Устройство для отделения ртути от каустической соды на установках производства хлора и каустика

Изобретение относится к устройству для разрушения однородности электрических контактов в потоке каустической соды, получаемой в хлорно-щелочных установках с ртутным катодом. Устройство состоит из резервуара, подразделенного внутри на три отсека двумя направляющими поток перегородками, причем три отсека сообщаются и формируют извилистый маршрут течения каустической соды, обеспечивающий благодаря эффекту центрифугирования осаждение микрокапелек ртути, выделенной в расположенной выше по потоку установке для разложения амальгамы. В предложенном устройстве для отделения ртути первый и второй отсеки соединены зоной отделения ртути, имеющей проход с суженным поперечным сечением, которое обеспечивает повышение скорости течения каустического продукта. Повышение электрической эффективности процесса электролиза растворов хлоридов щелочных металлов, а также снижение коррозионного воздействия на готовый продукт путем снижения содержания в нем ртути являются техническим результатом изобретения. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Производство хлора путем электролиза растворов хлоридов щелочных металлов, более конкретно хлорида натрия и хлорида калия (дополнительно рассола), в настоящее время проводится согласно трем различным способам, а именно с помощью ионообменной мембраны, пористой диафрагмы и способом с применением ртутного катода. Последний тип, основанный на давно известной технологии, постоянно подвергался усовершенствованиям в плане устройства электролитической ванны (Ullmann's Encyclopaedia of Industrial Chemistry, VCH, v. А6, p.416), по существу направленным на снижение расхода электрической энергии и на предотвращение попадания ртути в окружающую среду.

Проблема сокращения расхода энергии была успешно разрешена путем замены первоначальных графитовых анодов титановыми анодами, активированными в особенности эффективным покрытием, основанным на оксидах металлов платиновой группы. Активированные титановые аноды также характеризуются длительным сроком службы, который позволяет существенно сократить количество остановок электролитических ванн, довольно частых в случае применения подверженных коррозии графитовых анодов: поскольку техническое обслуживание остановленных электролитических ванн является критически важным в отношении выделения ртути в окружающую среду, польза, достигаемая с этой точки зрения, очевидна. Дальнейшее сокращение утечки ртути было обеспечено повседневным применением перекристаллизованной соли, что позволяет свести к минимуму количество загрязненного ртутью шлама, вымываемого из секции очистки рассола, хотя и было сопряжено с дополнительными расходами. Как следствие этих мер, в последнее время может быть показано, что выделение ртути из должным образом сконструированной и правильно эксплуатируемой установки не превышает 3 граммов на тонну хлорного продукта по сравнению с 10 граммами примерно десять лет назад (Ullmann's Encyclopaedia of Industrial Chemistry, VCH, v. А6, p.424).

На работающих в настоящее время установках катодный каустический продукт, обычно состоящий из каустической соды или поташа, выходящий из установок для разложения амальгамы и содержащий значительные количества ртути, графитовый порошок и водород, протекает через капельные рассекатели, состоящие из перфорированных пластин, которые обеспечивают разделение его на капельки, с целью разрушения электрической взаимосвязи, тем самым для устранения или по меньшей мере существенного сокращения блуждающих токов, которые составлены паразитными электрическими токами, разряжающими часть подаваемого на установку напряжения в землю. Блуждающие токи оказывают негативное влияние, поскольку они снижают общую электрическую эффективность процесса и, что более важно, обусловливают коррозионное воздействие, которое может быть очень серьезным. Поскольку каустический продукт содержит существенные количества ртути, захваченной в форме микрокапелек, сода или поташ, выведенные из капельных рассекателей, перед отправлением на хранение пропускаются через фильтры, содержащие активированный уголь, способный поглощать ртуть, присутствующую в них, тем самым снижая выходную концентрацию до очень низких значений, обычно удовлетворяющих техническим условиям пользователей. Такая обработка, результаты которой в плане конечного качества продукта являются безусловно положительными, создает неудобство ввиду необходимости частого обновления слоя активированного угля, который весьма быстро насыщается ртутью: эта операция, неизбежно сопряженная с ручным трудом, является опасной для здоровья операторов и создает значительные количества израсходованного угля, который должен быть подвергнут дорогостоящей утилизации.

Одна цель настоящего изобретения состоит в преодолении неудобств, связанных со способами обработки катодного каустического продукта, применяемыми в настоящее время на современных установках для производства хлора и каустика.

Эта и прочие цели достигаются с помощью устройства согласно прилагаемым пунктам формулы изобретения.

Устройство для отделения ртути согласно изобретению включает капельный рассекатель из прототипа, встроенный по существу в вертикальный резервуар, оснащенный нижней секцией, пригодной для проведения первого разделения путем отцентрифугирования ртути, присутствующей в каустическом продукте, вышедшем из установки для разложения амальгамы; центрифугирование достигается с помощью вертикальной направляющей перегородки, концевые части которой образуют канал с суженным сечением с резким изменением направления течения. Резервуар подразделен направляющими перегородками на три сообщающихся отсека, расположенных с образованием извилистого маршрута течения, один из которых на стороне выхода каустического продукта оснащен капельным рассекателем, и либо центральный отсек, либо отсек на стороне входа каустического продукта необязательно снабжен внутренним фильтром, способным производить второе отделение ртути.

В одном предпочтительном варианте осуществления внутренний фильтр включает слой активированного угля или металлических фрагментов, необязательно состоящих из смачиваемого ртутью металла, например железа, углеродистой стали или никеля.

Нижняя часть центрального отсека или отсека со стороны входа каустической соды в резервуаре предпочтительно оснащена детектором плотности каустического продукта, включающим датчик давления.

Для лучшего понимания изобретение дополнительно будет описано с использованием сопроводительных чертежей, имеющих примерное и неограничивающее назначение:

- фиг.1 - схема продольного разреза электролитической ванны с ртутным катодом, оснащенной устройством согласно изобретению;

- фиг.2 - трехмерное изображение одного предпочтительного варианта осуществления устройства согласно изобретению.

Впоследствии для простоты будет упоминаться электролитическая ванна для производства хлора и каустической соды, но понятно, что существенные признаки изобретения применимы к общеупотребительной хлорно-щелочной электролитической ванне с ртутным катодом. Фиг.1 показывает электролитическую ванну 1, оснащенную необходимыми вспомогательными компонентами. В частности, 2 представляет плоские аноды, соединенные с положительным полюсом выпрямительного устройства (не показано), изготовленные из титана, снабженные каталитическим покрытием для выделения хлора, основанным на оксидах металлов платиновой группы, как известно в технологии, 3 представляет уровень слоя рассола, подаваемого со стороны 4 и выпускаемого в сторону 5, 6 представляет точку выведения хлора как продукта, 7 представляет пленку ртути в рециркуляции с помощью насоса 12, свободно протекающей по дну электролитической ванны, соединенному с отрицательным полюсом выпрямительного устройства, 8 представляет установку для разложения амальгамы, оснащенную входным патрубком для воды 9 (требуемой для разложения амальгамы, поступающей из электролитической ванны на слой внутреннего катализатора) и выходными патрубками для двух продуктов, соответственно 10 для каустической соды и 11 для водорода, 15 представляет устройство согласно изобретению, 26 представляет конечный фильтр для поглощения остаточной ртути, 27 представляет поток очищенной каустической соды, выводимой на хранение с помощью насоса 25.

Устройство согласно изобретению 15 также представлено подробнее на фиг.2, которая показывает трехмерный вид варианта исполнения резервуара в виде параллелепипеда, подразделенного двумя вертикальными перегородками 16 и 20 на три сообщающихся внутренних отсека, расположенных с образованием извилистого маршрута течения для полученной каустической соды: на чертеже резервуара для лучшего рассмотрения внутренних деталей была убрана стенка. В частности, каустическая сода 10, полученная в установке для разложения амальгамы 8, типично содержащая от 5 до 10 мг/кг (5-10 ppm) ртути, графитовый порошок и водород, подается в первый отсек, образованный перегородкой 16, через сопло, вставленное в верхнюю часть устройства, как показано на фиг.1 и 2. Согласно одному альтернативному варианту осуществления (не показан) сопло вставлено в нижнюю часть первого отсека, и в этом случае оно соединено с сегментом внутренней трубы, наружный край которой располагается на уровне верхней части отсека. Для обоих вариантов исполнения подающего сопла большая часть водорода отделяется во всяком случае в газовой камере, соответствующей верхней части отсека, и каустическая сода перетекает вниз, пока не достигнет нижнего края перегородки, расстояние от которой до уровня отделенной ртути 18 регулируется так, чтобы сформировать проход с суженным сечением: это обусловливает повышение скорости с одновременным резким поворотом в направлении течения (что показано стрелками), поскольку каустическая сода вынуждена протекать от второй перегородки 20 в сторону верхней части второго отсека. Повышение скорости в совокупности с изменением направления потока, в сочетании с различной плотностью ртути, графита и каустической соды, определяет первое существенное отделение ртути и графитового порошка. Поэтому устройство согласно изобретению действует в этой части как устройство со статическим центрифугированием. Испытания, проведенные авторами изобретения, показали, что путем надлежащего подбора размеров устройства согласно изобретению графитовый порошок практически полностью отделяется, в то время как остаточное количество ртути сокращается до уровня почти 0,5-1 ppm. После отделения ртуть и графитовый порошок 18 извлекаются в точке 19 и выпускаются вниз к перерабатывающей установке. Каустическая сода может вытекать, двигаясь вверх по второму отсеку (центральному отсеку, расположенному между вертикальными перегородками 16 и 20) через необязательный внутренний фильтр 17, содержащий слой активированного угля, способного поглощать ртуть, как известно в технологии: с таким слоем содержание ртути еще больше сокращается до уровня около 0,2-0,3 ppm.

Таким образом, количество ртути, которое должно быть уменьшено в конечном наружном фильтре 26, установленном ниже по течению, составляет гораздо меньшее значение, чем типичное 5-10 ppm на установках прототипа, с преимущественным результатом, состоящим в значительно увеличенной длительности работы наряду со снижением количества активированного угля, который требуется убирать.

Тем не менее испытание показало, что внутренний фильтр 17, содержащий активированный уголь, характеризуется значительным падением давления, что делает критически важным уровень давления каустической соды, подаваемой в устройство: эта ситуация не применима к системе выпуска каустической соды, так как наружный фильтр 26 расположен ниже по потоку от нагнетательного насоса 25.

Поэтому испытание было распространено на поиск пригодных материалов для поглощения ртути в слоях с низким падением давления для замены активированного угля; было найдено, что слои, состоящие из металлических фрагментов, смачиваемых ртутью, являются особенно эффективными: типичными примерами являются железо, малоуглеродистая сталь и никель, причем малоуглеродистая сталь является предпочтительной с точки зрения стоимости.

Согласно одному альтернативному варианту исполнения внутренний фильтр может быть установлен в первом отсеке: в этом случае наблюдается эффективное слияние микрокапелек ртути с последующим более легким отделением таковой с помощью центрифугирования в следующей нижней части отсека, даже если насыщение фильтра является более быстрым.

Повышение скорости в секции суженного прохода, образованного перегородкой 16, также начинает слияние микропузырьков остаточного водорода, который после дальнейшего слияния под воздействием фильтра 17 может быть выделен в газовой камере, соответствующей верхней части отсека.

После прохождения через поглотительный слой каустическая сода перетекает на уровне верхней кромки перегородки 20 и стекает в нижнюю часть третьего отсека (отсек на стороне выпуска), будучи разделенной на капельки 22 благодаря перфорированной пластине или капельному рассекателю 21: разделение на капельки является необходимым, как упомянуто выше, чтобы разрушить однородность электрических контактов в потоке каустической соды. Этот контур фактически представляет возможный маршрут блуждающих токов к земле, совпадая с точками заземления 28 не связанных с электроснабжением устройств установки.

Каустическая сода 23, выходящая из донной части третьего отсека, подается насосом 25 на фильтр с активированным углем 26, где концентрация ртути достигает конечного значения примерно 0,1 ppm, и затем на хранение в качестве товарного продукта 27. Водород, отделенный в верхней части отсеков, выводится через трубопроводы фиг.1 в коллектор для основного потока водорода 11, выходящего из установки для разложения амальгамы.

Фиг.2 показывает извлечение отделенного водорода согласно альтернативному варианту исполнения, в котором первая перегородка 16 в своей верхней части снабжена отверстием 29 для компенсации давления, создающим сообщение между верхними частями первого и второго отсеков. Этим путем водород 11, отделенный от каустической соды, может быть подан в коллектор через одиночный трубопровод.

Испытания, проведенные на установке, позволили выяснить наиболее подходящие размеры для различных секций устройства. В частности, согласно предпочтительному варианту осуществления оказалось, что для способствования первому отделению ртути первый и второй отсеки устройства должны быть соединены зоной разделения, имеющей поперечное сечение, не превышающее 50%, и более предпочтительно от 5 до 20% от поперечного сечения первого отсека. Некоторые типично предпочтительные размеры приведены ниже:

- мощность электролитической ванны: 200 кА,

- скорость потока 50%-ной каустической соды на входе в устройство: 600 кг/час,

- высота устройства: 800 мм,

- сечение устройства: 500 мм × 400 мм,

- сечение первого отсека (отсек на стороне входа): 80 мм × 400 мм,

- сечение суженного прохода из первого отсека во второй: 5 мм × 400 мм,

- сечение второго отсека (центральный отсек): 100 мм × 400 мм,

- сечение третьего отсека (отсек на стороне выпуска): 320 мм × 400 мм.

Устройство согласно изобретению изготовлено из электрически изолирующих материалов, предпочтительно необязательно армированных пластических материалов, выбранных из группы, состоящей из полициклопентадиена (например, производимого фирмой BF Goodrich под торговым наименованием Telene^®), хлорированного поливинилхлорида (PVCC), поливинилхлорида (PVC), полипропилена и метилметакрилатов, причем для последних трех каустическая сода должна быть охлаждена перед введением в устройство.

На фиг.2 устройство согласно изобретению показано в виде параллелепипеда: тем не менее, как будет очевидно специалисту в этой области техники, могут быть использованы другие формы: например, устройство может состоять из цилиндрического резервуара, содержащего две внутренние трубы, действующие в качестве перегородок, причем две трубы и резервуар скомпонованы коаксиально. В этом случае каустическая сода предпочтительно подается по внутренней трубе и выпускается из цилиндрического венца, образованного поверхностями резервуара и наружной трубы: самый внутренний цилиндрический венец, расположенный между стенками двух труб, заключает в себе слой активированного угля или металлических фрагментов.

В особенно предпочтительном варианте исполнения нижняя часть второго отсека (центрального отсека) устройства согласно изобретению оснащается датчиком давления (24 на фиг.1 и 2), включающим трубку, имеющую открытую верхнюю концевую часть, сообщающуюся с потоком каустической соды и датчиком давления, например пьезоэлектрическим датчиком, обеспечивающим непрерывное слежение за весом гидравлического напора, создаваемого объемом каустической соды, присутствующей в отсеке: надлежащее корректирование измеряемых значений как функции температуры и давления в верхней части отсека позволяет точно определять плотность каустической соды и тем самым соответствующую концентрацию и вмешиваться с должной регулировкой скорости течения воды 9, подаваемой в установку для разложения амальгамы 8.

Вышеприведенное описание не предполагает ограничения изобретения, которое может быть реализовано согласно различным вариантам исполнения без выхода за рамки такового и область которого однозначно определена прилагаемыми пунктами формулы изобретения.

На протяжении описания и пунктов формулы изобретения термин «включать» и вариации такового, такие как «включающий» и «включает», не предполагают исключения присутствия других элементов или добавок.

1. Устройство для отделения ртути для установок производства хлора и каустика, включающее резервуар, разделенный двумя направляющими перегородками на первый отсек с впуском каустического продукта, второй центральный отсек и третий отсек с выпуском каустического продукта, расположенными так, чтобы сформировать извилистый маршрут течения указанного каустического продукта, причем указанный первый и указанный второй отсеки соединены зоной отделения ртути, имеющей проход с суженным поперечным сечением, которое обеспечивает повышение скорости течения каустического продукта.

2. Устройство по п.1, в котором указанное суженное поперечное сечение не превышает 50% от поперечного сечения указанного первого отсека.

3. Устройство по п.1, в котором указанное суженное поперечное сечение составляет от 5 до 20% от поперечного сечения указанного первого отсека.

4. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором указанный резервуар представляет собой параллелепипед.

5. Устройство по любому из пп.1-3, в котором указанный резервуар представляет собой цилиндр и указанные две перегородки представляют собой трубы, причем указанный цилиндр и указанные трубы расположены коаксиально.

6. Устройство по любому из пп.1-3, в котором указанные первый, второй и третий отсеки снабжены верхней частью, формирующей газовую камеру, пригодную для отделения водорода.

7. Устройство по любому из пп.1-3, дополнительно включающее по меньшей мере один фильтр.

8. Устройство по п.7, в котором указанный по меньшей мере один фильтр установлен в указанном втором отсеке.

9. Устройство по п.7, в котором указанный по меньшей мере один фильтр установлен в указанном первом отсеке.

10. Устройство по п.7, в котором указанный по меньшей мере один фильтр содержит активированный уголь, пригодный для поглощения ртути.

11. Устройство по п.7, в котором указанный по меньшей мере один фильтр содержит фрагменты металла, смачиваемого ртутью.

12. Устройство по п.11, в котором указанный металл выбирается из группы, состоящей из железа, малоуглеродистой стали и никеля.

13. Устройство по любому из пп.1-3, дополнительно включающее детектор плотности, установленный в нижней части указанного первого или указанного второго отсека.

14. Устройство по п.13, в котором указанный детектор плотности включает датчик давления для измерения гидравлического напора указанного каустического продукта.

15. Устройство по любому из пп.1-3, в котором указанный третий отсек включает капельный рассекатель, установленный в его внутренней части.

16. Устройство по п.15, в котором указанный капельный рассекатель представляет собой перфорированную пластину.

17. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что оно изготовлено из электрически изолирующего материала, выбранного из группы, состоящей из полициклопентадиена, хлорированного поливинилхлорида, поливинилхлорида, полипропилена и метилметакрилатов.

18. Установка для хлорно-щелочного электролиза с ртутным катодом, включающая по меньшей мере одно устройство по любому из предшествующих пунктов.

19. Способ хлорно-щелочного электролиза, включающий электролиз щелочного рассола в установке по п.18 с получением каустического продукта, содержащего ртуть, графитовый порошок и водород, подачу указанного каустического продукта в указанный первый отсек указанного по меньшей мере одного устройства, последующее введение указанного каустического продукта в указанный извилистый маршрут течения, выведение указанного каустического продукта из указанного третьего отсека с отделением указанного водорода в верхней части названных отсеков, по меньшей мере частичное отделение названной ртути и указанного графитового порошка с помощью эффекта центрифугирования в названной зоне отделения с суженным поперечным сечением, которое обеспечивает повышение скорости течения каустического продукта; необязательно дальнейшее отделение названной ртути и указанного графитового порошка путем фильтрования внутри или снаружи указанного по меньшей мере одного устройства.