Устройство и способ для производства разбавленного водного раствора пероксомоносерной кислоты

Изобретение относится к устройству и способу производства разбавленного водного раствора пероксомоносерной кислоты. Устройство содержит канал для водного потока, смесительную трубу, расположенную внутри канала и имеющую находящийся внутри нее статический смеситель, выход, открытый в канал, и вход, трубу подачи серной кислоты, подключенную ко входу смесительной трубы, и трубу подачи перекиси водорода, расположенную внутри трубы подачи серной кислоты и имеющую выход для перекиси водорода, расположенный у входа смесительной трубы. Способ заключается в том, что через канал устройства пропускают водный поток, в трубу подачи серной кислоты вводят серную кислоту в концентрации от 85 до 98% по массе и в трубу подачи перекиси водорода вводят водный раствор перекиси водорода в концентрации от 50 до 80% по массе. Изобретение обеспечивает безопасное производство разбавленного водного раствора пероксомоносерной кислоты и снижение затрат. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к устройству для производства разбавленного водного раствора пероксомоносерной кислоты.

Пероксомоносерная кислота является сильным окислителем, вступающим в химическое взаимодействие быстрее перекиси водорода, и легко получается из концентрированной серной кислоты и водной перекиси водорода, как это известно из документа US 2789954. Концентрированный раствор пероксомоносерной кислоты, получаемый из концентрированной серной кислоты и водной перекиси водорода, является опасным реагентом и представляет производственную опасность для рабочего персонала с низкой квалификацией по обращению с опасными реагентами. Во многих случаях применения, таких как разработка месторождений полезных ископаемых и очистка воды, пероксомоносерная кислота используется не в концентрированной форме, а в виде разбавленного водного раствора.

В документе US 2789954 описан способ производства концентрированной пероксомоносерной кислоты путем объединения потока концентрированной серной кислоты и потока перекиси водорода на входе конденсатора с водяным охлаждением, в результате чего получаемая смесь охлаждается в течение нескольких секунд. Охлажденную смесь затем разбавляют до концентрации пероксомоносерной кислоты, составляющей 6% по массе, путем смешивания с потоком воды и пропускания полученной смеси через второй конденсатор. Устройство, используемое в решении по US 2789954, может применяться лишь в лабораторном масштабе, в промышленном же масштабе безопасно воспроизвести его невозможно.

В документе WO 92/07791 описан способ производства пероксомоносерной кислоты в адиабатическом реакторе, при осуществлении которого в поток серной кислоты, движущийся через кольцевую реакционную камеру, впрыскивают перекись водорода через вход, направляющий перекись водорода поперек течения серной кислоты. В этом документе предлагается сливать горячую концентрированную пероксомоносерную кислоту непосредственно в бак или емкость, в котором(-ой) ее предполагается использовать, или в качестве альтернативы пропускать ее через погруженный в технологический резервуар трубопровод для ее охлаждения.

Тем не менее, по-прежнему остается неудовлетворенной потребность в устройстве и способе, которые позволяли бы получать разбавленный водный раствор пероксомоносерной кислоты, не подвергая рабочий персонал риску контакта с концентрированным раствором пероксомоносерной кислоты. Авторами настоящего изобретения разработаны устройство и способ, удовлетворяющие эту потребность.

Одним объектом изобретения является устройство для производства разбавленного водного раствора пероксомоносерной кислоты, содержащее:

- канал для водного потока,

- смесительную трубу, расположенную внутри указанного канала и имеющую находящийся внутри нее статический смеситель, выход, открытый в указанный канал, и вход,

- трубу подачи серной кислоты, подключенную ко входу смесительной трубы, и

- трубу подачи перекиси водорода, расположенную внутри трубы подачи серной кислоты и имеющую выход для перекиси водорода, расположенный у входа смесительной трубы.

Еще одним объектом изобретения является способ производства разбавленного водного раствора пероксомоносерной кислоты, характеризующийся тем, что через канал предлагаемого в изобретении устройства пропускают водный поток, в трубу подачи серной кислоты, имеющуюся в указанном устройстве, вводят серную кислоту в концентрации от 85 до 98% по массе, и в трубу подачи перекиси водорода, имеющуюся в указанном устройстве, вводят водный раствор перекиси водорода (водную перекись водорода) в концентрации от 50 до 80% по массе.

На чертеже показан предпочтительный вариант выполнения предлагаемого в изобретении устройства, в котором смесительная труба 3 и труба 5 подачи серной кислоты расположены соосно внутри канала 1, а линии 7, 9 подвода серной кислоты и перекиси водорода дополнительно снабжены обратными клапанами 8, 10.

Предлагаемое в изобретении устройство содержит канал 1 для водного потока 2, который предпочтительно представляет собой трубу, более предпочтительно - прямую трубу круглого поперечного сечения.

Предлагаемое в изобретении устройство также содержит смесительную трубу 3, расположенную внутри канала для водного потока. В предпочтительном варианте выполнения канала в виде трубы смесительная труба предпочтительно расположена внутри канала соосно с ним. Смесительная труба предпочтительно футерована коррозионностойким материалом, более предпочтительно - фторполимером и наиболее предпочтительно - политетрафторэтиленом.

Смесительная труба имеет расположенный внутри нее статический смеситель 4, который предпочтительно заполняет собой все проходное сечение смесительной трубы. В смесительной трубе могут использоваться статические смесители любого вида, при этом предпочтительны статические смесители с повторяющимися перемешивающими элементами. В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения используется статический смеситель, имеющий от 2 до 20 перемешивающих элементов. Статический смеситель предпочтительно изготовлен из коррозионностойкого материала, более предпочтительно - из фторполимера и наиболее предпочтительно - из политетрафторэтилена. В предпочтительном варианте осуществления изобретения смесительная труба установлена внутри канала с возможностью ее замены, что позволяет легко адаптировать устройство к различным диапазонам производительности путем замены одной смесительной трубы на другую, имеющую иной размер и объем.

Выход смесительной трубы 3 открыт в канал 1, в результате чего любая жидкость, покидающая смесительную трубу через выход, поступает в канал для водного потока. Выход смесительной трубы предпочтительно обращен в направлении течения водного потока, т.е. жидкость, вытекающая через выход в водный поток, направляется в направлении водного потока.

Расположение смесительной трубы внутри канала для водного потока при открытом в указанный канал выходе смесительной трубы обеспечивает эффективное охлаждение смеси, образующейся из серной кислоты и перекиси водорода, за счет отвода теплоты в водный поток, а также быстрое разбавление получаемой концентрированной пероксомоносерной кислоты в водном потоке, что ведет к уменьшению разложения перекиси водорода и достижению высоких значений выхода пероксомоносерной кислоты. Такая компоновка также исключает всякую возможность контакта рабочего персонала с концентрированной пероксомоносерной кислотой, поскольку пероксомоносерная кислота образуется и разбавляется внутри канала для водного потока.

Предлагаемое в изобретении устройство также содержит трубу 5 подачи серной кислоты, подключенную ко входу смесительной трубы 3, причем входом смесительной трубы является конец смесительной трубы, противоположный выходу. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, в котором смесительная труба расположена внутри канала соосно с ним, труба подачи серной кислоты предпочтительно также расположена соосно внутри канала. Труба подачи серной кислоты предпочтительно футерована коррозионностойким материалом, более предпочтительно - фторполимером и наиболее предпочтительно - политетрафторэтиленом.

Предлагаемое в изобретении устройство также содержит трубу 6 подачи перекиси водорода, расположенную внутри трубы 5 подачи серной кислоты и имеющую выход для перекиси водорода, расположенный у входа смесительной трубы. Преимуществом такого расположения трубы подачи перекиси водорода является обеспечение эффективного перемешивания перекиси водорода с серной кислотой сразу после выхода перекиси водорода из трубы ее подачи, что уменьшает разложение перекиси водорода и обеспечивает высокие значения выхода пероксомоносерной кислоты.

В предпочтительном варианте своего выполнения предлагаемое в изобретении устройство также содержит линию 7 подвода серной кислоты, подключенную к трубе подачи серной кислоты и снабженную обратным клапаном 8, и линию 9 подвода перекиси водорода, подключенную к трубе подачи перекиси водорода и снабженную обратным клапаном 10. Обратные клапаны препятствуют перемещению пероксомоносерной кислоты, образующейся в смесительной трубе, обратно в емкости для хранения перекиси водорода и серной кислоты. Предпочтительно, чтобы обратные клапаны были расположены внутри канала для водного потока. Благодаря этому пероксомоносерная кислота, образующаяся в смесительной трубе, будет удерживаться внутри канала и не сможет просачиваться из-под фланцев, находящихся снаружи канала. Линию подвода серной кислоты и линию подвода перекиси водорода предпочтительно пропустить через общую крышку с фланцем, установленную на канале для водного потока, что позволяет заменять целиком весь узел в сборе, состоящий из крышки с фланцем, линии подвода серной кислоты, линии подвода перекиси водорода, трубы подачи серной кислоты, трубы подачи перекиси водорода и смесительной трубы. Этот вариант осуществления изобретения обеспечивает возможность быстрой замены вышеупомянутого узла для адаптации устройства к различным диапазонам значений производительности.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагаемое в изобретении устройство также содержит устройства, предназначенные для прекращения подачи серной кислоты к трубе подачи серной кислоты и прекращения подачи перекиси водорода к трубе подачи перекиси водорода. Управление этими устройствами осуществляется посредством индикатора потока, используемого для контроля за водным потоком. В качестве индикатора потока может использоваться любой известный прибор для обнаружения или измерения движения водного потока, такой как серийно выпускаемые датчики потока и расходомеры. Устройствами для прекращения подачи серной кислоты и перекиси водорода могут быть, например, отсечные (перекрывные) краны или электрические цепи для отключения нагнетательных насосов. Предпочтительно, чтобы индикатор потока, используемый для контроля за водным потоком, прекращал подачу серной кислоты и перекиси водорода в смесительную трубу при падении расхода водного потока в канале ниже заданного значения, таким образом не допуская возможного накопления в канале концентрированной пероксомоносерной кислоты.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагаемое в изобретении устройство также содержит дополнительный статический смеситель, расположенный в канале для водного потока после выхода смесительной трубы. Дополнительный статический смеситель обеспечивает более быстрое и равномерное разбавление концентрированной пероксомоносерной кислоты в водном потоке и дает на выходе разбавленный водный раствор пероксомоносерной кислоты с ее однородной концентрацией.

При осуществлении предлагаемого в изобретении способа производства разбавленного водного раствора пероксомоносерной кислоты через канал 1 предлагаемого в изобретении устройства пропускают водный поток 2, как это описано выше, в трубу 5 подачи серной кислоты, имеющуюся в указанном устройстве, вводят серную кислоту в концентрации от 85 до 98% по массе, и в трубу 6 подачи перекиси водорода, имеющуюся в указанном устройстве, вводят водный раствор перекиси водорода в концентрации от 50 до 80% по массе с получением разбавленного водного раствора 11 пероксомоносерной кислоты.

Водный поток предпочтительно является потоком воды.

Серную кислоту и перекись водорода предпочтительно вводить при их молярном отношении, составляющем от 0,5 до 10, и более предпочтительно - при молярном отношении, составляющем от 1 до 4. Молярное отношение у верхней границы указанных диапазонов является предпочтительным, если требуется высокая конверсия перекиси водорода. Молярное отношение у нижней границы указанных диапазонов является предпочтительным, если разбавленный водный раствор пероксомоносерной кислоты перед использованием предполагается нейтрализовывать основанием.

Серную кислоту и перекись водорода предпочтительно вводить с расходами, обеспечивающими массовое отношение водного потока к суммарному количеству серной кислоты и перекиси водорода, находящееся в диапазоне от 1 до 10, чтобы достигать требуемой концентрации пероксомоносерной кислоты в разбавленном водном растворе последней.

Серную кислоту и перекись водорода предпочтительно вводить с расходами, обеспечивающими среднее время пребывания в смесительной трубе, составляющее от 1 до 10 секунд, более предпочтительно - от 1 до 7 секунд и наиболее предпочтительно - от 1 до 5 секунд, причем среднее время пребывания рассчитывают как отношение объема смесительной трубы к суммарному расходу серной кислоты и перекиси водорода. Регулирование времени пребывания в пределах предпочтительного диапазона его значений обеспечивает получение высоких значений выхода пероксомоносерной кислоты при небольшом разложении перекиси. Для достижения определенного времени пребывания в пределах предпочтительного диапазона его значений для данного расхода водного потока и данной концентрации пероксомоносерной кислоты в ее разбавленном водном растворе объем смесительной трубы можно регулировать путем замены смесительной трубы на меньшую или большую смесительную трубу.

Предлагаемые в изобретении устройство и способ позволяют безопасно производить разбавленный водный раствор пероксомоносерной кислоты при низких затратах и в больших объемах, не подвергая рабочий персонал риску контакта с концентрированной пероксомоносерной кислотой. Отвод теплоты от смеси серной кислоты и перекиси водорода в окружающий водный поток, происходящий во время образования пероксомоносерной кислоты в смесительной трубе, также обеспечивает безопасное ведение процесса и исключает термическое разложение перекиси.

1. Устройство для производства разбавленного водного раствора пероксомоносерной кислоты, содержащее:
а) канал (1) для водного потока (2),
б) смесительную трубу (3), расположенную внутри указанного канала и имеющую находящийся внутри нее статический смеситель (4), выход, открытый в указанный канал, и вход,
в) трубу (5) подачи серной кислоты, подключенную ко входу смесительной трубы, и
г) трубу (6) подачи перекиси водорода, расположенную внутри трубы подачи серной кислоты и имеющую выход для перекиси водорода, расположенный у входа смесительной трубы.

2. Устройство по п. 1, в котором смесительная труба и труба подачи серной кислоты расположены соосно внутри указанного канала.

3. Устройство по п. 2, в котором выход смесительной трубы обращен в направлении течения водного потока.

4. Устройство по одному из пп. 1-3, также содержащее линию (7) подвода серной кислоты к трубе подачи серной кислоты, снабженную обратным клапаном (8), и линию (9) подвода перекиси водорода к трубе подачи перекиси водорода, снабженную обратным клапаном (10).

5. Устройство по одному из пп. 1-3, также содержащее прерывающие поток устройства, управляемые посредством индикатора потока, используемого для контроля за водным потоком, и предназначенные для прекращения подачи серной кислоты к трубе подачи серной кислоты и перекиси водорода к трубе подачи перекиси водорода.

6. Устройство по одному из пп. 1-3, также содержащее дополнительный статический смеситель, расположенный в указанном канале после выхода смесительной трубы.

7. Способ производства разбавленного водного раствора (11) пероксомоносерной кислоты, характеризующийся тем, что через канал (1) устройства по одному из пп. 1-6 пропускают водный поток (2), в трубу (5) подачи серной кислоты, имеющуюся в указанном устройстве, вводят серную кислоту в концентрации от 85 до 98% по массе, и в трубу (6) подачи перекиси водорода, имеющуюся в указанном устройстве, вводят водный раствор перекиси водорода в концентрации от 50 до 80% по массе.

8. Способ по п. 7, характеризующийся тем, что серную кислоту и перекись водорода вводят при их молярном отношении, составляющем от 0,5 до 10.

9. Способ по п. 7 или 8, характеризующийся тем, что серную кислоту и перекись водорода вводят с расходами, обеспечивающими массовое отношение водного потока к суммарному количеству серной кислоты и перекиси водорода, находящееся в диапазоне от 1 до 10.