一种一体化连续氧气氧化生产三氯化铁的设备及方法与流程

一种一体化连续氧气氧化生产三氯化铁的设备及方法
1.技术领域
2.本发明涉及化合物制备技术领域，具体为一种一体化连续氧气氧化生产三氯化铁的设备及方法。
3.

背景技术：

4.三氯化铁是一种重要的化工原料，具有广泛的用途。其可用作染料工业的氧化剂和媒染剂、有机合成工业的催化剂和氧化剂；也是照相和印刷制版的腐蚀剂及制造其他铁盐、颜料、墨水和医药的原料；还可以用作自由基聚合的缩聚剂、阻聚剂及银、铜矿的氯化；在建筑混凝土中掺入其溶液能增加建筑物的强度、抗腐蚀性和防止渗水。此外还用饮用水和废水的处理。
5.制备三氯化铁的方法主要采用直接氧化法和催化氧化法，但是这些方法均存在一定弊端：直接氧化法的氧化剂成本太高，反应过程剧烈，容易发生安全隐患，如：氯酸钠氧化法、双氧水氧化法、氯气氧化法；催化氧化法过程中会排放出有毒的nox气体，存在危害人体健康及环境污染的问题，如亚硝酸盐催化氧化法。
6.中国专利cn111153439 a公开了一种连续氧气氧化法生产氯化铁或聚氯化铁的工艺，其工艺主要包括：以盐酸酸洗废液为原料、废硝酸液为催化剂、氧气为氧化剂，经多级反应器进行连续氧化生产氯化铁或聚氯化铁。该技术方案工艺将反应过程产生的氮氧化物采用原料液吸收及液碱吸收回用于生产，减少催化剂的用量，解决了氮氧化物污染问题。但其存在的缺点有：需要多个反应釜设备并且体积较大，占地面积大、能耗大，设备投资及维护成本高；固定式设备，不利于灵活、便携运输使用。
7.

技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明提供一种一体化连续氧气氧化生产三氯化铁的设备。
9.本发明的技术方案为：一种一体化连续氧气氧化生产三氯化铁的设备，其特征在于，包括本体，所述本体内设有隔板，所述隔板将本体分隔为至少两个反应区，所述本体上方连接有喷射器，所述本体下方设有循环泵组，所述循环泵组分别与喷射器连接；所述本体侧边分别连接有氧气进气端、催化剂进料端、蒸汽进料端；所述本体的一侧设有原料进料口；还包括换热器，所述换热器连接有原料液进料端，所述换热器与原料进料口连接；所述换热器与循环泵组的一端连接。
10.进一步的，所述本体上端设有气相连接口，所述气相连接口连接有尾气出口端。
11.进一步的，所述本体分别连接有冷却水进水端、冷却水出水端。
12.进一步的，所述换热器连接有成品出口端。
13.进一步的，所述本体内分别设有第一反应区、第二反应区、第四反应区、第三反应区，所述循环泵组包括第一循环泵、第二循环泵、第三循环泵、第四循环泵，所述第一循环泵分别与第一反应区、喷射器连接；所述第二循环泵分别与第二反应区、喷射器连接；所述第三循环泵分别与第三反应区、喷射器连接；所述第四循环泵分别与第四反应区、散热器连接。
14.进一步的，所述本体分别设有第一液相接口、第二液相接口、第三液相接口，所述第一液相接口、第二液相接口、第三液相接口分别连接有喷射器；所述第一液相接口与第一反应区对应设置；所述第二液相接口与第二反应区对应设置；所述第三液相接口与第三反应区对应设置。
15.进一步的，还包括连接管，所述连接管分别连接第二反应区、第三反应区。
16.进一步的，所述催化剂进料端、蒸汽进料端分别与第一反应区连接，所述氧气进气端与第四反应区连接；所述第三反应区内设有盘管换热器，所述盘管换热器分别与冷却水进水端、冷却水出水端连接。
17.进一步的，所述隔板包括依次设置的第一隔板、第二隔板、第三隔板，所述第二隔板的高度高于第一隔板、第三隔板，空间利用率更高。
18.本发明还提供一体化连续氧气氧化生产三氯化铁的方法，包括以下步骤：s1.原料进料：将二价铁溶液与工业盐酸溶液按一定比例调配，使其混合液中二价铁离子与氯化氢的质量分数比为w（fe
2+
）：w（hcl）=1 : 0.65~0.69，调配好的原料液经换热器（采用三氯化铁成品与原料进行换热，即利用氧化过程产生的温度），原料液升温50~60℃，原料液从原料进口进入第一反应区；同时，蒸汽进入第一反应区，将物料升温75~85℃；s2.催化氧化：设置催化剂添加比例，根据进料流量自动添加催化剂，催化剂持续加入到第一反应区；开启氧气，设置压力为0.08~0.12mpa，氧气持续加入到第四反应区；物料先在第一反应区进行反应，物料从底部出口进入第一循环泵，第一循环泵将物料泵入喷射器，氧气及反应产生的氮氧化物从顶部气相连接口进入喷射器内，与物料充分混合再经顶部第一液相接口进入到本体中；第一反应区中部分物料通过隔板进入第二反应区中，第二反应区中一部分物料经底部出口经第二循环泵进入喷射器，与气相中氮氧化物、氧化充分混合，再经喷射器通过第二液相接口进入本体中；第二反应区中部分物料通过连接管进入第三反应区；第三反应区中物料一部分经第三循环泵通过喷射泵自循环，另一部分物料通过隔板流入第四反应区；物料中二价铁离子经四级反应逐渐氧化，再从底部出口经第四循环泵，在线检测orp，若orp值≥570，物料通过换热器进行换热降温，出料至成品罐；若orp值＜570，物料重新回到本体的原料进料口，继续氧化。
19.进一步的，物料在第一反应区的氧化程度30%~40%，物料在第二反应区氧化程度60%~70%，物料在第三反应区氧化程度80%~90%，物料在第四反应区氧化程度95%~100%。
20.还包括温度控制：随着反应的进行，氧化反应是持续升温的过程，第一反应区内的
温度是通过物料进料经换热器预热及蒸汽升温，使其温度在75~85℃；第二反应区内的温度是物料在氧化过程中放热，使得物料的温度保持及升温80~90℃；第三反应区内设有盘管换热器，用水进行冷却，让物料温度保持在80~90℃；随着氧化反应程度接近完成，物料的温度维持或略微下降（散热＞放热），物料温度为75~85℃。
21.进一步的，还包括催化剂的回收利用：氧化反应产生的氮氧化物，经气相连接口用于各级氧化反应，反应系统中多余的氮氧化物从尾气出口端排出先经二价铁溶液吸收，得到吸收液作为原料继续生产三氯化铁；剩余的氮氧化物经二价铁溶液吸收后，再辅助用碱液吸收，作为催化剂用于生产。
22.进一步的，步骤s2中，催化剂采用废硝酸、硝酸盐，亚硝酸盐中的任一种，催化剂含量为5-9%（以氮的质量分数计），催化剂用量为溶液总质量的1~2
‰
。
23.在本发明中，所有控制系统均可用plc控制或手动控制，能实现“一键启停”进行生产。
24.本发明设备采用卧式圆筒结构，内部设隔板将其分为多反应区，利用隔板之间的高度差控制每反应区物料的液位高度和流向，减少了使用泵的机械传输控制（降低能耗、提高设备空间利用）；反应区设有喷射器，对反应区的物料进行循环，增强物料与氧气的混合，一方面对生产中的氮氧化物进行了有效的回收再利用；另一方面提高了氧化反应效率；对进、出的物料进行流量控制，设有自动进出料在线控制系统，减少人工检测操作，提高生产效率。二价铁溶液连续进入一体化设备，同时进行自循环，二价铁离子逐渐被氧化，同时在线检测orp值。若物料中orp值合格，开启出料阀门，进行降温出料，若orp值不符合，则重新进入反应器进行反应直至orp值符合要求。
25.本发明方法设备结构简单紧凑、占地少、能耗低，减少设备成本和维护成本；氧化效果好，反应速度快，操作简单，便于移动运输使用。
26.另外，本发明设备空间较小，清洗设备或更换料，方便快捷。
27.附图说明
28.图1发明为本发明一实施例的结构示意图。
29.具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。
31.实施例1一种一体化连续氧气氧化生产三氯化铁的设备，其特征在于，包括本体1，所述本体内设有隔板2，所述隔板将本体分隔为至少两个反应区3，所述本体上方连接有喷射器4，所述本体下方设有循环泵组5，所述循环泵组分别与喷射器连接；所述本体侧边分别连接有氧气进气端11、催化剂进料端12、蒸汽进料端13；
所述本体的一侧设有原料进料口14；还包括换热器6，所述换热器连接有原料液进料端61，所述换热器与原料进料口连接；所述换热器与循环泵组的一端连接。
32.进一步的，所述本体上端设有气相连接口15，所述气相连接口连接有尾气出口端16。
33.进一步的，所述本体分别连接有冷却水进水端17、冷却水出水端18。
34.进一步的，所述换热器连接有成品出口端62。
35.进一步的，所述本体内分别设有第一反应区31、第二反应区32、第四反应区33、第三反应区34，所述循环泵组包括第一循环泵41、第二循环泵42、第三循环泵43、第四循环泵44，所述第一循环泵分别与第一反应区、喷射器连接；所述第二循环泵分别与第二反应区、喷射器连接；所述第三循环泵分别与第三反应区、喷射器连接；所述第四循环泵分别与第四反应区、散热器连接。
36.进一步的，所述本体分别设有第一液相接口311、第二液相接口321、第三液相接口341，所述第一液相接口、第二液相接口、第三液相接口分别连接有喷射器；所述第一液相接口与第一反应区对应设置；所述第二液相接口与第二反应区对应设置；所述第三液相接口与第三反应区对应设置。
37.进一步的，还包括连接管35，所述连接管分别连接第二反应区、第三反应区。
38.进一步的，所述催化剂进料端、蒸汽进料端分别与第一反应区连接，所述氧气进气端与第四反应区连接；所述第三反应区内设有盘管换热器（未标注），所述盘管换热器分别与冷却水进水端、冷却水出水端连接。
39.进一步的，所述隔板包括依次设置的第一隔板21、第二隔板22、第三隔板23，所述第二隔板的高度高于第一隔板、第三隔板，空间利用率更高。
40.实施例2一体化连续氧气氧化生产三氯化铁的方法，包括以下步骤：s1.原料进料：将二价铁溶液与工业盐酸溶液按一定比例调配，使其混合液中二价铁离子与氯化氢的质量分数比为w（fe
2+
）：w（hcl）=1 : 0.65~0.69，调配好的原料液经换热器（采用三氯化铁成品与原料进行换热，即利用氧化过程产生的温度），原料液升温50~60℃，原料液从原料进口进入第一反应区；同时，蒸汽进入第一反应区，将物料升温75~85℃；s2.催化氧化：设置催化剂添加比例，根据进料流量自动添加催化剂，催化剂持续加入到第一反应区；开启氧气，设置压力为0.08~0.12mpa，氧气持续加入到第四反应区；物料先在第一反应区进行反应，物料从底部出口进入第一循环泵，第一循环泵将物料泵入喷射器，氧气及反应产生的氮氧化物从顶部气相连接口进入喷射器内，与物料充分混合再经顶部第一液相接口进入到本体中；第一反应区中部分物料通过隔板进入第二反应区中，第二反应区中一部分物料经底部出口经第二循环泵进入喷射器，与气相中氮氧化物、氧化充分混合，再经喷射器通过第二液相接口进入本体中；第二反应区中部分物料通过连接管进入第三反应区；第三反应区中物料一部分经
第三循环泵通过喷射泵自循环，另一部分物料通过隔板流入第四反应区；物料中二价铁离子经四级反应逐渐氧化，再从底部出口经第四循环泵，在线检测orp，若orp值≥570，物料通过换热器进行换热降温，出料至成品罐；若orp值＜570，物料重新回到本体的原料进料口，继续氧化。
41.进一步的，物料在第一反应区的氧化程度30%~40%，物料在第二反应区氧化程度60%~70%，物料在第三反应区氧化程度80%~90%，物料在第四反应区氧化程度95%~100%。
42.还包括温度控制：随着反应的进行，氧化反应是持续升温的过程，第一反应区内的温度是通过物料进料经换热器预热及蒸汽升温，使其温度在75~85℃；第二反应区内的温度是物料在氧化过程中放热，使得物料的温度保持及升温80~90℃；第三反应区内设有盘管换热器，用水进行冷却，让物料温度保持在80~90℃；随着氧化反应程度接近完成，物料的温度维持或略微下降（散热＞放热），物料温度为75~85℃。
43.进一步的，还包括催化剂的回收利用：氧化反应产生的氮氧化物，经气相连接口用于各级氧化反应，反应系统中多余的氮氧化物从尾气出口端排出先经二价铁溶液吸收，得到吸收液作为原料继续生产三氯化铁；剩余的氮氧化物经二价铁溶液吸收后，再辅助用碱液吸收，作为催化剂用于生产。
44.进一步的，步骤s2中，催化剂采用废硝酸、硝酸盐，亚硝酸盐中的任一种，催化剂含量为5-9%（以氮的质量分数计），催化剂用量为溶液总质量的1~2
‰
。
45.实施例3一种连续氧气氧化生产三氯化铁的方法，包括以下步骤：将二价铁溶液与工业盐酸溶液进行调配，得到原料液（fe：10.54%，fe
2+
：10.08%， hcl：6.58%其中：w（fe
2+
）：w（hcl）= 1 : 0.65），原料液以14.6t/h流量进料，先经与成品出料进行换热，原料液升温至60℃，进入一体化设备中，并通入蒸汽；催化剂废硝酸溶液（以n质量分数计，7%）以2.93kg/h流量进料（溶液总质量2
‰
）；开启氧气，设置压力为0.12mpa，氧气持续加入到一体化设备中四反应区。氧化反应过程中，一反应区温度85℃，fe
2+
：6.05%，氧化程度40%；二反应区温度90℃，fe
2+
：3.02%，氧化程度70%；三反应区温度90℃，fe
2+
：1.01%，氧化程度90%；四反应区温度85℃，fe
2+
：0.0%，氧化程度100%。出料过程中，物料（fe：10.39%，fe
2+
：0.0%，hcl：0.08%）在线检测物料的orp值为616，物料经换热器降温，出至成品罐。
46.实施例4一种连续氧气氧化生产三氯化铁的方法，包括以下步骤：将二价铁溶液与工业盐酸溶液进行调配，得到原料液（fe：10.91%，fe
2+
：10.46%， hcl：6.94%其中：w（fe
2+
）：w（hcl）= 1 : 0.67），原料液以15.3t/h流量进料，先经与成品出料进行换热，原料液升温至55℃，进入一体化设备中，并通入蒸汽；催化剂亚硝酸钠溶液（以n质量分数计，7%）以2.3kg/h流量进料（溶液总质量1.5
‰
）；开启氧气，设置压力为0.10mpa，氧气持续加入到一体化设备中四反应区。氧化反应过程中，一反应区温度80℃，fe
2+
：6.80%，氧化程度35%；二反应区温度85℃，fe
2+
：3.66%，氧化程度65%；三反应区温度85℃，fe
2+
：1.57%，氧化程度85%；四反应区温度80℃，fe
2+
：0.10%，氧化程度99%。出料过程中，物料（fe：10.75%，fe
2+
：0.10%，hcl：0.21%）在线检测物料的orp值为570，物料经换热器降温，出至成品罐。
47.实施例5
一种连续氧气氧化生产三氯化铁的方法，包括以下步骤：将二价铁溶液与工业盐酸溶液进行调配，得到原料液（fe：12.02%，fe
2+
：11.67%， hcl：8.06% 其中：w（fe
2+
）：w（hcl）= 1 : 0.69），原料液以15.4t/h流量进料，先经与成品出料进行换热，原料液升温至50℃，进入一体化设备中，并通入蒸汽；催化剂废硝酸溶液（以n质量分数计，7%）以1.54kg/h流量进料（溶液总质量1
‰
）；开启氧气，设置压力为0.08mpa，氧气持续加入到一体化设备中四反应区。氧化反应过程中，一反应区温度75℃，fe
2+
：8.17%，氧化程度30%；二反应区温度80℃，fe
2+
：4.67%，氧化程度60%；三反应区温度80℃，fe
2+
：2.33%，氧化程度80%；四反应区温度75℃，fe
2+
：0.58%，氧化程度95%。出料过程中，在线检测物料的orp值为546，物料重新进入一体化设备继续反应至orp值588（fe：11.82%，fe
2+
：0.05%，hcl：0.38%），物料经换热器降温，出至成品罐。
48.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
49.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。需注意的是，本发明中所未详细描述的技术特征，均可以通过任一现有技术实现。