Способ получения молекулярного синглетного кислорода и генератор синглетного кислорода

Способ получения молекулярного синглетного кислорода и генератор синглетного кислорода

Реферат

 

Изобретение относится к способу получения молекулярного синглетного кислорода и конструкции генератора синглетного кислорода и может быть использовано для химической накачки кислородно-иодных лазеров. Цель изобретения - увеличение выхода молекулярного синглетного кислорода за счет повышения эффективности взаимодействия исходных компонентов. Способ получения МСК включает приготовление смеси водного раствора пероксида водорода и гидроксида натрия и насыщение при температуре минус 20^o - 0^oC тетрахлорметана газообразным хлором. Взаимодействие исходных растворов осуществляют в противотоке в центробежном поле генератора с одновременным разделением образующейся газовой фазы от жидких фаз. Генератор содержит пакет горизонтальных вставок с трапецеидальной гофрировкой в меридиональном сечении, ротор, снабженный распределителем потока тяжелой жидкости, цилиндрический стакан с насаженным на нем горизонтальным диском с радиальными ребрами и дополнительной нижней распределительной вставкой, перфорированный цилиндр для сбора газовой фазы и напорный диск для вывода газовой фазы. 2 с., 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к способу получения молекулярного синглетного кислорода (МСК) и конструкции генератора синглетного кислорода и может быть использовано в лазерной технике, а также в других отраслях народного хозяйства, например, для очистки природных и сточных вод, для дезинфекции питьевой воды, в медицине и т. п. Цель изобретения увеличение выхода молекулярного синглетного кислорода за счет повышения эффективности взаимодействия исходных компонентов. Способ получения МСК включает предварительное приготовление смеси водного раствора пероксида водорода и гидроксида натрия и образование в результате диссоциации HO^-₂-ионов, а также растворение газообразного хлора в тетрахлорметане до его полного насыщения при температуре минус 20 0^oC. Взаимодействие подготовленных растворов ведут в их противотоке в центробежном поле генератора МСК с одновременным разделением образующейся газовой фазы и жидких фаз. Отработанный тетрахлорметан направляют на насыщение хлором и рециркулируют в процессе, а отработанный водный раствор направляют на регенерацию. На фиг. 1 схематично показан генератор в разрезе и устройство для регулировки давления получаемого газа на выходе из генератора и расхода подаваемых растворов на входе в аппарат; на фиг. 2 представлена технологическая схема получения МСК. Генератор содержит вертикальный цилиндрический ротор на валу 1, включающий днище ротора 2, цилиндрический стакан 3 с насаженным на него горизонтальным диском 4 с радиальными ребрами 5, распределитель потока 6 легкой жидкости, распределитель потока 7 тяжелой жидкости, нижнюю двойную вставку 8 и нижнюю разделительную вставку 9, пакет рабочих тефлоновых вставок 10 с упорами 11, припаянными к их верхней поверхности, с отверстиями 12 и 13 для легкой и тяжелой жидкости, перфорированный тефлоновый цилиндр для сбора газа, верхнюю разделительную вставку 15 с разделительной кольцевой перегородкой 16 и крышку ротора 17, а также неподвижный узел, состоящий из трубки подачи легкой жидкости (растворенного в тетрахлорметане хлора) 19, напорного диска для вывода газовой фазы 20, напорного диска для вывода отработанного легкого растворителя 21, напорного диска 22 для вывода отработанного тяжелого растворителя, манометров на газовой линии 23, клапана регулировки давления газа в отводящем газ патрубке 24, криостат 25. Устройство работает следующим образом. Раствор хлора в ССl₄ по трубке 19 подается в ротор через распределитель потока 7 и попадает в межвставочный зазор между нижней двойной вставкой 8 и нижней разделительной вставкой 9, затем поднимается по каналам, образованным отверстиями 13 во вставках и распределяется по межвставочным зазорам, устремляясь, благодаря действию центробежной силы, от оси вращения к периферии пакета вставок 10. Достигнув внутренней поверхности крышки ротора 17, тяжелый раствор поднимается по стенке крышки вверх к выходу из аппарата и выводится через напорный диск 22, поступая через зазор между верхней разделительной вставкой 15 и крышкой 17. Водный раствор, как более легкий, подается насосом и вводится по трубке 18 в распределитель потока 6. Через отверстия в разделительных вставках 8 и 9 водный раствор поднимается по каналам, образованным отверстиями 12 во вставках 10 и распределяется по межвставочным зазорам, устремляясь в направлении к оси вращения и к краю вставок с минимальной радиальной координатой, оттесняемый от периферии ротора раствором хлора в тетрахлорметане. Далее, огибая края вставок с минимальной радиальной координатой и край верхней разделительной вставки 15, водный раствор по мере продвижения вверх к выходу из аппарата попадает в полость, образованную кольцевой перегородкой 16 и конфузором цилиндра 14. Из этой полости отработанный водный раствор выводится напорным диском 21. Тяжелый и легкий растворы образуют противотоки в зазорах между вставками 10 с расходами, составляющими (1/z)Q, где: Q расход жидкости, подаваемой в аппарат, например, для водного раствора Q_Л 283 мл/с, а для тетрахлорметана Q_т 140 мл/c, z число рабочих вставок, например 23. Количество зон смешения противотоков определяется количеством горизонтальных ступеней гофрировки n, например, n 8. Суммарное число зон смешения противотоков в аппарате определяется его конструктивными параметрами как (zn), например, 238=184. Зоны смешения противотоков являются областями наиболее тесного контакта Cl₂ с HO^-₂ и наиболее интенсивного выделения кислорода. Выделяющийся газообразный кислород, как наиболее легкая из трех сосуществующих фаз, малорастворимый в жидких фазах, будет оттесняться ими в направлении к оси вращения. Газ движется в зазорах между вставками 10 и поступает в пространство над свободной поверхностью легкого раствора (водного). Освобождаясь от капель и паров жидкостей на поверхности цилиндра 14, газовая фаза через перфорацию цилиндра проникает в полость между его стенкой и стенкой распределителя потока 7. Уплотняясь за счет поступления в указанную полость новых порций кислорода, газовая фаза наращивает давление на уровне раздела с жидкой фазой, которое по достижении его превышения над атмосферным обеспечивает выход газа через диск 20. Поскольку перфорированный цилиндр 14 выполнен из химически инертного тефлона, обладающего нулевой адгезией, то удаление из газа капель и паров жидкостей обеспечивается в достаточной мере и является практически полным, особенно в условиях вибраций аппарата. Возможен вариант отсасывания кислорода вакуумным насосом и хранение в вакуумных сосудах. Регулировка давления в отводящем газопроводе осуществляется регулятором давления 24 прямого действия для его автоматического поддержания на заданном уровне "до себя". С целью исключения перегрева реакционной смеси в аппарате ротор помещен в криостат 25. Технологические показатели работы генератора определяются его пропускной способностью по жидким фазам. Аппарат, обеспечивающий расходы Q_л 283 мл/c водного раствора и Q_т 140 мл/c тетрахлорметана (суммарный расход жидкостей через аппарат 1,53 м³/ч), предназначен для проведения массообмена с расходованием 1 моль/с хлора, что должно сопровождаться выделением соответственно количества МСК порядка 22,4 л/с или 80 м³/ч, что существенно превышает выход МСК, достигаемый в прототипе. Пример осуществления способа. Технологическая схема получения МСК, включающая реактор 26 в криостате для приготовления смеси водного раствора пероксида водорода с гидроксидом натрия и получение раствора, содержащего ионы HO^-₂, реактор 27 в криостате для насыщения тетрахлорметана хлором, центробежный генератор 28 синглетного кислорода в криостате, установку обратного осмоса 29 для регенерации отработанного водного раствора, холодильник 30, бак 31 для воды, насосы 32. После приготовления водного и органического растворов в реакторах 26 и 27 последние подаются в генератор 28, в котором при противотоке двух растворов между ними осуществляется массообмен с образованием МСК, который под действием центробежного поля генератора отбрасывается в сторону, противоположную жидким фазам, и под напором выводится газоотводящим патрубком для последующего использования или хранения. Одновременно осуществляется вывод отработанных растворителей, один из которых ССl₄ поступает в реактор 27 для последующего насыщения хлором, а водная фаза с хлоридами (например, NaCl) поступает на регенерацию в установку 4. Процессы приготовления растворов и процесс генерации МСК сопровождаются повышением температуры, поэтому реакторы и генератор снабжены криостатами. 1 моль газообразного Cl₂ (70,91 г) растворяют при -20^oC в 65 мл CCl₄. Объем полученного раствора 87 мл, его плотность 2,03 г/см³. Водный раствор с содержанием 50 об. воды готовят из расчета двойного избытка HO^-₂ над молекулами Сl₂ и в соответствии со следующей реакцией взаимодействия: В этом случае объем водного раствора составляет (40:2,13 + 34:1,5)4 166,8 мл при плотности раствора 231,4 г/166,8 см³ 1,39 г/см³. Объемный модуль легкого и тяжелого растворов в противотоке составляет m 166,8:87 1,917, а отношение плотностей тяжелого и легкого раствора равняется _т:_л 2,03:1,39 1,46. Коэффициент распределения Сl₂ в системе вода при 0^oC - CCl₄ при -20^oC равен 461 мл/21138 мл 1/45,8. Кислород же, вытесняемый хлором из водного раствора HO^-₂, растворим в воде, меньше хлора в 461 мл/4,89 мл 94,2 раза. Коэффициент распределения газовой фазы в системе вода тетрахлорметан составляет B 1/45,8 1/94,2 1/4314, а фактор А процесса массопередачи соответственно ему равен A mB=1,917/4314 0,4410^-3; в связи с чем 1/A>2.1000. Осуществление предлагаемого способа в этих условиях как реакционно-массообменного процесса оказывается значительно интенсифицированным по сравнению с прототипом, так как фактор массопередачи выше обычного на три порядка. Объемные расходы 166,8 мл/с водного раствора и 87 мл/c раствора хлора в тетрахлорметане с суммарным расходом жидкостей 0,91 1,0 м³/ч через генератор обеспечивают массообмен с расходованием 1 моль/с хлора с генерацией соответственного количества синглетного кислорода порядка 22,4 л/с или 80 м³/ч. По сравнению с известным способом, позволяющим получить 0,005 0,01 моль/c О₂(1), данный способ повышает выход молекулярного синглетного кислорода до 1 моль/с, т. е. на два порядка.

Формула изобретения

1. Способ получения молекулярного синглетного кислорода, включающий приготовление исходной смеси водного раствора пероксида водорода и гидроксида натрия, ее взаимодействие с газообразным хлором и отделение молекулярного синглетного кислорода, отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода молекулярного синглетного кислорода за счет повышения эффективности взаимодействия исходных компонентов, газообразный хлор предварительно растворяют в тетрахлорметане до его полного насыщения при температуре минус 20-0^oС, а взаимодействие ведут в центробежном поле в противотоке исходной смеси и растворенного хлора с одновременным разделением образующейся газовой фазы и жидких фаз. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после взаимодействия отработанный тетрахлорметан направляют на насыщение хлором и рециркулируют в процесс, а отработанный водный раствор направляют на регенерацию. 3. Генератор синглетного кислорода, включающий вал вращения, вертикальный цилиндрический ротор с расположенным внутри него вставкодержателем, пакет горизонтальных вставок с трапецеидальной гофрировкой в меридиональном сечении, устройство для ввода исходных компонентов, расположенное в верхней части ротора, устройство для вывода легкой фазы, патрубок для вывода тяжелой фазы, верхнюю разделительную вставку с кольцевой перегородкой, нижнюю разделительную вставку, герметично соединенную с вставкодержателем и стенкой крышки ротора, отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода молекулярного синглетного кислорода за счет повышения эффективности взаимодействия исходных компонентов, ротор снабжен распределителем потока тяжелой жидкости, цилиндрическим стаканом с насаженным на нем горизонтальным диском с радиальными ребрами, дополнительной нижней разделительной вставкой, перфорированным тефлоновым цилиндром для сбора газовой фазы и напорным диском для вывода газовой фазы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 8-2000

Извещение опубликовано: 20.03.2000