ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ МОДУЛЬНАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
ELECTROCHEMICAL MODULE CELL FOR TREATMENT OF ELECTROLYTE SOLUTIONS

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к устройствам для электрохимической обработки растворов электролитов, и может быть использовано в процессах, связанных с электрохимическим регулированием кислотно-основных, окислительно-восстановительных свойств и каталитической активности воды и/или водных растворов, а также в процессах получения различных химических продуктов, в частности в процессе получения хлора при электролизе водного раствора хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов. Полученный хлор может быть использован в технологических процессах, в процессах очистки и обеззараживания воды.
В прикладной электрохимии используются электролизеры различных конструкций как для обработки воды и/или водных растворов, так и для электролитического получения различных продуктов, в частности проточные электролизеры с плоскими электродами или электролизеры с коаксиально расположенными цилиндрическими электродами и диафрагмой между ними.
Наиболее перспективными являются модульные электролизеры, обеспечивающие достижение требуемой производительности путем соединения необходимого числа электрохимических модульных ячеек, что позволяет сократить затраты на проектирование и производство электролизеров фиксированной производительности, унифицировать детали и узлы, сократить время монтажа и ремонта таких электролизеров. Для модульных электролизеров наиболее существенным является конструкция электрохимической ячейки, которая и определяет все достоинства и недостатки модульного электролизера.
Так, известна, например, электрохимическая модульная ячейка [1], содержащая основной электрод, установленный вертикально, цилиндрический противоэлектрод, также установленный вертикально, керамическую диафрагму, размещенную коаксиально основному электроду и разделяющую межэлектродное пространство на герметичные анодную и катодную камеры, а также нижнее и верхнее герметизирующие приспособления для подачи обрабатываемых жидкостей в катодную и анодную камеры и приспособления для отвода жидкостей и газов из анодной и катодной камер.
Известна также электрохимическая модульная ячейка для обработки водных растворов [2]. Ячейка содержит вертикальные коаксиальные цилиндрические внутренний полый и внешний электроды, нижнюю и верхнюю диэлектрические втулки, по оси которых выполнены отверстия, а на поверхность втулок выведены соответственно входной и выходной каналы, сообщающиеся с камерой внешнего электрода. В ячейке выполнена диафрагма из керамики на основе оксида циркония, коаксиально установленная между электродами и разделяющая межэлектродное пространство на электродные камеры. Внутренний полый электрод выполнен с перфорационными отверстиями. Входной и выходной патрубки камеры внутреннего электрода выполнены из электропроводного материала и снабжены закрепленными на них приспособлениями для крепления и герметизации диафрагмы.
d
k
a
d
k
a
Известна установка для получения продуктов анодного окисления раствора хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов [3]. Установка содержит, как минимум, один электрохимический реактор, выполненный из 2-16 электрохимических ячеек, каждая из которых содержит коаксиально установленные внутренний цилиндрический полый анод и внешний цилиндрический катод и размещенную между ними диафрагму, выполненную из керамики на основе оксидов циркония, алюминия и иттрия. Катод и анод установлены в нижнем и верхнем узлах крепления с образованием гидравлически замкнутых анодной и катодной камер с входом в нижнем узле крепления и выходом в верхнем, при этом вход и выход анодной камеры сообщаются с полостью анода. Анод выполнен с перфорационными отверстиями. Анод и катод установлены с межэлектродным расстоянием (МЭР) 8-10 мм, при этом d=1,5-2,3 МЭР, D=3,0-4,3 МЭР, L=25-40 МЭР, δ=0,15-0,35 МЭР и S≥S, где d - внешний диаметр анода, D - внутренний диаметр катода, L - длина катода, δ - толщина боковых стенок диафрагмы, S - площадь поперечного сечения катодной камеры, S - площадь поперечного сечения анодной камеры.
К недостаткам вышеописанных модульных ячеек относится не эффективное использование поверхности электрода, на котором получают основной продукт, низкий коэффициент отдачи с объема рабочего пространства и, как следствие, заниженная производительность. Чем меньше производительность ячейки, тем большее количество ячеек требуется для создания объединенного реактора определенной производительности. Чем больше соединений, тем меньше надежность работы реактора, дополнительно возникают трудности с обеспечением равномерного распределения потока раствора электролита в электродные камеры ячеек реактора. Эксплуатация установок с такими ячейками требует повышенных расходов энергии.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов [4]. Данная ячейка содержит герметичный корпус с верхней и нижней крышками, цилиндрические, вертикально установленные, коаксиально расположенные по отношению друг к другу наружный и внутренний полый электроды и расположенную между электродами микропористую диафрагму, разделяющую межэлектродное пространство на электродные камеры, образующую с внутренним электродом герметичную камеру. При этом электроды и диафрагма помещены в герметичный диэлектрический корпус, а наружный электрод образует с диафрагмой негерметичную камеру. Это решение, содержащее пару противоэлектродов, позволяет повысить производительность и надежность работы ячейки, а также обеспечивает равномерное распределение раствора электролита при объединении ячеек в реактор большей производительности. Однако в паре противоэлектродов электролиз проходит лишь между обращенными друг к другу цилиндрическими поверхностями электродов, притом, что обратные им поверхности в электролизе не участвуют. Поэтому использование в проточных ячейках только пары противоэлектродов ограничивает возможность дальнейшего повышения производительности ячейки.
Задача изобретения заключается в повышении производительности работы электрохимической модульной ячейки для обработки растворов электролитов.
Для этого электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов, как и ячейка по прототипу, содержит герметичный корпус, в котором расположены цилиндрические, вертикально установленные, коаксиально расположенные по отношению друг к другу противоэлектроды, отделенные друг от друга посредством коаксиальной им микропористой диафрагмы. Ячейка отличается тем, что посредством двух коаксиально расположенных диафрагм отделены друг от друга три электрода, имеющие полярность, при которой средний электрод является противоэлектродом по отношению к наружному и внутреннему электродам, при этом наружный электрод является корпусом ячейки.
В заявленной конструкции ячейки с тремя электродами, отделенными друг от друга посредством двух коаксиальных микропористых диафрагм, образуются две пары противоэлектродов: одна электродная пара образуется между внутренней поверхностью наружного электрода и наружной поверхностью среднего электрода, вторая электродная пара образуется между внутренней поверхностью среднего электрода и наружной поверхностью внутреннего электрода. Две диафрагмы, расположенные между тремя электродами, образуют с ними четыре электродные камеры. Таким образом, в одном корпусе размещаются две двухкамерные подъячейки, увеличивая производительность заявленной ячейки в два раза. Поскольку количество выделяемого продукта при электролизе по закону Фарадея прямо пропорционально величине тока, протекающего через электроды [5], то за счет использования внешней поверхности среднего электрода его рабочая площадь возрастет не менее чем в два раза, а значит, будут соблюдены условия для сохранения допустимой плотности тока на электродах. Полярность среднего электрода определяется функциональным назначением ячейки. При получении анодных электролизных газов средний электрод предпочтительно является анодом. Использование наружного электрода в качестве корпуса ячейки значительно упрощает конструкцию при увеличении производительности не менее чем в два раза при сохранении тех же геометрических размеров.
Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении эффективности использования площади цилиндрических поверхностей коаксиально расположенных электродов, позволяющем повысить производительность с единицы объема реактора, в повышении надежности и компактности ячейки, упрощении возможности объединения электрохимических ячеек в реактор с большей производительностью.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид ячейки в разрезе; на фиг. 2 - сечение А-А; на фиг. 3 - вид снизу.
Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов содержит герметичный, выполненный из электропроводного материала наружный электрод 1, который является корпусом ячейки. Корпус ячейки имеет патрубки 2 и 3, верхнюю крышку 4, выполненную из диэлектрического материала, с выходным патрубком 5 для отвода продуктов электролиза, нижнюю крышку 6, выполненную из диэлектрического материала, с входным патрубком 7 для подачи обрабатываемого раствора электролита. Внутри корпуса расположены коаксиально наружному электроду цилиндрические внутренний полый электрод 8, закрепленный патрубком 9 с помощью гаек 10 на верхней крышке 4 и патрубком 11 с помощью гаек 12 на нижней крышке 6, а также средний электрод 13, закрепленный с помощью токоподводов 14 и 15 на нижней крышке 6. Между электродами 8 и 13 коаксиально размещена микропористая диафрагма 16, герметично закрепленная с помощью уплотнительных колец 17 в крышках 4 и 6, образующая с электродом 8 герметичную камеру 18. Между электродами 1 и 13 коаксиально размещена микропористая диафрагма 19, герметично закрепленная в крышках 4 и 6, образующая с наружным электродом 1 герметичную камеру 20. Средний электрод 13 выполнен таким образом, что его верхняя и нижняя части не имеют герметичного контакта с крышками 4 и 6. За счет этого камеры 21, 22, образуемые между средним электродом и диафрагмами, являются негерметичными.
Патрубки 9 и 11, закрепленные в крышках 4 и 6, служат для закрепления внутреннего электрода, подачи и отвода обрабатываемого раствора в герметичную камеру 18 и могут быть соединены с электродом 8 резьбовым и/или сварным соединением. Электрод 8 имеет перфорационные отверстия 23 для подачи и отвода обрабатываемого раствора электролита в камеру внутреннего электрода, поступающего через патрубки 9 и 11.
В частном случае наружный электрод 1 может не иметь патрубков, тогда подача и отвод обрабатываемого раствора в герметичную камеру 20 осуществляются через патрубки, которые устанавливаются в крышках 4 и 6.
В частном случае электрод 8 может не иметь перфорационных отверстий, тогда подача и отвод обрабатываемого раствора в герметичную камеру 18 осуществляется через дополнительные патрубки, которые устанавливаются в крышках 4 и 6, а через патрубки 9 и 11 может подаваться и отводиться охлаждающий агент.
Работа ячейки иллюстрируется примером получения газообразных продуктов электролиза, когда наружный электрод 1 и внутренний электрод 8 являются катодами, а средний электрод 13 - анодом.
Ячейка работает следующим образом. Через входные патрубки 3 и 11 обрабатываемый раствор электролита поступает внутрь герметичных камер 18 и 20. Через патрубок 11 раствор поступает в полость катода 8. Через нижние перфорационные отверстия 23 раствор поступает в пространство между диафрагмой 16 и наружной поверхностью катода 8 и заполняет герметичную камеру 18. Через верхние перфорационные отверстия 23 раствор выводится во внутреннюю полость катода 8 и через патрубок 9 удаляется из ячейки. Заполнение катодной камеры 20 происходит через патрубок 3, а удаление продуктов обработки - через патрубок 2. Циркуляция раствора электролита в герметичных камерах 18, 20 организуется через внешний циркуляционный контур. Через патрубок 7 заполняются анодные камеры 21 и 22. Патрубок 5 служит для удаления газообразных продуктов электролиза. Необходимый уровень раствора в анодных камерах 21, 22 поддерживается за счет внешних подающих устройств.
После подачи напряжения к электродам на наружной и внутренней поверхности анода 13 начинается выделение электролизных газов, которые поднимаются вверх и выводятся через патрубок 5. Одновременно из анодных камер через диафрагмы в катодные камеры идет электромиграционный перенос катионов. При работе ячейки в проточном режиме обработанный раствор с продуктами электролиза будет удаляться через патрубок 5. При работе в режиме получения газообразных продуктов через патрубок 5 удаляется только электролизный газ.
Для расчета производительности ячейки по сравнению с прототипом были использованы геометрические параметры прототипа при условии, что средний электрод является анодом и производительность рассчитывалась по анодным продуктам.
2
2
2
В прототипе анод был изготовлен из титановой трубы марки ВТ1-0, имеющей наружный диаметр 64 мм, а внутренний диаметр - 60 мм. Высота анода равнялась 240 мм. Внутренний электрод был изготовлен из трубы марки 12Х18Н10Т, наружный диаметр катода был равен 38 мм, высота катода равнялась 240 мм. Межэлектродное расстояние составило 11 мм. Таким образом, рабочая площадь анода составляет 3,14×6×24=452 см, при допустимой плотности тока 0,3 А/см, максимально допустимый ток составит 0,3×452=135,6 А. Если тот же анод использовать в предлагаемом решении, то его рабочая площадь дополнится за счет использования наружной поверхности и составит (3,14×64x24=482 см2+452)=934 см, а максимально допустимый ток 0,3×934=280 А.
Заявленная конструкция позволяет повысить производительность электрохимической ячейки по заданным продуктам, повысить надежность электрохимической ячейки при производстве агрессивных газообразных электролизных, например, хлорсодержащих продуктов, упростить возможность объединения электрохимических ячеек в реактор с большей производительностью, а также расширить функциональные возможности ячейки получением целевых продуктов в виде смеси газов или в виде раствора.
Источники информации
1. US 5635040, C02F 1/461, опубл. 03.06.97;
2. RU 2176989, C02F 1/461, опубл. 20.12.2001;
3. RU 2270885, С25В 1/46, опубл. 27.02.2006;
4. RU 2581054, С25В 9/08, опубл. 10.04.2016;
5. Антропов Л.И. "Теоретическая электрохимия". М.: Высшая школа, 1984.