处理等方面都有着一定的市场需求，是复合二氧化氯气体发生器不能比拟的，因此，高纯型发生器的研发已势在必行，是水处理领域不可缺少的产品类型。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效制备高纯度二氧化氯的方法。

本发明的又一目的是提供一种实现所述方法的专用设备，即二氧化氯气体发生器。

一种高效制备高纯度二氧化氯的方法，包括如下步骤：将氯酸钠溶液、硫酸溶液和过氧化氢溶液加入到二氧化氯气体发生器中进行反应，通过曝气管不断地曝气下产生高纯度二氧化氯气体，并由引入的空气将其带出所述二氧化氯气体发生器，送至需要消毒的场所，所述二氧化氯气体发生器为U型或S型。所述方法利用三元物料在U型或S型的二氧化氯气体发生器中反应，改变原来流体的流动、混合状态，强化了宏观混合状态，以提高反应效率，同时，保证了反应液的匀速流动，不会出现反应的内在波动，满足了反应历程中各阶段的条件，保证了反应的连续性，提高整体反应效果。

本发明以氯酸钠、硫酸和过氧化氢为原料，采用撞击流、内返混技术，在一定的温度下，控制一定的原料摩尔比，使反应母液在反应器中进行充分反应，制备出高纯二氧化氯气体，其反应原理如下：

2NaClO₃+H₂SO₄+H₂O₂=2ClO₂+Na₂SO₄+2H₂O+O₂

本发明所述的高效制备高纯度二氧化氯的方法，包括如下步骤：将浓度为40.2%的氯酸钠溶液、浓度为75%的稀硫酸溶液和浓度为27.5%的过氧化氢溶液按照摩尔比为1：0.77～0.79：0.55～0.59的比例加入到二氧化氯气体发生器中进行反应，通过曝气管不断地曝气下得到高纯度的二氧化氯气体，其纯度≥99.9%。采用本发明所述的溶液浓度和摩尔比加入到所述二氧化氯气体发生器中反应，很好地实现了较理想的物料平衡及热量平衡，因高纯二氧化氯气体在温度升高时，极易发生分解爆炸。本发明在该溶液浓度下，可避免因稀释热产生的温度升高，在该摩尔比下，又可使溶液的H⁺浓度保持3mol左右，确保高纯法二氧化氯能够按照主反应安全、顺利进行。在生产中可以有效地防止危险的发生，不会引起分解爆炸或者因稀释热过大而引发危险。

本发明所述的高效制备高纯度二氧化氯的方法，其中所述反应器的进口端设置有集流管，出口端设置有护流板，进口端侧的高度低于出口端并通过返混管与所述出口端相连，使出口端处高于进口端侧高度的溶液通过所述返混管回到进口端侧。所述集流管将三股输入所述二氧化氯气体发生器的溶液在曝气条件下汇集在一起；当出口端的溶液液面高于进口端时，为克服出口端较高负压，所述护流板使溶液不受负压的影响通过返混管回到进口端处实现反应溶液在所述二氧化氯气体发生器中的内返混，加快了整体反应速率，提高了反应效果。所述护流板为长方形的板状，其正面与所述返混管的管口相对，且所述护流板顶部与所述返混管侧的气体发生器内壁之间通过封口板封闭，所述护流板的宽度不小于所述U型或S型气体发生器的直径的1/3，所述护流板的底部不高于所述返混管的高度，顶部高于所述返混管。可阻止反应器出口负压对护流板内的液体的影响，与护流板另一侧的液体形成二种流动状态。在反应中，护流板内的液体在出口端高液位的静压下，并在不受负压抽力的影响下，通过返混管缓慢流向进口端，以实现反应液的内返混作用。

本发明所述的高效制备高纯度二氧化氯的方法，其中所述护流板的宽度同所述气体发生器的直径相同，将所述出口侧的气体发生器内腔分隔成两个半圆形空间，其中靠近所述返混管侧的圆形空间顶部由封口板封闭，所述封口板高于所述返混管5-10cm。

本发明所述的高效制备高纯度二氧化氯的方法，其中所述曝气方式为：曝气管通过限流器将空气连续通入所述二氧化氯气体发生器的进口端和出口端侧底部进行双曝气，控制气量体积比为1∶2，在这个比例的曝气条件下可实现上述的理想曝气效果，进口端处的曝气位置在所述集流管的入口端，在溶液进入集流管前进行曝气。本发明采用双曝气的方式，在所述二氧化氯气体发生器的进口端曝气可以使三股溶液在进入集流管的过程中得到充分的混合，在所述二氧化氯气体发生器出口端的底部曝气，可以使反应溶液在所述二氧化氯气体发生器的内部均匀混合并充分反应，实现宏观混合，并均匀反应溶液温度。

所述二氧化氯气体发生器中的反应温度为44～50℃。反应温度低时反应缓慢，温度高时易发生分解或爆炸。本发明所述方法在上述特定温度下反应，反应比较温和，避免了在高温下反应存在的安全问题。

本发明所述的高效制备高纯度二氧化氯的方法，其中所述反应器内部包括多个塑料球,其密度与溶液密度相当，耐硫酸介质，并随反应溶液的混合流动而自由运动。在塑料球随反应溶液的自由运动下产生撞击流，可实现微观混合，更加速了反应溶液的混合状态和反应效果。

一种二氧化氯气体发生器，其进口端侧的高度低于出口端并通过返混管与所述出口端相连，使出口端处高于进口端侧高度的溶液通过所述返混管回到进口端侧；所述二氧化氯气体发生器内部包括设置在进口端的集流管和设置在出口端的护流板，使高于所述返混管的溶液不受负压影响通过所述返混管回到出口端侧，所述二氧化氯气体发生器与曝气管相连通，所述二氧化氯气体发生器为U型或S型。

本发明所述的二氧化氯气体发生器，其中所述护流板为长方形的板状，其板状面与所述返混管的管口相对，所述护流板顶部与所述返混管侧的气体发生器内壁之间通过封口板封闭，所述护流板的宽度不小于所述气体发生器的直径的1/3，所述护流板的底部不高于所述返混管的高度，顶部高于所述返混管。

本发明所述的二氧化氯气体发生器，其中所述护流板的宽度同所述气体发生器的直径相同，将所述出口侧的气体发生器内腔分隔成两个半圆形空间，其中靠近所述返混管侧的半圆形空间顶部由封口板封闭，所述封口板高于所述返混管5-10cm。

本发明所述的二氧化氯气体发生器，其中所述曝气管通过限流器分为两条支路，一条与所述二氧化氯气体发生器的进口端相连通，设置在集流管的入口端，另一条与所述二氧化氯气体发生器的出口端侧的底部相连通；

所述二氧化氯气体发生器进口端分别与氯化钠输送管、硫酸输送管和过氧化氢输送管相连，出口端分别与抽气管和泄压管相连；

所述二氧化氯气体发生器内部包括多个塑料球，其随反应溶液的流动而自由运动。

所述二氧化氯气体发生器采用如上的特殊结构，通过采用一定厚度的钛材制作的反应器、集流管、曝气管（双曝气）、返混管、护流板及三条原料输送管，并在塑料球的作用实现反应溶液的充分混合和反应，并均匀反应溶液的温度，防止其局部高温，降低整体的反应温度，使生产更加安全，防止硫酸的稀释热过大发生危险。

本发明所述制备方法和二氧化氯气体发生器与现有技术不同之处在于：

二氧化氯发生器一般采用直形管式反应器，由于反应液为平推流式的，反应效率都不是太高，本发明采用U型或S型二氧化氯气体发生器，在曝气下反应母液得到充分搅动，实现宏观混合，并均匀母液温度，具有如下优点：

1.可改变反应液的流动状态，强化宏观混合效果，对反应有利；

2.该结构更易满足反应工程理论中工程因素的实施，同时也符合了二氧化氯发生器反应过程的顺利进行；

3.易加工，便于成形，焊缝少，可避免焊缝多对腐蚀增加的影响；

4.设备便于固定，结构紧凑，组装后，发生器整体尺寸小。

本发明所述方法在塑料球作用下产生撞击流，可实现微观混合，更加速了反应母液的混合状态和反应效果。并且，在双曝气下，通过集流管和护流板作用，利用返混管实现反应母液在反应器中的内返混，由于以上，加快了整体反应速率，提高了反应效果，在该停留时间下，原料转化率可达到95%以上。采用本发明所述的溶液浓度和摩尔比加入到反应器中反应，很好地实现了较理想的物料平衡及热量平衡；在所述反应器的进口端曝气可以使三股溶液在进入集流管的过程中得到充分的混合，在所述反应器的底部曝气，可以使反应溶液在所述反应器的内部均匀混合并充分反应，实现宏观混合，并均匀反应溶液温度；所述集流管将三股输入所述反应器的溶液在曝气条件下汇集在一起；当出口端的溶液液面高于进口端时，为克服反应器内产生的较高负压，设置护流板，使溶液不受负压的影响通过返混管回到进口端处实现反应溶液在所述反应器中的内返混，加快了整体反应速率，提高了反应效果。

本发明的高纯二氧化氯发生器与原高纯发生器相比，主要优点是二氧化氯制备成本低，其原亚氯酸钠法为0.035元/g，现三元法仅为0.012元/g，气体纯度均大于99.9%，同时自控水平高，操作简便，安全性强，运行稳定，杀菌、消毒效果理想，可满足各种场所的水处理需要。本发明专用设备与市场上发生器设备的最大区别就是改变了传统的反应器形式，采用了U型或S型二氧化氯气体发生器，结构紧凑，整机体积小，使反应母液的运动和混合状态发生了改变，同时，按照反应工程理论，设置了预混段。采用了内返混及撞击流技术，更增强了反应的快速、顺利进行，其结果可减少物料停留时间，提高了原料转化率，是一种新型高效反应器。通过本发明所述制备方法和专用设备，在生产中可以有效地防止危险的发生，不会引起分解爆炸或者因稀释热过大而引发危险。本发明方法制备出高纯度的二氧化氯气体（纯度大于99,9%），应用中将所产生的高纯度的二氧化氯气体连续的输送到需要处理的水体，可有效地进行杀菌、消毒。

下面结合附图对本发明所述的制备方法和二氧化氯气体发生器作进一步说明。

附图说明

图1为本发明所述U型二氧化氯气体发生器剖面结构示意图；

图2为本发明所述S型二氧化氯气体发生器剖面结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明所述的二氧化氯气体发生器1为U型，其进口端分别与氯化钠输送管7、硫酸输送管6和过氧化氢输送管5相连，出口端分别与抽气管11和泄压管10相连，且进口端侧的高度低于出口端并通过返混管4与所述出口端相连，使出口端处高于进口端高度的溶液通过所述返混管4回到进口端侧；所述二氧化氯气体发生器1内部包括设置在进口端的集流管2和设置在出口端的护流板3；所述二氧化氯气体发生器1与曝气管8相连通。

所述护流板3为长方形的板状，其板状面与所述返混管4的管口相对，所述护流板3顶部与所述返混管4侧的气体发生器1内壁之间通过封口板13封闭，所述护流板3的宽度不小于所述气体发生器1的直径的1/3，所述护流板3的底部不高于所述返混管4的高度，顶部高于所述返混管4。在本实施例中，所述护流板3的宽度同所述气体发生器1的直径相同，将所述出口侧的气体发生器1内腔分隔成两个半圆形空间，其中靠近所述返混管4侧的半圆形空间顶部由封口板13封闭，所述封口板13为半圆形，高于所述返混管4的高度5-10cm。

所述曝气管8通过限流器9分为两条支路，一条与所述二氧化氯气体发生器1的进口端相连通，设置在所述集流管2的入口端，另一条与所述二氧化氯气体发生器1的出口端侧的底部相连通。所述二氧化氯气体发生器1内部包括多个塑料球12，其密度同反应溶液的密度相当，并随反应溶液的混合流动而自由运动。

由于三元法制备高纯二氧化氯过程中，其硫酸稀释热很大，加之硫酸对非金属材料易碳化及高纯二氧化氯极易分解爆炸的情况，所以，U型或S型反应器（包括二氧化氯气体发生器1壳体、集流管2、曝气管8、返混管4、护流板3、氯化钠输送管7、硫酸输送管6和过氧化氢输送管5）全部采用耐二氧化氯的金属钛制作，散热性好，安全性高。

实施例2

如图2所示，所述二氧化氯气体发生器1为S型，其他同实施例1。S型二氧化氯气体发生器1混合、反应空间更大，用于制备能力大一些的场所。

实施例3

一种采用实施例1或2所述二氧化氯气体发生器制备高纯度二氧化氯的方法，包括如下步骤：

将40.2%的氯酸钠溶液、75%的稀硫酸溶液和27.5%的过氧化氢溶液按照摩尔比为1：0.78：0.57的比例加入到二氧化氯气体发生器1中进行反应，采用撞击流、内返混技术，制备中双曝气通过限流器9控制所述二氧化氯气体发生器1进口端和底部的气量比为1∶2（v/v），在自动控制下，反应温度控制为44℃。最终得到高纯度的二氧化氯气体，送到被处理水体中。

在制备过程中，现场对二氧化氯气体发生器1进行取样分析检测，检测结果：二氧化氯气体纯度99.93%，原料转化率95.0%。

实施例4

一种采用实施例1或2所述二氧化氯气体发生器制备高纯度二氧化氯的方法，包括如下步骤：

将40.2%的氯酸钠溶液、75%的稀硫酸溶液和27.5%的过氧化氢溶液按照摩尔比为1：0.79：0.55的比例加入到二氧化氯气体发生器1中进行反应，采用撞击流、内返混技术，制备中双曝气通过限流器9控制所述二氧化氯气体发生器1进口端和底部的气量比为1∶2（v/v），在自动控制下，反应温度控制为44.5℃。最终得到高纯度的二氧化氯气体，送到被处理水体中。

在制备过程中，现场对二氧化氯气体发生器1进行取样分析检测，检测结果：二氧化氯气体纯度99.95%，原料转化率95.0%。

实施例5

一种采用实施例1或2所述二氧化氯气体发生器制备高纯度二氧化氯的方法，包括如下步骤：

将40.2%的氯酸钠溶液、75%的稀硫酸溶液和27.5%的过氧化氢溶液按照摩尔比为1：0.77：0.59的比例加入到二氧化氯气体发生器1中进行反应，采用撞击流、内返混技术，制备中双曝气通过限流器9控制所述二氧化氯气体发生器1进口端和底部的气量比为1∶2（v/v），在自动控制下，反应温度控制为47℃。最终得到高纯度的二氧化氯气体，送到被处理水体中。

在制备过程中，现场对二氧化氯气体发生器1进行取样分析检测，检测结果：二氧化氯气体纯度99.93%，原料转化率95.2%。

实施例6

一种采用实施例1或2所述二氧化氯气体发生器制备高纯度二氧化氯的方法，包括如下步骤：

将40.2%的氯酸钠溶液、75%的稀硫酸溶液和27.5%的过氧化氢溶液按照摩尔比为1：0.78：0.58的比例加入到二氧化氯气体发生器1中进行反应，采用撞击流、内返混技术，制备中双曝气通过限流器9控制所述二氧化氯气体发生器1进口端和底部的气量比为1∶2（v/v），在自动控制下，反应温度控制为50℃。最终得到高纯度的二氧化氯气体，送到被处理水体中。

在制备过程中，现场对二氧化氯气体发生器1进行取样分析检测，检测结果：二氧化氯气体纯度99.92%，原料转化率95.4%。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高效制备高纯度二氧化氯的方法，其特征在于：包括如下步骤：将氯酸钠溶液、硫酸溶液和过氧化氢溶液加入到二氧化氯气体发生器(1)中进行反应，通过曝气管(8)不断地曝气下产生高纯度二氧化氯气体，并由引入的空气将其带出所述二氧化氯气体发生器(1)，送至需要消毒的场所，所述二氧化氯气体发生器(1)为U型或S型；

所述二氧化氯气体发生器(1)的进口端设置有集流管(2)，出口端设置有护流板(3)，进口端侧的高度低于出口端并通过返混管(4)与所述出口端相连，使出口端处高于进口端高度的溶液通过所述返混管(4)回到进口端侧；所述护流板(3)为长方形的板状，其板状面与所述返混管(4)的管口相对，所述护流板(3)顶部与所述返混管(4)侧的气体发生器(1)内壁之间通过封口板(13)封闭，所述护流板(3)的宽度不小于所述气体发生器(1)的直径的1/3，所述护流板(3)的底部不高于所述返混管(4)的高度，顶部高于所述返混管(4)。

2.根据权利要求1所述的高效制备高纯度二氧化氯的方法，其特征在于：包括如下步骤：将浓度为40.2％的氯酸钠溶液、浓度为75％的稀硫酸溶液和浓度为27.5％的过氧化氢溶液按照摩尔比为1：0.77～0.79：0.55～0.59的比例加入到二氧化氯气体发生器(1)中进行反应，通过曝气管(8)不断地曝气下得到高纯度的二氧化氯气体，其纯度≥99.9％。

3.根据权利要求2所述的高效制备高纯度二氧化氯的方法，其特征在于：

所述护流板(3)的宽度同所述气体发生器(1)的直径相同，将所述出口侧的气体发生器(1)内腔分隔成两个半圆形空间，其中靠近所述返混管(4)侧的半圆形空间顶部由封口板(13)封闭，所述封口板(13)高于所述返混管(4)5-10cm。

4.根据权利要求1所述的高效制备高纯度二氧化氯的方法，其特征在于：

所述曝气方式为：曝气管(8)通过限流器(9)将空气连续通入所述二氧化氯气体发生器(1)的进口端和出口端侧底部进行双曝气，控制气量体积比为1∶2，进口端处的曝气位置在所述集流管(2)的入口端，在溶液进入集流管(2)前进行曝气；

所述二氧化氯气体发生器(1)中的反应温度为44～50℃。

5.根据权利要求1所述的高效制备高纯度二氧化氯的方法，其特征在于：所述二氧化氯气体发生器(1)内部包括多个塑料球(12)，其随反应溶液的流动而自由运动。

6.一种二氧化氯气体发生器，其特征在于：所述二氧化氯气体发生器(1)进口端侧的高度低于出口端并通过返混管(4)与所述出口端相连，使出口端处高于进口端侧高度的溶液通过所述返混管(4)回到进口端侧；所述二氧化氯气体发生器(1)内部包括设置在进口端的集流管(2)和设置在出口端的护流板(3)，使高于所述返混管(4)的溶液不受负压影响通过所述返混管(4)回到出口端侧，所述二氧化氯气体发生器(1)与曝气管(8)相连通，所述二氧化氯气体发生器(1)为U型或S型；

所述曝气管(8)通过限流器(9)分为两条支路，一条与所述二氧化氯气体发生器(1)的进口端相连通，设置在集流管(2)的入口端，另一条与所述二氧化氯气体发生器(1)的出口端侧的底部相连通；

所述二氧化氯气体发生器(1)进口端分别与氯化钠输送管(7)、硫酸输送管(6)和过氧化氢输送管(5)相连，出口端分别与抽气管(11)和泄压管(10)相连；

所述二氧化氯气体发生器(1)内部包括多个塑料球(12)，其随反应溶液的流动而自由运动。

7.根据权利要求6所述的二氧化氯气体发生器，其特征在于：所述护流板(3)为长方形的板状，其板状面与所述返混管(4)的管口相对，所述护流板(3)顶部与所述返混管(4)侧的气体发生器(1)内壁之间通过封口板(13)封闭，所述护流板(3)的宽度不小于所述气体发生器(1)的直径的1/3，所述护流板(3)的底部不高于所述返混管(4)的高度，顶部高于所述返混管(4)。

8.根据权利要求7所述的二氧化氯气体发生器，其特征在于：所述护流板(3)的宽度同所述气体发生器(1)的直径相同，将所述出口侧的气体发生器(1)内腔分隔成两个半圆形空间，其中靠近所述返混管(4)侧的半圆形空间顶部由封口板(13)封闭，所述封口板(13)高于所述返混管(4)5-10cm。