ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР
ELECTROCHEMICAL REACTOR

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к устройствам для электрохимической обработки растворов, и может быть использовано в процессах электрохимического получения химических продуктов путем электролиза водных растворов, в частности к технологии получения хлора и хлорсодержащих окислителей для обеззараживания воды хозяйственно-питьевого водоснабжения, бытовых и промышленных сточных вод.
В современной промышленности перспективными являются модульные электролизеры, обеспечивающие достижение требуемой производительности путем соединения необходимого числа электрохимических модульных ячеек, что позволяет сократить затраты на проектирование и производство электролизеров и унифицировать детали и узлы, что имеет значение для сокращения времени монтажа и ремонта электролизеров.
Известен электрохимический реактор, применяемый в установке для электролитической обработки воды (RU 2078737, опубл. 10.05.1997) [1]. Реактор содержит несколько компактных диафрагменных электрохимических ячеек, представляющих собой проточные электрохимические модули. Каждый из модулей выполнен из вертикальных коаксиально установленных цилиндрического и стержневого электродов, керамической диафрагмы, которая разделяет межэлектродное пространство на электродные камеры. Известный реактор имеет предел производительности, так как соединение в нем более четырех модулей приводит к возникновению значительных различий в гидравлических сопротивлениях отдельных модульных ячеек и, как следствие, к неравномерности в работе отдельных модулей.
Прототипом заявленного решения является электрохимический реактор, используемый в установке для получения продуктов анодного окисления раствора хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов (RU 2516150, опубл. 27.12.2013 [2]. Реактор выполнен из одной или более проточных электрохимических модульных ячеек, снабженных общим корпусом, в котором размещены один или несколько вертикальных катодов и три или более противоэлектродов - анодов. Коаксиально каждому катоду установлена диафрагма, а аноды расположены в пространстве между наружными поверхностями диафрагм и внутренними стенками корпуса вокруг катода с диафрагмой с образованием электродных пар типа «катод-анод» и равноудалены от катода. Катоды в ячейках реактора выполнены стержневыми из металла или графита, или трубчатыми, аноды - стержневыми, трубчатыми или проволочными.
В конструкции известного реактора с катодом и анодами круглого сечения межэлектродное расстояние создается по образующим цилиндров, а потому является неодинаковым для каждой точки поверхности электродов, в результате чего между электродами будет протекать ток разной величины, а плотность тока будет распределяться по поверхности электродов неравномерно. В зоне повышенных плотностей тока будет максимальный износ рабочей поверхности электродов, что ограничит общую величину тока и, следовательно, производительность реактора. Кроме того, электрод круглого сечения имеет минимальную площадь поверхности. При ограничении допустимой плотности тока малая площадь поверхности электрода ограничивает производительность реактора. В результате непостоянной нагрузки на электроды реактора его эксплуатация потребует повышенных расходов энергии, что снижает надежность и производительность реактора.
Задача настоящего изобретения заключается в повышении производительности реактора при одновременном повышении его надежности, а также в снижении расхода энергии на проведение процесса.
Для решения поставленной задачи предлагается электрохимический реактор, выполненный из одной или более помещенных в корпус проточных электрохимических модульных ячеек, каждая из которых содержит вертикально расположенные катод, установленный в центре корпуса, смонтированную вокруг него керамическую диафрагму, равноудаленные от катода противоэлектроды - аноды, расположенные вокруг катода с диафрагмой с образованием электродных пар типа «катод-анод», при этом реактор содержит катод, имеющий в сечении равносторонний многогранник с количеством сторон от 3 до 12, а противоэлектроды выполнены в виде тел, каждое из которых имеет плоскость, параллельную той грани катода, которая образует с этой плоскостью электродную пару типа «катод-анод».
В частном случае исполнения реактора противоэлектроды могут быть выполнены в виде пластин или в виде тел, имеющих в сечении многогранник, или в виде других тел, имеющих плоскость, параллельную той грани основного электрода, которая образует с этой плоскостью электродную пару типа «катод-анод».
В заявленном реакторе электродные пары типа «катод-анод» взаимодействуют между собой по параллельным плоскостям, одна из которых принадлежит катоду, а другая - аноду. В этом случае межэлектродное расстояние для каждой точки поверхности электродов будет одинаковым, в результате чего между электродами будет протекать ток одинаковой величины, а плотность тока будет распределяться по поверхности электродов равномерно. Образованные таким образом элементарные электродные пары обеспечивают максимальную плотность тока на площади большей, чем на образующей при круглом сечении электродов, в результате рабочий ток, получаемый в заявленном реакторе, будет иметь большую величину. Соответственно производительность заявленного реактора будет выше при одновременном повышении его надежности, удельный расход энергии на проведение процесса ниже.
Кроме того, заявленное исполнение и расположение электродных пар типа «катод-анод» сохраняет возможность варьировать производительность по продуктам анодного окисления за счет увеличения объема анодной камеры и увеличения количества окруженных анодами катодов с диафрагмой. При этом достигается сокращение объема продуктов катодной обработки, что позволяет сократить выход щелочного раствора, повысив его концентрацию, и исключить расходы, связанные с его утилизацией. При этом минимальное количество сторон многогранника в сечении катода обусловлено геометрически, а многогранник с количеством сторон более 12 может привести к значительному увеличению внутреннего угла между гранями, тогда электрод начнет работать как круглый.
В зависимости от условий решаемой задачи аноды могут располагаться как максимально близко к наружной поверхности диафрагмы, так и на некотором расстоянии от нее, ограничиваясь внутренним размером стенки корпуса. Если реактор содержит один катод, то конструктивно пространство катодной камеры между внутренней поверхностью диафрагмы и поверхностью катода соединяется со средствами отвода продуктов из катодной камеры, а если реактор содержит несколько катодов, то для отвода продуктов катодной камеры эти пространства должны быть объединены общим приспособлением для вывода продуктов. Такое объединение может быть выполнено различным, в зависимости от конструктивного выполнения узлов крепления электродов и диафрагмы. Это может быть соединение с помощью гибких трубопроводов или, например, единого коллектора. Для подачи исходного раствора в анодную камеру требуется один ввод и для отвода продуктов обработки требуется один вывод независимо от количества ячеек. Таким образом, конструкция заявленного реактора проще, чем конструкция известного реактора с круглыми электродами,и обладает большей производительностью.
Изобретение поясняется фигурами, где на фиг. 1 схематически изображен горизонтальный разрез электрохимического реактора - прототипа, на фиг. 2 - горизонтальный разрез заявляемого электрохимического реактора, на фиг. 3 - вертикальный разрез заявляемого электрохимического реактора.
Заявленный реактор содержит корпус 1, выполненный из диэлектрического материала, который имеет верхнюю крышку 2 и нижнюю крышку 3, которые выполнены также из диэлектрического материала. На крышке 2 выполнен патрубок 4 для отвода продуктов анодной обработки. На крышке 3 закреплены аноды 5. Катод 6 имеет выход через крышки 2 и 3 и крепится с помощью резьбы. Диафрагма 7 через уплотнительные кольца герметично закреплена в крышках 2 и 3. Для подвода продуктов обработки к анодной камере предусмотрен патрубок 8, а для отвода и подвода к катодной камере - патрубки 9 и 10. Для подвода отрицательного потенциала служит клемма 11, а положительного - клемма 12, обе клеммы через проводники соединяются с источником тока.
Реактор работает следующим образом. В корпус 1 через патрубок 8 насосом или самотеком, со скоростью, обеспечивающей постоянство заданного уровня анолита в анодной камере, подается продукт, требующий анодной обработки, например раствор хлорида натрия. В катодную камеру с регулируемой скоростью протока через патрубок 9 подается электропроводящий раствор, например водопроводная вода. После подачи напряжения на электроды в анодной камере образуется анолит, на поверхности анодов 5 может идти выделение электролизных газов, например хлора. Из верхней части анодной камеры через патрубок 4 в крышке 2 отбираются продукты анодной обработки. Образующийся католит в катодной камере через патрубок 10 сбрасывается в канализацию или накапливается как щелочной реагент.
Для сравнительного эксперимента было собрано два реактора: реактор по прототипу и заявляемый, каждый из которых содержал один катод и 4 анода. Корпус реакторов выполнен из трубы ХПВХ, с внутренним диаметром 200 мм. В центре корпусов установлен катод. В реакторе-прототипе катод был выполнен из трубы 12Х18Н10Т диаметром 16 мм и длиной рабочей части 300 мм, в заявляемом реакторе - из стальной квадратной трубы 12Х18Н10Т, сторона квадрата 16 мм и длиной рабочей части 300 мм. В каждом реакторе катод окружен диафрагмой толщиной 2,5 мм, с внутренним диаметром 24 мм, выполненной из оксидной керамики. Аноды расположены вокруг основного катода с диафрагмой с образованием сопрягаемых пар типа «катод-анод». Аноды в реакторе-прототипе выполнены из трубы ВТ 1-00 диаметром 16 мм, длиной рабочей части 300 мм и располагались в вершинах квадрата, вписанного в окружность радиусом 28 мм. Аноды в заявляемом реакторе были выполнены в виде пластины 25×300 из титанового листа толщиной 1,5 мм марки ВТ 1-00 и располагались строго параллельно плоскостям профильного катода таким образом, чтобы межэлектродное расстояние составило 12 мм. На поверхность анодов в обоих реакторах было нанесено электрокаталитическое покрытие ОРТА. В каждом из реакторов на поверхности катода, по всей его высоте между входными и выходными отверстиями расположено по 12 отверстий с шагом 30 мм по винтовой линии.
2
Для проведения испытаний реакторы поочередно подключались к установке, содержащей приспособления для подачи обрабатываемого раствора в катодные и анодные камеры реактора, приспособления для отвода продуктов электролиза из анодной и катодной камер реактора. Реакторы испытывали на получение хлора. Для этого в анодную камеру подавался раствор хлорида натрия концентрацией 260 г/л, в катодную - водопроводная вода. Перепад давления между камерами составлял 2,2 кгс/см. На электроды подавалось напряжение 2,5 В и после выхода на рабочий режим замерялся ток и количество выделившегося хлора. В реакторе-прототипе рабочий ток составил 95А, при этом токе из верхней части анодной камеры отбирался хлор в количестве 120 г/ч. Расход энергии составил 1979 Вт×ч на 1 кг хлора. В заявляемом реакторе рабочий ток составил 104 А, при этом токе количество выделившегося хлора составило 140 г/ч. Расход энергии составил 1857 Вт×ч на 1 кг хлора. Как видно из представленных данных, реактор согласно изобретению имеет более высокую производительность, более низкий расход энергии.
Таким образом, заявленное изобретение позволяет повысить производительности реактора при одновременном повышении надежности, снизить расхода энергии на проведение процесса.