ЭЛЕКТРОЛИЗНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГИПОХЛОРИТА НАТРИЯ

Полезная модель относится к конструкциям электрохимических устройств, а именно, к установкам для получения гипохлорита натрия путем электролиза водного раствора хлорида натрия, которые применяются для обеззараживания воды в системах коммунального водоснабжения, малых водозаборах, плавательных бассейнов и других объектах, в том числе и дезинфекции оборудования и помещений.
В условиях все расширяющегося внедрения в водное хозяйство прогрессивных технических решений в области водоподготовки и очистки сточных вод научно обоснованный контроль качества воды является одним из важнейших факторов санитарно-эпидемиологического благополучия населенных пунктов, а также предотвращения техногенных и экологических катастроф. В последние десятилетия во всем мире все шире применяется раствор гипохлорита натрия NaClO, содержащий активный хлор, равноценный по своим дезинфицирующим и стерилизующим качествам чистому хлору. Его применение практически снимает все опасные и вредные производственные факторы, присущие использованию жидкого и газообразного хлора - сильнодействующего ядовитого вещества. К достоинствам применения гипохлорита натрия относится возможность получения его непосредственно на месте потребления путем электролиза дешевого и доступного сырья - хлорида натрия (поваренной соли). При этом раствор гипохлорита натрия, получаемый электрохимическим методом (марка Э по ТУ 6-01-29-93) является наиболее чистым и малотоксичным продуктом (класс опасности - 4 по ГОСТ 12.1.007-76) и имеет самую высокую эффективность. В настоящее время эффективность и производительность электролизных установок для получения гипохлорита натрия значительно возросла. Удалось преодолеть ряд технологических проблем, связанных с получением электролитического гипохлорита натрия. Разработанные и производимые установки получения гипохлорита натрия имеют различную производительность и различное назначение. Они могут быть использованы:
- для обеззараживания природных и сточных вод в хозяйственно-питьевом водоснабжении;
- для дезинфекции оборудования, помещений и сооружений в отраслях пищевой промышленности, в медико-санитарных учреждениях, предприятиях общественного питания, санаториях и домах отдыха, детских учреждениях, плавательных бассейнах и других объектах;
- для предотвращения биообрастания в системах водяного обогрева и охлаждения;
- для обеспечения временного или постоянного водоснабжения в условиях чрезвычайных ситуаций.
Технологические схемы электролизных установок могут быть как проточные, так и периодического действия. В электролизных установках периодического действия концентрация гипохлорита натрия зависит от времени, прошедшего с начала электролиза. В этом случае обслуживающий персонал должен значительно больше затрачивать времени на организацию процесса в связи с тем, что он вынужден несколько раз в сутки заполнять электролизер раствором и сливать из них гипохлорит натрия.
При использовании проточных электролизеров появляется возможность сократить затраты на обслуживание установок, т.к. здесь значительно легче управлять процессом. В зависимости от вида используемого сырья электролизные установки можно разделить на установки для электролиза искусственно приготовленного раствора и для электролиза природных рассолов. Достоинства электролитического гипохлорита натрия как эффективного бактерицидного агента, простота и надежность электролизных установок, а также заинтересованность потребителей в применении безопасного электрохимического метода обеззараживания воды привели к созданию огромного числа самых разнообразных по своей конструкции установок.
Известна установка для получения гипохлорита натрия, в которой минерализованная подземная вода, содержащая хлорид натрия, из скважины подается по трубопроводу в распределительный резервуар. Из резервуара минерализированная вода самотеком поступает в проточный электролизер. Заданный расход минерализованной воды, подаваемый на проточный электролизер, устанавливается задвижками и контролируется расходомером. Проточный электролизер содержит емкость с расположенными на противоположных ее стенках входным и выходным патрубками соответственно. В емкости установлены перпендикулярно потоку хлорида натрия и параллельно друг другу электродные кассеты, каждая из которых состоит из группы вертикальных пластинчатых электродов. Пластинчатые электроды включены по биполярной схеме с токоподводом на крайние электроды каждой электродной кассеты. Электродные кассеты включены параллельно на общий стабилизированный пульт электропитания. В электролизере происходит электролитическое разложение водного раствора хлорида натрия, следствием которого является образование гипохлорита натрия и выделение водорода. Раствор гипохлорита натрия заданной концентрации из проточного электролизера самотеком поступает в буферный резервуар, откуда насосом подается в накопительный резервуар. Из резервуара раствор гипохлорита натрия самотеком поступает к точкам ввода на обеззараживание воды. (Патент РФ №2100483).
Основным недостатком этой электролизной установки является ограниченность ее применения, т.к. она предназначена для получения гипохлорита натрия из слабоконцентрированых растворов, содержащих 1,5-8,0 г/л хлорида натрия, поэтому не может использоваться для электролиза концентрированных растворов поваренной соли.
Известна электролизная установка для производства гипохлорита натрия, защищенная патентом РФ №53673 на полезную модель. Сущность полезной модели заключается в том, что установка для получения гипохлорита натрия путем электролиза водного раствора хлорида натрия, включающая емкость с исходным раствором поваренной соли, соединенную с двумя электролизерами, причем каждый из электролизеров соединен со сборником раствора гипохлорита натрия и с верхней частью каждого из электролизеров, общую магистраль для сбора водородсодержащего газа, связанную через сепаратор со сборником водородсодержащего газа. Наличие в заявляемой установке сборника, связанного с электролизерами, обеспечивает сбор отводимого из их верхних частей водородсодержащего газа, образующегося наряду с гипохлоритом натрия при проведении электролиза водного раствора хлорида натрия и позволяет использовать его в качестве экологически чистого энергоносителя, а не выбрасывать в атмосферу.
Однако, такое решение требует дополнительных) мер безопасности, дополнительного оборудования и может применяться только на крупных системах водоподготовки.
Использование его на малогабаритных переносных установках, в которых гипохлорит производится в небольших количествах прямо на месте его потребления, нецелесообразно.
Известна комплектная электролизная установка для производства гипохлорита натрия, включающая, по крайней мере, один проточный электролизер, в корпусе которого размещены электродные модули, состоящие из монополярных, соединенных с источником электропитания и биполярных пластинчатых электродов, установленных параллельно на определенном расстоянии друг от друга, емкость для приготовления исходного солевого раствора, входной патрубок которой соединен с узлом подачи воды на разбавление, а выходной патрубок через фильтр и насос - дозатор с входом первого проточного электролизера, а выход последнего электролизера соединен с буферной емкостью для хранения полученного гипохлорита натрия, которая снабжена патрубком выброса водорода в атмосферу и патрубком, соединенным с насосом - дозатором подачи гипохлорита натрия на обеззараживание воды, щит управления с аппаратурой контроля и пуска, трубопроводы с запорной арматурой. Установка также содержит: электромагнитный клапан отсечки подачи воды на разбавление исходного солевого раствора в электролизер, компенсатор выноса потенциала из электролизера и вентилятор, установленный на буферной емкости, причем все оборудование установки смонтировано на рамном основании, с установленным на нем ограждении и снабжено средствами для переноса установки (Патент РФ №82706).
Недостатком известного технического решения является сложность обеспечения герметичности патрубков при последовательном соединении нескольких электролизеров, недостаточная степень обеспечения работы обслуживающего персонала, т.к. возможно попадание выбросов водорода в помещение станции.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели по технической сущности является электролизная установка для производства гипохлорита натрия, защищенная патентом РФ №93086. Электролизная установка для производства гипохлорита натрия, содержит емкость для растворения поваренной соли, входной патрубок которой соединен с узлом подачи воды на разбавление, оборудованным ионообменным умягчителем, обеспечивающим удаление солей жесткости в воде, а выходной патрубок соединен с насосом - дозатором подачи исходного раствора поваренной соли в электролизер, выход которого соединен с резервуаром для хранения полученного гипохлорита натрия, причем резервуар снабжен напорным вентилятором с патрубком для принудительного выброса водорода в атмосферу и соединенным с насосом-дозатором патрубком для подачи гипохлорита натрия на обеззараживание воды, а также средства контроля и процессор для обработки поступающей информации и выдачи управляющих сигналов. Кроме того, пульт управления, умягчитель воды, насосы - дозаторы размещены между емкостью для приготовления солевого раствора и емкостью для гипохлорита, а проточный электролизер располагается в нижней части установки, в непосредственной близости от емкости солевого раствора и емкости для гипохлорита и установлены на единой переносной раме.
К недостаткам полезной модели - прототипа можно отнести: усложнение конструкции установки, габариты ее и недостаточная степень обеспечение безопасности обслуживающего персонала, т.к. для обеспечения безопасности требуются дополнительное ограждение электролизера и возможность попадания водорода в помещение.
Технической задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является создание универсальной малогабаритной электролизной установки, обладающей комплектом оборудования для получения гипохлорита натрия различной концентрации, в местах его потребления, обладающей большей безопасностью, за счет оптимального размещения оборудования и возможностью оперативного перемещения к другому объекту потребления.
Технический результат достигается за счет того, что в известную электролизную установку для производства гипохлорита натрия, содержащую емкость для растворения поваренной соли до заданной концентрации, входной патрубок которой соединен с узлом подачи воды на разбавление, оборудованным ионообменным умягчителем, обеспечивающим удаление солей жесткости в воде и электромагнитным клапаном отсечки подачи воды на разбавление, внутри ее установлен фильтр, который через выходной патрубок соединен с насосом-дозатором подачи исходного раствора поваренной соли в проточный электролизер, соединенный с источником постоянного тока, буферную емкость для хранения полученного гипохлорита натрия, снабженную патрубком для выброса водорода в атмосферу, а также патрубком соединенным с насосом - дозатором для подачи гипохлорита натрия на обеззараживание воды и датчики уровня гипохлорита, причем щит управления с аппаратурой контроля и пуска, трубопроводы с запорной арматурой и остальное оборудование установлено на одном основании, внесены изменения, а именно:
- проточный электролизер размещен в буферной емкости с возможностью его извлечения;
- буферная емкость снабжена двумя дополнительными патрубками для подачи исходного раствора и воды на разбавление его, в проточном электролизере.
Кроме того, корпус проточного электролизера выполнен в виде стакана, внутри которого размещена перегородка, делящая внутренний объем электролизера на две секции, а анод и катод соединены с источником постоянного питания через специальные токоведущие подвески, причем насосы - дозаторы исходного раствора и гипохлорита натрия размещены на щите управления.
Размещение проточного электролизера внутри буферной емкости позволяет повысить безопасность для обслуживающего персонала, т.к. достигается исключением возможности попадания водорода в трубопроводы канализации и помещения электролизной, а также исключает вероятность касания обслуживающим персоналом электроведущих частей электролизера. Патрубок для ввода воды на разбавление исходного раствора (уменьшение концентрации его) позволяет оптимизировать процесс электролиза, путем оптимизации концентрации исходного раствора, поступающего на электролиз.
Одновременно, это позволяет уменьшить габариты основания (рамы) установки.
Выполнение корпуса электролизера в виде стакана позволяет обеспечить невозможность контакта раствора электролита с гипохлоритом натрия, а введение перегородки, разделяющую внутреннее пространство электролизера на две секции, увеличивает время пребывания электролита в нем, что обеспечивает эффективность процесса электролиза.
Размещение насосов - дозаторов на щите управления позволяет оптимизировать обвязку оборудования и уменьшить габариты установки.
Ниже приводится возможный вариант реализации полезной модели, который показан на следующих рисунках. На фиг.1 изображена технологическая схема получения гипохлорита натрия; на фиг.2 - конструкция проточного электролизера, размещенного в буферной емкости.
На фиг.1 показаны: емкость 2 (РРС) для приготовления исходного раствора поваренной соли, ионообменный умягчитель 1 с шаровым краном для подачи водопроводной воды на разбавление поваренной соли, сетчатый фильтр 3, соединенный с всасывающим входом насоса - дозатора 4 (НД2), выход которого соединен с проточным электролизером 5, патрубок 7 буферной емкости 6 для хранения подученного гипохлорита натрия, предназначен для подачи исходного раствора, патрубок 8 - для подачи воды на разбавление исходного раствора в электролизере, патрубок 9 буферной емкости предназначен для выброса водорода в атмосферу, а патрубок 11, предназначен для подачи гипохлорита натрия на всасывающий вход насоса - дозатора 12 (НД1), уровнемеры 10 (LE) для контроля уровня гипохлорита в емкости 6, электромагнитный клапан 13 для подачи воды на разбавление исходного раствора на электролизер. Электропитание электролизера осуществляется от источника постоянного питания 14 (В1). Кроме того, на фиг.1 показаны трубопроводы с установленной на них запорной арматурой 15. На фиг.1 приведены условные обозначения некоторых трубопроводов ВО1-ВО7, КО2, вентили (ВВ).
На фиг.2 схематично показана конструкция электролизера 5, который состоит из корпуса, выполненного в виде стакана, с размещенными в нем биполярными и монополярными электродами 17, подвешенными через крышку буферной емкости 6 на подвесках 16, перегородка 18 разделяющая электролизер на две секции.
Рассмотрим работу полезной модели на примере работы комплектной электролизной установки типа ЭЛПК. Установки ЭЛПК предназначены для получения электролитического гипохлорита натрия, используемого для обеззараживания воды на малых водозаборах, в бассейнах и очистных сооружениях.
Гипохлорит натрия вырабатывается методом электролиза водного раствора поваренной соли. Насыщенный раствор поваренной соли заготавливается и хранится в емкости 2 (РРС), в которую поступает водопроводная вода на разбавление исходного солевого раствора до заданной концентрации, через вентиль по трубопроводу ВО4. Предварительно вода проходит через установку 1 умягченной воды на основе ионообменной смолы. Исходный раствор поваренной соли через сетчатый фильтр 3 поступает на всасывающий вход насоса-дозатора 4 (НД2), которым регулируется и расход исходного солевого раствора. Рабочий раствор поваренной соли приготавливается в электролизере 5, в который подается водопроводная вода хоз., питьевая (ВО5) и насыщенный раствор поваренной соли (ВО6.). Расход водопроводной воды регулируется электромагнитным клапаном 13. Протекающий через электролизер 5 рабочий раствор подвергается электролизу, проходя последовательно обе секции, в результате которого образуется гипохлорит натрия (ГПХН), заданной концентрации и газообразный водород, которые через патрубок электролизера 19, по трубопроводу В01 поступает в буферный резервуар 6 (РБ1). Эта буферная емкость предназначена для автоматизации процесса получения ГПХНи отделения водорода от ГПХН. Из буферной емкости 6 гипохлорит натрия через патрубок 11 насосом-дозатором 12 (НД1) подается через шаровый кран на хлорирование. Дозирование активного хлора осуществляется посредством изменения подачи насоса - дозатора 12. Уровень гипохлорита натрия в буферной емкости контролируется датчиками уровня 10 (LE). При достижении раствора гипохлорита натрия верхнего уровня установка переходит в ждущий режим с отключением электромагнитного клапана 13 подачи водопроводной воды на приготовление рабочего раствора, отключением выпрямителя, насосов - дозаторов 4 и 12, пока уровень гипохлорита натрия в буферной емкости не достигнет нижнего уровня. Затем цикл повторяется. Выделяющийся в процессе электролиза водород, в буферной емкости 6 отделяется от раствора гипохлорита натрия и через патрубок 9 и далее по отводящему трубопроводу (в комплект поставки не входит) выбрасывается из помещения в атмосферу. Все оборудование электролизной установки смонтировано на рамном основании в следующей последовательности: емкость 2 приготовления исходного солевого раствора, и буферная емкость 6, в которой размещен электролизер 5, а между емкостями щит управления.. Такое расположение позволяет более рационально осуществить обвязку оборудования трубопроводной аппаратурой. Кроме того, щит управления и пуска установлен на торце основания, таким образом, что к нему крепится заграждение, смонтированное по периметру основания. Для удобства перемещения, основание снабжено средствами для перемещения установки, выполненные на колесиках, что позволяет облегчить переноску установки в место потребления. Кроме того, для облегчения установки все основное оборудование выполнено из полиэтилена
Предлагаемая полезная модель может быть реализована не только в соответствии с рассмотренным примером реализации, но в любом случае она обладает повышенной безопасностью за счет размещения электролизера в буферной емкости, повышенной эффективностью процесса электролиза за счет увеличения времени пребывания электролита в электролизере. Установка проста по конструкции и удобна в эксплуатации.
В настоящее время изготовлен опытно-промышленный образец установки и после успешных испытаний, во второй половине 2011 г. начнется их изготовление по заказам клиентов.