Электролизер станции обеззараживания воды

Полезная модель предназначена, преимущественно, для использования на станциях обеззараживания питьевой и сточной воды и может быть использована на водопроводно-канализационных сооружениях.
Известными и широко распространенными являются стационарные хлораторные станции обеззараживания воды, осуществляющие хлорирование посредством использования завозимого жидкого хлора в баллонах или контейнерах (Абрамов Н.Н., Водоснабжение - М.: Стройиздат, 1982, с. 280-290).
Недостатком таких станций является необходимость постоянного контроля за безопасностью проводимых работ в виду использования взрывоопасного и высокотоксичного хлора, способного в случае утечки поражать не только обслуживающий персонал, но и население районов, прилегающих к водопроводным очистным сооружениям.
Для снижения вероятности возникновения аварийных ситуаций за счет выработки хлорирующего агента непосредственно на месте, используют установки, которые включают:
- блоки приготовления и дозирования хлорида натрия;
- электролизеры различных модификаций (в которых хлор и гидроокись натрия связываются в гипохлорит натрия);
- баки-накопители гипохлорита натрия, из которых хлорирующий агент подается в обеззараживаемую воду (например, патент RU 2090519 С1).
Электролизер, в наиболее технологически предпочтительной версии мембранного электролиза, состоит из набора электродных камер, каждая из которых образована двумя оболочками, снабженными проходящими по периметру рамками с уплотнительными прокладками, одной мембраной, двумя электродами - анодом и катодом, прикрепленными к соответствующим опорам, и несколькими патрубками для подачи содержащих реагенты растворов и для выпуска продуктов и отработанных растворов. Мембрана разделяет внутреннее пространство каждой электродной камеры на два отделения, соответственно, анодное отделение (анодную камеру), содержащее первый из двух электродов (анод) и катодное отделение (катодную камеру), содержащее второй из двух электродов (катод). Так как растворы, реагенты и продукты, присутствующие в этих двух отделениях, различаются (соответственно раствор хлорида натрия и хлор в анодном отделении и раствор каустической соды и водород в катодном отделении), характеризуются существенно разной химической агрессивностью, то конструкционные материалы двух оболочек различны: в частности, анодная оболочка изготавливается, как правило, из титанового листа, а катодная оболочка - из никелевого листа.
Известна станция для обеззараживания воды (патент RU 2281252 С2), которая так же как и другие аналоги, включает:
блок подготовки рабочих растворов, блок подачи и дозирования рабочих растворов, блок управления и энергетики, электролизер мембранный, имеющий опорные и прижимные рамы, блок отделения газообразной фазы, блок хлорирования, баки-накопители щелочи.
При этом блок подачи и дозирования рабочих растворов состоит из регулировочного бачка, солевого бака, насоса-дозатора, аккумулирующей емкости, ротаметра.
Электролизер мембранный состоит из биполяра, монополяра анода, монополяра катода, прижимной рамы, опорной рамы, биметаллической плиты, листа перфорированного или просечно-вытяжного, ионообменной сульфокатионитной мембраны.
Станция также включает эжектор, фильтр очистки воды, поступающей в электролизер, накопитель щелочи, насос, теплообменник, резервную накопительную емкость, контактный резервуар, тиристорный выпрямитель тока.
В известном электролизере-прототипе анод образован сваренными в углах стальными полосами, торцы которых защищены с анодной стороны титаном, а перегородка выполнена из биметаллического листа (сталь + титан).
Особенностью анодного элемента является то, что он выполнен в виде перфорированного или просечного листа из титана, покрытого окислами рутения и приваренного к токоведущим ребрам анодной камеры.
Особенностью катодного элемента является то, что он представляет собой перфорированный или просечной лист из углеродной стали, приваренный к токоведущим ребрам катодной камеры.
За счет использования нескольких биполярных электродных элементов (биполяров), выполненных из биметаллического листа, полученного путем стягивания крепежными элементами, а также использования сульфокатионитной мембраны между ними обеспечивается стабильность электрохимических показателей процесса в течение длительного времени, а также безопасность ведения процесса.
Однако конструкция данного электролизера допускает, кроме прочего, возможность протечки электролитов из-за недостаточной герметичности соединения титанового и стального листа при изготовлении анода,
В качестве прототипа выбран электролизер, предназначенный для получения хлорагента для станций обеззараживания воды (патент RU 2471891 C2), снабженный опорной и прижимными рамами для электродных биполярных камер, выполненных из биметаллического листа (сталь + титан) и разделенных сульфокатионитной мембраной, содержащий анодную и катодную камеры, имеющие прямоугольную форму и включающие силовые рамки, при этом опорная и прижимные рамы для электродных биполярных камер изготовлены из профильных труб; анодные и биполярные камеры выполнены из биметаллического листа, полученного путем сварки листов вставными биметаллическими (сталь + титан) элементами; анодная и катодная камеры снабжены встроенными теплообменниками, одна из частей которых образована путем размещения укороченных металлических разделительных полос внутри камер и герметичного укрытия наружной поверхности камер металлическим листом, а вторая образована за счет выполнения силовых рамок камер полыми.
В решении-прототипе достигнута лучшая монолитность биметаллических листов, но материалы анодной камеры (ячейки) и анодной части биполярной камеры (ячейки) одинаковы с аналогом - решением по патенту RU 2281252 С2, соответственно титан и сталь, при этом сталь выполняет роль каркаса камеры (ячейки).
Таким образом, существует техническая проблема, общая для аналога и прототипа, связанная с недостатками биметаллических материалов, из которых выполняются анодные и биполярные камеры. Кроме того, биполярные материалы усложняют и утяжеляют конструкции электролизеров.
Полезная модель направлена на устранение указанной технической проблемы.
Технический результат - повышение коррозионной стойкости оборудования и, как следствие, увеличение эксплуатационного срока электролизера.
Указанная техническая проблема решается электролизером для станции обеззараживания воды, предназначенным для соединения с другими блоками станции, снабженным опорным и прижимным элементами для электродных биполярных камер, разделенных сульфокатионитной мембраной, а также анодной и катодной камер, в котором, согласно предложению, в качестве материала каркасов (силовых рамок) анодной и биполярной камер выбран титан (повышение коррозионной стойкости оборудования, путем изготовления наиболее подверженных деталей износу и контакту с агрессивной средой), при этом с катодной стороны каждая биполярная камера изнутри облицована сталью (во избежание процесса наводороживания титана).
Катодная камера выполнена из стали и может конструктивно выполнять функцию прижимного элемента (рамы прижимной).
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан продольный разрез электролизера, соответствующий конструкции электролизера-прототипа (на примере конструкции с одной биполярной камерой). В данном случае анод (анодная камера) 1, катод (катодная камера) 2 и анод 3 выполнены из стали, при этом поверхность анода 1 и анодной части биполяра 3 покрыты титаном (биметалл).
На фиг. 2 показан продольный разрез электролизера в соответствии с настоящей полезной моделью. В данном случае каркасы анодной камеры (анода) 1 и анодная часть биполярной камеры (биполяра) 2 выполнены из титана с облицовкой изнутри сталью катодной части (стороны) биполярной камеры. Катод 2 выполнен из стали и одновременно выполняет функцию прижимного элемента 5. Такая конструкция допустима при небольшом количестве биполярных камер. Конструкция опорной рамы 4 может повторять таковую у прототипа.
Анодные и катодные части разделены мембранами 6.
Электролизер установки обеззараживания воды работает следующим образом.
При прохождении тока через электролизер, происходит процесс электрохимического разложения раствора хлорида натрия, при этом на анодах 4 выделяется хлор, а на катодах 3 - водород и щелочь (едкий натр).
В случае прорыва мембран 6 возникает высокая вероятность контакта катодной части с агрессивной средой (при электролизе раствора хлорида натрия на основной процесс образования хлора накладываются реакции хлора с водой и последующие превращения образующихся веществ. Гидролиз хлора проходит с образованием слабой хлорноватистой кислоты HClO и хлорид-ионов (сильная соляная кислота)). Так как титан обладает высокой стойкостью к указанным агрессивным средам, то критического разрушения катодной части не произойдет в любом случае. Водородовыделение, которое является только катодной реакцией, может вызвать резкое охрупчивание титана. В предлагаемом устройстве избежать данного процесса позволяет облицовка изнутри сталью биполярной камеры 3 с катодной стороны.
При оценке опытных образцов электролизера широкое использование титана полностью себя оправдало и позволило увеличить эксплуатационный срок электролизера (по предварительным расчетам, с 10 до 20 лет). Увеличению эксплуатационного срока также содействовал один из частных вариантов осуществления электролизера, а именно конструктивное выполнение катодной камеры 1, функционально и конструктивно выполненной в виде прижимной рамы. Такое выполнение позволило осуществлять монтажные и профилактические работы в имеющихся стесненных условиях существующих зданий с большей свободой и, соответственно, качеством.