СТАНЦИЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И СЕПАРАЦИИ, ПРЕДНАЗНАЧЕННОЕ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СТАНЦИИ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ
WATER DECONTAMINATION STATION AND CONTROL AND SEPARATION DEVICE TO BE INCORPORATED THEREWITH

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к сфере обеззараживания и подготовки воды, конкретнее к установкам, основанным на применении мембранного электролиза раствора поваренной соли для получения хлора и его последующего использования.
Уровень техники
Известна станция обеззараживания воды (см. патент на изобретение RU 2281252, МПК: С02F 1/467, опубл. 10.08.2006 г), содержащая, как и заявляемая станция, мембранный биполярный электролизер с сепараторами анолита и католита, растворный бак для приготовления раствора хлорида натрия и средства его подачи в электролизер, линию подачи воды в электролизер и эжектор для смешения полученного хлора с водой.
К недостаткам известной станции следует отнести использованием ротаметров для подачи раствора хлорида в электролизер, т.к. ротаметры подвержены зарастанию солью, что ведет к неточности дозирования. В результате требуются частые остановки станции для их чистки или замены. Насос-дозатор, который не подвержен упомянутой проблеме, в упомянутом решении используется только для подачи раствора соли в аккумулирующую емкость, откуда раствор подается на электролиз через ротаметры.
Для снижения опасности выброса хлора в атмосферу в станции предусмотрен циркуляционный контур щелочи, подаваемой в эжектор на смешение с газообразным хлором и водой, однако это усложняет конструкцию установки и ведет к получению в основном гипохлорита натрия, который, как известно, является более слабым дезинфицирующим агентом по сравнению с хлором.
Известна электролизная установка (см. патент №93086, МПК: С25В 9/00 опубл. 20.04.2010 г), содержащая электролизер, вход которого связан посредством насоса-дозатора с емкостью для приготовления раствора поваренной соли, а выход соединен с резервуаром для готового дезинфектанта, используемого для обеззараживания воды. Установка характеризуется высоким уровнем автоматизации благодаря использованию насосов-дозаторов для подачи раствора соли, автоматических клапанов для подачи воды, различной контролирующей аппаратуры и процессора для обработки информации и управления. Однако она предназначена для получения гипохлорита натрия и не может быть использована для получения хлора, который отличается более сильными бактерицидными свойствами и возможностью пролонгированного действия.
В качестве наиболее близкого по назначению и наличию сходных конструктивных признаков аналога для заявляемой станции обеззараживания воды принято конструктивное решение установки для получения жидкого хлорирующего агента, раскрытое в материалах патента на изобретение RU 2090519, МПК: C02F 1/76, С25В 1/26, опубл. 20.09.1997 г. Упомянутая установка содержит электролизер с разделенными мембранной перегородкой анодной и катодной камерами, узел приготовления раствора хлорида натрия и линию подачи воды на электролиз, связанные со средствами дозирования. На выходе катодной камеры установлен сепаратор католита, связанный с накопительной емкостью для щелочи. На выходе анодной камеры установлен сепаратор анолита, обеспечивающий отделение газообразного хлора, полученного в результате электролиза, от жидкой фазы анолита. Для интенсификации процесса сепарации сепаратор снабжен воздухозаборным патрубком. Газоотводящий выходной патрубок сепаратора анолита связан с всасывающим патрубком эжектора, установленного в проточной магистрали и обеспечивающего смешение газообразного хлора с водой с получением хлорирующего агента.
Существенным недостатком упомянутого решения является то, что не исключена вероятность выброса газообразного хлора через воздухозаборный патрубок сепаратора анолита в помещение станции, например, при выходе из строя эжекторного насоса, при этом используемая в установке схема дозирования воды и раствора электролита, делает ее практически неработоспособной. Еще одним недостатком является невысокая оперативность контроля исправности установки, обусловленная разрозненностью контролируемых устройств, что также снижает безопасность установки.
Известен сепараторный блок, входящий в состав устройства для генерирования горючего газа посредством электролиза (см. патент на изобретение RU 2404291, МПК: С25В 9/00, опубл. 20.11.2010), содержащий сепарационную камеру, разделенную перегородками на множество камер, выполненных с отверстиями в дне и перегородках. Сепараторный блок установлен между верхней частью электролитической ячейки и герметизирующим кожухом и служит для отделения от жидкости газовой смеси водорода и кислорода, образовавшейся в электролитической ячейке. По сути, этот сепараторный блок аналогичен сепаратору анолита или сепаратору католита в вышеописанной установке по патенту RU 2090519, только имеет более сложную конструкцию для осуществления многоступенчатой очистки.
Заявителю не известны технические решения электролизных установок, в которых бы присутствовал блок, объединяющий в себе и сепаратор анолита, и сепаратор католита, и предохранительное устройство типа гидрозатвора. Контроль за работой сепараторов в известных заявителю установках осуществляется путем визуального контроля оператором уровня жидкости в каждом сепараторе отдельно. Разрозненность упомянутых устройств в известных установках, например в патенте RU 2090519, затрудняет контроль функционирования установки, обуславливает невысокую оперативность обнаружения и устранения неполадок.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение вышеупомянутых недостатков и создание станции обеззараживания воды, основанной на применении мембранного электролиза раствора поваренной соли для получения хлора, отличающейся высокой эксплуатационной надежностью и безопасностью производства.
Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение безопасности и эксплуатационной надежности за счет исключения выбросов газообразного хлора в помещение станции, обеспечения возможности автоматизации основных производственных процессов, а также за счет повышения оперативности контроля функционирования станции.
Вышеупомянутая задача решена в конструкции предлагаемой станции обеззараживания воды, построенной на основе электролизной установки для получения хлора, содержащей электролизер с разделенными мембранной перегородкой анодной и катодной камерами, узел приготовления раствора хлорида натрия и линию подачи воды, связанные со средствами дозирования, сепаратор анолита, установленный на выходе анодной камеры и снабженный воздухозаборным элементом, установленный на выходе катодной камеры сепаратор католита, связанный с накопителем щелочи, и установленный в проточной магистрали эжектор, всасывающий патрубок которого связан с выходным газоотводящим патрубком сепаратора анолита.
Новым в конструкции предлагаемой станции является то, что она снабжена гидрозатвором, установленным на входе воздухозаборного элемента сепаратора анолита, а также то, что средства дозирования воды и электролита на электролиз выполнены в виде насосов-дозаторов, один из которых установлен в линии подачи раствора хлорида натрия на вход анодной камеры электролизера, а другой - в линии подачи воды на вход катодной камеры, при этом оба насоса-дозатора выполнены с возможностью внешнего управления.
Воздухозаборный элемент сепаратора анолита образует канал для подвода воздуха. Это может быть трубка, отрезок трубы - патрубок, а в простейшем случае - отверстие, обеспечивающие доступ воздуха во внутренний объем сепаратора анолита для интенсификации процесса сепарации. В некоторых случаях воздухозаборный элемент может быть связан с магистралью подвода воздуха.
В заявляемом решении воздухозабор в сепаратор анолита осуществляется через гидрозатвор. Гидравлический затвор (коротко - гидрозатвор), то же, что и водный затвор, представляет собой предохранительное гидравлическое устройство, препятствующее обратному течению газов (см. Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1969-1978). В простейшем случае это может быть столб воды, перекрывающий проходной канал в сифоне, образованном изгибом трубопровода.
Более надежную защиту обеспечивает гидрозатвор, выполненный в виде частично заполненного водой резервуара-камеры с воздухоподводящей трубкой, один конец которой погружен в воду, а другой выведен наружу для возможности забора воздуха. При этом воздухозаборный элемент сообщает внутренний объем сепаратора анолита с внутренним объемом упомянутой камеры выше уровня воды в ней.
В случае нарушения работы эжектирующего насоса, когда хлор перестает высасываться из сепаратора анолита эжектором, а электролизер продолжает работать, происходит т.н. обратный выброс, и газовая фаза, содержащая газообразный хлор, вытесняется из сепаратора анолита через воздухозаборный элемент. Благодаря тому, что на входе последнего установлен гидрозатвор, вытесненный хлор попадает в воду, где растворяется с образованием хлорной воды, не попадая в помещение станции.
Поступающий в объем камеры гидрозатвора газообразный хлор вытесняет из нее часть воды в воздухоподводящую трубку, в результате чего в последней образуется водяная пробка, что дополнительно препятствует выходу хлора в помещение станции.
Таким образом, наличие гидрозатвора на входе воздухозаборного элемента сепаратора анолита исключает возможность выброса полученного в процессе электролиза газообразного хлора в помещение станции при возникновении тех или иных неполадок, благодаря чему повышается безопасность работы обслуживающего персонала.
Использование насосов-дозаторов с внешним управлением и в линии подачи раствора поваренной соли и в линии подачи воды на электролиз обеспечивает возможность полной автоматизации процессов дозирования упомянутых исходных компонентов, и как следствие, возможность автоматического управления процессом электролиза и работой станции в целом. Упомянутая автоматизация позволяет, если не исключить, то значительно уменьшить время личного присутствия человека в производственной зоне, что способствует повышению безопасности работ. Кроме того, исключение человеческого фактора, зависящего от квалификации и самочувствия конкретного работника, даже из части рабочего процесса, позволяет повысить надежность работы станции и ее безопасность.
На решение поставленной задачи направлено также исполнение заявляемого устройства контроля и сепарации, которое может быть использовано как в предлагаемой станции обеззараживания воды, так и в другой подобной станции или электролизной установке. Устройство контроля и сепарации содержит прозрачный корпус, разделенный перегородками на три камеры, в которых размещены сепаратор анолита, снабженный воздухозаборным элементом, гидрозатвор и сепаратор католита, камера гидрозатвора частично заполнена водой, в которую погружен один конец воздухоподводящей трубки, другой конец которой выведен наружу, при этом воздухозаборный элемент сообщает внутренний объем камеры сепаратора анолита с внутренним объемом камеры гидрозатвора выше уровня жидкости в них, а на боковых стенках корпуса, по периметру, нанесены контрольные метки, обеспечивающие возможность контроля уровня жидкости во всех трех камерах одновременно.
В частном случае реализации устройства воздухозаборный элемент может быть выполнен в виде сквозного отверстия в стенке, разделяющей камеры гидрозатвора и сепаратора анолита.
Контрольные метки, нанесенные по периметру корпуса, выполнены в виде двух горизонтальных линий, показывающих предельные, максимальный и минимальный, уровни содержания жидкости в камерах сепараторов и гидрозатвора. Нахождение уровня жидкости во всех трех объемах между упомянутыми линиями свидетельствует о нормальной работе установки.
Благодаря тому, что все три устройства, требующие внимания и контроля со стороны оператора, скомпонованы в единый блок с единой системой контрольных меток, повышена оперативность контроля и ускорен процесс реагирования на его результаты: распознавание неполадок и их устранение. В результате снизился риск возникновения аварийной ситуации, увеличилась продолжительность бесперебойной работы установки, повысилась надежность и безопасность работы станции.
Выполнение устройства контроля и сепарации в виде единого блока позволяет также упростить обслуживание и повысить производительность монтажных работ.
Таким образом, оба объекта заявляемого изобретения направлены на решение одной и той же технической задачи и обеспечивают достижение одного и того же технического результата: повышение безопасности и эксплуатационной надежности.
В качестве устройства управления насосами-дозаторами предпочтительно использование контроллера, который является микропроцессорным устройством и характеризуется широкими функциональными возможностями. Контроллер связан с приборами контроля уровня хлора в обеззараживаемой воде и обеспечивает управление работой насосов-дозаторов, а также блока питания электролизера на основе информации, поступающей от упомянутых приборов контроля.
В качестве насосов-дозаторов предпочтительно использование мембранных насосов-дозаторов, которые отличаются высокой антикоррозионной стойкостью по отношению к агрессивной рабочей среде - рассолу.
В качестве электролизера предпочтительно применение мембранного биполярного электролизера фильтр-прессного типа, состоящего из нескольких биполярных ячеек.
Для обеспечения бесперебойности работы и расширения возможностей хлорирования станция может быть снабжена вторым резервным комплектом оборудования, включенным параллельно первому. Комплект оборудования включает электролизер, насосы-дозаторы и сепараторы с гидрозатвором. Наличие резервного комплекта позволяет проводить профилактические или ремонтные работы на основном электролизере без остановки работы установки в целом, что особенно актуально на таких крупных станциях обеззараживания воды, как, например, городские очистные сооружения.
Вместе с тем наличие второго электролизера позволяет, в случае необходимости, вдвое увеличить мощность установки, а значит, и производство хлора, например. при необходимости осуществления гиперхлорирования.
Целесообразной является установка в магистрали подачи воды накопительной емкости для воды, которую размещают на входе насоса-дозатора, что обеспечивает бесперебойность работы последнего.
Для возможности наиболее полного использования исходного раствора электролита могут быть организованы циркуляционные контуры анолита и католита.
Краткое описание чертежей
Конструкция установки и принцип ее работы поясняются чертежами, где
на фиг.1 - схема станции, общий вид;
на фиг.2 - приведена схема станции с резервным комплектом оборудования;
на фиг.3 - устройство контроля и сепарации, общий вид, изометрия;
на фиг.4 - то же, вид А, вид сверху с фиг.3;
на фиг.5 - то же, сечение В-В с фиг.4, продольный разрез;
на фиг.6 - то же, вид С на фиг.5, вид сбоку.
Осуществление изобретения
Станция обеззараживания воды, в основе которой лежит электролизная установка для получения хлора, содержит (см. фиг.1) электролизер 1 с разделенными мембранной перегородкой 2 анодной 3 и катодной 4 камерами, узел приготовления раствора хлорида натрия, включающий растворный бак 5 со средствами перемешивания, связанный с входом анодной камеры 3 линией 6 подачи раствора, в которой установлен насос-дозатор 7. Вход катодной камеры 4 электролизера 1 соединен с линией 8 подачи воды, в которой установлены накопительная емкость для воды 9 и насос-дозатор 10. Станция также содержит устройство контроля и сепарации 11, включающее сепаратор анолита 12, гидрозатвор 13 и сепаратор католита 14, связанный с накопителем 15 щелочи. Газоотводящий патрубок сепаратора анолита 12 связан с всасывающим патрубком эжектора 16, установленного в проточной магистрали 17. Устройство контроля и сепарации 11 может состоять из отдельных устройств, но предпочтительнее его исполнение в виде единого блока.
Функционирование станции осуществляется следующим образом.
Приготовленный раствор поваренной соли из бака 5 подается насосом-дозатором 7 на вход анодной камеры 3 электролизера 1. Вода подается насосом-дозатором 10 в катодную камеру 4 электролизера 1.
При прохождении электрического тока между анодом и катодом через раствор соли на аноде синтезируется газообразный хлор, а на катоде - водород. За счет уменьшения плотности электролита в результате газонаполнения полученная в результате электролиза смесь анолита с газообразным хлором поднимается вверх к выходу анодной камеры 3, откуда она удаляется в сепаратор анолита 12, где разделяется на газообразную и жидкую фазы. Интенсификации процесса разделения способствует поступление в сепаратор 12 воздуха через воздухозаборный патрубок 18 и гидрозатворное устройство 13, которое может быть связано с магистралью подвода воздуха 19. При прохождении воды через эжектор 16 образуется разрежение, вследствие которого отделенные в сепараторе 12 газообразные продукты засасываются в эжектор 16 и смешиваются с водой, образуя хлорную воду.
Полученная хлорная вода подается далее к точкам ввода хлорирующего агента, которые могут быть расположены, например, в специальных баках подготовки воды на конкретном объекте водоканала, где установлена предлагаемая установка.
Одновременно образующаяся в катодной камере 4 газожидкостная смесь поступает в сепаратор католита 14, где осуществляет отделение газообразной фазы - водорода, от жидкой фазы католита, представляющей собой щелочь, которая, по мере накопления, удаляется из сепаратора 14 через соответствующий патрубок в накопительную емкость 15. Водород сбрасывается в атмосферу.
Т.к. перемещение анолита от входа к выходу анодной камеры и, аналогичным образом, католита в катодной камере, происходит достаточно быстро, то исходные вещества не успевают прореагировать полностью. Для более полного использования исходного раствора электролита могут быть организованы циркуляционные контуры анолита и католита. Для чего сепаратор 12 анолита соединяют с входом анодной камеры 3 линией 20 возврата анолита, а сепаратор 14 католита соединяют с входом катодной камеры 4 линией 21 возврата католита.
В процессе работы установки возможны случаи, когда эжектор 16 перестает работать в силу каких-либо возникших обстоятельств, например: упало давление воды на входе или выросло давление на выходе эжектора, или пропала вода. Хлор перестает высасываться из сепаратора 12 анолита, однако электролизер 1 продолжает работать и происходит обратный выброс газообразного хлора через воздухозаборный патрубок 18. Благодаря тому, что на входе воздухозаборного патрубка 18 установлен гидрозатвор, вытесненный в объем камеры 13 хлор попадает в воду, где растворяется с образованием хлорной воды. Последняя вытесняется дальше из камеры 13 в воздухозаборную трубку 22, где образует водяную пробку, препятствуя попаданию хлора в помещение станции, что обеспечивает безопасность работы обслуживающего персонала.
Насосы-дозаторы 7 и 10, осуществляющие дозированную подачу солевого раствора и воды на электролиз, выполнены с возможностью внешнего управления, которое осуществляется контроллером 23, обеспечивающим одновременно управление блоком питания 24 электролизера 1. Контроллер 23 связан с приборами 25 контроля уровня хлора в обеззараживаемой воде, и на основе получаемой от них информации производит регулирование работы блока питания электролизера и насосов-дозаторов.
На фиг.2 показано исполнение станции обеззараживания воды, укомплектованной резервным комплектом оборудования, включающим второй электролизер 1' с устройством контроля и сепарации 11' и насосами-дозаторами 7' и 10'.
Контроль функционирования электролизной установки может быть осуществлен одним оператором. Простоте и оперативности контроля способствует исполнение устройства 11 контроля и сепарации в виде единого блока, объединяющего сепараторы 12 анолита, 14 католита и гидрозатвор 13, размещенные в одном прозрачном корпусе 26. Для изготовления корпуса и устройства в целом применяют материалы и способы, применяемые для изготовления известных сепараторов.
В конкретном примере осуществления корпус 26 выполнен (см. фиг.3-6) в форме горизонтально ориентированного прямоугольного параллелепипеда, образованного дном, крышкой и боковыми стенками из оргстекла, герметично соединенными между собой посредством прозрачного клеевого соединения. Корпус 26 разделен поперечными перегородками на три изолированных объема - камеры 27, 28 и 29, в которых размещены, соответственно, сепаратор анолита, гидрозатвор и сепаратор католита.
Внутренние объемы камер 27 и 28 (сепаратора анолита и гидрозатвора) сообщены между собой посредством воздухозаборного патрубка 18' либо посредством сквозного отверстия 18", выполненного в стенке, разделяющей камеры 27 и 28 (см. фиг.4, 5).
На каждой из боковых стенок корпуса 26 нанесены контрольные метки 30 в виде двух горизонтальных красных линий, показывающих минимальный и максимальный предельные уровни содержания жидкости в камерах. Объемы камер 27-29 подобраны таким образом, что метки предельных уровней едины для всех трех устройств.
Блок 11 контроля и сепарации, установленный над электролизером 1, имеет хорошую обзорность, а наличие контрольных меток по периметру прозрачного корпуса позволяет оператору с любой стороны установки, где бы он ни находился, контролировать состояние всех трех, составляющих блок, устройств.
Снижение или превышение уровнем жидкости предельной красной черты 30 хотя бы в одной из камер 27, 28 и 29 оперативно фиксируется оператором, при этом благодаря тому, что все контролируемые устройства сосредоточены в одном месте и на одном уровне, оператору значительно легче произвести их сравнение и понять причину возникшей неисправности. В результате более оперативно устраняются причины неисправности.