CN106115624B - 低酸量制备二氧化氯的方法及装置 - Google Patents

低酸量制备二氧化氯的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低酸量制备二氧化氯的方法及装置，其中低酸量制备二氧化氯的方法包括，将P3溶液和硫酸溶液加入到制备装置中进行反应产生二氧化氯气体，在反应过程中持续进行曝气；本发明低酸量制备二氧化氯的装置，包括依次连接的三级反应器，一级、二级反应器之间及二级、三级反应器之间分别通过第一溢流管、第二溢流管连通，一级反应器上连接有P3溶液输送管路、硫酸溶液输送管路及曝气管，一级、二级、三级反应器顶部均连接有一泄压管，所述三级反应器顶部还连接有抽气管，所述三级反应器上设置有加热装置。采用该方法及装置，原料转化率高、成本低、残液量小、残酸量小，并且采用该方法及装置制备的二氧化氯纯度高、活性高。

Description

低酸量制备二氧化氯的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种二氧化氯的制备方法及制备装置，特别是涉及一种采用低酸量制备高纯度、高活性二氧化氯的制备方法及其专用装置。
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、工业循环水及各种废水处理等领域。由于二氧化氯杀菌迅速、氧化能力强、效果好、无残留、无副作用，所以，当前在国家及各级政府高度重视环境保护的形势下，也得到了人们越来越多的认可，是目前最理想的清洁消毒剂。
制备二氧化氯发生器在国内已有近20多年的历史了，最早是混合二氧化氯发生器先研制出来，之后也研制出高纯二氧化氯发生器，到目前，不同的发生器在各方面都有了很大的进展，其行业规模也得到了不断发展壮大，在水处理及环保领域发挥着重要作用，尤其是高纯二氧化氯发生器可以充分展现出二氧化氯的许多优势，所以，在市场上备受青睐。目前我国市场上采用氯酸钠制备高纯二氧化氯的发生器从研发起，基本全都是围绕R11法(即三元法)工艺方法进行研发的，然而应用实践发现，三元法制备方法虽然在纯度、转化率指标上没较大问题，但耗用硫酸量很大，不仅导致制备成本高，而且反应后废液量很大，废液的含酸量也高，在应用中会给水体带来一些其他杂质，特别是对生活饮用水，会带来一些不利影响；在对工业废水处理方面，也会造成废水处理成本的明显提高；由于目前市场上还没有更理想的强氧化剂来取代二氧化氯，因此，上述状况很难改变。在我国研发这么多年来，高纯发生器一直没有成功的原创性研发，几乎都是围绕着三元法，并以此进行三种原料配比、反应器结构或材质的改动来进行研发，工艺及原料配方都没有根本的改变。多少年的研究证明，在三元法工艺基础上降低酸量，是无法实现的，只有采用新的工艺方法和配方才可降低酸量，也就是要通过原创性的研发，采用新的工艺方法来解决低酸量制备高纯二氧化氯的问题，达到市场所需要的理想效果。因此，低酸量制备二氧化氯的方法的研发亟待解决。
在过去，之所以一直没有在三元法工艺基础上进行低酸量制备工艺方法的研发，因具有以下难点：
1.酸度要求是制备二氧化氯的必要条件，因此，降低酸量，就意味着要减少水量，硫酸浓度提高，这些条件若应用在发生器上，并在原三元法工艺方法的基础上进行制备，会导致反应的剧烈进行，易产生爆鸣或爆炸，反应无法正常、稳定进行；
2.若提高硫酸浓度，高浓度硫酸会在反应器内会产生大量的稀释热，若稀释热平衡不了，也极易产生爆鸣或爆炸，使设备无法正常、稳定运行；
3.由于三元法(R11法)是国际上公认的先进生产工艺方法，在生产实践中被广泛采用，在新方法产生之前，一般很难跳出这个技术的范畴；依据二氧化氯的产生机理，二氧化氯只有在一定酸度下，才会反应产生，特别是采用氯酸钠法，酸度要求还要更高；所以，降低酸量制备高纯二氧化氯就需要研发新的工艺方法和工艺配方来解决，不仅具有很大难度，而且是需要一定的人力、物力和足够的时间。
当前，随着国家对环境保护的高度重视，高纯二氧化氯气体发生器对许多水体的杀菌、消毒、氧化，特别是对含氰及含有重金属等特殊要求水体的处理方面都有着一定的市场需求，这是混合二氧化氯发生器力所不能及的。因此，低酸法及专用装置的研发已迫在眉睫。
发明内容
本发明的首要目的是提供一种低酸量制备二氧化氯的方法，该方法原料转化率高、成本低、残液量小、残酸量小，并且采用该方法制备的二氧化氯纯度高、活性高。
本发明的另一目的是提供一种低酸量制备二氧化氯的装置，采用该装置制备二氧化氯原料转化率高、成本低、残液量小、残酸量小，并且采用该装置制得的二氧化氯纯度高、活性高。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案为：一种低酸量制备二氧化氯的方法，其特征在于：将P3溶液和硫酸溶液加入到制备装置中进行反应产生二氧化氯气体，在反应过程中持续进行曝气。
本发明低酸量制备二氧化氯的方法，所述P3溶液浓度为40～46％，所述硫酸溶液浓度为70～75％，所述P3溶液和硫酸溶液的摩尔比为1：1.07～1.16，且所述P3溶液和硫酸溶液的体积比为1：0.48～0.56。
本发明低酸量制备二氧化氯的方法，其中，所述P3溶液和硫酸溶液的反应分第一、第二、第三三级进行，上述三级反应在相互独立的三个反应器中进行，所述第一、第二级反应的反应温度均为65～70℃，所述第三级反应的反应温度为68～73℃。
本发明低酸量制备二氧化氯的装置，所述装置包括依次连接的一级反应器、二级反应器及三级反应器，所述一级、二级反应器之间及所述二级、三级反应器之间分别通过第一溢流管、第二溢流管连通，所述一级反应器上连接有P3溶液输送管路、硫酸溶液输送管路及曝气管，所述一级、二级、三级反应器顶部均连接有一泄压管，所述三级反应器顶部还连接有抽气管，所述三级反应器上设置有加热装置。
本发明低酸量制备二氧化氯的装置，其中，所述一级反应器为罐状体，所述罐状体内壁下部固定有若干个横向折流板，所述各横向折流板由高到低依次设置，所述P3溶液输送管路、硫酸溶液输送管路及曝气管与罐状体的连接点均位于最低的横向折流板下方。
本发明低酸量制备二氧化氯的装置，其中，所述二级反应器为罐状体，构成二级反应器的罐状体内壁固定有竖向折流板，所述竖向折流板为L形并且所述竖向折流板自所述罐状体的顶部延伸到底部，所述第一溢流管与所述构成二级反应器的罐状体的连接点位于所述罐状体的顶部并且位于所述竖向折流板的下方。
本发明低酸量制备二氧化氯的装置，其中，所述三级反应器为罐状体，所述加热装置为电磁感应加热器，所述电磁感应加热器包覆在构成三级反应器的罐状体外壁。
本发明低酸量制备二氧化氯的装置，其中，所述一级反应器、二级反应器均由PVC材料制成，所述三级反应器由钛制成，所述P3溶液输送管路的进料端、硫酸溶液输送管路的进料端与所述曝气管的进气端均在同一平面内，并且所述P3溶液输送管路的进料端、硫酸溶液输送管路的进料端与所述曝气管的进气端所成夹角均为60°。
本发明低酸量制备二氧化氯的装置，其中，一级反应器、二级反应器及三级反应器呈三角形布置。
本发明低酸量制备二氧化氯的装置，其中，所述第一溢流管与所述一级反应器的连接点位于所述一级反应器顶部，所述第二溢流管与所述二级反应器的连接点位于所述二级反应器的顶部，所述第二溢流管与所述三级反应器的连接点位于所述三级反应器的底部。
采用上述方案后，与现有技术相比由于本发明低酸量制备二氧化氯的方法中采用P3溶液和硫酸溶液进行反应产生二氧化氯气体，并且反应过程中持续曝气，一改原传统的三元法制备方法及配方，是一种原创性的新工艺，与原高纯制备工艺方法相比，制备过程中不仅硫酸用量少、消耗低，而且原料转化率高、成本低，其原三元法成本为0.01569元/g，现低酸法成本仅为0.01072元/g，是国内高纯制备方法的最低成本，更重要的是，反应后产生的残液量少，酸含量少(具体见附表)，真正实现了国内高纯制备方法的最少用酸量、最高转化率、最低成本、最少残液量、最少残酸量，极大地满足了客户的不同需求，解决了客户一直希望的降低用酸量、降低残液量、减少成本的问题，并且该方法制得的二氧化氯纯度高、活性高，杀菌、消毒、氧化污染物效果理想，可满足各种场所的水处理需要，尤其是对较难处理的工业废水提供了处理方法，保证后期的水处理效果能够达标，达到了高纯制备方法的最好水平，填补了市场空白。
另外，P3溶液浓度为40～46％，硫酸溶液浓度为70～75％，P3溶液和硫酸溶液的摩尔比为1：1.07～1.16，且P3溶液和硫酸溶液的体积比为1：0.48～0.56，采用上述溶液浓度达到了物料平衡及热量平衡，确保反应充分进行，既保证了反应母液的酸度，也使反应能够安全、稳定、快速地进行；
还有，由于本发明低酸量制备二氧化氯的方法中P3溶液和硫酸溶液的反应分三级进行，三级反应在相互独立的三个反应器中进行，在保证物料停留时间的同时，使物料得到了充分的散热和加热，反应过程中实行三温单控、三级反应相互独立，增加了反应母液的流动历程，不断改变宏观混合效果，改善反应母液的混合状态，促进整体反应速度，提高反应效果，其原料转化率可大于98％以上，达到了国内高纯二氧化氯制备技术的先进水平。
由于本发明装置包括依次连接的一级反应器、二级反应器及三级反应器，改变了原三元法只采用单一的反应器结构形式，相当于将反应过程分为预混段、混合反应段及最终反应段，延长物料停留时间的同时，使物料得到了充分的散热和加热；
还有，由于一级反应器内固定有横向折流板，二级反应器内固定有竖向折流板，第一溢流管与一级反应器的连接点位于一级反应器顶部，第二溢流管与二级反应器的连接点位于二级反应器的顶部，第二溢流管与三级反应器的连接点位于三级反应器的底部，使反应母液在曝气下不断改变混合状态，具有充足的停留时间，进一步提高物料转化率，加快反应速度，同时，也很好地解决了散热问题；
再有，一级反应器、二级反应器及三级反应器呈三角形布置，安全性强、结构紧凑，设备体积远小于三元法的体积。
附图说明
图1是本发明低酸量制备二氧化氯的装置的结构示意图；
图2是本发明低酸量制备二氧化氯的装置中P3溶液输送管路、硫酸溶液输送管路及曝气管与一级反应器的连接示意图。
具体实施方式
如图1所示，低酸量制备二氧化氯所用的装置，包括依次连接的一级反应器11、二级反应器12及三级反应器13，一级反应器11与二级反应器12之间及二级反应器12与三级反应器13之间分别通过第一溢流管14、第二溢流管15连通，一级反应器11上连接有P3溶液输送管路21、硫酸溶液输送管路22及曝气管23，一级、二级、三级反应器顶部分别通过一连接管连接到泄压管25，三级反应器13顶部还连接有抽气管24，三级反应器13上还设置有加热装置，一级反应器11、二级反应器12及三级反应器13呈三角形布置。
如图1所示，一级反应器11为罐状体，罐状体内壁下部固定有多个横向折流板111，各横向折流板111由高到低依次设置，P3溶液输送管路21、硫酸溶液输送管路22及曝气管23与罐状体的连接点均位于最低的横向折流板下方；在横向折流板111的阻挡作用下，P3溶液、硫酸溶液及经曝气管23进入一级反应器11内的空气在一级反应器内的停留时间延长，流动历程加长，使P3溶液与硫酸溶液充分混合，促进整体反应速率、提高反应效果、提高原料转化率。
如图1所示，二级反应器12为罐状体，构成二级反应器12的罐状体内壁固定有竖向折流板121，竖向折流板121为L形并且竖向折流板121自罐状体的顶部延伸到底部，第一溢流管14与构成二级反应器12的罐状体的连接点位于罐状体的顶部并且位于竖向折流板121的下方；在竖向折流板121的阻挡作用下，反应母液从二级反应器12的顶部到达底部、再从底部上升至顶部，使反应母液在二级反应器12内停留时间延长、流动历程加长，使P3溶液与硫酸溶液充分反应，并且延长散热时间，使稀释热得到充分释放，反应平稳进行。
如图1所示，第一溢流管14与一级反应器11的连接点位于一级反应器11顶部，第二溢流管15与二级反应器12的连接点位于二级反应器的顶部，第二溢流管15与所述三级反应器13的连接点位于三级反应器13的底部；上述设置进一步延长反应母液在反应装置内的停留时间和流动历程。
如图2所示，P3溶液输送管路21的进料端、硫酸溶液输送管路22的进料端与曝气管23的进料端均在同一平面内，并且P3溶液输送管路21的进料端、硫酸溶液输送管路22的进料端与曝气管23的进气端所成夹角均为60°，在曝气的作用下，使P3溶液与硫酸溶液更能充分混合。
如图1所示，三级反应器13为罐状体，加热装置为电磁感应加热器131，电磁感应加热器131包覆在构成三级反应器13的罐状体中部外壁，加热装置还可采用其他的普通电加热器。
一级反应器11、二级反应器12均由PVC材料制成，三级反应器13由钛制成。
本发明低酸量制备二氧化氯的方法实施例一
将40％的P3溶液(氯酸钠与C催化剂的混合液)和71％的稀硫酸溶液分别经P3溶液输送管路21、硫酸溶液输送管路22加入一级反应器11中，40％的P3溶液和71％的稀硫酸溶液的摩尔比为1：1.07、体积比为1：0.5，在一级反应器11中P3溶液和稀硫酸溶液发生反应形成反应母液，在反应过程中曝气管23持续曝气，上述反应母液经第一溢流管14进入二级反应器12，在二级反应器12内反应后经第二溢流管15进入三级反应器13，反应母液经过上述三级反应器充分的混合，使反应充分进行，最终得到高纯度、高活性的二氧化氯气体，经抽气管24送到被处理水体中，一级反应器11的反应温度自然维持在65℃、二级反应器12的反应温度自然维持为65℃，控制系统控制加热装置，在控制系统的自动控制下，三级反应器13内的反应温度保持在68℃，其反应原理如下：
NaClO3(+C)+H2SO4→ClO2↑+Na2SO4+H2O+O2↑
在上述制备过程中，现场对三级反应器13进行取样分析检测，检测结果：二氧化氯气体纯度为99.91％，原料转化率为98.4％。
本发明低酸量制备二氧化氯的方法实施例二
将43％的P3溶液(氯酸钠与C催化剂的混合液)和75％的稀硫酸溶液分别经P3溶液输送管路21、硫酸溶液输送管路22加入一级反应器11中，43％的P3溶液和75％的稀硫酸溶液的摩尔比为1：1.1、体积比为1：0.52，在一级反应器11中P3溶液和稀硫酸溶液发生反应形成反应母液，在反应过程中曝气管23持续曝气，上述反应母液经第一溢流管14进入二级反应器12，在二级反应器12内反应后经第二溢流管15进入三级反应器13，反应母液经过上述三级反应器充分的混合，使反应充分进行，最终得到高纯度、高活性的二氧化氯气体，经抽气管24送到被处理水体中，一级反应器11的反应温度自然维持在70℃、二级反应器12的反应温度自然维持为69℃，控制系统控制加热装置，在控制系统的自动控制下，三级反应器13内的反应温度保持在70℃，其反应原理如下：
NaClO3(+C)+H2SO4→ClO2↑+Na2SO4+H2O+O2↑
在上述制备过程中，现场对三级反应器13进行取样分析检测，检测结果：二氧化氯气体纯度为99.96％，原料转化率为98.9％。
本发明低酸量制备二氧化氯的方法实施例三
将44％的P3溶液(氯酸钠与C催化剂的混合液)和72％的稀硫酸溶液分别经P3溶液输送管路21、硫酸溶液输送管路22加入一级反应器11中，44％的P3溶液和72％的稀硫酸溶液的摩尔比为1：1.09、体积比为1：0.56，在一级反应器11中P3溶液和稀硫酸溶液发生反应形成反应母液，在反应过程中曝气管23持续曝气，上述反应母液经第一溢流管14进入二级反应器12，在二级反应器12内反应后经第二溢流管15进入三级反应器13，反应母液经过上述三级反应器充分的混合，使反应充分进行，最终得到高纯度、高活性的二氧化氯气体，经抽气管24送到被处理水体中，一级反应器11的反应温度自然维持在70℃、二级反应器12的反应温度自然维持为70℃，控制系统控制加热装置，在控制系统的自动控制下，三级反应器13内的反应温度保持在73℃，其反应原理如下：
NaClO3(+C)+H2SO4→ClO2↑+Na2SO4+H2O+O2↑
在上述制备过程中，现场对三级反应器13进行取样分析检测，检测结果：二氧化氯气体纯度为99.94％，原料转化率为99.03％。
本发明低酸量制备二氧化氯的方法实施例四
将46％的P3溶液(氯酸钠与C催化剂的混合液)和70％的稀硫酸溶液分别经P3溶液输送管路21、硫酸溶液输送管路22加入一级反应器11中，45％的P3溶液和70％的稀硫酸溶液的摩尔比为1：1.16、体积比为1：0.48，在一级反应器11中P3溶液和稀硫酸溶液发生反应形成反应母液，在反应过程中曝气管23持续曝气，上述反应母液经第一溢流管14进入二级反应器12，在二级反应器12内反应后经第二溢流管15进入三级反应器13，反应母液经过上述三级反应器充分的混合，使反应充分进行，最终得到高纯度、高活性的二氧化氯气体，经抽气管24送到被处理水体中，一级反应器11的反应温度自然维持在69℃、二级反应器12的反应温度自然维持为68℃，控制系统控制加热装置，在控制系统的自动控制下，三级反应器13内的反应温度保持在71℃，其反应原理如下：
NaClO3(+C)+H2SO4→ClO2↑+Na2SO4+H2O+O2↑
在上述制备过程中，现场对三级反应器13进行取样分析检测，检测结果：二氧化氯气体纯度为99.95％，原料转化率为98.7％。
本发明低酸量制备二氧化氯的方法和传统的三元法的比较表如下：
序号 项目 三元法 低酸法 低酸法的下降率
1 投H2SO4浓度(％) 70～75 70～75 ——
2 投H2SO4量(L/h) 38 15 60.53％
3 H2SO4消耗(kg/kg) 4.28 1.69 60.51％
4 残液量(L/h) 84 38.2 54.52％
5 残液H2SO4量(kg/h) 28.3(折100％) 9.5(折100％) 66.43％
6 残液H2SO4含量(％) 25.9 18.4 28.96％
7 制备成本(元/gClO2) 0.01596 0.01072 32.83％
8 原料转化率(％) ＞95 ＞98 提高3.16％
以上所述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，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种低酸量制备二氧化氯的方法所用装置，其特征在于：所述装置包括依次连接的一级反应器(11)、二级反应器(12)及三级反应器(13)，所述一级、二级反应器之间及所述二级、三级反应器之间分别通过第一溢流管(14)、第二溢流管(15)连通，所述一级反应器(11)上连接有P3溶液输送管路(21)、硫酸溶液输送管路(22)及曝气管(23)，所述一级、二级、三级反应器顶部均连接有一泄压管，所述三级反应器(13)顶部还连接有抽气管(24)，所述三级反应器(13)上设置有加热装置；所述一级反应器(11)、二级反应器(12)及三级反应器(13)呈三角形布置。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于：所述一级反应器(11)为罐状体，所述罐状体内壁下部固定有若干个横向折流板(111)，所述各横向折流板(111)由高到低依次设置，所述P3溶液输送管路(21)、硫酸溶液输送管路(22)及曝气管(23)与罐状体的连接点均位于最低的横向折流板下方。
3.根据权利要求2所述装置，其特征在于：所述二级反应器(12)为罐状体，构成二级反应器(12)的罐状体内壁固定有竖向折流板(121)，所述竖向折流板(121)为L形并且所述竖向折流板(121)自所述罐状体的顶部延伸到底部，所述第一溢流管(14)与所述构成二级反应器(12)的罐状体的连接点位于所述罐状体的顶部并且位于所述竖向折流板(121)的下方。
4.根据权利要求3所述装置，其特征在于：所述三级反应器(13)为罐状体，所述加热装置为电磁感应加热器(131)，所述电磁感应加热器(131)包覆在构成三级反应器(13)的罐状体外壁。
5.根据权利要求4所述装置，其特征在于：所述第一溢流管(14)与所述一级反应器(11)的连接点位于所述一级反应器(11)顶部，所述第二溢流管(15)与所述二级反应器(12)的连接点位于所述二级反应器的顶部，所述第二溢流管(15)与所述三级反应器(13)的连接点位于所述三级反应器(13)的底部。
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