УСТАНОВКА КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ЩЕЛОЧНОГО ЭЛЕКТРОЛИТА

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для электродиализного концентрирования разбавленного щелочного аккумуляторного электролита. Кроме того, полезная модель может быть использована в других отраслях химической промышленности для концентрирования растворов гидроокисей щелочных металлов.
При ионообменной регенерации щелочного аккумуляторного электролита исходная щелочь разбавляется в 8÷10 раз. Актуальной производственной проблемой последующего использования разбавленной, очищенной от карбонат-ионов щелочи является ее концентрирование с содержанием щелочи в концентрате 200÷220 г/л.
Известны различные конструкции выпарного типа для концентрирования растворов путем испарения (Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1971.). Недостатком известных установок являются значительные удельные энергозатраты и сложность конструкции.
Известна установка для получения тампонажных рассолов из природных минерализованных вод, состоящая из дегазатора, аэратора, фильтра обезжелезивания воды, электродиализатора, накопителей рассола и опресненной воды, выпарного аппарата, насоса (Патент RU №2157347). В установке реализуется одноступенчатое электродиализное концентрирование минерализованных вод с предварительным их обезжелезиванием и последующим упариванием полученного концентрата. К недостаткам установки следует отнести отсутствие оснащения средствами автоматического управления и контроля.
Известна установка концентрирования щелочного аккумуляторного электролита, содержащая бак для исходной разбавленной щелочи, двухступенчатый электрохимический концентратор, состоящий из двух последовательно соединенных электродиализаторов первой и второй ступеней концентрирования, бак для сбора концентрированной щелочи (Патент RU №2173920). В установке предложена непрерывная одновременная работа электродиализаторов первой и второй ступеней концентрирования, что в реальных производственных условиях не всегда осуществимо. Недостатком установки является необходимость одновременного запуска электродиализаторов первой и второй ступеней концентрирования щелочи, отсутствие
требуемых средств автоматического контроля и управления технологическими операциями и, как следствие, сложность ее эксплуатации. Данная установка выбрана за прототип.
Таким образом, задачей полезной модели является разработка более надежной в эксплуатации, простой в обслуживании, полуавтоматизированной установки концентрирования щелочного электролита.
Технический результат, достигаемый в полезной модели, заключается в оснащении установки дополнительным оборудованием и средствами автоматического контроля и управления технологическими процессами, что значительно упрощает обслуживание установки и снижает эксплуатационные затраты.
Предлагаемая установка концентрирования щелочного электролита содержит, как и прототип, соединенные трубопроводами бак для исходной разбавленной щелочи, химический насос, электрохимический концентратор, состоящий из двух электродиализаторов первой и второй ступеней концентрирования и бак для сбора концентрированной щелочи.
В отличие от прототипа, установка дополнительно снабжена промежуточным баком, химическим насосом второй ступени концентрирования, расположенным после промежуточного бака и двумя теплообменными устройствами, установленными на входе в электродиализаторы каждой ступени концентрирования для снижения температуры щелочи.
Для регулирования потоков щелочи через электродиализаторы первой и второй ступеней баки для исходной разбавленной щелочи и промежуточный снабжены байпасными устройствами, а трубопроводы на входе и выходе электродиализаторов снабжены счетчиками-расходомерами для контроля расхода щелочи на каждой ступени концентрирования.
Кроме того, датчиками нижнего уровня оснащены баки для исходной разбавленной щелочи и промежуточный, датчиками верхнего уровня оснащены баки для сбора концентрированной щелочи и промежуточный, что позволяет регистрировать моменты наполнения или опорожнения этих баков с последующим отключением химических насосов и электропитания электродиализаторов обеих ступеней концентрирования щелочи.
С целью предотвращения выхода ионообменных мембран из строя при перегреве электродиализаторов последние снабжены тепловыми датчиками для отключения электропитания установки при достижении критического значения температуры щелочи в электродиализаторах.
На фиг.1 изображена схема установки концентрирования щелочного электролита.
Установка состоит из:
- бака для исходной разбавленной щелочи 1, снабженного байпасным устройством 2 и датчиком нижнего уровня 3, и соединенного через химический насос 4, теплообменник 5 и счетчик-расходомер 6 с электродиализатором 7 первой ступени концентрирования, снабженным тепловым датчиком 8 и счетчиком-расходомером 9, расположенным на выходном трубопроводе из камер концентрирования электродиализатора 7;
- бака промежуточного 10, снабженного байпасным устройством 11 и датчиками верхнего 12 и нижнего 13 уровня, и соединенного через химический насос 14, теплообменник 15 и счетчик-расходомер 16 с электродиализатором 17 второй ступени концентрирования, снабженным тепловым датчиком 18 и счетчиком-расходомером 19, расположенным на выходном трубопроводе из камер концентрирования электродиализатора 17;
- бака для сбора концентрированной щелочи 20, снабженного датчиком нижнего уровня 21;
Электропитание электродиализаторов 7 и 17 осуществляется источниками постоянного тока 22 и 23 соответственно.
Функциональное назначение и порядок работы технических элементов установки при реализации основных технологических операций рассмотрены ниже.
1. Первая ступень концентрирования щелочи.
Разбавленная, очищенная от карбонат-ионов, щелочь поступает в бак для исходной разбавленной щелочи 1, откуда насосом 4 через теплообменное устройство 5, служащее для понижения температуры щелочи, подается на электродиализатор 7 первой ступени концентрирования. Расход щелочи на входе в электродиализатор 7 первой ступени концентрирования регулируется байпасным устройством 2 и регистрируется счетчиком-расходомером 6. Разделение потоков деминерализованного и концентрированного растворов на выходе из электродиализатора 7 первой ступени концентрирования регистрируется счетчиком-расходомером 9. Среднеконцентрированная щелочь поступает в промежуточный бак 10, а высокоразбавленная щелочь подается на установку регенерации для разведения концентрированной карбонизированной щелочи с последующей ее очисткой от карбонат-ионов. При опорожнении бака для исходной разбавленной щелочи 1 срабатывает датчик нижнего уровня 3, отключая насос 4 и источник электропитания 22. С увеличением температуры раствора щелочи выше предельно допустимой срабатывает тепловой датчик 8 электродиализатора 7 первой
ступени концентрирования, отключая источник электропитания 22. В случае переполнения промежуточного бака 10 срабатывает датчик верхнего уровня 12, отключая насос 4 и источник электропитания 22. При отключении насоса 4 и источника электропитания 22 срабатывает световая и звуковая сигнализация.
2. Вторая ступень концентрирования щелочи.
Среднеконцентрированная щелочь из промежуточного бака 10 насосом 14 через теплообменное устройство 15, служащее для понижения температуры щелочи, подается на электродиализатор 17 второй ступени концентрирования. Расход щелочи при этом регулируется байпасным устройством 11 и регистрируется счетчиком-расходомером 16. Разделение потоков деминерализованного и концентрированного растворов на выходе из электродиализатора 17 регистрируется счетчиком-расходомером 19. Концентрат поступает в бак для сбора концентрированной щелочи 20, а разбавленная щелочь возвращается в бак для исходной разбавленной щелочи 1 на первую ступень концентрирования. При опорожнении промежуточного бака 10 срабатывает датчик нижнего уровня 13, отключая насос 14 и источник электропитания 23. В случае переполнения бака для сбора концентрированной щелочи 20 срабатывает датчик верхнего уровня 21, отключая насос 14 и источник электропитания 23. Увеличение температуры раствора щелочи выше предельно допустимой приводит к срабатыванию теплового датчика 18 электродиализатора 17 и, следовательно, к отключению источника электропитания 23.
В качестве примера рассмотрим результаты производственных испытаний промышленной установки концентрирования щелочного аккумуляторного электролита, проведенных в вагонном депо "Иркутск-Пассажирский" ВСЖД.
1. Наличие дополнительного промежуточного бака 10 для среднеконцентрированной щелочи и насоса 14 на второй ступени концентрирования щелочного электролита позволяет осуществлять технологические процессы на каждой ступени автономно, что наиболее полно удовлетворяет требованиям производственной практики.
2. При подаче электрического напряжения на электродиализаторы 7 и 17 происходит выделение джоулева тепла и, как следствие, повышение температуры концентрируемой щелочи. Поскольку при температуре 45÷50°С ионообменные мембраны могут выйти из строя, то температура щелочи на выходе из электродиализаторов 7 и 17 не должна превышать установленного предельного значения. Эффективным способом решения такой проблемы является снижение температуры щелочи на входе в электродиализаторы 7 и 17. Технически такое требование реализовано
в полезной модели в виде теплообменных устройств 5 и 15, обеспечивающих продолжительное качественное проведение процессов концентрирования щелочного электролита.
Эффективность применения теплообменных устройств подтверждается данными таблицы 1.
Таблица 1.
Ступень концентрирования
Температура исходного раствора щелочи, °С
Плотность тока, А/м<sup>2</sup>
Время работы до срабатывания теплового датчика, мин
Объем прошедшей через электродиализатор щелочи, л
Неохлажденная щелочь
Первая (электродиализатор 7)
22
140
84
420
Вторая (электродиализатор 17)
28
210
114
95
Охлажденная в теплообменниках 5 и 15 щелочь
Первая (электродиализатор 7)
11
140
252
1260 (полный бак 1)
Первая (электродиализатор 17)
13
210
264
260 (полный бак 10)
3. Во избежание ошибок, связанных с нарушением правил эксплуатации либо отказе в работе теплообменников, а также для выбора оптимальных электрических параметров электродиализаторы 7 и 17 снабжены тепловыми датчиками 8 и 18, обеспечивающих своевременное отключение источников электропитания 22 и 23 при достижении предельно допустимой температуры щелочи в электродиализных аппаратах.
Эффективность контроля за тепловым режимом работы электродиализаторов 7 и 17 иллюстрирована таблицами 2 и 3 соответственно.
Таблица 2.
№ п/п
Концентрация исходной разбавленной щелочи, г/л
Содержание щелочи в среднеконцентрированном электролите (промежуточный бак 10), г/л
Плотность тока, А/м<sup>2</sup>
Примечание
1
31,6
96,4
100
2
30,8
108,5
120
3
30,1
116,8
140
4
32,4
124,3
140
5
31,4
129
150
Разогрев электродиализатора 7, срабатывание теплового датчика 8 через 35 мин
Таблица 3.
№ п/п
Содержание щелочи в среднеконцентрированном электролите, г/л
Содержание щелочи в рассоле (бак для сбора концентрированной щелочи 20), г/л
Плотность тока, А/м<sup>2</sup>
Примечание
1
96,4
168
180
2
108,5
200
200
3
116,8
210
210
4
124,3
210
210
5
129
220
220
Разогрев электродиализатора 17, срабатывание теплового датчика 18 через 52 мин
2
2
При заданной производительности и конструкции электродиализаторов оптимальные значения плотности электрического тока на первой (таблица 2) и второй (таблица 3) ступенях концентрирования составляют 135÷140 А/м и 205÷210 А/мсоответственно.
4. Для регулирования как входящих в электродиализаторы 7 и 17, так и выходящих из них потоков щелочи установка снабжена байпасными устройствами 2 и 11, а также счетчиками-расходомерами 6, 9, 16 и 19. Применение на практике указанных устройств показало возможность поддержания точного и стабильного распределения потоков щелочи в соответствии с заданными технологическими режимами концентрирования.
5. С целью предотвращения "сухого хода" насосов 4 и 14 бак для исходной разбавленной щелочи 1 и промежуточный 10 снабжены датчиками нижнего уровня 3 и 13 соответственно. Во избежание перелива щелочи из баков промежуточного 10 и для сбора концентрированной щелочи 20 они оснащены датчиками верхнего уровня 12 и 21 соответственно. В процессе производственной эксплуатации установки концентрирования щелочного аккумуляторного электролита продемонстрирована безотказная работа датчиков верхнего и нижнего уровней, срабатывание которых приводило к автоматическому отключению насосов 4 и 14, а также источников электропитания 22 и 23.
Автоматическое отключение насосов и источников электропитания электродиализаторов установки сопровождается звуковой и световой сигнализацией.
Предлагаемая полезная модель является эффективной установкой концентрирования щелочного электролита.