Если смешивать горячий
газ с холодным воздухом, то часть хлористого
водорода будет реагировать с кислородом
воздуха по реакции:
2HCl + 1/2O2 = Cl2 + H2O,
что снизит выход хлористого
водорода.
Смешение предварительно
охлажденных продуктов горения с нагретым
воздухом снижает скорость реакции образования
хлора, т.о. обеспечивается высокая степень
конверсии.
Предложенный способ
и топку опробовали в лабораторных условиях.
Примеры осуществления
способа.
Пример 1
Сжигание хлорсодержащего
газа осуществляется при температуре
1600oC в типовой
циклонной топке. В камеру горения подавали
холодный вторичный воздух. Продукты горения
с температурой 1600oC смешивались
с воздухом температуры 18oC и получали
газовоздушную смесь необходимого состава
с температурой 400-500oC. Степень
конверсии составила 90%.
Пример 2
Сжигание хлорсодержащего
газа осуществляли при температуре 1600oC в циклонной
топке с встроенным теплообменником. В
теплообменнике температура продуктов
горения резко снижалась до 800oC. Через патрубки
в корпусе топки в теплообменник подавали
вторичный воздух (t = 18oC). После смешения
газа с воздухом получена смесь с температурой
400-500oC. Степень
конверсии составила 99,4%.
Использование способа
и топки позволит получить газовоздушную
смесь определенного состава и температуры,
применяемую в качестве топочного газа
в печах кипящего слоя, и обеспечить высокую
степень конверсии хлора.
Формула
изобретения:
1. Способ получения
хлористого водорода из хлорсодержащих
газов, включающий сжигание их
в пламени углеродно-водородного
топлива в присутствии паров
и последующее охлаждение, отличающийся
тем, что охлаждение продуктов
горения осуществляют в две
стадии: на первой стадии - до 750-800oC воздухом
в теплообменнике, а на второй стадии -
до 450-500oC прямым контактом
с воздухом, пропущенным через теплообменник
на первой стадии.
2. Топка для получения
хлористого водорода сжиганием
хлорсодержащих газов в пламени
углеродно-водородного топлива в
присутствии паров воды, включающая
корпус, камеру горения, горелку, отличающаяся
тем, что она имеет камеру смешения,
отделенную от камеры горения
теплообменником, при этом теплообменник
имеет каналы, соединяющие камеру
горения с камерой смешения, а
также каналы для воздуха с
входными отверстиями на наружной
поверхности корпуса топки и
выходом в камеру смешения.
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ |
(19) |
RU |
(11) |
2211799 |
(13) |
C1 |
|
(51) МПК 7 C01B7/01,
B01J7/00 |
|
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
Статус: по данным на 28.03.2011 -
может прекратить свое действие |
|
(21), (22) Заявка: 2002110940/12, 24.04.2002
(24) Дата начала отсчета срока
действия патента:
24.04.2002
(45) Опубликовано: 10.09.2003
(56) Список документов, цитированных
в отчете о
поиске: ЛЕВИНСКИЙ М.И., МАЗАНКО А.Ф., НОВИКОВ И.Н.,
Хлористый водород и соляная кислота.
- М.: Химия, 1985, с.30-32. SU 1184326 А, 30.06.1988. RU 2173296
С2, 10.09.2001. GB 1311757 А, 28.03.1973. DE 1667724 A, 29.07.1971.
FR 2525202 А, 21.10.1983. FR 2160505 А, 03.08.1973. US 4222997 А,
16.09.1980.
Адрес для переписки:
429952,
г. Новочебоксарск, ул. Промышленная, 101,
ОАО "Химпром", технический отдел,
А.Н.Лужанскому
(71) Заявитель(и):
Открытое
акционерное общество "Химпром"
(72) Автор(ы):
Гашенко
С.И.,
Тищенко И.А.,
Кашин В.Н.
(73) Патентообладатель(и):
Открытое
акционерное общество "Химпром"
РЕАКТОР ДЛЯ СИНТЕЗА ХЛОРИСТОГО
ВОДОРОДА
Изобретение предназначено
для получения хлористого водорода. Реактор
включает корпус в форме двух усеченных
конусов, соединенных между собой основаниями
с большим диаметром, устройство для выхода
продукта, расположенное в верхней части
корпуса и представляющее собой несколько
выходных патрубков, расположенных эквидистантно
горизонтальной плоскости, пересекающей
верхний конус. Количество патрубков определяется
по формуле n=3,1415d/h, где n - количество выходных
патрубков; d - диаметр реактора в месте
установки патрубков; h - расстояние от
верхнего фланца до плоскости, образованной
сечением конусной образующей в месте
установки патрубков, причем d=0,05-l,21 диаметра
верха корпуса. Каждый выходной патрубок
снабжен защитным кожухом в виде усеченного
конуса, углубленным большим основанием
вовнутрь корпуса реактора на расстояние,
равное 0,1-1,2 диаметра большего основания
защитного кожуха. Горелка выполнена трехполостной
с полостью воспламенителя в центральной
части, а верхний обрез горелки расположен
над днищем на высоте, равной 0,06-0,12 диаметра
днища реактора. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области
химического машиностроения и может быть
использовано для синтеза хлористого
водорода, применяемого в производстве
полупроводниковых материалов и для получения
высокочистой соляной кислоты.
Известен реактор для синтеза
хлористого водорода, состоящий из трех
частей: камеры сжигания, охлаждающего
устройства и перепускного канала, соединяющего
камеру сжигания и охлаждающее устройство
(Левинский М.И., Мазанко А. Ф., Новиков И.Н.
Хлористый водород и соляная кислота.
- М.: Химия, 1985, стр.32 и 33, рис.2-7). В указанном
реакторе можно получить достаточно чистую
соляную кислоту с высокой производительностью,
однако, получить чистый и сухой хлористый
водород, пригодный для производства полупроводникового
кремния, в нем невозможно.
Известен более совершенный
реактор синтеза хлористого водорода
с нисходящим горением, камера сгорания
которого футерована графитом и совмещена
с абсорбционным устройством (Левинский
М.И., Мазанко А.Ф., Новиков И.Н. Хлористый
водород и соляная кислота. - М.: Химия,
1985, стр.34, рис.2-8). Однако указанный реактор
имеет те же недостатки, более того, для
получения высококачественной соляной
кислоты, применяемой в производстве полупроводников,
а тем более в производстве кондиционного
хлористого водорода, он не пригоден, т.к.
из графитовой футеровки происходит диффузия
примесей углерода, загрязняющего в итоге
полупроводники.
Наиболее близким к
заявляемому изобретению по технической
сущности и достигаемому результату является
реактор синтеза хлористого водорода
с воздушным охлаждением, представляющий
собой двухконусный корпус с боковым выходным
патрубком, горелкой, расположенной в
нижней части корпуса, смотровым штуцером,
запальным люком и предохранительным
устройством, расположенным в верхней
части аппарата (Левинский М.И., Мазанко
А.Ф., Новиков И.Н. Хлористый водород и соляная
кислота. - М.: Химия, 1985, стр.30, рис.2-4).
Указанный реактор
обеспечивает равномерную тепловую нагрузку
стенок за счет того, что его форма близка
к форме факела. В этом реакторе, изготовленном
из нержавеющей стали, можно получить
чистый сухой хлористый водород, пригодный
для изготовления полупроводниковых материалов,
например для синтезатрихлорсилана, являющегося
основным сырьевым материалом для полупроводникового
кремния.
К недостаткам указанного
реактора относится невозможность обеспечить
высокую производительность, особенно
при работе под повышенным давлением,
которое требуется для обеспечения "кипящего"
слоя реакторов синтеза трихлорсилана,
поскольку при увеличении расхода реагентов
в верхней части реактора возникает турбулентный
режим движения выходящих газов, увеличивается
тепловая нагрузка на выходной патрубок,
крышку и боковые верхние стенки реактора,
и их температура растет выше значений,
при которых возможна эксплуатация конструкционных
сталей. Использование же футеровки недопустимо
из-за ее загрязняющего действия.
Предлагаемое изобретение
решает задачу увеличения производительности
реактора при сохранении высокого качества
получаемого хлористого водорода за счет
формирования ламинарных потоков движения
газов в верхней части реактора и снижения
тепловой нагрузки на его конструктивные
элементы.
Указанная задача решается
за счет того, что в реакторе, включающем
корпус в форме двух усеченных конусов,
соединенных по большему основанию, устройство
для выхода продукта реакции в верхней
части корпуса и горелку, встроенную в
днище корпуса, устройство для выхода
состоит из нескольких выходных патрубков,
расположенных эквидистантно в горизонтальной
плоскости, пересекающей верхнюю часть
корпуса. Количество патрубков определяется
по формуле n= 3,1415 d/h, где n - количество выходных
патрубков; d - диаметр корпуса в месте
установки патрубков; h - расстояние от
верхнего фланца до плоскости, образованной
сечением конусной образующей в месте
установки патрубков. Причем диаметр корпуса
в месте установки патрубков должен быть
равен 1,05-1,21 диаметра верха корпуса. Патрубки
выходного устройства снабжены сменными
защитными кожухами в виде усеченного
конуса, углубленными большим основанием
во внутрь корпуса на расстояние, равное
0,1-1,2 диаметра большего основания защитного
кожуха. Горелка выполнена трехполостной
с полостью воспламенителя в центральной
части, а верхний обрез горелки расположен
над днищем корпуса на высоте, равной 0,06-0,12
диаметра днища корпуса.
Увеличение количества
патрубков более одного и эквидистантное
их расположение в одной плоскости позволяет
снизить турбулентность и сформировать
ламинарный поток газов в верхней части
реактора. Таким образом, создается "защитная
прослойка" газа между потоком газа
и конструктивными элементами реактора,
имеющая оптимальный коэффициент теплопередачи,
при котором обеспечивается достаточный
теплообмен и отвод тепла из печи, и в тоже
время стенки реактора имеют относительно
низкую температуру.
Количество патрубков,
определяемое указанной формулой, является
оптимальным, поскольку при одном патрубке
создается максимальная турбулентность
из-за резкого поворота потока и его сужения,
уже при двух патрубках сужение уменьшается
и поворот потоков становится более плавным.
Но бесконечное увеличение их количества
ведет к необоснованному увеличению материалоемкости
без достижения какого-либо существенного
положительного эффекта.
Место расположения
выходных патрубков определяется по диаметру
верха корпуса: если диаметр сечения в
месте расположения патрубков будет ниже
1,05 диаметра верха, то произойдет турбулизация
и нарушение "защитной прослойки"
и возможен перегрев крышки и всех связанных
с ней конструктивных элементов, при диаметре
сечения большем 1,2 диаметра верха нерационально
возрастут габариты реактора, увеличится
его масса и материалоемкость.
Установка внутри каждого
патрубка конусного защитного кожуха
позволяет изолировать патрубки от потока
горячего газа и создает возможность увеличения
производительности реактора.
Выполнение горелки
трехполостной с полостью воспламенителя
в центральной части позволяет обеспечить
безопасность при запуске реактора, т.к.
запуск может производиться без разгерметизации
реактора, как это предусматривается в
конструкции прототипа, через запальный
люк. Кроме того, центральное расположение
полости воспламенителя позволяет максимально
сблизить воспламенитель и реагенты и
обеспечить их более полное сгорание при
запуске реактора, практически исключив
возможность образования взрывоопасных
смесей в случае неполного сгорания реагентов.
Расположение горелки
таким образом, что ее верхний обрез находится
над днищем корпуса на высоте 0,06-0,12 диаметра
днища позволяет создать ламинарные потоки
газа в нижней части реактора. Если высота
будет меньше 0,06 диаметра днища, то возникнет
турбулентность, при высоте большей 0,012
диаметра днища растет высота и материалоемкость
реактора и затрудняется смешение реагентов
в зоне сгорания, поскольку в ней возможен
переходный от ламинарного к турбулентному
режим движения потока.
Реактор включает корпус
1 выходного устройства, состоящего из
нескольких патрубков 2, расположенных
в верхней части корпуса, и горелку 3, установленную
в днище корпуса. Каждый патрубок 2 снабжен
конусным кожухом 4, соединенным с патрубком
фланцами 5. Горелка 3 включает три полости:
полость подачи водорода 6, полость подачи
хлора 7 и полость воспламенителя 8.
Реактор работает следующим
образом. В реактор, предварительно продутый
сухим воздухом, через полость 8 горелки
3 подают воспламенитель, например азотно-моносилановую
смесь, после появления пламени в полость
6 подают водород и после его воспламенения
в полость 7 подают хлор. Таким образом,
в центре реактора формируется факел,
отделенный от его стенок и днища слоем
относительно холодного газа, горячие
же газы движутся к центральной части
реактора в ламинарном режиме и, подойдя
к верхней части реактора, меняют направление
своего движения, одновременно плавно
снижая свою скорость за счет разделения
на несколько потоков. Каждый из потоков
направляется в конусный защитный кожух
4, не касаясь стенок патрубка 2. За счет
того, что кожух 4 выступает внутрь реактора
на определенное расстояние, газовая "защитная
прослойка", образующаяся у стенок,
расположенных вблизи выходных патрубков
2, не нарушается. Количество выходных
устройств может быть различным, но не
менее двух. Оптимальным является количество,
определенное по формуле, учитывающей
место их расположения: n=3,1415 d/h, где n - количество
выходных патрубков; d - диаметр реактора
в месте установки патрубков; h - расстояние
от верхнего фланца до плоскости, образованной
сечением конусной образующей в месте
установки патрубков. Предлагаемым количеством
патрубков обеспечивается поддержание
слоя относительно холодных газов, защищающих
верхнюю крышку реактора от возможного
перегрева.
Расположенная в нижней
части реактора горелка обеспечивает
формирование центрального ламинарного
потока газов, одновременно в нижней части
реактора, а за счет расположения верхнего
обреза горелки над днищем корпуса на
указанном расстоянии обеспечивается
поддержание газовой "защитной прослойки",
которая помогает сохранить относительно
низкую температуру элементов конструкции
в нижней части реактора.
Испытание предложенного
реактора в опытно-промышленном производстве
показало увеличение производительности
в 1,7 раза в сравнении с прототипом. При
этом габаритные размеры реакторов - высота,
диаметр в наиболее широкой части, диаметры
основания и верхней крышки - были абсолютно
одинаковы.
Формула изобретения
1. Реактор для
синтеза хлористого водорода, включающий
корпус в форме двух усеченных
конусов, соединенных между собой
по большему основанию, устройство
для выхода продукта в верхней
части корпуса и горелку, встроенную
в днище корпуса, отличающийся
тем, что устройство для выхода
продукта состоит из нескольких
выходных патрубков, расположенных
эквидистантно в горизонтальной
плоскости, пересекающей верхний
конус корпуса, а количество патрубков
определяется по формуле:
n=3,1415d/h,
где n - количество выходных
патрубков;