本发明属于二氧化氯制备技术领域，具体是一种生产高纯度二氧化氯气体的方法及装置。
背景技术：
二氧化氯(clo2)在常温常压下为橙黄色气体，具有类似于氯和臭氧混合物的刺激性辣味，沸点为11℃，冰点为-59℃，在11℃时气态密度为3.09g/m3。气态clo2不稳定，高浓度时光照或与有机物相接触会引起爆炸分解生产氧气、氯气。一般情况下，现场制备，现场使用。常温下用空气、水蒸汽稀释至12％的体积含量以下或为低温水溶液状态时较为稳定。clo2具有很强氧化能力，可用作纸浆和纺织品等的漂白剂、水处理剂、新型空气净化清新剂和用于饮食、防疫、卫生等方面的消毒、杀菌、除臭剂。
目前，工业生产二氧化氯的方法主要有甲醇法、综合法，其中甲醇法以甲醇、硫酸、氯酸钠为原料，采用立式发生器制备二氧化氯，产生的二氧化氯水分含量大，高达80％(w/w)以上，且含少部分氯气；综合法以盐酸、氯酸钠为原料，既可用立式发生器也可用卧式发生器，但产生的二氧化氯气体含氯气量大，二氧化氯与氯气的摩尔比为2:1。对于纯度要求较高的使用领域(如亚氯酸钠制备、食品、医药等行业)，以上两种制备方法生产的二氧化氯纯度均无法达到使用要求。
而传统的工业二氧化氯制备装置制备的二氧化氯产品均以低温二氧化氯水溶液的形式泵送到使用点使用，目前也尚未见有以气体形式作为产品外送至使用点的相关报导。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种生产高纯度二氧化氯气体的方法及装置，能生产出纯度高、水分含量低的二氧化氯气体产品以及元明粉副产品，且生产过程中无固体废弃物及废液外排。
本发明以如下技术方案解决上述技术问题：
本发明一种生产高纯度二氧化氯气体的方法，它包括如下操作步骤：
步骤1，将硫酸以及双氧水和氯酸钠的混合液送入发生器内进行氧化还原反应以生成二氧化氯气体，同时将发生器内的反应液进行逐级加热，使反应液温度由20～30℃逐级升至80～85℃，并通入空气稀释二氧化氯气体浓度至4～9％(v/v)，将稀释后的二氧化氯气体抽出送至使用点使用；
步骤2，将发生器反应后的反应液排出引至母液排放槽贮存，再送至蒸发结晶器与加热器之间的循环回路上，通过蒸发结晶器使母液中的芒硝经浓缩后结晶，并在蒸发结晶器的底部及循环管路中沉积，然后送入过滤装置进行过滤、洗涤、浓缩，将浓缩后的固体芒硝进入干燥器，经干燥后形成元明粉外销，将过滤出来的滤液送回蒸发结晶器与加热器之间的循环回路中；
步骤3，将蒸发结晶器上部澄清母液送至母液罐缓存后，再送回发生器循环使用，实现整个生产过程无固体废弃物和废液外排。
步骤1中，通过热源管将热源送入反应器内加热反应液；通过鼓风机将空气送入反应器内稀释二氧化氯气体；通过空压机将压缩空气送入反应器内以搅动反应液使反应均匀的同时释放并稀释二氧化氯气体；通过引风机将二氧化氯气体抽出送至使用点。
步骤2中，优选地，为提高蒸发效率，节约热源量，蒸发结晶器内温度控制在70～73℃，真空度控制在-79～-81kpa。
本发明生产高纯度二氧化氯气体的方法采用的装置，其包括发生器、蒸发结晶器、加热器，所述发生器的入口与硫酸管、双氧水管及氯酸钠管相接，发生器的反应液出口连接母液排放槽；所述蒸发结晶器与加热器之间通过母液上循环管和母液下循环管连接并形成蒸发结晶循环回路，该循环回路与母液排放槽相连通，由母液排放槽供应反应母液，所述母液下循环管经管路与过滤装置连接并形成滤液循环回路，通过过滤装置将蒸发结晶器下部及母液下循环管产生的芒硝进行过滤，过滤装置的滤渣出口连接干燥器；所述蒸发结晶器的上部经管路与发生器的入口相接，该管路上安装有母液罐。
所述双氧水管与氯酸钠管汇合后接入发生器。
所述发生器连接热源管、空压机、鼓风机以及引风机。
所述蒸发结晶器与发生器的连接管路上、过滤装置供料泵进出管路、蒸发结晶循环回路上以及母液排放槽的出口均安装有泵。
所述反应器为卧式反应器。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明装置通过在卧式发生器与蒸发结晶器之间配置母液排放槽和母液罐，使二氧化氯反应装置与蒸发结晶装置相对分离、独立，同时母液排放槽和母液罐起到缓存作用，使二氧化氯制备系统能连续平稳运行；
2、本发明方法以双氧水、硫酸、氯酸钠为原料生产的二氧化氯气体纯度高；采用卧式发生器，在微负压条件下由25℃至85℃逐级加热反应液，可有效避免反应液水分过度蒸发，而导致芒硝在发生器内结晶，堵塞发生器，同时可避免反应剧烈造成二氧化氯分解，制备的二氧化氯气体含水率低于8％(w/w)，基本不含氯气；通过鼓风机鼓入空气稀释卧式发生器内的二氧化氯气体至4～9％(v/v)，使二氧化氯稳定不易分解；通过控制蒸发结晶器内温度控制在70～73℃，真空度控制在-79～-81kpa，可将产生的副产品芒硝进行浓缩结晶，经过过滤干燥后制成可外售的元明粉；过滤后的滤液回用，无固体废弃物外排。
附图说明
图1是本发明一种生产高纯度二氧化氯气体的装置的整体结构图。
图1中：1、硫酸管；2、双氧水管；3、氯酸钠管；4、卧式发生器；5、热源管；6、压缩空气管；7、鼓风机；8、引风机；9、母液排放槽；10、结晶器喂料泵；11、循环泵；12、加热器；13、蒸发结晶器；14、过滤装置供料泵；15、过滤装置；16、干燥器；17、母液提取泵；18、母液罐；19、母液回流泵；20、母液回流管；21、热源管；22、滤液管；23、母液下循环管；24、母液上循环管；25、反应液排放管；26、结晶器喂料泵进出液管；27、母液提取泵进出液管；28、过滤装置供料泵进出管；29、芒硝出料管；30、空压机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，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所示，本发明生产高纯度二氧化氯气体的装置包括卧式发生器4、鼓风机7、引风机8、母液排放槽9、加热器12、蒸发结晶器13、过滤装置15、干燥器16、母液罐18、空压机30，硫酸管1与卧式发生器4的原料入口相接，双氧水管2与氯酸钠管3汇合后与卧式发生器4的原料入口相接；热源管5与卧式发生器4的入口连接；空压机30经压缩空气管6与卧式发生器4连接；鼓风机7和引风机8设置在卧式发生器4的两侧并与卧式发生器4相接；卧式发生器4的出口通过反应液排放管25与母液排放槽9连接；蒸发结晶器13与加热器12之间通过母液上循环管24和母液下循环管23连接并形成蒸发结晶循环回路，母液下循环管23上安装有循环泵11，加热器12与热源管21连接，由热源管21提供电源加热；母液排放槽9的出口通过结晶器喂料泵进出液管26与母液下循环管23连接，结晶器喂料泵进出液管26上安装有结晶器喂料泵10，通过结晶器喂料泵10将母液排放槽9的反应液送入蒸发结晶循环回路；母液下循环管23经过滤装置供料泵进出管28与过滤装置15的入口相接，过滤装置供料泵进出管28上安装有过滤装置供料泵14，过滤装置15的滤液出口经滤液管22与母液下循环管23相接，使母液下循环管23与过滤装置15之间形成滤液循环回路，过滤装置15的滤渣出口经芒硝出料管29与干燥器16相接，通过过滤装置15将蒸发结晶器13下部及母液下循环管23产生的芒硝进行过滤；蒸发结晶器13的上部经母液提取泵进出液管27与母液罐18相连接，母液提取泵进出液管27上安装有母液提取泵17，母液罐18的出口经母液回流管20连接卧式发生器4的入口，母液回流管20上安装有母液回流泵19。
本发明在卧式发生器4与蒸发结晶器13之间配置母液排放槽9、母液罐18，使二氧化氯反应装置与蒸发结晶装置相对分离、独立，同时母液排放槽9、母液罐18起到缓存作用，使二氧化氯制备系统能连续平稳运行。
为充分利用芒硝及过滤后的滤液，不产生废弃物，过滤装置15配置了滤液管22、芒硝出料管29，分别与母液下循环管23和干燥器16连接，形成滤液回流通道及芒硝处理通道。
本发明方法以双氧水、硫酸、氯酸钠为原料生产二氧化氯，同时干燥芒硝制成元明粉，以下是采用上述装置制备3t/d的二氧化氯气体的具体应用实例：
实施例1，具体操作步骤如下：
步骤1，将硫酸通过硫酸管1进入卧式发生器4，还原剂—双氧水通过双氧水管2与氯酸钠管3中的氯酸钠混合后进入卧式发生器4，进行氧化还原反应后生成二氧化氯气体；热源通过热源管5进入卧式发生器4逐级加热反应液，在微负压状态下，使反应液温度由20℃逐级升至80℃；空气经空压机30压缩后进入卧式发生器4，搅动反应液使反应均匀的同时释放并稀释二氧化氯气体；此外，鼓风机7将空气鼓入卧式发生器4，进一步稀释二氧化氯气体浓度至4％(v/v)；稀释后的二氧化氯气体经引风机8抽出送至使用点使用；产品经检测含水率为7.8％(w/w)，基本不含氯气。
步骤2，原料从一端进入卧式发生器4的同时，反应后的反应液从另一端排出至母液排放槽9贮存，而后经结晶器喂料泵10送至母液下循环管23，在循环泵11的泵送作用下，在蒸发结晶器13和加热器12之间循环、加热、蒸发、浓缩；蒸发结晶器内温度控制在73℃，真空度控制在-79kpa。母液中的芒硝经浓缩后结晶，并在蒸发结晶器13底部及下循环管23沉积，经过滤装置供料泵14送至过滤装置15进行过滤、洗涤、浓缩。浓缩后的固体芒硝进入干燥器16，经干燥后形成干度达到99.6％的元明粉(可作为产品出售)；过滤出来的滤液经滤液管22回到母液下循环管23回收利用。整个生产过程中，无固体废弃物和废液外排。
步骤3，蒸发结晶器13上部澄清母液，经母液提取泵17送至母液罐18缓存后，再由母液回流泵19送至卧式发生器4。
实施例2，具体操作步骤如下：
步骤1，将硫酸通过硫酸管1进入卧式发生器4，还原剂——双氧水通过双氧水管2与氯酸钠管3中的氯酸钠混合后进入卧式发生器4，进行氧化还原反应后生成二氧化氯气体；热源通过热源管5进入卧式发生器4逐级加热反应液，在微负压状态下，使反应液温度由25℃逐级升至83℃；空气经空压机30压缩后进入卧式发生器4，搅动反应液使反应均匀的同时释放并稀释二氧化氯气体；此外，鼓风机7将空气鼓入卧式发生器4，进一步稀释二氧化氯气体浓度至6％(v/v)；稀释后的二氧化氯气体经引风机8抽出送至使用点使用；产品经检测含水率为7.6％(w/w)，基本不含氯气。
步骤2，原料从一端进入卧式发生器4的同时，反应后的反应液从另一端排出至母液排放槽9贮存，而后经结晶器喂料泵10送至母液下循环管23，在循环泵11的泵送作用下，在蒸发结晶器13和加热器12之间循环、加热、蒸发、浓缩；蒸发结晶器内温度控制在72℃，真空度控制在-80kpa。母液中的芒硝经浓缩后结晶，并在蒸发结晶器13底部及下循环管23沉积，经过滤装置供料泵14送至过滤装置15进行过滤、洗涤、浓缩。浓缩后的固体芒硝进入干燥器16，经干燥后形成干度达到99.65％的元明粉(可作为产品出售)；过滤出来的滤液经滤液管22回到母液下循环管23回收利用。整个生产过程中，无固体废弃物和废液外排。
步骤3，蒸发结晶器13上部澄清母液，经母液提取泵17送至母液罐18缓存后，再由母液回流泵19送至卧式发生器4。
实施例3，具体操作步骤如下：
步骤1，将硫酸通过硫酸管1进入卧式发生器4，还原剂——双氧水通过双氧水管2与氯酸钠管3中的氯酸钠混合后进入卧式发生器4，进行氧化还原反应后生成二氧化氯气体；热源通过管5进入卧式发生器4逐级加热反应液，在微负压状态下，使反应液温度由30℃逐级升至85℃；空气经空压机3压缩后进入卧式发生器4，搅动反应液使反应均匀的同时释放并稀释二氧化氯气体；此外，鼓风机7将空气鼓入卧式发生器4，进一步稀释二氧化氯气体浓度至9％(v/v)；稀释后的二氧化氯气体经引风机8抽出送至使用点使用；产品经检测含水率为7.5％(w/w)，基本不含氯气。
步骤2，原料从一端进入卧式发生器4的同时，反应后的反应液从另一端排出至母液排放槽9贮存，而后经结晶器喂料泵10送至母液下循环管23，在循环泵11的泵送作用下，在蒸发结晶器13和加热器12之间循环、加热、蒸发、浓缩；蒸发结晶器内温度控制在70℃，真空度控制在-81kpa。母液中的芒硝经浓缩后结晶，并在蒸发结晶器13底部及下循环管23沉积，经过滤装置供料泵14送至过滤装置15进行过滤、洗涤、浓缩。浓缩后的固体芒硝进入干燥器16，经干燥后形成干度达到99.6％的元明粉(可作为产品出售)；过滤出来的滤液经滤液管22回到母液下循环管23回收利用。整个生产过程中，无固体废弃物和废液外排。
步骤3，蒸发结晶器13上部澄清母液，经母液提取泵17送至母液罐18缓存后，再由母液回流泵19送至卧式发生器4。
本发明采用双氧水作为还原剂，利用发生器制取二氧化氯时，采用空气对反应液进行曝气搅拌，并对制出的二氧化氯气体进行稀释，连续生产出纯度高、水分含量少的二氧化氯气体；利用蒸发结晶器、干燥器对产生的副产品芒硝进行蒸发结晶、过滤、烘干，制成元明粉。本发明整个生产过程无固体废弃物和废液产生。
通过本发明方法，能避免制备过程中反应剧烈以及二氧化氯浓度过高，避免分解；同时能避免反应温度过高，过渡蒸发水分，芒硝在卧式发生器4内结晶，制备的二氧化氯气体水分含量低于8％(w/w)，且基本不含氯气。
上文已经用具体实施方式对本发明作了详尽的描述，虽然在本发明基础上，出于工程实施需要，可以对本发明的具体实施方式作一些修改或改进，但对本领域技术人员而言是显而易见的、没有做出创造性劳动前提下所做的修改，都属于本发明保护的范围。