一种模拟超重力环境下制备二氧化氯装置

技术领域

本发明涉及环保领域，具体讲是一种一种模拟超重力环境下制备二氧化氯装置。

背景技术

二氧化氯（ClO

国内大多数工厂制备二氧化氯使用的化工原料一般为氯酸钠和亚氯酸钠，用盐酸和硫酸提供酸性条件，还原剂大致有盐酸、双氧水、二氧化硫、甲醇及氮肥等。只要具备这些基本条件都能制备出二氧化氯。为了提高氯酸盐中二氧化氯的转化率，除了保证反应原料的准确配方、适当的反应温度、安全的反应压力外，无一不是千方百计在提高反应原料的混合效果上下功夫。为了使化工原料充分混合，使用的方法包括：机械搅拌、曝气搅拌、梯级流动和延长反应时间等，但这些混合方法既不均匀又不充分，仅对局部反应液起到搅拌作用，液体之间的接触最多只是液体颗粒表面上点的接触，质量传递速率小，反应效率低；二氧化氯的转化率一般只有40%～80%，更少的仅有30%左右。而这些因素之所以对过程速率产生制约,都与地球引力场有关。万有引力这一自然规律是无法改变的,只能利用其他方法模拟提高引力场。基于此，本发明设计的一种模拟超重力环境下制备二氧化氯装置，能极大地提高二氧化氯转换率和生产率。

发明内容

因此，为了解决上述不足，本发明在此提供一种设计合理，结构简单，转换率高达99％,并且反应时间快的模拟超重力环境下制备二氧化氯装置,本发明设备体积小、节约投资成本和降低了能耗，并且转换效率高。

本发明是这样实现的，构造一种模拟超重力环境下制备二氧化氯装置，包括

壳体，在内部形成模拟超重力的环境室；

进料总成，安装于壳体的上端，并开设有进入环境室且相互独立的压缩空气进口、还原剂进料口和原料进料口；

模拟超重力发生旋转床总成，安装于环境室内并可以在该环境室内转动，该旋转床总成外壁与环境室内壁形成残液分离室，并在该旋转床总成中部形成与还原剂进料口和原料进料口连通的反应室；以及

电动机，安装于壳体底部，并且该电动机的动力轴与模拟超重力发生旋转床总成连接。

优选的，所述壳体包括

外壳体，上下开口；

上端盖，安装于外壳体的上开口，在该上端盖的中部开设有用于安装进料总成的安装部，并且开设有与残液分离室连通的二氧化氯气体排出管；以及

下端盖，安装于外壳体的下开口，在中部设置有用于安装动力轴的中心孔洞，并在该中心孔洞外围设置有下凹的反应残液槽，该反应残液槽外接有反应残液排出管。

优选的，所述模拟超重力发生旋转床总成包括

驱动盘，下部与动力轴连接；

Ⅰ级反应转床，为网状，安装于驱动盘上端，

Ⅱ级反应转床，为网状，安装于Ⅰ级反应转床外围并位于驱动盘上端，与Ⅰ级反应转床同轴，Ⅰ级反应转床与Ⅱ级反应转床之间形成模拟超重力环形空区；

压盘，安装于Ⅰ级反应转床和Ⅱ级反应转床上端，通过螺栓组装固定栓与驱动盘连接，并将Ⅰ级反应转床和Ⅱ级反应转床固定于压板和驱动盘之间。

优选的，所述驱动盘中通过螺纹连接方式安装有原料初始混合杯套，在该原料初始混合杯套的上部设置有内凹的原料初始混合槽。

优选的，所述进料总成开设有

还原剂进料管，与反应室连通，并位于原料初始混合槽上部；

混合液分配管，位于还原剂进料管外围并形成混合液分配腔，该混合液分配腔下部螺旋向下连通于反应室，其出口位于原料初始混合槽上部，在该混合液分配腔的上部设置有具有混合液进料口的混合液进料管；以及

压缩空气均压块，安装于混合液分配管外围并固定于壳体上端，并且形成有与反应室连通的压缩空气均压腔，该压缩空气均压腔具有压缩空气进口。

本发明的化学反应原理是：

（1）当反应原料为氯酸钠、硫酸及过氧化氢时，化学反应方程式为：

2NaClO

注:氯酸钠、硫酸先组成混合液,从氯酸盐、酸混合液进料口进入,还原剂过氧化氢从还原剂进料口进入。

（2）当反应原料为氯酸钠和盐酸时,化学反应方程式为：

2NaClO

本发明模拟超重力环境是由两级旋转床产生,旋转可以造成稳定的、可调节的离心力场,可以模拟引力场产生的超重力环境，能极大地提高二氧化氯转换率和生产率,旋转床能够提供超重力环境。

二氧化氯的制备是气液多相接触进行化学反应与质量传递的过程，在多相间的浓度差一定的条件下，相间质量传递的速率受到多相间的接触面积、紧邻相界面处的湍动强度和相对速度差等几个因素的限制；而这些因素之所以对过程速率产生制约,都与地球引力场有关；万有引力这一自然规律是无法改变的,只好利用其他方法模拟提高引力场。在超重力环境下,不同大小分子间的分子扩散和相间传质过程均比常规重力场下要快得多,气—液、液—液、液—固两相在比地球重力场大数百倍至千倍的超重力环境下的多孔介质或孔道中产生流动接触，巨大的剪切力将液体撕裂成微米至纳米级的液膜、液丝和微小液滴，产生巨大的和快速更新的相界面,使相间传质速率比传统的反应器提高了1～3个数量级,微观混合和传质过程得到极大强化。同时在旋转条件下,不仅是整个反应过程的加快，气体的线速度也得到大幅度提高，这使单位设备体积的生产效率得到了很大的提高，使得转换率高达99％,并且反应时间快，本发明设备体积小、节约投资成本和降低了能耗。

本发明具有如下优点：

本发明设计合理，结构简单，使用方便，用于制备二氧化氯，采用模拟超重力环境下制备二氧化氯,在超重力环境下,不同大小分子间的分子扩散和相间传质过程均比常规重力场下要快得多,气—液、液—液、液—固两相在比地球重力场大数百倍至千倍的超重力环境下的多孔介质或孔道中产生流动接触，巨大的剪切力将液体撕裂成微米至纳米级的液膜、液丝和液滴，产生巨大的和快速更新的相界面,使相间传质速率比传统的反应提高1～3个数量级,微观混合和传质过程得到极大强化。同时在旋转条件下,不仅是整个反应过程的加快，气体的线速度也得到大幅度提高，这使单位设备体积的生产效率得到了很大的提高。

通过超重力的环境让物料反应接触更好，实现微观混合，所谓微观混合是指装置内物质在分子尺度上的局部均匀化过程；对于模拟超重力发生旋转床内的微观混合过程,是液体被旋转填料所分散形成的液体微元之间的相互混合直至分子尺度上均匀的过程。

附图说明

图1-1是本发明的结构示意图；

图1-2是图1-1中B-B的剖视图；

图2-1是本发明进料总成结构示意图；

图2-2是图2-1中B-B方向的示意图；

图3-1是本发明进料总成结构示意图；

图3-2是本发明进料总成横向半剖示意图；

图4是本发明压盘的半剖示意图；

图5是本发明驱动盘的半剖示意图；

图6是本发明原料初始混合杯套的半剖示意图；

图7是本发明的上端盖示意图；

图8是本发明外壳体示意图；

图9是本发明下端盖示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-1和图1-2所示，一种模拟超重力环境下制备二氧化氯装置，包括

壳体，在内部形成模拟超重力的环境室；

进料总成，安装于壳体的上端，并开设有进入环境室且相互独立的压缩空气进口3、还原剂进料口2和原料进料口1；

模拟超重力发生旋转床总成9，安装于环境室内并可以在该环境室内转动，该旋转床总成外壁与环境室内壁形成残液分离室15，并在该旋转床总成中部形成与还原剂进料口和原料进料口连通的反应室16；以及

电动机11，安装于壳体底部，并且该电动机的动力轴12与模拟超重力发生旋转床总成9连接。

在本实施例中，所述壳体包括上下开口的外壳体8，在该外壳体8的上下两端分安装有上端盖7和下端盖10，相互之间通过螺栓24连接；

如图8所示，所述外壳体8包括上下开口的圆柱形的主体8.1，在该主体的上下两端分别固定设置有上法兰盘8.2和下法兰盘8.3，上法兰盘开设有上螺纹孔8.4，所示下法兰盘8.3开设有下螺纹孔8.5。

如图7所示，所述上端盖7包括圆形的板体7.1，在板体7.1的中部开设有用于安装进料总成的安装部，在安装部的中部开设有用于安装密封唇25的旋转轴唇形密封安装位7.2，在该安装部开设有空气均压室安装螺孔7.4，和开设有与外壳体连接的上端盖安装孔7.5，并且在上端端盖下端面安装有与外壳体匹配的上端盖安装止口7.6，该上端盖还开设有与残液分离室15连通的二氧化氯气出口7.3，在该二氧化氯气出口安装有二氧化氯气体排出管14。

如图9所示，下端盖10包括圆形的板体9.1，在板体的中部设置有用于安装动力轴的中心孔洞9.6，并在该中心孔洞9.6外围设置有下凹的反应残液槽9.4，该反应残液槽9.4开设有用于外接反应残液排出管13的残液排放口9.3；该下端盖开设有与外壳体连接的模拟超重力环境室安装接盘孔9.2，同时在下端盖底部设置有模拟超重力发生电动机安装止口9.5，并且上端该的上部还是设置有模拟超重力环境室安装止口9.7。

如图3-1和图3-2所示，在本实施例中，所述模拟超重力发生旋转床总成9包括

驱动盘3.1，下部与动力轴12连接；

Ⅰ级反应转床3.2，为网状，安装于驱动盘上端，

Ⅱ级反应转床3.3，为网状，安装于Ⅰ级反应转床外围并位于驱动盘上端，与Ⅰ级反应转床同轴，Ⅰ级反应转床与Ⅱ级反应转床之间形成模拟超重力环形空区3.8；

压盘3.5，安装于Ⅰ级反应转床和Ⅱ级反应转床上端，通过螺栓组装固定栓与驱动盘3.1连接，并将Ⅰ级反应转床和Ⅱ级反应转床固定于压板和驱动盘之间。其中Ⅰ级反应转床和Ⅱ级反应转床均为丝网填料圆筒，是由丝网叠加缠绕,卷圆后形成额定厚度及高度的圆筒；形成额定厚度及高度的丝网圆筒本身具有无数网眼，同时丝网与丝网叠加时存在空隙，因此圆筒具有若干微孔、微管的特征；形成额定厚度及高度的丝网圆筒,其丝网选用耐腐蚀的特殊材质。

在本实施例中，所述驱动盘中通过螺纹连接方式安装有原料初始混合杯套6.1，在该原料初始混合杯套的上部设置有内凹的原料初始混合槽6.2。

如图4所示，所述压盘包括圆形的压盘体4.1，该压盘体4.1开设有用于安装螺栓的柱销安装孔4.2，在中部开设有中心孔洞4.4，该中心孔洞的外部设置有不锈钢轴套4.3，该不锈钢轴套与上端盖之间开始有旋转轴唇形密封25；而在所述中心孔洞的下部设置有内填料筒内止口4.5，在所述柱销安装孔下端面开设有内填料筒外止口4.6，在该内填料筒外止口4.6的外侧为外填料筒内止口4.7，而在压盘的外圆开设有向下延伸的外填料筒外止口4.8。

如图5所示，所述驱动盘3.1包括圆形的驱动盘盘体5.1，在该驱动盘盘体中部设置有具有电机轴孔5.3的连接部，该连接部的上部设置有外螺纹5.9，在所述电机轴孔中开设有轴向的键槽5.4，在所述连接部的外围开设有一圈柱销安装孔5.2，并在柱销安装孔的上方设置有具有内填料筒外止口5.6和外填料筒内止口5.7的限位环，并在连接部外围设置有内填料筒内止口5.5；在所述驱动盘盘体5.1的外圆开设有向上延伸的外填料筒外止口5.8。

如图6所示，原料初始混合杯套6.1，该原料初始混合杯套的上部设置有内凹的原料初始混合槽6.2，并在下设置有带内螺纹6.3和螺纹退刀槽6.4的连接孔，该内螺纹6.3与外螺纹5.9匹配，实现驱动盘与原料初始混合杯套通过螺纹连接。

如图2-1和图2-2所示，

在本实施例中，所述进料总成开设有

还原剂进料管2.2，与反应室16连通，并位于原料初始混合槽上部；

混合液分配管2.4，位于还原剂进料管2.2外围并形成混合液分配腔4，该混合液分配腔下部为螺旋向下并连通于反应室16的分配通道，该分配通道为三等分旋流通道2.6，其出口位于原料初始混合槽上部，在该混合液分配腔4的上部设置有具有混合液进料口1的混合液进料管2.1；以及

压缩空气均压块2.5，安装于混合液分配管外围并固定于壳体上端，并且形成有与反应室16连通的压缩空气均压腔5，该压缩空气均压腔5开设有具有压缩空气进口3的压缩空气管2.3。

本发明在实施时，

原料初始混合反应:氯酸盐、酸混合液从混合液进料口1进入,还原剂从还原剂进料口2进入, 压缩空气进口3进入,氯酸盐、酸混合液从混合液进料口1进入混合液分配腔4内,均分给三等分旋流通道2.6,压缩空气从压缩空气进口3进入到压缩空气均压腔5内均压，上述原料初始混合后反应并在反应室反应；再通过电机带动模拟超重力发生旋转床总成转动，模拟超重力环境是由的两级旋转床产生, Ⅰ、Ⅱ级转床是由丝网叠加缠绕,卷圆后形成额定厚度及高度的圆筒，形成额定厚度及高度的丝网圆筒本身具有无数网眼，同时丝网与丝网叠加时存在空隙，因此圆筒具有若干微孔、微管的特征；形成额定厚度及高度的丝网圆筒,其丝网选用耐腐蚀的特殊材质；反应液在该环境下最终生成二氧化氯气体，并通过二氧化氯气体排出管排出，而反应过程中产生的反应残渣6进入反应残液槽9.4中，并通过反应残液排出管13排出。

本发明的工作原理是，向装置内在单位时间输送额定量的空气后,由电机转动而同步带动装置内Ⅰ级反应转床和Ⅱ级反应转床高速旋转,形成超重力场和离心力；反应原料液由计量泵按比例自进料口泵入原料初始混合槽和原料混合腔,受超重力场和离心力作用,反应原料液先后进入Ⅰ级反应转床和Ⅱ级反应转床,并以极大的表面积相互接触混合进行化学反应,生成二氧化氯气体和含盐类的残液,二氧化氯气体和残液因受离心力影响,均被甩出填料转子筒,进入二氧化氯与反应残液分离室。二氧化氯气体在此被输入的空气混合并稀释后排出装置,去到需要的现场使用,含盐类的残液经由集中流槽汇集,自排放口流出装置,进入储存箱待深度处理。

液体(氯酸钠水溶液、硫酸液或盐酸液、双氧水)由计量泵输送管进入本发明,同时也引入气相(带压空气)也进入进料总成；

气液两相经进料系统,淋洒在模拟超重力发生旋转床总承9的反应室16内,通过Ⅰ级反应转床17的内缘,进入模拟超重力Ⅰ级反应转床17的气体和液体,受到模拟超重力Ⅰ级反应转床内填料的作用,周向速度增加,所产生的离心力将其推向模拟超重力Ⅰ级反应转床的外缘,从而进入在模拟超重力Ⅰ级反应转床外缘与模拟超重力Ⅱ级反应转床内缘,两组区间空间形成一个雾化区,使得模拟超重力Ⅱ级反应转床内缘的液滴数量明显增加，在此过程中,液体被填料分散、破碎形成极大的、不断更新的表面,曲折的流道更加剧了表面的更新；液体在高分散、高湍动、强混合以及界面急速更新的情况下与气体并流以极大的相对速度在弯曲孔道中并向接触,极大地强化了传质过程,而后,二氧化氯气体和液体残液自模拟超重力Ⅱ级反应转床外缘甩到外壳体空间分离汇集后,二氧化氯气体经二氧化氯气出口、液体残液被经残液排放口排出,完成整个传质反应过程。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。