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中和反應(yīng)器及其操作方法與流程

文檔序號(hào):42855062發(fā)布日期:2025-08-26 19:09閱讀:124來(lái)源:國(guó)知局

本公開(kāi)涉及中和反應(yīng)器及其操作方法的領(lǐng)域。


背景技術(shù):

1、在化學(xué)中,中和是酸和堿彼此發(fā)生定量反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)。在水中的反應(yīng)中,中和使得溶液中不存在過(guò)量的氫離子或氫氧根離子。經(jīng)中和的溶液的?ph?取決于反應(yīng)物的酸強(qiáng)度。

2、從歷史上看,該反應(yīng)表示為:酸?+?堿(堿性)?→?鹽?+?水

3、該陳述仍然有效,只要理解在水溶液中所涉及的物質(zhì)經(jīng)受解離,該解離改變物質(zhì)的電離狀態(tài)。使用箭頭符號(hào)?→?是因?yàn)榉磻?yīng)完全,也就是說(shuō),中和是定量反應(yīng)。

4、更一般的定義基于布朗斯特-勞里酸堿理論?(br?nsted–lowry?acid–basetheory):

5、

6、諸如此類的通用表達(dá)中省略了電荷,因?yàn)槊總€(gè)物種?a、ah、b?或?bh?可能或可能不帶電荷。

7、在酸?ah?已經(jīng)被中和后,溶液中不會(huì)留下酸分子(或通過(guò)使分子解離產(chǎn)生的氫離子)。

8、在酸被中和時(shí),向其中添加的堿的量必須等于最初存在的酸的量。該堿的量被稱為當(dāng)量。在用堿滴定酸時(shí),中和點(diǎn)也可以被稱為當(dāng)量點(diǎn)。中和反應(yīng)的定量性質(zhì)最方便地用酸和堿的濃度來(lái)表示。在當(dāng)量點(diǎn)處:

9、體積(酸)?×?濃度(解離的?h+?離子)?=?體積(堿)?×?濃度(oh??離子)

10、一般來(lái)說(shuō),對(duì)于濃度為?c1?的酸?ahn?與濃度為?c2?的堿?b(oh)m?反應(yīng),體積通過(guò)以下關(guān)聯(lián):

11、強(qiáng)酸和強(qiáng)堿

12、強(qiáng)酸是在水溶液中完全解離的酸。例如,鹽酸?hcl?是一種強(qiáng)酸:

13、強(qiáng)堿是在水溶液中完全解離的堿。例如,氫氧化鈉?naoh?是一種強(qiáng)堿:

14、因此,當(dāng)強(qiáng)酸與強(qiáng)堿反應(yīng)時(shí),中和反應(yīng)可以被寫(xiě)為?

15、例如,在鹽酸與氫氧化鈉之間的反應(yīng)中,鈉離子和氯離子?na+?和?cl??不參與反應(yīng)。該反應(yīng)與布朗斯特-勞里定義一致,因?yàn)閷?shí)際上,氫離子以水合氫離子的形式存在,使得中和反應(yīng)可以被寫(xiě)為?

16、當(dāng)強(qiáng)酸被強(qiáng)堿中和時(shí),溶液中不會(huì)留下多余的氫離子。該溶液被稱為中性的,因?yàn)樗炔皇撬嵝缘囊膊皇菈A性的。此類溶液的?ph?接近值?7;確切的?ph?值取決于溶液的溫度。中和是一種放熱反應(yīng)。反應(yīng)??的標(biāo)準(zhǔn)焓變?yōu)?57.30?kj/mol。

17、弱酸和強(qiáng)堿

18、弱酸?ha?是在溶解于水時(shí)不完全解離的酸。相反,會(huì)形成一種平衡混合物:

19、產(chǎn)生以下的弱酸?ha?的經(jīng)中和的溶液的?ph

20、

21、并不像強(qiáng)酸一樣接近?7,而是取決于酸的酸解離常數(shù)?ka。計(jì)算滴定終點(diǎn)或當(dāng)量點(diǎn)處的?ph?屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的常規(guī)技能。

22、一般來(lái)說(shuō),對(duì)于弱酸?ha?的中和:

23、·終點(diǎn)處的?ph?主要取決于酸的強(qiáng)度?pka。

24、·終點(diǎn)處的?ph?大于?7,并且隨著酸濃度的增加而增加。

25、強(qiáng)酸和弱堿

26、這種情況類似于弱酸和強(qiáng)堿的情況:

27、胺是弱堿的實(shí)例。經(jīng)中和的溶液的?ph?取決于質(zhì)子化堿的酸解離常數(shù)?pka,或者等效地取決于堿締合常數(shù)?pkb。

28、根據(jù)上述化學(xué)考慮,顯而易見(jiàn)的是,酸和堿的反應(yīng)直接影響工藝的溫度、化學(xué)含量和?ph,這是本領(lǐng)域技術(shù)人員的普遍常識(shí)。因此,反應(yīng)器的工程和設(shè)計(jì)會(huì)影響酸和堿的混合,并且進(jìn)而影響酸和堿的反應(yīng),并且因此影響工藝的溫度、化學(xué)含量和?ph。

29、例如,ph?和溫度的組合可能導(dǎo)致腐蝕。一般來(lái)說(shuō),ph?越高,溫度就越高,材料(諸如不銹鋼)就越容易腐蝕。

30、au654632b1?(thyssenkrupp,?1993)?公開(kāi)了一種反應(yīng)器,該反應(yīng)器用于通過(guò)用含氨氣體的酸中和硝酸水溶液來(lái)產(chǎn)生硝酸銨溶液,所述反應(yīng)器依次包括:用于接收再循環(huán)的硝酸銨溶液的底部錐體,所述錐體具有噴嘴,該噴嘴繞錐體的周邊布置以引入硝酸水溶液,以便與再循環(huán)的硝酸銨溶液混合;預(yù)混合區(qū),該預(yù)混合區(qū)被定位成鄰近所述底部錐體并適于接收混合物并將再循環(huán)的硝酸銨溶液和硝酸水溶液初步混合;最終混合區(qū),該最終混合區(qū)被定位成鄰近所述預(yù)混合區(qū)并適于接收并均勻地混合經(jīng)預(yù)混合的再循環(huán)的硝酸銨溶液和硝酸水溶液;下游管室,該下游管室被定位成鄰近最終混合區(qū),所述室含有一束穿孔管以引入含氨氣體,以便在氣液混合區(qū)中與經(jīng)混合的再循環(huán)硝酸銨溶液和硝酸水溶液混合;以及反應(yīng)室,該反應(yīng)室被定位成鄰近下游管室以在反應(yīng)區(qū)中使經(jīng)混合的再循環(huán)硝酸銨溶液和硝酸水溶液與含氨氣體反應(yīng),從而在反應(yīng)區(qū)中產(chǎn)生硝酸銨溶液。

31、仍需要一種經(jīng)改進(jìn)的中和反應(yīng)器,以更精確地將酸引入中和器中,從而避免中和反應(yīng)器內(nèi)的化學(xué)組分腐蝕中和反應(yīng)器的組件。


技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、在本公開(kāi)的一方面,公開(kāi)了一種用于使酸與堿反應(yīng)的系統(tǒng),該系統(tǒng)特別適合或適于使硝酸和氨反應(yīng),由此提供經(jīng)中和的產(chǎn)物和蒸汽。該系統(tǒng)包括:

2、-?用于使該堿和該酸反應(yīng)的反應(yīng)器,該反應(yīng)器包括圓柱形區(qū)段,該圓柱形區(qū)段在該反應(yīng)器的下部區(qū)段中限定中心豎直軸線,并且該反應(yīng)器包括位于該圓柱形下部區(qū)段的頂部上的反應(yīng)器上部區(qū)段,其中所述圓柱形區(qū)段包括頂部區(qū)段和底部區(qū)段;

3、-?堿分配系統(tǒng),該堿分配系統(tǒng)包括水平圓形環(huán),該水平圓形環(huán)在彼此頂部上,位于該圓柱形區(qū)段的該底部區(qū)段中,繞該豎直軸線同心并且包括孔,該孔被布置成將該堿沿該圓柱形區(qū)段的高度并朝向該圓柱形區(qū)段的中心引入;

4、-?注入管,該注入管包括位于該反應(yīng)器的該圓柱形區(qū)段下方的豎直區(qū)段,其中該豎直區(qū)段在該反應(yīng)器的入口處連接到位于該堿分配系統(tǒng)下方的該底部區(qū)段;

5、-?酸噴射器,該酸噴射器位于該注入管的該豎直區(qū)段內(nèi),其中該酸噴射器包括孔,該孔被布置成在該注入管內(nèi)均勻地噴射該酸;

6、其中該反應(yīng)器上部區(qū)段被配置成使蒸汽從該反應(yīng)器中脫離,并且其中該反應(yīng)器上部區(qū)段具有用于收集該經(jīng)中和的產(chǎn)物的第一出口和連接到該注入管的第二出口,使得該經(jīng)中和的產(chǎn)物再循環(huán)通過(guò)該注入管回到該圓柱形區(qū)段中;

7、該系統(tǒng)的特征在于,該酸噴射器和該注入管與該反應(yīng)器的該圓柱形區(qū)段的該豎直軸線同軸布置。

8、本發(fā)明人已認(rèn)識(shí)到,通過(guò)使酸噴射器和注入管繞豎直軸線同心,酸在經(jīng)中和的產(chǎn)物中被稀釋,使得進(jìn)入反應(yīng)器的底部區(qū)段的酸和經(jīng)中和的產(chǎn)物混合物的混合物的?ph?和溫度進(jìn)而使得堿分配系統(tǒng)不會(huì)被混合物腐蝕。此外,有利于將經(jīng)中和的產(chǎn)物和酸的混合物與在反應(yīng)器內(nèi)分配的堿混合,使得進(jìn)而有利于形成經(jīng)中和的產(chǎn)物。

9、在根據(jù)本公開(kāi)的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中,該分配系統(tǒng)由鈦制成。

10、在根據(jù)本公開(kāi)的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中,該堿是氨,該酸是硝酸,并且該經(jīng)中和的產(chǎn)物是硝酸銨。

11、在根據(jù)本公開(kāi)的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中,環(huán)的數(shù)量范圍為?1?至?10。

12、在根據(jù)本公開(kāi)的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中,該環(huán)具有相同的直徑,該分配系統(tǒng)中的該孔的總體分布相對(duì)于該豎直軸線對(duì)稱,使得該堿沿該圓柱形區(qū)段的高度并朝向該圓柱形區(qū)段的中心均勻地分配。

13、在根據(jù)本公開(kāi)的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中:

14、·該圓柱形區(qū)段具有范圍為?1.3?至?2.7?的高度與直徑比;

15、·該注入管的該豎直區(qū)段具有范圍為?2.3?至?5.6?的高度與直徑比;并且

16、·該酸噴射器具有范圍為?1.0?至?1.4?的高度與直徑比。

17、在根據(jù)本公開(kāi)的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中,該酸噴射器的最上部孔與該反應(yīng)器的該入口之間的距離范圍為該注入管的該豎直區(qū)段的直徑的?2?至?10?倍。

18、在根據(jù)本公開(kāi)的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中,該反應(yīng)器被配置成使該蒸汽與該經(jīng)中和的產(chǎn)物在該反應(yīng)器的該上部區(qū)段中分離,使得該經(jīng)中和的產(chǎn)物在該反應(yīng)器內(nèi)向下流動(dòng)至該圓柱形區(qū)段的該底部區(qū)段。

19、在本公開(kāi)的一方面,公開(kāi)了一種用于在根據(jù)本公開(kāi)的系統(tǒng)的系統(tǒng)中產(chǎn)生經(jīng)中和的產(chǎn)物的方法。該方法包括以下步驟:

20、-將該堿注入在該分配系統(tǒng)中;

21、-將該酸注入在該酸噴射器中;以及

22、-使該經(jīng)中和的產(chǎn)物從該圓柱形區(qū)段內(nèi)再循環(huán)到該注入管中并回到該圓柱形區(qū)段中。

23、在根據(jù)本公開(kāi)的方法的一個(gè)實(shí)施例中,該堿是氨,該酸是硝酸,并且該經(jīng)中和的產(chǎn)物是硝酸銨。

24、在根據(jù)本公開(kāi)的方法的一個(gè)實(shí)施例中,該酸在范圍為?20?至?45℃的溫度下,在于水中稀釋使得所注入的酸為該酸的水溶液的?60?重量%?后注入,該堿在范圍為?60?至?90℃的溫度下,以等于經(jīng)稀釋的酸的質(zhì)量流量的?0.15?至?0.17?倍的質(zhì)量流量注入,并且該經(jīng)中和的產(chǎn)物以范圍為該經(jīng)稀釋的酸的質(zhì)量流量的?1?至?2.6?倍的質(zhì)量流量在該注入管中流動(dòng)。

25、在根據(jù)本公開(kāi)的方法的一個(gè)實(shí)施例中,該方法進(jìn)一步包括以下步驟:通過(guò)將冷卻劑與被再循環(huán)的該經(jīng)中和的產(chǎn)物混合或?qū)⒃摾鋮s劑引入該注入管內(nèi)來(lái)將該冷卻劑引入該反應(yīng)器中,或者將該冷卻劑直接引入該反應(yīng)器內(nèi),使得將該反應(yīng)器內(nèi)的溫度控制在?150?與180℃?之間。

26、在根據(jù)本公開(kāi)的方法的一個(gè)實(shí)施例中,所噴射的酸和該經(jīng)中和的產(chǎn)物在該酸噴射器的該最上部孔與該反應(yīng)器的該入口之間駐留?1.2?至?2.1?秒。

27、在本公開(kāi)的一個(gè)方面,公開(kāi)了本公開(kāi)的系統(tǒng)用于進(jìn)行本公開(kāi)的方法的用途。

28、在本公開(kāi)的一方面,一種用于改造用于使堿與和酸反應(yīng)的系統(tǒng)的方法,該系統(tǒng)包括:

29、-?用于使該堿和該酸反應(yīng)的反應(yīng)器,該反應(yīng)器包括圓柱形下部區(qū)段,該圓柱形下部區(qū)段限定中心豎直軸線,并且該反應(yīng)器包括位于該圓柱形區(qū)段的頂部上的反應(yīng)器上部區(qū)段,其中所述圓柱形區(qū)段包括頂部區(qū)段和底部區(qū)段;

30、-?堿分配系統(tǒng),該堿分配系統(tǒng)包括水平圓形環(huán),該水平圓形環(huán)在彼此頂部上,位于該圓柱形區(qū)段的該底部區(qū)段中,繞該豎直軸線同心并且包括孔,該孔被布置成將該堿沿該圓柱形區(qū)段的高度并朝向該圓柱形區(qū)段的中心引入;

31、-?注入管,該注入管在該反應(yīng)器的入口處連接到位于該分配系統(tǒng)下方的該底部區(qū)段;

32、-?酸噴射器,該酸噴射器位于該注入管內(nèi),其中該酸噴射器包括孔,該孔被布置成在該注入管內(nèi)均勻地噴射該酸,其中該噴射器相對(duì)于該反應(yīng)器的該圓柱形區(qū)段的該豎直軸線傾斜;

33、其中該反應(yīng)器上部區(qū)段被配置成使蒸汽從該反應(yīng)器中脫離,并且其中該反應(yīng)器上部區(qū)段具有用于收集該經(jīng)中和的產(chǎn)物的第一出口和連接到該注入管的第二出口,使得該經(jīng)中和的產(chǎn)物再循環(huán)通過(guò)該注入管回到該圓柱形區(qū)段中;

34、該方法將該系統(tǒng)改造成根據(jù)本公開(kāi)的系統(tǒng),該方法包括以下步驟:

35、-移除該酸噴射器;

36、-移除該注入管;

37、-為該注入管提供豎直區(qū)段,并將所移除的噴射器插入該豎直區(qū)段內(nèi),其方式使得該噴射器同軸布置在該豎直區(qū)段內(nèi),并且優(yōu)選地使得該最上部孔與該豎直區(qū)段的最上部端之間的最長(zhǎng)距離范圍為該注入管的該豎直區(qū)段的直徑的?2?至?10?倍;以及

38、將包括該豎直區(qū)段的該注入管與經(jīng)重新插入的噴射器經(jīng)由該豎直區(qū)段重新連接到該反應(yīng)器的該入口,使得該酸噴射器和該注入管的該豎直區(qū)段與該反應(yīng)器的該圓柱形區(qū)段的該豎直軸線同軸布置。

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