СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ОДНОГО ПОТОКА ПРОДУКТА С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОЛИЗА, А ТАКЖЕ ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
METHOD AND APPARATUS FOR OBTAINING AT LEAST ONE STREAM OF PRODUCT BY MEANS OF ELECTROLYSIS, AS WELL AS APPLICATION THEREOF

Изобретение относится к устройству и способу получения по меньшей мере одного потока продукта, в частности, водорода, посредством электролиза с помощью электролизера. Изобретение относится также к использованию по меньшей мере одного многофункционального сборного резервуара в устройстве для электролиза, а также к этапам способа, которые могут осуществляться, благодаря многофункциональному сборному резервуару. В частности, изобретение относится к устройству и способу согласно ограничительной части формулы изобретения, соответствующих независимых или дополнительных независимых пунктов формулы изобретения.
Установка для электролиза состоит обычно из электролизера, комбинированной электролитной системы, и газовой системы. Электролизер имеет множество электрохимических ячеек, объединенных в одном или нескольких пакетах. В соответствующем пакете ячейки, например, в виде подвесного стеллажа подвешиваются на раме пакеты, так что ячейки можно извлекать вверх при техническом обслуживании или ремонте (монтажная высота зала здания, по меньшей мере, вдвое больше, чем высота ячейки). Например, предусматриваются примерно от трех до пяти пакетов, которые соответственно могут питаться по отдельности или вместе.
Слив электролита из всех ячеек или из всех пакетов объединяется предпочтительно в единственном сборном трубопроводе (в так называемом коллекторе). Для этого в непосредственной близости к электролизеру (как правило, внизу или сбоку, рядом с электролизером), на каждой электродной стороне (анод и катод) соответственно предусмотрен предпочтительно выборочно один или также несколько (безнапорных) сливных трубопроводов (так называемых сливных коллекторов). В них собирается из ячеек и разделяется при электролизе для выработки газа произведенная двухфазовая смесь (при электролизе воды, в частности, анолит и кислород или католит и водород). При этом термин "коллектор" нужно понимать в целом, как отдельный сборный трубопровод; в отличие от используемых внутри ячеек коллекторных трубопроводов (сборных трубопроводов) колекторы расположены отдельно от ячеек. Коллектор может осуществлять слив из множества ячеек, (например, из 260 ячеек), в частности, всех ячеек одного или нескольких пакетов, или также всего устройства. Газовая фаза отводится вверх, в то время, как жидкая фаза или электролит (анолит и католит) направляются вниз в так называемые резервуары для анолита или католита для накопления электролита. Следовательно, последние служат в качестве резервуара для опорожнения для выведенного из ячеек электролита, а также как буфер для системы нагнетания для обеспечения циркуляции электролита.
Следует напомнить, что установку для электролиза опционально можно эксплуатировать в комбинированном режиме эксплуатации (в частности, в "перекрестном режиме эксплуатации"), причем комбинируя вместе сторону анолита и католита. Опционально режим эксплуатации может быть также отдельным режимом эксплуатации (в частности, "параллельным режимом эксплуатации"), причем каждая сторона приводится в действие индивидуально и отдельно от другой стороны.
Для обеспечения свободного слива из ячеек, электролизер и сточные трубопроводы должны быть установлены выше резервуара анолита и католита. Вследствие этого получают по меньшей мере соблюдаемая монтажная высота установки для электролиза, которая во многих случаях должна превышать, в зависимости от места установки, максимально допустимую или максимально желаемую монтажную высоту, что в этом случае приводит к существенным затратам на строительство и расходы на оборудование. Поэтому уже довольно долгое время существует интерес к наиболее возможной компактной установке для электролиза с хорошей функциональностью.
Известные прежде устройства для электролиза и способы электролиза описаны, например, в следующих публикациях: US 6 338 786 81, US 8 137 513 82, ЕР 2 905 359 A1.
Задача изобретения заключается в создании установки для электролиза (устройства), в частности, для электрохимического производства водорода электролизом воды, а также способ с прежде описанными признаками, причем с продолжением оптимизации электролиза или необходимого для него промышленного оборудования, в частности, также в экономичном и компактном варианте исполнения и/или в отношении надежности эксплуатации. В целом, задача усматривается в предоставлении привлекательной общей концепции способа и промышленного оборудования для электролиза, предпочтительно, совместимой также с наибольшим количеством используемых до настоящего времени видов процессов электролиза.
Эта задача решается согласно изобретению с помощью устройства для электролиза, устроенного для получения по меньшей мере одного потока продукта, в частности, водорода, в частности, электролизом воды, в частности, устроенным для обеспечения потока продукта согласно описанному далее еще более подробно способу: с электролизером со множеством объединенных по меньшей мере в один пакет электролизных ячеек для получения электролита или двухфазовой смеси электролизом, причем электролизер имеет сторону анолита и сторону католита; причем устройство для электролиза устроено для отведения электролита (или двухфазовой смеси) из ячеек (первая функция) и для разделения фаз электролита (или двухфазовой смеси) на две фазы (следующая, в частности вторая функция), в частности, соответственно на соответствующей стороне электролизера, и, причем, устройство для электролиза устроено, кроме того, для накопления или промежуточного хранения электролита (следующая, в частности, третья функция) вверх по потоку от системы нагнетания для устройства для электролиза, в частности, системы нагнетания, устроенной для циркуляции электролита; причем устройство для электролиза имеет по меньшей мере один, с возможностью присоединения к ячейкам / присоединенный многофункциональный сборный резервуар и устроено, вследствие этого, для объединенного обеспечения по меньшей мере двух интегрированных в многофункциональный сборный резервуар функций, в частности, "отведение" (первая функция) и "накопление" или промежуточное хранение (следующая, в частности третья функция), соответственно, посредством многофункционального сборного резервуара, в частности, на соответствующей стороне электролизера. Благодаря этому можно достигать различных, связанных с устройствами технических преимуществ в отношении устройства для электролиза, а также в отношении присоединенных к нему компонентов. Кроме того, возникают преимущества, касающиеся управления технологическим процессами и возможности варьирования. Например, можно полностью отказаться от газоотводов из резервуара для анолита или католита. При этом многофункциональный сборный резервуар устроен и скомпонован для запаса для работы насоса, в частности, подключен или соединен трубами.
Оказалось, что предлагаемая согласно изобретению компоновка не ограничивается "одноячеичной конструкцией", но также может использоваться в других обычных конструктивных решениях устройств для электролиза. Также нет необходимости ограничиваться, например, осуществлением электролиза воды, в этом случае предлагаемая согласно изобретению компоновка обеспечивает описанные в заявке преимущества также при электролизе любых других веществ.
Заданная отдельными функциями структура, или конструктивное решение, может быть раскрыто согласно изобретению функциональной интеграцией, в частности, также с тем преимуществом, что устройство может быть скомпоновано или сконструировано более гибко, и, например, оптимизировано также относительно монтажной высоты. В частности, можно назвать следующие преимущества предлагаемой согласно изобретению компоновки: сокращение затрат в отношении оборудования, труб, металлоконструкций; меньшие габариты устройства; уменьшенная монтажная высота; более короткие сроки строительства; уменьшенный риск в отношении затопления многофункционального сборного резервуара; повышенная эксплуатационная надежность; уменьшенные издержки относительно оснащения приборами и управления процессом. Например, можно сэкономить несколько метров монтажной высоты, даже, если зал здания перекрывает устройство. При отказе от отдельного сборного резервуара можно также значительно уменьшить монтажную высоту, если объем многофункционального сборного резервуара сравнительно большой и, многофункциональный сборный резервуар расположен ниже ячеек.
Многофункциональный сборный резервуар может называться, в частности, также сборным коллектором с интегрированным диапазоном функций. Многофункциональный сборный резервуар может называться, в частности, также безнапорным сборным резервуаром, в частности, безнапорным сборным проточным резервуаром. Термин "безнапорный" до сих пор обычно использовался для не полностью заполненного трубопровода, например, заполненного только наполовину. Выполненные до настоящего времени, как правило, в виде безнапорных трубопроводов сборные резервуары имеют множество подводов для электролита (соответствующее сливам множество ячеек для электролиза), а также, по меньшей мере один выпуск для жидкой фазы и один выпуск для газовой фазы. При этом термин "безнапорный" понимают, как признак для технологического варианта, позволяющего отводить газовую фазу из трубопровода, отдельно от жидкой фазы. Предлагаемый согласно изобретению, многофункциональный сборный резервуар не обязательно должен иметь другую конструкцию, чем прежде известные резервуары, однако, предлагаемый согласно изобретению, многофункциональный сборный резервуар может отличаться, согласно изобретению, включением в предлагаемое согласно изобретению, решение устройства и предлагаемым согласно изобретению конструктивным исполнением множества функций (в частности, до шести функций).
Под электролизером нужно понимать при этом, предпочтительно, устройство, устроенное для электролиза. Под электролитом нужно понимать далее, предпочтительно, любой вид текучей среды в любой момент времени процесса и при любом фазовом составе в устройстве для электролиза: будь это, в момент времени (процесса) отвода из ячеек, будь это, в момент времени (процесса) возврата системой нагнетания. Термин "Электролит" содержит согласно определению также двухфазовые смеси из анолита / католита и газа, а также включает согласно термину и газовую фазу. Следовательно, термин "Электролит" содержит согласно данному определению, в частности, любой вид произведенных при электролизе текучих сред или двухфазовых смесей, в частности, также и пену.
Под "ячейкой" нужно понимать, предпочтительно, элемент электролизера, в котором может происходить электролиз, в частности, независимо от других, соседних ячеек. Несколько ячеек могут быть объединены в одной пакета, например, 100 ячеек.
Под системой нагнетания нужно понимать при этом, предпочтительно, систему, устроенную для циркуляции электролита, как в отношении относительно анолита и/или в отношении католита.
Под словом "интегральный" нужно понимать, предпочтительно, присоединение или объединение множества функций и/или компонентов устройств и/или этапов способа.
Далее, в качестве примера, описывается электролиз воды, в частности, со ссылкой на анодную сторону (анолит или кислород). Аналогично это описание применимо к катодной стороне (католит или водород).
Согласно уровню техники, функция сборного коллектора для анолита (сточные трубопроводы) отделена от функции резервуара для анолита. При этом соответствующий сборный коллектор анолита служит для сведения двухфазовой смеси анолита (в частности, содержащей кислород) из отдельных компонентов (в частности, ячеек) электролизера. И, напротив, резервуар для анолита служит в качестве резерва для работы насоса или промежуточного хранилища для анолита.
Согласно данному изобретению функции классического сточного коллектора анолита, а также классического резервуара для анолита объединены посредством комбинации устройств и технологий этих устройств в объединенном в интегральном сборном резервуаре для анолита (многофункциональном сборном резервуаре или многофункциональном сточном коллекторе). Согласно изобретению обычный до настоящего времени согласно уровню техники резервуар для анолита может быть заменен; отдельный резервуар для анолита становится ненужным. Согласно изобретению, объем обычного до настоящего времени сточного коллектора анолита увеличивается. В созданном, вследствие этого, многофункциональном сборном резервуаре можно собирать двухфазовую смесь из анолита и кислорода из всех ячеек. Дополнительно, с помощью многофункционального сборного резервуара, можно опционально обеспечивать также функцию резерва для работы насосов и промежуточное хранилища для циркуляции анолита. При этом эксплуатационный объем и уровень заполнения могут выбираться также для многофункционального сборного резервуара такой величины или регулироваться так, чтобы при соответствующей низкой скорости потока можно было обеспечивать достаточно полное разделение фаз (газовая фаза и жидкая фаза), а в дальнейшем предоставлять достаточно большой объем в качестве резерва для работы насосов. Кроме того, общий объем многофункционального сборного резервуара можно выбирать при этом опционально такой величины, при котором отдельные компоненты или ячейки соответствующего пакета пакета электролизера могут полностью опорожняться в многофункциональный сборный резервуар (функция слива).
Благодаря предлагаемому согласно изобретению многофункциональному сборному резервуару, можно сократить, кроме того, количество необходимых элементов оборудования, а вследствие этого также сэкономить затраты. При этом общая монтажная высота может уменьшаться, например, примерно от трех до четырех метров. Таким образом может обеспечиваться непосредственное влияние на общую монтажную высоту зала ячеек может обеспечиваться выгодному способу также (или косвенно, - на высоту машинного зала, складского помещения). Это обеспечивает также экономию других затрат, в частности, что касается металлоконструкций и прокладки трубопроводов.
При этом под многофункциональным сборным резервуаром нужно понимать, предпочтительно, резервуар, в противоположность к трубопроводу, устроенному для минимальной продолжительности пребывания собираемой текучей среды, причем определено нижнее пороговое значение для минимальной продолжительности пребывания, в частности, по меньшей мере время от времени не перемещаемой текучей среды (расположенной неподвижно текучей среды - функция бака), и причем минимальная продолжительность пребывания определена, в частности, объемом сборного резервуара. Многофункциональный сборный резервуар устроен для накопления текучей среды посредством уменьшения скорости протекания текучей среды, в частности, до скорости протекания равной нулю (0) в течение минимальной продолжительности пребывания.
Для интегрированной мультифункциональности, многофункциональный сборный резервуар может обеспечиваться сравнительно большим объемом. В противоположность этому большой объем не имел смысла до настоящего времени для отдельной функции сборных резервуаров. Точно также до настоящего времени не думали о функциональной интеграции, в частности, особенно с хлорно - щелочными смесями, так как вследствие этого нужно было бы делать скидку в отношении буферного объема резервуара для анолита.
Обнаружилось, что интеграцию функций можно реализовать, в частности, при электролизе воды вместе с эффективной и привлекательной концепцией способа и устройства. При электролизе воды подразумевается круговой процесс. Возникают относительно небольшие колебания уровня заполнения, в частности, в противоположность процессам производства со смесями хлора и щелочи. Оказалось, в частности, что при электролизе воды весь электролит (текучая среда), выгружаемая из соответствующего сборного резервуара для анолита или католита (многофункционального сборного резервуара), также может быть снова целиком возвращен в соответствующий бак сборника.
Возможность соединять многофункциональный сборный резервуар выборочно с определенным количеством ячеек или пакетов (например, многофункциональный сборный резервуар анолита для двух пакетов по 100 ячеек каждый), говорит о модульном построении компоновки устройства для электролиза, причем многофункциональный сборный резервуар может обеспечивать распространенные на модули интеграцию функций. При этом многофункциональный сборный резервуар может конструироваться, в частности, в зависимости от присоединяемых ячеек, например, зависимым от объема, например, также, принимая во внимание предпочтительный диапазон уровня заполнения в многофункциональном сборном резервуаре.
Согласно изобретению обнаружилось, в частности, что при интеграции функций в многофункциональном сборном резервуаре и согласованной конструкции многофункционального сборного резервуара можно получить или обеспечить, в частности, следующие функции, включенные вместе посредством единственного технологического компонента (мультифункциональной ступени способа), причем соответствующая функция относится при этом ко множеству ячеек, в частности, ко всем ячейкам по меньшей мере одного пакета:
- "отведение электролита из ячеек" (первая функция);
- "разделение фаз" (вторая функция);
- "накопление" (третья функция);
- "буферизация электролита", в частности, также относительно колебаний объема вследствие фазовых изменений или образования пены (четвертая функция);
- "поддержание или получение электролита" для нагнетательного контура или для внутримашинной циркуляции (пятая функция); - "опорожнение" (слив) множества ячеек, в частности, с целью технического обслуживания или замены (шестая функция). Выбранная в данном случае последовательность функций не имеет значения, так как все функции могут быть реализованы интегрально, эта последовательность не относится ни к иеархии процесса, ни к последовательности этапов способа.
В зависимости от концепции устройств, многофункциональный сборный резервуар может быть резервуаром, не подпадающим под предписания для резервуаров высокого давления. Другими словами - установку для электролиза можно эксплуатировать при величинах давления выборочно в диапазоне максимально в несколько сотен миллибар (mbar), поэтому многофункциональный сборный резервуар не проектируют как резервуар высокого давления.
Согласно изобретению все функции, в частности, по меньшей мере функции: "отведение", "накопление", "буферизация", "разделение фаз", полностью интегрированы в многофункциональном сборном резервуаре, без предоставления для обеспечения этих функций других резервуаров или компонентов устройств. В зависимости от концепции устройств функции: "запас для работы насоса" и "слив" также могут обеспечиваться полностью интегрально многофункциональным сборным резервуаром. В последнем исполнении исключается, в частности, отдельный сборно - сливной бак. Предусмотренные как правило, до настоящего времени отдельные сборно - сливные баки используются довольно редко, во всяком случае несколько раз в год, и занимают сравнительно много места / пространства, к тому же вызывают также значительные дополнительные расходы.
Согласно примеру исполнения, устройство для электролиза устроено, кроме того, также для интегрального обеспечения интегрированной в многофункциональный сборный резервуар функции "разделение фаз", (следующая, в частности вторая функция), посредством многофункционального сборного резервуара, в частности, на соответствующей стороне. С помощью этого также можно достигать технологической гибкости.
Согласно изобретению, многофункциональный сборный резервуар устроен, кроме того, для интегрального обеспечения функции "буферизация электролита" в течение заранее заданной минимальной длительности пребывания (в частности, также в отношении колебаний объема из - за фазовых изменений или образования пены) и функции "промежуточное хранение электролита" с заранее заданным минимальным объемом или минимальным уровнем заполнения для поддержания минимального объема в качестве запаса для работы насосов. Это обеспечивает также тонкую конструктивную компоновку и целесообразное технологическое соединение.
Согласно примеру исполнения, устройство для электролиза предназначено, кроме того, также для интегрального обеспечения интегрированной в многофункциональный сборный резервуар функции "опорожнение" ячеек (слив) посредством многофункционального сборного резервуара, в частности, в целях технического обслуживания. Благодаря этому, можно экономить также на монтажном объеме и издержках на технические устройства.
Согласно примеру исполнения, многофункциональный сборный резервуар может присоединяться/соединен с системой нагнетания. Это обеспечивает также целесообразное технологическое подключение.
Согласно примеру исполнения, (соответствующий) многофункциональный сборный резервуар расположен под электролизером, в частности, соответственно, в каждом случае на соответствующей стороне. Это дает, наряду с преимуществами, касающимися промышленного оборудования, также компактную компоновку. Благодаря ей, облегчается приводимое в движение гравитацией отведение и передача электролита. Отведение и передача электролита может осуществляться в "свободно протекающем режиме".
Согласно примеру исполнения. (соответствующий) многофункциональный сборный резервуар расположен по меньшей мере примерно по центру относительно электролизера. Это обеспечивает также компактную компоновку. При этом центральная, в частности, немного смещенная компоновка, в частности, двух многофункциональных сборных резервуаров дает также преимущества в отношении экономии конструктивного пространства и устройств.
Согласно примеру исполнения (соответствующий) многофункциональный сборный резервуар расположен в положении по высоте, независимо от обычного положения по высоте резервуара анолита или католита, в частности, в каждом случае на соответствующей стороне. Интеграция функций обеспечивает разъединение с другими компонентами. Отдельный сборный резервуар больше не требуется, а поэтому многофункциональный сборный резервуар не нужно также обязательно располагать выше резервуара для анолита или католита или сливного бака. Вследствие этого получают большее конструктивное свободное пространство.
Согласно примеру исполнения, (соответствующий) многофункциональный сборный резервуар расположен в более низком положении по высоте относительно ячеек, в частности, на соответствующей стороне. Это обеспечивает также приводимый в движение исключительно силой тяготения поток, по меньшей мере в отношении отдельных функций.
Согласно примеру исполнения, (соответствующий) многофункциональный сборный резервуар на своей тыльной стороне соединен трубами с другими компонентами устройства системы. Это обеспечивает также предпочтительную в отношении устройств техническую интеграцию, в частности, интеграцию относительной ориентации или позиционирования многофункционального сборного резервуара.
Согласно примеру исполнения, (соответствующий) многофункциональный сборный резервуар имеет объем по меньшей мере 15% от общего объема ячеек для электролиза, в частности, относительно объема ячеек или пакетов всех присоединенных к многофункциональному сборному резервуару (полу) ячеек в диапазоне от 10 до 60 куб. м. (m3) от общего объема. Согласно примеру исполнения, многофункциональный сборный резервуар имеет процентный объем относительно объема присоединенных к многофункциональному сборному резервуару (полу) ячеек в диапазоне от 30 до 150 %. Это обеспечивает гибкость управления технологическим процессом и расширяет функциональность. Это обеспечивает соответственно также хорошие буферные свойства.
Согласно примеру исполнения, (соответствующий) многофункциональный сборный резервуар имеет отношение длины - ширины в диапазоне от 10 до 75. Это имеет не в последнюю очередь также конструктивные преимущества и благоприятствует также интеграции функций.
Согласно примеру исполнения, (соответствующий) многофункциональный сборный резервуар имеет цилиндрическую геометрическую форму или геометрическую форму для обеспечения по меньшей мере частично цилиндрического буферного объема для электролита. Это обеспечивает, наряду с касающимися промышленного оборудования преимуществами (в частности, конструктивное пространство), также оптимизацию относительно транспортирования веществ, а также оптимизацию компоновки компонентов относительно друг друга.
Согласно примеру исполнения, (соответствующий) многофункциональный сборный резервуар имеет диаметр в диапазоне от 450 до 1.000 мм, в частности, в диапазоне от 500 до 800 мм.
Согласно примеру исполнения (соответствующий) многофункциональный сборный резервуар имеет максимальный диаметр в диапазоне от 800 до 1000 мм, в частности, при цилиндрической форме поперечного сечения. Это обеспечивает также соответственно предпочтительную, касающуюся промышленного оборудования интеграцию. Сравнительно большой диаметр предлагаемого, согласно изобретению, многофункционального сборного резервуара обеспечивает также большую продолжительность пребывания, что благоприятствует разделению фаз (обширная функциональная интеграция разделения фаз).
Согласно примеру исполнения, (соответствующий) многофункциональный сборный резервуар имеет, в зависимости от количества ячеек, определенную длину, в частности, в диапазоне от 10 до 15 м (метров) при 150 ячейках, или в диапазоне от 20 до 30 м (метров) до 300 ячеек. Определение длины в качестве функции количества ячеек обеспечивает целесообразный расчет и интеграцию функций и, не в последнюю очередь, может также обеспечивать значительно свободную длину пути для электролита, что предоставляет собой преимущества, касающиеся управления технологическим процессом.
Согласно примеру исполнения, (соответствующий) многофункциональный сборный резервуар имеет уровень заполнения электролита по меньшей мере 100 мм, в частности, в отношении объема ячеек или пакета в диапазоне от 10 до 60 м3 (куб. м.). Это может обеспечивать также высокую технологическую гибкость, в частности, принимая во внимание, временное наложение нескольких функций или, принимая во внимание, колебания уровня заполнения.
Согласно примеру исполнения, (соответствующий) многофункциональный сборный резервуар выполнен или сконструирован для скоростей движения электролита максимально до 0,2 м/с. Это обеспечивает также особенно обширную интеграцию функций.
При этом длину многофункционального сборного резервуара можно регулировать или выбирать также в зависимости от количества отдельных элементов. Обнаружилось, что дополнительная длина около 2 м может быть предпочтительна, принимая во внимание оснащение приборами и устройствами. Целесообразную для каждого случая применения длину можно выбирать из широкого диапазона, например, от 5 до 30 м.
Согласно примеру исполнения, многофункциональный сборный резервуар имеет по меньшей мере интегрированную систему измерительных сенсорных устройств, в частности, по меньшей мере один датчик уровня заполнения для электролита и/или по меньшей мере один датчик температуры. С помощью них можно легче регулировать соответствующий процесс. В зависимости от фазы процесса контроль за работой многофункционального сборного резервуара, контроль его работы может давать важные сведения.
Контроль работы уровня заполнения и регулирование обеспечивают, в сочетании с наибольшим объемом, возможность использовать также многофункциональный сборный резервуар простым и надежным в эксплуатации способом, в качестве запаса для работы насосов. Кроме того, могут быть предусмотрены введение азота и устройства безопасности (так называемый XV и реле уровня). Оказалось, что, благодаря регулированию уровня заполнения, простым способом возможна обширная интеграция функций. В отличие от этого, в обычно используемых до настоящего времени сливных линиях не было регулирование уровня заполнения (только не регулируемый, свободный слив).
Согласно примеру исполнения, многофункциональный сборный резервуар имеет по меньшей мере неподвижную преграду пути потока, в частности, защиту на участке принимаемого электролита или предусмотренного для электролита буферного объема. благодаря ей, можно влиять на путь потока или скорость потока. Например, в нижней половине многофункционального сборного резервуара расположены пластины или направляющие щитки. Преграду пути потока можно также описать, как встроенный конструктивный элемент для оптимизации процессов разделения фаз.
Согласно примеру исполнения, (соответствующий) многофункциональный сборный резервуар устроен для продолжительности пребывания электролита (или двухфазовой смеси или обеих фаз) в промежутке от 2 до 5 минут. Благодаря этому, функцию разделение фаз также можно интегрировать, в частности, эффективным способом.
Согласно примеру исполнения, (соответствующий) многофункциональный сборный резервуар устроен для скорости движения электролита (или двухфазовой смеси или обеих фаз) в диапазоне от 0,01 до 0,2 m/s (метров в секунду). Это обеспечивает также эффективное разделение фаз, интегрированное в многофункциональном сборном резервуаре.
Согласно примеру исполнения, многофункциональный сборный резервуар устроен для минимальной продолжительности пребывания собираемого электролита (или двухфазовой смеси), в частности, устроен для накопления электролита (или двухфазовой смеси) за счет уменьшения его скорости движения, в частности, до скорости движения, равной нулю в течение минимальной продолжительности пребывания. Это также обеспечивает обширную интеграцию функций.
Согласно примеру исполнения, устройство для электролиза имеет два с возможностью присоединения / присоединенных к ячейкам многофункциональных сборных резервуара, в частности на соответствующей стороне электролизера для анолита и католита, причем многофункциональные сборные резервуары, в частности, расположены со смещением в боковом направлении относительно друг друга, в частности, по меньшей мере приблизительно по центру относительно электролизера. Эта компоновка обеспечивает связанные с устройством технические и технологические преимущества с максимально возможной интеграцией функций.
Согласно примеру исполнения, устройство для электролиза имеет два с возможностью присоединения / присоединенных к ячейкам многофункциональных сборных резервуара, соединенных друг с другом через уравнительный трубопровод и/или которые присоединены друг к другу посредством зависимого от уровня заполнения устройства регулирования количества проходящего вещества и/или регулирования потока в байпасе (регулируемый поток в байпасе). Это обеспечивает также гибкость относительно разных режимов эксплуатации устройства для электролиза (в частности, "перекрестной эксплуатации" или "параллельной эксплуатации").
Названная прежде задача решается также согласно изобретению, по меньшей мере устройством для электролиза с многофункциональным сборным резервуаром, с интегральной комбинацией по меньшей мере функций "отведение электролита" и функции "накопление электролита" и функции "буферизация и "запас для работы насоса", из группы функций: "отведение", "разделение фаз", "накопление или "промежуточное хранение", "буферизация", "подготовка электролита для или в системе нагнетания", "опорожнение" ячеек, в частности, описанное ранее устройство для электролиза; причем устройство для электролиза соединено с системой нагнетания так, что посредством многофункционального сборного резервуара функция "запас для работы насосов" может обеспечиваться интегрально исключительно посредством многофункционального сборного резервуара (в отношении электролита), в частности, с буферным объемом по меньшей мере 10 или 20 или 30% от общего объема электролита. Это дает названные ранее преимущества. При этом многофункциональный сборный резервуар можно называть "безнапорным сборным сборником", с соответственным выполнением и расположением. При этом процентные данные относятся, в частности, к объему электролита внутри электролизных ячеек. Такой буферный объем обеспечивает также, независимо от выполняемых функций или независимо от эксплуатационного режима, компенсацию вытеснения газовой фазы в электролизных ячейках. В специальных конфигурациях устройства буферные объемы могут быть также достаточными в диапазоне только 5%. Обнаружилось, что для наибольшей гибкости при эксплуатации устройства предпочтителен сравнительно большой буферный объем, например, 30%.
Названная прежде задача решается согласно изобретению также посредством многофункционального сборного резервуара для устройства для электролиза, в частности, для ранее описанного устройства для электролиза, причем многофункциональный сборный резервуар устроен для интегрального обеспечения нескольких функций из следующей группы, по меньшей мере содержащей: первую, третью, четвертую и пятую функцию:
- первая функция: "Отведение электролита из ячеек устройства для электролиза";
- вторая функция: "Разделение фаз";
- третья функция: "Накопление электролита из ячеек";
- четвертая функция: "Буферизация электролита, в частности, относительно фазовых
изменений при электролизе";
- пятая функция: "Поддержание электролита для нагнетательного контура"
устройства для электролиза;
- шестая функция: "Прием электролита с целью полного опорожнения ячеек".
Это дает названные прежде преимущества.
Прежде названная задача решается, согласно изобретению, также способом получения по меньшей мере одного потока продукта, в частности, водорода, электролизом, в частности, электролизом воды, посредством электролизера со множеством объединенных по меньшей мере в один пакет электролизных ячеек для получения электролита или двухфазовой смеси электролизом; причем электролит отводят из ячеек (первая функция) и разъединяют на две фазы (следующая, в частности, вторая функция), и, причем, электролит или двухфазовую смесь или фазы собирают вверх по потоку системой нагнетания, в частности, системой нагнетания для циркуляции электролита, или временно хранят или будут хранить (другая, в частности третья функция); причем по меньшей мере функции: "отведение электролита" или двухфазовой смеси и "накопление" или промежуточное хранение электролита или двухфазовой смеси или обеих фаз выполняют интегрально вместе в многофункциональном сборном резервуаре или на интегральном этапе способа, в частности, посредством по меньшей мере одного с возможностью присоединения/присоединенного к ячейкам и с возможностью регулирования по уровню заполнения многофункционального сборного резервуара. Это дает названные ранее преимущества.
Согласно варианту исполнения изобретения функцию "разделение фаз" выполняют интегрально, вместе с функциями "отведение" и "накопление" в интегральном многофункциональном сборном резервуаре и/или на интегральном этапе способа, в частности, посредством регулируемого по уровню заполнения, а также используемого в качестве резерва для работы насосов многофункционального сборного резервуара. Это дает использовать большой диапазон возможной интеграции функций.
Согласно варианту исполнения изобретения, вниз по потоку от "накопления" или "промежуточного хранения" происходит перекачивание электролита посредством системы нагнетания (в частности, в направлении циркуляции), в частности, подведение назад к ячейкам, причем электролит подают посредством интегрального многофункционального сборного резервуара или интегрального этапа способа (многофункциональный сборный резервуар с функцией резерва для работы насосов). Это обеспечивает обширную функциональную интеграцию или объединение.
Согласно изобретению "накопление" содержит также обе следующие подфункции: "буферизация электролита" во время заранее заданной минимальной длительности пребывания, в частности, для "разделения фаз", и промежуточного хранения электролита с заранее заданным минимальным объемом или минимальным уровнем заполнения для поддержания минимального объема в качестве резерва для работы насосов. Это обеспечивает широкую функциональность на интегральном этапе способа или посредством мультифункционального сборного резервуара. Эта широкая функциональность также имеет, в частности, преимущества, принимая во внимание изменения объема, вызываемые образованием пены.
Согласно варианту исполнения изобретения, продолжительность пребывания для разделения фаз электролита (или двухфазовой смеси или обеих фаз) выдерживается в интервале от 2 до 50 минут, в частности, в многофункциональном сборном резервуаре.
Согласно варианту исполнения изобретения, для разделения фаз, скорость движения электролита (или двухфазовой смеси или обеих фаз) выдерживается в диапазоне от 0,01 до 0,2 м. в секунду (м/сек.), в частности, в многофункциональном сборном резервуаре. Таким образом, можно соответственно также расширить интеграцию функций.
Согласно варианту исполнения изобретения, "накопление" содержит буферизацию электролита, принимая во внимание колебания объема в диапазоне от 5 до 30 % общего объема электролита. Согласно варианту исполнения изобретения, "накопление" содержит поддержание минимального объема электролита в качестве запаса для работы насосов для внутреннего нагнетательного контура. Это может соответственно расширить интеграцию функций.
Согласно варианту исполнения изобретения, водород получают посредством электролиза воды, в частности, с помощью устройства для электролиза в диапазоне мощности от 5 до 20 МВт. Обнаружилось, что предлагаемый согласно изобретению способ или предлагаемое согласно изобретению устройство могут обеспечивать при электролизе воды значительные преимущества, в частности, в названном диапазоне мощности. Производительность (или производственная мощность) устройства для электролиза может складываться также, исходя из объемного расхода (стандартный кубометр в час). Устройство для электролиза имеет, предпочтительно, производительность в диапазоне от 1000 до 4500 ст. куб.м / ч. (скорость производства водорода).
Согласно варианту исполнения изобретения весь электролит, выгружаемый из (соответствующего) многофункционального сборного резервуара, целиком снова возвращается в соответствующий многофункциональный сборный резервуар (полная рециркуляция). Многофункциональный сборный резервуар может использоваться в этом режиме эксплуатации как компонент циркуляционного контура.
Согласно варианту исполнения изобретения, объединяющий функции способ может осуществляться в отдельном или в комбинированном режиме эксплуатации, в частности, в комбинированном режиме эксплуатации с уравнительным трубопроводом (и/или трубопроводом со сравнимой функцией для регулируемой корректировки объема) между многофункциональным сборным резервуаром со стороны анолита и многофункциональным сборным резервуаром со стороны католита. Это может еще больше повысить гибкость.
Как уже указывалось, несколько многофункциональных сборных резервуаров могут быть соединены друг с другом, в частности, многофункциональный сборный резервуар для анолита соединен с многофункциональным сборным резервуаром для католита. Колебания объема, которые могут возникать, например, при не совсем одинаковых объемных расходах, можно компенсировать с помощью уже названного уравнительного трубопровода (сообщающихся труб) и/или соответственно насосным байпасом обоих насосов для электролита, так что частичный поток из первого многофункционального сборного резервуара стороны нагнетания насоса может транспортироваться назад, на всасывающую сторону насоса. Это снижает эффективный объемный расход. При растущем уровне заполнения в первом многофункциональном сборном резервуаре открывается соответствующее байпасный насос. И напротив, при повышении уровеня заполнения во втором многофункциональном сборном резервуаре, открывается другое (второе) байпасное устройство. При этом режиме эксплуатации анализируют данные измерения уровня заполнения по меньшей мере двух датчиков уровня заполнения, по меньшей мере в двух многофункциональных сборных резервуарах и используют их как основу для управления/регулирования.
Прежде названная задача решается также, согласно изобретению, посредством использования по меньшей мере одного многофункционального сборного резервуара в устройстве для электролиза для получения интегральной комбинации функций, по меньшей мере из функций: "отведение электролита" (слив) и функции "накопление" электролита, а также функции "буферизация и получение электролита для или в системе нагнетания, из группы функций, по меньшей мере содержащей : "сливание / отведение", "буферизацию", "отделение фаз", "накопление или промежуточное хранение", получение электролита для или в системе нагнетания, в частности, для осуществления циркуляции электролита, прием электролита с целью полного опорожнения ячеек, в частности, в прежде описанном устройстве для электролиза, причем в многофункциональном сборном резервуаре предпочтительно выполняют при этом разделение фаз, в частности, описанным прежде способом. При этом многофункциональный сборный резервуар может быть устроен и скомпонован для резерва для работы насосов и, в частности, с буферным объемом по меньшей мере 10 или 20, или 30% от общего объема электролита.
Прежде названная задача решается также согласно изобретению способом получения по меньшей мере одного потока продукта, в частности, водорода, электролизом с помощью электролизера со множеством электролизных ячеек, объединенных по меньшей мере в один пакет; причем электролит отводят из ячеек и разделяют на две фазы, и, причем, электролит собирают вверх по потоку системой нагнетания, в частности, описанным прежде способом; причем, по меньшей мере другую функцию, содержащую "опорожнение" ячеек, обеспечивают или выполняют в многофункциональном сборном резервуаре, как одно целое, вместе с функцией "отведение", в частности, выполняют с помощью по меньшей мере присоединенного к ячейкам, с возможностью регулирования уровня заполнения многофункционального сборного резервуара, в частности, для технического обслуживания электролизера, а также функцию "накопление", как одно целое, вместе с функциями "отведение" и "опорожнение". Это обеспечивает прежде названные преимущества. В частности, можно сэкономить отдельный сливной бак. При нескольких клетях можно рационально использовать уже имеющиеся емкости многофункционального сборного резервуара также для функции "слив".
Для более содержательного разъяснения данного изобретения далее отдельно описывается модуль для электролиза воды, в частности, класса 5 МВт. При этом термин "Коллектор" используется как синоним для термина "Многофункциональный сборный резервуар" и имеет сокращение " МСР", если не обозначен по - другому.
Названная прежде задача решается согласно изобретению также ранее описанным способом, причем регулирование уровня заполнения осуществляют, измеряя в соответствующем МСР уровень заполнения и, сравнивая актуальный уровень заполнения с расчетным уровнем заполнения, или с нижним и/или верхним пороговым значением для уровня заполнения, в частности, с целью подвода или отведения рабочей среды для регулировки уровня заполнения в желаемом / предварительно определенном диапазоне уровня заполнения. Регулирование уровня заполнения содержит при этом, предпочтительно, соответственно измерение уровня заполнения в анолита или католита в МСР. По уровню заполнения определяют объем (массу электролита) внутри соответствующего МСР, а также общий объем (массу электролита) в устройстве для электролиза. Например, в зависимости от общего объема можно регулировать также подачу воды (в частности, деминерализованной воды). С помощью соответствующих измеренных фактических уровней заполнения можно при этом регулировать или предотвращать также колебания объемов между обоими МСР с помощью разгрузочного трубопровода (уравнительного трубопровода), в частности без необходимости переключения или приведения в действие клапана.
Далее описывается примерная конфигурация устройства.
Модуль для электролиза воды (устройство для электролиза), в частности, класса 5 МВт, служит для получения водорода и кислорода электролизом воды в растворе едкого кали. Модуль состоит из цеха электролиза с электролизером и электролитной системой, трансформатором / выпрямителем, а также системами обработки водорода и обработки кислорода, дополненной системой охлаждающей воды.
Деминерализированную воду подают во время процесса в электролитную систему и электрохимически расщепляют в ячейках электролизера на водород и кислород. Затем полученный водород охлаждают при обработке водорода, фильтруют и передают ко внутренней границе устройства. Произведенный кислород также охлаждают при обработке кислорода и фильтруют.
В качестве ведущего параметра электролиза воды может служить токонагрузка электролизера или скорость производства водорода. Объемный расход деминерализованной воды зависит от скорости производства электролиза воды и может регулироваться посредством токонагрузки. При этом общий объем электролитной системы измеряют с помощью двух измерений уровня заполнения и используют его как параметр управления для тонкой регулировки. Водород можно регулировать в качестве ведущего компонента продукта до избыточного давления в несколько 100 миллибар (mbar g). Давление кислорода следует за этим регулированием с разницей давления в несколько миллибар. Водород выходит от внутренней границы устройства для сжатия водорода с избыточным давлением. Электролит рециркулирует с постоянным объемным расходом через несколько насосов. Так как электрохимическая реакция в ячейках приводит к сдвигу концентрации внутри электролита, объемные расходы анолита и католита разные. Эту разницу можно опционально скорректировать посредством уравнительного трубопровода, уравнительного трубопровода - соединяющего два многофункциональных сборных резервуара друг с другом.
Отдельные ячейки электролизера могут располагаться, например, биполярно, т.е. последовательно и для этого подвешены в стальную раму, а для обеспечения электрического контакта прижаты друг к другу. Каждая ячейка состоит, в частности, из никелевой полуоболочки анода и катода, разделителя, а также системы уплотнения, уплотняющей анодную полуоболочку и катодную полуоболочку друг от друга, а также ячейку наружу. При этом анодные полуоболочки и катодные полуоболочки отделены друг от друга разделителем в отношении электрической изоляции и ионопроводимости. Впускной и выпускной сборники анодной полуоболочки и катодной полуоболочки находятся, в частности, соответственно сбоку или под ячейками.
Для уравновешивания заряда положительно заряженные ионы калия мигрируют от анодной стороны ячейки, через разделитель, - к катодной стороне. При этом молекулы воды также переносятся к катодной стороне. Возникающая на анодной стороне ячеек двух-фазовая смесь из кислорода и анолита отводится, в частности, через подключенный гофрированный шланг вниз и собирается из ячеек, или из всех ячеек в многофункциональном сборнике анолита (МСР) электролизера. В безнапорном объеме МСР с интегрированной функцией промежуточного резервуара, можно осуществлять отделение образованного кислорода из анолита. Кислород направляется вверх к охладителю кислорода, в то время как насыщенный кислородом анолит снова подводят с помощью насоса для анолита в циркуляционный контур электролита. При этом МСР обеспечивает функцию промежуточного резервуара для насоса.
На катодной стороне ячеек, в свою очередь, снова возникает двухфазовая смесь из католита и водорода, отводимая, аналогично к анолиту, в многофункциональный бак сборника католита (МСР), в частности, через гофрированный шланг. Водород отделяют в нем из из католита. Водород направляют вверх к охладителю водорода. Насыщенный водородом католит подводят с помощью насоса для католита в циркуляционный контур электролита. При этом соответствующий МСР обеспечивает функцию промежуточного резервуара для насоса.
Постоянная разница давления между катодной камерой и анодной камерой предпочтительна для надежной эксплуатации ячеек. Давление водорода можно регулировать, в частности, на несколько миллибар выше, чем давление кислорода.
Для режима эксплуатации: анолит и католит из ячеек направляют крест - накрест, в частности, в общую электролитную систему. Анолит из анодных полуоболочек электролизера собирают в МСР анолита. Оттуда анолит откачивают насосом для анолита в впускной сборник католита электролизера. Поскольку при электролизе воды постоянно расходуется вода, деминерализованную воду подают на всасывающей стороне насоса для анолита. Массу подачи можно регулировать с помощью токонагрузки электролизера и уровня заполнения электролита. Аналогично католит из катодных полуоболочек собирают в МСР католита. Из него католит направляют насосом для католита для терморегулирования через охладитель католита к впускному сборнику анолита электролизера.
Для оптимизированной эксплуатации ячейки электролизера при точно определенной температуре, которую регулируют в зависимости от токонагрузки электролизера. При нормальном режиме работы электролитную систему можно охлаждать с регулированием температуры посредством охладителя католита. Для опорожнения электролитной системы (например, в целях технического обслуживания), электролит можно принять в МСР анолита и МСР католита (опциональная функция слива).
Кислород из МСР анолита охлаждают в охладителе кислорода с помощью охлаждающей воды. Возникающий в нем щелочной конденсат подводят в электролитную систему. Кислород можно отфильтровать после охлаждения в кислородном фильтре, в частности, для удаления любых щелочных аэрозолей, и выпускать через крышу (вверх). Для предотвращения забивания кислородного фильтра гидроксидами, фильтр моют деминерализованной водой. Конденсат из кислородного фильтра можно также возвращать.
Водород из МСР для католита охлаждают в охладителе водорода охлаждающей водой, а затем дополнительно охлаждают в дополнительном охладителе водорода смесью воды / гликоля из испарения CO2 при синтезе метанола. Возникающий при охлаждении щелочной конденсат подводят в электролитную систему. Затем водород фильтруют в водородном фильтре, в частности, для удаления принесенных с ним щелочных аэрозолей, а потом направляют на синтез метанола. Для предотвращения забивания фильтра водорода гидроокислами, фильтр можно промывать деминерализованной водой. При необходимости водород выпускают через вытяжную трубу для водорода. Вытяжная труба снабжена, предпочтительно, предохранительным устройством обратного удара пламени, которое может предотвращать обратный удар пламени в газовую систему в случае воспламенения водорода в вытяжной трубе.
Для общего питания охладителя католита, охладителя кислорода и охладителя водорода охлаждающая вода циркулирует через обратный охладитель охлаждающей воды и охлаждаться навстречу воздуха. При этом охладители можно регулировать с помощью соответствующей температуры процесса. Дополнительный охладитель водорода может охлаждаться отдельным водно - гликолиевым циркуляционным контуром от синтеза метанола.
Для более содержательного разъяснения данного изобретения в последующем специально описывается другой модуль для электролиза воды.
Далее описывается другая примерная конфигурация устройства.
Описанное далее устройство (устройство для электролиза) для производства водорода электролизом воды состоит из цеха для электролиза с электролизером, относящимся к нему трансформатором/выпрямителем, электролитной системой, состоящей из системы анолита и системы католита, а также системы подготовки водорода и подготовки кислорода. Деминерализованную воду подают в процессе в обе электролитные системы и электрохимически расщепляют в ячейках электролизера на водород и кислород. Затем образующийся водород охлаждают с помощью системы подготовке водорода, фильтруют и выпускают через вытяжную трубу в атмосферу. Также могут предусматриваться фланцы и барьеры для анализа, а также опционально для дальнейшей обработки водорода. Произведенный кислород охлаждают в системе подготовки кислорода, фильтруют и выпускают также через вытяжную трубу в атмосферу.
В качестве ведущего параметра электролиза воды может служить токонагрузка электролизера или скорость производства водорода. С помощью токонагрузки регулируют необходимый объемный расход подводимой деминерализированной воды. Объемные потоки в электролизер регулируют при протекании в зависимости от режима эксплуатации, токонагрузки или от уровня жидкости в резервуаре для электролита. Насосы для католита / анолита регулируются в зависимости от давления перед впускными сборниками электролита. Кислород, в качестве основного компонента продукта можно регулировать до избыточного давления в несколько сотен миллибаров. За ним следует давление водорода с разницей давления в несколько миллибаров.
Электролизер служит для производства газообразного водорода и кислорода посредством электролиза воды в натриевом щелоке (опционально: в калийном щелоке). Электролизер состоит из нескольких ячеек, расположенных биполярно, т.е. последовательно и подвешиваемых (подвешенных) для этого, например, в стальной раме и сжатых. Каждая ячейка состоит из анодной полуоболочки и катодной полуоболочки из никеля, катион - селективной мембраны, а также системы уплотнения, изолирующей анодную сторону и катодную сторону друг от друга, а также ячейку снаружи. При этом анодная сторона и катодная сторона ячейки отделены друг от друга мембраной также в отношении электрической изоляции и ионопроводимости. Подающие трубопроводы и сточные трубопроводы анодной стороны и катодной стороны находятся соответственно сбоку или под ячейками. Впуски анодов и катодов содержат в зависимости от режима эксплуатации, например, почти 10-20 процентную массу щелочи. Выходящие фазовые смеси из анолита и кислорода или католита и водорода также отводят вниз в сборник ячеек анолита или католита (МСР).
В отдельных элементах или ячейках на анодной стороне, посредством электрохимического окисления гидроксид - ионов, в щелочи образуются кислород и вода. На катодной стороне, посредством электрохимического восстановления воды, образуются водород и гидроксид - ионы. Таким образом, во всей общей чистой реакции на каждую произведенную молекулу водорода расходуется одна молекула воды. Для уравновешивания заряда положительно заряженные ионы натрия (или ионы калия) мигрируют от анодной стороны ячейки через мембрану к катодной стороне. При этом молекулы воды также переносятся через мембрану к катодной стороне. При этом величина pH уменьшается в анолите, а в католите величина pH увеличивается. Одновременно изменяются объемные расходы обоих электролитов, в зависимости от расхода воды, а также от причастных процессов транспортирования.
В ячейки электролизера, в зависимости от режима эксплуатации, подают темперированную щелочь из системы анолита, а также системы католита через впускные сборники анода и катода. При этом объемный расход можно регулировать с помощью расходомера и клапана регулирования расхода, отключающих электролизер при недостаточной подаче. При этом регулируемое, в частности, с помощью сравнительно длинных, тонких шлангов падение давления обеспечивает равномерное распределения входящего анодного и катодного объемного расхода в отдельные ячейки.
Образующуюся на анодной стороне ячеек двухфазовую смесь из кислорода и щелочного анолита отводят через подключенный гофрированный шланг вниз и собирают из всех ячеек в сборник ячеек для анолита МСР. В этом безнапорном сборном резервуаре осуществляют отделение образовавшегося кислорода от анолита. Кислород направляют вверх для охлаждения кислорода (выпуск газа), в то время, как насыщенный кислородом анолит стекает вниз в резервуар для анолита (выпуск жидкости).
На катодной стороне ячеек, в свою очередь, образуется двухфазовая смесь из католита и водорода, отводимая аналогично к анолиту через гофрированный шланг в сборник ячеек католита. В нем водород также отделяется от католита и направляется вверх к охладителю водорода, в то время, как насыщенный водородом католит стекает в резервуар для католита МСР и собирается в нем.
Постоянная, положительная разница давления между катодной и анодной камерой предпочтительна для надежной эксплуатации ячеек. Давление водорода регулируют, предпочтительно, на несколько миллибаров выше, чем давление кислорода. Если давление кислорода, давление водорода или разница давлений превышает или устанавливается ниже соответствующих границ, активируются механизмы безопасности (в частности, блокировки, регулирования избыточного давления в электролизере), обеспечивающих поддержание максимальных допустимых значений рабочего давления. В качестве примера могут быть названы: отключение электролизера, снижение нагрузки на электролизер, защита электролизера от слишком высокого / низкого перепада давления, защита от превышения давления сборника ячеек анолита и католита электролизера, защита от обратного потока водорода и кислорода в систему азота, защита от избыточного давления системы водорода, защита от пониженного давления системы водорода, и/или защита от превышения давления азота в направлении к цеху электролиза.
Католит из сборника ячеек католита ячеек поступает в резервуар для католита. Анолит из сборника ячеек анолита ячеек поступает в резервуар анолита. Для опорожнения электролизера после его остановки, МСР может опционально иметь соответствующие размеры, чтобы вмещать все количество жидкости системы в случае необходимости. Согласно изобретению обнаружилось, что многофункциональные сборные резервуары, благодаря интеграции функций, уже имеют значительный объем, а дополнительная интеграция функции слива не влечет за собой особенно больших дополнительных расходов. Из многофункционального сборного резервуара (резервуаров), анолит и католит перекачиваются насосами для анолита и католита при контроле давления для регулирования температуры через теплообменник анолита или теплообменник католита к электролизеру. Насосы для анолита и католита имеют, предпочтительно, общий резервный насос. Электролиты могут перемещаться от теплообменников в перекрещенном циркуляционном контуре ("перекрестный режим эксплуатации") или альтернативно в двух отделенных друг от друга циркуляционных контурах анолита и католита ("параллельный режим эксплуатации') в направлении к впускным сборникам электролизера. При перекрестном режиме эксплуатации анолит из резервуара для анолита направляют с помощью насоса для анолита через теплообменник анолита в качестве впуска катода к впускному сборнику катода электролизера. Соответствующим образом католит из резервуара для католита направляется с помощью насоса для католита через теплообменник католита в качестве впуска анода к впускному сборнику анода электролизера. При параллельном режиме эксплуатации анолит перекачивают из резервуара для анолита насосами анолита над теплообменником анолита в качестве впуска анода к впускному сборнику анода электролизера. Аналогично католит из резервуара католита направляют с помощью насоса для католита через теплообменник католита в качестве впуска катода к впускному сборнику катода электролизера. Поскольку при параллельном режиме эксплуатации может происходить накопление щелочи в системе католита и обеднение щелочи в системе анолита, резервуар для анолита и резервуар для католита соединяют друг с другом для обеспечения балансировки жидкости. При этом обеспечивается газовое разделение водорода и кислорода. Поскольку при электролизе воды постоянно расходуется вода становится отработана, деминерализованную воду добавляют при обоих режимах эксплуатации на всасывающей стороне насосов для анолита и католита.
Посредством регулятора количества протекающего вещества можно поддерживать, насколько возможно постоянными, с одной стороны, подачу деминирализованной воды в зависимости от токонагрузки, а, с другой стороны, - также объемный поток впуска анода - и катода электролизера. При этом резервуары для анолита и католита МСР служат для выравнивания колебаний объемов соответствующих электролитов, например, вследствие подачи воды или рециркуляции электролита и конденсата (интегрированная функция буферизации). Объемный поток анолита и католита к электролизеру зависит, главным образом, от токонагрузки электролизера или от необходимых объемных расходов для заполнения или циркуляции электролизера. Давление во впускных сборниках анода и катода можно регулировать, в частности, с помощью частоты насосов для анолита и католита для обеспечения постоянных условий давления на впусках. Для этого за теплообменниками анолита и католита могут размещаться предусмотренные преобразователи измеряемого давления. В случае произвольного падения давления может быть активирована блокировка, запускающая резервные насосы.
При перекрестном режиме эксплуатации питание катода из системы анолита регулируют по количеству протекающего вещества в направлении к коллектору питания катода электролизера, предпочтительно, в зависимости от токонагрузки электролизера. Предусмотренное для этого устройство регулирования количества протекающего вещества находится перед коллектором питания катода. При этом устройство регулирования уровня заполнения сборного резервуара католита МСР может определять объемный поток питания анода. Устройство регулирования количества протекающего вещества расположено перед коллектором питания анода. При параллельном режиме эксплуатации, как питание анода в направлении к коллектору питания анода, так и питание катода регулируют в зависимости от токонагрузки по количеству протекающего вещества. Защита от переполнения или защита насоса осуществляется посредством измерителей уровня заполнения, воздействующих на насосы для анолита /католита.
Подача деминирализованной воды зависит от расхода при электролизе воды, а поэтому регулируется токонагрузкой электролизера. Подачу осуществляют, главным образом, на входе катода. При перекрестном режиме эксплуатации деминирализированную воду пополняют при регулировании количества протекающего вещества с помощью всасывающей стороны насоса для анолита, а при в параллельном режиме эксплуатации - всасывающей стороны насоса для католита.
Для оптимального режима эксплуатации ячейки электролизера работают при определенной температуре, устанавливаемой в зависимости от режима эксплуатации и токонагрузки электролизера. Для пуска устройства и при низкой нагрузке, разогрев электролитной системы осуществляют с помощью теплообменника. При нормальном режиме работы электролитную систему охлаждают с помощью этих теплообменников. Теплообменники располагают соответственно устройством для регулирования температуры, термодатчики которого находятся, соответственно, вниз по потоку от теплообменника. Расчетные величины температуры зависят от окна эксплуатации электролизера. Теплообменники защищены клапанами избыточного давления от повреждений в результате теплового расширения. В качестве примеров защитных механизмов можно назвать: устройство защиты от переполнения резервуаров, устройство защиты от сухого хода насоса, устройство эксплуатация и автостарта насосов, устройство перезапуска насосов после прерывания электроснабжения, и/или защиты от перегрева циркуляционного контура анолита и католита.
Кислород из коллектора ячеек анолита МСР сводят в систему подготовки кислорода и охлаждают охлаждающей водой в охладителе кислорода. Образующийся при этом слабощелочной конденсат стекает в МСР. После охлаждения кислород фильтруют в кислородном фильтре, в частности, в частности, для удаления всех принесенных щелочных аэрозолей и выпускают через вытяжную трубу для кислорода. Для предотвращения забивания кислородного фильтра гидроокислами, фильтр регулярно промывают деминирализованной водой. В качестве защитных механизмов можно назвать, например: устройство защиты от обратного потока кислорода, устройство обработки инертными газами вытяжной трубы для кислорода, и/или защиты от избыточного давления кислорода.
Водород из коллектора ячеек католита МСР сводится в систему подготовки водорода и охлаждают охлаждающей водой в охладителе водорода. Образующийся при этом лекгощелочной конденсат возвращается в МСР. После охлаждения водород фильтруют в фильтре для водорода, в частности, для удаления принесенных щелочных аэрозолей и выпускают через вытяжную трубу для водорода. Для предотвращения забивания фильтра для водорода гидроокислами, фильтр регулярно промывают деминерализованной водой. В качестве примера защитных механизмов можно назвать: устройство защиты от обратного потока водорода, устройство для обработки инертными газами вытяжной трубы для водорода, устройство тушения пламени паром, и/или защиты от избыточного давления.
Далее еще раз разъясняются описанные прежде конфигурации на примере одного конкретного варианта исполнения изобретения.
Другие признаки и преимущества изобретения следуют из описания по меньшей мере одного примера исполнения со ссылкой на чертежи на которых представлено следующее:
фигура 1. Вид сбоку, в схематическом изображении устройства для электролиза
согласно примеру исполнения;
фигура 2. Вид в перспективном схематическом изображении устройства для электролиза согласно примеру исполнения;
фигура 3. Вид сбоку в схематическом изображении установки для электролиза
согласно уровню техники.
На фигурах 1 и 2 показано устройство 10 для электролиза с электролизером 13 и многофункциональным сборным резервуаром 15 (MСР) (соответственно для анолита, католита). Конструкция устройства 10 для электролиза может быть (соответственно аналогичной для стороны 13а анолита и стороны 13b католита), в частности, в симметричной компоновке. Для этого могут быть предусмотрены MСР 15a для стороны анолита и МСР 15b для стороны католита. Эти расположенные с двух сторон MСР могут также выборочно сообщаться друг с другом посредством уравнительного трубопровода (не изображен), в частности, для так называемой перекрестной эксплуатации. Кроме того, устройство 10 для электролиза содержит по меньшей один пакет 16 со множеством ячеек 16.1.
Посредством системы 17 нагнетания и внутримашинного электролитного контура электролит E может направляться через устройство 10 для электролиза. Система 18 измерительных сенсорных устройств или анализа электролита содержит, в частности, по меньшей мере один датчик 18.1 уровня заполнения и по меньшей мере один датчик 18.2 температуры, причем система измерительных сенсорных устройств может располагаться по меньшей мере частично в соответствующем MСР.
Благодаря соответствующему MСР посредством простого промышленного оборудования или посредством только одного компонента технического оборудования, может быть выполнено множество функций, в частности, суммарно вместе, при предпочтительной конструктивной компоновке. Оказалось, что предлагаемом согласно изобретению MСР функциональную интеграцию можно обеспечивать по меньшей мере шестью функциями:
- первая функция F1: "отведение электролита" из ячеек;
- вторая функция F2: "разделение фаз";
- третья функция F3: "накопление";
- четвертая функция F4: "буферизация электролита";
- пятая функция F5: "поддержание электролита для нагнетательного контура
(запас для работы насосов);
- шестая функция F6: опорожнение (слив) по меньшей мере ячеек, в частности, в целях технического обслуживания.
Кроме того, посредством соответствующего многофункционального сборного резервуара 15 обеспечивается значительный сборный или буферный объем VI, в частности так, что весь монтажный объем устройства остается сравнительно приемлемым. Согласно фиг. 1 многофункциональный сборный резервуар 1.5 продолжается в продольном направлении x и обеспечивает при этом значительную открытую длину пути x15 во внутреннем объеме VI многофункционального сборного резервуара, в частности, открытую длину пути x15 большую, чем продольная протяженность ячеек или пакета 16. Другими словами: соответствующий многофункциональный сборный резервуар может обслуживать одновременно несколько пакетов или быть присоединенным к нескольким каркасам, что также может снижать издержки на оборудование. При этом многофункциональный сборный резервуар обеспечивает также большой буферный объем для максимально возможной процессуальной гибкости. Уровень заполнения электролита во внутреннем объеме Vi обозначен в публикации под E15 для описания опциональной шестой функции F6 (слив).
В направлении z по высоте обеспечивается сравнительно низкая монтажная высота z1 всей установки 1 для электролиза, в частности, при минимальном вертикальном расстоянии z3 между многофункциональным сборным резервуаром и ячейками 16.1.
На фиг. 3 иллюстрируется установка 1 для электролиза согласно уровню техники. Электролизер 3 и множество пакетов 6 соответственно со множеством ячеек, расположенных на строительно - монтажном уровне выше резервуаров 5 для анолита или католита. Пакеты 6 присоединены через один или несколько (безнапорных) сточных трубопроводов 3.1 (сборных резервуаров) соответственно для анолита, католита к резервуарам 5. Посредством электролизной системы 7 с системой нагнетания и электролитным контуром осуществляется циркуляция электролита.
Установка для электролиза 1, согласно уровню техники, является довольно высокой. Она также имеет недостатки по стоимости, например, вследствие необходимости в большой высоте монтажно - механических цехов. Кроме того, требуется сравнительно большие затраты на технические устройства и оборудование.
Перечень ссылочных позиций
1. Установка для электролиза согласно уровню техники.
3. Электролизер согласно уровню техники.
3.1. (Безнапорный) сливной трубопровод или сливной коллектор (соответственно для анолита, католита).
5. Резервуар для анолита или католита согласно уровню техники.
6. Пакет с ячейками.
7. Электролитная система с системой нагнетания и электролитным контуром.
10. Устройство для электролиза.
13. Электролизер.
13a. Сторона анолита.
13b. Сторона католита.
15. Многофункциональный сборный резервуар (МСР), коллектор, (соответственно для анолита, католита).
15a. МСР для стороны анолита.
15b. МСР для стороны католита.
16. 16.1. Ячейка.
17. Электролитная система или система нагнетания и внутримашинный электролитный контур.
18. Система измерительных сенсорных устройств или анализа электролита.
18.1. Датчик уровня заполнения.
18.2. Датчик температуры.
E. Электролит.
Е15. Уровень заполнения электролита в MСР.
F1. Первая функция, в частности, "отведение электролита из ячеек".
F2. Вторая функция, в частности, "разделение фаз".
F3. Третья функция, в частности, "накопление".
F4. Четвертая функция, в частности, "буферизация электролита".
F5. Пятая функция, в частности, "поддержание электролита" для нагнетательного контура
(запас для работы насосов).
F6. Шестая функция, в частности, "опорожнение" (слив), в частности, для технического обслуживания.
Vi. Сборный или буферный объем.
x. Продольное направление.
x15. Длина или длина пути во внутреннем объеме МСР.
z. Направление по высоте.
z1. Монтажная высота всей установки для электролиза.
z3. Вертикальное расстояние между электролизером или ячейкой и сливом в MCР.