RU227714U1

RU227714U1 - DEVICE FOR EVAPORATION OF HYDROCHLORIC ACID DURING ITS PURIFICATION BY SURFACE DISTILLATION

Info

Publication number: RU227714U1
Application number: RU2024116856U
Authority: RU
Inventors: Алексей Юрьевич Зиновьев; Андрей Владимирович Хомяков; Игорь Христофорович Аветисов; Елена Витальевна Гришечкина; Марина Павловна Зыкова; Роман Игоревич Аветисов; Никита Олегович Степанов; Алексей Владимирович Ходырев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Торговый Дом "ХИММЕД"
Filing date: 2024-06-19
Publication date: 2024-07-31

Abstract

Полезная модель предназначена для проведения непрерывного процесса получения высокочистой соляной кислоты методом поверхностного испарения, относится к области высокочистых веществ и может быть использована в различных отраслях промышленности. Техническим результатом полезной модели является уменьшение потерь хлороводорода в окружающую среду, повышение выхода и концентрации конечного продукта без диспергирования испаряемого раствора. Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлено устройство для испарения соляной кислоты при её очистке методом поверхностной дистилляции, выполненное в виде тарельчатой колонны, содержащее дефлекторы для распределения потока жидкости, коллекторы, которые расположены диаметрально по отношению друг к другу, отличающееся тем, что оно состоит из камеры, закрытой сверху крышкой с отверстием для подающей жидкости и установленной на дно, и паропровода, на который надеты тарелки, при этом тарелки разделены кольцами малыми и кольцами большими, каждая из тарелок состоит из корпуса с дефлекторами, установленного на нагреватель, при этом на корпусе тарелок установлены закрепленные на держателях датчики температуры, каждая последующая тарелка соединена с предыдущей с помощью коллектора, при этом коллекторы расположены диаметрально, коллектор нижней тарелки соединен со сливной трубкой и выходным штуцером для отвода кубового остатка, причем устройство выполнено с возможностью вывода из испарителя через паропровод парогазового потока, обогащенного на нижних тарелках парами воды и на верхних тарелках – хлороводородом.The utility model is intended for carrying out a continuous process of obtaining high-purity hydrochloric acid by surface evaporation, relates to the field of high-purity substances and can be used in various industries. The technical result of the utility model is a decrease in hydrogen chloride losses into the environment, an increase in the yield and concentration of the final product without dispersing the evaporated solution. The specified technical result is achieved due to the fact that a device for evaporating hydrochloric acid during its purification by the surface distillation method is claimed, made in the form of a plate column, containing deflectors for distributing the liquid flow, collectors that are located diametrically with respect to each other, characterized in that it consists of a chamber closed at the top with a lid with an opening for the supply liquid and installed on the bottom, and a steam pipeline on which plates are put on, wherein the plates are separated by small rings and large rings, each of the plates consists of a housing with deflectors installed on a heater, wherein temperature sensors are installed on the housing of the plates, fixed on holders, each subsequent plate is connected to the previous one by means of a collector, wherein the collectors are located diametrically, the collector of the lower plate is connected to a drain pipe and an outlet fitting for removing the still residue, and the device is designed with the possibility of removing from the evaporator through a steam pipeline a steam-gas flow enriched in the lower plates with water vapor and on the upper plates with hydrogen chloride.

Description

Современные технологии микро- и наноэлектроники предполагают использование высокочистых материалов, в частности, соляной кислоты, которые позволяют изготавливать продукцию более высокого качества и с более высокими техническими характеристиками, чем при использовании реактивов меньшей чистоты. Соляную кислоту используют, например, при травлении полупроводниковых пластин, а ее чистота влияет на качество травления.Modern micro- and nanoelectronics technologies involve the use of high-purity materials, in particular, hydrochloric acid, which allow for the production of higher quality products with higher technical characteristics than when using reagents of lower purity. Hydrochloric acid is used, for example, in the etching of semiconductor wafers, and its purity affects the quality of the etching.

Традиционно очистку соляной кислоты проводят методом дистилляции, при котором испаряют кислоту, нагретую до температуры кипения, охлаждают и конденсируют пары. Существенным недостатком данного метода является то, что при его использовании не удается реализовать глубокую очистку используемого сырья. Причиной является аэрозольный унос [Sterman J., Williamson G. Gas purification processes for air pollution control in «Gas Purification Processes». Ed. by G.Honhebol, London, Newnes-Butterworth, 1972, 697 p.], капли аэрозоля содержат примеси, которые загрязняют конечный продукт. Избежать аэрозольного уноса возможно при переводе жидкости с ее свободной поверхности в парогазовую фазу с последующей конденсацией полученного пара, т.е. при очистке жидкости методом поверхностной дистилляции. Поверхностную дистилляцию проводят при температуре ниже температуры кипения, поэтому исключено образование и схлопывание пузырей насыщенного пара. В результате возможно получить соляную кислоту более высокой степени очистки.Traditionally, hydrochloric acid is purified by distillation, which involves evaporating the acid heated to the boiling point, cooling it, and condensing the vapors. A significant disadvantage of this method is that it does not allow for deep purification of the raw materials used. The reason is aerosol carryover [Sterman J., Williamson G. Gas purification processes for air pollution control in «Gas Purification Processes». Ed. by G. Honhebol, London, Newnes-Butterworth, 1972, 697 p.], aerosol droplets contain impurities that contaminate the final product. Aerosol carryover can be avoided by transferring the liquid from its free surface to the vapor-gas phase with subsequent condensation of the resulting vapor, i.e. by purifying the liquid by surface distillation. Surface distillation is carried out at a temperature below the boiling point, so the formation and collapse of saturated vapor bubbles is excluded. As a result, it is possible to obtain hydrochloric acid of a higher degree of purification.

Известно устройство для перегонки жидкостей [RU 2214297 С1, опубл.: 20.10.2003], которое содержит цилиндрический корпус, испаритель в виде расположенного по цилиндрической винтовой линии открытого желоба, нагревательный элемент, приспособление для удаления паров и узел для удаления дистиллята. Одна из боковых стенок открытого желоба образована боковой стенкой корпуса. Нагревательный элемент расположен коаксиально снаружи корпуса. Вследствие разности плотностей перегоняемой жидкости при перемещении последней по открытому желобу происходит закручивание потока таким образом, что вдоль обогреваемой боковой стенки перегоняемая жидкость поднимается, а вдоль необогреваемой стенки - опускается. Такое перемещение перегоняемой жидкости, состоящее из поступательного движения по открытому желобу и из вращательного движения вокруг продольной оси открытого желоба, способствует интенсификации теплообменных процессов. Известное устройство может быть выполнено с дополнительным нагревательным элементом, который размещен в полости корпуса перед узлом для удаления дистиллята из полости корпуса. Дополнительный нагревательный элемент может быть выполнен в виде тарелки и обогреваться сухим паром. На тарелке дополнительного нагревательного элемента осуществляют дополнительный нагрев дистиллята с целью недопущения выхода дистиллята, ниже определенной температуры.A device for distilling liquids is known [RU 2214297 C1, published: 20.10.2003], which comprises a cylindrical housing, an evaporator in the form of an open trough located along a cylindrical helical line, a heating element, a device for removing vapors and a unit for removing distillate. One of the side walls of the open trough is formed by the side wall of the housing. The heating element is located coaxially outside the housing. Due to the difference in the densities of the liquid being distilled, when the latter moves along the open trough, the flow is swirled in such a way that the liquid being distilled rises along the heated side wall and falls along the unheated wall. Such movement of the liquid being distilled, consisting of translational motion along the open trough and rotational motion around the longitudinal axis of the open trough, contributes to the intensification of heat exchange processes. The known device can be made with an additional heating element, which is located in the cavity of the housing in front of the unit for removing distillate from the cavity of the housing. The additional heating element can be made in the form of a plate and heated by dry steam. On the plate of the additional heating element, additional heating of the distillate is carried out in order to prevent the distillate from leaving below a certain temperature.

Общим для известного и заявленного устройства является использование метода дистилляции исходного сырья, направление потока жидкости сверху вниз и непрерывный режим работы. What the known and claimed devices have in common is the use of the distillation method of the initial raw material, the direction of the liquid flow from top to bottom, and a continuous operating mode.

Заявленное устройство имеет существенные недостатки: для очистки исходного сырья применяют метод обычной дистилляции, согласно которому исходное сырье нагревают до температуры кипения, что приводит к образованию мелких капель аэрозоля, содержащих примеси, загрязняющие конечный продукт. Также к недостаткам известного устройства можно отнести удаление избытка пара, что приводит к снижению концентрации получаемого продукта и производительности устройства, а также загрязнению окружающей среды. The claimed device has significant drawbacks: to purify the raw material, a conventional distillation method is used, according to which the raw material is heated to boiling point, which leads to the formation of small aerosol droplets containing impurities that pollute the final product. Also, the disadvantages of the known device include the removal of excess steam, which leads to a decrease in the concentration of the resulting product and the productivity of the device, as well as pollution of the environment.

Среди аппаратов пленочного типа известно устройство [CN 204034298 U, опубл.: 24.12.2014], выполненное из кварцевого стекла, для перегонки жидкостей, в том числе, неорганических кислот. Известное устройство представляет собой цилиндрическую вертикально расположенную емкость с установленным вдоль ее оси конденсатором. Конденсатор выполнен в виде двойной спиральной трубки. При помощи кольцевой трубы с выходными отверстиями диаметром до 5 мм по всей ее длине осуществляется равномерная подача исходного раствора. Кольцевая труба расположена вдоль стенки указанной емкости, что обеспечивает пленочный режим течения очищаемой жидкости по внутренней поверхности данной емкости. Прием конденсированной жидкости осуществляется в нижней ее части, конденсат выводится за пределы известного устройства в отдельную емкость и вновь подается в устройство для повторного нагрева. Нагрев осуществлен посредством теплообменной рубашки.Among the film-type devices, a device [CN 204034298 U, published: 24.12.2014] made of quartz glass is known for distilling liquids, including inorganic acids. The known device is a cylindrical vertically located container with a condenser installed along its axis. The condenser is made in the form of a double spiral tube. Using a ring pipe with outlet openings up to 5 mm in diameter along its entire length, a uniform supply of the initial solution is carried out. The ring pipe is located along the wall of the specified container, which ensures a film flow mode of the purified liquid along the inner surface of this container. The condensed liquid is received in its lower part, the condensate is removed beyond the known device into a separate container and again fed into the device for reheating. Heating is carried out by means of a heat exchange jacket.

Общим для известного и заявленного устройства является то, что очистку исходной жидкости проводят в вертикальном аппарате при помощи метода поверхностной дистилляции, используя плёночный режим течения жидкости. Плёночный режим течения исходного раствора позволяет максимально снизить перепад температур в жидкости, и, как следствие, возможность её перегрева. Это позволяет получать конечный продукт высокой степени очистки из-за отсутствия аэрозольного уноса.The known and declared devices have in common that the purification of the initial liquid is carried out in a vertical apparatus using the surface distillation method, using the film flow mode of the liquid. The film flow mode of the initial solution allows for a maximum reduction in the temperature difference in the liquid, and, as a consequence, the possibility of its overheating. This allows for obtaining a final product of a high degree of purification due to the absence of aerosol carryover.

К недостаткам известного устройства относится отсутствие отбора кубового остатка, что не позволяет реализовать процесс очистки исходного сырья в непрерывном режиме. Поскольку по мере испарения исходного сырья концентрация труднолетучих примесей в нем увеличивается, их концентрация в дистилляте также увеличивается. Другим недостатком является равномерная температура нагрева поверхности стекающей плёнки, из-за чего оптимальная температура при дистилляции жидкостей с переменным составом, достигается только в одном горизонтальном сечении аппарата (расположенном у кольцевой трубы). В случае дистилляции соляной кислоты это снижает эффективность испарения воды и повышает потери хлороводорода.The disadvantages of the known device include the lack of selection of the bottom residue, which does not allow the implementation of the process of cleaning the initial raw material in a continuous mode. Since the concentration of low-volatile impurities in it increases as the initial raw material evaporates, their concentration in the distillate also increases. Another disadvantage is the uniform heating temperature of the surface of the flowing film, due to which the optimal temperature during distillation of liquids with a variable composition is achieved only in one horizontal section of the device (located near the ring pipe). In the case of distillation of hydrochloric acid, this reduces the efficiency of water evaporation and increases the loss of hydrogen chloride.

При очистке соляной кислоты аппараты периодического действия малоэффективны. Это связано с непрерывным изменением состава фаз и температуры в процессе поверхностной дистилляции. В случае системы HCl-H₂О получение кислоты с концентрацией не менее 35 % возможно при использовании в качестве сырья кислоты с концентрацией значительно выше 20 %. Например, это может быть коммерчески доступный насыщенный раствор HCl с концентрацией около 35 %. Во время дистилляции такого раствора в аппарате периодического действия первые порции пара сильно обогащены хлороводородом. Во время конденсации пара большая часть хлороводорода остается в газовой атмосфере. По мере процесса избыточный объем хлороводорода должен накапливаться, что создает определенные трудности с его размещением. Обычно избыточный хлороводород просто выпускается на утилизацию, что уменьшает выход очищенного продукта. Стоит отметить, что поскольку температура процесса непрерывно изменяется, необходимо, соответственно, изменять мощность нагрева, не допуская при этом кипения жидкости. Batch-type apparatuses are ineffective in purifying hydrochloric acid. This is due to the continuous change in phase composition and temperature during surface distillation. In the case of the HCl- _H2O system, obtaining acid with a concentration of at least 35% is possible when using acid with a concentration significantly higher than 20% as a feedstock. For example, this can be a commercially available saturated HCl solution with a concentration of about 35%. During distillation of such a solution in a batch-type apparatus, the first portions of steam are heavily enriched with hydrogen chloride. During steam condensation, most of the hydrogen chloride remains in the gas atmosphere. As the process progresses, excess hydrogen chloride must accumulate, which creates certain difficulties with its placement. Usually, excess hydrogen chloride is simply released for disposal, which reduces the yield of the purified product. It is worth noting that since the process temperature is continuously changing, it is necessary to change the heating power accordingly, while preventing the liquid from boiling.

Процесс очистки жидкостей методом поверхностной дистилляции достаточно медленный из-за низкой скорости массообмена. При попытке ускорить процесс повышением мощности нагрева возрастает вероятность закипания жидкости и захвата примесей паром с последующим загрязнением дистиллята. The process of cleaning liquids by surface distillation is quite slow due to the low rate of mass transfer. When trying to speed up the process by increasing the heating power, the probability of the liquid boiling and the capture of impurities by steam with subsequent contamination of the distillate increases.

Известно устройство [CN 201410306 Y, опубл.: 15.05.2019] для получения особо чистой воды и других жидкостей методом поверхностной дистилляции, авторы которого предложили для увеличения эффективности очистки исходной жидкости использовать каскад перегонных аппаратов. Известное устройство выполнено из кварцевого стекла, состоит из каскада трех перегонных аппаратов, которые соединены между собой последовательно, внутри каждого аппарата расположен нагревательный элемент, конденсатор в виде изогнутой трубки, переливное устройство для контроля максимально допустимого уровня перегоняемой жидкости и поршень для выгрузки продукта и помывки аппарата. Известное устройство содержит входное отверстие для подачи исходной жидкости в первый перегонный аппарат и емкость для сбора высокочистой жидкости, которую получают на выходе из третьего перегонного аппарата. Каждый перегонный аппарат соединен между собой соединительной трубкой из кварцевого стекла. При нагревании исходной жидкости в первом перегонном аппарате легколетучая фракция испаряется, ее пары конденсируются на трубке конденсатора и, стекая по ней вниз, попадают в соединительную трубку, через которую стекают во второй перегонный аппарат. Во втором перегонном аппарате процесс поверхностной дистилляции повторяется. Очищенную жидкость из третьего перегонного аппарата собирают в контейнер, расположенный за пределами перегонного аппарата.A device is known [CN 201410306 Y, published: 15.05.2019] for obtaining ultra-pure water and other liquids by surface distillation, the authors of which proposed using a cascade of distillation apparatuses to increase the efficiency of purification of the initial liquid. The known device is made of quartz glass, consists of a cascade of three distillation apparatuses, which are connected to each other in series, inside each apparatus there is a heating element, a condenser in the form of a curved tube, an overflow device for controlling the maximum permissible level of the distilled liquid and a piston for unloading the product and washing the apparatus. The known device contains an inlet for feeding the initial liquid into the first distillation apparatus and a container for collecting high-purity liquid, which is obtained at the outlet of the third distillation apparatus. Each distillation apparatus is connected to each other by a connecting tube made of quartz glass. When the initial liquid is heated in the first distillation apparatus, the volatile fraction evaporates, its vapors condense on the condenser tube and, flowing down it, enter the connecting tube, through which they flow into the second distillation apparatus. In the second distillation apparatus, the process of surface distillation is repeated. The purified liquid from the third distillation apparatus is collected in a container located outside the distillation apparatus.

Общим для известного и заявленного устройства является использование метода поверхностной дистилляции для очистки жидкостей, отбор кубового остатка, обеспечена возможность непрерывной работы аппарата.What is common to the known and declared devices is the use of the surface distillation method for purifying liquids, the selection of still residue, and the possibility of continuous operation of the apparatus.

Недостатками известного устройства являются громоздкое оборудование и неизбежные потери хлороводорода, низкий выход конечного продукта и сложность получения продукта с высокой концентрацией. К достоинствам можно отнести высокую степень очистки.The disadvantages of the known device are bulky equipment and inevitable losses of hydrogen chloride, low yield of the final product and difficulty in obtaining a product with a high concentration. The advantages include a high degree of purification.

Основная проблема одноступенчатого дистиллятора при очистке соляной кислоты заключается в том, что состав жидкости и пара непрерывно изменяется, в результате чего в начальный момент времени отгоняется преимущественно хлороводород, а позже - азеотропная смесь, состоящая на 80% из водяного пара. Способом устранения этой проблемы является параллельная отгонка хлороводорода и азеотропного раствора с объединением их в паровой фазе и последующей конденсацией. Для этого можно использовать каскад перегонных аппаратов с перемещением между ступенями каскада не дистиллята (как в предыдущем аналоге), а кубового остатка. При этом паровую фазу со всех ступеней необходимо направлять в отдельный смеситель перед конденсацией. Однако значительно проще эта проблема решается в многоступенчатом аппарате непрерывного действия, например, тарельчатой колонне. В этом случае смешение пара, полученного на разных ступенях, можно осуществлять в общем свободном объёме аппарата.The main problem of a single-stage distiller in the purification of hydrochloric acid is that the composition of the liquid and steam continuously changes, as a result of which at the initial moment of time mainly hydrogen chloride is distilled off, and later - an azeotropic mixture consisting of 80% water vapor. A way to eliminate this problem is parallel distillation of hydrogen chloride and azeotropic solution with their combination in the vapor phase and subsequent condensation. For this purpose, a cascade of distillation apparatuses can be used with the movement between the stages of the cascade not of the distillate (as in the previous analogue), but of the still residue. In this case, the vapor phase from all stages must be directed to a separate mixer before condensation. However, this problem is solved much more simply in a multi-stage continuous apparatus, for example, a plate column. In this case, the mixing of the steam obtained at different stages can be carried out in the common free volume of the apparatus.

В случае переменного состава фаз в плёночных аппаратах возникают технические трудности создания контролируемых параметров с непрерывным пространственным (поверхностным) распределением. С этой точки зрения значительно проще использовать аппарат со ступенчатым контактом фаз и контролировать параметры в ограниченном наборе ступеней. Поток очищаемой жидкости в этом случае проходит последовательно через набор ступеней (тарелок). В пределах каждой ступени параметры процесса примерно постоянны и могут надёжно контролироваться. Таким образом, использование тарельчатой колонны является выгодным не только для предотвращения потерь хлороводорода, но и для эффективного контроля параметров поверхностной дистилляции.In the case of a variable phase composition in film apparatuses, technical difficulties arise in creating controlled parameters with a continuous spatial (surface) distribution. From this point of view, it is much simpler to use an apparatus with a stepwise phase contact and control the parameters in a limited set of stages. In this case, the flow of the purified liquid passes sequentially through a set of stages (plates). Within each stage, the process parameters are approximately constant and can be reliably controlled. Thus, the use of a plate column is advantageous not only for preventing hydrogen chloride losses, but also for effective control of the surface distillation parameters.

Применение ректификационных колонн тарельчатого типа для глубокой очистки соляной кислоты широко распространено в химической промышленности. Поскольку положение азеотропной точки зависит от величины давления, то можно достичь полного разделения компонентов смеси при помощи ректификации при двух разных давлениях. The use of tray-type rectification columns for deep purification of hydrochloric acid is widespread in the chemical industry. Since the position of the azeotropic point depends on the pressure, it is possible to achieve complete separation of the components of the mixture by rectification at two different pressures.

Известны и другие варианты увеличения степени разделения при использовании ректификационных колонн – использование метода экстрактивной ректификации [CN 214399818 U, опубл.: 15.10.2021, CN 214634110 U, опубл.: 09.11.2021, CN101164867, опубл.: 23.04.2008]. Однако данные подходы имеют существенные недостатки: необходимое оборудование слишком громоздкое, состоит из нескольких колонн и требует высоких энергозатрат. При использовании в качестве экстрагирующего реагента CaCl₂, MgCl₂ возникает сложность очистки оборудования, связанная с кристаллизацией солей. Поэтому данные подходы являются малопригодными. There are also other known options for increasing the degree of separation when using distillation columns - using the extractive distillation method [CN 214399818 U, published: 15.10.2021, CN 214634110 U, published: 09.11.2021, CN101164867, published: 23.04.2008]. However, these approaches have significant drawbacks: the necessary equipment is too bulky, consists of several columns and requires high energy costs. When using CaCl ₂ , MgCl ₂ as an extracting reagent, there is a difficulty in cleaning the equipment associated with the crystallization of salts. Therefore, these approaches are of little use.

Известно устройство [RU 2233193 C1, опубл.: 27.07.2004], которое является наиболее близким аналогом заявленному устройству, представляющее собой тарельчатую колонну, которая содержит сливные шахты для переноса жидкости между соседними тарелками, все тарелки имеют перфорацию. Перенос жидкости на нагруженную тарелку происходит в каждой сливной шахте через множество выходных отверстий. Жидкость, вытекающая из выходных отверстий в виде струй, переходит при попадании на нагруженную тарелку в расходящееся на отдельных участках поле потока, которое по отношению к продольному направлению главного потока имеет поперечные составляющие скорости потока. Под выходными отверстиями и на расстоянии от нагруженной тарелки расположены дефлекторы. Дефлекторы имеют разные углы наклона. Они отклоняют импульс жидкости в соответствии с расходящимся полем потока. Дефлекторы способствуют образованию поперечных составляющих скорости, так что продольная составляющая скорости потока в каждой плоскости перпендикулярно направлению главного потока имеет в значительной степени постоянный профиль. Выходные отверстия преимущественно постепенно выполнены разной величины, на центральном участке меньше, чем на соседних флангах. Через перфорации тарелок газовая фаза течет снизу вверх и пересекает в условиях перекрестного тока в виде пузырьков газожидкостную смесь. Происходит массо- и/или теплообмен между обеими фазами. Известное устройство имеет кругообразное сечение. В каждую тарелку встроена сливная шахта. Сливные шахты соседних тарелок расположены диаметрально по отношению друг к другу. A device is known [RU 2233193 C1, published: 27.07.2004], which is the closest analogue to the claimed device, which is a plate column that contains drain shafts for transferring liquid between adjacent plates, all plates are perforated. Liquid is transferred to a loaded plate in each drain shaft through a plurality of outlet openings. Liquid flowing out of the outlet openings in the form of jets passes, upon hitting the loaded plate, into a flow field diverging in individual sections, which has transverse components of the flow velocity in relation to the longitudinal direction of the main flow. Deflectors are located under the outlet openings and at a distance from the loaded plate. The deflectors have different angles of inclination. They deflect the liquid momentum in accordance with the diverging flow field. The deflectors contribute to the formation of transverse components of the velocity, so that the longitudinal component of the flow velocity in each plane perpendicular to the direction of the main flow has a largely constant profile. The outlet openings are mainly gradually made of different sizes, on the central section smaller than on the adjacent flanks. Through the perforations of the plates, the gas phase flows from the bottom up and crosses the gas-liquid mixture in the form of bubbles under cross-flow conditions. Mass and/or heat exchange occurs between both phases. The known device has a circular cross-section. A drain shaft is built into each plate. The drain shafts of adjacent plates are located diametrically relative to each other.

Общим для известного и заявленного устройства является использование ступенчатого контакта фаз, реализованного в виде тарельчатой колонны, использование дефлекторов для распределения потока жидкости, сливные шахты расположены диаметрально по отношению друг к другу.The common feature of the known and declared devices is the use of a stepped phase contact implemented in the form of a plate column, the use of deflectors to distribute the liquid flow, and the drain shafts located diametrically relative to each other.

Технической проблемой прототипа является использование перфорированных тарелок; парогазовая фаза, проходя через слой жидкости, способствует ее диспергированию, что приводит к образованию капель аэрозоля, содержащих примеси, которые загрязняют дистиллят. Основная же идея поверхностной дистилляции заключается, наоборот, в максимальном снижении вероятности диспергирования. Также известное устройство, выбранное в качестве прототипа, использует в качестве конструкционного материала – листовой материал, марка которого не указана в патенте. Однако для получения высокочистой соляной кислоты металлические сплавы являются непригодными, поскольку кислота способствует их коррозии.The technical problem of the prototype is the use of perforated plates; the vapor-gas phase, passing through the liquid layer, promotes its dispersion, which leads to the formation of aerosol droplets containing impurities that pollute the distillate. The main idea of surface distillation, on the contrary, is to minimize the probability of dispersion. Also, the known device chosen as a prototype uses sheet material as a structural material, the brand of which is not specified in the patent. However, metal alloys are unsuitable for obtaining high-purity hydrochloric acid, since the acid promotes their corrosion.

Задачей полезной модели является устранение технических проблем прототипа, а также объединение достоинств аппаратов пленочного и тарельчатого типов и устранение их недостатков.The objective of the utility model is to eliminate the technical problems of the prototype, as well as to combine the advantages of film and plate type devices and eliminate their disadvantages.

Техническим результатом полезной модели является уменьшение потерь хлороводорода в окружающую среду, повышение выхода и концентрации конечного продукта без диспергирования испаряемого раствора. The technical result of the utility model is a reduction in the loss of hydrogen chloride into the environment, an increase in the yield and concentration of the final product without dispersing the evaporated solution.

Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлено устройство для испарения соляной кислоты при её очистке методом поверхностной дистилляции, выполненное в виде тарельчатой колонны, содержащее дефлекторы для распределения потока жидкости, коллекторы, которые расположены диаметрально по отношению друг к другу, отличающееся тем, что оно состоит из камеры, закрытой сверху крышкой с отверстием для подающей жидкости и установленной на дно, и паропровода, на который надеты тарелки, при этом тарелки разделены кольцами малыми и кольцами большими, каждая из тарелок состоит из корпуса с дефлекторами, установленного на нагреватель, при этом на корпусе тарелок установлены закрепленные на держателях датчики температуры, каждая последующая тарелка соединена с предыдущей с помощью коллектора, при этом коллекторы расположены диаметрально, коллектор нижней тарелки соединен со сливной трубкой и выходным штуцером для отвода кубового остатка, причем устройство выполнено с возможностью вывода из испарителя через паропровод парогазового потока, обогащенного на нижних тарелках парами воды и на верхних тарелках – хлороводородом.The specified technical result is achieved due to the fact that a device for evaporating hydrochloric acid during its purification by the surface distillation method is claimed, made in the form of a plate column, containing deflectors for distributing the liquid flow, collectors that are located diametrically with respect to each other, characterized in that it consists of a chamber closed at the top with a lid with an opening for the supply liquid and installed on the bottom, and a steam pipeline on which plates are put on, wherein the plates are separated by small rings and large rings, each of the plates consists of a housing with deflectors installed on a heater, wherein temperature sensors are installed on the housing of the plates, fixed on holders, each subsequent plate is connected to the previous one by means of a collector, wherein the collectors are located diametrically, the collector of the lower plate is connected to a drain pipe and an outlet fitting for removing the still residue, and the device is designed with the possibility of removing from the evaporator through a steam pipeline a steam-gas flow enriched in the lower plates with water vapor and on the upper plates with hydrogen chloride.

Предпочтительно, устройство имеет замкнутый контур потока газа.Preferably, the device has a closed gas flow loop.

Предпочтительно, управление нагревом тарелок выполнено посредством многоканальных температурных контроллеров, имеющих обратную связь через датчики температуры, расположенные на тарелках.Preferably, the control of the heating of the plates is carried out by means of multi-channel temperature controllers having feedback through temperature sensors located on the plates.

Предпочтительно, устройство выполнено с возможностью управления скоростью газового потока посредством контроллера.Preferably, the device is configured to control the gas flow rate by means of a controller.

Предпочтительно, устройство выполнено с возможностью поддержания температуры парогазового потока контроллером с использованием датчика температуры.Preferably, the device is designed with the possibility of maintaining the temperature of the steam-gas flow by the controller using a temperature sensor.

Предпочтительно, детали устройства, контактирующие с раствором и парами соляной кислоты, выполнены из фторопласта-4 марки ПН и фторопласта-4Д, а для уплотнений использован пористый фторопласт-4 и резина из перфторированного каучука FFKM.Preferably, the parts of the device that come into contact with the solution and vapors of hydrochloric acid are made of fluoroplastic-4 grade PN and fluoroplastic-4D, and porous fluoroplastic-4 and rubber made of perfluorinated rubber FFKM are used for seals.

Предпочтительно, нагревательные элементы выполнены из нихрома Х20Н80.Preferably, the heating elements are made of nichrome X20N80.

Полезная модель поясняется чертежами.The utility model is illustrated by drawings.

На Фиг.1 показано устройство для испарения соляной кислоты при её очистке методом поверхностной дистилляции.Fig. 1 shows a device for evaporating hydrochloric acid during its purification by surface distillation.

На Фиг. 2 показано устройство тарелки.Fig. 2 shows the structure of the plate.

На Фиг. 3 показано устройство коллектора.Fig. 3 shows the collector device.

На чертежах: 1 – камера, 2 – крышка, 3 – паропровод, 4 – тарелка, 5 – кольцо малое, 6 – кольцо большое, 7 – дно, 8 – коллектор, 9 – тарелка нижняя, 10 – штуцер выходной, 11 – трубка сливная, 12 – провод сигнальный, 13 – провод силовой, 14 – трубка подающая, 15 – корпус, 16 – держатель термодатчика, 17 – термодатчик, 18 – нагреватель, 19 – дефлектор.In the drawings: 1 – chamber, 2 – cover, 3 – steam line, 4 – plate, 5 – small ring, 6 – large ring, 7 – bottom, 8 – manifold, 9 – lower plate, 10 – outlet nipple, 11 – drain tube, 12 – signal wire, 13 – power wire, 14 – feed tube, 15 – body, 16 – temperature sensor holder, 17 – temperature sensor, 18 – heater, 19 – deflector.

Осуществление полезной моделиImplementation of a utility model

Основной принцип работы заявленного устройства для испарения соляной кислоты при её очистке методом поверхностной дистилляции состоит в одновременном испарении преимущественно хлороводорода при низкой температуре (на верхних тарелках) и преимущественно воды при высокой температуре (на нижних тарелках) с перемешиванием паров в газовой фазе в верхней секции. Массообмен с парогазовой фазой контролируется вынужденной конвекцией в замкнутом цикле по противоточной схеме.The basic principle of operation of the claimed device for evaporation of hydrochloric acid during its purification by the surface distillation method consists in the simultaneous evaporation of predominantly hydrogen chloride at a low temperature (on the upper plates) and predominantly water at a high temperature (on the lower plates) with mixing of vapors in the gas phase in the upper section. Mass exchange with the vapor-gas phase is controlled by forced convection in a closed cycle according to a counter-current scheme.

Заявленное устройство для испарения соляной кислоты при её очистке методом поверхностной дистилляции состоит из камеры 1 (см. Фиг.1), закрытой сверху крышкой 2 с отверстием для подающей жидкости и установленной на дно, и паропровода 3, на который надеты тарелки 4. The claimed device for evaporating hydrochloric acid during its purification by the surface distillation method consists of a chamber 1 (see Fig. 1), closed on top by a lid 2 with an opening for the supply liquid and installed on the bottom, and a steam line 3, onto which plates 4 are placed.

Тарелки 4 разделены кольцами малыми 5 и кольцами большими 6.Plates 4 are separated by small rings 5 and large rings 6.

Каждая из тарелок 4 состоит из корпуса 15 с дефлекторами 19 (см. Фиг.2), установленного на нагреватель 18, при этом на корпусе тарелок 4 установлены закрепленные на держателях 16 датчики температуры 17.Each of the plates 4 consists of a body 15 with deflectors 19 (see Fig. 2), installed on a heater 18, while temperature sensors 17 are mounted on the body of the plates 4, secured to holders 16.

Каждая последующая тарелка 4 соединена с предыдущей с помощью коллектора 8, которые расположены диаметрально. При этом, коллектор 8 нижней тарелки 4 соединен со сливной трубкой 11 и выходным штуцером 10 для отвода кубового остатка.Each subsequent plate 4 is connected to the previous one by means of a collector 8, which are located diametrically. In this case, the collector 8 of the lower plate 4 is connected to the drain pipe 11 and the outlet nipple 10 for removing the still residue.

При этом устройство выполнено таким образом, что парогазовый поток, обогащенный на нижних тарелках парами воды и на верхних тарелках – хлороводородом, выводится из испарителя через паропровод 3.In this case, the device is designed in such a way that the steam-gas flow, enriched with water vapor on the lower plates and with hydrogen chloride on the upper plates, is removed from the evaporator through steam line 3.

Исходный раствор соляной кислоты с заданным расходом подается в камеру 1 (Фиг. 1), в которой по трубке 14 раствор поступает на верхнюю тарелку 4 и медленно движется от подающей трубки к коллектору 8. Проходя по тарелке 4 (Фиг. 2), раствор нагревается нагревателем 18 и движущимся в противоположном направлении парогазовым потоком. На каждой тарелке 4 организовано ламинарное движение испаряемого раствора кислоты таким образом, что температура потока увеличивается по мере движения от начала к концу тарелки при постоянной плотности мощности нагрева. Температура раствора поддерживается на несколько градусов ниже температуры кипения. При этом часть раствора, содержащая преимущественно хлороводород, испаряется с поверхности и уносится парогазовым потоком в трубу паропровода 3 (Фиг. 1). Температура раствора измеряется на входе и выходе с тарелки датчиками температуры 17 (Фиг. 2), которые закреплены на корпусе 15 тарелки держателями 16. При движении по поверхности тарелки поток разбивается на несколько течений с помощью дефлекторов 19, уравнивающих их круговые скорости. Обедненный хлороводородом раствор собирается коллектором 8 (Фиг. 1), в конструкции которого предусмотрены конические отверстия (Фиг. 3), образующие канал для стекающих капель, исключающий их падение с образованием брызг. Из коллектора раствор поступает на следующую тарелку. Коллекторы расположены диаметрально. Далее процесс повторяется, но при более высокой температуре. При этом концентрация хлороводорода в растворе снижается, а скорость испарения воды возрастает. По достижении нижней тарелки раствор достигает своей предельно низкой концентрации и после попадания в коллектор выходит через сливную трубку 11 (Фиг. 1) и штуцер 10 из камеры испарителя в отдельную емкость для кубового остатка. The initial hydrochloric acid solution is fed at a given flow rate into chamber 1 (Fig. 1), where the solution enters upper plate 4 via tube 14 and slowly moves from the feed tube to collector 8. Passing along plate 4 (Fig. 2), the solution is heated by heater 18 and the steam-gas flow moving in the opposite direction. On each plate 4, laminar movement of the evaporated acid solution is organized in such a way that the flow temperature increases as it moves from the beginning to the end of the plate at a constant heating power density. The solution temperature is maintained several degrees below the boiling point. In this case, part of the solution, containing predominantly hydrogen chloride, evaporates from the surface and is carried away by the steam-gas flow into the steam pipeline pipe 3 (Fig. 1). The temperature of the solution is measured at the inlet and outlet of the tray by temperature sensors 17 (Fig. 2), which are secured to the body 15 of the tray by holders 16. When moving along the surface of the tray, the flow is divided into several currents by deflectors 19, equalizing their circular velocities. The solution depleted in hydrogen chloride is collected by the collector 8 (Fig. 1), the design of which includes conical openings (Fig. 3), forming a channel for flowing drops, preventing them from falling and forming splashes. From the collector, the solution enters the next tray. The collectors are located diametrically. Then the process is repeated, but at a higher temperature. In this case, the concentration of hydrogen chloride in the solution decreases, and the rate of water evaporation increases. Upon reaching the lower tray, the solution reaches its extremely low concentration and, after entering the collector, exits through the drain pipe 11 (Fig. 1) and the nozzle 10 from the evaporator chamber into a separate container for the still residue.

Парогазовый поток, обогащенный на нижних тарелках парами воды и на верхних тарелках – хлороводородом, выводится из заявленного устройства для испарения соляной кислоты через паропровод.The steam-gas flow, enriched with water vapor on the lower plates and with hydrogen chloride on the upper plates, is removed from the claimed device for evaporating hydrochloric acid through a steam line.

Для организации непрерывной работы заявленного устройства для испарения соляной кислоты и снижения нагрузки на окружающую среду обеспечена возможность рециркуляции газа-носителя, которым может быть очищенный воздух, вместе с некоторым избытком хлороводорода.In order to organize continuous operation of the claimed device for evaporating hydrochloric acid and reducing the load on the environment, the possibility of recirculating the carrier gas, which can be purified air, together with some excess hydrogen chloride, is provided.

Наличие замкнутого контура потока газа позволяет избежать выбросов в атмосферу, снижая негативное влияние на окружающую среду.The presence of a closed gas flow circuit allows avoiding emissions into the atmosphere, reducing the negative impact on the environment.

Предпочтительно, нагрев тарелок поддерживают многоканальными температурными контроллерами, имеющими обратную связь через датчики температуры, расположенные на тарелках.Preferably, the heating of the plates is maintained by multi-channel temperature controllers having feedback through temperature sensors located on the plates.

Предпочтительно, скорость газового потока задают контроллером.Preferably, the gas flow rate is set by a controller.

Предпочтительно, температуру парогазового потока поддерживают температурным контроллером с использованием датчика температуры.Preferably, the temperature of the steam-gas flow is maintained by a temperature controller using a temperature sensor.

Предпочтительно, материалами для изготовления деталей, контактирующих с раствором и парами соляной кислоты, является фторопласт-4 марки ПН и фторопласт-4Д, который используют для транспортных трубок, а также оболочек нагревательных элементов и электрических проводников. Для уплотнений используют пористый фторопласт-4 (материал «порофлекс») и резина из перфторированного каучука FFKM.Preferably, the materials for manufacturing parts that come into contact with the solution and vapors of hydrochloric acid are fluoroplast-4 grade PN and fluoroplast-4D, which is used for transport tubes, as well as for the casings of heating elements and electrical conductors. Porous fluoroplast-4 (material "poroflex") and rubber made of perfluorinated rubber FFKM are used for seals.

Предпочтительно, нагревательные элементы изготавливают из нихрома Х20Н80.Preferably, heating elements are made of nichrome X20N80.

Основными регулируемыми параметрами процесса является скорость подачи исходного раствора соляной кислоты в испаритель, скорость газового потока, температура тарелок, температура парогазового потока.The main adjustable parameters of the process are the feed rate of the initial hydrochloric acid solution into the evaporator, the gas flow rate, the temperature of the plates, and the temperature of the steam-gas flow.

Существенным отличием заявленного устройства для испарения соляной кислоты при её очистке методом поверхностной дистилляции является увеличение чистоты дистиллята и производительности устройства за счет увеличения интенсивности массообмена и эффективной поверхности испарения, использования непрерывного режима работы, а также за счет обеспечения более точного контроля параметров процесса в ограниченном наборе ступеней, рециркуляции газа, позволяющей снизить выбросы хлороводорода в окружающую среду, упрощение и снижение стоимости технологии с возможностью масштабирования.A significant difference of the declared device for evaporation of hydrochloric acid during its purification by the method of surface distillation is an increase in the purity of the distillate and the productivity of the device due to an increase in the intensity of mass exchange and the effective evaporation surface, the use of a continuous operating mode, as well as due to ensuring more precise control of the process parameters in a limited set of stages, gas recirculation, which allows reducing emissions of hydrogen chloride into the environment, simplification and reduction of the cost of the technology with the possibility of scaling.

Заявленный технический результат – уменьшение потерь хлороводорода в окружающую среду, повышение выхода и концентрации конечного продукта без диспергирования испаряемого раствора достигается с помощью заявленного устройства за счёт разделения потока испаряемого раствора на несколько участков, на каждом из которых осуществляется ламинарное движение раствора в тонком слое при температуре, близкой к температуре кипения, соответствующей концентрации раствора на данном участке, с противотоком рециркулирующего газа-носителя, смешивающим пары со всех участков перед стадией конденсации. The declared technical result - a reduction in the loss of hydrogen chloride into the environment, an increase in the yield and concentration of the final product without dispersion of the evaporated solution is achieved using the declared device by dividing the flow of the evaporated solution into several sections, in each of which laminar movement of the solution in a thin layer is carried out at a temperature close to the boiling point corresponding to the concentration of the solution in this section, with a counter-current of recirculating carrier gas mixing vapors from all sections before the condensation stage.

Способ очистки соляной кислоты методом поверхностной дистилляции при помощи заявленного устройства рассмотрен в Примерах 1 и 2.The method of purifying hydrochloric acid by surface distillation using the claimed device is discussed in Examples 1 and 2.

Пример 1. Example 1.

Устанавливают основные характеристики процесса:The main characteristics of the process are established:

- концентрация соляной кислоты в исходном растворе: 35 мас. %.- concentration of hydrochloric acid in the initial solution: 35 wt.%.

- расход исходного раствора соляной кислоты: 0,077 г/с, - consumption of the initial hydrochloric acid solution: 0.077 g/s,

- максимальная плотность мощности нагрева (последняя тарелка): 2,7 кВт/м²,- maximum heating power density (last plate): 2.7 kW/ ^m2 ,

- объемный расход газа в системе рециркуляции на выходе конденсатора: 2 л/с,- volumetric gas flow rate in the recirculation system at the condenser outlet: 2 l/s,

- температура газа на входе в испаритель: 160 °С,- gas temperature at the evaporator inlet: 160 °C,

- температура охлаждающей воды: 20 °C,- cooling water temperature: 20 °C,

- число тарелок: 4,- number of plates: 4,

- площадь тарелки: 207 см².- plate area: 207 cm ² .

Исходный раствор соляной кислоты концентрацией 35 мас. % подается в камеру 1 (Фиг. 1), в которой по трубке 14 раствор поступает на верхнюю ламинарную тарелку 4 и медленно движется от подающей трубки к коллектору 8. Проходя по тарелке (Фиг. 2), раствор нагревается нагревателем 18 и движущимся в противоположном направлении парогазовым потоком. При этом часть раствора, содержащая преимущественно хлороводород, испаряется с поверхности и уносится парогазовым потоком в трубу паропровода 3 (Фиг. 1). Температуру раствора на каждой тарелке измеряется датчиками температуры 17 (Фиг. 2) и поддерживается автоматическим регулятором. Установка на автоматическом регуляторе выбирается от 1 °C до 3 °C ниже температуры кипения. Температуру кипения раствора в месте расположения датчика температуры находят по графику нагрева, построенному по данным предварительного опыта. При движении по поверхности тарелки поток разбивается на несколько течений с помощью дефлекторов 19, уравнивающих их круговые скорости. Обедненный хлороводородом раствор собирается коллектором 8 (Фиг. 1), из которого раствор поступает на следующую тарелку. Далее процесс повторяется, но при более высокой температуре. При этом концентрация хлороводорода в растворе снижается, а скорость испарения воды возрастает. По достижении нижней тарелки раствор достигает своей предельно низкой концентрации и после попадания в коллектор выходит через сливную трубку 11 (Фиг. 1) и штуцер 10 из камеры испарителя в отдельную емкость для кубового остатка. The initial hydrochloric acid solution with a concentration of 35 wt. % is fed into chamber 1 (Fig. 1), in which the solution enters the upper laminar plate 4 via tube 14 and slowly moves from the feed tube to collector 8. Passing along the plate (Fig. 2), the solution is heated by heater 18 and the steam-gas flow moving in the opposite direction. In this case, part of the solution, containing mainly hydrogen chloride, evaporates from the surface and is carried away by the steam-gas flow into the steam line pipe 3 (Fig. 1). The temperature of the solution on each plate is measured by temperature sensors 17 (Fig. 2) and maintained by an automatic controller. The setting on the automatic controller is selected from 1 °C to 3 °C below the boiling point. The boiling point of the solution at the location of the temperature sensor is found from the heating graph constructed based on the data of the preliminary experiment. When moving along the surface of the plate, the flow is divided into several streams by deflectors 19, equalizing their circular velocities. The solution depleted in hydrogen chloride is collected by collector 8 (Fig. 1), from which the solution enters the next plate. Then the process is repeated, but at a higher temperature. In this case, the concentration of hydrogen chloride in the solution decreases, and the rate of water evaporation increases. Upon reaching the lower plate, the solution reaches its extremely low concentration and after entering the collector, it exits through drain pipe 11 (Fig. 1) and nozzle 10 from the evaporator chamber into a separate container for still residue.

Парогазовый поток, обогащенный на нижних тарелках парами воды и на верхних тарелках – хлороводородом, выводится через паропровод. Пропустив парогазовый поток через конденсатор и сепаратор, возможно избежать выброса хлороводорода в окружающую среду и повторно использовать газовый поток, который вновь подается в камеру 1. Далее процесс повторяется.The steam-gas flow, enriched with water vapor on the lower plates and with hydrogen chloride on the upper plates, is discharged through a steam pipeline. By passing the steam-gas flow through a condenser and separator, it is possible to avoid the release of hydrogen chloride into the environment and reuse the gas flow, which is again fed into chamber 1. Then the process is repeated.

Согласно указанным параметрам возможно получить высокочистую соляную кислоту с концентрацией 37 мас. % и производительностью 5,6 кг/сут. Выход основного продукта составляет 84 %, массовая доля соляной кислоты в кубовом остатке – 25,3 мас. %.According to the specified parameters, it is possible to obtain high-purity hydrochloric acid with a concentration of 37 wt. % and a productivity of 5.6 kg/day. The yield of the main product is 84%, the mass fraction of hydrochloric acid in the still residue is 25.3 wt. %.

Пример 2. Example 2.

- расход исходного раствора соляной кислоты: 0,1 г/с, - consumption of the initial hydrochloric acid solution: 0.1 g/s,

- объемный расход газа в системе рециркуляции на выходе конденсатора: 2,5 л/с,- volumetric gas flow rate in the recirculation system at the condenser outlet: 2.5 l/s,

- температура газа на входе в испаритель: 110 °С,- gas temperature at the evaporator inlet: 110 °C,

- число тарелок: 7,- number of plates: 7,

- площадь тарелки: 207 см².- plate area: 207 cm ² .

Согласно указанным параметрам возможно получить высокочистую соляную кислоту с концентрацией 37 мас. % и производительностью 6,5 кг/сут. Выход основного продукта составляет 75 %, массовая доля соляной кислоты в кубовом остатке – 29 мас. %.According to the specified parameters, it is possible to obtain high-purity hydrochloric acid with a concentration of 37 wt. % and a productivity of 6.5 kg/day. The yield of the main product is 75%, the mass fraction of hydrochloric acid in the still residue is 29 wt. %.

Claims

1. A device for evaporating hydrochloric acid during its purification by surface distillation, made in the form of a plate column, containing deflectors for distributing the liquid flow, collectors that are located diametrically with respect to each other, characterized in that it consists of a chamber closed at the top with a lid with an opening for the supply liquid and installed on the bottom, and a steam line on which the plates are put on, while the plates are separated by small rings and large rings, each of the plates consists of a housing with deflectors installed on a heater, while temperature sensors fixed on holders are installed on the housing of the plates, each subsequent plate is connected to the previous one by means of a collector, while the collectors are located diametrically, the collector of the lower plate is connected to a drain pipe and an outlet fitting for removing the still residue, and the device is designed with the possibility of removing from the evaporator through a steam line a steam-gas flow enriched in water vapor on the lower plates and in plates - with hydrogen chloride.

2. The device according to item 1, characterized in that it has a closed gas flow circuit.

3. The device according to item 1, characterized in that the control of the heating of the plates is performed by means of multi-channel temperature controllers having feedback through temperature sensors located on the plates.

4. The device according to item 1, characterized in that it is designed with the possibility of controlling the speed of the gas flow by means of a controller.

5. The device according to item 1, characterized in that it is designed with the possibility of maintaining the temperature of the steam-gas flow by the controller using a temperature sensor.

6. The device according to item 1, characterized in that the parts that come into contact with the solution and vapors of hydrochloric acid are made of fluoroplastic-4 grade PN and fluoroplastic-4D, and porous fluoroplastic-4 and rubber made of perfluorinated rubber FFKM are used for the seals.

7. The device according to item 1, characterized in that the heating elements are made of nichrome X20N80.