Способ получения хлора и устройство для его осуществления

Изобретение может быть использовано при получении хлора из хлористого водорода. Способ получения хлора включает непрерывную подачу предварительно подготовленной газовой смеси, содержащей хлористый водород и кислород в стехиометрическом соотношении, окисление хлористого водорода кислородом с образованием целевого продукта - хлора и реакционной воды с последующим их разделением. Газовую смесь подают в проточную реакционную зону плазмохимического реактора, где ее активизируют одновременно непосредственно как под воздействием электромагнитного излучения из зоны стриммерного разряда в основном в ультрафиолетовом диапазоне, так и под воздействием облучения потоком ускоренных электронов. Для создания стриммерных разрядов в газовой среде используют генератор высоковольтных импульсов наносекундной длительности с напряжением не менее 100 кВ и частотой не менее 50 Гц, а в качестве источника электромагнитного излучения используют молекулы и атомы самой реакционной среды. Также предложено устройство для получения хлора, состоящее из камеры подготовки газовой смеси хлористого водорода и кислорода, плазмохимического реактора для получения хлора в смеси с водой, генератора высоковольтных импульсов, устройства для разделения смеси на хлор и воду, накопительной емкости для реакционной воды. Изобретение позволяет повысить степень конверсии хлористого водорода, снизить материальные и энергетические затраты. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к химической технологии, конкретно применительно к процессам получения хлора из хлористого водорода окислением последнего кислородом, и устройствам, обеспечивающим проведение процесса.

Известен способ получения хлора путем подачи газовой смеси, содержащей хлористый водород и кислород в стехиометрическом соотношении, в реакционную зону плазмохимического реактора, окисления хлорида водорода, получения хлора и воды с последующим их разделением (см. патент РФ №1801943, С01В 7/04, 19.03.1991.)

Недостатком известного способа является низкая степень конверсии получения хлора, приводящая к большому количеству остаточного хлористого водорода, утилизация которого приводит к материальным затратам и трудностям его утилизации.

Известно устройство для получения хлора из хлористого водорода путем подачи реакционной смеси воздуха и хлористого водорода в реактор проточного типа с образованием зоны активации, в которой ведут процесс окисления хлористого водорода, (см. патент РФ №2253607, С01В 7/01, 19.02.2004).

Недостатком известного устройства является малая эффективность его работы по обеспечению реализации известного способа получения хлора.

Поставленная задача - получение высокой степени конверсии хлористого водорода, снижение материальных и энергетических затрат на технологический процесс.

Поставленная задача решается за счет того, что газовую смесь, содержащую хлорид водорода и кислород в стехиометрическом соотношении, предварительно подготавливают и подают в проточную реакционную зону плазмохимического реактора с окислением в нем хлорида водорода кислородом с образованием хлора и реакционной воды с последующим их разделением, при этом в реакционной зоне газовую смесь активизируют непосредственно как под воздействием электромагнитного излучения из зоны стриммерного разряда в основном в ультрафиолетовом диапазоне, так и под воздействием облучения потоком ускоренных электронов, при этом для создания стриммерных разрядов в газовой среде используют генератор высоковольтных импульсов наносекундной длительности с напряжением не менее 100 кB и частотой не менее 50 Гц, а в качестве источника электромагнитного излучения используют молекулы и атомы самой реакционной среды.

Осуществление данного способа получения хлора из хлористого водорода обеспечивается устройством, содержащим камеру подготовки смеси хлорида водорода и кислорода, плазмохимический реактор, генератор высоковольтных импульсов, устройства для разделения полученного хлора с водой, накопительную емкость для реакционной воды, при этом реактор выполнен в виде металлического цилиндра, внутри которого коаксиально установлен, между верхним и нижним изоляторами, металлический стержень, верхний изолятор закреплен жестко между двумя фланцами, а по его оси и оси стержня расположена клемма для подвода к стержню положительного заряда, а нижняя часть стержня закреплена через центрирующую втулку на нижнем изоляторе с возможностью свободного перемещения конца стержня, вместе с изолятором, в осевом направлении, нижний изолятор перфорирован отверстиями для прохода активизированной газовой смеси, а на выходе из плазмохимического реактора установлена перфорированная отверстиями решетка, выполненная из графитофторопласта. При этом устройство для подготовки газовой смеси выполнено в виде эжектора с полостями подачи активного газа - кислорода и полостями подачи пассивного газа - хлористого водорода, сопловым насадком, камерой смешения с диффузором, соединенным магистралью с коллектором, охватывающим верхнюю часть реактора, полость коллектора соединена с полостью реактора отверстиями. Разделитель фаз продуктов реакции состоит из двух ступеней, одна из которых расположена на выходе из реактора, а вторая - на выходе накопительной емкости. Первая ступень разделителя состоит из четырех коаксиально установленных оболочек с кольцевыми промежутками между ними, в которых размещены дистанцирующие их проволочные спирали, образующие каналы для прохода воды и продуктов реакции, при этом проволочная спираль, размещенная в канале для прохода продуктов реакции, одета во фторопластовую трубку с концом, закрепленным в коническом обтекателе, закрывающим две внутренние оболочки и соединенным с третьей оболочкой, нижний конец которой соединен с нижним фланцем блока оболочек и с нею же соединен верхний перфорированный диск, с которым соединена внутренняя оболочка и центральная труба с нижним концом, установленным в расточке выступа нижнего фланца, а на выступе одет нижний диск с соединенной с ним внутренней оболочкой с возможностью перемещения их вдоль оси, наружная оболочка соединена нижним концом с коллектором подвода воды и имеет в верхней части отверстия с трубопроводом отвода воды. На нижнем фланце блока закреплена проставка с каналами для прохода продуктов реакции и диаметральным ребром, в котором размещены каналы с трубами подвода и отвода воды. Вторая ступень разделения фаз выполнена в виде емкости, заполненной материалом с развитой поверхностью фторопластовой стружкой.

Способ получения хлора и устройство для его осуществления поясняются чертежами, где:

на фиг.1 - схематичное изображение устройства;

на фиг.2 - плазмохимический реактор;

на фиг.3 - эжекторная камера подготовки газовой смеси;

на фиг.4 - разделитель фаз продуктов реакции, первая ступень;

на фиг.5 - разрез «Г-Г» по разделителю фаз первой ступени;

на фиг.6 - разделитель фаз второй ступени с накопительной емкостью.

Устройство для получения хлора из хлористого водорода путем окисления его кислородом (фиг.1) состоит из камеры 1 подготовки газовой смеси хлорида водорода и кислорода, плазмохимического реактора 2, генератора высоковольтных импульсов 3, устройства 4 для разделения продуктов реакции на хлор и воду - первая ступень, накопительную емкость 5 для реакционной воды. При этом реактор 2 (фиг.2) выполнен в виде металлического цилиндра 6, внутри которого коаксиально установлен, между верхним 7 и нижним 8 изоляторами, металлический стержень 9, а верхний изолятор 7 жестко закреплен между двумя фланцами 10 и 11, в верхнем изоляторе 7 закреплена клемма 12 для подвода к стержню 9 положительного заряда. Нижняя часть стержня 9 закреплена через втулку 13 в нижнем изоляторе 8 с возможностью свободного перемещения его конца вместе с изолятором 8 в осевом направлении, при этом нижний изолятор 8 перфорирован отверстиями 14. На выходе из реактора 2 установлена решетка 15, выполненная из графитофторопласта и перфорированная отверстиями 16.

Камера 1 (фиг.3) подготовки газовой смеси выполнена в виде эжектора с полостями 17 активного газа - кислорода и 18 пассивного газа - хлористого водорода, с полостью 19, в которой размещен сопловой насадок 20, с камерой смешения с диффузором 21, выход из которого соединен с фланцем 22 коллектора 23 (фиг.2), установленного с наружной стороны верхней части реактора 2 и соединенного с полостью реактора несколькими рядами отверстий 24. Разделитель 4 фаз первой ступени (фиг.4, 5) состоит из четырех коаксиально расположенных оболочек 25, 26, 27, 28 с каналами 29, 30, 31 между ними, в которых размещены дистанцирующие их проволочные спирали 32, 33, 34, образующие каналы для прохода воды и продуктов реакции. Проволочная спираль 34, размещенная в канале 30, для прохода продуктов реакции, одета во фторопластовую трубку для предохранения спирали от воздействия на нее агрессивных продуктов реакции. Спираль 34 (вместе с трубкой) закреплена в коническом обтекателе 35, закрывающем две внутренние оболочки 27 и 28 и соединенном с оболочкой 27, нижний конец которой соединен с нижним фланцем 36 и с нею же соединен верхний перфорированный отверстиями диск 37, с которым соединена оболочка 28 и центральная труба 38, и с нижним концом, установленным в расточке выступа 39 фланца 36. На выступе 39 одет нижний диск 40, соединенный с оболочкой 28 и вместе с ее концом имеющий свободу перемещения вдоль оси. Оболочка 25 соединена с верхним фланцем 41, а нижним концом с коллектором 42 с трубой 43 подвода воды в него. В верхней части оболочки 25 имеется отверстие с трубой отвода воды из полости 29. На нижнем фланце 36 закреплена проставка 44 (фиг.4 и 5) с каналами 45 и 46 для прохода продуктов реакции и диаметральным ребром 47, в котором размещены каналы с трубами 48 и 49 подвода и отвода воды. Между витками спирали 34 размещено несколько штук пластин 50, дистанцирующих расстояние между витками. Спирали 32 и 33 закреплены на оболочках, например, сваркой.

Емкость 5 (фиг.6) для размещения реакционной воды снабжена трубопроводом 51 слива воды и горловиной 52 для подсоединения разделителя фаз первой ступени и горловиной 53 для подсоединения разделителя фаз второй ступени, состоящей из сосуда 54, заполненного материалом 55 с развитой поверхностью фторопластовой стружкой.

Реализация способа получения хлора с помощью описанного выше устройства осуществляется путем непрерывной подачи предварительно подготовленной газовой смеси в камере 1, содержащей хлорид водорода и кислород в стехиометрическом соотношении, в проточную зону плазмохимического реактора 2 и окисления хлорида водорода кислородом с образованием целевого продукта - хлора и реакционной воды с последующим их разделением в разделителе фаз продуктов реакции первой ступени и разделителе фаз второй ступени, хлор из разделителя второй ступени 54, 55 отправляют к потребителю, а реакционную воду в накопитель 5 по горловинам 52 и 53.

В камеру 1 (фиг.3) подготовки смеси кислород под давлением подается по трубопроводу 18, эжектируется в полость 19 и камеру смешения 21, из которой по трубопроводу 22 (фиг.2) смесь поступает в коллектор 23, из которого по отверстиям 24 равномерно распределяется по всей окружности реактора 2 и подается в проточную реакционную зону плазмохимического реактора. В реакционной зоне газовую смесь активизируют одновременно как под воздействием электромагнитного излучения из зоны стриммерного разряда в основном в ультрафиолетовом диапазоне, так и под воздействием облучения потоком ускоренных электронов, при этом для создания стриммерных разрядов в газовой среде используют генератор (фиг.1) высоковольтных импульсов (ГВИ) наносекундной длительности с напряжением не менее 100 кB и частотой не менее 50 Гц, а в качестве электромагнитного излучения используют молекулы и атомы самой реакционной среды с окислением хлорида водорода кислородом и образованием целевого продукта - хлора и реакционной воды. Продукты реакции через отверстия 14 в изоляторе 8 и далее через отверстие 16 в решетке 15 поступают на вход в разделитель 4, где при перемещении по каналу 30 охлаждаются с двух сторон водой, прокачиваемой по каналам 29 и 31, и разделяются на газообразный хлор и воду. Из канала 30 продукты реакции по каналам 45 и 46 (фиг.5) поступают в емкость 5 (фиг.6), откуда вода по трубопроводу 51 сливается, а хлор через разделительную набивку 55 направляется к потребителю.

Опытный экземпляр устройства изготовлен и на нем апробирован способ получения хлора, подтверждено выполнение поставленной задачи. Изготовление устройства и проведенные испытания подтвердили возможность промышленного использования устройства и способа получения хлора.

Установка испытывалась на следующих режимах.

Пример 1.

Газы подавались в зону смешения с расходами:

- хлористый водород - 24 кг/ч;

- кислород - 5,8 кг/ч.

Газовая смесь пропускалась через зону стриммерных разрядов генератора ГВИ-150.

Температура в камере реактора составляла 20,2°С.

Температура на выходе - 19,2°С.

Давление в реакторе при данных условиях - 0,49 кгс/см².

Продукты реакции прямотоком направлялись в систему нейтрализации.

На 800 с от момента запуска генератора отбиралась газовая проба стандартным объемом 1 л.

Совместное содержание хлора и хлористого водорода определялось титрованием после пропускания всего объема пробы через 10% раствор KI.

Степень превращения составляла 97 мас.%.

Пример 2.

Газы подавались в зону смешения с расходами:

- хлористый водород - 33 кг/ч;

- кислород - 7,2 кг/час.

Газовая смесь пропускалась через зону стриммерных разрядов генератора ГВИ-150.

Температура в камере - 22,1°С. Температура на выходе - 21,1°С.

Давление в реакторе при данных условиях - 0,402 кгс/см².

Продукты реакции прямотоком направлялись в систему нейтрализации.

На 380 с от момента запуска генератора ГВИ-150 отбиралась газовая проба стандартным объемом 1 л.

Совместное содержание хлора и хлористого водорода определялось титрованием после пропускания всего объема пробы через 10% раствор KI.

Степень превращения составляла 96 мас.%.

1. Способ получения хлора путем непрерывной подачи предварительно подготовленной газовой смеси, содержащей хлорид водорода и кислород в стехиометрическом соотношении, и окисления хлорида водорода кислородом с образованием целевого продукта - хлора и реакционной воды с последующим их разделением, отличающийся тем, что указанную газовую смесь подают в проточную реакционную зону плазмохимического реактора, в реакционной зоне газовую смесь активизируют одновременно непосредственно как под воздействием электромагнитного излучения из зоны стриммерного разряда в основном в ультрафиолетовом диапазоне, так и под воздействием облучения потоком ускоренных электронов, при этом для создания стриммерных разрядов в газовой среде используют генератор высоковольтных импульсов наносекундной длительности с напряжением не менее 100 кВ и частотой не менее 50 Гц, а в качестве источника электромагнитного излучения используют молекулы и атомы самой реакционной среды.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, состоящее из камеры подготовки газовой смеси хлорида водорода и кислорода, плазмохимического реактора для получения хлора в смеси с водой, генератора высоковольтных импульсов, устройства для разделения смеси на хлор и воду, накопительной емкости для реакционной воды, при этом реактор выполнен в виде металлического цилиндра, внутри которого коаксиально установлен между верхним и нижним изоляторами металлический стержень, верхний изолятор закреплен жестко между двумя фланцами, в верхнем изоляторе закреплена клемма для подвода к стержню положительного заряда, нижняя часть стержня закреплена через центрирующую втулку на нижнем изоляторе с возможностью свободного перемещения стержня вместе с изолятором в осевом направлении, нижний изолятор перфорирован отверстиями для прохода активизированной газовой смеси, а на выходе из плазмохимического реактора установлена перфорированная отверстиями решетка, выполненная из графитофторопласта.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что камера подготовки газовой смеси выполнена в виде эжектора с полостями активного газа - кислорода и пассивного газа - хлористого водорода, камеры смешения и диффузора, выход из которого соединен с коллектором, установленным с наружной стороны верхний части реактора, при этом полость коллектора соединена с полостью реактора несколькими рядами отверстий, расположенных по окружности цилиндра реактора.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что разделитель фаз продуктов реакции состоит из двух ступеней, одна из которых расположена на выходе из реактора, а вторая - на выходе из накопительной емкости, при этом первая ступень состоит из четырех коаксиально установленных оболочек с кольцевыми промежутками между ними, в которых размещены дистанцирующие их проволочные спирали, образующие каналы для прохода воды и продуктов реакции, при этом проволочная спираль в канале для прохода продуктов реакции одета во фторопластовую трубку с концом, закрепленным в коническом обтекателе, закрывающем две внутренние оболочки, и соединенным с третьей оболочкой, нижний конец которой соединен с нижним фланцем блока оболочек и с нею же соединен верхний перфорированный отверстиями диск, с которым соединена внутренняя оболочка и центральная труба с нижним концом, установленным в расточке выступа нижнего фланца, а на выступе одет нижний диск с соединенной с ним внутренней оболочкой с возможностью перемещения их вдоль оси, а наружная оболочка соединена нижним концом с коллектором подвода воды и имеет в верхней части отверстие с трубой отвода воды, на нижнем фланце блока оболочек закреплена проставка с каналами для прохода продуктов реакции и диаметральным ребром с каналами и трубами подвода и отвода воды.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что вторая ступень разделителя фаз выполнена в виде емкости, заполненной материалом с развитой поверхностью - фторопластовой стружкой.