ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ХЛОРА
ELECTROLYSIS CELL FOR PRODUCING CHLORINE

Изобретение относится к области промышленного получения хлора, водорода и едкого натра путем электрохимического разложения раствора хлорида натрия и может быть использовано при получении хлорагента для станций обеззараживания воды.
В настоящее время процессы электролиза широко используются для решения проблем различных отраслей промышленности: в электрохимическом производстве, производстве ядерного топлива, электронной технике, цветной металлургии, двигателестроении, производстве лекарственных препаратов и т.д.
Каждое техническое решение поставленных задач путем электролиза различных материалов и сред определяет и конструктивные особенности устройств, известных под одним техническим термином - электролизер.
Существует большое количество электролизеров специального назначения, имеющих различные отличительные особенности, обусловленные решением конкретных задач, что подтверждается, например, патентами RU 2400566, RU 2404130, RU 2400861, RU 2405866, RU 2400975, RU 2406515, SU 770272 A1 и т.д.
За аналоги предлагаемого электролизера взяты устройства для электрохимического разложения раствора хлорида натрия и получения хлора и производства хлорирующего агента для обеззараживания воды.
Например, в патенте RU 2408541 C2 описан электролизер, представляющий собой цилиндрическую электролитическую камеру, выполненную в виде вставки в основной трубопровод. Данное устройство, также как и предлагаемое, может использоваться для обеззараживания воды, но относится к электролизерам периодического действия и служит для реализации определенного принципа очистки, который приемлем для обеззараживания лишь небольших объемов воды.
Кроме того, применение данного устройства требует соблюдения особых норм взрывобезопасности и постоянной промывки, что усложняет его эксплуатацию.
Известен также электролизер для получения хлора и сопутствующего получения щелочи и водорода путем электролиза раствора поваренной соли, который может считаться более близким аналогом предлагаемого изобретения (патент RU 2090519 C1). Данный электролизер содержит биполярный мембранный фильтр и разделенные анодную и катодную камеры.
Использование электролизера с разделенными анодной и катодной камерами позволяет получать в анодной камере газообразный хлорирующий агент при относительно невысоких энергозатратах на электролиз, что обеспечивает экономичность установки.
Однако данная установка имеет ограниченную мощность и, как следствие, невысокий выход хлора.
Этот недостаток устраняется в другом известном устройстве «Электролизер для получения хлора и щелочи» (SU 839310 Al).
Данное устройство содержит корпус с двумя концевыми монополярными электродами противоположной полярности, между которыми установлены биполярные электроды с анодными и катодными элементами, закрепленными с противоположных сторон несущей токораспределительной основы.
За счет того что корпус данного устройства снабжен одной или несколькими перегородками, выполненными из неэлектропроводного и непроницаемого для электролита материала, расположенными перпендикулярно основам биполярных электродов и герметично разделяющими корпус по электролиту на полости, соединенные по току, достигается увеличение единичной мощности.
Однако данный электролизер также имеет ограниченную мощность и производительность.
Интенсифицировать процесс электролиза не представляется возможным ввиду того, что охлаждение поверхностей катода и анода в данном устройстве происходит единственно естественным воздушным путем, а увеличение токовых нагрузок и повышение при этом температуры ведения процесса для увеличения производительности установки возможно только при условии дополнительного и достаточного теплоотведения.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является электролизер для получения газообразного хлора, содержащий опорную раму для электродных элементов; биполярные электродные элементы, выполненные из биметаллического листа (сталь+титан); анодную и катодную камеры, имеющие прямоугольную форму и включающие силовую рамку (патент RU 2281252 C2).
В известном электролизере-прототипе анод образован сваренными в углах стальными полосами, торцы которых защищены с анодной стороны титаном, а перегородка выполнена из биметаллического листа (сталь+титан).
Особенностью анодного элемента является то, что он выполнен в виде перфорированного или просечного листа из титана, покрытого окислами рутения и приваренного к токоведущим ребрам анодной камеры.
Особенностью катодного элемента является то, что он представляет собой перфорированный или просечной лист из углеродной стали, приваренный к токоведущим ребрам катодной камеры.
За счет использования нескольких биполярных электродных элементов, выполненных из биметаллического листа, полученного путем стягивания крепежными элементами, а также использования сульфокатионитной мембраны между ними обеспечивается стабильность электрохимических показателей процесса в течение длительного времени, а также безопасность ведения процесса.
Однако данный электролизер как устройство для электрохимического разложения раствора хлорида натрия обладает теми же существенными недостатками, что и вышеперечисленные аналоги, а именно:
- ограничение интенсификации процесса из-за невозможности увеличения токовых нагрузок и повышения при этом температуры ведения процесса, так как выше 70 градусов C происходит разложение полимерной мембраны,
- наличие токовых потерь и возможность протечки электролитов из-за недостаточной герметичности соединения титанового и стального листа при изготовлении анода,
- низкая эффективность отвода тепла ввиду естественного воздушного охлаждения поверхностей катода и анода.
Кроме того, электролизер имеет большой вес и большое количество мест механической стыковки металлических элементов (возможность коррозии или протечек металла), что снижает эксплуатационные характеристики электролизера.
Наличие данных конструктивных недостатков устройства-прототипа приводит к снижению эффективности работы и эксплуатации электролизера для получения хлора в целом.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение производительности электролизера и повышение удобства, надежности и безопасности его эксплуатации.
Поставленная задача решается тем, что в электролизере для получения хлора, снабженном опорной и прижимными рамами для электродных биполярных камер, выполненных из биметаллического листа (сталь+титан) и разделенных сульфокатионитной мембраной; анодную и катодную камеры, имеющие прямоугольную форму и включающие силовые рамки;
опорная и прижимные рамы для электродных биполярных камер изготовлены из профильных труб; анодные и биполярные камеры, выполнены из биметаллического листа, полученного путем сварки листов вставными биметаллическими (сталь+титан) элементами;
анодная и катодная камеры снабжены встроенными теплообменниками, одна из частей которых образована путем размещения укороченных металлических разделительных полос внутри камер и герметичного укрытия наружной поверхности камер металлическим листом, а вторая образована за счет выполнения силовых рамок камер полыми.
Новым в предложенной конструкции является то, что:
- выполнение электродных биполярных камер, путем сварки листов вставными биметаллическими (сталь+титан) элементами позволяет по сравнению с обычным болтовым соединением повысить герметичность биметаллического листа без изменения эффективности токопередачи.
- снабжение встроенным теплообменником анодной и катодной камеры путем размещения укороченных металлических разделительных полос внутри камер и герметичного укрытия наружной поверхности камер металлическим листом, а также выполнение силовой рамки камер полой (из профильной трубы) позволяет снимать тепловую нагрузку с поверхности электродов за счет организованного лабиринтного движения теплоносителя внутреннему по замкнутому контуру,
- применение водяного охлаждения не только позволяет увеличить токовую нагрузку для интенсификации технологического процесса, но обеспечивает повышение безопасности эксплуатации электролизера, так как образованная движением теплоносителя по внутреннему замкнутому контуру «водяная подушка» является дополнительным средством предотвращения попадания хлора из камеры в окружающую среду,
- изготовление опорной и прижимных рам для электродных элементов из профильных труб позволяет снизить вес электролизера на 20-30% без ущерба для надежности конструкции, но значительно облегчает монтаж устройства.
Таким образом, поскольку у предложенной конструкции электролизера появляются новые свойства, предлагаемый в качестве изобретения объект обладает существенными отличиями.
Предлагаемое техническое решение является новым, так как совокупность заявляемых признаков для объектов того же назначения в доступных нам источниках информации не выявлена.
Научно-технический уровень заявляемого решения обусловлен результатами теоретических расчетов и опытно-конструкторских работ, в результате которых создано устройство с улучшенными производственными и эксплуатационными характеристиками, позволяющее не только увеличить выход активного хлора и, соответственно, водорода и едкого натра, но и повысить безопасность эксплуатации электролизера.
На фиг.1 представлены основные конструктивные элементы электролизера, где:
1 - опорная рама
2 - прижимная рама
3 - биполярная камера
4 - анодная камера
5 - катодная камера
6 - мембрана
На фиг.2 (вид сбоку) представлены конструктивные элементы анодной и катодной камер, где:
7 - теплообменник
8 - разделительные полосы
9 - силовая рамка
10 - металлический лист
Электролизер работает следующим образом.
3
В нижние штуцера анодных камер подают солевой раствор с концентрацией 300-320 гр/дм, приготовленный на умягченной воде из соли (хлорид натрия) "экстра" по ГОСТ 13830. В нижние штуцера катодных камер подают умягченную воду. В катодную и анодную камеры в лабиринтную систему принудительного охлаждения, образованную конструктивными элементами, вводят хладоноситель (например, оборотную воду). Через тиристорный выпрямитель тока на электролизер подают электрический ток.
При прохождении тока через электролизер, снабженный опорной и прижимной рамами для электродных биполярных камер, выполненных из биметаллического листа (сталь+титан) и разделенных сульфокатионитной мембраной, происходит процесс электрохимического разложения раствора хлорида натрия, при этом на аноде выделяется хлор, а на катоде - водород и щелочь (едкий натр).
Принципиальная технологическая схема получения хлора приведена на фиг.3.
Техническим результатом реализации изобретения является интенсификация процесса получения хлора, облегчение и повышение герметичности конструкции электролизера.