TWI300763B - Chemical process and apparatus - Google Patents

Description

1300763 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種用於由鹼金屬氯酸鹽、硫酸和過氧 化氫製造二氧化氯之方法和裝置。 【先前技術】 以水洛液使用的二氧化氣具有相當大的商業利益，主 要是在紙漿漂白，但也在水的純化、脂肪漂白、從工業廢 枓移除酚等等。因Λ，需要提供可有效地製造二氧化氯之 方法。 有許多不同的用來製造二氧化氯之方法。大部分商業 上使用的大規模方法牵涉到鹼金屬氣酸鹽在酸性反應媒介 中與還原劑如過氧化氫、甲#、氯離子或二氧化硫的連續 反應，以形成作為氣體離開反應媒介的二氧化氣。一般來 說，酸性主要是藉由添加硫酸來提供，而硫酸鹽則是作為 副產物以固體鹼金屬4酸鹽的形式或溶於&盡的反應媒介 中被取出。

在一種方法中，係在負壓沸騰的條件下將反應媒介保 持在單-反應容器内，纟中將酸的驗金屬鹽沈殿並當作鹽 塊取出。特別有效的還原劑是過氧化氫，如G· ChAs等 ^在1998年1月於pima，s papermaker第7肛75頁，，使用過 氧化氫來產生較多的二氧化氣’較少# ，，與US專利 Μ和5091 167中所描述的。然而，已經發現在長期 全面操作期間，很難維持過氧化氫的化學計量消耗。 專和5 3 6 6 714係處理此問題並揭露一種方法，其中 6 ⑧ 1300763 慕朝 過氧化氫係與驗金屬氯酸鹽和硫酸預先混合而:狀。_j m、〃 ：專利4421730揭露一種方法，其中在過氧化氫和鈀 〃、氯離子之錯合物觸媒存在下，以氯離子來還原驗金屬 目前已發現反應媒介中的過氧化氫和硫酸可能反應形 ， Γ〇 s酉夂，即H2S〇5。Caro’s酸是非常強的氧化劑，而 $氧化氯之製造方法的條件可能會偏向不想要的、導致過 虱化氫損失的副反應，例如Car〇，s酸與過氧化氫反應而形 成硫酸和氧或與氯化物形成氣。 即使在二氧化氯工廠内的反應媒介一般是充分攪拌 的在進料入口周圍總是會有濃度梯度，而且有一些區域 中各個進料化學品的局部濃度是高於整體反應媒介中的。 依據本發明，過氧化氫和硫酸應以使其濃度高之區域同時 發生的風險降到最小之方式來輸入。 【發明内容】 因此本發明之一方面係關於一種於裝置中製造二氧化 氯之方法，該裝置包含貯留反應媒介之反應容器和引導該 反應媒介通過加熱器之循環導管，該方法包括以下連續步 驟： (a) 將该反應媒介維持在負壓與足以蒸發水的溫度； (b) 使該反應媒介循環通過該循環導管與該加熱器； (c) 使鹼金屬氯酸鹽、硫酸和過氧化氫於該反應媒介 中反應以形成^一乳化氣、氧和驗金屬硫酸鹽； (d) 將鹼金屬氣酸鹽、硫酸和過氧化氫輸入該反應媒 7 1300763 介中，其中該硫酸係經 該過乳化氫係經由一個 由一個位於該硫酸用入 入口至少約該循環導管 Μ ^ 丨·· β 由一個入口輸入該循環導管内，而 入口直接輸入該反應容器内，或經 口下游、在流動方向上距該硫酸用 内徑的距離之入口輸入該循環導管 内；以及 0)取出含有二氧化氯、氧和蒸發水之氣體。 【實施方式】 將麼朴溫度設定為可蒸發纟以稀釋由反應媒介形成 並取出的：氧化氯。較佳地，將反應媒介維持在約μ至 約loot:之溫度，最佳為約3G至約85t：。適當地，將反 應媒介維持在約8至約8G kPa的絕㈣力，較佳為約8至 50 kPa。較佳地，將反應 的溫度。 由於水從反應媒介的蒸發會消耗掉比程序中所產生者 更多的能量，此可藉由對方施巧道总+ / 稽田對在循％導官中經過加熱器循環的 反應媒介提供熱來平衡。可佶用

約55 kPa，最佳為約1 〇至約 介維持在其於主要壓力下沸騰 媒 — J』便用任何種類的加熱器，像是 由療汽或任何其他熱流媒介加熱的熱交換器。 保持在反應媒介中的驗金屬氯酸鹽濃度可能會 的限度内作變化，舉例來說從約0·25莫耳/升至高達飽和： ㈣為從約L5莫耳/至高達飽和，最佳為從約2 $莫耳 至南達飽和。 反應媒介的酸度較佳是維持在約〇.5至約丨2 Ν之 更佳為從約i至約1GN之間，最佳為從約15 = 間。 d , 之 8 !3〇0763 光 在一個具體實例中，過氧化氫是經由一個Γ口Ίτ接〜^ 入反應容器中。較佳地，該反應容器包含—個大體是圓錐 一的邛刀而在其上部包含一個大體是圓柱形的部分。在 這樣的案例中，較佳熹奴< + 孕1疋厶由一個入口將過氧化氫輸入該反 應容器之大體是圓柱形的部分。 *在$一個具體實例中，㉟氧化氫係經由-個位於該硫 用入口下游、在流動方向上距該硫酸用入口至少約該循 環導管内徑、較佳至少約2倍、更佳至少約5倍、最佳至 勺10 L 導官内⑱的距離之人σ輸人該循環導管。 此具體實例之優點在於在循環導管中發生更多的二氧化氣 形成’其有利於反應容器中三氧減之取出。 導管的内徑視製造工廠的生產力而定，且較佳係設計 可確保其中的流動是擾流。適當的内徑例如可為約10 ，約⑽cm’較佳約20至約6〇cm。在循環導管的截面不 :圓形的案例中，則是指與具有圓形截面之導管相同截面 積所需的直徑。 藉由料酸和過氧化氫㈣料^料以離彼此一 2的距離’降低了形…S酸的風險。然而，以化學 .，.硯之，由於貫際的原因，總是無法達到最適當的進料 口位置，特別是假使是修改已經存在的工廢，作帶有適 又少量形成的〜。’續之折衷物也是在本發明的範缚中。 較佳地，所輸入過氧化氫的量為每一 ^ 屬氯酸鹽、約0.5至約2莫耳，最佳為莫二入的鹼金 屬氣酸鹽、約0.5至約i莫耳，尤其最 二驗金 果斗輸入的 1300763

驗金屬氯酸鹽約〇·5至約〇·6莫耳。 _________j 驗金屬氯酸鹽，通常是以水溶液，可在任何地方直接 輸入反應容器或循環導管中，例如加熱器上游或下游或是 硫酸入口上游或下游。也可將鹼金屬氯酸鹽以與過氧化氫 的預先混合溶液來輸入。 可使用任何鹼金屬氯酸鹽，像是鈉、鉀或其混合物的 氯酸鹽。通常鈉是較佳的。也可輸入鹼金屬氯酸鹽和氯酸 的混合物，在此案例中可減少輸入的硫酸量。 硫酸可在任何地方輸入循環導管中，不過經由加熱器 下游的入口將硫酸輸入是較佳的。所輸入的硫酸較佳具有 約30至約98 wt°/。’最佳為約4〇至約7〇 wt%的濃度。低 濃度的硫酸比較容易與反應媒介混合，但是高濃度可提供 利用稀釋熱的優點。

在於反應媒介中獲得固體鹼金屬硫酸鹽沈澱物的條件 下操作此方法是較佳的。視反應媒介的酸度而定，可形成 實質上中性的硫酸鹽或酸性的倍半硫酸鹽。然而，也可能 在沒有SJ體驗金屬硫酸鹽形成發生的條件下操作此方法。 k系έ取出至少一些形成的鹼金屬硫酸鹽，較佳是以 可在傳統過濾II上移除的固體鹽塊，而且在_些案例中可 =來作為副m而，也可電化學地酸化__些鹼金屬硫 ^鹽，並將其循環至反㈣〇代替—㈣酸進料 的電化學酸化係描述於如us專利4129484、5伽*卜 5487881 、 5858322 和 6322690 中。 ，且可 氧化氯是氣體連同氧和蒸發的水一起被取出 1300763 ------------ ' Ά〜 .則專統的方式被吸收至水中。在大部分的案例 虱最終是以水溶液使用，例如在紙漿漂白塔中。 、雖然不是必須的，但也可輸入少量的氯離子，較佳是 以驗金屬氯化物的形式，以將反應媒介中氯離 .持在约㈣】至高達約。."耳，升之範圍内。然而= *總是以驗金屬氯化物的雜質存在的氣化物之夕卜，不要輸入 任何的氯化物是較佳的。較佳地，輸入的氯離子總/包 括氯酸鹽中的雜質，為低於cl〇3.中的約i莫耳％，更佳為 低於、、.勺〇·1莫耳％，甚至更佳為低於約莫耳％，最佳 為低於約〇·〇2莫耳％cr。 本發明之另一方面係關於一種製造二氧化氯之裝置， •其包括反應容器、通過加熱器之循環導管、鹼金屬氯酸鹽、 刀L酉夂和過氧化氫用之進料入口，其中該硫酸用進料入口通 往該循環導管，較佳係在加熱器下游，而該過氧化氯用進 , 料入口直接通往該反應容器或於該硫酸用進料入口下游、 在ML動方向上距該硫酸用進料入口至少約該循環導管内徑 籲的距離通往該循環導管。 二 對於本裝置之適當與較佳的具體實例，參考以上方法 之欽述。 本發明將參考附圖來進一步舉例說明，其中圖1和2 圖概略顯示其不同的具體實例。 參照圖1，其概略地顯示依據本發明之製造二氧化氯 之svp⑧方法。反應容器1於負壓下貯留反應媒介。反應 媒介是以幫浦2循環通過循環導* 3和加熱器4 (通常稱 11 1300763 本. 禰尤 為再沸器），並以足夠將反應媒介的溫度維持 率回到反應容器1。將過氧化氳輸入反應容器1之大體上 圓柱形的部分，將氣酸鈉輸入反應容器丨之大體上圓錐形 的部分，並將硫酸輸入加熱器4下游的循環導管3。在反 應媒介中’氯酸納、過氧化氫和硫酸反應形成二氧化氯、 氧和硫酸鈉。二氧化氯和氧作為氣體與蒸發水一起被取 出。硫酸鈉沈澱成實質上中性或酸性的鹽類，此係視反應

媒介的酸度而定。藉由幫浦5,將反應媒介循環通過過濾 器0，以分離並取出固體硫酸鈉。 ^ 圖2顯示類似的方法，其不同之處僅在於過氧化氫是 在硫酸進料點下游輸人循環導管。二進料點之間在流動= 向上的距離應為只要實際上可行的長度且至少為 的内徑。 s 3 【圖式簡單說明】 其中過氧化氫係直接 其中過氧化氫係輪入

圖1概略地顯示一個具體實例， 輪入反應容器。 圖2概略地顯示一個具體實例 循環導管。 2 幫浦 4 加熱器 6 過濾器 【主要元件符號說明】 1 反應容器 3 循環導管 5 幫浦 12

Claims (1)

1300763 十、申請專利範固： •種於裝置中製造二氧化氯之，該裝·^包含貯 留反應媒介之反應容器和使該反應媒介通過加熱器之循環 導管，該方法包括以下連續步驟： • (a)將忒反應媒介維持在負壓與足以蒸發水的溫度； ♦ (b)使該反應媒介循環通過該循環導管與該加熱器； (C)使鹼金屬氯酸鹽、硫酸和過氧化氫於該反應媒介 中反應以开》成二氧化氯、氧和驗金屬硫酸鹽； _ (d)將鹼金屬氣酸鹽、硫酸和過氧化氫輸入該反應媒 介中，其中该硫酸係經由一個加熱器下游的入口輸入該循 •袤一I内而過氧化氫係經由一個入口直接輸入該反應容 •器内，或經由一個位於該硫酸用入口下游、在流動方向上 距該硫酸用入口至少約該循環導管内徑的距離之入口輸入 該循環導管内；以及 ， （e)取出含有二氧化氯、氧和蒸發水之氣體。 2_如申請專利範圍第i項所述之方法，其中過氧化氫 係經由一個入口直接輸入該反應容器内。 3 .如申請專利範圍第2項所述之方法，其申該反應容 器包含位於大體上圓錐形的部分頂端之大體上圓柱形的部 分’而過氧化氫係輸入該大體上圓柱形的部分。 4·如申請專利範圍第I項所述之方法，其中過氧化氯 係經由位於該硫酸用入口下游、在流動方向上距該硫酸2 入口至少約該循環導管内徑的距離之入口輸入該循環導管 13 1300763 内。 乂 •如申明專利範圍第4項所述之方法，其中過氧化氫 =J<由位於该硫酸用入口下游、在流動方向上距該硫酸用 至夕約五倍該循環導管内徑的距離之入口輸入該循環 - 導管内。 ， 6·如申請專利範圍第1_5項任一項所述之方法，其中 夕有一些形成的鹼金屬硫酸鹽是以固體鹽塊取出。 7 ·如申睛專利範圍第1 _ 5項任一項所述之方法，其中 石;,L酸進料具有約30至約98 wt%之濃度。 8 ·如申睛專利範圍第7項所述之方法，其中硫酸輸入 •具有約40至約7Q wt%之濃度。 曹 9· 一種製造二氧化氯之裝置，其包括反應容器，通過 加熱器之循環導管，鹼金屬氯酸鹽、硫酸和過氧化氫用之 進料入口，其中該硫酸用進料入口通往加熱器下游的循環 φ ^ & ’過氧化氫用進料入口直接通往該反應容器或於該硫 酸用進料入口下游、在流動方向上距該硫酸用進料入口至 少約該循環導管内徑的距離通往該循環導管。 10·如申請專利範圍第9項所述之裝置，其中過氧化氫 用進料入口直接通往該反應容器。 • U·如申請專利範圍第9項所述之裝置，其中該過氧化 * 氫用進料入口於該硫酸用進料入口下游、在流動方向上距 該硫酸用進料入口至少約該循環導管内徑的距離通往該循 環導管。 1300763 七、指定代表圖·· (一） 本案指定代表圖為·第（1 ) (二) 本代表圖之元件符號簡單說明： 圖。 1 反應容器 2 幫浦 3 循環導管 4 加熱器 5 幫浦 6 過濾器 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式: