DE3239029A1

DE3239029A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von chlordioxid

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Publication number: DE3239029A1
Application number: DE19823239029
Authority: DE
Inventors: Daniel Moses 98102 Seattle Wash. Ramras; Paul William 98352 Richland Wash. Santille
Original assignee: Lamb Weston Inc
Current assignee: Lamb Weston Inc
Priority date: 1981-10-21
Filing date: 1982-10-21
Publication date: 1983-05-05
Also published as: EG15628A; SE8205987L; GB2107694B; JPS6212162B2; NZ200675A; US4451444A; SE451835B; CA1187265A; DK446082A; NL8203857A; AU548603B2; AU8389082A; NO823495L; FR2514741B1; GB2107694A; SE8205987D0; KR840001518A; FR2514741A1; JPS5879802A

Description

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Patentanwälte DiPL.-Ii*itii*iWEii;KMA'NN',.Pi?L_<-PHYS. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr₁-InG. H. Liska

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Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Chlordioxid

ORIGINAL

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Chlordioxid

Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 10 ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung von gasförmigem Chlordioxid durch die Reaktion zwischen gasförmigem Schwefeldioxid und einer wässerigen Lösung eines Metallchlorats.

In der Vergangenheit sind eine Anzahl kommerzieller Verfahren zur Erzeugung von Chlordioxid in erster Linie für die Anwendung als Bleichmittel oder auch Desinfektionsmittel entwickelt worden. Ein solches Verfahren beinhaltet die Wechselwirkung eines Metallchlorats (üblicherweise Natriumchlorat) und einer starken Säure mit oder ohne einem begleitenden Chlorid, so wie es beispielsweise in den US-Patenten 2 664 341, 2 863 722, 3 563 702, 3 789 108 und 3 974 266 beschrieben ist. Jedoch tun der Attraktivität dieses Verfahrens die relative chemische Ineffizienz₉ die resultierenden hohen Kosten der Chemikalien, die Gefahr der Verpuffung (Explosionen, die durch spontane Zersetzung des Chlordioxids bewirkt werden) und die begleitende Erzeugung von üblicherweise unerwünschtem Chlor oder Chlorgas Abbruch. In diesem Zusammenhang spricht das US-Patent 2 481 241 die Notwendigkeit der Trennung des durch dieses Verfahren erzeugten unerwünschten Chlors von dem Chlordioxid an.

Ein anderes kommerzielles Verfahren, welches bisher praktiziert wurde, erzeugt Chlordioxid durch die Reaktion von Natriumchlorit entweder mit Chlorgas oder

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einer Kombination aus Natriumhypochlorit und einer starken Säure, wie es aus den US-Patenten 4 234 446, 4 247 531, 4 250 144 hervorgeht. Ungünstigerweise ist Natriumchlorit annähernd vier- bis fünfmal teuerer als Natriumchlorat, was das Verfahren zu teuer werden läßt.

Ein drittes Verfahren verwendet einen Zwischenreaktionsteilnehmer, beispielsweise Methanol oder Schwefeldioxid in Kombination mit einem Metallchlorat, üblicherweise Natriumchlorat. Ein solches Verfahren geht aus den US-Patenten 2 481 240, 2 598 087, 3 950 500 und 4 250 hervor. Ein solches Verfahren ist attraktiv, weil es den relativ billigen Chlorat-Reaktionsteilnehmer verwendet und normalerweise kein unerwünschtes Chlorgas erzeugt. Jedoch sind die chemische Ineffizienz des Verfahrens und seine Neigung zur "Verpuffung" bisher als erhebliche Unzulänglichkeiten geblieben. Außerdem ist nicht bekannt gewesen, wie die Effizienz des Verfahrens ohne Erhöhung auch des Sicherheitsrisikos durch auftretende "Verpuffungen" und der hohen Wärmeerzeugung verbessert werden kann, die irgendeine solche Erhöhung der Effizienz begleiten würde. Auch ist es nicht"bekannt, wie die Effizienz der Reaktion verbessert werden kann, die mit der Erzeugung des Chlordiaxids in einer von den zugegebenen Reaktionsteilnehmern freien Form kompatibel ist, so daß das Chlordioxid zur Erzeugung von Trinkwasser oder die Behandlung von Nahrungsmitteln verwendet werden kann.

Die vorliegende Erfindung löst die chemische Ineffizienz und resultierenden Probleme der Kostenerhöhung, die den bisherigen Verfahren zur Erzeugung von Chlordioxid innewohnten, durch die Reaktion eines Metallchlorats mit gasförmigem Schwefeldioxid. Sie führt dies durch mehrere

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neue Kombinationen von Schritten durch, wobei jede Kombination in sich selbst effektiv ist und ein zusätzliches Anwachsen der Effizienz bewirkt, und wobei die kombinierten Kombinationen eine wirklich signifikante Erhöhung der gesamten Effizienz bewirken.

Als erstes wird die bisher erforderliche hochgradige Verdünnung des Schwefeldioxids mit Luft oder Stickstoff auf eine Konzentration von nicht mehr als 20 % zur Vermeidung einer "Verpuffung" durch die Ausübung eines hochgradigen Vakuums eliminiert, beispielsweise wenigstens viermal die in dem US-Patent 4 250 159 vorgeschlagenen 100 mm Hg, so daß die Verpuffungsgefahr ohne das Erfordernis einer Verdünnung des Schwefeldioxidgases total eliminiert wird, welche Verdünnung andererseits den effektiven Kontakt zwischen dem Chlorat- und Schwefeldioxid-Reaktionsteilnehmer behindert .

Als zweites sind die bisherigen gegenläufigen oder gleichlaufenden Rieseistromtechniken, bei denen die Chloratlösung am oberen Ende der Reaktionskammer eingeleitet wurde und nach unten rieseln konnte, wobei die zugegebenen Reaktionsteilnehmer am Boden der Kammer abgesaugt wurden, zugunsten einer Flut-Technik fallengelassen, bei der die zugegebenen Reaktionsteilnehmer an einer Stelle in der Nähe des oberen Endes der Reaktionskammer abgesaugt werden. Sowohl die Chloratlösung als auch das Schwefeldioxid werden dicht benachbart am Boden der Kammer eingeleitet, wobei das Schwefeldioxid durch die geflutete, volle Reaktionskammer nach oben sprudelt, so daß die Kontaktzeit beider Reaktionsteilnehmer vor ihrem Absaugen erhöht wird, und dadurch die Reaktion vollständiger ausgeführt wird. Außerdem verhindert dabei das Absaugen der zugegebenen Reaktionsteil-

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nehmer nicht, wie bei den meisten anderen Prozessen, an einer nahe bei dem Eintrittspunkt des Schwefeldioxids liegenden Stelle, sondern an einer von diesem Eintrittspunkt entfernt liegenden Stelle die Entfernung von Schwefeldioxid aus der Reaktionskammer, bevor es Gelegenheit hatte, richtig zu reagieren. Da die Verwendung einer Flutung und nicht einer Rieselung die gewünschte Maximierung des Oberflächenbereichs der Chloratlösung beseitigt, wie es von dem US-Patent 2 481 240 gelehrt wird, was bisher zur Vermeidung der gegenproduktiven Reaktionen von überschüssigem Schwefeldioxid mit erzeugtem Chlordioxidgas als notwendig angesehen wurde, sieht die vorliegende Erfindung ein Ersatzmittel zur Maximierung des Bereichs der Reaktionsfläche durch Erzeugung einer hochgradigen Diffusion des Schwefeldioxidgases vor, um extrem kleine Bläschen dieses Gases auszubilden, welche das Verhältnis zwischen ihrer Oberfläche und ihrem Volumen maximieren.

Jede dieser Effizienz vergrößernden Kombinationen trägt individuell in Richtung einer sehr wesentlichen Gesamtvergrößerung in der Effizienz der Chlordxoxiderzeugung bei, die durch Anwendung der vorliegenden Erfindung erhalten werden kann. Obwohl eines der vorangegangenen Merkmale, beispielsweise die hohe Diffusion des gasförmigen Reaktionsteilnehmers zur Ausbildung kleiner Bläschen, als ein Mittel zur Erhöhung der Reaktionseffizienz schon bekannt war, hat dieses Merkmal noch nicht von selbst eine ausreichende Verbesserung der Effizienz erzeugt, weil es nicht in Kombination mit einer gefluteten Kammer verwendet worden ist, wo die Reaktionsteilnehmer am Boden der Kammer in enger Nachbarschaft eingeleitet und am oberen Ende der Kammer abgesaugt werden, noch ist dieses Merkmal in Kombina-

tion mit einem derartig hohen Vakuum verwendet worden, daß keine Verdünnung des Schwefeldioxids mit Luft oder Stickstoff erforderlich ist.

Ein weiteres potentielles Problem, das der Lösung bedarf, ist der hohe Grad von Wärme, die durch die außerordentlich effiziente Reaktion erzeugt wird, wenn sie entsprechend den Effizienz vergrößerenden Merkmalen der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird. Da das Chlordioxid bei variierenden Produktionsraten erzeugt werden kann, die von variierenden Reaktionsteilnehmer-Eingaberaten abhängen, ist es wünschenswert, daß die Wärmeabgabekapazität des Systems automatisch entsprechend diesen anderen Variablen variabel ist. In der vorliegenden Erfindung wird dies durch Verwendung des Kühlmittels ausgeführt, das durch einen die Reaktionskammer umgebenden Kühlmantel fließt, als die einzige Quelle eines bewegenden Fluids durch einen Eduktor oder Entnehmer, der ein Vakuum auf die Kammer ausübt. Indem die Zustromrate der Reaktionsteilnehmer proportional zu dem Grad des auf die Kammer ausgeübten Vakuums gemacht wird, das seinerseits proportional zu der Strömungsrate des Kühlmittels durch den Eduktor ist, wird automatisch eine Proportionalität zwischen der Strömungsrate der Reaktionsteilnehmer und der des Kühlmittels hergestellt.

Für die Verwendung des Chlordioxids als ein Desinfektionsmittel zur Erzeugung von Trinkwasser oder zur Behandlung von Nahrungsmitteln ist es zweckmäßig, wenn das Chlordioxid von den zugegebenen Reaktionsteilnehmern separiert wird. Um dies auszuführen, werden erfindungsgemäß separate Eduktoren verwendet, so daß das erwähnte Vakuum auf die Kammer während des Absaugens des Chlordioxids und der zugegebenen Reaktionsteil-

nehmer getrennt ausgeübt werden kann. Die hier gelehrte Anwendung separater Eduktoren ist nicht nur auf das Chlorat-Schwefeldioxid-Verfahren zur Chlordioxiderzeugung anwendbar, sondern auch auf die anderen chemischen Reaktionsverfahren, die oben beschrieben worden sind. Das zur Eliminierung der Notwendigkeit der Verdünnung des Schwefeldioxids mit Luft- oder Stickstoff außergewöhnlich hohe Vakuum, wie es oben diskutiert worden ist, ergibt jedoch bei der Verwendung mehrfacher Eduktoren gewisse spezielle Probleme, die überwunden werden müssen. Eines dieser Probleme ist das ungünstige Ergebnis aus einer Unausgeglichenheit zwischen den Vakuumniveaus der entsprechenden Eduktoren. Wo nur ein Vakuum mit niedrigem Niveau ausgeübt wird, ist die mögliche maximale Ausgeglichenheit klein genug, daß sie durch die Druckhöhe der Flüssigkeit in der Reaktionskammer effektiv negiert werden kann. Bei den in der vorliegenden Erfindung ins Auge gefaßten hohen Vakuumniveaus kann jedoch die maximal mögliche Unausgeglichenheit viel größer sein, so daß ein Versagen verursacht werden kann, insbesondere wenn die Reaktionskammer eine kompakte Kammer mit einer relativ kleinen Flüssigkeitsdruckhöhe ist*, wie es bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist. Dementsprechend sieht die vorliegende Erfindung eine einstellbare Einrichtung zum letztlichen Ausbalancieren der durch die entsprechenden Eduktoren auf die Reaktionskammer ausgeübten relativen Vakua, die in jenen besonderen Augenblicken verwendet wird, wenn das Chlordioxid aus der Reaktionskammer getrennt von den zugegebenen Reaktionsteilnehmern abgesaugt werden muß. Während eine solche Separation für gewisse industrielle Anwendungen, beispielsweise als Bleichmittel, normalerweise nicht notwendig wäre, ist es jedoch verständlich, daß die Separation für die Erzeugung von Trinkwasser oder die Behandlung von Nahrungsmitteln durchaus notwendig ist.

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Die vorstehend beschriebene Erfindung und ihre Ausgestaltungen sind in ihren notwendigen und wesentlichen Merkmalen in den Patentansprüchen 1 bis 16 angegeben.

Die vorliegende Erfindung weist u.a. folgende Vorteile auf:

Sie vergrößert wesentlich die chemische Effizienz bei der Erzeugung von Chlordioxid durch die Reaktion zwischen einer wässerigen Lösung eines Metallchlorats und.gasförmigem Schwefeldioxid.

Sie vergrößert die chemische Effizienz, ohne daß dabei die Gefahr einer Explosion aufgrund einer Verpuffung des Chlordioxids erhöht wird.

Es ist ein Kühlsystem für die Reaktionskammer vorgesehen, in welchem die Kühlmittel-Strömungsrate und die Reaktionsteilnehmer-Strömungsrate proportional zueinander sind.

Das erfindungsgemäß erzeugte Chlordioxid kann von den zugegebenen Reaktionsteilnehmern getrennt werden, und ein derartiges Chlordioxid ist für die Erzeugung von Trinkwasser oder die Behandlung von Nahrungsmitteln geeignet.

Das Chlordioxid kann aus der Reaktionskammer getrennt von den zugegebenen Reaktionsteilnehmern entfernt werden, während entsprechend der vorstehend genannten Effizienzvergrößerung ein unüblich hohes Vakuum in der Reaktionskammer aufrecht erhalten wird.

Die vorstehend beschriebenen Vorteile, Eigenschaften und Merkmale der Erfindung, werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnung leichter verständlich. Von den Figuren zeigen:

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Figur 1 eine Seitenansicht einer schematisch und teilweise im vertikalen Längsschnitt dargestellten beispielhaften Ausführungsform eines Reaktors, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, und

Figur 2 einen längs der Linie 2 - 2 in Figur 1 genommenen Querschnitt durch den Reaktionsteilnehmer-Eingabeabschnitt des Reaktors in vergrößertem Maßstab.

Die vorliegende Erfindung erzeugt Chlordioxid aus der Reaktion zwischen gasförmigem Schwefeldioxid und einer wässerigen Lösung aus einem Metallchlorat. Natriumchlorat ist der bevorzugte Reaktionsteilnehmer; jedoch könnten möglicherweise auch andere Chlorate, wie beispielsweise Magnesiumchlorat, Lithiumchlorat, Aluminiumchlorat, Kaliumchlorat oder Kalziumchlorat verwendet werden, in Abhängigkeit von der Relation zwischen ihrer Löslichkeit und den laufenden Kosten, die von den Marktkonditionen abhängen. Da die Verwendung von Kalziumchlorat Kalziumsulfat erzeugt, welches in Wasser unlöslich ist, findet wahrscheinlich ein Verstopfen der Reaktionskammer statt, wenn nicht Mittel zur Entfernung dieses Stoffes ersonnen werden.

Der generell mit 10 bezeichnete, bevorzugte Reaktor zur Erzeugung des Chlordioxids umfaßt eine säulenförmige zylindrische Reaktionskammer 12, die von einem Kühlmantel 14 umgeben ist. Eine in einem Reservoir 16 enthaltene wässerige Chloratlösung wird durch eine variable Drossel 18, beispielsweise ein Kapillarrohr variabler Länge, oder eine andere geeignete strömungsregulierende Drossel durch einen Strömungsmesser 20 in den Boden der Reaktionskammer zugeführt, wo sie durch ein Rohr 22 mit nach unten schauenden Perforationen

24 ausströmt. Der andere Reaktionsteilnehmer, gasförmiges Schwefeldioxid, wird aus einem Reservoir 26 durch ein vakuumempfindliches Absperrventil 28, eine variable Drossel 30 und einen Strömungsmesser 32 einem Diffusor 34 zugeführt, der das Schwefeldioxid in extrem kleine Bläschen von annähernd 100/um Durchmesser formen kann. Der Diffusor 34 weist vorzugsweise eine kreisförmige Platte von annähernd 5 cm Dicke auf, die aus verbundenen Karborundkörnchen konstruiert ist. Ein derartiger Diffusor ist im Handel unter der Bezeichnung "Grade 40 Acid Bond A-501 Aloxite" erhältlich.

Es sei darauf hingewiesen, daß der Diffusor 34 dicht bei den nach unten gerichteten Perforationen 24 des Chlorat-Zufuhrrohres 22 angeordnet ist, so daß eine unmittelbare Reaktion des Chlorats und des Schwefeldioxids gefördert und dadurch ihre Kontaktzeit in der Reaktionskaramer 12 maximiert wird, so daß die Effizienz des Erzeugungsprozesses vergrößert wird. Dies bedeutet ein Fallenlassen des gegenläufigen Reaktionsteilnehmerstromprinzips, welches bisher überwiegend benutzt worden ist, und welches ungünstig für die Effizienz der Reaktion war. Das durch den Diffusor 34 eintretende Schwefeldioxid ist von weit größerer Konzentration, als die maximale 20 ^-Mischung aus Schwefeldioxid mit Luft oder Stickstoffs, welche bisher als notwendig angesehen wurde. Die Konzentration des Schwefeldioxids im vorliegenden Verfahren ist tatsächlich vorzugsweise 100 %, Die höhere Konzentration maximiert die Kontaktfläche und Kontaktzeit der zwei Reaktionsteilnehmer, erhöht dadurch die Effizienz und wird ohne das Aussetzen des Erzeugungsprozesses der Gefahr einer Verpuffung wegen des auf die Reaktionskammer ausgeübten und weiter unten diskutierten hohen Vakuumniveaus möglich gemacht.

Die Reaktion zwischen dem Chlorat und dem Schwefeldioxid findet in der Reaktionskammer 12 während der Aufwärtsbewegung sowohl des Chlorate als auch der SchwefeldioxidlDläschen in Richtung der Auslaßöffnung 36 des Reaktionsteilnehmer-Absaugrohres 38 statt. Die Position der Auslaßöffnung 36 in Bezug auf die Zufuhrstellen des Chlorat- und Schwefeldioxid-Reaktionsteilnehmers unterscheiden sich von den meisten bisherigen Praktiken in zwei wichtigen Hinsichten. Während bisher die Reaktionsteilnehmer- Entnahmestelle üblicherweise neben der Schwefeldioxid-Eingabestelle gewesen ist, ist sie bei der vorliegenden Erfindung davon entfernt, so daß das ganze Schwefeldioxid der maximalen Kontaktzeit mit dem Chlorat unterworfen ist, bevor es aus der Reaktionskammer ausströmt oder abgesaugt wird. Sogar noch wichtiger ist jedoch, daß der Reaktionsteilnehmer-Auslaß über dem Schwefeldioxid-Einlaß und nicht wie bisher, unter diesem angeordnet ist und damit entgegengesetzt zu der bisherigen Praxis. Dies bewirkt ein volles Fluten der Reaktionskammer mit Chlorat über den Schwefeldioxid-Einlaß, der in Kombination mit der hochgradigen Diffusion des Schwefeldioxids die Kontaktzeit und die Kontaktfläche der beiden Reaktionsteilnehmer für eine maximale Effizienz maximiert.

Der Eintritt des Chlorat- und Schwefeldioxid-Reaktionsteilnehmers in die Reaktionskammer 12 hängt ab von dem auf die Kammer ausgeübten Vakuum, wobei die Ausübung eines solchen Vakuums zum Erzwingen eines Chloratstromes durch die variable Drossel 18 und auch zum Öffnen des Schwefeldioxid-Absperrventils 28 notwendig ist, weil dieses in Richtung seiner geschlossenen Stellung durch eine Feder vorgespannt ist. Ein solches Vakuum wird durch das Reaktionsteilnehmer-Auslaßrohr 38

unter dem Einfluß eines Eduktors 40 ausgeübt, der einen Wasserstrom sehr hohen Druckes aus einer Pumpe 42 erhält. Die Strömungsrate des Chlorat- und Schwefeldioxid-Reaktionsteilnehmers in einem solchen System hängt von der Höhe des durch den Eduktor 40 ausgeübten Vakuums ab, welches seinerseits von der Strömungsrate des Wassers aus der Pumpe 42 durch den Eduktor abhängt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Pumpe . 42 als ihre einzige Wasserquelle das Kühlwasser in dem Kühlmantel verwendet, und dabei als der Auslaß für das Kühlwasser dient, das in den Mantel durch die Eintritts-. öffnung 44 eintritt und die Strömungsrate des Kühlwassers durch den Mantel bestimmt. Durch diese Anordnung sind die Strömungsrate des Chlorats bzw. des Schwefeldioxids und die Strömungsrate des Kühlwassers proportional voneinander abhängig, aufgrund der jeweiligen Ursache und Wirkungsbeziehung durch den Eduktor 40. Wenn folglich die Produktion von Chlordioxid durch Erhöhung der Strömungsrate der Reaktionsteilnehmer erhöht werden soll, kann dies durch Erhöhung der Strömungsrate ausgeführt werden, indem die Strömungsrate des Kühlwasser durch Öffnen der variablen Drossel 46 erhöht wird, und dadurch automatisch mehr Kühlkapazität für den erhöhten Strom aus den Reaktionsteilnehmern geliefert wird.

Chlordioxid wird aus der Reaktionskammer 12 durch eine Chlordioxid-Auslaßöffnung 48 entnommen, die an dem oberen Ende der Reaktionskammer angeordnet ist. Pur industrielle Anwendungen des Chlordioxids, beispielsweise als Bleichmittel, gibt es keinen Grund, die Chlordioxid-Auslaßöffnung 48 nicht mit dem gleichen Eduktor 40 zu verbinden, durch den die zugegebenen Reaktionsteilnehmer aus der Kammer entfernt werden, wobei eine Mischung aus Wasser, Chlordioxid und zugegebenen

Reaktionsteilnehmern für industrielle Anwendungen erzeugt wird. Wo jedoch das Chlordioxid für die Wasserbehandlung zur Erzeugung von Trinkwasser oder zur Behandlung von Nahrungsmitteln "bestimmt ist, ist es nicht wünschenswert, die zugegebenen Reaktionsteilnehmer zu dem Chlordioxid zu mischen. Für solche Anwendungen wird die in Figur 1 gezeigte Anordnung bevorzugt, wobei ein zweiter Eduktor 50 das Chlordioxid getrennt ausläßt und gleichzeitig eine Lösung aus dem Chlordioxid in. reinem Wasser bildet. Zu diesem Zweck wird eine zweite Pumpe 52 bevorzugt, die den zweiten Eduktor 50 speist. Um die Anwendung von Schwefeldioxid in hoher Konzentration frei von der bisher praktizierten wesentlichen Verdünnung mit Luft oder Stickstoff ohne das damit verbundene Explosionsrisiko durch zufällige Verpuffung des Chlordioxids zu erhöhen, ist ein Vakuum von wenigstens 400 mm Hg unter Atmosphärendruck und vorzugsweise ein Vakuum von wenigstens 500 mm Hg oder mehr erforderlich. Für ein Paar Eduktoren, beispielsweise die Eduktoren 40 und 50, zur Entnahme des Chlordioxid getrennt von den zugegebenen Reaktionsteilnehmern erfordert dieses hohe Vakuum eine viel sorgfältigere Ausbalancierung der durch die beiden Eduktoren ausgeübten Vakua, als dies notwendig ist, wenn - 25 zwei Eduktoren zur Ausübung eines viel kleineren Vakuums auf eine Reaktionskammer verwendet werden. Der erforderliche Ausgleich kann jedoch durch Einstellen der zugeordneten variablen Drosseln 46 und 54 in den Eduktorspeiseleitungen derart erzielt werden, daß die durch die Strömungsmesser 56 bzw. 58 abgetasteten Strömungsraten durch sie für zwei Eduktoren 40 und 50 mit identischen Abmessungen gleich sind. Die Höhe des durch die beiden Eduktoren in Kombination ausgeübten Vakuums wird

durch ein herkömmliches Vakuummeßgerät 60 abgetastet.

Für beste Ergebnisse wird die Reaktionskammer 12 bis auf die Höhe der Reaktionsteilnehmer-Auslaßöffnung 36 mit einem geeigneten, nicht dargestellten Füllkörper, wie beispielsweise Raschig-Ringen, aufgefüllt.

Die Effektivität des oben beschriebenen Verfahrens zur Erzeugung von Chlordioxid durch die Wechselwirkung von Chlorat und Schwefeldioxid kann durch das folgende Beispiel besser verstanden werden.

Chlordioxid wurde durch die Reaktion einer wässerigen Lösung von Natriumchlorat und gasförmigem Schwefeldioxid in einer Reaktionskammer erzeugt, die einen Innendurchmesser von 8,9 cm und einen, die Tiefe der Lösung in der Kammer bestimmenden Abstand von 121,9 cm zwischen dem Boden der Kammer und der Reaktionsteilnehmer-Auslaßöffnung 36 aufwies» Eine nach Gewicht 40 %ige Lösung aus Natriumchlorat wurde der Kammer mit einer Rate von 11148.7 Gramm pro Stunde (4459.5 Gramm Natriumchlorat pro Stunde) zugeführt, während gasförmiges Schwefeldioxid in unverdünnter Form (100 %±ge Konzentration) mit einer Rate von 2553.8 Gramm pro Stunde zugeführt wurde« Ein Vakuum (negativer Druck) von 584,2 mm Hg wurde über der Kammer während des Erzeugungsprozesses aufrecht erhalten, und die Temperatur der Reaktionskammer wurde von dem Kühlmittelstrom durch den Kühlmantel in einem Bereich zwischen etwa 65° Zentigrad und etwa 71° Zentigrad aufrechterhalten. Chlordioxid wurde mit einer Rate von 2810.3 Gramm pro Stunde erzeugt, für eine Effizienz von 99,6 % der auf Chlorat basierenden theoretischen Ausbeute.

Es wurde ein kontinuierliches Verfahren und eine Vorrichtung zur effizienten Erzeugung von gasförmigem

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Chlordioxid durch die Reaktion zwischen gasförmigem Schwefeldioxid und einer wässerigen Lösung aus einem Metallchlorat beschrieben. Die Chloratlösung und ein hochkonzentriertes Schwefeldioxidgas werden in eine abgedichtete säulenförmige Kammer an eng benachbarten Stellen am Boden der Kammer eingeleitet, um die Kammer zu fluten und sowohl die Kontaktfläche und die Kontaktzeit der beiden Reaktionsteilnehmer zu maximieren. Während der Reaktion wird die Kammer einem hohen Vakuum ausgesetzt, das durch einen Eduktor erzeugt wird, der das Chlordioxidgas und die zugegebenen Reaktionsteilnehmer entnimmt. Für die Anwendung des Chlordioxids zur Erzeugung von Trinkwasser oder zur Behandlung von Nahrungsmitteln werden das Chlordioxid und die zugegebenen Reaktionsteilnehmer getrennt aus der Kammer entfernt, und zwar durch entsprechende Eduktoren, die im wesentlichen gegeneinander ausbalanciert sind, so daß sie vergleichbare Vakua auf die Kammer ausüben. Wegen der hohen Effizienz der Reaktion wird die von ihr erzeugte beträchtliche Wärme durch ein Kühlmittel absorbiert, welches durch einen die Kammer umgebenden Mantel strömt. Die Strömungsrate des Kühlmittels und die "Strömungsrate der Reaktionsteilnehmer in die Kammer sind aufgrund der Abhängigkeit der Strömungsrate der Reaktionsteilnehmer von der Strömungsrate des Kühlmittels proportional.

Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Ψεκ-κμινν, Divl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. EA1WeICKMANN, Dipl.-Chem. B. Huber Dr.-Ing. H. Liska D/20 8000 MÜNCHEN 86 POSTFACH 86OS2O MÖHLSTRASSE 22 TELEFON (089) 98 03 52 TELEX 5 22 621 TELEGRAMM PATENTWEICKMANN MÖNCHEN Patentansprüche

1. Verfahren zur kontinuierlichen Erzeugung von gasförmigem Chlordioxid durch die Reaktion zwischen gasförmigem Schwefeldioxid und einer wässerigen Lösung eines Metallchlorats, dadurch gekennzeichnet , daß

(a) ein Strom aus einer wässerigen Lösung eines Metallchlorats einer Reaktionskammer (12) zugeführt wird, daß

(b) ein Strom aus gasförmigem Schwefeldioxid

der Reaktionskammer (12) in einer Konzentration von mehr als 20 Vol.-% zugeführt und dadurch das Schwefeldioxid in Kontakt mit der wässerigen Lösung gebracht wird, daß

(c) gasförmiges Chlordioxid aus der Reaktionskammer (12) entfernt wird, und daß

(d) gleichzeitig mit den Schritten(a),(b) und(c) die Reaktionskammer (12) unter einem Vakuum von wenigstens 400 mm Quecksilbersäule (Hg) unter dem Atmosphärendruck gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Schritt(b) die Zufuhr des Stromes aus gasförmigem Schwefeldioxid zu der Reaktionskammer (12) in im wesentlichen unverdünnter Form enthält.

3. Verfahren zur kontinuierlichen Erzeugung von gasförmigem Chlordioxid durch die Reaktion zwischen gasförmigem Schwefeldioxid und einer wässerigen Lösung eines Metallchlorats, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) ein Strom aus einer wässrigen Lösung eines Metallchlorats einer Reaktionskammer (12) zugeführt wird, daß

(b) ein Strom aus gasförmigem Schwefeldioxid der Reaktionskammer (12) an einer ersten Stelle (bei 34) zugeführt und dadurch das Schwefeldioxid in Kontakt mit der wässerigen Lösung gebracht wird, daß

(c) das gasförmige Chlordioxid aus der Reaktionskammer (12) entfernt wird, und daß

(d) Flüssigkeit, die nach dem Kontakt zwischen dem Schwefeldioxid und der wässerigen Lösung übrigbleibt, aus der Reaktionskammer an einer zweiten Stelle (bei 36) entfernt wird, die höher liegt, als die erste Stelle.

4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß in dem Schritt (a) der Strom aus einer wässerigen Lösung eines Metallchlorats zu der Reaktionskammer (12) an einer Stelle (bei 24) zugeführt wird, die näher an der ersten Stelle (bei 34) als an der zweiten Stelle (bei 36) liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schritt (b) der Strom aus gasförmigem Schwefeldioxid der Reaktionskammer (12) in der Form von Blasen zugeführt wird, die Durchmesser von im wesentlichen nicht mehr als 100/um aufweisen.

6. Verfahren zur kontinuierlichen Erzeugung von gasförmigem Chlordioxid durch die Reaktion zwischen gasförmigem Schwefeldioxid und einer wässerigen Lösung eines Metallchlorats, dadurch gekennzeichnet, daß

(b) ein Strom aus gasförmigem Schwefeldioxid der Reaktionskammer (12) zugeführt und dadurch das Schwefeldioxid in Kontakt mit der wässerigen Lösung gebracht wird, daß

(c) gasförmiges Chlordioxid aus der Reaktionskammer (12) entfernt wird, daß

(d) gleichzeitig mit den Schritten (a), (b) und (c) die Reaktionskammer (12) durch Zufuhr eines Stromes eines Kühlmittels zu ihr gekühlt wird, daß

(e) der Kühlmittelstrom durch einen Eduktor (40) strömt, daß

(f) im Inneren der Reaktionskammer (12) mittels des Eduktors (40) ein Vakuum ausgebildet wird, und daß

(g) in den Schritten (a) und (b) der Strom aus einer wässerigen Lösung eines Metallchlorats und das

gasförmige Schwefeldioxid der Reaktionskammer (12) im Verhältnis zu dem Vakuum zugeführt wird, das auf die Reaktionskammer durch den Eduktor ausgeübt wird.
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7. Verfahren zur kontinuierlichen Erzeugung von gasförmigem Chlordioxid durch die Reaktion zwischen wenigstens einem flüssigen Reaktionsteilnehmer und einem anderen Reaktionsteilnehmer, die, wenn sie miteinander reagieren, gasförmiges Chlordioxid liefern, da-

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durch gekennzeichnet, daß (a) ein Strom aus dem flüssigen Reaktionsteilnehmer einer Reaktionskammer (12) zugeführt wird, daß

(b) ein Strom aus dem anderen Reaktionsteilnehmer der Reaktionskammer (12) zugeführt und dadurch die Reaktionsteilnehmer in Kontakt miteinander gebracht werden, daß

(d) Flüssigkeit, die nach dem Kontakt zwischen den Reaktionsteilnehmern übrigbleibt, getrennt von dem gasförmigen Chlordioxid aus der Reaktionskammer (12) entfernt wird, wobei

(e) in den Schritten (c) und (d) die Reaktionskammer (12) unter einem vorbestimmten Vakuum gehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Reaktionsteilnehmer eine wässerige Lösung aus einem Metallchlorat und der andere Reaktionsteilnehmer gasförmiges Schwefeldioxid enthält, und daß in den Schritten (c) und (d) die Reaktionskammer (12) unter einem Vakuum von wenigstens 400 mm Quecksilbersäule (Hg) unter Atmosphärendruck gehalten wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß in dem Schritt (c) das gasförmige Chlordioxid aus der Reaktionskammer (12) mittels eines ersten Eduktors (50) entfernt wird, während dem ersten Eduktor (50) ein Flüssigkeitsstrom zugeführt wird, so daß ein vorbestimmtes Vakuum auf die Reaktionskammer (12) ausgeübt wird, und daß in dem Schritt (d) die nach dem Kontakt zwischen den Reaktionsteilneh-

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mern verbleibende Flüssigkeit aus der Reaktionskammer (12) mittels eines zweiten Eduktors (40) entfernt und ein Flüssigkeitsstrom durch den zweiten Eduktor (40) zugeführt wird, so daß ein Vakuum auf die Reaktionskammer (12) ausgeübt wird, das dem vorbestimmten Vakuum im wesentlichen gleich ist.

10. Vorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung von gasförmigem Chlordioxid durch die Reaktion zwischen gasförmigem Schwefeldioxid und einer wässerigen Lösung eines Metallchlorats, gekennzeichnet durch

(a) eine Reaktionskammer (12),

(b) eine Quelle (16) für eine wässerige Lösung eines Metallchlorats und eine Einrichtung (18, 20, 22,

24) zum Einleiten der wässerigen Lösung in die Reaktionskammer,

(c) eine Quelle (26) für gasförmiges Schwefeldioxid und eine Einrichtung (28, 30, 32, 34) zum Einleiten des Schwefeldioxids in die Reaktionskamraer (12) an einer ersten Stelle (bei 34), um das Schwefeldioxid in Kontakt mit der wässerigen Lösung zu bringen,

(d) eine Einrichtung (48, 50, 58, 54, 52) zum Entfernen gasförmigen Chlordioxids aus der Reaktionskammer (12),und durch

(e) eine Absaugkammer (36, 40, 56, 46, 42) zum Entfernen von Flüssigkeit, die nach dem Kontakt zwischen dem Schwefeldioxid und der wässerigen Lösung verbleibt, aus der Reaktionskammer (12) an einer zweiten Stelle (bei 36), die höher liegt als die erste Stelle (bei 34).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekenn-

zeichnet durch eine Einrichtung (18, 20,

22, 24) zum Zuführen der wässerigen Lösung zu der Reaktionskammer (12) an einer Stelle (bei 24), die näher an der ersten Stelle (bei 34) liegt als an der zweiten Stelle (bei 36).

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (34) zum Zuführen des gasförmigen Schwefeldioxids zu der Reaktionskammer (12) in Form von Blasen,die Durchmesser von im wesentlichen nicht mehr als 100/um aufweisen.

13. Vorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung von gasförmigem Chlordioxid durch die Reaktion zwischen gasförmigem Schwefeldioxid und einer wässerigen Lösung eines Metallchlorats, gekennzeichnet durch

(a) eine Reaktionskammer (12),

(b) eine Quelle (16) für eine wässerige Lösung eines Metallchlorats und eine Einri chtung

(18, 20, 22, 24) zum Einleiten der wässerigen Lösung in die Reaktionskammer (12),

(c) eine Quelle (26) für gasförmiges Schwefeldioxid und eine Einrichtung (28, 30, 32, 34) zum Einleiten des Schwefeldioxids in die Reaktionskammer (12), wodurch das Schwefeldioxid mit der wässerigen Lösung in Kontakt gebracht wird, . . '

(d) eine Einrichtung (48, 50, 58, 54, 52) zum Entfernen gasförmigen Chlordioxids aus der Reaktionskammer (12),

(e) eine Einrichtung (14, 44, 42, 46, 56, 40) zum Kühlen der Reaktionskammer (12), durch Zufuhr eines Kühlmittelstromes zu ihr,

(f) eine mit der Reaktionskammer (12) verbundene

Eduktoreinrichtung (36, 40, 56, 46, 42) zur Erzeugung eines Vakuums im Inneren der Reaktionskammer (12),

(g) eine die Eduktoreinrichtung (36, 40, 56, 46, 42) mit der Einrichtung (14, 44, 42, 46, 56, 40) zum Kühlen der Reaktionskammer (12) verbindende Einrichtung (42, 46, 56) zum Leiten des Kühlmittelstromes durch die Eduktoreinrichtung, um das Vakuum zu bewirken, und durch

(h) eine Einrichtung (18; 30) zum Regulieren der Zufuhrrate der wässerigen Lösung und der Zufuhrrate des gasförmigen Schwefeldioxids zu der Reaktionskammer (12) entsprechend oder im Verhältnis zu dem Vakuum, das durch die Eduktoreinrichtung auf die Reaktionskammer ausgeübt wird.

14. Vorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung von gasförmigem Chlordioxid durch die Reaktion zwischen wenigstens einem flüssigen Reaktionsteilnehmer und einem anderen Reaktionsteilnehmer, die, wenn sie miteinander reagieren, Chlordioxid liefern, gekennzeichnet durch

(a) eine Reaktionskammer (12),

(b) eine Quelle (16) für den flüssigen Reaktionsteilnehmer und eine Einrichtung (18, 20, 22, 24) zum Einleiten des flüssigen Reaktionsteilnehmers in die Reaktionskammer (12),

(c) eine Quelle (26) für den anderen Reaktionsteilnehmer und eine Einrichtung (28, 30, 32, 34) zum Einleiten des anderen Reaktionsteilnehmers in die Reaktionskammer (12), um dadurch die Reaktionsteilnehmer in Kontakt miteinander zu bringem,
(d) eine erste Einrichtung (48, 50, 58, 54, 52)

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zum Ausüben eines Vakuums auf das Innere der Reaktionskammer (12), während gleichzeitig gasförmiges Chlordioxid aus der Reaktionskammer (12) entfernt wird, und durch

(e) eine zweite Einrichtung (36, 40, 56, 46, 42) zum Ausüben eines Vakuums auf die Reaktionskammer, während gleichzeitig aus der Reaktionskammer (12) Flüssigkeit, die nach dem Kontakt zwischen den Reaktionsteilnehmern verbleibt, getrennt von dem gasförmigen Schwefeldioxid entfernt wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Quelle (16) für den flüssigen Reaktionsteilnehmer eine Quelle für eine wässerige Lösung eines Metallchlorats aufweist, und daß die Quelle (26) für den anderen Reaktionsteilnehmer eine Quelle für gasförmiges Schwefeldioxid aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Einrichtung (48, 501 58, 54, 52) zum Ausüben eines Vakuums auf die Reaktionskammer (12) eine erste Eduktoreinrichtung (48, 50, 52) zum Ausüben eines Vakuums in Abhängigkeit von einem Flüssigkeitsstrom durch die erste Eduktoreinrichtung und eine Einrichtung (54) zur Variablenregulierung des Flüssigkeitsstromes durch die erste Eduktoreinrichtung aufweist, und daß die zweite Einrichtung (36, 40, 56, 46, 42) zum Ausüben eines Vakuums auf die Reaktionskammer eine zweite Eduktoreinrichtung (36, 40, 42) zum Ausüben eines Vakuums in Abhängigkeit von einem Flüssigkeitsstrom durch die zweite Eduktoreinrichtung und eine Einrichtung (46) zur Variablenregulierung des Flüssigkeitsstromes

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durch die zweite Eduktoreinrichtung aufweist, und daß weiter eine Einrichtung (48, 56) zum Abtasten der Strömungsraten der jeweiligen Flüssigkeitsströme durch die erste und zweite Eduktoreinrichtung vorgesehen ist.