压力对二氧化氯发生器产气效率的影响

压力对二氧化氯发生器产气效率的影响

摘要：正压式二氧化氯发生器是为了解决自来水管网、深井泵后、油井注水管道等带压场合投加消毒剂的需要而开发出的新型发生。目前大多数正压式二氧化氯发生器所采用的仍然是NaClO3+HCl的化学法反应工艺，该反应工艺是产生ClO2和Cl2的过程。从化学平衡角度分析，压力增加会抑制正向反应的进行。为了验证实际效果是否如此，本文通过在不同压力下对正压式反应器ClO2产量、纯度、得率及总有效氯产量等指标进行测定与比较得出，在0～0.6MPa的常用压力下，压力的变化对二氧化氯发生器的产气效率无显著影响。

关键字：正压式二氧化氯发生器压力影响消毒TheEffectofPressuretoAerogenesisEfficiencyofChlorineDioxideGeneratorAbstractWithdeterminingandcomparingtheresultoftheoutputofchlorinedioxide,thepurityofchlorinedioxide,therateofchlorinedioxide,thecapacityofactivechlorineandtheoutputofchlorinegeneratedbypositivepressuretypechlorinedioxidegeneratorunderdifferentpressure,thispaperdrawstheconclusionthattheeffectofpressuretoaerogenesisefficiencyofchlorinedioxidegeneratorisindistinctivewhenthepressureisintherangeof0～0.6MPa.

Keywordpositivepressuretypechlorinedioxidegeneratortheeffectofpressuredisinfection二氧化氯以其优良的水处理特性已得到业内人士的普遍认可，并在饮用水、工业循环冷却水、废水治理、水产养殖用水等领域得以广泛应用。随着ClO2应用技术的不断发展，国内ClO2发生装置也不断地更新换代，推陈出新。从早期的自循环式、负压直投式到现今的正压式发生设备。

正压式二氧化氯发生器是近两年才开发出的主要用于深井泵后、自来水管网、油井注水管道等在线带压加药的新型消毒设备。采用NaClO3+HCl反应工艺的正压式ClO2发生器其化学法反应过程中产生ClO2和Cl2气体。从化学平衡理论上分析压力的增加会抑制这两种气体的生成，从而降低ClO2的产量，影响消毒效果。为了验证实际情况是否如此，本实验采用国内具有一定代表性的正压式ClO2发生器的核心部件“华浦CPF-100C型反应器”进行加压试验，并取得一定结果，希望该试验结果能对正压式ClO2发生器的使用者和生产者有一定的参考价值。1实验部分1.1工艺与方法

为了使测定结果更符合于实际情况，实验采用了注入式发生器（CPF-C系列）相同的R5法[1]（NaClO3+HCl）反应工艺，反应方程式如下：

2NaClO3+4HCl=2ClO2↑+Cl2↑+2NaCl+2H2O

1.1.1实验器材与原料

Model1022941计量泵意大利产，最大承压1.2MPa，最大承压下的流量1.5L/h。

CPF-100C型反应器南京理工大学华浦公司生产

CPF-100B负压式ClO2发生器南京理工大学华浦公司生产

压力表0～0.7MPa，耐腐

温度计0～50℃

球阀内径1/4"PVC材料

吸收槽PVC材料

氯酸钠NaClO3含量≥98%

工业盐酸HCl含量≥30%。

1.1.2实验工艺流程

实验装置及工艺流程见图1所示。1.1.3实验方法

首先将工业氯酸钠配制成28%的水溶液（每升含有NaClO3333g），并加入贮槽2中，将盐酸加入酸槽1。调节计量泵3、4，使NaClO3溶液流量为1L/h，盐酸的流量为1.5L/h，二者进料比为1:1.5。保持反应温度在20～30℃，自来水的流量8调至400L/h。反应器5反应出的高浓度ClO2溶液（高达40g/L），经射流器9与自来水混合后形成250mg/L左右的ClO2水溶液，收集在吸收槽10中。调节阀门7，使反应器5在0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6Mpa的压力下分别反应，并在稳定时间为80、120、150min时，各从吸收槽10中取样测定反应液中ClO2和Cl2含量，通过分析计算观察不同压力下ClO2的产量、得率、纯度及总有效氯的变化。记录取样时间及在取样时间内原料的消耗量。

以同样的进料量及进料比例在负压式设备CPF-100B上进行试验，将试验结果与正压设备的相比较。

1.2分析与计算

1.2.1仪器与试剂

50mL碱式滴定管

250mL碘量瓶

250mL烧杯

610型数字PH计，PH=1～12

5～10mL移液管

0.0100mol/LNa2S2O3标准溶液

10%KI溶液、固体KI（AR）

1%淀粉溶液

PH=7的磷酸盐缓冲溶液

1:5硫酸溶液

1.2.2分析方法-五步碘量法[2]

发生器发生的ClO2水溶液中通常含有ClO2、Cl2、ClO2-、ClO3-四种氯氧化物，这四种成份在不同的PH条件下，分别具有不同的氧化能力，通过分步滴定游离出的I2，确定各成分的含量，其测定原理基于以下五个反应式：

PH=7、2、0.1Cl2+2I→I2+2Cl-氧化数由0→-1

PH=72ClO2+2I-→I2+2ClO2-氧化数由4→3

PH=2、0.12ClO2+10I-+8H+→5I2+2Cl-+4H2O氧化数由4→-1

PH=2、0.1ClO2-+4I-+4H+→2I2+Cl-+2H2O氧化数由3→-1

PH=0.12ClO3-+6I-+6H+→3I2+2Cl-+3H2O氧化数由5→-1

1.2.3数据处理

实验要考查的几个指标，按下式计算。

ClO2产量G1=C1·V/△t

Cl2产量G2=C2·V/△t

ClO2纯度P=C1/（C1+C2）

ClO2得率E=G1/G0

总有效氯产量G＇=2.63G1+G2

式中：C1、C2--分别为反应液中ClO2与Cl2的含量，g/L；

V--取样时间内生成反应稀释液的体积，L；

△t--取样时间，h；

G0--ClO2的理论产量，1升28%的NaClO3溶液，理论上可产生207G的ClO2。2实验结果与讨论为了便于对照与比较，首先按1.1.3的原料配比用负压式设备CPF-100B在负压条件下进行试验，测得以下数据：

ClO2产量110.3g/h

ClO2纯度58.3%

ClO2得率53.3%

总有效氯产量369.09g/h

2.1压力对ClO2产量的影响

在正压反应器CPF-100C上按1.1.3节的方法测定了在不同压力下ClO2的产量，结果如表2.1所示。图中也列出了同一压力序列下不同稳定时间的值。表2.1压力对CClO2产量的影响响压力MPa00.10.15.0.20.30.40.50.6ClO2产量/gg.h-1稳定时间80miin105.3109.8115.2116.1113.8106.6107.8106.4稳定时间120mmin110.7112.6114.1115.5114.9112.2109.4110.6稳定时间150mmin111.9115.4115.8116.2115.3114.9110.3111.3说明：稳定时间是是指反应器从从调整压力后后到取样时的的运行时间。由表2.1可知，压力在0～0.6Mpa之间变化时，ClO2产量在105.3～116.2g/h之间变化，平均值为112g/h，最大波动幅度（112～105.3）/112×100%=5.9%，与负压反应的结果相比ClO2产量的变化不明显。看一下不同稳定时间下的平均产量，80min为110.1g/h，120min为112.3g/h，150是min113.6g/h。可以看出随着稳定时间的增加产量略有提高。究其原因，主要是计量泵在恒定的冲程和工作频率下，进料量与压力成反比。增加压力将使进料量减少，要想恢复原有的进料速度，必须增大泵的冲程或频率。由于反应系统是一个动态的过程，在计量泵重新调节之前，流量的减少已经使反应器中原料的浓度降低。要想通过调节计量泵来恢复流量也需要一个过程，时间越长越接近原有水平，反映在曲线上就有上述现象。

2.2压力对ClO2纯度的影响

大家知道，化学法ClO2发生器的发生物是以ClO2和Cl2为主的混合溶液。盐酸法的产气纯度理论值是63.55%，Cl2约占36.65%。在NaClO3溶液和盐酸的进料体积比为1:1.5，压力在0～0.6Mpa之间变化时，对ClO2的产气纯度进行了考查，结果如表2.2所示。

表2.2可知，在实验条件下，ClO2的纯度在52.2～66.2%之间变化，平均值为58.5%，从数据上看压力的增加，没有明显改变ClO2的纯度。不同稳定时间下测定的纯度平均值分别为80min58.5%，120min57.8%，150min59.2%，与理论值63.35%相差最大值为5.6%，与负压反应结果58.3%相当。

2.3压力对ClO2得率的影响

ClO2的得率是ClO2的实际产量与理论产量之比。在上述实验条件下，测定的得率如表2.3所示。表2.2压力对CllO2纯度的影响响压力MPa00.10.15.0.20.30.40.50.6ClO2纯度/%%稳定时间80miin66.260.056.452.353.361.261.157.5稳定时间120mmin62.459.455.852.255.959.359.356.1稳定时间150mmin62.461.357.754.155.558.464.358.5表2.3压力对CllO2得率的影响响压力MPa00.10.15.0.20.30.40.50.6ClO2得率/%%稳定时间80miin105.3109.8115.2116.1113.8106.6107.8106.4稳定时间120mmin110.7112.6114.1115.5114.9112.2109.4110.6稳定时间150mmin111.9115.4115.8116.2115.3114.9110.3111.3由表2.3可知，在设定的压力范围内，ClO2的得率在50.9～56.1%之间变化，平均值为52.9%，其中在0.2、0.3Mpa时达到最高，分别为56.1%、55.0%，最大波幅为6%。在应用上，一般认为波动幅度在10%范围内都是稳定的。因此，从实际结果来看，压力对ClO2得率的影响不大。

从ClO2得率的数值来看，52.9%的平均值仅达到理论产量的一半多一点，也就是说NaClO3的转化率不高，但和负压反应的结果53.2%相比，两者相当。从目前市场上大多数以NaClO3+HCl为原料的负压式设备来看，在不加热和无催化剂的条件下，其得率仍维持在50%左右。这是采用单级盐酸法反应工艺发生器的通病，由于本节只是讨论压力对ClO2得率的影响，在此不对怎样提高得率另加讨论。结果显示，ClO2的得率并没有因用正压反应和负压反应而有明显的改变，也就是说，正压式发生器具有与负压式发生器相同得率。

2.4压力对有效氯产量的影响

有效氯的产量代表了发生器总的生产能力。在纯度不变的情况下，有效氯随着ClO2产量的增加而增加。ClO2产量不变，有效氯的产量也保持一定的值。由于前述压力对ClO2产量和纯度影响不大，可以推测对有效产量也不会有大的影响，从表2.4的试验结果，可以说明这一点。表2.4压力对总有有效氯产量的的影响压力MPa00.10.15.0.20.30.40.50.6有效氯产量/g..h-1330.7362.0392.0412.0399.0347.0352.1358.52.5理论分析

就正压式二氧化氯发生器而言，其反应系统是密闭的，其间充满了反应液，生成的ClO2和Cl2均溶解在反应液中，没有气相存在。实际上，整个反应是在液相中进行的。对于液相反应，已知式(2.5.1)表明了在一定的温度下，液相反应的平衡常数Ka随压力的变化率与体系体积变化ΔV的关系。由式（2.5.1）可知，当ΔV>0时，压力增加对正反应不利；当ΔV<0时，压力增加对正反应有利；对于液相来说，由于ΔV的变化一般不大，所以在一定得温度下，当压力变化不大时，反应的Ka可以看作与压力无关。本实验使用的压力范围是0～0.6MPa，不超过6个大气压力，在这个变化范围内，对反应的Ka基本无影响，实验结果也说明了这一点。3．结论①实验结果表明，在0～0.6MPa的应用压力下,压力增加没有降低正压式ClO2发生器的产气效率。

②从ClO2的产量、得率和纯度的测定值来看，同型号正压式发生器和负压式发生