ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОДУКТОВ АНОДНОГО ОКИСЛЕНИЯ РАСТВОРОВ ХЛОРИДОВ ЩЕЛОЧНЫХ ИЛИ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ

Полезная модель относится к устройствам для электрохимической обработки растворов, и может быть использована в процессах электрохимического получения химических продуктов путем электролиза водных растворов, в частности, для получения смеси оксидантов, (преимущественно хлора, с небольшими количествами диоксида хлора, озона и перекисных соединений) при электролизе водного раствора хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов.
В прикладной электрохимии используются электрохимические реакторы различных конструкций для обработки растворов электролитов с целью электролитического получения различных продуктов. Известны, в частности, проточные диафрагменные электрохимические реакторы с плоскими электродами или реакторы с коаксиально расположенными цилиндрическими электродами. Известны также модульные реакторы, обеспечивающие достижение требуемой производительности путем соединения необходимого числа электрохимических модульных ячеек, что позволяет сократить затраты на проектирование и производство как самих реакторов, так и установок с использованием таких реактора, так как проектирование таких установок не связано с фиксированной производительностью реактора. Это также позволяет унифицировать детали и узлы, сократить время монтажа и ремонта таких реакторов.
Известна, например, установка для получения продуктов анодного окисления растворов хлорида щелочного металла, содержащая реактор, выполненный как минимум из одной электрохимической ячейки, в которой коаксиально размещены цилиндрические внешний и внутренний полый электроды и установленная между ними коаксиально ультрафильтрационная диафрагма из керамики на основе оксидов циркония, алюминия и иттрия. Реактор соединен с катодным и анодным циркуляционными контурами, каждый из которых снабжен газоотделительной емкостью, а также линию подачи раствора хлорида щелочного металла, соединенную через приспособление для повышения давления, с анодным циркуляционным контуром. Газовый вывод газоотделительной емкости анодного контура может быть соединен со смесителем, что позволяет получить смесь оксидантов не только в газообразном виде, но и в виде водного раствора (см. патент РФ N 2088693, С25В 9/00, 1997).
Известное решение достаточно эффективно при обработке разбавленных растворов, и неэффективно работает при повышенных концентрациях раствора. Используемые в реакторе ячейки не обеспечивают равномерное распределение потока циркулирующего раствора электролита в электродных камерах ячеек, что может привести к неоднородному режиму электролиза в разных ячейках. Все это приводит к снижению производительности и увеличению затрат на проведение процесса электролиза.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является электрохимический реактор для получения продуктов анодного окисления раствора хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов, выполненный из нескольких электрохимических модульных ячеек, в каждой из которых размещены цилиндрические катод, анод и керамическая
цилиндрическая диафрагма, разделяющая межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры, приспособления для подачи обрабатываемого раствора в катодные и анодные камеры ячеек реактора, приспособления для отвода продуктов электролиза из анодной и катодной камер ячеек реактора, приспособление для повышения давления обрабатываемого раствора в анодных камерах ячеек реактора. Реактор снабжен внешним циркуляционным контуром катодных камеры ячеек реактора. Контур снабжен емкостью. Реактор также содержит линию отвода газообразных продуктов из анодных камер ячеек реактора, линию отвода газообразных продуктов из катодных камер ячеек реактора и линию отвода католита (см. патент РФ №2176989, С25В 1/46, 2000). Это техническое решение выбрано в качестве прототипа.
В известном решении для получения продуктов анодного окисления достигнуто удешевление реактора, уменьшение габаритов и оптимизация работы ячеек, объединенных в электрохимический реактор большой мощности.
Недостатками известного решения является сравнительно низкая производительность ячеек, которые сложны в изготовлении и имеют сравнительно невысокую степень надежности. Применение внешнего циркуляционного контура, с помощью которого осуществляется отделение электролизных газов и возврат раствора электролита в электродную камеру не обеспечивают равномерное распределение потока циркулирующего раствора электролита в электродных камерах ячеек, что может привести к неоднородному режиму электролиза в разных ячейках, и вероятному выходу отдельных ячеек из строя. Кроме того, процесс использования реактора требует повышенных расходов энергии. Это объясняется тем, что в известном реакторе вырабатывается сравнительно большое количество католита. При использовании технических
решений, содержащих известный реактор в процессах водоочистки значительная часть производимого католита не используется и требует утилизации, что повышает расходы на эксплуатацию технических решений.
Техническим результатом использования полезной модели является упрощение реактора большой производительности за счет изменения конструкции ячейки и сокращения гидравлических линий, оптимизации гидравлического режима работы реактора и снижение расхода энергии на проведение процесса, а также снижение выхода нецелевых продуктов электролиза и повышение надежности работы реактора.
Указанный технический результат достигается тем, что электрохимический реактор, выполненный из нескольких электрохимических модульных ячеек, в каждой из которых размещены цилиндрические катод, анод и керамическая цилиндрическая диафрагма, разделяющая межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры, приспособления для подачи обрабатываемого раствора в катодные и анодные камеры ячеек реактора, приспособления для отвода продуктов электролиза из анодной и катодной камер ячеек реактора, приспособление для повышения давления обрабатываемого раствора в анодных камерах ячеек реактора, линию отвода газообразных продуктов из анодных камер ячеек реактора, линию отвода католита, соединенную с емкостью циркуляционного контура, реактор выполнен из 4-6 однотипных электрохимических ячеек, каждая из которых содержит один вертикальный катод и 2-5 анодов, причем катод выполнен полым переменного сечения с центральной и хвостовыми частями, наружный диаметр хвостовых частей составляет 16 мм, а диаметр центральной части - 18 мм, центральная часть выполнена с отверстиями а хвостовые части выполнены без
отверстий, причем нижняя хвостовая часть соединена с приспособлением для подачи обрабатываемого раствора в катодную камеру, а верхняя хвостовая часть с приспособлением для вывода раствора и газа из катодной камеры и диафрагма выполнена высотой, превышающей высоту центральной части катода и закреплена на хвостовых частях катода с помощью фиксаторов. Аноды выполнены с наружным диаметром 14-18 мм. Каждая из ячеек снабжена цилиндрическим корпусом, внутренний диаметр которого составляет 80-90 мм, электроды размещены во внутреннем пространстве корпуса, причем катод и коаксиальная ему диафрагма установлены в центре внутреннего пространства корпуса, и пространство катодной камеры ограничено внутренней поверхностью диафрагмы и внешней поверхностью катода, а аноды равномерно размещены на условной окружности, вписанной во внутреннее сечение корпуса на расстоянии 1-1,5 диаметра анодов от внутренней поверхности корпуса, и пространство анодной камеры ограничено внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью диафрагмы. На верхней и нижней частях корпуса установлены герметизирующие приспособления, выполненные в виде верхней и нижней крышек, содержащих средства для крепления электродов. На крышках также размещены и приспособления для подачи обрабатываемого раствора в анодную камеру и приспособления для отвода газов из анодной камеры, выполненные в виде каналов, размещенных соответственно в нижней и верхней крышках. Каждая ячейка реактора выполнена с катодным циркуляционным контуром снабженным емкостью, и каждый циркуляционный контур соединен с приспособлениями для подачи обрабатываемых растворов в катодную камеру и с приспособлениями для вывода из катодной камеры, причем емкость каждого циркуляционного контура выполнена в виде теплообменника и установка дополнительно содержит линии подвода и отвода теплоносителя, соединенные с приспособлениями для подачи и отвода теплоносителя теплообменников. Установка также содержит сепаратор для разделения газообразного водорода и католита, сепаратор для разделения газообразного водорода и католита, вход которого соединен с линиями вывода продуктов обработки из катодной камеры каждой ячейки, а выход - с линией отвода католита.
Приспособление для повышения давления в анодных камерах ячеек реактора может быть выполнено в виде насоса и клапана регулирования давления «до себя», причем насос установлен на линии подачи исходного раствора перед приспособлениями для подачи раствора в анодную камеру, а клапан регулирования давления «до себя» установлен на линии отвода газообразных продуктов из анодной камеры.
Аноды ячеек могут быть выполнены полыми и снабжены приспособлениями для подачи и отвода теплоносителя, соединенными с торцами анодов.
Корпус ячеек реактора выполнен или из диэлектрического материала или из металла, внутренняя поверхность которого покрыта слоем диэлектрического материала.
Диафрагма в ячейках выполнена из кислотощелочестойкой наноструктурированной ультрафильтрационной керамики толщиной 2,5-3,2 мм, и расстояние между внутренней поверхностью диафрагмы и наружной поверхностью катода составляет 3-4 мм.
Высота корпуса ячеек составляет 660-670 мм, при этом катод выполнен составным, содержащим две вертикальных центральных части диаметром 18 мм и хвостовые части диаметром 16 мм, причем центральные части соединены отрезками хвостовых частей с образованием единой полости, при этом центральные части выполнены длиной 300 мм из 18 металлических стержней диаметром 2 мм, закрепленных с равномерным шагом на наружных сторонах хвостовых частей каждой части, и центральные части разнесены друг от друга на расстояние не более 30 мм.
В каждой ячейке длина анодов составляет 105-110% высоты корпуса ячейки, а суммарная длина катода составляет 110-120% высоты корпуса ячейки.
В ячейках приспособления для крепления электродов выполнены в виде отверстий в верхней и нижней крышках ячейки, причем диаметр отверстий для крепления анодов равен наружному диаметру анодов, а диаметр отверстий для крепления катода равен наружному диаметру хвостовых частей катода, и крышки снабжены средствами герметизации.
Корпуса и крышки ячеек могут быть выполнены или из диэлектрического кислото-щелочестойкого материала или из металла, при этом внутренняя поверхность элементов конструкции покрыта слоем такого диэлектрического материала.
Ячейки реактора могут быть установлены на одном уровне или установлены одна над другой, при этом реактор дополнительно содержит приспособление для предотвращения проскока анолита, выполненное в виде разделительной емкости, расположенной на уровне, превышающем уровень расположения верхней ячейки, причем разделительная емкость соединена с линией вывода газообразных продуктов электролиза из анодной камеры или камер и с емкостью для исходного раствора.
Такое выполнение реактора обеспечивает достижение заявленного технического результата.
То, что реактор выполнен из однотипных электрохимических ячеек, позволяет без лишних трудозатрат регулировать производительность установки и проводить техническое обслуживание и ремонт.
Количество ячеек в реакторе определяется исходя из требуемой производительности и затрат на проведение эксплуатации установки. Количество ячеек менее 4 нецелесообразно, так как достигаемое при этом увеличение производительности нивелируется затратами на обслуживание установки, а увеличение числа ячеек более 6 повышает материалоемкость реактора и требует применения мощного оборудования для обеспечения гидравлики процесса, что снижает экономичность использования реактора.
Выполнение ячеек таким образом, что каждая из них содержит один вертикальный катод и 2-5 анодов, позволяет повысить производительность ячейки по анодным продуктам и сократить выход нецелевых продуктов, например католита. При этом достигается упрощение конструкции ячейки, появляется возможность установить необходимое количество электродов в меньшем пространстве, что ведет к сокращению числа и протяженности вспомогательных коммуникаций при объединении ячеек в реакторы. Использование 2-х анодов является минимальным условием производительности, а увеличение числа анодов более 5 требует увеличения размеров ячейки, что приведет к увеличению ее объема и, соответственно, к увеличению затрат на соблюдение гидравлического режима. Такое выполнение позволяет, сохранив преимущества модульного построения реактора, варьировать его производительность в нужных пределах и регулировать производительность реактора по продуктам анодного окисления за счет увеличения реакционной поверхности анодов. При этом объем катодной камеры ячейки, а следовательно и реактора, сохраняется постоянным, что позволяет сократить выход раствора гидроксида натрия (калия), повысив его концентрацию и исключить расходы, связанные с его утилизацией, так как только незначительные объемы этого раствора могут быть использованы в технологическом цикле. Выполнение катода полым переменного сечения с центральной и хвостовыми частями, наружный диаметр хвостовых частей составляет 16 мм а диаметр центральной части - 18 мм, и центральная часть выполнена с перфорацией, а концевые части выполнены без перфорации и то, что нижняя хвостовая часть катода соединена с приспособлением для подачи обрабатываемого раствора в катодную камеру, а верхняя хвостовая часть с приспособлением для вывода раствора и газа из катодной камеры позволяет обеспечить подвод и отвод раствора в катодную камеру ячейки через полость катода, что сокращает количество коммуникаций и облегчает компановку установки. Выполнение центральной части перфорированной обеспечивает циркуляцию раствора в катодной камере, что улучшает массообмен и обеспечивает возможность регулировать процесс обработки в катодной камере и получить католит требуемого состава, а выполнение хвостовых частей без перфорации позволяет регулировать площадь катода и соотносить ее с требуемой производительностью по катодным продуктам. Уменьшение диаметра хвостовых частей по сравнению с центральной позволяет повысить надежность крепления катода в ячейке, так как требует выполнения отверстий в крышках меньшего диаметра и оптимизировать требования к жесткости элементов конструкции.
Целесообразно выполнять диафрагму с высотой, превышающей высоту центральной части катода, и закреплять ее на концевых частях катода с помощью фиксаторов. Это позволит обеспечить оптимальную работу центральной части катода, а также упростить процесс монтажа катодно-диафрагменного блока, обеспечить быструю замену его в случае необходимости. Конкретное значение превышения высоты диафрагмы по отношению к центральной части катода зависит от используемых средств крепления, но не должно превышать 20% высоты центральной части катода, что связано с механической прочностью диафрагмы.
Аноды выполнены с наружным диаметром 14-18 мм. Это обеспечит оптимальную гидравлику и позволит достичь требуемой производительности без необоснованного увеличения габаритов и металлоемкости конструкции. Каждая из ячеек снабжена цилиндрическим корпусом, внутренний диаметр которого составляет 80-90 мм, электроды размещены во внутреннем пространстве корпуса, причем катод и коаксиальная ему диафрагма установлены в центре внутреннего пространства корпуса, и пространство катодной камеры ограничено внутренней поверхностью диафрагмы и внешней поверхностью катода, а аноды равномерно размещены на условной окружности, вписанной во внутреннее сечение корпуса на расстоянии 1-1,5 диаметра анодов от внутренней поверхности корпуса, и пространство анодной камеры ограничено внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью диафрагмы. Такое выполнение позволяет получить требуемую производительность по анодным продуктам за счет обеспечения одинаковых условий работы анодов, упростить конструкцию за счет упрощения крепления электродов, обеспечит оптимальную гидравлику и избежать застойных зон в анодной камере, так как при такой установке анодов создаются условия для циркуляции анолита за счет газлифта. Выполнение корпуса диаметром менее 80 мм не позволяет разместить требуемое число электродов, а выполнение с диаметром более 90 мм необоснованно увеличивает габариты установки. Размещение анодов на меньшем, чем указано, расстоянии от внутренней поверхности корпуса может привести к образованию застойных зон, а на большем - приведет к неэффективному использованию объема ячейки.
На верхней и нижней частях корпуса ячейки установлены герметизирующие приспособления, выполненные в виде верхней и нижней крышек, содержащих средства для крепления электродов, а приспособления для подачи обрабатываемого раствора в анодную камеру и приспособления для отвода жидкостей и газов из анодной камеры выполнены в виде каналов, размещенных соответственно в нижней и верхней крышках. Герметизирующие приспособления необходимы для обеспечения безопасной и эффективной работы реактора. Выбор конструктивного выполнения приспособлений для крепления электродов и приспособлений для подачи обрабатываемого раствора в катодные и анодные камеры реактора и приспособлений для отвода продуктов электролиза из анодной и катодной камер реактора определяется конструктивным выполнением самих ячеек. Они должны выполнять определенную функцию - соединять пространство электродных камер с линиями подачи и отвода растворов. Это могут быть штуцера, коллекторы, герметичные каналы, выполненные в конструктивных элементах ячеек. Выполнение герметизирующих приспособлений в виде крышек является оптимальным, так как обеспечивает простоту и скорость монтажа и демонтажа, при этом выполнение отверстий для крепления электродов и каналов позволяет упростить форму крышек и сократить их материалоемкость.
Каждая ячейка реактора выполнена со своим катодным циркуляционным контуром с емкостью, и каждый циркуляционный контур соединен с приспособлениями для подачи обрабатываемых растворов в катодную камеру и с приспособлениями для вывода из катодной камеры, причем емкость каждого циркуляционного контура выполнена в виде теплообменника и установка дополнительно содержит линии подвода и отвода теплоносителя, соединенные с приспособлениями для подачи и отвода теплоносителя теплообменников. Снабжение циркуляционным контуром катодной камеры каждой ячейки позволяет избежать возможных нарушений гидравлического режима в ячейках, повысить качество получаемого продукта и упростить монтаж и демонтаж установки. Наличие контура позволяет обеспечить условия, при которых суммарные потери выхода по току из-за миграции гидроксильных ионов и проникновения анодных продуктов в катодное пространство будут наименьшими (известно, что повышение концентрации щелочи выше 150 г/л приводит к резкому снижению выхода по току [см. С.М. Круглый. Производство хлора, каустической соды и водорода. М. "Высшая школа". 1967. с. 118]. Циркуляционный контур катодной камеры ячеек снабжен емкостью, обеспечивающей исключение гидравлических ударов в контуре. То, что емкость каждого катодного циркуляционного контура выполнена в виде теплообменника, соединенного с линиями подачи и отвода теплоносителя, позволяет замедлить процесс увеличения концентрации раствора гидроксида щелочного металла, циркулирующего в контуре, во времени, и тем самым, сократить расход электроэнергии на проведение процесса.
Реактор также содержит сепаратор для разделения газообразного водорода и католита, вход которого соединен с линиями вывода продуктов обработки из катодной камеры каждой ячейки, а выход - с линией отвода католита. Снабжение реактора дополнительным сепаратором для разделения газообразного водорода и католита позволяет оптимально организовать вывод продуктов электролиза. Продуктами обработки в катодной камере являются смесь водорода с увлеченными капельками католита - газожидкостная смесь или «влажный водород». Так как и католит и водород являются продуктами реактора, то эту смесь необходимо разделить. Этой же цели служит соединение линии отвода католита с сепаратором.
Приспособление для повышения давления в анодных камерах ячеек реактора может быть выполнено в виде насоса и клапана регулирования давления «до себя», причем насос установлен на линии подачи исходного раствора перед приспособлениями для подачи раствора в анодную камеру, а клапан регулирования давления «до себя» установлен на линии отвода газообразных продуктов из анодной камеры. Приспособление для повышения давления в анодных камерах ячеек реактора выполнено в виде двух независимых узлов - насоса и клапана регулирования давления «до себя». При этом насос устанавливают на линии подачи исходного раствора перед приспособлениями для подачи раствора в анодную камеру, а клапан регулирования давления «до себя» - на линии отвода газообразных продуктов из анодной камеры. Насос обеспечивает повышение давления в анодной камере, что позволяет направленно влиять на процесс электролиза, а регулятор давления «до себя» предотвращает проскок анолита в коммуникации установки. Такое выполнение из двух, автономных приспособлений, обеспечивает стабильность поддержания требуемых параметров процесса, а также сравнительную простоту регулирования параметров и наблюдения за ними.
В зависимости от условий решаемой задачи аноды могут быть выполнены полыми и снабжены приспособлениями для подачи и отвода теплоносителя, которые соединены соответственно с нижними и верхними торцами анодов. Такое выполнение позволяет обеспечить оптимальные условия для протекания целевого анодного процесса и эффективно регулировать состав анолита при проведении процесса при оптимальной температуре, которая снижает возможность образования побочных продуктов.
Диафрагма в ячейке выполнена из кислотощелочестойкой наноструктурированной ультрафильтрационной керамики толщиной 2,5-3,2 мм и расстояние между внутренней поверхностью диафрагмы и наружной поверхностью катода составляет 3-4 мм. Указанные размеры обеспечивают требуемую производительность при одновременном достижении поставленных ограничений на состав католита. Диафрагма может быть выполнена из керамики на основе оксидов металлов, в частности на основе оксида алюминия, и может содержать различные добавки, в том числе добавки оксидов циркония, иттрия, ниобия, тантала, титана, гадолиния и гафния. При этом диафрагма выполняется ультрафильтрационной. Такая диафрагма является устойчивой к агрессивной среде, в которой протекают электрохимические процессы, обладает постоянством размеров и характеристик. Применение такой диафрагмы в зависимости от размеров пор позволяет направлено влиять на протекание процессов в ячейке.
Высота корпуса ячеек составляет 660-670 мм, при этом катод выполнен составным, содержащим две вертикальные центральные части диаметром 18 мм и хвостовые части диаметром 16 мм, причем центральные части соединены отрезками хвостовых частей с образованием единой полости, при этом центральные части выполнены длиной 300 мм из 18 металлических стержней диаметром 2 мм, закрепленных с равномерным шагом на наружных сторонах хвостовых частей каждой части, и центральные части разнесены друг от друга на расстояние не более 30 мм. Выполнение центральной части катода из стержней позволяет увеличить эффективную поверхность катода и обеспечить требуемую гидродинамику прохождения католита. Длина центральной части определена исходя из механических свойств стержней, так как увеличение высоты центральной части при фиксированном размере стержней делает возможным деформацию центральной части катода в процессе электролиза. При указанной высоте корпуса достигается требуемая производительность, а выполнение катода составным обеспечивает его механическую прочность, и кроме того, позволяет интенсифицировать процесс циркуляции раствора в катодной камере, что повышает эффективность обработки.
Выполнение анодов длиной 105-110% высоты корпуса ячейки, а катодов 110-120% высоты корпуса ячейки обеспечивает надежное крепление электродов в крышках и обеспечивает компоновку токоподводов к анодам и катоду на меньшем пространстве.
В зависимости от условий решаемой задачи корпус электрохимической ячейки и крышки может быть выполнен или из диэлектрического кислотощелочестойкого материала или из металла, внутренняя поверхность которого покрыта слоем такого диэлектрического материала. Материал выполнения корпуса определяется условиями процесса электролиза и требованиями к прочности конструкции.
В зависимости от требований к пространству, на котором должен быть размещен реактор, его ячейки могут быть установлены на одном уровне или на разных уровнях - одни над другими. В последнем случае, когда лимитирующей является площадь размещения реактора, он дополнительно содержит приспособление для предотвращения проскока анолита, выполненное в виде разделительной емкости, расположенной на уровне, превышающем уровень расположения верхней ячейки, причем разделительная емкость соединена с линией вывода газообразных продуктов электролиза из анодной камеры или камер и с емкостью для исходного раствора. Такое выполнение позволяет исключить проскок анолита в линию отвода газообразных продуктов электролиза из анодных камер и обеспечить стабильность работы ячеек.
Электрохимический реактор целесообразно использовать с дополнительным смесителем, который снабжен двумя вводами и одним выводом, при этом вводы смесителя соединены с линией отвода газообразных продуктов из анодных камер ячеек и с линией подачи воды, а вывод смесителя соединен с линией отвода водного раствора оксидантов. Это позволяет расширить функциональные возможности использования реактора и получать водный раствор оксидантов. Водный раствор оксидантов может использоваться там, где использование газообразных оксидантов (хлора, кислорода, диоксида хлора и т.д.) ведет в появлению значительных эксплутационных трудностей, в то время как использование водного раствора дает тот же эффект - например при очистке воды как для питьевых, так и для иных нужд (например в бассейнах). При получении газообразной смеси оксидантов анодные газы подаются потребителю минуя стадию растворения в воде.
Реактор для получения продуктов анодного окисления раствора хлорида щелочного (щелочноземельного) металла с обвязкой, обеспечивающей работоспособность и получение промышленно применимого продукта (раствора смеси оксидантов) схематично показан на фиг. 1 с одной электрохимической ячейкой, однако очевидно, что параллельное соединение 2-4 ячеек является осуществимым для среднего специалиста в данной области.
На фиг. 2 показано поперечное сечение корпуса ячейки, содержащей один катод и четыре анода.
На фиг. 3 приведено продольное сечение ячейки, содержащей катод и четыре анода.
Электрохимический реактор содержит электрохимическую ячейку 1, межэлектродное пространство которой разделено диафрагмой 2 на анодную 3 и катодную 4 камеры. Катодная камера 4 ячейки 1 выполнена с циркуляционным контуром, на котором размещен теплообменник 5. Приспособление для повышения давления в анодной камере выполнено в виде насоса 6 и регулятора давления «до себя» 7, которые установлены соответственно на линиях подачи исходного раствора в анодную камеру 8 и линию отвода газообразных продуктов электролиза из анодной камеры 9. Линия 10 отвода продуктов из катодных камер 3 ячейки 1 соединена с сепаратором 11. Сепаратор 11 выполнен с линиями отвода газообразного водорода 12 и линией отвода католита 13. Линия отвода католита 13 соединена дополнительной линией 14, на которой установлен насос 15 и вентиль 16 со смесителем 17. В смеситель 17 по линии 9 подаются газообразные оксиданты - продукты анодного окисления, по линии 18 в смеситель 17 через регулятор давления 19 подается вода, а из смесителя 17 по линии 20 выводится водный раствор оксидантов. В случае, если водный раствор оксидантов предпочтительно подавать потребителю в виде раствора гипохлорита, то в смеситель 17 по линии 14 подается необходимое количество католита - раствора гидроксида щелочного металла. При отсутствии такой необходимости избыток католита отводится по линии 21 с регулирующим клапаном 22 в дренаж.
Электрохимическая модульная ячейка для обработки водных растворов (фиг. 2) содержит вертикальный цилиндрические внутренний полый катод 23 и четыре анода 24. Катод 23 размещен в центре корпуса 25, а аноды 24 равномерно размещены соответственно на условной окружности, вписанной в поперечное сечение корпуса 25, на расстоянии, равном 1,5 диаметра анодов от стенки корпуса 25. На катоде закреплена диафрагма 2.
На верхнем торце (фиг. 3) корпуса 25 установлена крышка 26, а на нижнем торце корпуса 25 установлена крышка 27. На крышках 26 и 27 закреплены катод 23, аноды 24. Катод 23 и аноды 24 установлены в отверстиях в крышках 26 и 27 и снабжены герметизирующими приспособлениями 28 и 29. Катод 23 выполнен составным из верхнего элемента с центральной частью 30 и верхней и нижней хвостовыми частями 31 и 32, а нижний элемент состоит из центральной части 33 и верхней и нижней концевых частей 34 и 35. Нижняя часть 32 верхнего элемента 30 соединена с верхней частью 34 нижнего элемента 33 с помощью фиксирующего узла 36. В случае, если корпус 25 выполнен из металла, то его внутренняя поверхность покрыта слоем диэлектрика 37.
Ячейка работает следующим образом.
В катодную камеру, ограниченную наружной поверхностью катода 23 и внутренней поверхностью диафрагмы 2, через полость нижней части 35 катода 23 поступает обрабатываемый раствор, например, вода, а в анодную камеру, ограниченную наружной поверхностью диафрагмы 2 и внутренней поверхностью корпуса 25, образованную слоем диэлектрика 37 через канал для подачи обрабатываемых растворов, выполненный в нижней крышке 29 (на чертеже не показан), поступает обрабатываемая жидкость - например раствор хлорида натрия.
В катодной камере вода заполняет полость катода 23 и через отверстия в центральных частях 30 и 33 катода 23 поступает в пространство между внутренней поверхностью диафрагмы 2 и наружной поверхностью катода 23. Поступление воды в катодную камеру прекращают после ее заполнения. После подачи напряжения на внешней поверхности катода 23 начинается выделение газа (газообразного водорода), и газовые пузырьки увлекают католит (жидкость, находящуюся в катодной камере) вверх. Так как на внутренней поверхности центральных частей 30 и 33 катода 23 электролиз не идет, то католит просто заполняет внутреннее пространство полого электрода 23 и, поскольку он менее насыщен газовыми пузырьками и имеет большую кажущуюся плотность, возникает медленная циркуляция католита в камере катода 23.
В анодную камеру, ограниченную наружной поверхностью диафрагмы 2 и внутренней поверхностью корпуса 25, образованную слоем диэлектрика 37 через канал для подачи обрабатываемых растворов, выполненный в нижней крышке 23 (на чертеже не показан), поступает раствор - например раствор хлорида натрия. Циркуляция электролита в анодной камере осуществляется за счет конвективного движения электролита под действием выделяющихся на анодах 24 газов, в частности хлора, диоксида хлора и кислорода. В процессе работы ячейки ионы металла (в частности натрия) из анодной камеры под действием электрического тока переходят через диафрагму 2 в катодную камеру и образуют раствор гидроксида натрия, а анодные газы выводятся из анодной камеры через канал в верхней крышке 26 (на чертеже не показан).
Получение раствора оксидантов осуществляется следующим образом.
Исходный раствор хлорида, концентрация которого определяется условиями решаемой задачи, поступает по линии 8 и насосом 6 и подается под избыточным давлением в нижние части анодных камер ячеек 1 реактора. Ячейки выполнены с циркуляционным контуром 10 катодных камер каждой ячейки, причем контуры снабжены теплообменниками 5. Ячейки выполнены с охлаждаемыми анодами 24. Раствор хлорида подается со скоростью, обеспечивающей постоянство заданного уровня анолита в анодной камере 3 ячейки 1 реактора. В анодных камерах 3 ячейки 1 реактора из верхних частей по линии 9 выводится газообразная смесь оксидантов и через редуктор 7 подается в смеситель 17. В смеситель 17 подается по линии 18 вода, и после растворения газообразных оксидантов по линии 20 выводится водный раствор оксидантов и направляется потребителю. Излишки католита из циркуляционных контуров катодных камер 4 ячеек реактора направляются в сепаратор 11. После разделения газожидкостной смеси водород по линии 12 удаляется из цикла, а раствор гидроксида сбрасывается по линии 21, или часть его по линии 14 подается в смеситель 17 для получения раствора гипохлорита.
Полезная модель иллюстрируется следующими примерами, которые, однако, не исчерпывают всех возможностей реализации полезной модели.
2
3
Для получения продуктов анодного окисления раствора хлорида щелочного металла использовался реактор, содержащий ячейки, каждая из которых содержала один кактод и четыре анода. Катоды выполнены из стали, а аноды из титановой трубы с нанесенным на ее поверхность электрокаталитическим покрытием ОРТА. На катоде закреплена диафрагма толщиной 2,5 мм, с наружным диаметром 28 мм, выполненная из керамики на основе оксида алюминия (AlO). Внешний диаметр анодов равен 16 мм. Во внутренние полости анодов подавался теплоноситель - вода - с расходом 20 литров в час через каждый анод. Теплоноситель подавался прямотоком по отношению к обрабатываемому раствору электролита - снизу вверх. Корпус и герметизирующие заглушки выполнены из хлорированного поливинилхлорида (ХПВХ).
Использовался реактор, содержащий четыре ячейки. Производительность установки составила 500 г/час смеси оксидантов. Масса электрохимического реактора 22 кг. Для сравнения в одинаковых условиях использовалась для получения хлора установка по прототипу. Для достижения требуемой производительности установка по прототипу должна содержать электрохимический реактор из десяти электрохимических ячеек, раскрытых в техническом решении по прототипу. Масса электрохимического реактора в установке по прототипу составила 25 кг (без учета массы гидравлических линий). Это ведет к увеличению металлоемкости конструкции, увеличению количества гидравлических сопряжений, требует повышенной мощности гидравлического оборудования. Реактор по полезной модели содержит четыре катодных камеры, а реактор по прототипу - десять, то есть используются десять катодов, десять диафрагм, и, кроме того, увеличивается суммарный объем катодных камер, что приводит к повышению затрат на перекачку растворов и затрат на утилизацию избытка католита. Также реактор по прототипу содержит десять анодных камер, что увеличивает металлоемкость установки и затраты на герметизацию камер и количество гидравлических линий. После 24 часов работы изменения в режимах и характеристиках получаемых продуктов в реакторе по данной полезной модели не изменилось, в то время как в реакторе по прототипу повысился расход энергии на 10% и снизилась производительность по оксидантам на 5%.
Как следует из представленных данных, реактор по настоящей полезной модели имеет более высокую производительность, более низкий расход энергии при увеличении ресурса работы.
Полезная модель позволяет упростить установки большой производительности за счет изменения конструкции ячейки, сокращения гидравлических линий, оптимизации гидравлического режима работы реактора и добиться снижения затрат на обеспечение герметизации гидравлических линий, а также снизить расход энергии на проведение процесса и снизить выхода нецелевых продуктов электролиза (католита) и затрат на его утилизацию.