СПОСОБ ОБРАБОТКИ ВОДЫ ДИОКСИДОМ ХЛОРА Российский патент 2013 года по МПК C02F1/76 C01B11/02 C01B11/10 C02F103/04 

Настоящее изобретение относится к способу обработки воды диоксидом хлора (CIO₂).

В связи с присущей диоксиду хлора высокой бактерицидной, вирицидной и альгицидной активностью его широко используют для водоподготовки. Поскольку газообразный диоксид хлора концентрацией более 300 г/м³ и растворы диоксида хлора концентрацией более 26 г/л склонны к взрыву, диоксид хлора нельзя хранить в сжатом состоянии или в виде высококонцентрированных растворов. Учитывая эти химические свойства, диоксид хлора приходится синтезировать в месте его непосредственного использования. Синтез диоксида хлора заключается в смешивании соответствующих исходных химикатов в особых реакторах установок для производства диоксида хлора. Привязанный к месту практического использования аппаратурный узел подобных установок, который включает резервуары для хранения исходных химикатов, дозирующие устройства, а также реактор, как правило монтируют в посещаемых людьми помещениях.

Существует несколько, главным образом три основных метода синтеза диоксида хлора, которые в промышленном масштабе используют для обработки воды. В соответствии с ними в качестве одного из исходных химикатов используют хлорит натрия (NaClO₂). Ниже более подробно рассматриваются химические основы этих методов. Соответствующие исходные вещества называют исходными химикатами или реагентами.

1. Синтез диоксида хлора из хлорита натрия и сильной кислоты

В соответствии с данным методом совместно используют сильную кислоту и хлорит натрия. В качестве сильной кислоты чаще всего используют соляную или серную кислоту. В случае соляной кислоты взаимодействие исходных реагентов протекает согласно следующему уравнению:

5NaClO₂+4HCl→4ClO₂+5NaCl+2H₂O.

Синтез диоксида хлора с использованием серной кислоты протекает в соответствии со следующим уравнением:

10NaClO₂+5H₂SO₄→8ClO₂+5Na₂SO₄+2HCl+4H₂O.

2. Синтез диоксида хлора из хлорита натрия и хлора

В соответствии с данным методом совместно используют газообразный хлор и хлорит натрия. Синтез протекает в две стадии, первой из которых является образование соляной кислоты:

Cl₂+H₂O→HOCl+HCl.

Хлорноватистая кислота (HOCl) в качестве промежуточного продукта этой реакции затем взаимодействует с хлоритом натрия с образованием диоксида хлора:

HOCl+HCl+2NaClO₂→2ClO₂+2NaCl+H₂O.

Результатом суммирования двух приведенных выше уравнений является следующее общее уравнение:

Cl₂+2NaClO₂→2ClO₂+2NaCl.

3. Синтез диоксида хлора из хлорита натрия и гипохлорита натрия

В соответствии с данным методом совместно используют гипохлорит натрия (NaOCl) и хлорит натрия:

NaOCl+HCl→NaCl+HOCl,

HCl+HOCl+2NaClO₂→2ClO₂+2NaCl+H₂O.

Указанные методы синтеза диоксида хлора, как правило, реализуют в реакторах, функционирующих либо в непрерывном, либо в периодическом режиме.

При производстве диоксида хлора следует учитывать два возможных значения предела взрываемости, первому из которых соответствует концентрация раствора диоксида хлора, составляющая более 6 г/л (контакт с воздухом), тогда как второму значению предела взрываемости соответствует концентрация раствора диоксида хлора, составляющая более 26 г/л (самопроизвольное разложение водного раствора). При осуществлении синтеза диоксида хлора любым из трех указанных выше методов в случае использования исходных химикатов, взаимодействие которых может приводить к образованию в реакционном объеме раствора диоксида хлора концентрацией более 26 г/л, в реакционный объем добавляют разбавляющую воду, что позволяет поддерживать концентрацию диоксида хлора на уровне ниже предела его самопроизвольного разложения. Раствор диоксида хлора на выходе из реакционного объема, концентрация которого как правило составляет 20 г/л или менее, посредством другого водного потока разбавляют до примерной концентрации диоксида хлора, составляющей менее 3 г/л.

Для повышения производственной безопасности выполняемого согласно уровню техники синтеза диоксида хлора, а также для повышения выхода диоксида хлора и объема его производства в единицу времени реализуют самые разные производственно-технические мероприятия, к которым, в частности, относятся:

- использование разбавленных исходных химикатов, что позволяет поддерживать концентрацию раствора синтезируемого диоксида хлора менее 26 г/л, или соответственно менее 6 г/л,

- вакуумирование реактора, что способствует снижению концентрации диоксида хлора в газовой фазе до уровня ниже 300 г/м³,

- создание избыточного давления в реакторе, например, посредством устанавливаемых на выходе из реактора редукционных клапанов, что предотвращает возникновение газовой фазы, обусловленное превышением предела растворимости диоксида хлора, а также повышает его выход,

- синтез диоксида хлора в отличающемся большей продолжительностью периодическом режиме, что приводит к повышению выхода диоксида хлора в случае использования разбавленных исходных химикатов,

- использование сверхстехиометрических количеств кислоты в случае синтеза диоксида хлора из хлорита натрия и кислоты (методом 1) и сверхстехиометрических количеств хлора в случае синтеза диоксида хлора из хлорита натрия и хлора (методом 2), что приводит к повышению выхода диоксида хлора.

Несмотря на реализацию указанных выше производственно-технических мероприятий эксплуатация установок для производства диоксида хлора, происходящая с нарушением регламентированного технологического режима, обусловленным, например, сбоем подачи разбавляющей воды или выходом из строя системы регулирования давления, может привести к самопроизвольному разложению диоксида хлора (взрыву) или его выбросу в окружающую атмосферу вследствие нарушения герметичности реакционного объема или повреждения поверхностей, отделяющих раствор диоксида хлора от внешней среды, что может нанести серьезный ущерб окружающей производственную установку среде. В случае использования разбавленных исходных химикатов, приводящего к образованию растворов диоксида хлора концентрацией менее 6 г/л, а, следовательно, в случае отказа от синтеза диоксида хлора на установках с более высоким объемом его производства в единицу времени, при эксплуатации подобной установки с нарушением регламентированного технологического режима не следует исключать также возможность нанесения ущерба окружающей атмосфере, обусловленном превышением максимально допустимой концентрации диоксида хлора, которая составляет 0,1 млн^-1. Для сведения подобного ущерба к минимуму как на самих производственных установках для получения диоксида хлора, так и в местах их монтажа реализуют самые разные технические мероприятия, например, осуществляют дорогостоящее техническое обслуживание технологического оборудования, включая регулярную замену реакторов, территориальное изолирование места монтажа установок, обеспечение принудительной вентиляции и контроль состояния атмосферы в месте монтажа установок путем непрерывно осуществляемого газового анализа.

Исходя из вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача предложить более безопасную и эффективную технологию обработки воды диоксидом хлора. В частности, задача настоящего изобретения состояла в том, чтобы при высоком объеме производства диоксида хлора в единицу времени свести к минимуму потенциал опасности процесса обработки воды диоксидом хлора и одновременно снизить затраты на устройства для обеспечения безопасности.

Соответствующий способ обработки воды должен быть безопасен для окружающей среды и людей, и должен исключать выброс диоксида хлора в атмосферу, прежде всего в атмосферу помещений, в которых обычно осуществляют эксплуатацию установок для производства диоксида хлора. Вместе с тем должны быть обеспечены преимущества, предоставляемые благодаря использованию концентрированных исходных химикатов, например, такие как меньший перенос веществ, более высокая скорость реакции, более высокие выходы целевого продукта и меньший объем реактора.

Объектом настоящего изобретения является способ обработки воды диоксидом хлора, отличающийся тем, что:

1. Реакционный объем, в котором получают диоксид хлора, полностью окружен водой,

2. Окружающая реакционный объем вода одновременно является подлежащей обработке водой,

3. Образующийся в реакционном объеме диоксид хлора из реакционного объема поступает непосредственно в подлежащую обработке воду.

Предпочтительным объектом настоящего изобретения является способ обработки воды диоксидом хлора, отличающийся тем, что:

1. Реакционный объем, в котором получают диоксид хлора, полностью окружен водой,

2. Окружающая реакционный объем вода одновременно является подлежащей обработке водой,

3. Образующийся в реакционном объеме диоксид хлора из реакционного объема поступает непосредственно в подлежащую обработке воду, причем концентрацию исходных химикатов и расход при необходимости используемой разбавляющей воды комбинируют таким образом, чтобы концентрация образующегося диоксида хлора в выходящем из реактора растворе составляла более 3 г/л, предпочтительно более 26 г/л и особенно предпочтительно более 80 г/л.

Другим предпочтительным объектом настоящего изобретения является способ обработки воды диоксидом хлора, отличающийся тем, что:

1. Реакционный объем, в котором получают диоксид хлора, представляет собой полностью окруженный водой, снабженный свободным выходом реактор без устройства для регулирования давления,

2. Окружающая реакционный объем вода одновременно является подлежащей обработке водой,

3. Образующийся в реакционном объеме диоксид хлора из реакционного объема поступает непосредственно в подлежащую обработке воду, причем концентрацию исходных химикатов и расход при необходимости используемой разбавляющей воды комбинируют таким образом, чтобы концентрация образующегося диоксида хлора в выходящем из реактора растворе составляла более 3 г/л, предпочтительно более 26 г/л и особенно предпочтительно более 80 г/л.

Особенно предпочтительным объектом настоящего изобретения является способ обработки воды диоксидом хлора, отличающийся тем, что:

1. Реакционный объем, в котором получают диоксид хлора, представляет собой полностью окруженный водой, снабженный свободным выходом реактор без устройства для регулирования давления,

2. Окружающая реакционный объем вода одновременно является подлежащей обработке водой, которая оказывает на находящийся в реакционном объеме раствор диоксида хлора давление такой величины, чтобы не был превышен предел растворимости диоксида хлора в воде при данной температуре,

3. Образующийся в реакционном объеме диоксид хлора из реакционного объема поступает непосредственно в подлежащую обработке воду, причем концентрацию исходных химикатов и расход при необходимости используемой разбавляющей воды комбинируют таким образом, чтобы концентрация образующегося диоксида хлора в выходящем из реактора растворе составляла более 3 г/л, предпочтительно более 26 г/л и особенно предпочтительно более 80 г/л.

Указанную выше задачу неожиданно удалось решить с помощью приведенных в формуле изобретения и его описании технических мероприятий.

Важной особенностью предлагаемого в изобретении способа является сочетание указанных выше отличительных признаков 1-3, которое обеспечивает возможность безопасной работы благодаря исключению выброса диоксида хлора в рабочее помещение или окружающую среду и способствует устранению негативных последствий его взрывообразного разложения. Реакционный объем, в котором происходит синтез диоксида хлора, полностью окружен водой, которая одновременно является подлежащей обработке водой.

Удаление места синтеза диоксида хлора из посещаемых людьми помещений и мест складирования исходных химикатов позволяет существенно повысить производственную безопасность. Благодаря большому объему воды негерметичности реакционного объема, вплоть до происходящих в нем взрывов, оказываются практически полностью нейтрализованными.

Диоксид хлора непосредственно из реакционного объема, в котором он образуется, без кружных маршрутов поступает в подлежащую обработке воду, поскольку место его выхода находится непосредственно в конце реакционного объема, а, следовательно, также окружено подлежащей обработке водой.

Кроме того, неожиданно было обнаружено, что в случае комбинированного использования концентрированных исходные химикатов и при необходимости добавляемой разбавляющей воды, которое приводит к образованию раствора диоксида хлора в реакционном объеме концентрацией более 26 г/л и особенно предпочтительно более 80 г/л, отсутствует самопроизвольное разложение диоксида хлора (при условии, что среднему времени пребывания реагентов в реакционном объеме соответствует определенный временной диапазон) и предотвращается образование газообразного диоксида хлора, причем на выходе раствора диоксида хлора из реакционного объема происходит его мгновенное разбавление до концентраций, измеряемых миллиграммами в литре. Обнаружено также, что увеличение концентрации диоксида хлора в реакционном объеме позволяет сократить необходимые для достижения высоких степеней превращения реагентов сверхстехиометрические количества кислоты, или соответственно хлора.

Ниже преимущества нового способа рассматриваются более подробно.

Негерметичность реакционного объема, прежде всего реактора, можно просто и надежно контролировать в непрерывном потоке обтекающей его стенки воды. В случае выхода диоксида хлора из реакционного объема через негерметичные места прежде всего происходит его разбавление до некритической концентрации и эвакуация из зоны негерметичности. То же относится и к исходным химикатам, при необходимости выходящим через негерметичности реакционного объема, прежде всего реактора. Поскольку синтез диоксида хлора из концентрированных исходных химикатов можно осуществлять в отсутствие разбавления водой, могут быть сокращены необходимые для достижения высоких степеней превращения сверхстехиометрические количества кислоты, или соответственно хлора, что приводит к дополнительному существенному повышению скорости реакции, результатом которого является увеличение удельной производительности реакционного объема. Сокращение необходимого среднего времени пребывания реагентов в реакционном объеме позволяет свести к минимуму его размеры, благодаря чему реакционный объем, прежде всего реактор, может быть встроен, например, в трубопровод, через который пропускают подлежащую обработке воду. Кроме того, достигают важной с точки зрения производственной безопасности оптимизации соотношения между количеством диоксида хлора, постоянно присутствующим в реакционном объеме во время синтеза, и расходом подлежащей обработке воды.

Удаление места образования диоксида хлора из посещаемых людьми помещений и мест хранения исходных химикатов способствует существенному повышению производственной безопасности. Негерметичности реакционного объема, вплоть до происходящих в нем взрывов, оказываются практически полностью нейтрализованными благодаря большому объему подлежащей обработке воды по сравнению с находящимся в реакционном объеме количеством диоксида хлора.

Важной особенностью предлагаемого в изобретении способа является сочетание указанных выше отличительных признаков 1-3, которое позволяет повысить производственную безопасность, в том числе и в случае использовании концентрированных исходных химикатов без разбавляющей воды, благодаря исключению выхода диоксида хлора в рабочее помещение или окружающую среду и обеспечивает устранение негативных последствий взрывообразного разложения диоксида хлора.

Реакционный объем, в котором производят диоксид хлора, полностью окружен водой, которая одновременно является подлежащей обработке водой.

Предпочтительным является использование реактора в качестве реакционного объема.

В соответствии с третьим из указанных выше отличительных признаков образующийся в реакционном объеме диоксид хлора непосредственно, то есть без кружных маршрутов или использования дополнительных трубопроводов, поступает в подлежащую обработке воду, поскольку выход из реакционного объема, предпочтительно реактора, находится непосредственно в его конце, а, следовательно, также окружен подлежащей обработке водой.

Кроме того, предоставляется возможность транспортировки выходящего из реакционного объема раствора диоксида хлора по находящейся в конце реакционного объема (зоне выхода раствора диоксида хлора) отводящей системе в одно или несколько мест. Речь при этом, в частности, идет о распределении раствора диоксида хлора в подлежащей обработке крупной общей системе или о его распределении на несколько подлежащих обработке отдельных систем. Для осуществления подобной транспортировки раствора диоксида хлора пригодны любые устройства, с помощью которых могут быть достигнуты описанные выше эффекты, например, такие как жестко смонтированные трубопроводы или системы гибких шлангов. В конце подобной отводящей системы может находиться также технологическое оборудование, предназначенное для распределения раствора диоксида хлора, например, водоструйный или циркуляционный насос.

Под поступлением диоксида хлора в подлежащую обработке воду согласно изобретению подразумевают, что диоксид хлора из реакционного объема предпочтительно посредством вводимых в реакционный объем исходных химикатов и при необходимости вводимой в реакционный объем разбавляющей воды поступает в подлежащую обработке воду непосредственно или по отводящей системе.

Интенсивность регенерации подлежащей обработке воды на выходе из реакционного объема, предпочтительно реактора, или на выходе из отводящей системы можно усиливать посредством пригодных технических устройств.

Реакционный объем, предпочтительно реактор, функционирует предпочтительно без использования устройства для регулирования давления. Благодаря наличию свободного выхода в конце реакционного объема, предпочтительно выходного отверстия реактора, или отводящей системы давление в реакционном объеме может возрастать лишь до величины, которая соответствует давлению, оказываемому на реакционный объем окружающей водой.

Концентрацию образующегося в реакционном объеме, предпочтительно в реакторе, диоксида хлора в комбинации с давлением и температурой окружающей воды можно регулировать таким образом, чтобы не был превышен предел растворимости диоксида хлора в воде. Благодаря этому может быть предотвращено возникновение двухфазной системы вследствие образования газовой фазы диоксида хлора.

Давление, которое оказывает подлежащая обработке вода на реакционный объем, можно варьировать, например, изменяя глубину погружения реакционного объема, предпочтительно реактора, в накопитель воды. Давление подлежащей обработке воды, оказываемое на монтируемый в трубопроводе реактор, можно варьировать, например, посредством встраиваемого в трубопровод запорного органа.

В случае если регенерация подлежащей обработке воды в зоне выхода раствора диоксида хлора из реакционного объема, предпочтительно реактора, происходит с надлежащей интенсивностью, концентрация раствора диоксида хлора на выходе из реакционного объема, предпочтительно реактора, может мгновенно смещаться в область значений, измеряемых миллиграммами в литре. Подобного эффекта можно достичь, например, благодаря введению реакционного объема, предпочтительно реактора, в трубопровод, через который пропускают подлежащую обработке воду с расходом, соответствующим требуемой интенсивности ее регенерации.

Погруженный в накопитель воды реакционный объем, предпочтительно реактор, можно расположить вблизи стороны всасывания циркуляционного насоса, что позволяет обеспечить надлежащую интенсивность регенерации подлежащей обработке воды в конце реакционного объема, предпочтительно на выходе из реактора, или на выходе из отводящей системы. В случае отсутствия циркуляционного насоса согласно уровню техники существует множество методов обеспечения необходимой интенсивности регенерации подлежащей обработке воды в конце реакционного объема, предпочтительно на выходе из реактора, или на выходе из отводящей системы, например, предусматривающих использование, водоструйных насосов или других перекачивающих устройств.

В реакционном объеме в принципе можно использовать любые химические методы синтеза диоксида хлора, прежде всего указанные выше методы 1-3, или также метод получения диоксида хлора из хлората.

Согласно изобретению предпочтительным является получение диоксида хлора из соляной кислоты и хлорита (метод 1). При этом используемый в качестве исходного химиката (реагента) хлорит щелочного металла, предпочтительно хлорит натрия, может находиться в виде водного раствора концентрацией от 3,5 до 40%. В качестве кислоты предпочтительно используют соляную кислоту концентрацией от 3,5 до 42%.

В соответствии с особенно предпочтительным вариантом осуществления изобретения используют концентрированные исходные химикаты, причем синтез диоксида хлора осуществляют методом 1 из соляной кислоты и хлорита. При этом концентрация соляной кислоты находится в примерном интервале от 33 до 42%, а раствора хлорита натрия от 25 до 40%. Исходные химикаты перед синтезом или в реакционном объеме, предпочтительно реакторе, не подвергают разбавлению.

Исходные химикаты (реагенты), прежде всего кислоту и хлорит, вводят в реакционный объем, как указано выше, по отдельности в виде соответствующих, находящихся под собственным давлением водных растворов, или посредством насосов, после чего реализуют их взаимодействие.

В соответствии с предпочтительным технологическим режимом реагенты используют в виде концентрированных растворов без добавления разбавляющей воды, благодаря чему концентрация раствора диоксида хлора, устанавливающаяся в конце реакционного объема, предпочтительно на выходе из реактора, или на выходе из отводящей системы, составляет более 80 г/л. В другом варианте с целью установления концентрации раствора диоксида хлора в конце реакционного объема, предпочтительно на выходе из реактора, или на выходе из отводящей системы, составляющей более 3 г/л, предпочтительно более 26 г/л и особенно предпочтительно более 80 г/л, можно использовать разбавляющую воду.

Устройство для осуществления предлагаемого в изобретении способа включает главным образом соответствующую аппаратуру и технологическое оборудование. В типичном случае подобное устройство включает один или несколько резервуаров для исходных химикатов (реагентов), прежде всего резервуар для хранения кислоты и резервуар для хранения хлорита, причем водный раствор кислоты находится в резервуаре для хранения кислоты, в то время как раствор хлорита щелочного металла находится в резервуаре для хранения хлорита. Подобное устройство включает оборудование, посредством которого можно осуществлять как загрузку соответствующих компонентов в резервуар для хранения, так и отбор растворов. К предпочтительному оборудованию относятся насосы и питающие трубопроводы, способные обеспечить достаточные скорости подачи исходных химикатов (реагентов), прежде всего водных растворов кислоты и растворов хлорита щелочного металла, а также достаточный расход разбавляющей воды. Специалисты в области водоподготовки могут легко определить параметры соответствующих резервуаров для хранения, питающих трубопроводов и насосов, которые позволяют обеспечить необходимые скорости загрузки растворов реагентов (например, водных растворов кислоты и хлорита щелочного металла).

В предпочтительном варианте конструктивного исполнения устройство для осуществления предлагаемого в изобретении способа включает, по меньшей мере, два насоса, предназначенные для подачи двух исходных химикатов (реагентов), один из которых используют, прежде всего, для подачи раствора хлорита щелочного металла, а другой для подачи водного раствора кислоты, причем в случае подачи разбавляющей воды устройство включает три насоса.

Кроме того, устройство для осуществления предлагаемого в изобретении способа включает оборудование, предназначенное для смешивания водных растворов исходных химикатов (реагентов), прежде всего для смешивания раствора хлорита щелочного металла с водным раствором кислоты. Для этой цели можно использовать любую аппаратуру, обеспечивающую достаточно эффективное смешивание указанных растворов, включая обычные тройники или другие элементы, предназначенные для соединения двух, соответственно трех потоков в общий поток, дроссельные трубопроводы и/или резервуары с мешалкой. После смешивания обоих указанных компонентов водный реакционный раствор можно вводить в реакционный объем. Смешивание обоих указанных реагентов и при необходимости используемой разбавляющей воды предпочтительно осуществляют в реакционном объеме. Смешивание можно осуществлять с помощью любых пригодных устройств, например, обеспечивающих оптимальное смешивание отражательных перегородок, инжекторов или насадочных тел.

В качестве реакционного объема можно использовать любой реактор, пригодный для реализации взаимодействия исходных химикатов (реагентов), прежде всего водного раствора кислоты и хлорита щелочного металла, включая непрерывные реакторы с мешалкой, простые резервуары, реакторы с массовым потоком, соответственно поршневым течением, а также трубчатые реакторы. Особенно предпочтительным является использование трубчатого реактора. Узел производства диоксида хлора обычно включает только один трубчатый реактор, однако производительность подобной системы может быть повышена благодаря параллельной компоновке нескольких реакторов, например, благодаря использованию пучка труб. Реактор может быть снабжен устройством для регулирования температуры или может быть выполнен из хорошо проводящего тепло материала, который обеспечивает передачу теплоты реакции окружающей воде. Реактор выполняют из материалов, которые обладают высокой стойкостью к соответствующим реакционным растворам. Для производства растворов диоксида хлора концентрацией более 28 г/л используют реакторы, выполненные, например, из титана, сплава 31, стекла или химических конструкционных материалов, например, полимеров, таких как поливинилиденфторид или политетрафторэтилен. Диоксид хлора выводят из реактора посредством любого устройства, пригодного для выведения соответствующего водного раствора из реактора. Взаимодействие реагентов предпочтительно осуществляют в непрерывном режиме, причем диоксид хлора выводят из реактора также непрерывно. Выходящий из реактора диоксид хлора дозируют непосредственно в подлежащую обработке воду или по находящейся на выходе из реактора отводящей системе транспортируют в одно или несколько других мест.

Согласно настоящему изобретению предпочтительно используют трубчатый реактор. Трубу подобного реактора в общем случае конструируют таким образом, что ее длина была достаточна для обеспечения времени пребывания реагентов в реакторе, в течение которого они претерпевают необходимое для данных условий (скорости потока реакционного раствора, концентрации реагентов и температуры реакционного раствора) превращение. Особенно предпочтительным реактором, который можно использовать для изготовления пригодного генератора водного диоксида хлора на месте, является трубчатый реактор (с регулируемой температурой), который включает один или несколько змеевиков. Специалисты в области водоподготовки могут варьировать размеры и конструкцию реактора в зависимости от количества подлежащего получению водного диоксида хлора, скорости потока реагентов и их концентрации, показателя pH водного реакционного раствора, показателя pH диоксида хлора и температуры реактора. Кроме того, специалисты могут соответствующим образом варьировать температуру реактора.

Время происходящего в реакционном объеме взаимодействия реагентов можно варьировать. По мере увеличения концентрации реагентов оптимальное время их пребывания в реакционном объеме смещается в область более низких значений. В случае производства раствора диоксида хлора концентрацией 20 г/л среднее время пребывания реагентов в реакторе, необходимое для получения диоксида хлора с выходом около 85%, находится в интервале от около 60 до 4 минут, предпочтительно от примерно 4 до 6 минут.В случае реализуемого в соответствии с особенно предпочтительным вариантом повышения концентрации раствора диоксида хлора до уровня, составляющего более 80 г/л, среднее время пребывания реагентов в реакторе, необходимое для получения диоксида хлора с выходом 95%, находится в примерном интервале от 0,1 до 1,5 минут, предпочтительно от 0,3 до 0,6 минуты и особенно предпочтительно составляет около 0,4 минуты. Минимальное среднее время пребывания реагентов в реакторе может быть обеспечено в случае их использования в виде концентрированных растворов, исключения добавления разбавляющей воды и сведения к минимуму необходимого стехиометрического избытка кислоты, соответственно хлора.

Перед поступлением раствора диоксида хлора в подлежащую обработке воду на выходе раствора из реакционного объема предпочтительно измеряют показатель его электропроводности. Для этой цели можно использовать, например, индуктивный метод измерения электропроводности. По результатам измерения показателя электропроводности можно судить о глубине химического превращения исходных реагентов, а также о расходе при необходимости используемой разбавляющей воды.

Разбавление раствора диоксида хлора на выходе из реактора или отводящей системы осуществляют таким образом, чтобы интенсивность регенерации подлежащей обработке воды в месте выхода из реактора находилась в примерном интервале от 0,1 до 20 м³/ч, предпочтительно от 1 до 4 м³/ч на 1 г/ч производимого диоксида хлора.

Предлагаемый в изобретении способ можно осуществлять при помощи, например, показанных на фиг.1 и 2 устройствах.

На фиг.1 приведена принципиальная схема устройства для осуществления предлагаемого в изобретении способа без ограничения исходных химикатов (реагентов) единственным определенным типом. Технологическое оборудование, обозначенное на фиг.1 соответствующими номерами, хорошо известно специалистам, и его можно использовать для осуществления любых других способов с разными возможными исходными химикатами (реагентами).

Показанное на фиг.1 устройство для обработки воды диоксидом хлора включает два резервуара для хранения исходных химикатов (реагентов): прежде всего резервуар для хранения хлорита 1 с нагнетательным насосом 4 и резервуар для хранения кислоты 2 с нагнетательным насосом 5. Вода к нагнетательному водяному насосу 6 поступает по трубопроводу 3. Все три указанных нагнетательных насоса присоединены к нижней стороне реактора 7 посредством соответствующих трубопроводов. В реакторе находятся устройства согласно уровню техники, которые обеспечивают быстрое и полное смешивание поступающих компонентов в реакционном объеме. Путем варьирования концентрации растворов реагентов или расхода используемой разбавляющей воды концентрацию образующегося раствора диоксид хлора устанавливают на уровне, превышающем 3 г/л, предпочтительно 26 г/л и особенно предпочтительно 80 г/л.

На противоположной верхней стороне реактора 7 находится выход 8 из реактора с предвключенным устройством 13, предназначенным для измерения электропроводности раствора диоксида хлора.

В зоне перехода раствора диоксида хлора в подлежащую обработке воду может быть смонтирован водоструйный насос 14, посредством которого можно повышать интенсивность регенерации подлежащей обработке воды в месте выхода диоксида хлора из реактора. В этом случае питающий трубопровод на участке от выхода 8 к водоструйному насосу 14 снабжают разгрузочным отверстием, что позволяет обеспечить действие давления подлежащей обработке воды 9 в реакторе 7.

Реактор полностью окружен подлежащей обработке водой 9, которую пропускают через промежуточный накопитель. Обработанную воду отбирают из промежуточного накопителя по всасывающему трубопроводу и подают к месту использования 11 циркуляционным насосом 10. Подлежащая обработке вода 9 возвращается по рециркуляционной трубе 12 в промежуточный накопитель и вновь проходит мимо выхода 8 из реактора 7 или выхода воды из водоструйного насоса 14. Выход 8 из реактора 7 можно расположить также поблизости от стороны всасывания циркуляционного насоса 10, что позволяет обеспечивать быструю смену подлежащей обработке воды 9 на выходе 8 из реактора. Как показано на приведенном на фиг.3 примере, образованию содержащей диоксид хлора газовой фазы можно противодействовать путем надлежащего выбора глубины погружения реактора в подлежащую обработке воду (давления) и концентрации производимого в реакторе раствора диоксида хлора с одновременным учетом температуры подлежащей обработке воды. Кроме того, посредством не показанной на фиг.1 отводящей системы, находящейся на выходе 8 из реактора 7, можно транспортировать выходящий из реактора раствор диоксида хлора в одно или несколько других мест. В подобных местах может находиться также оборудование для распределения раствора диоксида хлора, например, водоструйный или циркуляционный насос.

На фиг.2 приведена принципиальная схема устройства для осуществления предлагаемого в изобретении способа без ограничения исходных химикатов (реагентов) единственным определенным типом. Технологическое оборудование, обозначенное на фиг.2 соответствующими номерами, хорошо известно специалистам, и его можно использовать для осуществления любых других способов с разными возможными исходными химикатами (реагентами).

Показанное на фиг.2 устройство является другим предпочтительным устройством для осуществления предлагаемого в изобретении способа. Особенность подобного устройства состоит в том, что реакционный объем находится внутри трубопровода 15 с пропускаемой через него подлежащей обработке водой, которая обтекает реакционный объем.

К показанному на фиг.2 реактору 7 присоединены питающие трубопроводы, аналогичные показанным на фиг.1. Реактор 7 также окружен подлежащей обработке водой 9, однако он находится внутри трубопровода 15 с пропускаемой через этот трубопровод подлежащей обработке водой 9, по которому она после прохождения мимо выхода 8 из реактора 7 поступает к месту использования 11.

Аналогично реактору, показанному на фиг.1, в реактор 7 также можно подавать разбавляющую воду, однако в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения реагенты взаимодействуют в реакционном объеме (реакторе 7) без разбавления водой (при отключенном нагнетательном насосе 6). Благодаря этому концентрация образующегося раствора диоксида хлора на выходе 8 из реактора 7 может быть повышена до значений, превышающих 9 г/л [в отсуствие разбавляющей воды содержание диоксида хлора возрастает до 9,1 г/л также и в случае использования исходных реагентов с концентрацией 3,5 %], предпочтительно превышающих 26 г/л, особенно предпочтительно превышающих 80 г/л. В подобном предпочтительном варианте целесообразным является максимально возможное уменьшение объема реактора. Для быстрого смещения концентрации раствора диоксида хлора от значений, предпочтительно превышающих 80 г/л, до значений, измеряемых миллиграммами в литре, после поступления этого раствора в подлежащую обработку воду 9, как правило отсутствует необходимость в использовании каких-либо дополнительных устройств, повышающих интенсивность регенерации подлежащей обработке воды 9 на выходе 8 из реактора 7. Кроме того, как правило не представляет проблемы регулирование давления подлежащей обработке воды 9 в трубопроводе 15, осуществляемое таким образом, чтобы, как показано на фиг.3, не был превышен предел растворимости диоксида хлора в находящемся в реакторе 7 водном растворе.

Обозначение показанного на фиг.1 и 2 оборудования

1 - резервуар для хранения хлорита,

2 - резервуар для хранения кислоты,

3 - линия поступления разбавляющей воды,

4 - насос для подачи хлорита,

5 - насос для подачи кислоты,

6 - насос для подачи разбавляющей воды,

7 - реактор (реакционный объем),

8 - выход из реактора,

9 - подлежащая обработке вода,

10 - циркуляционный насос для обработанной воды,

11 - место использования обработанной воды,

12 - возвращение подлежащей обработке воды,

13 - устройство для измерения электропроводности,

14 - при необходимости используемый водоструйный насос,

15 - трубопровод (фиг.2).

На фиг.3 приведена зависимость предела растворимости диоксида хлора в водном растворе от давления и температуры для концентраций диоксида хлора соответственно 70 и 80 г/л.

Предлагаемый в изобретении способ более подробно поясняется на приведенных ниже примерах, не ограничивающих объема изобретения.

Пример 1

Для выполнения данного примера используют показанное на фиг.1 устройство. Водный раствор хлорита натрия с концентрацией 25% направляют в реактор 7 посредством нагнетательного насоса 4 (расход раствора составляет 2,5 л/ч). Одновременно в реактор 7 из резервуара 2 для хранения кислоты посредством нагнетательного насоса 5 подают 2,5 л/ч 32-процентного водного раствора соляной кислоты. Путем одновременной подачи в реактор 7 нагнетательным насосом 6 по трубопроводу 3 разбавляющей воды с расходом 5 л/ч концентрацию раствора образующегося в реакторе диоксида хлора устанавливают на уровне 42 г/л [выход диоксида хлора при взаимодействии соответствующих реагентов составляет 92%]. Реактор обладает свободным объемом 0,33 литра, время пребывания реакционной смеси в реакционном объеме составляет 2 минуты. Раствор диоксида хлора концентрацией 42 г/л через выход 8 из реактора 7 с расходом 10 л/ч поступает в водоструйный насос 14, функционирующий при пропускании подлежащей обработке воды, в котором указанный раствор смешивается с рециркулируемой подлежащей обработке водой. Измеряемая посредством устройства 13 электропроводность раствора диоксида хлора составляет 0,42 См/см. Посредством циркуляционного насоса 10 из промежуточного накопителя отбирают 1000 м³/ч обогащенной диоксидом хлора воды, которую направляют к месту использования 11 обработанной воды. По линии рециркуляции 12 подлежащей обработке воды обедненную диоксидом хлора воду возвращают в промежуточный накопитель. На пути к стороне всасывания циркуляционного насоса 10 к подлежащей обработке воде присоединяется поступающая из выхода 8 реактора вода, содержащая диоксид хлора, концентрация которого в соответствующей водной смеси быстро снижается до 0,42 мг/л. Выход 8 из реактора 7 расположен в промежуточном накопителе на четыре метра ниже поверхности воды, температура подлежащей обработке воды составляет 32°С. Под используемым в данном примере устройством подразумевают систему охлаждения подлежащей обработке оборотной воды 9, которая находится в поддоне градирни (промежуточном хранилище). Нагнетаемую циркуляционным насосом 10 охлаждающую воду пропускают над поверхностями теплопередачи химической производственной установки с экзотермическими теплоисточниками (в месте использования 11 обработанной воды), и прежде чем она достигнет поддона открытой градирни (промежуточного накопителя) ее используют для орошения внутренних элементов градирни. Объем поддона градирни составляет 800 м³. В промежуточном накопителе поддерживают постоянный уровень, автоматически заменяя испаряющуюся охлаждающую воду свежей водой.

Пример 2

Для выполнения данного примера используют показанное на фиг.2 устройство. Водный раствор хлорита натрия с концентрацией 25% посредством нагнетательного насоса 4 направляют в реактор 7 (расход раствора составляет 6 л/ч). Одновременно в реактор 7 из резервуара 2 для хранения кислоты посредством нагнетательного насоса 5 подают 5 л/ч 30-процентного водного раствора соляной кислоты. Реактор 7 находится внутри трубопровода 15, через который с расходом 100 м³/ч пропускают подлежащую обработке воду 9. Разбавляющую воду нагнетательным насосом 6 в реактор не подают. Реактор обладает свободным объемом 0,075 литра, время пребывания реакционной смеси в реакционном объеме составляет 0,4 минуты. В обтекающую реактор(7 подлежащую обработке воду 9 через выход 8 из реактора поступает 11 л/ч раствора диоксида хлора концентрацией 94 г/л, причем концентрация реакционной смеси на выходе 8 в результате смешивания с подлежащей обработке водой 9 мгновенно снижается до 10 мг/л. В случае использования избытка кислоты, составляющего 300%, выход образующегося диоксида хлора составляет 95%. Давление подлежащей обработке воды 9 в трубопроводе 15 составляет 5,5 бар, интенсивность ее регенерации на выходе из реактора 8 составляет 0,1 м³/ч в расчете на 1 г/ч производимого диоксида хлора. Выходящая из трубопровода 15 обработанная вода 11 поступает к месту ее использования. Под описываемым в данном примере устройством подразумевают систему обработки 100 м³/ч промывочной воды, которую используют на очистной станции при концентрации диоксида хлора 10 мг/л.

Пример 3

Для выполнения данного примера используют показанное на фиг.1 устройство. Водный раствор хлорита натрия с концентрацией 24,5% из резервуара 1 для хранения хлорита посредством нагнетательного насоса 4 направляют в реактор 7 (расход составляет 5 л/ч). Одновременно в реактор 7 из резервуара 2 для хранения кислоты посредством нагнетательного насоса 5 подают 5 л/ч 32-процентного водного раствора соляной кислоты. Путем одновременной подачи в реактор 7 нагнетательным насосом 6 по трубопроводу 3 разбавляющей воды с расходом 28 л/ч концентрацию раствора образующегося в реакторе диоксида хлора устанавливают на уровне 19,7 г/л [выход диоксида хлора при взаимодействии соответствующих реагентов составляет 83%]. Реактор обладает свободным объемом 6 литров, время пребывания реакционной смеси в реакционном объеме составляет 9,5 минут. Через выход 8 из реактора, расположенный вблизи от всасывающего патрубка циркуляционного насоса 10, в обтекающую реактор подлежащую обработке воду 9 поступает 38 л/ч раствора диоксид хлора с концентрацией 19,7 г/л. Посредством циркуляционного насоса 10 для обработанной воды из промежуточного накопителя отбирают 2000 м³/ч обогащенной диоксидом хлора воды, которую направляют к месту использования 11. По линии рециркуляции 12 подлежащей обработке воды обедненную диоксидом хлора воду возвращают в промежуточный накопитель. На пути к стороне всасывания циркуляционного насоса 10 к подлежащей обработке воде присоединяется поступающая из выхода 8, содержащая диоксид хлора вода, причем концентрация диоксида хлора в соответствующей водной смеси быстро падает ниже критической концентрации 6 г/л. Перед местом использования 11 обработанной воды концентрация диоксида хлора в ней составляет около 0,4 мг/л.

Изобретение может быть использовано в водоподготовке для бактерицидной, вирицидной и альгицидной обработки воды. Для осуществления способа используют реакционный объем, в котором получают диоксид хлора, полностью окруженный водой, при этом окружающая реакционный объем вода одновременно является подлежащей обработке водой, а образующийся в реакционном объеме диоксид хлора из реакционного объема поступает непосредственно в подлежащую обработке воду. Реакционным объемом является реактор, который эксплуатируют без устройства для регулирования давления, причем реактор снабжен свободным выходом, в связи с чем давление в реакционном объеме может возрастать лишь до величины, которой соответствует давление, оказываемое на реакционный объем окружающей водой. Реактором является трубчатый реактор. Смешивание реагентов осуществляют в реакционном объеме. Время взаимодействия реагентов в реакционном объеме варьируют в интервале от 4 до 60 минут, при этом диоксид хлора получают из используемых в качестве реагентов хлорита щелочного металла и соляной кислоты. Способ обеспечивает безопасную и эффективную технологию обработки воды диоксидом хлора при исключении выброса диоксида хлора в атмосферу. 18 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 пр.

1. Способ обработки воды диоксидом хлора (С1O₂), отличающийся тем, что
- реакционный объем, в котором получают диоксид хлора, полностью окружен водой,
- окружающая реакционный объем вода одновременно является подлежащей обработке водой,
- образующийся в реакционном объеме диоксид хлора из реакционного объема поступает непосредственно в подлежащую обработке воду, при этом реакционным объемом является реактор, который эксплуатируют без устройства для регулирования давления, причем реактор снабжен свободным выходом, в связи с чем давление в реакционном объеме может возрастать лишь до величины, которой соответствует давление, оказываемое на реакционный объем окружающей водой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что реактором является трубчатый реактор.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что смешивание реагентов и при необходимости используемой разбавляющей воды осуществляют в реакционном объеме.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что время взаимодействия реагентов в реакционном объеме варьируют в интервале от 4 до 60 мин, предпочтительно от 4 до 6 мин, особенно предпочтительно от 0,1 до 1,5 мин, еще более предпочтительно от 0,3 до 0,6 мин.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что диоксид хлора получают из используемых в качестве реагентов хлорита щелочного металла и соляной кислоты.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что диоксид хлора получают из используемых в качестве реагентов хлорита натрия и соляной кислоты.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что диоксид хлора получают из водного раствора хлорита натрия концентрацией от 3,5 до 40%.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что диоксид хлора получают из соляной кислоты концентрацией от 3,5 до 42%.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что диоксид хлора получают из используемых в качестве реагентов хлорита натрия и хлора.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс осуществляют с использованием разбавляющей воды.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют показатель электропроводности выходящего из реакционного объема раствора.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакционный объем находится внутри трубопровода, через который пропускают подлежащую обработке воду.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс осуществляют без использования разбавляющей воды.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что разбавление выходящего из реактора раствора диоксида хлора осуществляют таким образом, чтобы интенсивность регенерации подлежащей обработке воды в зоне выхода из реактора находилась в примерном интервале от 0,1 до 20 м³/ч на 1 г/ч производимого в реакторе диоксида хлора, предпочтительно от 1 до 4 м³/ч на 1 г/ч производимого в реакторе диоксида хлора.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что концентрацию исходных химикатов выбирают таким образом, чтобы концентрация раствора образующегося диоксида хлорида на выходе из реакционного объема составляла более 3 г/л, предпочтительно более 26 г/л, особенно предпочтительно более 80 г/л.

16. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакционным объемом, в котором получают диоксид хлора, является снабженный свободным выходом реактор без устройства для регулирования давления, причем концентрацию исходных химикатов и при необходимости используемую разбавляющую воду комбинируют таким образом, чтобы концентрация образующегося диоксида хлора в выходящем из реактора растворе составляла более 3 г/л, предпочтительно более 26 г/л и особенно предпочтительно более 80 г/л.

17. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакционным объемом, в котором получают диоксид хлора, является снабженный свободным выходом реактор без устройства для регулирования давления, причем окружающая реакционный объем вода, которая одновременно является подлежащей обработке водой, оказывает на находящийся в реакционном объеме раствор диоксида хлора давление такой величины, чтобы не был превышен предел растворимости диоксида хлора в воде при данной температуре, и причем концентрацию исходных химикатов и при необходимости используемую разбавляющую воду комбинируют таким образом, чтобы концентрация образующегося диоксида хлора в выходящем из реактора растворе составляла более 3 г/л, предпочтительно более 26 г/л и особенно предпочтительно более 80 г/л.

18. Способ по п.1, отличающийся тем, что применяют концентрированные исходные химикаты и действия выполняют согласно способу с использованием соляной кислоты и хлорита, причем концентрация соляной кислоты составляет от 33 до 42%, а концентрация раствора хлорита натрия от 25 до 40%.

19. Способ по одному из пп.1-18, отличающийся тем, что образующийся в реакционном объеме диоксид хлора не поступает непосредственно из реакционного объема в подлежащую обработке воду, а выходящий из реакционного объема раствор диоксида хлора по находящейся в конце реакционного объема отводящей системе транспортируют в одно или несколько других мест.