КОМПЛЕКТНАЯ ЭЛЕКТРОЛИЗНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГИПОХЛОРИТА НАТРИЯ

Полезная модель относится к конструкциям электрохимических устройств, а именно, к установкам для получения гипохлорита натрия путем электролиза водного раствора хлорида натрия, которые применяются для обеззараживания воды в системах коммунального водоснабжения, малых водозаборах, плавательных бассейнов и других объектах, в том числе и дезинфекции оборудования и помещений.
Среди известных окислительных методов обработки воды ведущее место принадлежало хлорированию. Относительная доступность и дешевизна жидкого хлора обусловили его широкое использование в практике водоподготовки.
Однако, технологические (достаточно сложная технология, специальные меры безопасности при транспортировке, хранении и применении и т.п.), экономические (содержание реагентного хозяйства и дополнительного штата обслуживающего персонала), экологические (токсичность хлора и высокая вероятность образования в процессе обработки воды токсичных, мутагенных и канцерогенных галогеносодержащих органических соединений) недостатки, стимулировали поиски более экономичных технических решений.
В последние десятилетия во всем мире все шире применяется раствор гипохлорита натрия NaClO, содержащий активный хлор, равноценный по своим дезинфицирующим и стерилизующим качествам чистому хлору. Его применение практически снимает все опасные и вредные производственные факторы, присущие использованию жидкого и газообразного хлора - сильнодействующего ядовитого вещества.
При этом раствор гипохлорита натрия, получаемый электрохимическим методом (марка Э по ТУ 6-01-29-93) является наиболее чистым и малотоксичным продуктом (класс опасности - 4 по ГОСТ 12.1.007-76) и имеет самую высокую эффективность.
Достоинства электролитического гипохлорита натрия как эффективного бактерицидного агента, простота и надежность электролизных установок, а также заинтересованность потребителей в применении безопасного электрохимического метода обеззараживания
воды привели к созданию огромного числа самых разнообразных по своей конструкции электролизеров, как проточного, так и непроточного типа.
Основное отличие режимных параметров проточных электролизеров от параметров электролизеров периодического действия заключается в том, что в первом случае процесс электролиза можно полагать стационарным, не зависящим от времени. При этом, если расход рассола, подаваемого на электролиз, и токовая нагрузка на электролизер остаются постоянными, то сохраняется неизменной и концентрация раствора гипохлорита натрия, отводимого из электролизера.
В электролизерах периодического действия концентрация гипохлорита натрия зависит от времени, прошедшего с начала электролиза и, кроме того, они сложнее по конструкции и эксплуатации.
Известна электролизная установка для производства гипохлорита натрия, защищенная патентом РФ №53673 на полезную модель.
Сущность полезной модели заключается в том, что установка для получения гипохлорита натрия путем электролиза водного раствора хлорида натрия, включающая емкость с исходным раствором поваренной соли, соединенную с двумя электролизерами, причем каждый из электролизеров соединен со сборником раствора гипохлорита натрия и с верхней частью каждого из электролизеров, общую магистраль для сбора водородсодержащего газа, связанную через сепаратор со сборником водородсодержащего газа.
Наличие в заявляемой установке сборника, связанного с электролизерами, обеспечивает сбор отводимого из их верхних частей водородсодержащего газа, образующегося наряду с гипохлоритом натрия при проведении электролиза водного раствора хлорида натрия и позволяет использовать его в качестве экологически чистого энергоносителя, а не выбрасывать в атмосферу.
Однако, такое решение требует дополнительных мер безопасности, дополнительного оборудования и может применяться только на крупных системах водоподготовки.
Использование его на малогабаритных переносных установках, в которых гипохлорит производится в небольших количествах прямо на месте его потребления, нецелесообразно.
К недостаткам этой полезной модели, следует также отнести применение традиционного процесса электролиза независимо от количества проточных электролизеров, что требует увеличение емкости для приготовления исходного раствора поваренной соли.
Известна электролизная установка OSEC для производства гипохлорита натрия фирмы «WALLACE & TIERNAN».
Электролизная установка защищена патентом Великобритании №2068016А с приоритетом от 01 июля 1980 г. (по дате поступления конвенционной заявки в патентное ведомство Англии), но само изобретение создано в США, защищено патентом США №4248690 с приоритетом 28 июня 1980 г., опубликовано 03 февраля 1981 г.
Электролизная установка включает четыре последовательно-соединенных электролизера, состоящих из нескольких электродных ячеек (предположительно трех).
В первую ячейку вводят исходный раствор соли, а во вторую и третью камеру через патрубки вводят на разбавление воду в равном объеме, причем процесс электролиза в последнем электролизере заканчивают при десятикратном разбавлении исходного раствора соли, который содержит 26,4 вес.% хлорида натрия (примерно 300 г/л), т.е. разбавление водой в последнем электролизере составляет 1:10 (30 г/л хлорида натрия). Подача воды на разбавление концентрированного рассола поваренной соли и продуктов электролиза осуществляется через умягчитель воды. После растворения концентрированного рассола до исходной концентрации в сатураторе, раствор через насос-дозатор рассола подается в первую электролитическую ячейку первого электролизера. Полученный гипохлорит натрия с выхода последнего (четвертого) электролизера поступает в резервуар для хранения его, который снабжен патрубком для выброса водорода в атмосферу и патрубком подачи гипохлорита натрия через насос-дозатор на обеззараживание воды.
Отвод водорода от каждого электролизера осуществляется отдельно и через коллектор водорода он вводится в магистраль готового гипохлорита натрия.
Электропитание каждого электролизера осуществляется от выпрямителя. Работой установки управляет система автоматики.
К недостаткам известного технического решения следует отнести:
- трудность обеспечения герметичности электролизеров из-за наличия в корпусе штуцеров для подвода воды на разбавление и отвода газообразных продуктов электролиза;
- повышенный расход электроэнергии, т.к. по мере снижения концентрации электролита необходимо менять электрический режим или конструкцию электродного узла электролизеров, а это в данном изобретении не осуществляют.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является электролизная установка для производства гипохлорита натрия, защищенная заявкой на изобретение №2006140551/15 с приоритетом от 16.11.2006 г., на которую получено решение о выдаче патента РФ (решение от 24.04.2008 г).
Электролизная установка для производства гипохлорита натрия включает несколько, не менее двух, проточных электролизеров, в корпусе которых размещены по несколько
электролитических ячеек с электродным модулем, состоящим из монополярных, соединенных с источником электропитания и биполярных пластинчатых электродов, установленных параллельно на определенном расстоянии друг от друга, узел подачи воды на разбавление поваренной соли и емкость приготовления раствора поваренной соли, которая соединена с насосом-дозатором подачи раствора поваренной соли в первый электролизер, выход которого соединен с входом второго электролизера. Выход второго электролизера соединен с входом последующего электролизера, а выход последнего электролизера с буферной емкостью для хранения полученного гипохлорита натрия, который снабжен патрубком выброса водорода в атмосферу и патрубком, соединенным с вторым насосом-дозатором подачи гипохлорита натрия на обеззараживание воды. Узел подачи воды на разбавление дополнительно соединен с трубопроводом подачи исходного раствора поваренной соли в первый электролизер и с трубопроводом, установленным между выходом продуктов электролиза из первого электролизера и входом их во второй электролизер.
Изобретение позволяет повысить надежность работы электролизеров, обеспечить оптимизацию электрического режима каждой электролитической ячейки, но установка является стационарной, поэтому не учитывает некоторых особенностей переносных установок, предназначенных для производства гипохлорита натрия непосредственно в местах обеззараживания воды, например, в коттеджах, плавательных бассейнах и водоемах и т.п.
Такие установки должны обладать большей безопасностью с целью исключения возникновения чрезвычайных ситуаций, конструктивно компактными и удобными для транспортировки.
Технической задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является создание универсальной малогабаритной электролизной установки, обладающей комплектом оборудования для получения низкоконцентрированного гипохлорита натрия в местах его потребления, обладающей большей безопасностью и возможностью оперативного перемещения к другому объекту потребления с сохранением величины потенциала электролитических ячеек постоянным в течение всех стадий электролиза.
Технический результат достигается за счет того, что в известную электролизную установку для производства гипохлорита натрия, включающую, по крайней мере, один проточный электролизер, в корпусе которого размещены электродные модули, состоящие из монополярных, соединенных с источником электропитания и биполярных пластинчатых электродов, установленных параллельно на определенном расстоянии друг от друга, емкость для приготовления исходного солевого раствора, входной патрубок которой соединен с узлом подачи воды на разбавление, а выходной патрубок через фильтр и насос-дозатор с входом первого проточного электролизера, а выход последнего электролизера соединен
с буферной емкостью для хранения полученного гипохлорита натрия, которая снабжена патрубком выброса водорода в атмосферу и патрубком, соединенным с насосом-дозатором подачи гипохлорита натрия на обеззараживание воды, щит управления с аппаратурой контроля и пуска, трубопроводы с запорной арматурой, внесены изменения, а именно:
- введен электромагнитный клапан отсечки подачи воды на разбавление исходного солевого раствора, подаваемого в трубопровод, соединенный с электролизером;
- корпус электролизера снабжен компенсатором выноса потенциала из электролизера;
- на буферной емкости установлен вентилятор, для принудительного удаления водорода;
- все оборудование установки смонтировано на рамном основании с установленным на нем ограждением;
- основание снабжено средствами для переноса установки, концы которого выполнены в форме лыжных концов.
Кроме того, для облегчения установки, емкости, корпуса электролизеров и запорная арматура выполнены из полиэтилена.
Введение электромагнитного клапана, по сигналу датчика уровня буферной емкости для хранения гипохлорита натрия, позволяет отсечь подачу воды в трубопроводы, соединенные с входами электролизеров и избежать несанкционированного разбавления исходного солевого раствора и продуктов предыдущего электролиза.
Учитывая то, что корпус электролизера(ов) выполнен из поливинилхлорида, возможно вынесение потенциала по трубопроводам с проводящей жидкостью, поэтому корпус электролизера снабжен специальным компенсатором. Компенсатор представляет полую титановую трубку, соединенную с заземлителем.
С целью повышения безопасности людей, находящихся в местах обеззараживания воды, например, коттеджах, дачах, бассейнах для ускорения вытяжки водорода из буферной емкости, на ней установлен вентилятор.
Установка представляет комплект оборудования, смонтированного на рамном основании с возможностью перемещения ее без разборки. Расположение оборудования на основании выполнено таким образом, чтобы можно легко обеспечить доступ к щиту управления и пуска, но в то же время затруднить контакт с электролизерами, т.к. электролиз осуществляется при больших токах (20-80 А).
Расположение щита управления с торцевой стороны основания позволяет облегчить монтаж заграждения, выполненного из уголков.
Для удобства переноса установки основание снабжено полыми трубами, выполненными таким образом, что позволяет переносить ее вручную с упором на плечи.
Ниже приводится один из возможных вариантов реализации полезной модели.
На фиг.1 изображена технологическая схема получения гипохлорита натрия; на фиг.2 - конструкция электролизной установки (вид спереди и слева).
На фиг.1 показано два проточных электролизера 1, но их может быть от одного до четырех, в зависимости от требуемой производительности по активному хлору (кг/сут), емкость 2 (РРС) для приготовления исходного раствора поваренной соли, насос-дозатор 3, сетчатый фильтр 4, электромагнитный клапан 5, выпрямитель 6, буферная емкость 7 для хранения полученного гипохлорита натрия, насос-дозатор 8 подачи гипохлорита натрия на обеззараживание воды, вентилятор 9, установленный на буферной емкости 7, ротаметр 10 контроля расхода воды на разбавление исходного раствора поваренной соли. Узел подачи воды на разбавление концентрированного рассола поваренной соли включает вентиль (ВВ) (водопроводной воды) и трубопровод (BO5).
На рисунке 1 также показаны трубопроводы (ВО), вентили, смеситель (СМ), уровнемер (ДУ) гипохлорита натрия, установленный в буферной емкости 7 и другая запорная арматура.
На фигуре 2 показано размещение оборудования электролизной установки на основании 13. На ней также показан щит 11 управления и пуска, на котором установлены насосы-дозаторы 3 и 8, электромагнитный клапан 5, ротаметр 10 и другая аппаратура контроля и пуска, заграждение 12, установленное по периметру основания 13 и скрепленное со щитом управления, компенсатор 14, соединенный с корпусом электролизера 1 и с патрубком 15 буферной емкости 7 через петлю 16. К одному из патрубков 17 буферной емкости 7 присоединен шланг 18, соединенный с вентилятором 9 для принудительного отсоса водорода.
Кроме того, на фиг.2 приведена конструкция одного из шаровых кранов 19 (в частности, соединенный с насосом-дозатором 8 гипохлорита натрия, который через трубопровод или шланг поступает на обеззараживания воды).
Рассмотрим работу полезной модели на примере работы комплектной электролизной установки типа ЭЛПК-4,0 (производительность 4 кг/сут по активному хлору).
Насыщенный раствор поваренной соли (концентрация NaCl - 280-300 г/л заготавливается и хранится в емкости 2, в которую поступает водопроводная вода на разбавление исходного солевого раствора до заданной концентрации, через вентиль по трубопроводу ВO4. Предварительно вода проходит через установку умягченной воды на основе ионообменной смолы (на фиг.1 не показана).
Забор исходного солевого раствора производится насосом-дозатором НД2, которым регулируется и расход исходного солевого раствора.
Рабочий раствор поваренной соли приготавливается в трубопроводе ВО3, путем смешения в смесителе (СМ), в который подается исходный раствор поваренной соли и через сетчатый фильтр 4, электромагнитный клапан 5 водопроводная вода, расход которой контролируется ротаметром 10. Протекающий через электролизер 1 (ЭЛПК-4,0 или ЭЛПК-6,0) рабочий раствор подвергается электролизу.
Конструкция электролизеров аналогична описанному в прототипе.
В результате электролиза образуется гипохлорит натрия заданной концентрации по активному хлору и газообразный водород. Продукты электролиза поступают в электролизер «1а» и затем по трубопроводу ВО1 в буферную емкость 7 через компенсатор 14, петлю 16 и патрубок 15. Компенсатор 15 соединен с заземлителем, что позволяет не допустить утечки потенциала на электродах электролизера. Из буферной емкости 7 гипохлорит натрия насосом-дозатором 8 (НД) подается через шаровый кран 19 на хлорирование.
Дозирование активного хлора осуществляется посредством изменения подачи насоса-дозатора 8. Уровень гипохлорита натрия в буферной емкости контролируется датчиками уровня ДУ. При достижении раствора гипохлорита натрия верхнего уровня установка переходит в ждущий режим с отключением электромагнитного клапана 5 подачи водопроводной воды на приготовление рабочего раствора, отключением выпрямителей, насосов-дозаторов 3 и 8, пока уровень гипохлорита натрия в буферной емкости не достигнет нижнего уровня. Затем цикл повторяется.
Выделяющийся в процессе электролиза водород, в буферной емкости 7 отделяется от раствора гипохлорита натрия и через патрубок 17 и шланг 18 посредством вентилятора 9 принудительно выбрасывается в атмосферу.
Все оборудование электролизной установки смонтировано на рамном основании 13 в следующей последовательности: емкость 2 приготовления исходного солевого раствора, электролизеры и буферная емкость 7. Такое расположение позволяет более рационально осуществить обвязку оборудования трубопроводной аппаратурой. Кроме того, щит управления и пуска установлен на торце основания, таким образом, что к нему крепится заграждение, смонтированное по периметру основания.
Для удобства перемещения, основание снабжено средствами для переноса установки, выполненные из полых труб, что позволяет облегчить переноску установки в место потребления.
Кроме того, для облегчения установки все основное оборудование выполнено из полиэтилена, а заграждения из уголков.
Предлагаемая полезная модель может быть реализована не только в соответствии с рассмотренным примером 1 реализации, но в любом случае она обладает повышенной безопасностью за счет использования принудительной вентиляции водорода, применения компенсатора и т.п.
Установка проста по конструкции и удобна в эксплуатации.
В настоящее время разработаны различные типоразмеры комплектных электролизных установок, которые будут внедряться, по заказам клиентов, начиная с декабря 2008 г.