УЗЕЛ ПРОИЗВОДСТВА ХЛОРА СТАНЦИИ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ

Полезная модель относится к химическому производству, в частности, к устройствам для производства реагента, используемого для обеззараживания воды, преимущественно сточной. Таким реагентом является хлор, получаемый электролитическим разложением хлорида натрия на хлор и натрий, первый из которых, в виде водного раствора (хлорная вода), применяется в процессе обеззараживания воды.
Известна конструкция станции для обеззараживания воды, которая содержит несколько функционально самостоятельных блоков, основным из которых является узел производства хлора, являющийся объектом усовершенствования заявляемой полезной модели. Узел производства хлора включает растворный бак, насос и электролизер, последовательно связанные между собой посредством трубопровода [SU №2459768].
3
Технология производства хлора, реализуемая в узле, состоит в том, что в растворный бак загружают хлорид натрия (поваренную соль) и одновременно подают на растворение водопроводную воду из расчета получения раствора хлорида натрия с концентрацией 300-320 г/дм. Далее, посредством насоса приготовленный раствор электролита подают в электролизер, разделенный пористой мембраной на две камеры: анодную и катодную. Электроды электролизера через выпрямитель соединены с источником электрического тока. В электролизере происходит процесс электрохимического разложения хлорида натрия с образованием на аноде газообразного хлора, который смешивается с электролитом, а на катоде - водорода и гидроксильных ионов, которые, в свою очередь, связываются с ионами Na до получения едкого натра. Образующийся в анодной камере растворенный хлор (анолит) и некоторую часть газообразного хлора подают в другой функциональный блок станции (сепаратор), с которым анодная камера работает в режиме рециркуляции, что обеспечивает более полное использование исходного сырья, т.е. хлорида натрия.
Основным недостатком описанного способа является неполное разложение хлорида натрия в электролитическом процессе получения хлора. Несмотря на систему рециркуляции, предусматривающей максимально возможное извлечение хлора из исходного сырья, процент остаточного хлорида натрия в анолите на практике колеблется от 30 до 50%. Кроме этого, электролитический процесс, сам по себе, является весьма энергоемким, особенно при необходимости производства хлора в промышленном масштабе. Процесс рециркуляции увеличивает энергозатраты, так как одни и те же объемы раствора хлорида натрия в электролизере приходится обрабатывать неоднократно с единственной целью - увеличение выхода хлора.
Таким образом, задачей полезной модели является увеличение производительности процесса хлора за счет более полного его извлечения из исходного сырья, т.е. поваренной соли.
Поставленная задача решается за счет того, что в узле для производства хлора станции обеззараживания воды, который включает растворный бак, насос и электролизер, последовательно связанные между собой трубопроводом, между баком и электролизером введен гидродинамический кавитатор, выполненный в виде центробежного насоса, снабженного системой рециркуляции. При этом в трубопроводе после бака установлен обратный клапан, а перед электролизером - регулируемый дроссель.
На фиг. 1 представлена технологическая схема узла для производства хлора.
На фиг. 2 дано схематическое изображение гидродинамического кавитатора в виде центробежного насоса.
На фиг. 3 изображения а) и б) поясняют работу гидродинамического кавитатора.
Узел для производства хлора включает растворный бак 1, который с помощью трубопровода 2 связан с последовательно установленными гидродинамическим кавитатором в виде центробежного насоса 3 и электролизером 4, содержащим две камеры: анодную 5 и катодную 6, разделенные пористой мембраной 7. Каждая из камер связана со своим сепаратором (на чертеже не показаны), где накапливаются аналит, содержащий растворенный хлор (на фиг. 1 стрелка Cl), и католит, содержащий раствор едкого натра (на фиг. 1 стрелка NaOH), т.е. продукты электрохимической обработки хлорида натрия. В трубопровод 2 после растворного бака вмонтированы обратный клапан 8, перед электролизером 4 - регулируемый дроссель 9. Гидродинамический кавитатор представляет собой центробежный насос 3 специальной конструкции. Основой насоса является колесо 10 с радиальными лопатками 11, которые с внешней стороны охвачены кольцом 12, содержащим радиально ориентированные отверстия 13. Кольцо 12 охвачено кольцом 14, которое связано с неподвижным корпусом 15 насоса 3. В кольце 14 выполнены отверстия 16, аналогичные по форме и направлению отверстиям 13 кольца 12. Между обоими кольцами имеется зазор, соответствующий зазору скользящей посадки, что не препятствует вращению колеса 10 и повышает качество создаваемой кавитации. Электропривод кольца 10 на чертеже не показан. Насос 3 снабжен системой рециркуляции, которая представлена трубопроводом 17, связывающим выход и вход насоса. Кольцо 14 и корпус 15 образуют кольцевую полость 18. Электролизер 4 электрически связан с источником переменного тока 19, снабженным тиристорным выпрямителем.
Работает узел следующим образом.
В растворный бак 1 загружают хлорид натрия (поваренная соль), который заливают водопроводной водой и смешивают до получения однородного раствора с необходимой концентрацией. Включением насоса 3 по трубопроводу 2 осуществляют заполнение раствором внутренней полости насоса. Под действием центробежной силы раствор со значительным давлением «P» (фиг. 3а) прижимается к внутренней поверхности кольца 12. При этом отверстия 13 и 16 обоих колец не совпадают. При вращательном смещении кольца 12 происходит совмещение отверстий и раствор в виде струи, истекающей со значительной скоростью, попадает в полость 18. Значительное внутреннее трение в струе ведет к нарушению ее сплошности, снижению внутреннего давления и, как следствие, появлению кавитационных пузырьков. О физике кавитационных пузырьков и технологических возможностях кавитации будет изложено ниже. Таким образом в струе хлорида натрия генерируется кавитация. Для повышения активности кавитационного воздействия на раствор в конструкции узла предусмотрена система рециркуляция раствора по трубопроводу 17, связывающему выход и вход насоса 3. Многократно обработанный кавитацией раствор хлорида натрия направляется в электролизер 4 через регулируемый дроссель 9, задача которого дозирование количества раствора. Поступающего в электролизер, где происходит электрохимическое разложение хлорида натрия в камерах 5 и 6 на хлор и натрий соответственно. Хлор, растворенный в электролите, образует хлорную воду или хлорирующий агент. Натрий, соединяясь с водой, образует раствор едкого натра. Хлорная вода через сепаратор направляется для ее потребления, т.е. для обеззараживания, в частности, сточной воды. В процессе работы узла, обратный клапан 8 препятствует обратному току в бак 1, раствора хлорида натрия, подвергшегося кавитационной обработке.
Механизм кавитационного воздействия на раствор хлорида натрия заключается во взаимодействии молекул последнего и воды с кавитационными пузырьками, которые достигают 100 150 мкм. Срок «жизни» пузырьков не превышает одной микросекунды. Происходит, так называемое, схлопывание пузырьков. При этом в момент схлопывания пузырьков их стенки под действием разности давлений, действующих на кавитационный пузырек изнутри и снаружи, ускоряются, приобретая кинетическую энергию, и сталкиваются в центре. Величина приобретенной кинетической энергии оказывается достаточной для разрыва связей между нуклонами в молекулах и атомах веществ, содержащихся в растворе, преодоления сил отталкивания ядер и осуществления взаимодействия между элементарными частицами, содержащимися в ядрах атомов. В результате в локальной области вещества в момент исчезновения кавитационного пузырька (схлопывания) происходят ядерные реакции с выделением большого количества энергии. Следует отметить, что ядерные реакции сопровождаются γ+β - излучениями [RU №2054604], с энергией, достигающей 6 Мэв. Наличие потока элементарных частиц (протоны, нейтроны), который сопровождается достаточно мощным γ+β излучениями приводит к тому, что энергия возбуждения передается молекулам и атомам веществ, находящихся в непосредственной близости от кавитационного пузырька (в зоне схлопывания) и имеющим изначально высокую степень возбуждения в силу своей природы. Суммирование внутренней энергии с энергией внешнего ионизирующего воздействия в конечном итоге приводит к распаду молекулы или атома. Распадающиеся молекулы являются сами источниками ионизирующего излучения, чем резко увеличивают энергию возбуждения, взаимодействуя по типу цепной реакции с окружающими молекулами и атомами веществ, находящихся в растворе. Энергетические возможности кавитационного пузырька оцениваются такими физическими факторами как температура и давление. Так, температура внутренней поверхности кавитационного пузырька до начала процесса схлопывания доходит до 15000 градусов, а давление на фронте ударной волны после схлопывания доходит до 10000 атмосфер. Доказано экспериментально, что под действием кавитации вода расщепляется на высокореакционные атомы водорода (H) и радикалы гидроксила (OH), в конечном итоге приводящие к образованию перекиси водорода, являющейся одним из мощнейших оксидантов [Кеннет С. Саслик, статья "Химические эффекты ультразвука", журнал "В мире науки", №4, 1989, с. 54-61]. В условиях кавитационной обработки водного раствора хлорида натрия, последний уже в пределах кавитатора будет подвергнут деструкции на ионы Na и Cl. Что же касается функции электролизера, то она сводится к электрохимическому разложению остатков хлорида натрия, не прошедших процесс диссоциации в кавитаторе. Сочетание кавитационного воздействия с электрохимическим позволит значительно увеличить выход хлора для образования хлорной воды и уменьшить остаточное количество хлорида натрия в хлорирующем агенте. Так как кавитатор берет на себя значительную часть работы по диссоциации молекул хлорида натрия, энергетическая нагрузка на питающую систему электролизера может быть значительно снижена.