Проточный электролизёр

Заявленное техническое решение относится к проточным электролизерам для получения гипохлорита натрия установок средней производительности, предназначенных для обеззараживания воды в системах водоснабжения и водоотведения. Может быть использован в установках для периодической наработки, хранения и выдачи раствора гипохлорита натрия потребителю, например, в зоне природных катаклизмов, военных конфликтов, а также для систем водоснабжения небольших и средних населенных пунктов.
Известно использование проточного электролизера в «Установке для получения раствора соли кислородной кислоты хлора» по авторскому свидетельству СССР: SU 783363 А1 от 30.11.1980, МПК С25В 9/00 - [1]. Установка содержит проточный электролизер и накопительную емкость, при этом электролизер выполнен герметичным, расположен вне накопительной емкости и соединен с ней циркуляционными трубопроводами. Установка может содержать несколько электролизеров. При этом на приведенном в аналоге [1] рисунке проточный электролизер выполнен в цилиндрическом, вертикально установленном корпусе, внутри которого установлен набор электродов в виде прямоугольных вертикальных пластин. Проточный электролизер аналога [1] по своему общему конструктиву похож на заявленное техническое решение.
Недостатком известного аналога [1] является то, что устройство установки и электролизера детально не проработано, его практическая реализация многовариантна.
Известно использование проточного электролизера обработки воды гипохлоритом натрия по патенту на изобретение РФ: RU 2100483 С1 от 27.12.1997, МПК С25В 1/34, С25В 9/00, «Способ обработки воды гипохлоритом натрия и проточный электролизер для получения гипохлорита натрия» - [2]. Проточный электролизер по аналогу [2] включает в себя емкость с входными и выходными патрубками и камерами ввода и вывода растворов, и размещенные в емкости между указанными камерами моно- и биполярные пластинчатые электроды, установленные вертикально и параллельно друг другу. Пластинчатые электроды включены по биполярной схеме с токоподводом на крайние электроды, межэлектродный зазор составляет 1-3 мм. При зазорах меньше 1 мм гидравлическое сопротивление в межэлектродном пространстве будет слишком большим для протекания раствора хлорида натрия через данные зазоры, а при величине зазоров выше указанного предела процесс электролиза неэффективен, поскольку большая часть энергии, прикладываемая к электродам, будет потребляться не на электролиз, а на нагрев раствора хлорида натрия. В процессе электролиза водород в виде пузырьков поднимается вверх в межэлектродных зазорах, увлекая за собой раствор хлорида натрия, увеличивая его скорость течения в межэлектродных зазорах.
Недостатком проточного электролизера по аналогу [2] является сравнительно медленная скорость течения раствора хлорида натрия через зазоры электродов, что приводит к тому, что при электролизе жестких вод на электродах - катодах образуется осадок, приводящий к росту напряжения на электролизере и ухудшению гидродинамики процесса.
Известно использование проточного электролизера для получения гипохлорита натрия по патенту на полезную модель РФ: RU 126695 U1 от 10.04.2013, МПК С01В 11/06, «Установка для получения гипохлорита натрия» - [3]. Установка [3] содержит электролизер, емкость для раствора электролита, подаваемого в электролизер, и для раствора, содержащего гипохлорит натрия, поступающего из электролизера, а также подающее - сливающий тракт, в виде циркуляционных трубопроводных магистралей с установленным насосом. Вследствие принудительного движения жидкости через электролизер в режиме рециркуляции обеспечивается интенсивное перемешивание электролита, что улучшает условия протекания электрохимического процесса с более полной конверсией исходной соли, а также уменьшение времени, затрачиваемого на получение раствора целевого продукта с заданной концентрацией.
Недостатком проточного электролизера по аналогу [3] является то, что конструкция его проточного электролизера детально не проработана, и поэтому его практическая реализация затруднительна.
Известно применение в проточном электролизере титановых электродов (катодов и анодов) с окисно-рутениевым покрытием по патенту на изобретение РФ: RU 2139956 С1 от 20.10.1999, МПК С25В 1/26, С01В 11/06, «Установка для получения растворов гипохлоритов электролизом» - [4], что существенно повышает надежность проточного электролизера установки при электролизе жестких вод, а также срок службы таких электродов. Установка [4] содержит корпус электролизера с подводящими и отводящими трубопроводами, газоотводной трубой и монополярные титановые электроды с окисно-рутениевым покрытием, что при электролизе жестких вод обеспечивает снятие осадка без остановки установки реверсированием тока.
Недостатком проточного электролизера по аналогу [4] является то, что приведенная в его графических материалах конструкция монополярных электродов выполнена стержневой, и, следовательно, с низкой площадью поверхности электродов, что требует существенного увеличения времени наработки раствора гипохлорита натрия. Кроме того, как недостаток, является использование только одних монополярных электродов без использования биполярных электродов, что сильно повышает требования к источнику постоянного тока электролизера.
Известна конструкция вертикально расположенного проточного электролизера с цилиндрическим корпусом и торцевыми крышками по авторскому свидетельству СССР: SU 1793008 А1 от 07.02.1993, МПК С25В 9/00, «Электролизер для получения гипохлорита натрия» - [5], в котором внутри расположены биполярные и монополярные электроды в виде плоских прямоугольных вертикальных пластин, диэлектрические проставки, подводящий (снизу) и отводящий (сверху) патрубки для раствора электролита.
Недостатком известного аналога [5] является сложность его конструкции, в которой диэлектрическая проставка выполнена в виде цилиндра, расположенного коаксиально центральному стержню и внешнему цилиндру, также выполненных из диэлектрического материала, электроды расположены радиально в пазах корпуса, проставки, центрального стержня и торцевых крышек. Кроме того, при радиальном расположении электродов невозможно выполнить межэлектродное пространство между ними с одинаковым зазором, что приводит к неравномерному износу электродов со стороны меньшего зазора, и, следовательно, снижает надежность и долговечность конструкции (снижает ресурс самого электролизера).
Известны конструкции проточных электролизеров, в которых используется пакетная конструкция электродов, стянутых через уплотнительные фигурные прокладки, в самих электродах имеются отверстия для протекания раствора электролита в их межэлектродном пространстве, например, по:
- авторскому свидетельству СССР: SU 429020 А1 от 25.05.1974, МПК С25В 1/26, С25В 11/02, «Биполярный электролизер для получения раствора гипохлорита щелочного металла» - [6];
- патенту на изобретение РФ: RU 2199610 С2 от 27.02.2003, МПК С25В 1/00, С25В 9/20, «Устройство для электролиза» - [7];
- патенту на изобретение Германии: DE 2919527 А1 от 20.11.1980, МПК С25В 1/26, С25В 9/18, «Elektrolyseur zur Gewinnung von Nattriumhypochlorit» - (Электролизер для производства гипохлорита натрия) - [8].
Общими недостатками известных аналогов [6], [7] и [8] является то, что:
- во-первых, при сжатии уплотнительные прокладки меняют свою толщину, что меняет заданную величину межэлектродного расстояния;
- во-вторых, низкая надежность эксплуатации таких электролизеров, так как со временем возможны протечки электролита из-за нарушения герметичности уплотнительных прокладок;
- в-третьих, при переборке пластинчатых электродов таких электролизеров (при их техническом обслуживании) необходима обязательная замена уплотнительных прокладок, что увеличивает расходы на эксплуатацию.
Известный корпусной электролизер с прямоугольными плоскими электродами по патенту на изобретение Великобритании: GB 1411928 (А) от 29.10.1975, МПК C02F 1/467, С25В 1/26, С25В 9/00, Production of hypochlorite by electrolysis of sea water» - (Устройство для производства гипохлорита электролизом морской воды) - [9]. Устройство [9] содержит чередующуюся матрицу вертикальных монополярных анодов и катодов в виде плоских прямоугольных пластин, расположенных в герметичном коробчатом корпусе, образованным плоскими прямоугольными пластинами, снизу и сверху корпус имеет соответственно входной и выходной патрубки для раствора электролита. Каждый анод, например, размерно-стабильная расширенная титановая сетка, покрытая металлом (оксидом) группы Pt, контактирует на одном конце с вертикальным электрическим распределителем, примыкающим к одной боковой стенке. Каждый катод, например из стали, никеля или титана, одним концом контактирует с вертикальным электрическим коллектором, примыкающим к противоположной боковой стенке.
Недостатком известного аналога [9] является сложность конструкции его герметичного коробчатого корпуса, образованного плоскими прямоугольными пластинами, и, следовательно, низкая технологичность при изготовлении известного устройства. При этом при наличии плоских частей корпуса существенно снижается внутреннее рабочее давление электролита в электролизере, что сужает область его применения. Дополнительно, недостатком является использование только одних монополярных электродов без использования биполярных электродов, что сильно повышает требования к источнику постоянного тока электролизера.
Также известна конструкция вертикального расположенного электролизера по авторскому свидетельству СССР: SU 733521 A3 от 05.05.1980, МПК С25В 9/06, С25В 1/26, «Вертикальный бездиафрагменный биполярный электролизер» - [10]. Устройство [10] состоит из расположенного вертикального электролизера с коробчатым прямоугольным корпусом с одной верхней фланцевой крышкой и дном, с боковыми входным, расположенным внизу корпуса и выпускным, расположенным вверху корпуса патрубками для раствора электролита, а также расположенными внутри корпуса по высоте горизонтальными перегородками с отверстиями, на которых с обеих сторон укреплены одним своим концом пластины электродов. Крайние перегородки размещены от крышки и от дна на расстоянии, перегородки выполнены из неэлектропроводного материала, причем отверстия равноудалены от друг от друга, а другие концы электродов пропущены через отверстия последующей перегородки и закреплены на следующей по высоте перегородке.
Недостатком аналога [10], также как и аналога [9] является наличие коробчатого прямоугольного корпуса, образованного плоскими прямоугольными пластинами, и, следовательно, недостатком является низкая технологичность при его изготовлении, а также существенно снижается внутреннее рабочее давление электролита в электролизере, что сужает область его применения. Кроме того, прямоугольные корпуса аналогов [10], также как и аналога [9] выполнены из металла, что существенно снижает электрическую безопасность при эксплуатации таких электролизеров. Дополнительно, недостатком аналога [10] является сложность конструкции расположенных по его высоте разделяющих диэлектрических перегородок и для установки пластин электродов.
Прототипом заявленного технического решения является проточный электролизер по авторскому свидетельству СССР: SU 968102 А1 от 23.10.1982, МПК С25В 1/34 под названием «Биполярный фильтрпрессный электролизер для получения гипохлорита щелочного металла» - [11]. Проточный электролизер [11] содержит вертикальный цилиндрический корпус из электроизоляционного материала с нижним патрубком подвода раствора электролита и верхним патрубком отвода электролита, установленные внутри корпуса два боковых монополярных электрода одного потенциала и одного центрального монополярного электрода другого потенциала, с двух сторон центрального монополярного электрода между двумя монополярными электродами установлены по одинаковому количеству биполярных электродов с одинаковыми межэлектродными промежутками. Дополнительно по формуле изобретения прототипа [11] биполярный фильтрпрессный электролизер для получения гипохлорита щелочного металла включает два круглых концевых монополярных электрода, с размещенными между ними круглыми биполярными электродами, в которых выполнено по одному отверстию, расположенному диаметрально противоположно относительно отверстия другого электрода, изоляционные уплотнительные прокладки, стяжные плиты и токоподводы. Электролизер снабжен дополнительным центральным монополярным электродом с двумя токоподводами, выполненными в виде шпонок, размещенными диаметрально противоположно и с разных сторон относительно друг друга, причем полярность концевых монополярных электродов одинакова и противоположна полярности центрального многополярного электрода, при этом в изоляционных уплотнительных прокладках выполнены пазы, в которые помещены электроды. Электролизер может быть дополнительно снабжен изоляционными втулками, причем длина втулок превышает расстояние от центрального монополярного электрода до концевых монополярных электродов. Шпонки могут быть дополнительно снабжены нажимными уплотнительными гайками из изоляционного материала.
Недостатками прототипа [11] являются:
- то, что нижний и верхний электроды не изолированы снаружи электролизера, что существенно снижает электробезопасность эксплуатации такого устройства;
- то, что через выполненные в круглых пластинчатых электродах (по одному отверстию и расположенных друг напротив друга) электролит будет течь, омывая последние ограниченным по ширине потоком, не охватывая всю поверхность электродов (то есть происходит неравномерное протекание электролита по всей поверхности круглого электрода), что сильно снижает эффективность электролизера в целом, как следствие, приводит к образованию солевых отложений, и требует частой промывки кислотой;
- трудность (сложность) разборки и сборки самого электролизера такой сложной конструкции (при замене или обслуживании электродов), при которой возникает необходимость полного отсоединения электролизера от установки и дальнейшей полной разборки электролизера.
Указанные выше недостатки аналогов и прототипа ставят задачу создания простого по конструкции и технологии ее изготовления проточного электролизера, удобного и безопасного в эксплуатации с улучшенными эксплуатационными свойствами и удобном в техническом обслуживании для мобильной установки полной заводской готовности средней производительности для получения раствора гипохлорита натрия (ГПХН) с концентрацией по эквиваленту хлора 6-8 г/л.
Сущность заявленного технического решения состоит в том, что проточный электролизер содержит вертикальный цилиндрический корпус с нижним патрубком подвода раствора электролита и верхним патрубком отвода электролита, установленные внутри корпуса два боковых монополярных электрода одного потенциала и одного центрального монополярного электрода другого потенциала, с двух сторон центрального монополярного электрода между двумя монополярными электродами установлены по одинаковому количеству биполярных электродов с одинаковыми межэлектродными промежутками.
При этом вертикальный цилиндрический корпус снизу и сверху снабжен фланцами и закрыт крышками с центральными отверстиями, оборудованными соответственно патрубками подвода (снизу) и отвода (сверху) электролита,
внутри корпуса находятся монополярные и биполярные титановые и покрытые металлом (оксидом) группы Pt - платиноидами (например, рутением), электроды в виде прямоугольных пластин, установленных вертикально в съемном картридже, картридж образован скрепленными между собой в виде прямоугольника (в плане) четырьмя плоскими вертикальными стенками (с продольными пазами и выступами по их вертикальным краям для взаимной фиксации в прямоугольник (квадрат)), в двух из которых на их внутренних поверхностях выполнены вертикальные канавки для установки (фиксации) электродов,
в пространство между внешней боковой поверхностью картриджа и внутренней поверхностью корпуса установлены четыре сегментных вставки, препятствующие проходу электролита вне картриджа с электродами,
четыре сегментные вставки и картридж по своей высоте равны расстоянию между крышками, электроды установлены в средней части картриджа, а ниже и выше электродов установлены спрямляющие поток электролита на электроды идентичные направляющие пластины, причем установленные направляющие пластины со сторон нижней и верхней крышек имеют П-образные вырезы,
между нижней частью картриджа и нижней крышкой с патрубком подвода электролита в пространстве П-образных вырезов направляющих пластин установлен распределитель потока электролита в картридж,
при этом вертикальный цилиндрический корпус с фланцами, нижняя и верхняя крышки с патрубками, четыре плоских вертикальных стенки картриджа, четыре сегментных вставки, распределитель потока электролита, спрямляющие поток электролита на электроды идентичные направляющие пластины и все крепежные элементы, находящиеся внутри корпуса, выполнены из электроизоляционного и химически стойкого к электролиту материала (например, полиэтилена, полиамида и т.д.).
Распределитель потока электролита может быть выполнен в виде пластины, полностью перекрывающей центральное отверстие нижней крышки с патрубком подвода электролита, причем пластина распределителя потока неподвижно прикреплена крепежными элементами к нижней крышке с зазором, позволяющим протекание изменившего направление потока электролита.
Технический результат состоит в упрощения конструкции электролизера.
В то же время известна конструкция проточного электролизера по патенту на изобретение Великобритании: GB 2068016 (А) от 05.08.1981, МПК С25В 1/26, С25В 9/17, «Electrolytic production of sodium hypochlorite)) - [12]. Аналог [12] также содержит электролизер трубчатого типа (с цилиндрическим корпусом) с двумя крышками, которые крепятся при помощи фланцев.
Недостатки аналога [12] следующие:
а) корпус и фланцевые крышки электролизеров установки выполнены из металла, что существенно снижает электрическую безопасность при эксплуатации таких электролизеров;
б) корпус и фланцевые крышки электролизеров, выполненные из металла (если это не титан, что приводит к дороговизне), будут сильно коррозировать, что сильно снизит срок службы электролизера, а если их покрывать слоем защитного вещества (например, краски), то это дополнительные материальные затраты;
в) электролизеры имеют рабочее горизонтальное расположение, что обуславливает наличие дополнительных газовых штуцеров для удаления водорода из каждого электролизера (горизонтальное расположение и эксплуатация электролизеров приводит к скапливанию водорода в его верхней части и возникают трудности его отведения из электролизера);
г) сложность обеспечения равномерного течения электролита в межэлектродном пространстве электролизера, что приводит к неравномерному износу электродов и отложению на них солей;
д) сложная конструкция картриджа и его электродов.
Известна конструкция проточного электролизера по патенту на изобретение РФ: RU 2349682 С2 от 20.03.2009, МПК С25В 9/06, С25В 9/18, «Электролизная установка для получения гипохлорита натрия» - [13], содержащая размещенные в корпусе электролизеров по несколько электролитических ячеек, электродный модуль, состоящий из монополярных и биполярных пластинчатых электродов. Также содержит насос-дозатор 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 соединен с резервуаром для хранения полученного гипохлорита натрия, который снабжен патрубком выброса водорода в атмосферу и патрубком для 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. Количество монополярных и биполярных электродов во втором электролизере больше, чем в первом, а расстояние между электродами, соответственно, меньше.
А также известна конструкция проточного электролизера по авторскому свидетельству СССР: SU 1507871 А1 от 15.09.1989, МПК С25В 1/26, «Электролизер для получения гипохлорита натрия» - [14], содержащая корпус, концевые монополярные электроды с анодными и катодными элементами, соединенные между собой и стяжные шпильки. При этом электроды выполнены в виде гребенок, а стяжные шпильки размещены в месте соединения анодных и катодных элементов каждого гребенчатого биполярного электрода.
Недостатки аналогов [13] и [14] совпадают с недостатками в), г) и д) аналога [12], а именно, то, что электролизер работает в горизонтальном положении, при котором возникают трудности отведения водорода и трудности обеспечения равномерного течения электролита в межэлектродном пространстве электролизера, а также электролизер обладает сложной конструкцией картриджа для расположения в нем электродов.
Известная конструкция проточного электролизера по патенту на изобретение РФ: RU 2031980 С1 от 27.03.1995, МПК С25В 9/00, «Электролизная установка» - [15], содержит источник питания с полупроводниковыми выпрямительными приборами, проточный электролизер с одной или несколькими электролизными ячейками, корпус которого имеет подводящие и отводящие патрубки, а его наружные боковые стенки являются монополярными электродами, при этом полупроводниковые выпрямительные приборы присоединены к корпусу электролизера и расположены таким образом, что они охлаждаются воздухом, а также подаваемой в электролизер или циркулирующей в нем жидкой средой. При этом наружные и внутренние монополярные электроды, наружные электроды отрицательной или положительной полярности могут быть скреплены между собой токопроводящими крепежными болтами или шпильками, а внутренние монополярные электроды подсоединены к одному или нескольким токоподводящим выводам, которые расположены снаружи корпуса электролизера или в герметизированном сквозном отверстии, выполненном в одной из стенок электронепроводящей межэлектродной вставки.
Недостатками проточного электролизера по аналогу [15] являются то, что левый и правый его монополярные электроды не изолированы снаружи электролизера, что существенно снижает электробезопасность эксплуатации такого устройства. Кроме того, представленная в графических материалах аналога [15] конструкция проточного электролизера обладает сложностью его разборки и сборки, при замене или обслуживании электродов.
Ограничительные признаки настоящей заявленной формулы полезной модели описывают общеизвестную конструкцию проточного электролизера в общих совместных признаках прототипа и заявленного устройства.
Отличительные признаки формулы независимого пункта полезной модели решают поставленную задачу упрощения конструкции электролизера ввиду того, что:
Задача упрощения конструкции электролизера решается тем, что конструкция заявленного электролизера включает в себя детали простой геометрической формы из доступных и дешевых материалов, например, полиэтилена и/или полиамида, которые контактируют с раствором электролита, и тем самым не требуется дополнительная защита этих деталей от химического и электрохимического вредного воздействия растворов гипохлорита натрия (NaOCl) и поваренной соли (NaCl). При этом из упрощения конструкции заявленного устройства непосредственно следует и повышение технологичности ее изготовления, ввиду того, что простые детали конструкции устройства проще и технологичнее изготавливать.
В виду того, что конструкция заявленного электролизера выполнена из простых конструктивных электроизоляционных материалов, (например, полиэтилена и/или полиамида), то все наружные части заявленного электролизера электроизолированы - не находятся под электрическим напряжением, и, следовательно, не представляют опасности для обслуживающего персонала, что дополнительно приводит к повышению эксплуатационной безопасности заявленного электролизера.
В виду того, что в простой конструкции заявленного электролизера электроды из прямоугольных титановых пластин, покрытые рутением установлены с равными между собой зазорами и равномерно обтекаются потоком электролита, что гарантирует их равномерный износ (выход из строя) и минимизирует образование солевых отложений на поверхности электродов, что дополнительно улучшает эксплуатационные свойства электролизера. При этом образующийся при электролизе водород подымается вверх вместе с потоком раствора электролита и поступает в емкость для электролита, откуда он выбрасывается в окружающую среду, например, при помощи продувки емкости для электролита воздухом.
В виду того, что все электроды одинаковы (идентичны) и собраны в один разборный картридж, который легко извлекается из электролизера при снятии одной верхней крышки, дополнительно улучшается удобство обслуживания по замене электродов электролизера.
Отличительные признаки зависимого пункта полезной модели также обеспечивают решение заявленного технического результата, а именно упрощения конструкции, так распределитель потока электролита выполнен в виде пластины, и дополнительно повышают удобство по обслуживанию по замене электродов электролизера, так как не требуется демонтаж распределителя потока электролита при замене электродов.
Сущность заявленного технического решения дополнительно поясняется графическими материалами:
На фиг. 1 представлен продольный вертикальный разрез (Б-Б) заявленного технического решения.
На фиг. 2 - выноска А по фиг. 1 с увеличенным изображением нижней крышки с патрубком подвода электролита и распределителем потока электролита.
На фиг. 3 - вид сверху на электролизер в сборе - на его верхнюю крышку.
На фиг. 4 - чертеж электролизера, вид сбоку с указанием его разрезов (Б-Б и В-В).
На фиг. 5 - вид сверху на электролизер со снятой верхней крышкой.
На фиг. 6 - вид сверху на пустой картридж - без установленных электродов и направляющих пластин.
На фиг. 7 - вид сбоку на картридж электролизера, где 7 а) - вид со стороны стенки с вертикальными канавками для установки электродов и 7 б) - вид со стороны стенки без вертикальных канавок.
На фиг. 8 - вертикальный разрез электролизера Г-Г (по фиг. 5) без нижней и верхней крышек.
На фиг. 9 - чертеж 3-Д модели заявленного проточного электролизера.
На фиг. 10 - схема подключения заявленного электролизера в установку для получения раствора ГПХН, как пример развития схемы подключения по аналогу [1].
На фиг. 11 - фотография изготовленного электролизера, установленного на основание, - вид сбоку и сверху.
На фиг. 12 - фотография изготовленного электролизера, установленного на основание над циркуляционным насосом, - вид сбоку.
На фиг. 1-9 графических материалов позициями обозначены:
1 - цилиндрический корпус, в виде отрезка трубы; 2 и 3 - соответственно нижний и верхний фланцы, присоединенные (приваренные) к торцам трубчатого корпуса (1); 4 и 5 - соответственно нижняя и верхняя крышки электролизера; 6 и 7 - соответственно нижний и верхний патрубки подвода и отвода электролита; 8 и 9 - соответственно нижнее и верхнее крепежные кольца для соединения фланцев (2) и (3) с крышками (4) и (5); 10 и 11 - одинаковые плоские стенки с вертикальными канавками (14); 12 и 13 - одинаковые плоские стенки для соединения со стенками (10) и (11) для образования картриджа; 14 - вертикальные канавки, выполненные в стенках (10) и (11) для установки в них электродов (15); 15 - прямоугольные пластины монополярных и биполярных титановых и покрытых рутением электродов; 16 - направляющие пластины, спрямляющие поток электролита на пластины (15) электродов; 17 - токоввод центрального монополярного электрода (15); 18 - электрическая коробка токоввода (17) центрального монополярного электрода (15); 19 - два токоввода крайних монополярных электродов (15); 20 - две электрические коробки токовводов (19) двух крайних монополярных электродов (15); 21, 22, 23 и 24 - сегментные вставки, препятствующие проходу электролита вне картриджа с электродами (15); 25 - пластина распределителя потока электролита в картридж.
Кроме того, в графических материалах на фиг. 11 введены сокращения Эк. 1 - Эк. 3, обозначающие электрические кабели, соединяющие элементы распределительного щита (38) ручного управления (или щита автоматизированного управления) с соответствующими элементами функциональной схемы установки для получения ГПХН - для демонстрации подключения заявленного проточного электролизера и его работы. Обозначения на фигурах 10, 11 и 12 следующие: 26 - заявленный электролизер в сборе; 27 - жидкостный насос для электролита; 28 - емкость, которая может быть выполнена герметичной, например, со съемной крышкой; 29 и 30 - входной и выходной запорные вентили насоса (27); 31 и 32 - запорные вентили соответственно для взятия проб электролита перед электролизером (26) и после него; 33 - запорный вентиль для слива готового раствора ГПХН; 34 - запорный вентиль для подачи в емкость (28) раствора NaCl и/или воды; 35 и 36 - соответственно входная и выходная воздушные магистрали емкости (28) для ее продувки от водорода; 37 - воздуходувка (напорный вентилятор) для удаления в атмосферу образующегося в процессе электролиза водорода, перенесенного потоком электролита в емкость (28); 38 - электрический силовой щит для питания установки; 39 - электрический распределительный щит с ручным управлением или с системой автоматизированного управления; 40 - источник питания электролизера (26); 41 - газоанализатор водорода; 42 - сенсор (чувствительный датчик) газоанализатора водорода.
Проточный электролизер (фиг. 1) содержит вертикальный цилиндрический корпус (1), снизу и сверху снабженный фланцами (2) и (3) и закрыт соответственно крышками (4) и (5) с центральными отверстиями, оборудованными соответственно патрубками снизу подвода (6) и сверху отвода (7) электролита. Крышки (4) и (5) прикреплены к фланцам (2) и (3) через герметизирующие прокладки разъемными болтовыми соединениями (на фигурах позициями не обозначены). При этом, соответственно нижний (2) и верхний (3) фланцы дополнительно снабжены крепежными кольцами (8) и (9), которые могут быть выполнены из любого материала, например, из стали (нержавеющей), и решают задачу надежного крепления крышек, при небольших по диаметру фланцах (2) и (3). Внутри цилиндрического корпуса (1) установлен картридж, образованный скрепленными между собой в виде прямоугольника (в плане - вид сверху) четырьмя плоскими вертикальными попарно одинаковыми стенками (10), (11) и (12), (13) - представленных на фиг. 6 и фиг. 7. При этом соответственно стенки (10) и (11) стенки по вертикали на своей внутренней поверхности имеют канавки (14), а также продольными пазы для соединения с выступами стенок (12), (13) без канавок (14), для взаимной фиксации в прямоугольник (квадрат) при помощи винтов, которые, как и вертикальные пазы и выступы на фигурах не пронумерованы. В центральной части по высоте канавок (14) пластин (10) и (11) установлены прямоугольные пластины (15) монополярных и биполярных титановых и покрытых рутением электродов. Выше и ниже пластин (15) электродов установлены спрямляющие поток электролита на электроды идентичные направляющие пластины (16), таким образом, что имеющиеся в них П-образные вырезы соответственно обращены к крышам (4) и (5). Две крайние одной полярности и одна средняя другой полярности пластины (15) электродов являются монополярными электродами, а все другие равномерно расположенные между ними пластины (15) электродов являются биполярными электродами. В пространство между внешней боковой (прямоугольной в плане) поверхностью картриджа (образованного стенками плоскими вертикальными попарно одинаковыми стенками (10), (11) и (12), (13)) и внутренней поверхностью (круглой в плане) корпуса (1) установлены четыре сегментные вставки (21), (22) и (23), (24), которые препятствуют проходу электролита вне картриджа с пластинами (15) электродов. Причем сегментные вставки попарно одинаковые (21), (22) и (23), (24) в случае выполнения картриджа прямоугольным в поперечном сечении или сегментные вставки (21), (22), (23), (24) все одинаковые в случае выполнения картриджа в сечении (в плане) в виде квадрата. Четыре сегментные вставки (21), (22), (23), (24) и стенки картриджа (10), (11), (12), (13) по своей высоте равны расстоянию между крышками (4) и (5) - фиг. 8. Пластины (15) электродов установлены в средней части картриджа (фиг. 1 и фиг. 8), а ниже и выше электродов установлены спрямляющие поток электролита на электроды идентичные направляющие пластины (16), причем установленные направляющие пластины (16) со сторон нижней (4) и верхней (5) крышек имеют П-образные вырезы. Между нижней частью картриджа и нижней крышкой с патрубком подвода электролита в пространстве П-образных вырезов нижних направляющих пластин (16), размещенных под пластинами (15) электродов, установлен распределитель потока электролита в картридж, который может быть выполнен, например, в виде плоской пластины (25). Плоская пластина (25) полностью перекрывает центральное отверстие нижней крышки (4) с патрубком (6) подвода электролита, при этом пластина (25) распределителя потока неподвижно прикреплена крепежными элементами к нижней крышке (6) с зазором, позволяющим протекание изменившего направление потока электролита. Вертикальный цилиндрический корпус (1) с фланцами (2) и (3), нижняя (4) и верхняя (5) крышки с патрубками (6) и (7), четыре плоских вертикальных стенки картриджа (10), (11), (12), (13), четыре сегментных вставки (21), (22), (23), (24), распределитель (25) потока электролита, спрямляющие поток электролита на электроды идентичные направляющие пластины (16) и все крепежные элементы (которые на фигурах не пронумерованы), находящиеся внутри корпуса (1), выполнены из электроизоляционного и химически стойкого к электролиту материала, например, полиэтилена, полиамида и т.д. На представленном - фиг. 9 чертеже 3-Д модели проточного электролизера на его нижнем крепежном кольце (8) крышки (4) имеются сквозные отверстия (на фигуре не пронумерованы), которые необходимы для вертикального крепления электролизера на рамном основании, как представлено на фиг. 11 и фиг. 12 - фотографиях изготовленного электролизера, установленного на рамное основание.
На фигуре 11 приведена схема подключения заявленного электролизера в установку для получения раствора ГПХН, как пример развития схемы подключения по аналогу [1] и которая объясняет принцип работы заявленного технического решения. Электролизер (26) в сборе, приставленный на фиг. 11 схематично, закольцован трубопроводами через жидкостный насос (27) электролита с емкостью (28), в которой первоначально приготовлен раствор поваренной соли (NaCl), который в процессе работы в проточном электролизере превращают в раствор ГПХН (NaOCl). Насос (27) в свою очередь подключен через запорные вентили (29) и (30), установленные соответственно на его входе и выходе. А сам электролизер (26) перед входным штуцером (6) и после выходного штуцера (7) оборудован патрубками с запорными вентилями (31) и (32) соответственно для взятия проб электролита перед электролизером (26) и после него. Емкость (28), в свою очередь, оборудована патрубком с запорным вентилем (33) для слива готового раствора ГПХН, патрубком с запорным вентилем (34) для подачи в емкость (28) раствора NaCl и/или воды, а также воздушными входной (35) и выходной (36) магистралью продувки емкости (28) воздухом от воздуходувки (37) для удаления в атмосферу образующегося в процессе электролиза водорода, например, через противодождевой козырек. При этом емкость (28) может быть выполнена герметичной, например, со съемной крышкой. Установка для получения раствора ГПХН также должна содержать электрический силовой щит (38), распределительный щит (39) с системой управления или без нее, и для электролизера (26) источник питания (40), которым может быть силовой выпрямитель, а также обязательно оборудована газоанализатором водорода (41) с датчиком (42) водорода.
Основные характеристики заявленного электролизера
Работает заявленный проточный электролизер для получения ГПХН следующим образом. Через подключенный в установку (по фиг. 11) для получения ГПХН электролизер (26) при помощи циркуляционного электронасоса (27) из емкости (28) начинают прокачивать раствор электролита (раствор NaCl), после чего включают электрическое питание электролизера (26). При этом начинает происходить процесс наработки ГПХН, при котором в водяном растворе NaCl получают раствор NaOCl. Источник питания (40) обеспечивает электроэнергией процесс электролиза при постоянном токе 100 А и напряжением до 130 В. Напряжение между рабочими электродами (15) проточного электролизера (26), как было установлено практическим путем, может изменяться от 102 до 87 В в зависимости от концентрации гипохлорита натрия в системе. В процессе электролиза солевого раствора и получения ГПХН в проточном электролизере (26) вода разлагается на кислород и водород. Кислород окисляет соль, образует ГПХН. Чистый водород вместе с раствором ГПХН поступает в емкость (28), перемешивается с воздухом, поступающим из воздуходувки (37) - «напорного вентилятора» и удаляется по магистрали (36) в атмосферу за пределы установки. Процесс происходит до тех пор, пока концентрация ГПХН по активному хлору не достигнет требуемой величины 6-8 грамм/литр по активному хлору. Обеспечение требуемой концентрации гипохлорита натрия обеспечивается рециркуляцией раствора соли через электролизер при его работе. Продолжительность цикла рециркуляции с наработкой ГПХН определяется по технологической карте установки. Далее выключают от электрического питания электролизер (26) и останавливают электронасос (27), после чего через запорный вентиль (33) выдают (сливают) готовый раствор ГПХН потребителю.
При появлении в атмосфере возле установки с электролизером (26) водорода срабатывает двухуровневый газоанализатор водорода (41) с датчиком (42) водорода, например, газоанализатор водорода серии ИГС-98. При достижении первого порога концентрации водорода выдается звуковой и световой сигнал оператору установки, а при достижении второго уровня дополнительно выдается управляющий сигнал в распределительный щит (39) на прекращение работы установки.
Заявленное устройство решает поставленные задачи создания простого по конструкции и технологии ее изготовления проточного электролизера, удобного и безопасного в эксплуатации с улучшенными эксплуатационными свойствами и удобном в техническом обслуживании. Электролизер может быть использован, как на стационарной, так и на мобильной установке средней производительности для получения раствора ГПХН с концентрацией по эквиваленту хлора 6-8 г/л.
Кроме того, из выше приведенного следуют дополнительные достоинства заявленного технического устройства:
- образующийся в процессе электролиза водород выходит из электролизера вместе с потоком электролита через верхний патрубок, что исключает скапливание водорода в устройстве и гарантирует его пожаро- и взрывобезопасность;
- применение в конструкции заявленного устройства деталей простой геометрической формы из доступных и дешевых материалов сильно упрощает технологические процессы его изготовления, что удешевляет производство электролизера;
- применение в конструкции заявленного устройства деталей из электроизоляционного и химически стойкого к электролиту материала, таких как полиэтилен, полиамид и т.д., сильно продлевают ресурс электролизера, а также обеспечивают электрическую изоляцию его наружных частей от электрического напряжения, что повышает эксплуатационную безопасность электролизера.
Исходя из вышеизложенного, заявленное устройство под названием «проточный электролизер» обладает всеми критериями полезной модели, так как совокупность ограничительных и отличительных признаков формулы полезной модели является новым (такая совокупность неизвестна на данном уровне развития техники) для таких установок, и, следовательно, соответствует критерию "новизна".
«Проточный электролизер» изготовлен, испытан и его широкое внедрение не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".
Заявленный «проточный электролизер» можно использовать в установках полной заводской готовности, которые в свою очередь могут применяться в зонах природных катаклизмов, военных конфликтов, а также для систем водоснабжения небольших и средних населенных пунктов при периодической наработке, хранению и выдачи потребителю раствора ГПХН для обеззараживания воды в системах водоснабжения и водоотведения.
Литература
1. Авторское свидетельство СССР: SU 783363 А1 от 30.11.1980, МПК С25В 1/26, С25В 9/00, «Установка для получения раствора соли кислородной кислоты хлора».
2. Патент на изобретение РФ: RU 2100483 С1 от 27.12.1997, МПК С25В 1/34, С25В 9/00, «Способ обработки воды гипохлоритом натрия и проточный электролизер для получения гипохлорита натрия».
3. Патент на полезную модель РФ: RU 126695 U1 от 10.04.2013, МПК С01В 11/06, «Установка для получения гипохлорита натрия».
4. Патент на изобретение РФ: RU 2139956 С1 от 20.10.1999, МПК С25В 1/26, С01В 11/06, «Установка для получения растворов гипохлоритов электролизом».
5. Авторское свидетельство СССР: SU 1793008 А1 от 07.02.1993, МПК С25В 9/00, «Электролизер для получения гипохлорита натрия».
6. Авторское свидетельство СССР: SU 429020 А1 от 25.05.1974, МПК С25В 1/26, С25В 11/02, «Биполярный электролизер для получения раствора гипохлорита щелочного металла».
7. Патент на изобретение РФ: RU 2199610 С2 от 27.02.2003, МПК С25В 1/00, С25В 9/20, «Устройство для электролиза».
8. Патент на изобретение Германии: DE 2919527 А1 от 20.11.1980, МПК С25В 1/26, С25В 9/18, «Production of hypochlorite by electrolysis of sea water».
9. Патент на изобретение Великобритании: GB 1411928 (А) от 29.10.1975, МПК C02F 1/467, С25В 1/26, С25В 9/00, «Production of hypochlorite by electrolysis of sea water».
10. Авторское свидетельство СССР: SU 733521 A3 от 05.05.1980, МПК С25В 9/06, С25В 1/26, «Вертикальный бездиафрагменный биполярный электролизер».
11. Авторское свидетельство СССР: SU 968102 А1 от 23.10.1982, МПК С25В 1/34, «Биполярный фильтрпрессный электролизер для получения гипохлорита щелочного металла» - прототип.
12. Патент на изобретение Великобритании: GB 2068016 (А) от 05.08.1981, МПК С25В 1/26, С25В 9/17, «Electrolytic production of sodium hypochlorite».
13. Патент на изобретение РФ: RU 2349682 С2 от 20.03.2009, МПК С25В 9/06, С25В 9/18, «Электролизная установка для получения гипохлорита натрия».
14. Авторское свидетельство СССР: SU 1507871 А1 от 15.09.1989, МПК С25В 1/26, «Электролизер для получения гипохлорита натрия».
15. Патент на изобретение РФ: RU 2031980 С1 от 27.03.1995, МПК С25В 9/00, «Электролизная установка».