專利名稱：聚合硫酸鐵的生產工藝及裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬化學工程技術領域，涉及到一種新型無機高分子水處理劑的生產工藝和裝置，更確切地說是聚合硫酸鐵的生產工藝和裝置。
聚合硫酸鐵是國外七十年代發展起來的一種新型無機高分子水處理劑，在水處理方面，對于化學耗氧量、生化耗氧量、固體懸浮物、色度、惡臭等有顯著的去除效果，可以廣泛地用于工業用水、飲用水以及污水處理，是一種廉價、優良的水處理劑。日本昭51-17516提出了采用硫酸亞鐵為原料，亞硝酸鈉為催化劑，進行17小時的空氣氧化，制取液體聚合硫酸鐵的方法。該方法催化劑投加量大，氧化速度慢，生產周期長，并在氧化過程中不斷排出含有大量二氧化氮的氣體，造成污染，需要進行處理，從而使設備復雜，投資增加。
中國專利CN86100483A對日本昭51-17516的制備聚合硫酸鐵的工藝進行改進。該工藝是以硫酸洗廢液為原料，硫酸與硫酸亞鐵的摩爾比為0.31～0.50，仍以亞硝酸鈉為催化劑，通入純氧進行氧化，在55℃～90℃，1.5～3.0kg/cm2，強烈攪拌(轉速1000轉/分鐘)條件下進行氧化聚合反應，亞硝酸鈉的用量為溶液重量的0.4～1%，該法與日本專利所提出的生產工藝相比，具有利用工業硫酸洗廢液、氧化聚合時間縮短，提高了生產效率、催化劑消耗量減少等特點。但是由于仍采用了亞硝酸鈉為催化劑致使產品中含有少量的硫酸鈉，這種鹽對水處理是不起作用的;而生產結束后多余的二氧化氮等仍需要排入大氣，造成污染。該法采用強烈的機械攪拌(轉速1000轉/分鐘)，在1.5～3.0kg/cm2壓力下反應，這對于化工設備既要求耐壓，又要求耐腐蝕，同時必須進行高速攪拌，進行大規模生產比較困難，另外操作也不方便。
本發明的目的就是在于研究出一種新的生產聚合硫酸鐵的工藝和生產裝置，克服了上述專利的一些缺點，生產出不含Na2SO4等物質的純聚合硫酸鐵，縮短了生產周期，提高了生產效率，適于大規模工業化生產。
本發明所提出的生產聚合硫酸鐵的方法是以廢鐵屑以及硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O)或鋼鐵硫酸洗液為含鐵原料，以廢鐵屑生產聚合硫酸鐵，首先將廢鐵屑與硫酸反應，制取硫酸亞鐵溶液，反應方程式如下
此硫酸亞鐵溶液中含有少量不溶性氧化鐵、炭黑等雜質，必須經過沉降過濾，才能得到純凈的硫酸亞鐵溶液。若直接利用鋼鐵硫酸酸洗廢液或硫酸亞鐵，可以調整硫酸亞鐵、硫酸以及水的比例在55～65%∶5～10%∶25～40%的范圍內，在硝酸催化作用下直接進行氧化聚合反應制備聚合硫酸鐵〔Fe2(OH)n(SO4)3-n/2〕m反應方程式如下
總反應方程式為
式中m＝f(n)上述三種含鐵原料，以采用工業硫酸亞鐵生產最方便。工業硫酸亞鐵主要是生產鈦白粉的副產品，硫酸亞鐵含量高，重金屬離子含量少，并且價格比較低。反應過程中所用硝酸的量為硫酸亞鐵、硫酸和水總重量的1～4%。
在硝酸催化作用下，氧氣氧化硫酸亞鐵的反應是一個氣液兩相反應，為了加速液體吸收氣體的過程，本發明采用填料反應塔為反應設備，利用液體流經填料反應塔時產生的巨大比表面積，加強NO2等氣體的吸收，從而促進了反應的進行。
本發明是這樣實現的，將硫酸亞鐵、濃硫酸和水按55～60%∶5～10%∶25～40%的比例投加到溶解加熱槽中(利用鐵屑制備的硫酸亞鐵溶液或鋼鐵硫酸酸洗廢液為原料的生產工藝相同，只是要調整硫酸亞鐵、硫酸和水的比例在上述范圍內)，通過夾套利用水蒸氣加熱到40～100℃，然后用耐腐蝕泵將反應液由溶解加熱槽中抽出，打入反應塔頂部，液體由塔頂流經填料，再由塔底流回溶解加熱槽，如此連續循環，在循環過程中，分別由塔頂和塔底加入硝酸和氧氣。反應過程中塔內的壓力可以控制在-0.02～+0.02MPa范圍內，溫度為40～100℃，反應過程中不斷取樣，分析硫酸亞鐵的含量，待硫酸亞鐵完全氧化后，停止通氧、加催化劑硝酸，以及液體的循環，將液體聚合硫酸鐵用耐腐蝕泵打入成品池。反應結束后塔內仍有大量的氧氣、一氧化氮、二氧化氮等，可以留待下次生產使用，考慮到聚合硫酸鐵的長途運輸，可以利用噴霧干燥塔將液體聚合硫酸鐵制成粉狀固體聚合硫酸鐵。
附
圖1 以鐵屑為原料生產聚合硫酸鐵的工藝流程框圖。
附圖2 以硫酸亞鐵為原料生產聚合硫酸鐵的工藝流程框圖。
附圖3 以鋼鐵硫酸酸洗廢液為原料制備聚合硫酸鐵的工藝流程框圖。
附圖4 生產固體聚合硫酸鐵的工藝流程框圖。
附圖5 生產聚合硫酸鐵的工藝流程圖。
附圖標注
1、壓力表 2、氧氣減壓表 3、氧氣瓶 4、硝酸計量罐 5、硝酸流量計 6、反應塔 7、電動攪拌器 8、搪瓷反應釜 9、成品池 10、耐腐蝕泵 11、取樣口 12、溶解加熱槽 13、加料口 14、真空過濾機 15、沉降池本發明的工藝和裝置有以下特點1、采用本發明提出的工藝進行氧化聚合反應所需時間為25～40分鐘，生產周期短，生產效率高。
2、本發明采用硝酸為催化劑，不會將硫酸鈉引入聚合硫酸鐵產品，從而使產品質量提高。
3、催化劑硝酸在氧化還原反應中產生的氮氧化物，可以重復使用，提高了原料的利用率，同時避免了對大氣的污染。
4、本發明的工藝和裝置，以反應塔為反應設備，不需任何機械攪拌，通過液體的流動進行氧化，提高反應效率，縮短了生產周期。
5、本發明的工藝和裝置，是在表壓很低的情況下生產，安全性高，操作方便。
6、本發明的工藝和裝置具有設計合理、產品質量穩定的特點。
實施例1取廢鐵屑0.5kg、濃度為30%的硫酸4.46kg放入反應釜(7)中，利用夾套冷卻水控制反應溫度不超過90℃，1小時后反應結束，將反應產物移入沉降池(15)中，經過沉降去除大顆粒不溶性雜質，然后把液體產物經真空過濾機(14)過濾，進一步去除不溶性雜質，得濾液4.7kg。經分析濾液中含硫酸亞鐵46%，硫酸8.6%。由加料口(13)把濾液加入溶解加熱槽(12)中，再補加硫酸亞鐵2.1kg，關閉進料口(13)。將上述混合物加熱升溫至85℃，用耐腐蝕泵(10)將液體連續從溶解加熱槽(12)中抽出打入反應塔(6)頂部，液體由塔底部流回溶解加熱槽(12)，調節泵的流量使液體處在循環狀態。在循環過程中從塔上半部通過硝酸計量罐(4)和硝酸流量計(5)加入硝酸，同時由塔下半部通過氧氣瓶(3)和氧氣減壓表(2)向塔內通入氧氣。控制通氧量，調整反應塔內的壓力在-0.02～+0.02MPa范圍內。塔內溫度為85℃，反應過程中不斷從取樣口(11)取樣分析硫酸亞鐵的含量，40分鐘后，硫酸亞鐵完全氧化，停止通氮、加硝酸以及液體的循環，將液體產品聚合硫酸鐵由溶解加熱槽(12)用耐腐蝕泵(10)打入成品池(9)中。反應過程中消耗濃度為60%的硝酸230ml。經分析產品指標如下Fe3+含量為165g/l，Fe2+含量為零，鹽基度為13.5%密度為1.485g/cm3(20℃)。
實施例2取硫酸亞鐵3.6kg，自來水1.8kg，密度為1.84g/cm3的硫酸220ml，直接加入溶解加熱槽(12)中，關閉加料口(13)，加熱升溫至80℃。后續步驟同實施例1。反應時間為30分鐘，硝酸消耗量為102ml。產品指標如下Fe3+含量為161g/L，Fe2+含量為零，鹽基度為12.1%，密度為1.475g/cm3(20℃)。
實施例3取含Fe2+110g/L，H2SO4115g/L的鋼鐵硫酸洗液3.5L，加入到溶解加熱槽(12)中，再補加硫酸亞鐵1.85kg，關閉加料口(13)，加熱至70℃。后續步驟同實施例1，反應時間25分鐘，硝酸消耗量為125ml。產品指標如下Fe3+含量為170g/L，Fe2+含量為零，鹽基度為11.3%，密度為1.496g/cm3(20℃)
權利要求
1.一種聚合硫酸鐵的生產工藝及裝置，以鐵屑、硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O)或鋼鐵硫酸洗廢液為含鐵原料，調整硫酸亞鐵、硫酸以及水的比例為55～65%∶5～10%∶25～40%于40～100℃進行氧化聚合反應，其特征是以硝酸為催化劑，在反應塔中通入純氧，在接近常壓條件下進行反應。
2.根據權利要求1所述的聚合硫酸鐵的生產工藝和裝置，其特征在于所使用的催化劑硝酸為硫酸亞鐵、硫酸以及水總重量的1～4%。
3.根據權利要求1所述的聚合硫酸鐵的生產工藝和裝置，其特征在于用反應塔為主要生產設備，利用反應混合物在塔內流動過程進行氧化聚合反應。
4.根據權利要求1所述生產聚合硫酸鐵的生產工藝和裝置，其特征在于反應壓力為-0.02～+0.02MPa。
全文摘要
本發明提供了一種聚合硫酸鐵的生產工藝及裝置，解決了現有生產技術中存在的反應時間長，效率低，反應周期長，存在污染等問題。本發明采用硝酸做催化劑，用純氧氧化，在加熱下，利用反應塔進行反應，反應效率明顯提高。同時催化劑可循環使用，不需廢氣吸收設備。本發明達到了生產設備簡單，投資少，生產周期短，產量高，成本低，無污染的目的。產品適于工業用水、飲用水及各種污水的處理。
文檔編號C01G49/14GK1076914SQ92106689
公開日1993年10月6日 申請日期1992年8月31日 優先權日1992年8月31日
發明者陳輔君, 董祥龍, 李風亭, 楊長法, 杜錫蓉, 黃龍, 曹大文 申請人:山東建筑工程學院, 蚌埠市自來水公司