PL233084B1

PL233084B1 - Jednostopniowy sposób otrzymywania nadtlenku wodoru klasy HTP ( High Test Peroxide) do zastosowań napędowych i układ do jego otrzymywania

Info

Publication number: PL233084B1
Application number: PL413099A
Authority: PL
Inventors: Grzegorz Rarata; Karolina ROKICKA; Karolina Rokicka; Paweł SURMACZ; Paweł Surmacz
Original assignee: Inst Lotnictwa
Priority date: 2015-07-14
Filing date: 2015-07-14
Publication date: 2019-08-30
Also published as: EP3118157B1; EP3118157A1; KR101892517B1; EA201691240A2; PL3118157T3; EA032711B1; PL413099A1; KR20170008706A; EA201691240A3; NO3118157T3

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest jednostopniowy sposób otrzymywania nadtlenku wodoru klasy HTP (High Test Peroxide) do zastosowań napędowych oraz układ do jego otrzymywania. Bardziej szczegółowo, wynalazek dotyczy sposobu zatężania nadtlenku wodoru do stężenia 98% i powyżej, oraz oczyszczania do czystości pozwalającej zakwalifikować go jako HTP (High Test Peroxide), który może zostać wykorzystany jako materiał pędny bądź też silny utleniacz.

Wysoko stężony nadtlenek wodoru klasy HTP (o stężeniu 98% i powyżej) jest ciekłym jednoskładnikowym materiałem pędnym oraz silnym utleniaczem, mającym obecnie zastosowanie przede wszystkim w technice rakietowej.

Najistotniejszym etapem w uzyskiwaniu nadtlenku wodoru o wysokim stężeniu jest sposób jego zatężania i układ w jakim się to przeprowadza.

W stanie techniki znane są metody uzyskiwania nadtlenku wodoru o stężeniu powyżej 90%. Najstarszą z nich jest metoda bazująca na próżniowej destylacji zatężanego roztworu. Doczekała się ona zresztą wielu modyfikacji.

Znane ze stanu techniki publikacje patentowe odnoszące się do próżniowej destylacji frakcyjnej (zatężania) wodnych roztworów nadtlenku wodoru obejmują, m.in.:

1) zgłoszenie WO 2012/025333 A1 dotyczące przemysłowej metody ciągłej produkcji wodnych roztworów nadtlenku wodoru o stężeniu 50% i 70%, które zasadniczo różni się obecnego wynalazku,

2) zgłoszenie EP1090663 A1 dotyczące rozwiązania technicznego umożliwiającego zatężanie wodnych roztworów nadtlenku wodoru do 98%. Proces odbywa się na zasadzie destylacji próżniowej oraz ewaporacji. Destylacja zachodzi w specjalnej kolumnie, zaś odparowanie w odłączanym odparowniku. Kolumna destylacyjna może być typową kolumną pakowaną, jednakże druga część urządzenia, to jest odparownik, który posiada specjalne cechy, tzn. zbudowany jest w układzie pionowej rury, wewnątrz której odparowuje spływający po niej film cieczy zebranej z dołu kolumny. Rozwiązanie to różni się od metody w której wykorzystuje się obrotowe naczynie do odparowania cieczy celem jej oczyszczenia (wyparki),

3) patent US 6780288 B1 obejmuje sposób, który nie zawiera etapu oczyszczania nadtlenku, co jest kluczowe dla uzyskania klasy HTP nadtlenku wodoru,

4) publikację US 5296104 A obejmującą kolumnę destylacyjną i sposób otrzymywania czystych wodnych roztworów nadtlenku wodoru dostarczający stężone roztwory nadtlenku wodoru z obniżoną zawartością zanieczyszczeń,

5) publikację WO9639263 (A1), która ujawnia układ i sposób uzyskania ultra czystego kwasu azotowego z wykorzystaniem destylacji, przy czym aparatura wykorzystywana do destylacji pracuje pod normlanym ciśnieniem. Właściwy produkt opisanej instalacji jest zbierany za kolumną destylacyjną; oraz

6) zgłoszenie P.403721 dotyczące sposobu otrzymania nadtlenku wodoru, zwłaszcza klasy HTP i układu do destylacji próżniowej. Nie ujawniono w tej publikacji chłodnicy pomocniczej, ani elementu jej odpowiadającego, który pozwala na skroplenie resztek par rozpuszczalnika tuż przed podłączeniem próżni, a tym samym chroni pompę przed zalaniem cieczą. Właściwy odbieralnik, do którego zbierane jest HTP, w zgłoszeniu P.403721 znajduje się za chłodnicą.

Najczęstszą odmianą technik destylacji (zatężania) nadtlenku wodoru dla uzyskania jego roztworu o wysokim stężeniu jest metoda wykorzystująca frakcyjną destylację próżniową, realizowaną przy wykorzystaniu odpowiedniej kolumny rektyfikacyjnej (najczęściej jest to szklana kolumna pakowana np. specjalnymi pierścieniami, często osadzona w płaszczu próżniowym, odznaczająca się nawet kilkudziesięcioma półkami teoretycznymi). Naczynie destylacyjne (najczęściej w po staci szklanej kolby, o objętości w zakresie od ułamków do dziesiątków litrów) osadzane bywa w płaszczu grzejnym lub też w innym termoregulowanym elemencie grzewczym. Naczynie destylacyjne często posiada tzw. szyje (dla wlewu, termometru, czujnika poziomu cieczy oraz innych czujników). Większe naczynia destylacyjne w swojej dolnej części często posiadają zawór spustowy. Układy zawierają dodatkowo systemy monitorujące proces destylacji (zatężania) oraz różne rozwiązania głowic kolumny destylacyjnej (np. wyposażone w termometr oraz chłodnicę zasilaną wodą chłodzącą). Do zatężania zaś

PL 233 084 B1 względnie większych ilości nadtlenku wodoru często stosowana jest specjalna, dwuczęściowa kolumna frakcyjna z zasilaniem pomiędzy częścią odpędową i zatężającą - dodatkowo poprawiająca sprawność procesu. Zestawy takie bywają wyposażone w bardziej zaawansowane systemy monitorujące proces destylacji (zatężania) nadtlenku wodoru, oparte nawet o oprogramowanie umożliwiające optymalizację i projektowanie procedur destylacji (zatężania). Dodatkowo, w celu ułatwienia pracy (zwłaszcza z dużymi ilościami nadtlenku wodoru) stosowane są pompy kompatybilne z nadtlenkiem, np. pompa zasilająca (surowiec) i odbierająca (ciecz wyczerpana) („Distillation plant for producing hydrogen peroxide”, US 5171407 A).

Dla większości eksploatowanych obecnie, bądź też w przeszłości, urządzeń służących do destylacyjnego zatężania nadtlenku wodoru można wyróżnić kilka cech wspólnych. Po pierwsze proces, przede wszystkim ze względów bezpieczeństwa (ale też i wydajności), prowadzony jest pod zmniejszonym ciśnieniem (rzędu kilku tysięcy Pa na szczycie kolumny destylacyjnej) oraz w aparaturze z materiału w pełni kompatybilnego względem nadtlenku wodoru (najczęściej jest to szkło borokrzemowe). W ten sposób ryzyko detonacji par nadtlenku wodoru jest minimalizowane (proces prowadzony jest poza granicami wybuchowości tej substancji w danych warunkach temperatury oraz podciśnienia), zaś aparatura szklana minimalizuje ryzyko powstania źródła zapłonu (np. iskry). Poza tym szklane elementy aparatury minimalizują ilość zanieczyszczeń śladowych, przedostających się do zatężanego roztworu nadtlenku. Odpowiednia zaś izolacja termiczna poprawia warunki procesu.

Wyżej wymienione typy urządzeń mają taką wadę, że ograniczeniem dla ich stosowania podczas frakcyjnej destylacji próżniowej (zatężania) roztworów nadtlenku wodoru jest dość częste występowanie wrzenia burzliwego, czyli tzw. bumpingu, które bardzo negatywnie wpływa na proces zatężania, znacząco wydłużając go w czasie. Dla destylowanego nadtlenku wodoru to niekorzystne zjawisko pojawia się w dość szerokim zakresie temperatur, począwszy od temperatury zbliżonej do jego temperatury wrzenia pod danym ciśnieniem.

W odpowiedzi na ten problem Zgłaszający zaproponował rozwiązanie techniczne będące przedmiotem polskiego zgłoszenia patentowego PL 403 721 (odpowiednio EP 14166169.4), które dotyczy dwuetapowego sposobu otrzymywania nadtlenku wodoru, zwłaszcza klasy HTP do zastosowań napędowych i układu do destylacji próżniowej, skupiające się przede wszystkim na eliminacji „bumpingu” i tym samym istotnym przyspieszeniu procesu destylacji próżniowej (zatężania) roztworu nadtlenku wodoru, poprzez zastosowanie układu do destylacji próżniowej zawierającej w kolejności: środki grzewcze, kolbę destylacyjną, środki do wprawiania kolby destylacyjnej w ruch obrotowy wokół jej osi, kolumnę rektyfikacyjną, łapacz kropel, podłączenie pompy próżniowej, chłodnicę, wlot wody chłodzącej, odbieralnik destylatu, z tym, że oś kolby destylacyjnej jest usytuowana pod kątem od 105° do 140°, względem kolumny rektyfikacyjnej (Fig. 1). Dzięki temu rozwiązaniu, zwiększono tempo procesu odparowania, a tym samym zatężania nadtlenku wodoru do pożądanej wartości, bez występowania wrzenia burzliwego, przez co znacząco usprawniono proces destylacji próżniowej nadtlenku wodoru.

Dotychczasowe rozwiązania posiadają jednak wady i/lub stwarzają problemy techniczne obejmujące m.in. rozwiązania związane z:

- stosowaniem dwóch układów, z których jeden służył do zatężania, a drugi - do oczyszczania, podczas gdy w przemyśle pożądane byłoby stosowanie układu jednostopniowego, z którym również wiąże się uzyskanie odpowiedniej czystości produktu, uzależnionej od zachowania czystości podczas przenoszenia półproduktu między urządzeniami w układzie dwustopniowym oraz oszczędność czasu i miejsca,

- brakiem sprawnie działającego skraplacza, a przez to niemożności otrzymania odpowiedniego stężenia (rzędu 98%+) nadtlenku wodoru,

- zalewaniem pompy próżniowej oparami,

- zdejmowaniem kolby przy odbiorze produktu po skończonym procesie powodujące osłabienie i pękanie łącznika.

Celem obecnego wynalazku było wyeliminowanie powyższych wad i problemów technicznych poprzez zastosowanie procesu zatężania i oczyszczania w jednym układzie (jednostopniowo), który jest pożądany z punktu widzenia przemysłu, ponieważ skraca czas prowadzenia procesu, a tym samym zwiększa wydajność, możliwość otrzymywania produktu o unikalnej czystości; a także w jednym układzie eliminuje się zjawisko przenoszenia półproduktu między urządzeniami od czego w głównej

PL 233 084 B1 mierze zależy zachowanie czystości produktu finalnego. Ponadto, zgodnie z wynalazkiem, usprawniono działanie skraplacza, dzięki czemu można otrzymać odpowiednie stężenia rzędu 98%+ nadtlenku wodoru, z użyciem chłodnicy sterowanej natężeniem przepływu cieczy chłodzącej nad kolumną. Dzięki temu możliwe jest kontrolowanie szybkości chłodzenia, stężenia destylatu w odbieralniku i czasu trwania procesu.

Można również stosować układ z zaworem ponownego napływu sterowany elektromagnetycznie, dzięki czemu możliwe jest jeszcze dokładniejsze kontrolowanie wartości stężenia destylatu w odbieralniku i czasu trwania procesu.

W obecnym wynalazku udało się rozwiązać problem z zalewaniem pompy próżniowej oparami, które po skropleniu tworzą wodę, dzięki zastosowaniu chłodnicy pomocniczej i odbieralnika pomocniczego. Pary przed trafieniem do pompy, które są dodatkowo skraplane w chłodnicy pomocniczej i w postaci ciekłej wędrują do odbieralnika pomocniczego (problem ten całkowicie eliminuje zastosowanie odpowiedniej (drogiej), wielostopniowej, chemoodpornej pompy membranowej).

Również w obecnym wynalazku udało się rozwiązać problem zdejmowania kolby w celu odbioru produktu po skończonym procesie, które powoduje osłabienie i pękanie łącznika, dzięki prowadzeniu procesu bez zdejmowania kolby przez to automatyczny odbiór produktu z kolby.

Zgodnie z niniejszym wynalazkiem, jednostopniowy układ do zatężania i oczyszczania stężonego nadtlenku wodoru, zwłaszcza do otrzymywania stężonego roztworu nadtlenku wodoru klasy HTP o stężeniu co najmniej 98% do zastosowań napędowych, zawierający medium grzewcze, łaźnię wodną, kolbę obrotową z napędem w położeniu skośnym pod kątem od 105° do 140° względem kolumny frakcyjnej, chłodnicę, odbieralnik destylatu, charakteryzuje się tym, że ponadto zawiera kolbę stacjonarną umieszczoną pomiędzy adiabatyczną kolumną frakcyjną, a kolbą rotacyjną do umieszczania wsadu surowca, a z kolei za chłodnicą, a przed zaworem odcinającym odbieralnik główny jest podłączona chłodnica pomocnicza, która z jednej strony jest podłączona do próżni, zaś produkt końcowy jest odbierany z kolby rotacyjnej i stacjonarnej, przy czym nad adiabatyczną kolumną frakcyjną, a przed chłodnicą, znajduje się albo zawór ponownego napływu sterowany elektromagnetycznie, albo chłodnica sterowana natężeniem przepływu cieczy chłodzącej, a w takim przypadku do chłodnicy pomocniczej przyłączony jest odbieralnik pomocniczy.

Korzystnie, kolba rotacyjna posiada złącze do napełniania surowca i odbioru produktu.

Korzystnie, zawór ponownego napływu sterowany elektromagnetycznie jest połączony z chłodnicą pomocniczą, przed zaworem odcinającym odbieralnika głównego.

Korzystnie, kolba stacjonarna posiada co najmniej jedno złącze do napełniania surowca i/lub odbioru produktu.

Wynalazek ponadto obejmuje sposób otrzymywania stężonego roztworu nadtlenku wodoru, zwłaszcza klasy HTP o stężeniu co najmniej 98% do zastosowań napędowych, charakteryzujący się tym, że w układzie według wynalazku realizuje się jednostopniowy proces otrzymywania stężonego roztworu nadtlenku wodoru poprzez zatężanie i oczyszczanie roztworu nadtlenku wodoru w jednym i tym samym układzie, przy czym proces prowadzi się pod zmniejszonym ciśnieniem w zakresie od 300 do 1400 ± 200 Pa, jeszcze korzystniej w zakresie od 300 do 600 ± 200 Pa, a najkorzystniej 300 Pa, kolba rotacyjna pracuje w warunkach od 60 do 70 ± 5 obrotów/minutę i w temperaturze łaźni wodnej wynoszącej od 55°C do 60°C, stosuje się temperaturę medium chłodzącego w zakresie od 2°C do 5°C.

Korzystnie, jako wsad stosuje się co najmniej 60% roztwór nadtlenku wodoru, a najkorzystniej 60% roztwór nadtlenku wodoru cz.d.a. (tj. czysty do analizy).

Wynalazek jest bliżej przedstawiony poniżej w korzystnych przykładach wykonania, z odniesieniem do załączonego rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia stan techniki obejmujący schemat układu do destylacji próżniowej według wynalazku (zatężania) wyjściowego roztworu nadtlenku wodoru. Na schemacie tym użyto następujących oznaczeń: 1 - wodna łaźnia grzewcza z termostatem, 2 - obracająca się kolba destylacyjna wraz z czujnikiem do pomiaru stężenia nadtlenku wodoru, 3 - silnik elektryczny, 4 - kolumna pakowana Hempla z pierścieniami Raschiga, 5 - łapacz kropel, 6 - podłączenie pompy próżniowej, 7 - chłodnica, 8 - wlot wody chłodzącej, 9 - odbieralnik destylatu.

PL 233 084 B1

Fig. 2 przedstawia schemat instalacji laboratoryjnej z chłodnicą sterowaną natężeniem przepływu cieczy chłodzącej. Na schemacie tym użyto następujących oznaczeń: 1 - łaźnia wodna z mieszadłem magnetycznym, 2 - łaźnia wodna, 3 - kolba rotacyjna, 4 - kolba stacjonarna, 5 - napęd kolby rotacyjnej, 6 - złącze do napełniania kolby rotacyjnej i odbioru produktu, 7 - adiabatyczna kolumna frakcyjna,

- chłodnica sterowana natężeniem przepływu cieczy chłodzącej, 10 - chłodnica, 11 - zawór odcinający odbieralnika głównego, 12 - odbieralnik główny, 13 - chłodnica pomocnicza, 14 - podłączenie próżni, 15 - odbieralnik pomocniczy.

Fig. 3 przedstawia schemat aparatury z zaworem ponownego napływu sterowanym elektromagnetycznie. Na schemacie tym użyto następujących oznaczeń: 1 - łaźnia wodna z mieszadłem magnetycznym, 2 - łaźnia wodna, 3 - kolba rotacyjna, 4 - kolba stacjonarna, 5 - napęd kolby rotacyjnej, 6 - złącze do napełniania kolby rotacyjnej i odbioru produktu, 7 - adiabatyczna kolumna frakcyjna,

- zawór ponownego napływu sterowany elektromagnetycznie, 10 - chłodnica, 11 - zawór odcinający odbieralnika głównego, 12 - odbieralnik główny, 13 - chłodnica pomocnicza, 14 - podłączenie próżni.

P r z y k ł a d realizacji wynalazku

Zgodnie z jednym wariantem wynalazku, przedstawionym na Fig. 2, jednostopniowy układ do zatężania i oczyszczania stężonego roztworu nadtlenku wodoru, zwłaszcza do stężenia powyżej 98%, zawiera medium grzewcze, łaźnię wodną z mieszadłem magnetycznym 1 i łaźnię wodną 2, kolbę rotacyjną 3 w położeniu skośnym pod kątem od 105° do 140° względem kolumny frakcyjnej adiabatycznej 7, i w tej pozycji kolba rotacyjna 3 posiada napęd kolby rotacyjnej 5. Ponadto pomiędzy kolbą rotacyjną 3 a kolumną frakcyjną 7 w położeniu kolumny 7 znajduje się kolba stacjonarna 4. Pomiędzy kolumną frakcyjną 7, a chłodnicą 10 jest umieszczona chłodnica sterowana natężeniem przepływu cieczy chłodzącej 8 do kontroli szybkości chłodzenia i stężenia destylatu w odbieralniku 12 i czasu trwania procesu, a za chłodnicą 10, a przed zaworem odcinającym odbieralnika głównego 11 jest podłączona chłodnica pomocnicza 13, która z jednej strony jest podłączona do próżni 14 a z drugiej strony przyłączony jest do niej odbieralnik pomocniczy 15, gdzie trafiają skroplone pary w chłodnicy pomocniczej 13, zaś bezpośrednio za zaworem 11 jest podłączony odbieralnik główny 12. Ponadto kolba rotacyjna 3 posiada złącze 6 do napełniania surowca i odbioru produktu, który odbiera się automatycznie z kolby 3 i 4. Kolba 4 może posiadać złącza do napełniania i odbioru produktu (widoczne na fig. 2, ale brak oznaczenia).

Zgodnie z innym wariantem wynalazku, przedstawionym na Fig. 3, jednostopniowy układ do zatężania i oczyszczania stężonego roztworu nadtlenku wodoru różni się od powyżej opisanego wariantu tym, że zawiera zawór ponownego napływu sterowany elektromagnetycznie 9 do kontrolowania wartości stężenia destylatu w odbieralniku 12, umieszczony pomiędzy adiabatyczną kolumną frakcyjną 7, a chłodnicą 10, zamiast chłodnicy 8 i chłodnicy pomocniczej 13 wraz z podłączeniami 14 i 15 przedstawionych na Fig. 2. W tym wariancie układu według wynalazku zawór ponownego napływu sterowany elektromagnetycznie 9 jest połączony z chłodnicą pomocniczą 13, przed zaworem odcinającym odbieralnika głównego 11.

Zgodnie z obecnym wynalazkiem, zatężanie i jednoczesne oczyszczanie roztworów nadtlenku wodoru (60%, cz.d.a.) prowadzono w instalacji laboratoryjnej przedstawionej na Fig. 2. Podobne wyniki otrzymuje się stosując wariant instalacji przedstawiony na Fig. 3, gdzie zamiast chłodnicy 8 i chłodnicy pomocniczej 13 wraz z podłączeniami 14 i 15, pomiędzy adiabatyczną kolumną frakcyjną 7, a chłodnicą 10 jest umieszczony zawór ponownego napływu sterowany elektromagnetycznie 9.

W kolbie rotacyjnej 3 umieszcza się odpowiednią objętość wsadu (60% roztwór H2O2 o czystości cz.d.a.). Następuje w niej pierwszy etap procesu, czyli odparowanie roztworu (i jednocześnie jego oczyszczanie z zanieczyszczeń lotnych) na drodze wymuszonej ewaporacji. Pary nadtlenku oraz wody wędrują częściowo do kolby stacjonarnej 4, a częściowo do adiabatycznej kolumny frakcyjnej 7, wypełnionej pierścieniami Raschiga, gdzie podlegają separacji. W rezultacie w układzie takim następuje niemal całkowite odparowywanie wody oraz usunięcie zanieczyszczeń i przepływ frakcji przez chłodnicę 8 i 10, a następnie gromadzenie się frakcji w odbieralniku 12. Produkt, czyli czysty nadtlenek wodoru o stężeniu 98%+ znajduje się w kolbie 3 i 4.

W aparaturze ciśnienie utrzymywane jest na poziomie 300 Pa. Proces jest frakcyjną destylacją próżniową. Jednakże wartość podciśnienia podyktowana jest także względami bezpieczeństwa - minimalizuje potencjalne ryzyko wybuchu par nadtlenku wodoru. Ogrzewanie bowiem roztworów nadtlenku

PL 233 084 Β1 wodoru o stężeniu przekraczającym 74% pod ciśnieniem atmosferycznym powoduje powstanie atmosfery potencjalnie wybuchowej, o stężeniu par przekraczającym wartość dolnej granicy wybuchowości. Ponadto, obniżone ciśnienie skutkuje lepszą desorpcją, oraz odparowaniem zanieczyszczeń organicznych, co wpływa na czystość otrzymywanego produktu. Wreszcie, obniżenie ciśnienia powoduje również spadek temperatury wrzenia destylowanego nadtlenku wodoru, a to z kolei wpływa pozytywnie na stabilność uzyskiwanego produktu (zmniejsza się jego tempo rozkładu termicznego).

Proces może być prowadzony w warunkach przedstawionych odpowiednio w przykładach 1-5. Dzięki czemu możliwe jest osiągnięcie odpowiedniej wydajności, stężenia, czystości oraz stabilności produktu końcowego, bez ryzyka wybuchu par.

Przykład 1

Objętość wsadu: 1000 ml. Prędkość obrotowa kolby rotacyjnej 60 obr./min, temperatura medium chłodzącego 2°C (stała), czas trwania procesu 7 h.

Tabela 1

Parametry prowadzenia procesu

Parametry zadane
Czas [min]	Temperatura medium w łaźniach pod kolbami	Przepływ medium chłodzącego przez chłodnicę 8	Ciśnienie [Pa]xl0²
Rotacyjną [°C]	Stacjonarną [°C]
0	55	40	Płynie (ON)	14
30	55	40	Płynie (ON)	14
30	60	45	Płynie (ON)	14
30	60	45	Brak przepływu (OFF)	14
30	60	50	Płynie (ON)	3
30	60	55	Płynie (ON)	3
30	j/w	j/w	j/w	j/w

Tabela 2

Zestawienie otrzymanych wyników

X	Objętość [ml]	Stężenie[%]	Zanieczyszczenia [ppm]
Produkt	500	98,4	0,2
Destylat	500	<0,5	25

PL 233 084 Β1

Przykład 2

Objętość wsadu: 1000 ml. Prędkość obrotowa kolby rotacyjnej 70 obr./min, czas trwania procesu h 35 min, temperatura medium chłodzącego 2°C (stała).

Tabela 3

Parametry prowadzenia procesu

Parametry zadane
Czas [min]	Temperatura medium w łaźniach pod kolbami	Przepływ medium chłodzącego przez chłodnicę (8)	Ciśnienie [Pa]*10²
Rotacyjną [°C]	Stacjonarną [°C]
0	55	40	Płynie (ON)	6
30	55	40	Płynie (ON)	6
30	60	45	Płynie (ON)	6
30	60	45	Brak przepływu (OFF)	6
30	60	50	Płynie (ON)	3
30	60	55	Płynie (ON)	3
30	j/w	j/w	j/w	j/w

T a b e I a 4

Zestawienie otrzymanych wyników

	Objętość [ml]	Stężenie[%]	Zanieczyszczenia [ppm]
Produkt	500	98,5	0,1
Destylat	500	<0,5	31

Przykład 3

Objętość wsadu: 1000 ml. Prędkość obrotowa kolby rotacyjnej 70 obr./min, czas trwania 6 h, temperatura medium chłodzącego 2°C (stała).

Tabela 5

Parametry prowadzenia procesu

Parametry zadane
Czas [min]	Temperatura medium w łaźniach pod kolbami	Przepływ medium chłodzącego przez chłodnicę (8)	Ciśnienie [Pa]xlO²
Rotacyjną [°C]	Stacjonarną [°C]
0	60	45	Płynie (ON)	6
30	60	50	Płynie (ON)	6
30	60	50	Płynie (ON)	3
30	60	55	Brak przepływu (OFF)	3
30	60	55	Płynie (ON)	3
30	j/w	j/w	j/w	j/w

PL 233 084 Β1

T a b e I a 6

Zestawienie otrzymanych wyników

X	Objętość [ml]	Stężenie[%]	Zanieczyszczenia [ppm]
Produkt	500	99,0	0,2
Destylat	500	<0,5	33

Przykład 4

Objętość wsadu: 1400 ml. Prędkość obrotowa kolby rotacyjnej 70 obr./min, czas trwania 6 h, temperatura medium chłodzącego 2°C (stała).

Tabela 7

Parametry prowadzenia procesu

Parametry zadane
Czas [min]	Temperatura medium w łaźniach pod kolbami	Przepływ medium chłodzącego przez chłodnicę (8)	Ciśnienie [Pa]xlO²
Rotacyjną [°C]	Stacjonarną [°C]
0	60	50	Brak przepływu (OFF)	3
5	60	50	Płynie (ON)	3
15	60	55	Brak przepływu (OFF)	3
30	60	55	Brak przepływu (OFF)	3
30	60	55	Brak przepływu (OFF)	3
30	60	58	Płynie (ON)	3
30	j/w	j/w	j/w	j/w

T a b e I a 8

Zestawienie otrzymanych wyników

	Objętość [ml]	Stężenie[%]	Zanieczyszczenia [ppm]
Kolba stacjonarna	450	98,5	0,21
Kolba rotacyjna	250	99,5	0,70
Produkt	700	98,8	0,42
Destylat	700	3,0	23

PL 233 084 Β1

Przykład 5

Objętość wsad u: 1900 ml. Prędkość obrotowa kolby rotacyjnej 70 obr./min, czas trwania 7 h 15 min, temperatura medium chłodzącego 2°C (stała).

Tabela 9

Parametry prowadzenia procesu

Parametry zadane
Czas [min]	Temperatura medium w łaźniach pod kolbami	Przepływ medium chłodzącego przez chłodnicę (8)	Ciśnienie [Pa]xl0²
Rotacyjną [°C]	Stacjonarną [°C]
0	60	50	Brak przepływu (OFF)	3
5	60	50	Płynie (ON)	3
15	60	55	Płynie (ON)	3
30	60	55	Brak przepływu (OFF)	3
30	60	55	Brak przepływu (OFF)	3
30	60	55	Brak przepływu (OFF)	3
30	60	58	Płynie (ON)	3
30	j/w	j/w	j/w	j/w

Tabela 10

Zestawienie otrzymanych wyników

	Objętość [ml]	Stężenie[%]	Zanieczyszczenia [ppm]
Kolba stacjonarna	550	97,8	0,07
Kolba rotacyjna	450	99,0	0,35
Produkt	1000	98,4	0,28
Destylat	1000	3,0	25

Dla porównania poniżej przedstawiono dwa przykłady porównawcze 1 i 2, w których m.in. zamiast chłodnicy 8 wprowadzono łapacz kropel pokazując, że występują różnice w prowadzeniu tego procesu na podstawie otrzymanego stężenia produktu (HTP), otrzymanej wydajności i czystości produktu.

PL 233 084 Β1

Przykład porównawczy 1

Objętość wsadu: 500 ml. Prędkość obrotowa kolby rotacyjnej 60 obr./min, temperatura medium chłodzącego 5°C (stała), czas trwania procesu 9 h.

Parametry zadane
Czas [min]	Temperatura medium w łaźniach pod kolbami	Przepływ medium chłodzącego przez chłodnicę (8)	Ciśnienie [Pa]xl0²
Rotacyjną [°C]	Stacjonarną [°C]
0	35	25	Brak chłodnicy (8), jest łapacz kropel	12
30	37	27		10
30	40	30		10
30	42	30		8
30	45	30		6
30	48	30		5
30	50	30		4
30	50	35		4
60	50	40		4
75	50	42		4
165	55	45		4
30	jw	jw		jw

><	Objętość [ml]	Stężenie [%]	Zanieczyszczenia [ppm]
Produkt	200	95,5	<1
Destylat	300	36	25

PL 233 084 Β1

Przykład porównawczy 2

Objętość wsadu: 510 ml. Prędkość obrotowa kolby rotacyjnej 60 obr./min, temperatura medium chłodzącego 5°C (stała), czas trwania procesu 9 h 15 min.

Parametry zadane
Czas [min]	Temperatura medium w łaźniach pod kolbami	Przepływ medium chłodzącego przez chłodnicę 8	Ciśnienie [Pa]xl0²
Rotacyjną [°C]	Stacjonarną [°C]
0	40	28	Brak chłodnicy 8, brak łapacza kropel	12
30	42	30		11
60	45	30		10
60	47	30		10
30	50	30		10
30	50	30		9
60	50	30		8
60	50	30		7
30	50	30		6
30	50	30		5
30	52	30		4
50	52	32		4
60	55	32		4
25	jw	jw		jw

odbiór destylatu I po 210 min

	Objętość [ml]	Stężenie [%]	Zanieczyszczenia [ppm]
Produkt	190	88	<1
Destylat 1 (po upływie 210min)	240	24	21
Destylat II	90	72	3

PL 233 084 Β1

Wnioski:

Na podstawie powyższych przykładów stworzono Tabelę 11, gdzie podsumowano wyniki i wskazano różnice w prowadzeniu procesów.

Tabela 11

Podsumowanie wyników z przedstawionych przykładów

X	Stężenie HTP [%]	Stężenie destylatu [%]	Czystość HTP [ppm]	Wydajność [ml/h]	Różnica
Przykład 1	98,4	<0,5	0,2	72,9	-
Przykład 2	98,5	<0,5	0,1	77,5	Wzrost prędkości obrotowej kolby rotacyjnej
Przykład 3	99,0	<0,5	0,2	85,0	Wyższa temperatura zadana
Przykład 4	98,8	3	0,42	116,7	Wyższa temperatura zadana, sterowanie przepływem medium chłodzącego w chłodnicy 8, prowadzenie procesu do zahamowania tempa powstawania destylatu
Przykład 5	98,4	3	0,28	137,9	Zwiększenie objętości wsadu

- Zgodnie z obecnym wynalazkiem uzyskuje się znacznie lepsze wyniki, zwłaszcza jeżeli chodzi o wydajność procesu zatężania, czystość, w porównaniu do znanych obecnie rozwiązań;

- Dzięki zastosowanej aparaturze możemy świadomie kontrolować parametry podczas trwania procesu tak, aby uzyskać zamierzone wartości: stężenia destylatu i HTP, czystości i wydajności;

- Wzrost prędkości obrotowej kolby rotacyjnej znacząco zwiększa wydajność procesu zatężania;

- Prowadzenie procesu do zahamowania tempa powstawania destylatu, a nie do całkowitego odparowania roztworu z kolby obrotowej, skraca czas trwania procesu, zwiększa wydajność i nie wpływa znacząco na czystość produktu końcowego (zawartość zanieczyszczeń nie przekracza wartości dopuszczalnej dla tej klasy produktu zgodnie z normą MIL-PRF-16005F).

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Jednostopniowy układ do zatężania i oczyszczania stężonego nadtlenku wodoru, zwłaszcza do otrzymywania stężonego roztworu nadtlenku wodoru klasy HTP o stężeniu co najmniej 98% do zastosowań napędowych, zawierający medium grzewcze, łaźnię wodną, kolbę obrotową z napędem w położeniu skośnym pod kątem od 105° do 140° względem kolumny frakcyjnej, chłodnicę, odbieralnik destylatu, znamienny tym, że ponadto zawiera kolbę stacjonarną (4) umieszczoną pomiędzy adiabatyczną kolumną frakcyjną (7), a kolbą rotacyjną (3)

PL 233 084 Β1 do umieszczania wsadu surowca, a z kolei za chłodnicą (10), a przed zaworem (11) odcinającym odbieralnik główny (12) jest podłączona chłodnica pomocnicza (13), która z jednej strony jest podłączona do próżni (14), zaś produkt końcowy jest odbierany z kolby rotacyjnej (3) i stacjonarnej (4), przy czym nad adiabatyczną kolumną frakcyjną (7), a przed chłodnicą (10), znajduje się albo zawór ponownego napływu sterowany elektromagnetycznie (9), albo chłodnica sterowana natężeniem przepływu cieczy chłodzącej (8), a w takim przypadku do chłodnicy pomocniczej (13) przyłączony jest odbieralnik pomocniczy (15).
2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że kolba rotacyjna (3) posiada złącze (6) do napełniania surowca i odbioru produktu.
3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że zawór ponownego napływu sterowany elektromagnetycznie (9) jest połączony z chłodnicą pomocniczą (13), przed zaworem odcinającym odbieralnika głównego (11).
4. Układ według dowolnego z zastrz. od 1 do 3, znamienny tym, że kolba stacjonarna (4) posiada co najmniej jedno złącze do napełniania surowca i/lub odbioru produktu.
5. Sposób otrzymywania stężonego roztworu nadtlenku wodoru, zwłaszcza klasy HTP o stężeniu co najmniej 98% do zastosowań napędowych, znamienny tym, że w układzie według zastrz. 1 realizuje się jednostopniowy proces otrzymywania stężonego roztworu nadtlenku wodoru poprzez zatężanie i oczyszczanie roztworu nadtlenku wodoru w jednym i tym samym układzie, przy czym proces prowadzi się pod zmniejszonym ciśnieniem w zakresie od 300 do 1400 ± 200 Pa, jeszcze korzystniej w zakresie od 300 do 600 ± 200 Pa, a najkorzystniej 300 Pa, kolba rotacyjna pracuje w warunkach od 60 do 70 ± 5 obrotów/minutę i w temperaturze łaźni wodnej wynoszącej od 55°C do 60°C, stosuje się temperaturę medium chłodzącego w zakresie od 2°C do 5°C.
6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że jako wsad stosuje się co najmniej 60% roztwór nadtlenku wodoru, a najkorzystniej 60% roztwór nadtlenku wodoru cz.d.a. (tj. czysty do analizy).