Устройство для получения надоксомоносерной кислоты (варианты) и способ получения надоксомоносерной кислоты

 

Использование: изобретение относится к устройству и способу для получения надоксомоносерной кислоты. Сущность изобретения: предлагается непрерывное адиабатическое получение кислоты Каро с помощью относительно небольшой установки вводом концентрированной перекиси водорода в поток концентрированной серной кислоты, текущей через реакционную камеру, имеющую в местах ввода реагентов кольцеобразную форму. Около впускного отверстия для перекиси водорода ширина камеры больше, а вблизи впускного отверстия для серной кислоты ее ширина меньше. Впускное отверстие перекиси водорода расположено под углом и в обратном направлении, из-за чего угол встречи перекиси водорода с потоком серной кислоты лежит в пределах 90-165^o. 3 с. и 18 з.п. ф-лы, 1 ил.

Настоящее изобретение относится к способу получения надоксокислоты, более точно, к способу получения надоксомоносерной кислоты и устройству для его осуществления.

Надоксомоносерная кислота, которая здесь иногда называется кислотой Каро (мононадсерная кислота), имеет формулу H₂SO₅. Эта кислота - очень сильный окислитель, который широко применяется в различных технологических процессах, в том числе, например, при экстракции металла и при операциях обработки, при химическом синтезе и для быстрой и эффективной детоксификации сточных вод, которые среди всего прочего содержат фенольные, цианистые, сульфидные и другие окисляющие органические и неорганические компоненты.

Применение указанной кислоты затруднено различными сложностями и стоимостью ее получения, а также особенностями транспортировки и хранения. На практике это привело к тому, что для удобства работы кислоту обычно получали там, где была необходимость в ее применении. Кроме того, рекомендовалось кислоту использовать сразу же после ее получения.

Существует два основных способа получения кислоты Каро. Первый способ основан на частичном гидролизе при повышенной температуре надоксодисерной кислоты H₂S₂O₈ в водно-кислотном растворе, который в свою очередь получали электролизом или подкислением щелочного металла или соли динадсернокислого аммония. Этот способ годится при получении кислоты в небольших количествах, но не подходит, если кислоты требуется много.

Второй способ связан с реакцией между водным раствором перекиси водорода и серной кислоты, олеумом или газообразным SO₃. Если речь идет о серной кислоте, то соответствующее уравнение имеет вид: H₂O + H₂SO₄ H₂O + H₂SO₅.

Второй способ распространен шире, так как при его реализации применяют широкодоступные исходные материалы. При этом основное внимание обращалось на управление реакцией. Например, в патенте Великобритании GB-A-844 096 на с. 2, строки 28-42 фирма "И Ай Дюпон" определяет температуру реакции до 25^oC, например, от 0 до 15^oC. При этом отмечается, что не рекомендуется работать при температурах более 25^oC, так как при таких значениях снижается производительность из-за гидролиза мононадсерной кислоты и происходит потеря активного кислорода.

Далее отмечается, что в перекись водорода с регулируемой скоростью вводится олеум при одновременном перемешивании и охлаждении смеси. В результате реактор оказывается усложненным, возрастает стоимость разработки и эксплуатации устройства и, следовательно, производительность этого процесса резко сокращается из-за ограничений, связанных с охлаждением.

В патенте Великобритании GB-A-738 407 и соответствующем патенте США N 2789954, выданном в 1957 и переданном фирме "Стевенсон (Дайерс) лимитед", в столбце 1, строки 42-49 описан процесс перемешивания регулируемых количеств перекиси водорода и концентрированной серной кислоты при условиях, обеспечивающих получение смеси с мононадсерной кислотой. Для прекращения дальнейшей реакции эту смесь охлаждают, а затем почти сразу и существенно разбавляют водой.

Патентовладелец утверждает, что потоки регулируются так, чтобы температура смеси достигла, по меньшей мере, 50^oC после чего она должна охлаждаться при помощи, например, смешивания реагентов в отверстии охлаждаемого водой конденсатора или в зоне охлаждения конденсатора с водяной рубашкой. Из сказанного читателю ясно, что надлежащее и усиленное охлаждение являются основными элементами этого способа как в теории, так и на практике. Кроме того, реализация предложенного в патенте способа достаточно сложна и на практике требует применения двойного охлаждения.

Еще не так давно в патенте США N 3900555 и в патенте США N 3939072 (выданы в 1975-76) фирма "Аир ликуид" утверждала, что необходим реактор, который может выпускать мононадоксисерную кислоту к моменту ее применения, и в качестве примера приводила используемый с этой целью снабженный двойной рубашкой резервуар постоянного уровня. Резервуар имел сливное отверстие для выдачи продукта из генератора и две симметрично расположенные трубы для ввода реагента. При этом охлаждающая вода поступает через рубашку.

В приведенном в качестве примера устройстве максимальная часовая производительность мононадсерной кислоты была всего лишь в 10 раз больше объема жидкости в реакторе. Вероятно, что это значение ограничивалось возможностью охлаждающей рубашки и предотвращало повышение верхнего предела температуры реакции. Очевидно, что при переходе от устройства лабораторного размера, которое приводилось в качестве примера фирмой "Аир ликуид", к размеру хотя бы теоретически реализуемого коммерческого устройства можно было ожидать либо еще большего снижения производительности (т.к. отношение площади поверхности к объему и, следовательно, скорости охлаждения изменяется обратно пропорционально радиусу сферы или цилиндра), либо применения в устройстве сложных компенсирующих элементов.

Таким образом, устройство фирмы "Аир Ликуид" характеризуется относительной сложностью конструкции и относительно низкой производительностью, следовательно, недостатком этого устройства являются сравнительно большие расходы и/или текущие затраты.

Изобретатели считают, что применению кислоты Каро для различных окислительных операций препятствуют капитальные и текущие расходы на изготовление обычных установок. Кроме того, многие участки, которые можно было бы использовать для получения кислоты Каро, находятся в удаленных местах. Другие потенциальные возможности применения кислоты Каро связаны с модификацией существующих химических или гидрометаллургических процессов или с обработкой отводов этих процессов. Поэтому любое устройство для получения кислоты Каро можно приспособить к работе вместе с существующей установкой.

В обоих случаях размеры установки для подачи данного объема окислителя имеют практическое важное значение. Поэтому была составлена практическая программа разработки более дешевого способа и конструкции устройства, которое было бы относительно удобным при транспортировке и для эксплуатации в различных местах, а также что особенно важно было бы относительно простым и надежным в работе.

Изобретатели приняли во внимание и то обстоятельство, что при реализации любого способа и устройства необходимо считаться с экзотермическим характером реакции получения мононадсерной кислоты. Поэтому, если в резервуар для получения продукта вводятся реагенты, то выделяемое при этом тепло может распространяться по всему резервуару, из-за чего повышение температуры реакционной смеси (что обусловлено вводом единичных количеств реагентов) пропорционально снижается.

Таким образом, любое уменьшение габаритов резервуара будет ускорять потенциальное возрастание температуры получаемой смеси, из-за чего может повыситься вероятность разложения перекиси водорода, т.к. скорость последней из указанных реакций зависит от температуры. Вместе с тем может значительно возрасти опасность самоускоряющегося разложения, т.к. реакция разложения перекиси сама по себе очень экзотермична. Это не только расточительность реагентов, но и следствие принудительного выброса очень горячего раствора кислоты Каро, например, в виде струи, что может быть очень опасно для того, кто находится недалеко от установки.

Таким образом, основываясь на обычных требованиях безопасности, у них было достаточно разумным и хорошо обоснованным решение в пользу устройства, которое обеспечивало надежное охлаждение и управление реакционной смесью, как об этом сообщалось в описании фирмы "Аир ликуид" применительно к генератору постоянного объема и управлению процессом. Было также предубеждение против устройства с такой производительностью, подвергавшего опасности управление охлаждением.

Первая отличительная особенность настоящего изобретения состоит в предложении непрерывного способа получения надоксомоносерной кислоты, при котором концентрированная серная кислота и концентрированная перекись водорода смешиваются в реакционной камере. Указанный способ отличается: подачей под давлением двух реагентов в закрытую цилиндрическую реакционную камеру, которая для ввода раствора серной кислоты имеет впускное отверстие около или вблизи одного из концов камеры; наличием у другого конца камеры выпускного отверстия для вывода реакционной смеси, причем это отверстие находится на некотором расстоянии от впускного отверстия для серной кислоты; наличием впускного отверстия для ввода раствора перекиси водорода, которое находится между впускным отверстием для серной кислоты и выпускным отверстием для реакционной смеси, при помощи этого впускного отверстия раствор перекиси водорода вводится в поток раствора серной кислоты; размеры реакционной камеры выбраны применительно к скоростям потоков реагентов так, чтобы производительность устройства за минуту была бы, по меньшей мере, в 20 раз больше внутреннего объема, который измеряется между впускным отверстием для раствора перекиси водорода и выпускным отверстием.

Вторая отличительная особенность данного изобретения, тесно связанная с первой, состоит в применении устройства для получения надоксомоносерной кислоты за счет реакции между концентрированной серной кислотой и концентрированной перекисью водорода, устройство имеет реакционную камеру с впускным отверстием для серной кислоты и впускным отверстием для перекиси водорода; устройство отличается, наличием закрытой цилиндрической реакционной камеры, которая для ввода раствора серной кислоты имеет впускное отверстие около или вблизи одного из концов камеры, наличием у другого конца камеры выпускного отверстия для вывода реакционной смеси, причем это отверстие находится на некотором расстоянии от впускного отверстия для серной кислоты; наличием впускного отверстия для ввода раствора перекиси водорода, которое находится между впускным отверстием для серной кислоты и выпускным отверстием для реакционной смеси, при помощи этого впускного отверстия раствор перекиси водорода, вводится в поток раствора серной кислоты, размеры реакционной камеры выбраны применительно к скоростям потоков реагентов так, чтобы производительность устройства за минуту была бы, по меньшей мере, в 20 раз больше внутреннего объема, который измеряется между впускным отверстием для раствора перекиси водорода и выпускным отверстием.

Отметим, что в устройстве для реализации предложенного в изобретении способа не используется какое-либо средство охлаждения реакционной камеры. Поэтому реакция происходит адиабатически, температура реакционной смеси значительно выше окружающей и достигает точки равновесия. При вводе реагентов в камеру эта температура практически не изменяется, но действительное значение температуры в основном определяется смесью реагентов из серной кислоты и перекиси водорода, а также их относительными скоростями подачи.

Установившаяся в камере равновесная температура может меняться в зависимости от получаемой при реакции концентрации надоксомоносерной кислоты. В свою очередь указанная температура имеет тенденцию к повышению в зависимости как от возрастания полной концентрации обоих реагентов, так и от их полярного отношения, достигающего 1:1.

Одной из важных отличительных особенностей предложенного в изобретении устройства и способа является порядок ввода двух реагентов в реакционную катеру. Была обнаружена существенная разница в получаемых продуктах при вводе реагентов в обратном порядке. Если водный раствор перекиси водорода вводится в поток серной кислоты в соответствии с изобретением, то получение равновесной смеси мононадсерной кислоты происходит очень быстро. Если же эта операция выполняется в обратном порядке, то всякий раз при вводе той же концентрации серной кислоты в протекающий поток того же водного раствора перекиси водорода в том же устройстве и при других, но подобных условиях работы получаемый продукт оказывается совершенно и полностью непригодным.

За несколько секунд температура реакционной смеси поднимается выше ожидаемой равновесной температуры настолько, что происходит частичное испарение реакционной смеси. Одновременно в резервуаре наблюдается повышение давления, принудительное эжектирование потока и вывод очень горячей жидкости из резервуара. При этом старались как можно быстрее остановить реакцию за счет прекращения смешивания реагентов. Анализ этих опытов показал не только очень большое различие между двумя режимами работы устройства с применением закрытой адиабатической реакционной камеры настоящего изобретения, но и то, что применяемый режим работы устройства в соответствии с данным изобретением противоположен предпочтительному режиму работы, раскрытому в патенте Великобритании GB-A-844 096 от имени фирмы "Дюпон".

Необходимо отметить, что в настоящем изобретении применяется устройство с закрытой реакционной камерой, т.е. не связанной с атмосферой. Это значит, что единственный выход реакционной смеси происходит через выпускное отверстие, из-за чего практически невозможно регулировать скорости выходных потоков или, по меньшей мере, удерживать их в разумных пределах. При этом происходит ускорение разложения надоксигена, которое будет возрастать, если производительность устройства окажется меньше минимального предела.

Другой особенностью настоящего изобретения является устройство для непрерывного получения раствора кислоты Каро, которое содержит:
закрытую цилиндрическую реакционную камеру, которая для ввода раствора серной кислоты имеет впускное отверстие около или вблизи одного из концов камеры;
выпускное отверстие для вывода реакционной смеси, которое находится у конца камеры на некотором расстоянии от впускного отверстия, и направленное под косым углом впускное отверстие, которое находится между впускным отверстием для серной кислоты и выходным отверстием;
указанная реакционная камера имеет кольцевую зону, которая простирается в продольном направлении около впускного отверстия для перекиси водорода; при работе устройства вводимый через соответствующее впускное отверстие раствор перекиси водорода под косым углом поступает в раствор серной кислоты, которая в продольном направлении течет через кольцевую зону в сторону выпускного отверстия для реакционной смеси.

В одном из вариантов конструкции реакционной камеры ширина кольцевой зоны, которая в данном случае характеризует разность между внутренним и внешним радиусами окружностей, определяющими зону, возрастает у (или почти около) впускного отверстия для перекиси водорода. Такое изменение ширины может быть как дискретным, так и постепенным. В некоторых особенно предпочтительных вариантах изобретения увеличение ширины зоны таково, что линейная скорость жидкости, которая в кольцевой зоне реакционной камеры течет в сторону выпускного отверстия, примерно равна скорости потока одной мононадсерной кислоты и скорости потока смеси из мононадсерной кислоты и перекиси водорода.

Практически кольцевую зону около впускного отверстия для серной кислоты лучше сделать узкой, чтобы отношение предшествующего размера к последующему было в пределах от 0,75: 1 до 0,9:1. В результате через кольцевую зону раствор серной кислоты будет течь с относительно большой скоростью в сторону выпускного отверстия. Это будет способствовать смешиванию растворов серной кислоты и перекиси водорода, когда второй из этих реагентов последовательно вводится в реакционную камеру.

Вблизи от впускного отверстия для перекиси водорода и расширяясь в направлении к выпускному отверстию ширина кольцевой зоны соответственно выбирается из отношений внутреннего к внешнему радиусам, которые лежат в пределах от 0,5:1 до 0,8:1. При этом около выпускного отверстия реакционная камера обычно имеет цилиндрическую форму или форму усеченного конуса.

Желательно, чтобы полная длина реакционной камеры, измеренная от впускного отверстия для серной кислоты до выпускного отверстия, была бы значительно больше ее поперечного диаметра, т.е. отношение этих размеров должно быть, по меньшей мере, 3:1, а лучше всего в пределах от 4:1 до примерно 10:1.

Кольцевую катеру можно изготовить изящным и надежным способом - коаксиальным размещением оправки соответствующей формы и размера внутри цилиндрического реактора. При уменьшении диаметра оправки по мере ее приближения к концу с выпускным отверстием возрастает поперечное сечение кольца. Оправка может иметь продольные или спиральные ребра, частично выступающие в кольцевое пространство.

Для упрощения конструкции устройства, повышения его прочности и для сведения к минимуму утечки из реакционной камеры через сальники желательно использовать неподвижную оправку. Возможно, хотя и не обязательно, оправку ввинчивать вдоль ее продольной оси.

Если применяют ввинчиваемую оправку, то нужно обязательно учитывать, что между впускным отверстием для серной кислоты и ближайшим концом ширина кольцевой зоны должна быть очень узкой. Это позволяет минимизировать любое взаимодействие между серной кислотой и сальником, расположенным между оправкой и наружной стенкой камеры.

Отметим, что подобную дискретно изменяющуюся ширину кольцевой зоны можно обеспечить изменением диаметра расточки, которая определяет размер наружной стенки кольцевой зоны вместе с оправкой постоянного диаметра, можно также менять диаметры оправки и расточки.

Желательно, чтобы через впускные отверстия потоки реагентов протекали плавно, без толчков и чтобы в реакционную зону они, как правило, поступали в поперечном направлении, т. е. в основном под прямым углом к продольной оси этой камеры. При этом каждое впускное отверстие может быть несколько смещено по окружности реакционной камеры или располагаться под небольшим углом относительно действительного геометрического направления радиуса, чтобы обеспечить нужное направление ввода потока в кольцевую камеру.

Относительно друг друга два впускных отверстия могут находиться под любым углом, если смотреть вдоль продольной оси камеры, но лучше всего если оба эти отверстия будут располагаться на противоположных сторонах.

В некоторых предпочтительных вариантах устройства желательно, чтобы впускное отверстие для перекиси водорода было наклонено в обратном направлении, т. е. вдали от выпускного отверстия располагалось так, чтобы угол встречи с потоком серной кислоты был тупой и лучше всего, чтобы он находился в пределах от 90 до 165^o при оптимальном значении 95-125^o. Более подходящее значение угла встречи лежит в пределах 135-150^o.

При размещении под таким углом впускного отверстия для раствора перекиси водорода оказывается, что оба вводимых раствора несколько противоположны, т. е. встреча их происходит под косым углом. При этом предполагается, что обеспечивается лучшее смешивание раствора и предотвращается появление "мертвых пространств", которые могут способствовать разложению имеющихся продуктов надокиси.

Желательно, чтобы выпускное отверстие имело площадь поперечного сечения, меньше площади ближайшей части реактора, чтобы создавать обратное давление. Это позволит регулировать скорости выходящих из камеры потоков жидкостей, а также давление вводимых реагентов и, следовательно, производительность устройства. При этом желательно использовать обратный клапан.

Обычно и предпочтительно реакционная камера монтируется так, что впускные отверстия располагаются выше выпускного отверстия. В практических и удобных вариантах устройство зачастую располагается почти в вертикальном положении. Лучше всего реакционную камеру размещать примерно вертикально и/или безусловно выше уровня жидкости в резервуаре, в котором предполагается разместить кислоту это позволит из камеры реакционную смесь выводить непосредственно на обрабатываемую поверхность.

Скорость потока вводимых в реактор реагентов регулируется в зависимости от объема реактора и от размера его выпускного отверстия, что позволит поддерживать температуру смеси на уровне равновесной температуры при нахождении смеси еще в реакторе. Максимальные скорости потоков в какой-то мере будут определяться составом реагентов, а также молярным отношением, при котором они используются, и, следовательно, достигнутой равновесной температурой. Во многих случаях максимальная скорость потока продукта в минуту лежит в пределах порядка 40-80 значений объема реактора.

При реализации предложенного в изобретении устройства можно безопасно получать большое количество кислоты Каро без применения генератора большого размера. Например, реакционная камера с полным объемом всего лишь 20 мл и с производительностью 30 объемов/мин может при непрерывной работе выпускать почти 1,3 т продукта в сутки, если же производительность будет равна 80 объемам/мин, то устройство будет выпускать около 3,5 т продукта в сутки.

Аналогично, камера с объемом кофейной чашки около 250 мл может выпускать от 16 до 40 т продукта в сутки, если производительное время работы устройства повысить с 30 до 80 объемов/мин. При этом ожидается, что доля H₂SO₅ в получаемом продукте будет зависеть от концентрации применяемых реагентов в виде серной кислоты и перекиси водорода и от их относительного молярного отношения.

Отметим, что устройство такого размера легко перевозить и приспособить к местным условиям производства даже при очень ограниченной рабочей зоне. Отметим также, что работой реактора можно управлять так, чтобы получать готовый продукт в больших объемах. Если же его потребуется еще больше, то можно использовать два и более параллельно работающие реактора с соответствующим управлением регулировкой потоков реагентов, вводимых в один или несколько реакторов, что зависит от текущих требований.

Адиабатический генератор лучше всего изготовить из таких материалов, которые слабо реагируют на воздействие реагентов и готового продукта. В частности для этого хорошо подходят некоторые типы фторированных углеводородом полимеров PTFE, FEP и PFA, которые обладают такими качествами как прочность и химическая стойкость. Другие заслуживающие внимания материалы содержат тантал.

Относительно большая производительность устройства настоящего изобретения это не только преимущество, но и характерная особенность предложенного в изобретении способа. Если же нужно производительность значительно снизить, то время нахождения материала в реакционной камере следует соответственно увеличить. При этом произойдет не только простое уменьшение выходного продукта, но и вместо свойственной этому способу безопасности возникает определенный риск и/или будет получено меньшее количество продукта надоксигена.

Это связано с тем, что реакционная смесь слишком долго находится в тесном объеме реакционной камеры при повышенной температуре, обусловленной адиабатической реакцией концентрированной серной кислоты и перекиси водорода. Регулировкой производительности малогабаритной реакционной камеры можно в реакционной смеси получать равновесную концентрацию мононадсерной кислоты без чрезмерного разложения остатка перекиси водорода, т.е. без сопутствующего повышения давления из-за выделения газа.

Приведенный в изобретении способ используется для реакции между концентрированной серной кислотой и водным раствором перекиси водорода, в которой молярное отношение серной кислоты к перекиси водорода лежит в пределах от 0,5: 1 до 5:1, лучше всего, если это отношение будет в пределах от 1:1 до 3: 1.

Обычно концентрация серной кислоты, по меньшей мере, равна 90%-ному отношению масс и чаще всего лежит в пределах от 92 до 99%-ного отношения масс. Концентрация применяемой перекиси водорода обычно не менее 50% и, как правило лежит, в пределах от 60 до 75%-ного отношения масс. В ряде очень полезных примеров полное количество введенной в два реагента воды равно 25-40 мольных процентов, что основано на полном значении молей воды плюс перекись водорода плюс серная кислота.

Во многих случаях температура в реакционной камере превышает 80^oC, но лучше всего выбирать такой ход реакции, при котором температура выходного продукта не более 110^oC. Такое значение температур определяет наиболее эффективное применение предложенного в изобретении способа. Вместе с тем, следует регулировать температуру выходного продукта и следить за прекращением подачи реагентов при слишком большом повышении температуры.

В отдельных случаях температура возрастает при данном количестве серной кислоты: молярное отношение перекиси водорода может меняться обратно пропорционально изменению количества подаваемой воды, например, при изменении концентрации загрузочной смеси с перекисью водорода. Особенно важно производить отбор и регулирование вводимых в реактор реагентов так, чтобы смесь повышала свою температуру примерно от 85 до 105^oC.

Раствор кислоты Каро, получаемый согласно предложенному в изобретении способу, можно сразу использовать. Размеры реактора и соответствующая скорость получения продукта говорят о возможности очень быстрого повышения производительности устройства. Если запросы на продукт меньше минимальной скорости потока, обеспечивающей безопасную работу реактора, то он может работать с перерывами или попеременно, или дополнительно. В каких-то случаях объем реакционной камеры можно уменьшить применением оправки большого размера при том же или подобном времени пребывания.

В одном из наиболее предпочтительных вариантов изобретения готовый продукт непосредственно стекает (например, под воздействием силы тяжести) в резервуар или иной сосуд, где он находится до практического применения, не протекая при этом через какое-то средство охлаждения. Высокая скорость потока готового продукта и близость адиабатического реактора к резервуару для обработки, как правило, обеспечивают очень малую задержку между получением продукта и его вводом в резервуар для обработки.

Кроме того, что также является еще одним преимуществом устройства, готовый продукт может протекать по трубе, которая находится недалеко от резервуара для обработки. При этом текущий по трубе жидкий продукт будет охлаждаться за счет выделения части тепла через стенки трубы.

При необходимости получения в генераторе согласно настоящему изобретению кислоты Каро она может протекать через специальный блок охлаждения, если готовый продукт надо какое-то время хранить, а не использовать сразу. При этом лучше снизить температуру продукта ниже 60^oC, что обеспечит его стабильность при хранении.

Следует обратить внимание на то, что если в адиабатическом генераторе температура примерно равна 90^oC, то при этом потребуется отводить значительно меньше тепла по сравнению с тем, когда в камере реактора поддерживают постоянную температуру порядка 30^oC или меньше. Далее, разность между температурами продукта, полученного из адиабатического реактора и из предложенного в изобретении охлаждаемого водой генератора в среднем обычно равна 60-70^oC. В то же время разность между температурой камеры 30^oC, находящейся в динамическом равновесии, и той же охлаждаемой водой, равна 15-25^oC, т.е. более, чем вдвое меньше.

Это значит, что размеры любого применяемого теплообменника имеют лишь долю (примерно 1/4-1/5) того, что необходимо для обеспечения той же производительности способа получения кислоты Каро при использовании камеры, находящейся в динамическом равновесии.

Полученную в соответствии с предложенным в изобретении способом кислоту Каро можно использовать во многих случаях, соответствующих применению продукта, изготовленного другими способами. Так, например, кислоту можно использовать для обработки сточных вод с окисляющими примесями, для выделения или обработки металлов, для ректификации или при операциях химического синтеза.

После описания настоящего изобретения в общих чертах один из вариантов предложенного устройства будет рассмотрен значительно подробнее. При этом будут ссылки на единственный приведенный на чертеже пример, где показано продольное поперечное сечение устройства.

Устройство представляет собой полый цилиндр 1 из PTFE (фторопласт-4) с внутренним диаметром 20 мм и длиной 150 мм, на одном конце цилиндр закрыт колпачком 2, а на другом его конце находится обратный клапан 3, который действует как выпускное отверстие.

Ступенчатой формы оправка 4 из PTFE внутри цилиндра расположена коаксиально и располагается до колпачка 2. При этом первая ступенька оправки имеет длину 28 мм и диаметр 19 мм, вторая ступенька имеет длину 48 мм и диаметр 16 мм, третья ступенька оправки имеет длину 64 мм и диаметр 12 мм.

Оправка 4 определяет внутреннюю поверхность цилиндра 1 в виде ступенчатой кольцевой реакционной камеры 5, которая заканчивается короткой цилиндрической камерой 6, закрытой обратным клапаном 3.

Цилиндр 1 имеет верхнее впускное отверстие 7 для ввода серной кислоты, которое расположено в радиальном направлении перпендикулярно второй ступеньке оправки 4 и над впускным отверстием 8 для перекиси водорода. Второе отверстие также расположено в радиальном, но обратном направлении под углом 60^o к продольной оси третьей ступеньки оправки 4.

При работе устройства серная кислота накачивается в кольцевую камеру 5, образуя текущий поток в направлении обратного клапана 3. Одновременно в кольцевую камеру 5 подается перекись водорода, которая встречается с потоком серной кислоты почти под углом 120^o. Эти две жидкости продолжают смешиваться в камере 6, а полученная смесь вытекает через клапан 3.

Пример 1. В описанном выше устройстве (см. чертеж) производится накачивание концентрированной серной кислоты (98%-ное отношение масс) и перекиси водорода (70%-ное отношение масс). При этом скорости потоков соответственно равны 260 и 56 мл/мин, что обеспечивает мольное отношение 3,224 между H₂SO₄ H₂O₂. В результате получают смесь с температурой 86^oC, которая содержит 28,56% -ное отношение масс надоксомоносерной кислоты (H₂SO₅) и 0,73%-ное отношение масс H₂O₂.

Пример 2. В этом примере используются данные примера 1 с тем отличием, что скорости потоков серной кислоты и перекиси водорода соответственно равны 360 и 43,8 мл/мин, что обеспечивает молярное отношение 5,715 между H₂SO₄: H₂O₂. При этом получают смесь с температурой 63^oC, которая содержит 16,9%-ное отношение масс надоксомоносерной кислоты (H₂SO₅) и 0,24%-ное отношение масс H₂O₂.

Пример 3. В этом примере используются данные примера 1 с тем отличием, что скорости потоков серной кислоты и перекиси водорода соответственно равны 210 и 148,8 мл/мин, что обеспечивает молярное отношение 0,98 между H₂SO₄: H₂O₂. При этом получают смесь с температурой 104^oC, которая содержит 39,4% -ное отношение масс надоксомоносерной кислоты (H₂SO₅) и 10,3%-ное отношение масс H₂O₂.

Пример 4. В этом примере используются данные примера 1 с тем отличием, что скорости потоков серной кислоты и перекиси водорода соответственно равны 220 и 92,8 мл/мин, что обеспечивает молярное отношение 1,647 между H₂SO₄: H₂O₂. При этом получают смесь с температурой 108^oC, которая содержит 43,05% -ное отношение масс надоксомоносерной кислоты (H₂SO₅) и 4,5%-ное отношение масс H₂O₂.

Формула изобретения

1. Устройство для получения надоксомоносерной кислоты взаимодействием концентрированных растворов серной кислоты и пероксида водорода, содержащее реакционную камеру, имеющую входные отверстия для ввода серной кислоты и пероксида водорода и выходное отверстие для вывода реакционной смеси, содержащей надоксомоносерную кислоту, отличающееся тем, что реакционная камера представляет собой закрытую цилиндрическую камеру, имеющую входное отверстие для ввода серной кислоты, расположенное около одного из концов камеры или примыкающим к нему, выходное отверстие расположено на другом конце камеры на расстоянии от входного отверстия для ввода серной кислоты, входное отверстие для ввода пероксида водорода расположено между входным отверстием для серной кислоты и выходным отверстием для вывода реакционной смеси и обеспечивающим подачу раствора пероксида водорода в поток серной кислоты, при этом размеры реакционной камеры выбраны применительно к скоростям потоков реагентов с таким расчетом, чтобы производительность устройства за минуту была бы по крайней мере в 20 раз больше внутреннего объема камеры, измеряемого между входным отверстием для ввода пероксида водорода и выходным отверстием.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что реакционная камера снабжена кольцевой зоной, расположенной в продольном направлении около входного отверстия для пероксида водорода таким образом, что при работе устройства раствор пероксида водорода через соответствующее отверстие вводят наклонно по отношению к продольному направлению потока раствора серной кислоты через кольцевую зону в сторону выходного отверстия для вывода реакционной смеси.

3. Устройство для непрерывного получения надоксомоносерной кислоты, содержащее реактор с входными отверстиями для ввода серной кислоты и пероксида водорода и выходное отверстие для вывода реакционной смеси, отличающееся тем, что реактор представляет собой цилиндрическую камеру, имеющую входное отверстие для ввода серной кислоты, расположенное около одного из концов камеры или примыкающим к нему, выходное отверстие для вывода реакционной смеси расположено у другого конца камеры на расстоянии от входного отверстия для серной кислоты, и входное отверстие для пероксида водорода направлено наклонно и расположено между входным отверстием для серной кислоты и выходным отверстием, причем реакционная камера имеет кольцевую зону, расположенную в продольном направлении около входного отверстия для пероксида водорода таким образом, что при работе устройства раствор пероксида водорода вводят в раствор серной кислоты наклонно по отношению к продольному направлению потока серной кислоты через кольцевую зону в сторону выходного отверстия.

4. Устройство по пп.1 3, отличающееся тем, что реакционная камера имеет кольцевую зону около входных отверстий и цилиндрическую зону около выходного отверстия.

5. Устройство по пп.1 4, отличающееся тем, что реакционная камера имеет кольцевую зону, имеющую относительно малую ширину около входного отверстия для серной кислоты и относительно большую ширину около входного отверстия для пероксида водорода.

6. Устройство по пп.2 5, отличающееся тем, что кольцевая зона реакционной камеры образована установкой оправки внутри цилиндрической камеры.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что оправка закреплена неподвижно.

8. Устройство по пп.1 7, отличающееся тем, что входное отверстие для пероксида водорода расположено под углом и в обратном направлении к потоку серной кислоты, текущему к выходному отверстию.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что угол пересечения потоков серной кислоты и пероксида водорода составляет 95 165^o.

10. Способ получения надоксомоносерной кислоты взаимодействием концентрированных растворов серной кислоты и пероксида водорода в реакционной камере, имеющей входные отверстия для ввода серной кислоты и пероксида водорода и выходное отверстие для реакционной смеси, содержащей надоксомоносерную кислоту, отличающийся тем, что исходные реагенты подают под давлением и процесс проводят в закрытой цилиндрической камере, имеющей входное отверстие для ввода серной кислоты, расположенное около одного из концов камеры или примыкающим к нему, выходное отверстие для вывода реакционной смеси, расположенное на другом конце камеры на некотором расстоянии от входного отверстия для серной кислоты, и входное отверстие для ввода пероксида водорода, расположенное между входным отверстием для серной кислоты и выходным отверстием для реакционной смеси, причем раствор пероксида водорода вводят в поток серной кислоты, а размеры реакционной камеры выбирают применительно к скоростям потоков реагентов с таким расчетом, чтобы производительность устройства за минуту была бы по крайней мере в 20 раз больше внутреннего объема камеры, измеряемого между входным отверстием для пероксида водорода и выходным отверстием для реакционной смеси.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что взаимодействие исходных реагентов осуществляют в реакционной камере, имеющей кольцевую зону, расположенную в продольном направлении около входного отверстия для пероксида водорода таким образом, что при работе устройства раствор пероксида водорода вводят в раствор серной кислоты через кольцевую зону в сторону выходного отверстия для вывода реакционной смеси.

12. Способ по п.10, отличающийся тем, что процесс осуществляют в реакционной камере, имеющей кольцевую зону около входных отверстий и цилиндрическую зону около выходного отверстия.

13. Способ по пп.10 12, отличающийся тем, что процесс ведут в реакционной камере, содержащей кольцевую зону, имеющую относительно малую ширину около входного отверстия для серной кислоты и относительно большую ширину около входного отверстия для пероксида водорода.

14. Способ по пп.10 13, отличающийся тем, что процесс проводят в реакционной камере с кольцевой зоной, образованной установкой оправки внутри цилиндрической камеры.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что процесс осуществляют в реакционной камере с кольцевой зоной, образованной установкой оправки, закрепленной неподвижно внутри цилиндрической камеры.

16. Способ по пп.10 15, отличающийся тем, что процесс проводят в реакционной камере с входным отверстием для пероксида водорода, расположенным под углом и в обратном направлении к потоку серной кислоты, текущему к выходному отверстию.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что угол пересечения потоков серной кислоты и пероксида водорода составляет 95 165^o.

18. Способ по пп.10 17, отличающийся тем, что производительность устройства равна 40 80 его внутренним объемам в минуту.

19. Способ по п. 10, отличающийся тем, что молярное соотношение H₂SO₄ H₂O₂ выбирают в пределах от 0 5 1 до 5 1.

20. Способ по п.10, отличающийся тем, что серную кислоту используют с концентрацией 92 99 мас. а пероксид водорода с концентрацией 60 75 мас.

21. Способ по п.10, отличающийся тем, что общее содержание воды в двух растворах составляет 25 40 мол.

РИСУНКИ

Рисунок 1