低酸量製備二氧化氯的方法及裝置與流程
2023-05-09 16:52:56
本發明涉及一種二氧化氯的製備方法及製備裝置，特別是涉及一種採用低酸量製備高純度、高活性二氧化氯的製備方法及其專用裝置。
背景技術：
：二氧化氯作為國際上公認的新一代廣譜強力殺菌消毒劑，在社會上已被廣泛應用於飲用水消毒、工業循環水及各種廢水處理等領域。由於二氧化氯殺菌迅速、氧化能力強、效果好、無殘留、無副作用，所以，當前在國家及各級政府高度重視環境保護的形勢下，也得到了人們越來越多的認可，是目前最理想的清潔消毒劑。製備二氧化氯發生器在國內已有近20多年的歷史了，最早是混合二氧化氯發生器先研製出來，之後也研製出高純二氧化氯發生器，到目前，不同的發生器在各方面都有了很大的進展，其行業規模也得到了不斷發展壯大，在水處理及環保領域發揮著重要作用，尤其是高純二氧化氯發生器可以充分展現出二氧化氯的許多優勢，所以，在市場上備受青睞。目前我國市場上採用氯酸鈉製備高純二氧化氯的發生器從研發起，基本全都是圍繞R11法(即三元法)工藝方法進行研發的，然而應用實踐發現，三元法製備方法雖然在純度、轉化率指標上沒較大問題，但耗用硫酸量很大，不僅導致製備成本高，而且反應後廢液量很大，廢液的含酸量也高，在應用中會給水體帶來一些其他雜質，特別是對生活飲用水，會帶來一些不利影響；在對工業廢水處理方面，也會造成廢水處理成本的明顯提高；由於目前市場上還沒有更理想的強氧化劑來取代二氧化氯，因此，上述狀況很難改變。在我國研發這麼多年來，高純發生器一直沒有成功的原創性研發，幾乎都是圍繞著三元法，並以此進行三種原料配比、反應器結構或材質的改動來進行研發，工藝及原料配方都沒有根本的改變。多少年的研究證明，在三元法工藝基礎上降低酸量，是無法實現的，只有採用新的工藝方法和配方才可降低酸量，也就是要通過原創性的研發，採用新的工藝方法來解決低酸量製備高純二氧化氯的問題，達到市場所需要的理想效果。因此，低酸量製備二氧化氯的方法的研發亟待解決。在過去，之所以一直沒有在三元法工藝基礎上進行低酸量製備工藝方法的研發，因具有以下難點：1.酸度要求是製備二氧化氯的必要條件，因此，降低酸量，就意味著要減少水量，硫酸濃度提高，這些條件若應用在發生器上，並在原三元法工藝方法的基礎上進行製備，會導致反應的劇烈進行，易產生爆鳴或爆炸，反應無法正常、穩定進行；2.若提高硫酸濃度，高濃度硫酸會在反應器內會產生大量的稀釋熱，若稀釋熱平衡不了，也極易產生爆鳴或爆炸，使設備無法正常、穩定運行；3.由於三元法(R11法)是國際上公認的先進生產工藝方法，在生產實踐中被廣泛採用，在新方法產生之前，一般很難跳出這個技術的範疇；依據二氧化氯的產生機理，二氧化氯只有在一定酸度下，才會反應產生，特別是採用氯酸鈉法，酸度要求還要更高；所以，降低酸量製備高純二氧化氯就需要研發新的工藝方法和工藝配方來解決，不僅具有很大難度，而且是需要一定的人力、物力和足夠的時間。當前，隨著國家對環境保護的高度重視，高純二氧化氯氣體發生器對許多水體的殺菌、消毒、氧化，特別是對含氰及含有重金屬等特殊要求水體的處理方面都有著一定的市場需求，這是混合二氧化氯發生器力所不能及的。因此，低酸法及專用裝置的研發已迫在眉睫。技術實現要素：本發明的首要目的是提供一種低酸量製備二氧化氯的方法，該方法原料轉化率高、成本低、殘液量小、殘酸量小，並且採用該方法製備的二氧化氯純度高、活性高。本發明的另一目的是提供一種低酸量製備二氧化氯的裝置，採用該裝置製備二氧化氯原料轉化率高、成本低、殘液量小、殘酸量小，並且採用該裝置製得的二氧化氯純度高、活性高。為了實現上述目的，本發明的技術解決方案為：一種低酸量製備二氧化氯的方法，其特徵在於：將P3溶液和硫酸溶液加入到製備裝置中進行反應產生二氧化氯氣體，在反應過程中持續進行曝氣。本發明低酸量製備二氧化氯的方法，所述P3溶液濃度為40～46％，所述硫酸溶液濃度為70～75％，所述P3溶液和硫酸溶液的摩爾比為1：1.07～1.16，且所述P3溶液和硫酸溶液的體積比為1：0.48～0.56。本發明低酸量製備二氧化氯的方法，其中，所述P3溶液和硫酸溶液的反應分第一、第二、第三三級進行，上述三級反應在相互獨立的三個反應器中進行，所述第一、第二級反應的反應溫度均為65～70℃，所述第三級反應的反應溫度為68～73℃。本發明低酸量製備二氧化氯的裝置，所述裝置包括依次連接的一級反應器、二級反應器及三級反應器，所述一級、二級反應器之間及所述二級、三級反應器之間分別通過第一溢流管、第二溢流管連通，所述一級反應器上連接有P3溶液輸送管路、硫酸溶液輸送管路及曝氣管，所述一級、二級、三級反應器頂部均連接有一洩壓管，所述三級反應器頂部還連接有抽氣管，所述三級反應器上設置有加熱裝置。本發明低酸量製備二氧化氯的裝置，其中，所述一級反應器為罐狀體，所述罐狀體內壁下部固定有若干個橫向折流板，所述各橫向折流板由高到低依次設置，所述P3溶液輸送管路、硫酸溶液輸送管路及曝氣管與罐狀體的連接點均位於最低的橫向折流板下方。本發明低酸量製備二氧化氯的裝置，其中，所述二級反應器為罐狀體，構成二級反應器的罐狀體內壁固定有豎向折流板，所述豎向折流板為L形並且所述豎向折流板自所述罐狀體的頂部延伸到底部，所述第一溢流管與所述構成二級反應器的罐狀體的連接點位於所述罐狀體的頂部並且位於所述豎向折流板的下方。本發明低酸量製備二氧化氯的裝置，其中，所述三級反應器為罐狀體，所述加熱裝置為電磁感應加熱器，所述電磁感應加熱器包覆在構成三級反應器的罐狀體外壁。本發明低酸量製備二氧化氯的裝置，其中，所述一級反應器、二級反應器均由PVC材料製成，所述三級反應器由鈦製成，所述P3溶液輸送管路的進料端、硫酸溶液輸送管路的進料端與所述曝氣管的進氣端均在同一平面內，並且所述P3溶液輸送管路的進料端、硫酸溶液輸送管路的進料端與所述曝氣管的進氣端所成夾角均為60°。本發明低酸量製備二氧化氯的裝置，其中，一級反應器、二級反應器及三級反應器呈三角形布置。本發明低酸量製備二氧化氯的裝置，其中，所述第一溢流管與所述一級反應器的連接點位於所述一級反應器頂部，所述第二溢流管與所述二級反應器的連接點位於所述二級反應器的頂部，所述第二溢流管與所述三級反應器的連接點位於所述三級反應器的底部。採用上述方案後，與現有技術相比由於本發明低酸量製備二氧化氯的方法中採用P3溶液和硫酸溶液進行反應產生二氧化氯氣體，並且反應過程中持續曝氣，一改原傳統的三元法製備方法及配方，是一種原創性的新工藝，與原高純製備工藝方法相比，製備過程中不僅硫酸用量少、消耗低，而且原料轉化率高、成本低，其原三元法成本為0.01569元/g，現低酸法成本僅為0.01072元/g，是國內高純製備方法的最低成本，更重要的是，反應後產生的殘液量少，酸含量少(具體見附表)，真正實現了國內高純製備方法的最少用酸量、最高轉化率、最低成本、最少殘液量、最少殘酸量，極大地滿足了客戶的不同需求，解決了客戶一直希望的降低用酸量、降低殘液量、減少成本的問題，並且該方法製得的二氧化氯純度高、活性高，殺菌、消毒、氧化汙染物效果理想，可滿足各種場所的水處理需要，尤其是對較難處理的工業廢水提供了處理方法，保證後期的水處理效果能夠達標，達到了高純製備方法的最好水平，填補了市場空白。另外，P3溶液濃度為40～46％，硫酸溶液濃度為70～75％，P3溶液和硫酸溶液的摩爾比為1：1.07～1.16，且P3溶液和硫酸溶液的體積比為1：0.48～0.56，採用上述溶液濃度達到了物料平衡及熱量平衡，確保反應充分進行，既保證了反應母液的酸度，也使反應能夠安全、穩定、快速地進行；還有，由於本發明低酸量製備二氧化氯的方法中P3溶液和硫酸溶液的反應分三級進行，三級反應在相互獨立的三個反應器中進行，在保證物料停留時間的同時，使物料得到了充分的散熱和加熱，反應過程中實行三溫單控、三級反應相互獨立，增加了反應母液的流動歷程，不斷改變宏觀混合效果，改善反應母液的混合狀態，促進整體反應速度，提高反應效果，其原料轉化率可大於98％以上，達到了國內高純二氧化氯製備技術的先進水平。由於本發明裝置包括依次連接的一級反應器、二級反應器及三級反應器，改變了原三元法只採用單一的反應器結構形式，相當於將反應過程分為預混段、混合反應段及最終反應段，延長物料停留時間的同時，使物料得到了充分的散熱和加熱；還有，由於一級反應器內固定有橫向折流板，二級反應器內固定有豎向折流板，第一溢流管與一級反應器的連接點位於一級反應器頂部，第二溢流管與二級反應器的連接點位於二級反應器的頂部，第二溢流管與三級反應器的連接點位於三級反應器的底部，使反應母液在曝氣下不斷改變混合狀態，具有充足的停留時間，進一步提高物料轉化率，加快反應速度，同時，也很好地解決了散熱問題；再有，一級反應器、二級反應器及三級反應器呈三角形布置，安全性強、結構緊湊，設備體積遠小於三元法的體積。附圖說明圖1是本發明低酸量製備二氧化氯的裝置的結構示意圖；圖2是本發明低酸量製備二氧化氯的裝置中P3溶液輸送管路、硫酸溶液輸送管路及曝氣管與一級反應器的連接示意圖。具體實施方式如圖1所示，低酸量製備二氧化氯所用的裝置，包括依次連接的一級反應器11、二級反應器12及三級反應器13，一級反應器11與二級反應器12之間及二級反應器12與三級反應器13之間分別通過第一溢流管14、第二溢流管15連通，一級反應器11上連接有P3溶液輸送管路21、硫酸溶液輸送管路22及曝氣管23，一級、二級、三級反應器頂部分別通過一連接管連接到洩壓管25，三級反應器13頂部還連接有抽氣管24，三級反應器13上還設置有加熱裝置，一級反應器11、二級反應器12及三級反應器13呈三角形布置。如圖1所示，一級反應器11為罐狀體，罐狀體內壁下部固定有多個橫向折流板111，各橫向折流板111由高到低依次設置，P3溶液輸送管路21、硫酸溶液輸送管路22及曝氣管23與罐狀體的連接點均位於最低的橫向折流板下方；在橫向折流板111的阻擋作用下，P3溶液、硫酸溶液及經曝氣管23進入一級反應器11內的空氣在一級反應器內的停留時間延長，流動歷程加長，使P3溶液與硫酸溶液充分混合，促進整體反應速率、提高反應效果、提高原料轉化率。如圖1所示，二級反應器12為罐狀體，構成二級反應器12的罐狀體內壁固定有豎向折流板121，豎向折流板121為L形並且豎向折流板121自罐狀體的頂部延伸到底部，第一溢流管14與構成二級反應器12的罐狀體的連接點位於罐狀體的頂部並且位於豎向折流板121的下方；在豎向折流板121的阻擋作用下，反應母液從二級反應器12的頂部到達底部、再從底部上升至頂部，使反應母液在二級反應器12內停留時間延長、流動歷程加長，使P3溶液與硫酸溶液充分反應，並且延長散熱時間，使稀釋熱得到充分釋放，反應平穩進行。如圖1所示，第一溢流管14與一級反應器11的連接點位於一級反應器11頂部，第二溢流管15與二級反應器12的連接點位於二級反應器的頂部，第二溢流管15與所述三級反應器13的連接點位於三級反應器13的底部；上述設置進一步延長反應母液在反應裝置內的停留時間和流動歷程。如圖2所示，P3溶液輸送管路21的進料端、硫酸溶液輸送管路22的進料端與曝氣管23的進料端均在同一平面內，並且P3溶液輸送管路21的進料端、硫酸溶液輸送管路22的進料端與曝氣管23的進氣端所成夾角均為60°，在曝氣的作用下，使P3溶液與硫酸溶液更能充分混合。如圖1所示，三級反應器13為罐狀體，加熱裝置為電磁感應加熱器131，電磁感應加熱器131包覆在構成三級反應器13的罐狀體中部外壁，加熱裝置還可採用其他的普通電加熱器。一級反應器11、二級反應器12均由PVC材料製成，三級反應器13由鈦製成。本發明低酸量製備二氧化氯的方法實施例一將40％的P3溶液(氯酸鈉與C催化劑的混合液)和71％的稀硫酸溶液分別經P3溶液輸送管路21、硫酸溶液輸送管路22加入一級反應器11中，40％的P3溶液和71％的稀硫酸溶液的摩爾比為1：1.07、體積比為1：0.5，在一級反應器11中P3溶液和稀硫酸溶液發生反應形成反應母液，在反應過程中曝氣管23持續曝氣，上述反應母液經第一溢流管14進入二級反應器12，在二級反應器12內反應後經第二溢流管15進入三級反應器13，反應母液經過上述三級反應器充分的混合，使反應充分進行，最終得到高純度、高活性的二氧化氯氣體，經抽氣管24送到被處理水體中，一級反應器11的反應溫度自然維持在65℃、二級反應器12的反應溫度自然維持為65℃，控制系統控制加熱裝置，在控制系統的自動控制下，三級反應器13內的反應溫度保持在68℃，其反應原理如下：NaClO3(+C)+H2SO4→ClO2↑+Na2SO4+H2O+O2↑在上述製備過程中，現場對三級反應器13進行取樣分析檢測，檢測結果：二氧化氯氣體純度為99.91％，原料轉化率為98.4％。本發明低酸量製備二氧化氯的方法實施例二將43％的P3溶液(氯酸鈉與C催化劑的混合液)和75％的稀硫酸溶液分別經P3溶液輸送管路21、硫酸溶液輸送管路22加入一級反應器11中，43％的P3溶液和75％的稀硫酸溶液的摩爾比為1：1.1、體積比為1：0.52，在一級反應器11中P3溶液和稀硫酸溶液發生反應形成反應母液，在反應過程中曝氣管23持續曝氣，上述反應母液經第一溢流管14進入二級反應器12，在二級反應器12內反應後經第二溢流管15進入三級反應器13，反應母液經過上述三級反應器充分的混合，使反應充分進行，最終得到高純度、高活性的二氧化氯氣體，經抽氣管24送到被處理水體中，一級反應器11的反應溫度自然維持在70℃、二級反應器12的反應溫度自然維持為69℃，控制系統控制加熱裝置，在控制系統的自動控制下，三級反應器13內的反應溫度保持在70℃，其反應原理如下：NaClO3(+C)+H2SO4→ClO2↑+Na2SO4+H2O+O2↑在上述製備過程中，現場對三級反應器13進行取樣分析檢測，檢測結果：二氧化氯氣體純度為99.96％，原料轉化率為98.9％。本發明低酸量製備二氧化氯的方法實施例三將44％的P3溶液(氯酸鈉與C催化劑的混合液)和72％的稀硫酸溶液分別經P3溶液輸送管路21、硫酸溶液輸送管路22加入一級反應器11中，44％的P3溶液和72％的稀硫酸溶液的摩爾比為1：1.09、體積比為1：0.56，在一級反應器11中P3溶液和稀硫酸溶液發生反應形成反應母液，在反應過程中曝氣管23持續曝氣，上述反應母液經第一溢流管14進入二級反應器12，在二級反應器12內反應後經第二溢流管15進入三級反應器13，反應母液經過上述三級反應器充分的混合，使反應充分進行，最終得到高純度、高活性的二氧化氯氣體，經抽氣管24送到被處理水體中，一級反應器11的反應溫度自然維持在70℃、二級反應器12的反應溫度自然維持為70℃，控制系統控制加熱裝置，在控制系統的自動控制下，三級反應器13內的反應溫度保持在73℃，其反應原理如下：NaClO3(+C)+H2SO4→ClO2↑+Na2SO4+H2O+O2↑在上述製備過程中，現場對三級反應器13進行取樣分析檢測，檢測結果：二氧化氯氣體純度為99.94％，原料轉化率為99.03％。本發明低酸量製備二氧化氯的方法實施例四將46％的P3溶液(氯酸鈉與C催化劑的混合液)和70％的稀硫酸溶液分別經P3溶液輸送管路21、硫酸溶液輸送管路22加入一級反應器11中，45％的P3溶液和70％的稀硫酸溶液的摩爾比為1：1.16、體積比為1：0.48，在一級反應器11中P3溶液和稀硫酸溶液發生反應形成反應母液，在反應過程中曝氣管23持續曝氣，上述反應母液經第一溢流管14進入二級反應器12，在二級反應器12內反應後經第二溢流管15進入三級反應器13，反應母液經過上述三級反應器充分的混合，使反應充分進行，最終得到高純度、高活性的二氧化氯氣體，經抽氣管24送到被處理水體中，一級反應器11的反應溫度自然維持在69℃、二級反應器12的反應溫度自然維持為68℃，控制系統控制加熱裝置，在控制系統的自動控制下，三級反應器13內的反應溫度保持在71℃，其反應原理如下：NaClO3(+C)+H2SO4→ClO2↑+Na2SO4+H2O+O2↑在上述製備過程中，現場對三級反應器13進行取樣分析檢測，檢測結果：二氧化氯氣體純度為99.95％，原料轉化率為98.7％。本發明低酸量製備二氧化氯的方法和傳統的三元法的比較表如下：序號項目三元法低酸法低酸法的下降率1投H2SO4濃度(％)70～7570～75——2投H2SO4量(L/h)381560.53％3H2SO4消耗(kg/kg)4.281.6960.51％4殘液量(L/h)8438.254.52％5殘液H2SO4量(kg/h)28.3(折100％)9.5(折100％)66.43％6殘液H2SO4含量(％)25.918.428.96％7製備成本(元/gClO2)0.015960.0107232.83％8原料轉化率(％)＞95＞98提高3.16％以上所述實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的範圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通工程技術人員對本發明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發明的權利要求書確定的保護範圍內。當前第1頁1 2 3