Устройство для проведения электролиза

 

Изобретение относится к электрохимии и может быть использовано для проведения электролиза в растворах электролита. Задачей предлагаемого устройства является упрощение конструкции и повышение эффективности электролиза. Сущность устройства заключается в том, что оно содержит корпус с установленными в нем параллельными электродами, помещенными между двумя перегородками, расположенными вдоль ряда электродов и разделяющими корпус на последовательно сообщающиеся друг с другом первичную камеру, электролизную камеру и камеру сбора готового продукта, а также приспособление для подвода в корпус исходного раствора электролита и отверстие в корпусе для слива готового продукта, при этом перегородка, отделяющая первичную камеру от электролизной камеры, выполнена в нижней части перфорированной, перегородка, отделяющая электролизную камеру от камеры сбора готового продукта, выполнена с переливным отверстием в нижней части, к которому присоединена сливная труба, установленная вертикально в камере сбора готового продукта и выполненная открытой на верхнем конце, приспособление для подвода электролита установлено в верхней части электролизной камеры, а первичная камера снабжена расположенным в ее верхней части приспособлением для подвода воды 1 ил.

Изобретение относится к электрохимии и может быть использовано для проведения электролиза в жидких средах.

Известны различные конструкции электролизеров для проведения электролиза растворов солей, кислот, оснований для получения веществ, образующихся при взаимодействии анодных и катодных продуктов электрохимических реакций. Наиболее простыми и удобными из указанных устройств являются электролизеры ящичного типа.

Известно устройство для проведения электролиза солевого раствора с целью получения гипохлорита щелочного металла [патент РФ N 2057821, C 25 B 1/34, публ. 1996 г.].

Устройство представляет собой многокамерный электролизер ящичного типа с сепарационной перегородкой, образующей анодную и катодную камеры. Кроме того, устройство разделено перегородками с переливными отверстиями на ряд дополнительных камер, включая камеру получения исходного солевого раствора, камеру взаимодействия продуктов электрохимической реакции, камеру сбора целевого продукта. Устройство снабжено патрубками для подвода воды в камеру, где получают исходный солевой раствор и в катодную камеру. Кроме того, устройство содержит эжектор для создания вакуума, с помощью которого газообразный хлор подают в камеру, где осуществляется взаимодействие продуктов реакции.

Указанное устройство обеспечивает значительный выход целевого продукта, однако является сложным по конструкции.

Известно устройство для проведения электролиза раствора соли с целью получения гипохлорита натрия, наиболее близкое по технической сущности к заявленному устройству и выбранное автором за прототип [а.с. СССР N 262862, B 01 K 3/00, публ. БИ N 23, 1973 г.].

Устройство представляет собой многосекционный проточный электролизер ящичного типа, включающий корпус, разделенный перегородками с переливными отверстиями в нижней части на первичную камеру и ряд сообщающихся последовательно друг и другом электролизных секций и холодильных камер. При этом в каждой электролизной секции установлен ряд параллельных электродов, помещенных между перегородкой, образующей переднюю стенку указанной секции, и перегородкой, разделяющей электролизную секцию на электролизную камеру и камеру сбора готового продукта. Высота указанной разделительной перегородки несколько превышает высоту электродов, но меньше высоты перегородок, образующих стенки секций, так что в верхней части каждой электролизной секции образован зазор, посредством которого электролизная камера и камера сбора готового продукта сообщаются между собой.

Слив готового продукта осуществляется через сливное отверстие, расположенное в нижней части последней из задействованных камер сбора готового продукта. Первичная камера снабжена в верхней части воронкой, через которую подают раствор исходного электролита.

Указанному устройству присущи недостатки, обусловленные в значительной степени прохождением электролита по межэлектродным промежуткам электролизной камеры снизу вверх. При этом направление движения жидкой фазы в зоне протекания электрохимической реакции совпадает с направлением движения пузырьков, выделяющихся при электролизе газов, которые приобретают дополнительный ускоряющий импульс. Ускоренный унос газовых пузырьков способствует разрушению приэлектродного ионного слоя, что снижает эффективность протекания электрохимической реакции. Усиливается неравномерность распределения жидкой и газовой фаз в потоке электролита за счет подсоса жидкой фазы быстро движущимися пузырьками газа, что снижает равномерность протекания электролиза. При ускоренном движении газовых пузырьков они не успевают укрупняться. Чем мельче газовые пузырьки, тем больше их площадь поверхности, а значит тем больше сказывается эффект экранирования пузырьками поверхности электродов, что ведет к снижению выхода целевого продукта.

Кроме того, нагрев электролита, происходящий в процессе электрохимической реакции, является неблагоприятным фактором и приводит к разложению целевого продукта. За счет тепла поднимающихся вверх газов наибольший нагрев электролита в рассматриваемом устройстве происходит в верхней части электролизной камеры, которая совпадает с зоной вывода продуктов реакции, при этом выход целевого продукта существенно снижается. Для охлаждения электролита приходится использовать холодильные камеры, что усложняет устройство и снижает это экономичность.

Задачей предлагаемого устройства является упрощение конструкции и повышение эффективности электролиза.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что устройство для проведения электролиза содержит корпус с установленными в нем параллельным электродами, помещенными между двумя перегородками, расположенными вдоль ряда электродов и разделяющими корпус на последовательно сообщающиеся друг с другом первичную камеру, электролизную камеру и камеру сбора готового продукта, а также приспособление для подвода в корпус исходного раствора электролита и отверстие в корпусе для слива готового продукта, при этом перегородка, отделяющая первичную камеру от электролизной камеры, выполнена в нижней части перфорированной, перегородка, отделяющая электролизную камеру от камеры сбора готового продукта, выполнена с переливным отверстием в нижней части, к которому подсоединена сливная труба, установленная вертикально в камере сбора готового продукта и выполненная открытой на верхнем конце, приспособление для подвода электролита установлено в верхней части электролизной камеры, а первичная камера снабжена расположенным в ее верхней части приспособлением для подвода воды.

Новыми отличительными признаками предлагаемого устройства являются следующие признаки.

Перегородка, отделяющая первичную камеру от электролизной камеры, выполнена в нижней части перфорированной, перегородка, отделяющая электролизную камеру от камеры сбора готового продукта, выполнена с переливным отверстием в нижней части, к которому подсоединена сливная труба, установленная вертикально в камере сбора готового продукта и выполненная открытой на верхнем конце, приспособление для подвода электролита установлено в верхней части электролизной камеры, а первичная камера снабжена расположенным в ее верхней части приспособлением для подвода воды.

Предложенная конструкция устройства обеспечивает подачу исходного раствора электролита в верхнюю часть электролизной камеры, при этом направление движения жидкой фазы и пузырьков образующихся при электролизе газов в межэлектродных промежутках противоположны. За счет встречного потока жидкости скорость движения газовых пузырьков относительно поверхности электродов снижается, что способствует более равномерному протеканию электролиза в объеме электролита, сохранению приэлектродных ионных слоев, а также обеспечивает время контактирования пузырьков газа друг с другом, достаточное для их укрупнения. В результате снижается экранирование электродов газовыми пузырьками. Перечисленные факторы способствуют повышению эффективности протекания электролиза и увеличению выхода готового продукта.

Другими существенными преимуществами предлагаемого устройства являются наличие в нем примыкающей к электролизной камере первичной камеры, а также установка в ее верхней части приспособления для подвода воды и выполнение перегородки, разделяющей указанные камеры, с перфорацией в нижней части.

Перфорированный участок перегородки с диаметром отверстий, обеспечивающим проникновение через них газовых пузырьков, позволяет части поднимающихся вверх пузырьков быстро покидать электролизную камеры, при этом снижается их негативное влияние на процесс электролиза.

Подача воды в верхнюю часть первичной камеры позволяет оптимизировать температурный режим электролиза. В случае протекания электрохимической реакции, сопровождающейся выделением тепла, в первичную камеру подают холодную воду, за счет чего происходит охлаждение электролита в электролизной камере.

Перфорированный участок перегородки, разделяющей первичную и электролизную камеры, обеспечивает поступление воды, подаваемой в первичную камеру, в нижнюю область межэлектродных промежутков электролизной камеры. В указанной области присутствуют продукты электролиза, образовавшиеся в верхней части электролизной камеры при протекании электролита сверху вниз, а также часть непрореагировавшего исходного раствора электролита. Как показали экспериментальные исследования, для ряда электролизных процессов разбавление водой раствора, содержащего смесь жидкофазных продуктов реакции и исходного раствора электролита, осуществляемое в зоне, где заканчивается образование жидкофазного целевого продукта, способствует повышению выхода. Степень разбавления водой электролита в нижней области межэлектродных промежутков регулируется соотношением расходов воды и исходного раствора электролита, подаваемых соответственно в верхние части первичной и электролизной камер.

Наличие в камере сбора готового продукта вертикально установленной и открытой на выходном конце сливной трубы, сообщающейся с электролизной камерой через отверстие, расположенное в нижней части перегородки, разделяющей указанные камеры, обеспечивает поддержание требуемого уровня электролита в межэлектродных промежутках, а также способствует тому, что движение электролита в электролизной камере приближается к модели идеального вытеснения, что обуславливает равномерность протекания электролиза в объеме электролита.

На чертеже представлен общий вид предлагаемого устройства.

Устройство содержит корпус 1, разделенный перегородками 2 и 3 на первичную камеру 4, электролизную камеру 5 и камеру 6 сбора готового продукта. В камере 5 между перегородками 2 и 3 установлен ряд параллельных электродов 7, крайние из которых соединены с токоподводами 8 и являются монополярными, а промежуточные являются биполярными.

В верхней части камеры 5 установлен распределитель 9 для равномерной подачи исходного раствора электролита сверху в межэлектродные промежутки. В перегородке 3 в нижней ее части выполнено сквозное отверстие 10, к которому подсоединена сливная труба 11, установленная вертикально в камере 6 и имеющая верхний открытый конец 12. В нижней части камеры 6 имеется отверстие 13 для слива готового продукта, в котором размещен сливной патрубок 14.

Перегородка 2 на нижнем участке 15 выполнена перфорированной.

Перегородки 2 и 3 и электроды 7 установлены наклонно относительно горизонта для снижения негативного влияния пузырьков электролитических газов на протекание процесса электролиза.

В верхней части камеры 2 установлен распределитель 16 для подачи в нее воды. Над корпусом 1 помещен газосборник 17.

Устройство работает следующим образом.

Исходный раствор электролита с помощью распределителя 8, связанного с входной магистралью (на чертеже не показана), подается в камеру 5 и равномерно поступает сверху в межэлектродные промежутки электродов 7. Расход элекролита регулируется с помощью распределителя 9.

В нисходящем потоке электролита осуществляется электрохимическая реакция. Уровень столба электролита в камере 5 поддерживается массой столба жидкости в трубе 11 и определяется ее высотой. Подпор массы электролита в камере 5 массой раствора в трубе 11 обеспечивает равномерность и стационарность протекания электролиза в устройстве.

Выделяющиеся в процессе электролиза пузырьки газа движутся навстречу потоку электролита, поднимаются вверх и собираются в газосборнике 17. При этом часть газовых пузырьков быстро покидает электролизную камеры 5 и попадает в камеру 4 через перфорированный участок 15 перегородки 2. Встречное движение пузырьков газа и электролита, а также наличие перфорированного участка 15 в перегородке 2 с диаметром отверстий, обеспечивающим проникновение через них пузырьков газа, способствуют снижению негативного влияния пузырьков газа на процесс электролиза, в частности, за счет уменьшения экранирования пузырьками газа поверхности электродов 7. Наиболее заметно указанный эффект проявляется при наклонном положении перегородок 2 и 3 и электродов 7.

Одновременно с подачей раствора электролита в камеру 5 осуществляют подачу воды от распределителя 16, связанного с магистралью подвода воды (на чертеже не показано), в верхнюю часть камеры 4. Вода, поступающая в соприкасающуюся с камерой 5 камеру 4, позволяет оптимизировать температурный режим электролиза. Для случая осуществления с помощью предлагаемого устройства электрохимических реакций, протекающих с выделением тепла, в камеру 4 подают холодную воду, что способствует охлаждению электролита. Расход воды регулируется с помощью распределителя 16. Вода из камеры 4 через перфорированный участок перегородки 2 попадает в нижнюю зону камеры 5, в которой заканчивается образование готового продукта и осуществляется его вывод из камеры 5 в камеру 6.

Оптимизация температурного режима электролиза за счет выбора температуры воды, подаваемой в камеру 4, положительно сказывается на повышении выхода целевого жидкофазного продукта. Кроме того, разбавление водой раствора, содержащего смесь исходного раствора электролита и уже полученных продуктов электролиза, как показали экспериментальные исследования и практическое использование предлагаемого устройства, для ряда электрохимических процессов способствует увеличению выхода целевого жидкофазного продукта, образующегося при протекании электролиза в зоне разбавления. Степень разбавления указанного раствора водой регулируется соотношением задаваемых расходов воды в камере 4 и электролита в камере 5.

Отработанный раствор электролита и содержащиеся в нем продукты реакции поступают по трубе 11 в камеру 6, откуда они сливаются через патрубок 14.

Предложенное устройство просто по конструкции, экономично и при этом повышает эффективность осуществляемого с его помощью процесса электролиза водных растворов солей, кислот, оснований.

Формула изобретения

Устройство для проведения электролиза, содержащее корпус с установленными в нем параллельными электродами, помещенными между двумя перегородками, расположенными вдоль ряда электродов и разделяющих корпус на последовательно сообщающиеся друг с другом первичную камеру, электролизную камеру и камеру сбора готового продукта, а также приспособление для подвода в корпус исходного раствора электролита и отверстие в корпусе для слива готового раствора, отличающееся тем, что перегородка, отделяющая первичную камеру от электролизной камеры, выполнена в нижней части перфорированной, перегородка, отделяющая электролизную камеру от камеры сбора готового продукта, выполнена с переливным отверстием в нижней части, к которому подсоединена сливная труба, установленная вертикально в камере сбора готового продукта и выполненная открытой на верхнем конце, приспособление для подвода электролита установлено в верхней части электрлизной камеры, а первичная камера снабжена расположенным в ее верхней части приспособлением для подвода воды.

РИСУНКИ

Рисунок 1