RU223173U1 - Кварцевый реактор для получения серной кислоты азеотропного состава - Google Patents

Abstract

Полезная модель предназначена для проведения непрерывного или периодически непрерывного процесса получения высокочистой кислоты азеотропного состава путем концентрирования разбавленного водного раствора серной кислоты, относится к области высокочистых веществ и может быть использована в различных отраслях промышленности, включая нано- и микроэлектронику. Техническим результатом полезной модели является повышение удельной производительности реактора для получения высокочистой серной кислоты азеотропного состава. Полезная модель позволяет удалить легколетучие примеси в ходе предварительной очистки, повысить эффективность концентрирования, снизить энергоемкость процесса, упростить технологию получения кислоты. Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлен кварцевый реактор для получения высокочистой серной кислоты азеотропного состава, выполненный в горизонтальном исполнении, с входным и выходным фланцами, и представляющий собой трубчатую камеру, разделенную на две части перегородкой с отверстием ниже оси камеры, отличающийся тем, что первая секция содержит перегородку переднюю с вплавленной в нее гильзой с установленным внутри термодатчиком, вторая секция состоит из лабиринта, представленного нечетными и четными перегородками, образующими ступени реактора, причем перегородки сверху соединены гильзами крепежными, между которыми вплавлены муфты, в которые вставлены капилляры, между последней перегородкой лабиринта и перегородкой задней образовано пространство буферной емкости, сообщающейся с наружным пространством посредством отвода.

Description

Полезная модель предназначена для проведения непрерывного или периодически непрерывного процесса получения высокочистой серной кислоты азеотропного состава путем концентрирования разбавленного водного раствора серной кислоты, относится к области высокочистых веществ и может быть использована в различных отраслях промышленности, включая нано- и микроэлектронику.

В настоящее время в промышленности для концентрирования серной кислоты, в частности, для получения серной кислоты азеотропного состава, используют концентраторы, работающие на принципах барботажного, капельного или струйного теплообмена между горячими топочными газами и слабой серной кислотой. Такие аппараты имеют невысокую производительность, создают высокую экологическую нагрузку и имеют высокие капитальные затраты на их изготовление, поскольку предполагают использование дорогостоящего оборудования. Из патентной литературы известны конструкции реакторов, характеризующиеся более высокой производительностью.

Известен реактор для концентрирования серной кислоты [RU 2075324 С1, опубл.: 20.03.1997], представляющий собой горизонтальный корпус и перегородки, разделяющие его на три ступени. Перегородки имеют каналы для перетока кислоты со ступени на ступень и окна для прохода газа. Ввод кислоты выполнен на второй и третей ступенях в виде системы форсунок, установленных в окнах для прохода газа на второй и третей ступенях. Общим для известного и заявленного реактора является горизонтальное расположение корпуса реактора и наличие ступеней для перетока кислоты.

Достоинства известного реактора – наличие перегородок с каналами, обеспечивающих переток кислоты со ступени на ступень, что способствует лучшему разделению кислоты по концентрациям и повышению производительности реактора, а также снижению туманообразования.

Недостатки известного реактора – это необходимость использования топочных газов, использование стали для изготовления корпуса реактора. Наличие топочных газов не позволяет использовать их тепло полностью, в данном случае достаточно высокие расходные коэффициенты побочных энергоносителей для нагрева топочных газов, низкий КПД теплообмена между газом и кислотой, происходит местный перегрев кислоты с выделением двуокиси серы, а также туманообразование серной кислоты и загрязнение окружающей среды. Эти недостатки ведут за собой необходимость установки дорогостоящего оборудования газоочистки. Стоит отметить, что очень высокая температура процесса (800-900°C для установок, работающих с использованием топочных газов) наряду с эрозионным воздействием агрессивной кислотной среды вызывает снижение прочности и коррозионной стойкости оборудования, его достаточно быстрое разрушение. В результате материал футеровки аппаратов теряет требуемую при протекании кислотной среды чистоту рабочей поверхности, быстро разрушается, что обуславливает ненадежность работы данных аппаратов и загрязняет конечный продукт. Использование известного реактора не подходит для получения высокочистого продукта.

Известен реактор для концентрирования серной кислоты [SU 1737808 А2, опубл.: 10.11.1995], представляющий собой стальной горизонтальный корпус, футерованный кислотоупорным материалом. Внутри корпус разделен перегородками на три камеры. В верхней части имеется свободное сечение для прохода газов. Для обеспечения контакта газа-теплоносителя с жидкостью аппарат содержит контактные устройства, выполненные в виде щелевого зазора, ограниченного по вертикали нижним торцом перегородки, не доходящей до дна аппарата, топка соединена с аппаратом газоходом, расположенным параллельно оси аппарата. Из первой камеры аппарата кислота выводится через отверстие, в придонную часть перегородок вмонтированы переливные трубы. Во вторую разделительную перегородку вмонтированы три устройства форконцентраторы, предназначенные для дробления поступающей через щелевую форсунку кислоты в мелкие капли. Выход отходящих газов из аппарата осуществляется через брызголовушку с центробежной насадкой, кислота собирается в кольцевой желоб и отводится через штуцер. Общим для известного и заявленного реактора является горизонтальное расположение корпуса реактора и наличие ступеней для перетока кислоты.

Недостатки известного реактора: использование стального корпуса приводит к загрязнению конечного продукта, что не позволяет получать высокочистую серную кислоту. К недостаткам можно отнести использование топочных газов.

Известен выпарной аппарат горизонтального типа [RU 2651253 С1, опубл.: 19.10.2018] для концентрирования кислот, в том числе серной кислоты. Концентрирование кислоты осуществляют путем ее нагрева непрерывным или импульсным воздействием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, испаряя при этом воду, что позволяет избежать локального перегрева по объему нагреваемой кислоты. Для исключения локального перегрева по объему нагреваемой кислоты выпарной аппарат может содержать технологические насадки для рассредоточения СВЧ-излучения. Нагрев кислоты проводят в две или более ступеней с постепенным снижением давления на каждой последующей ступени. Выпарной аппарат представляет собой емкость, разделенную, по меньшей мере, на две секции, последовательно соединенные между собой, аппарат содержит вход для подачи разбавленной кислоты и выход для концентрированной кислоты. Каждая из секций снабжена выходом для паровой фазы, соединенным с теплообменником-конденсатором. На наружной поверхности выпарного аппарата в качестве нагревательного устройства установлены магнетроны. В качестве регулирующих давление устройств используются вакуумные насосы. Разрежение в каждой последующей секции выпарного аппарата выше разрежения в предыдущей секции. Стоит отметить, что в известном реакторе авторы не указывают производительность выпарного аппарата. Общим для известного и заявленного реактора является возможность использования коррозионно-устойчивых материалов, например, кварцевого стекла, наличие перегородок, образующих ступени для перетока серной кислоты, отказ от использования топочных газов, минимизация или исключение локального перегрева серной кислоты.

К недостаткам известного выпарного аппарата можно отнести использование СВЧ-излучения, требующего обеспечить безопасность обслуживающего персонала, использование вакуума предполагает использование дополнительного вакуумного оборудования, что ведет к увеличению капитальных затрат. Использование вакуума также повышает риск аварийных ситуаций.

Наиболее близким аналогом является кварцевый реактор [US6477323В2, опубл.: 30.03.1998], предназначенный для концентрирования серной кислоты, работающий в непрерывном режиме. Между входом для разбавленной серной кислоты и выходом для концентрированной серной кислоты предусмотрена, по меньшей мере, одна перегородка, в которой образовано отверстие для прохождения кислоты. Для концентрирования серной кислоты в известном реакторе может быть реализовано множество перегородок. Перегородка может иметь высоту меньше, чем высота реактора для концентрирования, а уровень кислоты, которую концентрируют, контролируют так, чтобы он был немного выше перегородки, что позволяет жидкости свободно проходить через отверстие в перегородке. Реактор снабжен устройствами для контроля температуры, уровня жидкости, а также отдельным входом для подачи разбавленной кислоты, газа-носителя, выходом сконденсированной кислоты и выходом для газа-носителя. Для удаления конденсированной серной кислоты может использоваться газообразный азот, очищенный газовым фильтром, который подается в резервуар для удаления конденсата и имеет давление не ниже нормального давления. Общим для известного и заявленного реактора является использование в качестве материала корпуса реактора кварцевого стекла, наличие переливной системы для концентрирования кислоты, высота перегородок ниже, чем высота реактора, отказ от топочных газов, возможность получения высокочистого продукта, горизонтальное расположение корпуса реактора.

Технической проблемой прототипа является то, что в нем не предусмотрено решение, направленное на устранение локального перегрева серной кислоты, что может привести к увеличению интенсивности брызгоуноса, попаданию брызг в паровую фазу и на соседние ступени, что ведет к снижению эффективности реактора. Отсутствует возможность предварительного удаления легколетучих примесей.

Задачей полезной модели является устранение технических проблем прототипа.

Техническим результатом полезной модели является повышение удельной производительности реактора для получения высокочистой серной кислоты азеотропного состава. Полезная модель позволяет удалить легколетучие примеси в ходе предварительной очистки, повысить эффективность концентрирования, снизить энергоемкость процесса, упростить технологию получения кислоты.

Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлен кварцевый реактор для получения высокочистой серной кислоты азеотропного состава, выполненный в горизонтальном исполнении, с входным и выходным фланцами, и представляющий собой трубчатую камеру, разделенную на две части перегородкой с отверстием ниже оси камеры, отличающийся тем, что первая секция содержит перегородку переднюю с вплавленной в нее гильзой с установленным внутри термодатчиком, вторая секция состоит из лабиринта, представленного нечетными и четными перегородками, образующими ступени реактора, причем перегородки сверху соединены гильзами крепежными, между которыми вплавлены муфты, в которые вставлены капилляры, между последней перегородкой лабиринта и перегородкой задней образовано пространство буферной емкости, сообщающейся с наружным пространством посредством отвода.

Полезная модель поясняется чертежом. На Фиг. показан кварцевый реактор для получения высокочистой серной кислоты азеотропного состава путем концентрирования разбавленного водного раствора серной кислоты.

На чертеже: 1 - трубчатая камера, 2 - узел фланца переднего, 3 - узел фланца заднего, 4 - труба заливная, 5 и 6 - коллектор, 7 - труба впускная, 8 - штуцер, 9 - перегородка, 10 - перегородка передняя, 11 - гильза с термодатчиком, 12 - перегородка нечётная, 13 - перегородка чётная, 14 - гильза крепёжная (2 штуки), 15 - муфта, 16 - капилляр, 17 - отвод.

Осуществление полезной модели

Реактор представляет собой кварцевую трубчатую камеру 1 (Фиг.) длиной 860 мм, с внешним диаметром 90 мм и толщиной стенок 3 мм. Трубчатая камера герметично закрыта узлом фланца переднего 2 и узлом фланца заднего 3 посредством грибковых уплотнений. В узел фланца переднего вставляется заливная труба 4, через которую разбавленный водный раствор серной кислоты подают в реактор, газовый коллектор 5 и впускная труба 7. В узле фланца заднего размещается коллектор 6 и впускная труба 7. К отводу трубчатой камеры 1 приплавлен штуцер 8. Трубчатая камера 1 разделена на две части перегородкой 9 с отверстием ниже оси камеры 1. Первая секция камеры, длина которой 279 мм, содержит перегородку переднюю 10 с вплавленной в нее гильзой 11 с установленным внутри термодатчиком, необходимым для контроля рабочей температуры. Вторая секция камеры состоит из лабиринта, представленного нечетными 12 и четными 13 перегородками, которые сверху соединены гильзами крепежными 14, между которыми вплавлены муфты 15, в которые вставлены капилляры 16. Пространство между четной 13 и нечетной 12 перегородками образует ступень реактора, расстояние между нечетной и четной перегородкой составляет 60 мм. В реакторе насчитывается семь ступеней. Между последней перегородкой лабиринта и перегородкой задней образуется пространство буферной емкости, сообщающейся с наружным пространством посредством отвода 17.

Легколетучие примеси из первой секции испарителя уносятся отдельным потоком очищенного газа-носителя (очищенного воздуха, другого газа или смеси) в вытяжную вентиляцию. Проходя последовательно через ступени второй секции испарителя, раствор серной кислоты частично испаряется. При этом поток разделяется на обогащённую парами воды газовую фракцию и жидкую фракцию азеотропного раствора серной кислоты. С помощью очищенного газа-носителя, во второй секции создаётся поток парогазовой смеси в направлении, противоположном движению жидкости. Таким образом, исключается обратный переход воды из парогазовой фазы в жидкую на последних ступенях испарителя. Газовые потоки в первой и второй секциях не смешиваются и не контактируют между собой.

В первой секции реактора допустимо отсутствие кипение серной кислоты, температурный режим и состав газа-носителя зависят от концентрации серной кислоты и природы легколетучих примесей.

Функция лабиринта, образованного перегородками, заключается в постепенном концентрировании серной кислоты на каждой ступени реактора до необходимого значения, которое достигается на последней ступени.

Перегородки лабиринта расположены на различных уровнях так, чтобы поток концентрируемого раствора проходил над верхним краем нечётных перегородок и под нижним краем чётных перегородок, образуя восходяще-нисходящую траекторию. Такое движение потока создаёт условия хорошего перемешивания жидкости в пределах каждой ступени. В то же время, поскольку площадь сечения потока между ступенями значительно меньше площади сечения самих ступеней, то скорость потока между ступенями достаточно высока. Это препятствует обратному перемешиванию жидкости между ступенями. Таким образом, конструкция лабиринта способствует достижению оптимального режима движения жидкости, отвечающего модели идеального смешения на каждой ступени и модели идеального вытеснения между соседними ступенями.

Через входное отверстие в перегородке 9 разбавленный водный раствор серной кислоты перетекает на первую ступень заявленного реактора, где нагревается до кипения. Температурный режим подбирают таким образом, чтобы обеспечить максимально допустимую интенсивность кипения серной кислоты, снижая интенсивность брызгоуноса. Обеспечить равномерное кипение серной кислоты и снизить локальный перегрев позволяет наличие съемных капилляров, выполняющих функцию «кипелки». В процессе кипения происходит разделение подаваемой серной кислоты на более концентрированный раствор серной кислоты и парогазовую фазу, содержащую легколетучую фракцию, происходит увеличение концентрации серной кислоты в жидкой фазе. Температура кипения разбавленной серной кислоты увеличивается с ростом концентрации серной кислоты в жидкой фазе. При кипении жидкости её температура на каждой ступени стационарна, поэтому величина теплового потока определяется практически только температурой на наружной поверхности стенки трубчатой камеры. Таким образом, при автоматическом регулировании этой температуры величина теплового потока на каждую ступень от стенки печи заявленного реактора поддерживается на заданной величине независимо от условий теплоотвода в окружающую среду. Увеличивший свою концентрацию раствор серной кислоты с первой ступени самотеком перетекает на вторую и последующие ступени реактора, на которых процесс повторяется. При этом концентрация и температура кипения серной кислоты на каждой последующей ступени увеличиваются. На последней ступени серная кислота достигает концентрации и температуры кипения, практически соответствующих точке азеотропа.

Предпочтительно, чтобы ограничить перемешивание кислоты, высота перегородок должна перекрывать нижнюю половину высоты трубчатой камеры. При этом уровень подаваемой серной кислоты должен поддерживаться на уровне, близком к верхним краям перегородок.

При одной и той же суммарной потребляемой мощности увеличение количества ступеней приводит к заметному приближению концентрации кубового остатка к азеотропному значению. При фиксированных общей мощности и количестве ступеней существует оптимальное соотношение мощности и ступеней, при котором концентрация серной кислоты в кубовом остатке максимальна.

Предпочтительно количество ступеней в реакторе не менее пяти и не более семи.

Допустимо, геометрические размеры заявленного кварцевого реактора не ограничиваются указанными значениями и могут меняться в зависимости от требуемой его производительности.

Предпочтительно для минимизации гидравлического сопротивления, которое создают перегородки, кварцевый реактор должен иметь небольшой угол наклона.

Предпочтительно основным материалом для изготовления деталей, контактирующих с раствором серной кислоты при высокой температуре, является оптическое высокочистое кварцевое стекло марки КВ.

Допустимо, для удаления конденсированной жидкости газом может быть использован очищенный воздух.

Допустимо, назначение заявленного реактора не ограничивается только концентрированием серной кислоты, его возможно использовать для концентрирования других жидких растворов.

Существенным отличием заявленного кварцевого реактора является снижение локального перегрева и обеспечение максимально допустимой интенсивности кипения за счет использования капиллярных структур, а также возможность предварительного удаления высоколетучих примесей в отдельной секции реактора с независимой системой продувки. Также значительным отличием заявленного реактора является повышение эффективности концентрирования серной кислоты за счет наличия необходимого и достаточного количества ступеней реактора.

Повышение удельной производительности реактора для получения высокочистой серной кислоты азеотропного состава достигается за счет снижения локального перегрева серной кислоты и обеспечения максимально допустимой интенсивности кипения серной кислоты с целью снижения интенсивности брызгоуноса.

Ниже показан пример получения высокочистой серной кислоты азеотропного состава при помощи заявленного кварцевого реактора.

Через впускную трубу 7 (Фиг.), установленную во фланце переднем 2 реактора, подается очищенный воздух со скоростью потока 1 л/с. Через заливную трубу 4 во фланце переднем 2 подается водный раствор серной кислоты концентрацией 95 мас.% со скоростью 0,5 г/с в переднюю часть кварцевой трубчатой камеры 1. В первой секции поддерживается температура около 301°С (при нормальном давлении), происходит интенсивное испарение легколетучих примесей, содержащихся в растворе серной кислоты. Испарившиеся легколетучие примеси удаляют при помощи потока очищенного воздуха в вытяжную вентиляцию через газовый коллектор 6.

Из первой секции водный раствор серной кислоты, имеющий большую концентрацию, через отверстие в перегородке 9 самотеком перетекает во вторую секцию реактора и заполняет первую ступень реактора до уровня, близком к верхнему краю первой нечетной перегородки 12. При этом нижний край капилляра 16 погружен в раствор серной кислоты. Рабочая температура в первой ступени соответствует температуре кипения раствора серной кислоты данного состава. Проходя через лабиринт, представленного нечетными 12 и четными 13 перегородками, происходит концентрирование серной кислоты за счет испарения фракции, обогащённой водой. Между соседними ступенями имеется разность концентраций раствора серной кислоты, где максимальная концентрация серной кислоты, соответствующая азеотропному составу, достигается на последней ступени. При этом температура кипения серной кислоты различна на каждой ступени реактора. На последней ступени температура кипения серной кислоты приблизительно 328,5°С. Между последней перегородкой лабиринта и перегородкой задней образуется пространство буферной емкости, сообщающейся с наружным пространством посредством отвода, через который удаляют серную кислоту азеотропного состава со скоростью 0,36 г/с. В пространстве буферной емкости перед удалением серной кислоты из реактора происходит охлаждение серной кислоты до температуры ниже 250°С.

Через впускную трубу 7 (Фиг.) во фланце заднем 3 подается очищенный воздух в противотоке со скоростью 0,1 л/с, чтобы минимизировать потери кислоты азеотропного состава. Парогазовая фракция, насыщенная парами воды, покидает вторую секцию трубчатой камеры через коллектор 6, расположенный во фланце заднем 3.

Поскольку разность концентрации серной кислоты, создаваемая наличием перегородок, сохраняется при непрерывной подаче разбавленного водного раствора серной кислоты, а также при непрерывном удалении раствора серной кислоты азеотропного состава, то операцию концентрирования можно проводить в непрерывном режиме.

Claims (1)

1. Кварцевый реактор для получения высокочистой серной кислоты азеотропного состава, выполненный в горизонтальном исполнении, с входным и выходным фланцами, и представляющий собой трубчатую камеру, разделенную на две части перегородкой с отверстием ниже оси камеры, отличающийся тем, что первая секция содержит перегородку переднюю с вплавленной в нее гильзой с установленным внутри термодатчиком, вторая секция состоит из лабиринта, представленного нечетными и четными перегородками, образующими ступени реактора, причем перегородки сверху соединены гильзами крепежными, между которыми вплавлены муфты, в которые вставлены капилляры, между последней перегородкой лабиринта и перегородкой задней образовано пространство буферной емкости, сообщающейся с наружным пространством посредством отвода.