ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ПОЛУЧЕНИЯ ФТОРА
ELECTROLYSIS CELL FOR INDUSTRIAL PRODUCTION OF FLUORINE

Изобретение относится к технологии получения фтора, а именно к конструкции среднетемпературного электролизера для промышленного получения фтора.
Известен среднетемпературный электролизер для получения фтора (Галкин Н.П., Крутиков А.Б. Технология фтора. Атомиздат, М., 1968, с.103-106). Электролизер включает корпус, крышку, анодный и катодный блоки, газораспределительные устройства (колокола), к которым прикреплены диафрагмы в виде сетки с ячейкой 3,3 мм, устройство подачи фторида водорода в электролит (расплав трифторида калия KF·2HF) и систему теплообмена. Корпус представляет собой прямоугольную ванну размером 2260×965×1041 мм. Трубами охлаждения электролизер делится на две секции, в каждой из которых монтируется по одному анодному и катодному блоку.
Анодный блок содержит два параллельных ряда анодов. Катодный блок включает три стальные катодные пластины, расположенные параллельно рядам анодов, при этом средняя катодная пластина расположена между рядами анодов. Каждый ряд анодов имеет свой колокол. Фтор собирается внутри колоколов и выводится из электролизера через крышку.
Упомянутый электролизер имеет невысокие токовую нагрузку (6 кА) и выход фтора по току (90%), что при указанных выше габаритных размерах корпуса говорит о его относительно низкой удельной производительности (до 2.8 г/л·ч по фтору).
Невысокая токовая нагрузка и, соответственно, невысокий выход фтора объясняются следующим. Во время электролиза на катоде образуется катодный газ в виде пузырьков водорода (их диаметр не превышает 1-2 мм). При указанной конструкции катода пузырьки водорода движутся вверх вдоль плоской поверхности катодной пластины. Вследствие происходящего упругого рассеяния они постепенно заполняют межэлектродное пространство между катодом и анодом; сетка с ячейкой 3,3 мм практически не является препятствием для пузырьков водорода. При росте токовой нагрузки количество образующихся пузырьков и угол их упругого рассеяния увеличиваются, и все большее количество пузырьков водорода попадает в прианодную зону, где происходит их рекомбинация с фтором с образованием фторида водорода. Таким образом, при достижении определенной величины токовой нагрузки дальнейшее ее увеличение не приводит к увеличению выхода фтора и водорода, электролизер начинает работать сам на себя.
Катодные пластины могут выполняться с перфорацией, которая улучшает условия циркуляции электролита, однако не решает вопроса, связанного с попаданием водорода в прианодную зону и рекомбинацией водорода и фтора.
Известен среднетемпературный электролизер для промышленного получения фтора (патент РФ №2081944, МПК С25В 9/00, 1/24, опубл. 20.06.1997) - прототип. Электролизер включает корпус, крышку, аноды, катоды, колокола, устройство подачи фторида водорода в электролит (расплав трифторида калия), систему теплообмена.
В упомянутом патенте предложен коробчатый катод, имеющий жалюзиобразные стенки из жалюзийных пластин. Внутри коробчатого катода расположен анод. Катод с расположенным внутри него анодом образует электролитическую ячейку. За счет газлифтного эффекта между жалюзийными пластинами стенки катода возникает поток газоэлектролитной эмульсии, направленный из прикатодной зоны в закатодную, что позволяет вывести значительную часть образовавшихся в прикатодной зоне пузырьков водорода в закатодную, уменьшить вероятность попадания водорода в прианодную зону. Использование катода с жалюзиобразными стенками вместо плоских катодных пластин позволяет повысить токовую нагрузку и выход фтора. Выход фтора по току в прототипе составляет 93-95%.
Конструкция коробчатых катодов следующая.
Пластины жалюзиобразной стенки закреплены под углом 20÷25° к вертикали, при этом они отклонены от вертикали в направлении, противоположном аноду, рядом с которым расположена стенка коробчатого катода. На фиг.3 описания к патенту РФ №2081944 показано, что жалюзийные пластины (см. поз.21 и 23) катодных стенок наклонены по отношению к вертикали в разные стороны - в стороны, противоположные аноду, рядом с которым расположены. Отклонение пластин от вертикали в направлении, противоположном аноду, позволяет отводить газоэлектролитную эмульсию, содержащую катодный газ, в закатодную зону (за катод).
Параллельные жалюзиобразные стенки катодов соседних ячеек расположены на некотором расстоянии друг от друга (с зазором). При большом количестве коробчатых катодов при расположении их соседних стенок с некоторым зазором друг относительно друга электролизер будет иметь значительные габаритные размеры и, соответственно, большой объем электролита, что приведет к снижению удельной производительности электролизера.
Задачей изобретения является расширение арсенала средств для промышленного получения фтора, а именно разработка электролизера с повышенной удельной производительностью.
Поставленная задача решается тем, что в среднетемпературном электролизере для промышленного получения фтора из расплава трифторида калия, содержащем корпус, крышку, газораспределительные устройства, устройство подачи фторида водорода в электролит, систему теплообмена, анодный блок и катодный блок с жалюзиобразными стенками, катодный блок имеет стенку, образованную двумя наборами жалюзийных пластин, обеспечивающими (формирующими) для газоэлектролитной эмульсии, содержащей катодный газ, зигзагообразный проток снизу вверх между наборами стенки.
При этом в каждом из двух наборов стенки пластины расположены одна над другой, оба набора пластин сближены так, что между ними нет зазора в вертикальном направлении, угол отклонения от вертикали пластин одного набора равен по величине, но противоположен по знаку углу отклонения от вертикали пластин другого набора, при этом пластины отклонены в направлениях, противоположных анодам, пластины одного набора расположены со смещением по вертикали относительно пластин другого набора так, что верхний срез каждой пластины одного набора находится не ниже нижнего среза ближайшей вышерасположенной пластины другого набора стенки.
Пластины набора закреплены под одинаковым углом к вертикали, выбранным из диапазона 25÷35°.
Пластины набора закреплены между собой с шагом по вертикали, выбранным в диапазоне 16-28 мм, при этом шаг может быть одинаковым или постепенно увеличиваться снизу вверх от минимального до максимального значения.
Пластины двух наборов, образующих стенку катода, закреплены, по крайней мере, на двух вертикальных плоских стойках, установленных поперек пластин, в пазах, выполненных в каждой стойке в виде двух вертикальных параллельных рядов, при этом в одном ряду закреплены пластины одного набора, а в другом - пластины другого набора.
Заявляемый электролизер состоит из нескольких секций, расположенных в одном корпусе и отделенных друг от друга трубами системы теплообмена. В каждой секции расположен катодный блок в виде коробчатого катода с боковыми жалюзиобразными стенками и средней стенкой из двух наборов жалюзийных пластин, которая установлена между двумя параллельными рядами анодов, образующих анодный блок. Заявляемый электролизер включает также газораспределительные устройства (газосборные колокола) и устройство подачи фторида водорода в электролит (расплав трифторида калия KF·2HF). Водород собирается внутри колоколов и отводится через крышку электролизера. Фтор отводится через крышку электролизера над колоколами.
На фиг.1 показана секция заявляемого электролизера (передняя и задняя стенки катодного блока не показаны).
На фиг.2 показан катодный блок в виде коробчатого катода со средней стенкой, вид сверху.
На фиг.3 показана средняя стенка катодного блока в сечении, фрагмент «А» на фиг.1.
На фиг.4 показан фрагмент стойки средней стенки катодного блока.
На фиг.5 показан фрагмент средней стенки катодного блока в аксонометрии.
1
2
1
2
На фиг.1 показаны корпус 1, крышка 2 электролизера, два параллельных ряда угольных анодов 3 и 3, расположенных внутри коробчатого катода 4, трубы системы теплообмена 5 и средняя стенка (перегородка) 6 коробчатого катода 4, установленная между рядами анодов 3 и 3.
Боковые стенки 7 (фиг.2) коробчатого катода 4 выполнены как в прототипе из набора прямоугольных стальных жалюзийных пластин 8 (фиг.1), расположенных одна над другой и закрепленных под углом к вертикали, при этом они отклонены от вертикали в направлении, противоположном аноду, рядом с которым расположена стенка коробчатого катода.
1
2
1
2
Средняя стенка 6 (фиг.1, 2) коробчатого катода 4, расположенная между двумя рядами анодов 3 и 3, выполнена в виде двух наборов стальных прямоугольных жалюзийных пластин: первый набор из пластин 9 (фиг.3), второй набор из пластин 10 (фиг.3). В каждом наборе пластины закреплены одна над другой. Все пластины первого набора закреплены под одинаковым углом 11 (фиг.3) к вертикали, выбранным из диапазона 25÷35°, при этом отклонены от вертикали в направлении, противоположном анодному ряду 3, ближайшему от первого набора (т.е. анодному ряду, рядом с которым расположен первый набор пластин катодной стенки). Все пластины второго набора закреплены под таким же по величине углом 12 (фиг.3) к вертикали, но противоположным по знаку, т.е. отклонены от вертикали в другую сторону - в сторону, противоположную анодному ряду 3, ближайшему от второго набора. Угол 25÷35° обеспечивает рассеяние пузырьков водорода в зоне между жалюзийными пластинами и их движение в сторону, противоположную аноду. При угле менее 25° и более 35° возрастает количество пузырьков водорода, рассеянных в сторону анода.
Два набора жалюзийных пластин средней стенки катода установлены друг относительно друга (сближены) так, что между ними нет зазора в вертикальном направлении (фиг.2, 3), т.е. верхние срезы (края) 13 и 14 (фиг.3) пластин обоих наборов касаются вертикальной плоскости симметрии 15 (фиг.3), проходящей между наборами, образующими стенку, при этом пластины первого набора смещены по вертикали относительно пластин второго набора таким образом, чтобы верхний срез 14 одной пластины одного набора находился не ниже нижнего среза 16 (фиг.3) ближайшей вышерасположенной пластины другого набора.
Расстояние между пластинами набора по вертикали - шаг L (фиг.3) выбрано в диапазоне 16-28 мм, при этом шаг может быть одинаковым, а может постепенно увеличиваться снизу вверх от минимального до максимального значения. Увеличение шага сверх 28 мм уменьшает площадь катода, а уменьшение менее 16 мм повышает гидравлическое сопротивление.
Пластины двух наборов, образующих среднюю стенку катода, закреплены по крайней мере на двух вертикальных плоских стальных прямоугольных стойках 17 (фиг.3, 4), установленных поперек пластин, в пазах 18 (фиг.4). Размер и форма пазов обусловлены размером, формой и пространственным расположением пластин. Пазы выполнены в каждой стойке в виде двух вертикальных параллельных рядов, при этом в одном ряду закреплены пластины 9 одного набора, а в другом - пластины 10 другого набора, пазы каждого ряда расположены друг над другом под углом к вертикали, угол 19 (фиг.4) отклонения от вертикали пазов одного ряда противоположен углу 20 (фиг.4) отклонения пазов другого ряда, при этом пазы одного ряда сдвинуты по вертикали относительно пазов другого ряда так, чтобы верхний торец 21 (фиг.4) паза одного ряда находился не ниже нижнего торца 22 (фиг.4) ближайшего вышерасположенного паза другого ряда, при этом верхние торцы 21 и 23 (фиг.4) пазов обоих рядов касаются вертикальной линии симметрии 24 (фиг.4), проходящей через стойку. Линия симметрии 24 лежит на плоскости симметрии 15. Угол 11 равен углу 19, угол 12 равен углу 20.
При такой конструкции катодной стенки, установленной между двумя рядами анодов, газоэлектролитная эмульсия, содержащая катодный газ, отводится из прикатодных пространств восходящим потоком 25 (фиг.3) между жалюзийными пластинами наборов в направлениях, противоположных анодным рядам, и далее зигзагообразным потоком 26 (фиг.3) снизу вверх между наборами, внутри катодной стенки. Катодный газ (водород) выходит из электролита и через колокол выводится из электролизера.
Предложенная катодная стенка из двух наборов жалюзийных пластин, при этом наборы сближены настолько, что формируют между собой зигзагообразный проток катодного газа, установленная между анодами (рядами анодов) вместо двух катодных стенок, расположенных друг относительно друга с зазором, позволяет сэкономить пространство для отвода катодного газа из электролита (отсутствует закатодное пространство). За счет экономии пространства можно расположить в тех же самых габаритных размерах электролизера электроды большего размера или при тех же самых электродах уменьшить размер электролизера. Все это повысит удельную производительность электролизера.
Кроме того, зигзагообразное движение потока газоэлектролитной эмульсии снизу вверх уменьшает каплеунос электролита с водородом при увеличении токовой нагрузки электролизера по сравнению с прямым движением в случае зазора (закатодного пространства) между стенками.
В каждой секции электролизера вместо двух соседних стенок коробчатых катодов, расположенных с зазором, была установлена средняя стенка (перегородка) описанной конструкции, внешние габариты секции при этом остались без изменений. В расширенное пространство между боковыми и средней стенками появилась возможность установить более мощные аноды (рассчитанные на более высокую токовую нагрузку), в результате чего токовая нагрузка была увеличена, что привело к росту удельной производительности электролизера на 20%.
Заявляемый электролизер состоит из 4-х секций, рассчитанных на нагрузку 3 кА каждая, имеет выход фтора по току 93-95%, удельную производительность до 6,5 г/л·ч по фтору.