CN107352512A - 一种高纯二氧化氯的制备装置和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高纯二氧化氯的制备装置和制备方法，制备装置包括加热装置、反应箱体、至少2个斜板和至少一个集气罩；其中，所述反应箱体的相对的两侧分别设置有进样口和排液口，排液口位于反应箱体的底部；所述斜板上镶嵌有负载有纳米银的α‑Al₂O₃条带，每个斜板倾斜设置在进样口和排液口之间，且与反应液体的流动方向大致垂直，每个斜板的底面和两个侧面与反应箱体之间密封设置，将反应箱体分隔成多个反应腔室，且斜板的上端朝向排液口倾斜，相邻斜板之间预留设定距离；集气罩设置于反应箱体的上端或侧壁上，用于对反应产物气体进行收集；加热装置设置于反应箱体的上游，用于对进入反应箱体内的反应液加热。

Description

一种高纯二氧化氯的制备装置和制备方法

技术领域

本发明属于水消毒技术领域，具体涉及一种高纯二氧化氯的制备装置和制备方法。

背景技术

二氧化氯作为一种高效广谱的消毒剂与氧化剂，被广泛应用到给水消毒、污水处理、纸浆漂白、食品加工和畜牧养殖等众多领域。由于二氧化氯难以长途运输和储存，因此目前水厂均采用现场发生的方式制取二氧化氯，目前，常见的发生工艺按照原料可分为“亚氯酸盐法”和“氯酸盐法”，虽然采用“亚氯酸盐法”通过酸和氯酸钠反应可以容易地获得高纯度的二氧化氯产品，但由于亚氯酸盐的价格远高于氯酸盐，所以采用“亚氯酸盐高纯法”生产二氧化氯的成本较传统药剂较高，限制了二氧化氯的应用。而后者一般需要特定的还原剂及催化条件，目前国内常见的“氯酸盐法”二氧化氯发生器为盐酸酸化的“复合法二氧化氯发生器”，产物中含有大量氯气，二氧化氯纯度很低。现有较成熟的“氯酸盐法”高纯二氧化氯发生工艺主要有国外的以双氧水为还原剂的R11法和以甲醇为还原剂的R8、R9、R10法及SVP-Lite工艺，这些方法均需对反应釜进行持续加热，消耗大量能源，运行成本较高。

此外，现有技术中有采用氯酸钠、蔗糖和硫酸制备二氧化氯的方法，但是采用该种方法制备得到的二氧化氯的收率只能达到88％，收率偏低。而且二氧化氯易溶于水，所以需要在反应器的底部设置微孔布气器，吹出的均匀气泡产生强烈的搅动和吹脱，使生成的二氧化氯及时和反应液分离。吹入的气泡内的气体混入二氧化氯中，导致二氧化氯中掺入杂质，影响制备的二氧化氯的纯度。而且微孔布气器的设置，增加了制备的成本。

综上所述，现有技术中二氧化氯的制备方法中存在的需要持续加热、二氧化氯纯度偏低且收率低以及投资成本高的问题，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种高纯二氧化氯的制备装置和制备方法。该方法可以大大提高二氧化氯的收率，制备方法与制备装置的配合，可以大大提高二氧化氯的纯度。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种高纯二氧化氯的制备装置，包括加热装置、反应箱体、至少2个斜板和至少一个集气罩；其中，所述反应箱体的相对的两侧分别设置有进样口和排液口，排液口位于反应箱体的底部；

所述斜板上镶嵌有负载有纳米银的α-Al₂O₃条带，每个斜板倾斜设置在进样口和排液口之间，且与反应液体的流动方向大致垂直，每个斜板的底面和两个侧面与反应箱体之间密封设置，将反应箱体分隔成多个反应腔室，且斜板的上端朝向排液口倾斜，相邻斜板之间预留设定距离；

集气罩设置于反应箱体的上端或侧壁上，用于对反应产物气体进行收集；

加热装置设置于反应箱体的上游，用于对进入反应箱体内的反应液加热。

多个斜板将反应箱体分隔成多个反应腔室，实现了多级反应，延长了原料的停留时间。

每个斜板的上端朝向排液口倾斜设置，可以起到引流作用，将反应液体朝向排液口方向引流，避免反应液的倒流。

每个斜板倾斜设置，当上一级反应腔室中的反应液流经斜板的最高端时，反应液在自身重力和斜板的引流作用下，继续沿斜板的背面斜向下运动一段距离，在液体的阻力的作用下，逐步向下一级反应腔室内的反应液中扩散。在此种情况下，有利于反应液的混合均匀。

在斜板上镶嵌负载有纳米银的α-Al₂O₃条带，可以对反应物起到催化的作用，加快反应的进行，同时可以提高制备二氧化氯的氯酸盐的转化率。多个斜板可以将反应箱体内部分隔成多个反应腔室，每个反应腔室的体积相对较小，当该部分反应液流经斜板时，更容易保证反应的均匀性。

反应过程中产生的二氧化氯会逸出反应液体，被集气罩及时收集。尤其是反应液流经最后一个斜板后由排液口及时流出，也就是说最后一个斜板与反应箱体之间的液位很低，当反应液流经最后一个斜板的最高端时，会在斜板的引流作用下，在斜板的背面形成薄薄的液膜，由于反应过程是放热过程，反应液的温度较高，薄薄的液膜中的二氧化氯气体更易逸出。所以，在不向反应液中曝气的前提下，仍能提高二氧化氯气体的逸出完全程度，提高了二氧化氯气体的纯度。

优选的，每个斜板的倾斜角度为60°-75°。该处的倾斜角度为斜板与水平方向的夹角。

在该角度范围内，具有较好的引流效果、反应液混匀效果和反应液成膜效果，有利于反应的顺利进行。

优选的，所述进样口包括复合氯酸钠溶液进样口和硫酸溶液进样口，复合氯酸钠溶液进样口位于反应箱体的下端，硫酸溶液进样口位于第一级斜板的上端。

其中，复合氯酸钠溶液是指氯酸钠、蔗糖和有机酸复配成的溶液。第一级斜板是最靠近进样口的斜板。

复合氯酸钠溶液进样口位于反应箱体的下端，使得复合氯酸钠溶液自下而上沿第一级斜板向上流动，硫酸溶液进样口位于第一级斜板的上端，使得硫酸溶液自上而下沿第一级斜板向下流动，两种溶液在斜板上接触，并且产生较大的扰动，容易混合均匀。保证了反应过程在催化剂表面进行，提高了反应速率，减少副反应。

优选的，所述加热装置包括加热水箱和电加热丝，电加热丝位于加热水箱的上游，加热水箱上设置有注水口和排水口。

进一步优选的，加热水箱与反应箱体的容积比为1-2∶10。

优选的，每个斜板上镶嵌的负载有纳米银的α-Al₂O₃条带的面积大于等于斜板单面总面积的50％。

一种二氧化氯的制备方法，包括如下步骤：氯酸盐、蔗糖、有机酸和稀硫酸在纳米银的催化作用下反应，制备得到二氧化氯。

其中的有机酸的作用包括两方面，一方面作为还原剂，有机酸中的羰基还原氯酸钠直接生成二氧化氯；另一方面，有机酸为反应提供质子，提高了氯酸根的氧化还原电位，使反应更容易进行，提高氯酸根的转化率。

优选的，所述稀硫酸的质量分数为30％-60％。

优选的，各原料的质量比为氯酸盐∶蔗糖∶有机酸∶硫酸＝10-35∶3-8∶1-5∶10-45。

优选的，所述有机酸为乙酸、甲酸、柠檬酸、苹果酸、中的一种或几种的混合物。

所述制备方法具体包括如下步骤：

氯酸钠、蔗糖、有机酸和水按质量比为10-35∶3-8∶1-5∶100复配成的复合氯酸钠水溶液加热至50-60℃后，通过复合氯酸钠溶液进样口投入反应箱体中，质量分数为30％-60％的稀硫酸溶液通过硫酸溶液进样口投入反应箱体中，得到反应液体；

反应液体依次流过反应箱体中的斜板，反应完成后通过排液口排出；

反应得到的二氧化氯气体被集气罩收集。

上述制备方法在制备高纯二氧化氯中的应用。

本发明的有益效果为：

1)采用氯酸钠、蔗糖、有机酸等价廉易得产品为原料制备高纯二氧化氯，降低了二氧化氯的原料成本；

2)采用多级反应器及纳米银作为催化剂，有机酸作为还原剂和为反应提供质子，提高氯酸根的氧化还原电位，在较小的反应空间、较短的时间内提高了产品转化率，使氯酸盐的转化率≥90％；

3)不需对反应釜加热，利用反应过程中放出的热量加热原料，大大降低了运行过程中能耗；

4)由于反应的副产物少，加上无需向反应液中曝气以使二氧化氯逸出，制备得到的二氧化氯纯度高。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的制备装置的结构示意图；

图2是附着有催化剂的斜板的结构示意图。

其中，1、排水口，2、加热水箱，3、注水口，4、电热丝，5、复合氯酸钠溶液进样口，6、硫酸溶液进样口，7、集气罩，8、管道，9、斜板，10、排液口，11、催化剂层。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明中所有原料均为纯度不低于工业纯的产品。

如图1所示，一种高纯二氧化氯的制备装置，包括加热水箱2、反应箱体、4个斜板9和两个集气罩7；其中，所述反应箱体的相对的两侧分别设置有进样口和排液口10，排液口10位于反应箱体的底部；进样口包括复合氯酸钠溶液进样口5和硫酸溶液进样口6，复合氯酸钠溶液进样口5位于反应箱体的下端，硫酸溶液进样口6位于第一级斜板的上端。

由图2可知，每个斜板9上镶嵌有负载有纳米银的α-Al₂O₃条带，每个斜板9倾斜设置在进样口和排液口之间，且与反应液体的流动方向大致垂直，每个斜板9的底面和两个侧面与反应箱体之间密封设置，将反应箱体分隔成五个反应腔室，且斜板9的上端朝向排液口倾斜，相邻斜板9之间预留设定距离，将反应箱体分隔成多个反应腔室，当反应液体依次流经多个反应腔室时，即可实现多级反应。

由图1和图2可知，斜板9的整体结构为平板状，斜板9的表面也可以为凹凸起伏状。

每个斜板与水平方向之间的倾斜角度为60-75°，优选为65-70°，最优为70°。

两个集气罩7设置于反应箱体的顶壁上，用于对反应产物二氧化氯气体进行收集，收集得到的二氧化氯通过管道8通往水射器，水射器通过动力水管将反应釜中生成的二氧化氯通过集气罩吸出，投加到水厂内相应的加药点。

加热水箱2设置于反应箱体的上游，可以直接固定在反应箱体的外壁上，用于对进入反应箱体内的反应液加热。加热水箱2也可以独立于反应箱体单独存在。加热水箱2与反应箱体的容积比为1-2:10，优选为2:10。加热水箱2上设置有注水口3和排水口1。

还可设置有辅助加热装置-电热丝4，用于对反应液辅助加热。

如图1所示，每个斜板倾斜设置，当上一级反应腔室中的反应液流经斜板的最高端时，反应液在自身重力和斜板的引流作用下，继续沿斜板的背面斜向下运动一段距离(如图1中最左边的斜板9上端的箭头所指方向)，在液体的阻力的作用下，逐步向下一级反应腔室内的反应液中扩散，有利于反应液的混合均匀。

反应液流经最右端斜板9后由排液口10及时流出，也就是说最右端斜板9与反应箱体之间的液位很低，当反应液流经最右端斜板9的最高端时，会在斜板的引流作用下，在斜板的背面形成薄薄的液膜(如最右端斜板上端的箭头所指方向)，由于反应过程是放热过程，反应液的温度较高，薄薄的液膜中的二氧化氯气体更易逸出。所以，在不向反应液中曝气的前提下，仍能提高二氧化氯气体的逸出完全程度，提高了二氧化氯气体的纯度。

反应箱体由钛合金、石墨、CPVC、或特氟龙等具有耐高温和耐腐蚀特性的材质加工而成。斜板9的个数可以为1-6个，优选为3-5个。

实施例1

加热水箱2与反应箱体的体积比为1∶10，每个斜板9与水平方向的倾斜角度为68°。按以下配比进药，氯酸钠35重量份、蔗糖5重量份、柠檬酸2重量份、硫酸40重量份。首先将氯酸钠、蔗糖、柠檬酸和水按35∶5∶2∶100配成复合氯酸钠溶液，将硫酸配成质量分数为60％的稀硫酸，以7L/h的总加药速度进药。设备启动时，将复合氯酸钠溶液的进药温度加热至50℃，进药30分钟后，加热水箱2温度到达约55℃。此时氯酸钠的转化率为95％，二氧化氯产量为2kg/h，二氧化氯的纯度为99％。

实施例2

加热水箱2与反应箱体的体积比为2∶10，每个斜板9与水平方向的倾斜角度为70°。按以下配比进药，氯酸钠25重量份、蔗糖8重量份、苹果酸5重量份、硫酸30重量份。首先将氯酸钠、蔗糖、柠檬酸和水按25∶8∶5∶100配成复合氯酸钠溶液，将硫酸配成质量分数为30％的稀硫酸，以8L/h的总加药速度进药。设备启动时，将复合氯酸钠溶液的进药温度加热至60℃，进药30分钟后，加热水箱2温度到达约65℃。此时氯酸钠的转化率为97％，二氧化氯产量为2kg/h，二氧化氯的纯度为99.2％。

实施例3

加热水箱2与反应箱体的体积比为2∶10，每个斜板9与水平方向的倾斜角度为72°。按以下配比进药，氯酸钠10重量份、蔗糖5重量份、甲酸2重量份、硫酸20重量份。首先将氯酸钠、蔗糖、柠檬酸和水按10∶5∶2∶100配成复合氯酸钠溶液，将硫酸配成质量分数为45％的稀硫酸，以8L/h的总加药速度进药。设备启动时，将复合氯酸钠溶液的进药温度加热至60℃，进药30分钟后，加热水箱2温度到达约62℃。此时氯酸钠的转化率为94％，二氧化氯产量为1.9kg/h，二氧化氯的纯度为98.5％。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高纯二氧化氯的制备装置，其特征在于：包括加热装置、反应箱体、至少2个斜板和至少一个集气罩；其中，所述反应箱体的相对的两侧分别设置有进样口和排液口，排液口位于反应箱体的底部；

所述斜板上镶嵌有负载有纳米银的α-Al₂O₃条带，每个斜板倾斜设置在进样口和排液口之间，且与反应液体的流动方向大致垂直，每个斜板的底面和两个侧面与反应箱体之间密封设置，将反应箱体分隔成多个反应腔室，且斜板的上端朝向排液口倾斜，相邻斜板之间预留设定距离；

集气罩设置于反应箱体的上端或侧壁上，用于对反应产物气体进行收集；

加热装置设置于反应箱体的上游，用于对进入反应箱体内的反应液加热。

2.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于：每个斜板的倾斜角度为60-75°。

3.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于：所述进样口包括复合氯酸钠溶液进样口和硫酸溶液进样口，复合氯酸钠溶液进样口位于反应箱体的下端，硫酸溶液进样口位于第一级斜板的上端。

4.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于：所述加热装置包括加热水箱和电加热丝，电加热丝位于加热水箱的上游，加热水箱上设置有注水口和排水口；

优选的，加热水箱与反应箱体的容积比为1-2∶10。

5.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于：每个斜板上镶嵌的负载有纳米银的α-Al₂O₃条带的面积大于等于斜板单面总面积的50％。

6.一种二氧化氯的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：氯酸盐、蔗糖、有机酸和稀硫酸在纳米银的催化作用下反应，制备得到二氧化氯。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述稀硫酸的质量分数为30％-60％；

优选的，各原料的质量比为氯酸盐∶蔗糖∶有机酸∶硫酸＝10-35∶3-8∶1-5∶10-45。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述有机酸为乙酸、甲酸、柠檬酸、苹果酸、中的一种或几种的混合物。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

氯酸钠、蔗糖、有机酸和水按质量比为10-35∶3-8∶1-5∶100复配成的复合氯酸钠水溶液加热至50-60℃后，通过复合氯酸钠溶液进样口投入权利要求1-5任一所述的反应箱体中，质量分数为30-60％的稀硫酸溶液通过硫酸溶液进样口投入反应箱体中，得到反应液体；

反应液体依次流过反应箱体中的斜板，反应完成后通过排液口排出；

反应得到的二氧化氯气体被集气罩收集。

10.权利要求6-9任一所述制备方法在制备高纯二氧化氯中的应用。