Способ получения диоксида хлора

 

Изобретение относится к производству диоксида хлора, используемого, в частности, для обеззараживания при очистке питьевой и сточной воды. Способ включает приготовление исходного водного раствора, содержащего соединение хлора со щелочным металлом, создание кислой среды, удаление образующегося диоксида хлора и газообразного хлора из реакционного пространства и электролиз. В качестве соединения хлора со щелочным металлом используют хлорид натрия или калия или их смесь и проводят электролиз непосредственно исходного раствора при напряжении не выше 10 В, катодной плотности тока не меньше 0,05 А/см², температуре не ниже 50°С, поддерживая рН раствора не ниже 5,5 путем добавления подпитывающей соляной кислоты. Технический эффект - упрощение процесса за счет его проведения в одном реакторе без привлечения дополнительного оборудования и с использованием в качестве исходного сырья доступного хлорида натрия.

Изобретение относится к производству диоксида хлора, используемого, в частности, для обеззараживания при очистке питьевой и сточной воды.

Известен способ электрохимической обработки хлоратов щелочных металлов с получением подкисленных растворов путем окисления указанных растворов в электролизере, содержащем анодное и катодное отделения, с последующей подачей раствора в процесс образования диоксида хлора (Патент РФ №2108413, С 25 В 1/24, 1998 год).

Недостатком способа являются как сложность технологического оборудования, так и сложность самого технологического процесса.

Известен способ получения двуокиси хлора, в котором снабжают реактор водной кислой средой, содержащей хлорат и сульфат щелочного металла, восстанавливают ионы хлора в реакционной среде до образования диоксида хлора, удаляют диоксид хлора из реакционной среды, реакционную среду передают в электролизер, электролизуют ее для увеличения кислотности и уменьшения содержания ионов щелочного металла, затем рециклизуют в реактор, добавляя до или после электролиза подпитывающий хлорат щелочного металла (Патент РФ №2084557, С 25 В 1/26, 1997 год).

Недостатком известного способа также является сложность технологического процесса и оборудования, которая обусловлена, в частности, использованием в качестве исходного раствора хлоратного раствора щелочного металла. Неполное использование хлората при получении диоксида хлора оправдывается только в том случае, если отработанный раствор возвращается на электролиз, то есть при сочетании процесса восстановления хлората кислотой с электрохимическим получением хлората. Использование привозного хлората требует более полного его использования на стадии получения диоксида, для этой цели можно увеличить количество вводимой кислоты, однако одновременно возрастает объем образовавшегося хлора.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать простой технологически способ получения диоксида хлора с использованием доступного исходного сырья.

Поставленная задача решена в способе получения диоксида хлора, включающем приготовление исходного водного раствора, содержащего соединение хлора со щелочным металлом, создание кислой среды, удаление образующегося диоксида хлора и газообразного хлора из реакционного пространства и электролиз, в котором в качестве соединения хлора со щелочным металлом используют хлорид натрия или калия или их смесь, и проводят электролиз непосредственно исходного раствора при напряжении не выше 10 В, катодной плотности тока не меньше 0,05 А/см², температуре не ниже 50°С, поддерживая рН раствора не ниже 5,5 путем добавления подпитывающей соляной кислоты.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ получения диоксида хлора, в котором в качестве исходного для его получения используют хлорид щелочного металла с проведением электролиза непосредственно исходного раствора при соблюдении заявляемых условий.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. Процесс осуществляют в аппарате колонного типа. Предварительно готовят раствор хлорида натрия в воде с концентрацией, близкой к насыщению, с добавлением бихромата натрия до концентрации не выше 5 г/л. Полученный раствор перекачивают в реактор-электролизер, снабженный анодом и катодом. После нагревания подают на катоды постоянный электрический ток. Электролиз проводят при напряжении не выше 10 В, катодной плотности тока не меньше 0,05 А/см² и температуре не ниже 50°С. Процесс ведут при постоянном контроле рН раствора, в случае необходимости отключают ток и добавляют подпитывающей соляной кислоты до получения рН не ниже 5,5. Затем возобновляют подачу электрического тока и осуществляют электролиз при тех же значениях параметров. Полученную смесь из диоксида хлора, хлора и воздуха после реактора-электролизера направляют в абсорбционную колонну, заполненную насадкой из колец Рашига. Абсорбционная колонна орошается охлажденной до 5°С водой. Для уменьшения растворимости хлора воду, подаваемую на орошение, подкисляют соляной кислотой до содержания 5 г/л. Образовавшийся раствор диоксида хлора направляют через подогреватель в десорбционную колонну, а не поглощенный в абсорбере хлор возвращают в реактор-электролизер. Десорбцию диоксида хлора проводят при температуре 60°С. После десорбционной колонны получают газ, содержащий 5% диоксида хлора; 0,06% хлора; 94,4% воздуха. Для обеспечения взрывобезопасности концентрации диоксида хлора через реактор продувают воздух в таком количестве, чтобы содержание диоксида хлора в газовоздушной смеси не превышало 5-6%. Расход воздуха, подаваемого в реактор, регулируют в зависимости от расхода кислоты, подаваемой в реактор. В случае нарушения безопасного соотношения кислота-воздух автоматически открывается клапан аварийного подсоса воздуха в реактор. Одновременно в реактор подают щелочь из аварийного бака до прекращения выделения диоксида хлора.

Предлагаемый способ позволяет значительно сократить рабочие площади и повысить производительность оборудования за счет проведения процесса в одном реакторе-элетролизере. Использование в качестве исходного доступного хлорида натрия вместо привозного хлората натрия упрощает процесс, делает его более технологичным. При этом проведение электролиза в предлагаемых условиях позволяет сделать процесс практически непрерывным со 100%-ным использованием образующегося при его осуществлении хлората натрия. Электролиз проводят при напряжении не выше 10 В и катодной плотности тока не меньше 0,05 А/см², в случае понижения катодной плотности тока ниже 0,05 А/см² снижается эффективность процесса за счет недостаточного образования ионов СlO^-₃, повышение напряжения выше 10 В нецелесообразно, поскольку, не повышая эффективность процесса, ведет к сильному перегреву электролита и, следовательно, к снижению безопасности процесса. В то же время при осуществлении способа необходимо поддерживать температуру раствора не ниже 50°С для подавления побочных реакций. При проведении процесса необходим постоянный контроль за уровнем рН, в случае снижения рН ниже 5,5 нарушается равновесное соотношение между Cl₂ и СlO₂, что снижает выход конечного продукта. Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Предварительно готовят раствор хлорида натрия в воде с концентрацией 320 г/л с добавлением бихромата натрия до концентрации 5 г/л. Полученный раствор перекачивают в аппарат колонного типа, который является реактором-электролизером, снабженным анодом и катодом. После нагревания подают на электроды постоянный электрический ток. Электролиз проводят при напряжении 10 В, катодной плотности тока 0,1 А/см² и температуре 50°С. Начальная рН раствора составляет 6,0. При проведении электролиза постоянно осуществляют контроль рН. Через 2 часа значение рН составляет 7,5. Отключают ток и добавляют подпитывающей соляной кислоты до получения рН 5,5. Затем возобновляют подачу электрического тока и осуществляют электролиз при тех же значениях параметров. Полученную смесь из диоксида хлора, хлора и воздуха после реактора-электролизера направляют в абсорбционную колонну, заполненную насадкой из колец Рашига. Абсорбционная колонна орошается охлажденной до 5°С водой. Для уменьшения растворимости хлора воду, подаваемую на орошение, подкисляют соляной кислотой до содержания 5 г/л. Образовавшийся раствор диоксида хлора направляют в десорбционную колонну, а не поглощенный в абсорбере хлор - на утилизацию. Десорбцию диоксида хлора проводят при температуре 60°С. После десорбционной колонны получают газ, содержащий 5% диоксида хлора; 0,06% хлора; 94,4% воздуха.

Пример 2. Предварительно готовят раствор хлорида натрия в воде с концентрацией 320 г/л с добавлением бихромата натрия до концентрации 2 г/л. Полученный раствор перекачивают в аппарат колонного типа, который является реактором-электролизером, снабженным анодом и катодом. После нагревания подают на электроды постоянный электрический ток. Электролиз проводят при напряжении 6 В, катодной плотности тока 0,05 А/см² и температуре 50°С. Начальная рН раствора составляет 6,5. При проведении электролиза постоянно осуществляют контроль рН. Через 2,5 часа значение рН составляет 7,0. Отключают ток и добавляют подпитывающей соляной кислоты до получения рН 6,0. Затем возобновляют подачу электрического тока и осуществляют электролиз при тех же значениях параметров. Полученную смесь из диоксида хлора, хлора и воздуха после реактора-электролизера направляют в абсорбционную колонну, заполненную насадкой из колец Рашига. Абсорбционная колонна орошается охлажденной до 5°С водой. Для уменьшения растворимости хлора воду, подаваемую на орошение, подкисляют соляной кислотой до содержания 5 г/л. Образовавшийся раствор диоксида хлора направляют через подогреватель в десорбционную колонну, а не поглощенный в абсорбере хлор возвращают в реактор-электролизер. Десорбцию диоксида хлора проводят при температуре 60°С. После десорбционной колонны получают газ, содержащий 5% диоксида хлора; 0,06% хлора; 94,4% воздуха.

Таким образом, предлагаемый способ получения диоксида хлора позволяет значительно упростить процесс за счет его проведения в одном реакторе без привлечения дополнительного оборудования и с использованием в качестве исходного сырья доступного хлорида натрия. При этом процесс может быть практически непрерывным за счет постоянного наличия в растворе ионов Na⁺.

Формула изобретения

Способ получения диоксида хлора, включающий приготовление исходного водного раствора, содержащего соединение хлора с щелочным металлом, создание кислой среды, удаление образующегося диоксида хлора и газообразного хлора из реакционного пространства и электролиз, отличающийся тем, что в качестве соединения хлора с щелочным металлом используют хлорид натрия, или калия, или их смесь и проводят электролиз непосредственно исходного раствора при напряжении не выше 10 В, катодной плотности тока не меньше 0,05 А/см², температуре не ниже 50°С, поддерживая рН раствора не ниже 5,5 путем добавления подпитывающей соляной кислоты.