Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролита
Изобретение относится к устройствам для электрохимической обработки водных растворов и может быть использовано в процессах электрохимического получения различных химических продуктов путем электролиза водных растворов, в частности смеси оксидантов при электролизе водного раствора хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов. Модульная ячейка, содержащая цилиндрические основной и противоэлектрод, установленные вертикально, а также керамическую диафрагму, размещенную коаксиально основному электроду и разделяющую межэлектродное пространство на герметичные анодную и катодную камеры с приспособлениями для подачи обрабатываемых жидкостей и отвода жидкостей и газов, дополнительно снабжена верхними и нижними заглушками, при этом ячейка содержит один или несколько основных вертикальных электродов и более одного противоэлектрода, при этом основные электроды являются катодами, а противоэлектроды - анодами, и аноды закреплены в верхней и нижней заглушках, диафрагмы закреплены или на заглушках, или на катодах, и ячейка снабжена корпусом, на верхней и нижней частях которого также установлены заглушки. Повышение производительности ячейки по анодным продуктам, за счет сокращения установки вспомогательных коммуникаций, компактность и простота устройства обеспечивают расширение ее функциональных возможностей, что является техническим результатом. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область применения
Изобретение относится к области химической технологии, в частности к устройствам для электрохимической обработки растворов электролитов, и может быть использовано в процессах электрохимического получения различных химических продуктов путем электролиза водных растворов, в частности в процессе получения смеси оксидантов при электролизе водного раствора хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов. Смесь оксидантов может быть использована в процессах очистки и обеззараживания воды, 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.
Предшествующий уровень техники
В прикладной электрохимии для проведения электрохимических процессов, таких как электролитическое получение различных продуктов или обработка воды и/или водных растворов, используются проточные диафрагменные электролизеры различных конструкций, содержащие как плоские электроды с установленной между ними плоской диафрагмой, так и коаксиально расположенные цилиндрические электроды с коаксиально размещенной между ними диафрагмой. Такие электролизеры обычно проектируются с фиксированной производительностью по целевым продуктам.
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.
Наиболее близкой по технической сути и достигаемому результату является электрохимическая модульная ячейка, 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, нижнее и верхнее герметизирующие приспособления, приспособления для подачи обрабатываемых жидкостей в катодную и анодную камеры и приспособления для отвода жидкостей и газов из анодной и катодной камер (см. патент США №5635040, C02F 1/461, 03.06.97).
Это техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Обработка раствора электролита или воды производится при однократном или многократном (с использованием внешнего циркуляционного контура) протоке обрабатываемого раствора через электродные камеры ячейки снизу вверх. Устройства требуемой производительности изготавливают из необходимого количества электрохимических модульных ячеек.
При использовании известной электрохимической модульной ячейки достигается эффективная обработка растворов электролитов при низком расходе энергии. Устройство достаточно просто в эксплуатации, сравнительно легко объединяется в блоки, представляющие собой проточные диафрагменные электрохимические реакторы заданной производительности (мощности).
Однако известное устройство обладает рядом недостатков.
В известном решении электроды и диафрагма выполнены цилиндрическими и закреплены в специальных диэлектрических втулках и головках, причем последние установлены с возможностью поворота. Во втулках и головках выполнены каналы для подачи в электродные камеры и отвода из них обрабатываемого водного раствора. В техническом решении указаны предпочтительные размеры ячейки. Такое выполнение сравнительно сложно, требует сопряжения большого количества деталей, при этом предъявляются требования по сохранению герметичности ячейки, что требует использования значительного количества уплотняющих деталей.
Кроме того, известная ячейка может быть выполнена в узком диапазоне размеров, и, как результат, обладает сравнительно небольшой производительностью. При создании модульных электролизеров высокой производительности необходимо использовать значительное количество ячеек и при этом возникает необходимость применения внешних циркуляционных контуров, с помощью которых осуществляется отделение электролизных газов и возврат раствора электролита в электродные камеры. При этом возникают трудности с обеспечением равномерного распределения потока возвращаемого раствора электролита в электродные камеры электрохимических модульных ячеек, объединенных в блок, т.е. в электрохимический реактор большой мощности. Это обусловлено влиянием капиллярных сил и различиями гидравлического сопротивления узких концентрически расположенных электродных камер ячеек при интенсивном газовыделении на электродах.
Недостатком известной ячейки также является тот факт, что она работает преимущественно при фиксированном подключении электродов таким образом, что основной электрод, расположенный внутри диафрагмы является анодом, а внешний противоэлектрод - катодом. Это связано с тем, что имеются значительные трудности при нанесении анодных электрокаталитических покрытий на внутреннюю поверхность трубчатых электродов. Кроме того, в известной электрохимической ячейке, работающей при силе тока 8-10 A и на концентрированных (более 10 г/л) хлоридных растворах, невозможно регулировать состав и свойства католита, а также его чистоту (количество хлоридов, попадающих в католит). За счет интенсивного газовыделения в анодной камере герметичность камер ячейки со временем может нарушаться, что приводит к ухудшению показателей работы реактора на основе электрохимических модульных ячеек.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является обеспечение возможности повышения производительности ячейки по анодным продуктам, при упрощении конструкции ячейки и обеспечении возможности компоновки требуемого количества ячеек в меньшем пространстве, упрощение узлов фиксации элементов ячейки при одновременном повышении надежности, упрощение конструкции реакторов большой мощности за счет сокращения вспомогательных коммуникаций, а также расширение функциональных возможностей ячейки, которое достигается за счет обеспечения возможности регулирования свойств католита и анолита и повышения чистоты получаемых продуктов.
Указанный результат достигается тем, что в электрохимической модульной ячейке для обработки растворов электролитов, содержащей цилиндрический 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, нижнее и верхнее герметизирующие приспособления, приспособления для подачи обрабатываемых жидкостей в катодную и анодную камеры, приспособления для отвода жидкостей и газов из анодной и катодной камер, верхнее и нижнее герметизирующие приспособления выполнены в виде заглушек, и ячейка содержит один или несколько основных вертикальных электродов и более одного противоэлектрода (по отношению к каждому основному электроду), причем основные электроды являются катодами, а противоэлектроды - анодами. Аноды в ячейке закреплены в верхней и нижней заглушках, диафрагмы закреплены или на заглушках, или на катодах, и ячейка снабжена корпусом, на верхней и нижней частях которого установлены заглушки. Во внутреннем пространстве корпуса размещены электроды, которые установлены в вершинах и центре одного или нескольких правильных многоугольников, вписанных в плоскость поперечного сечения корпуса. В центре каждого правильного многоугольника установлен катод и диафрагма, а в вершинах многоугольника - аноды.
Аноды могут быть выполнены полыми и снабженными приспособлениями для подачи и отвода теплоносителя, которые соединены соответственно с нижними и верхними торцами анодов.
Катод в ячейке может быть выполнен из металла или графита.
Катод может быть выполнен трубчатым и дополнительно содержать приспособления для подачи и отвода теплоносителя, соединенные соответственно с торцами катода.
Также, при трубчатом выполнении катода, на поверхности катода могут быть выполнены перфорационные отверстия, и приспособления для подачи обрабатываемой жидкости в катодную камеру и приспособления для отвода жидкостей и газов из катодной камеры могут быть соединены соответственно с нижним и верхним торцами катода.
Заглушки и корпус ячейки могут быть выполнены из диэлектрического кислото-щелочестойкого материала или из металла, при этом внутренняя поверхность деталей из металла покрыта слоем диэлектрического кислото-щелочестойкого материала.
В плоскость поперечного сечения корпуса может быть вписан один правильный многоугольник с числом вершин 3-12 или несколько плотноупакованных правильных многоугольников, каждый из которых является или равносторонним треугольником, или квадратом, или шестиугольником.
Диафрагма ячейки должна быть выполнена из кислото-щелочестойкой наноструктурированной ультрафильтрационной керамики.
Благодаря тому, что в электрохимической модульной ячейке для обработки растворов электролитов, содержащей 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, нижнее и верхнее герметизирующие приспособления выполнены в виде заглушек и ячейка содержит один или несколько основных вертикальных электродов и более одного противоэлектрода (по отношению к каждому основному электроду), причем основные электроды являются катодами, а противоэлектроды - анодами, появляется возможность увеличить производительность ячейки по анодным продуктам и разместить большее количество электродов в меньшем пространстве, что также ведет к сокращению числа и протяженности вспомогательных коммуникаций при объединении ячеек в реакторы.
Аноды в ячейке закреплены в верхней и нижней заглушках, а диафрагмы закреплены или на заглушках, или на катодах. Это позволяет упростить процесс изготовления ячейки. То, что ячейка снабжена корпусом, на верхней и нижней частях которого установлены заглушки, позволяет повысить безопасность ячейки, так как в этом случае, в отличие от прототипа, внешняя поверхность ячейки не является электродом. Электроды размещены во внутреннем пространстве корпуса и установлены в вершинах и центре одного или нескольких правильных многоугольников, вписанных в плоскость поперечного сечения корпуса. В центре каждого правильного многоугольника установлен катод и диафрагма, а в вершинах многоугольника - аноды. Такое выполнение позволяет обеспечить постоянство расстояния между электродами и диафрагмой при любых возможных перепадах давления, поддерживать стабильность работы ячейки. При этом тот факт, что число анодов превышает число катодов, позволяет направленно изменять свойства растворов, получаемых при электролизе, и, в частности, повысить концентрацию католита при электролизе растворов хлоридов щелочных металлов. Кроме того, такое выполнение позволяет, регулируя параметры электролиза, повысить чистоту католита за счет предотвращения загрязнения его избыточным содержанием хлоридов. Выполнение анодов полыми и снабжение их приспособлениями для подачи и отвода теплоносителя, соединенными соответственно с нижними и верхними торцами анодов, позволяет интенсифицировать процесс электролиза за счет отвода избыточного тепла. Такое решение для отвода тепла из анодной камеры является оптимальным, однако система отвода тепла из анодной камеры может быть конструктивно выполнена иначе, например в виде расположенных в анодной камере полых трубок, соединенных со средствами подачи и отвода теплоносителя, или снабжение корпуса охлаждающей рубашкой, или каким-либо иным образом. В зависимости от условий решаемой задачи теплоноситель может быть направлен прямотоком или противотоком по отношению к движению обрабатываемого в анодной камере электролита.
Приспособления для подачи обрабатываемых жидкостей в катодную и анодную камеры и приспособления для отвода жидкостей и газов из анодной и катодной камер могут быть установлены как на герметизирующих приспособлениях, так и на боковых поверхностях корпуса. Выбор конструктивного выполнения определяется требуемой производительностью и пространственными ограничениями размещения ячеек.
Катод в ячейке может быть выполнен из металла или графита. Выбор материала катода определяется условиями решаемой задачи, то есть требованиями к оптимизации протекающего электрохимического процесса, и зависит как от состава электролита, так и от требований к виду и качеству получаемых продуктов.
Конструктивно катод также может быть выполнен различно. Например, катод может быть выполнен трубчатым и дополнительно содержать приспособления для подачи и отвода теплоносителя, соединенные соответственно с торцами катода. Это позволяет интенсифицировать процесс электролиза за счет отвода избыточного тепла, образующегося на катоде. В зависимости от условий решаемой задачи теплоноситель может быть направлен прямотоком или противотоком по отношению к движению обрабатываемого в катодной камере электролита.
В зависимости от требований к организации процесса обработки могут быть применены различные приемы подачи обрабатываемого электролита в катодную камеру. При выполнении катода трубчатым, на поверхности катода могут быть выполнены перфорационные отверстия, при этом приспособления для подачи обрабатываемой жидкости в катодную камеру и приспособления для отвода жидкостей и газов из катодной камеры могут быть соединены соответственно с нижним и верхним торцами катода. Такое выполнение целесообразно применять в условиях, когда необходимо организовать эффективную циркуляцию католита в катодной камере ячейки за счет газлифта. В этом случае также целесообразно использовать различные конструктивные приемы, интенсифицирующие отвод выделяющихся электролизных газов, например отверстия могут быть снабжены козырьками, расположенными в верхней части отверстий по ходу движения раствора в камере.
Заглушки и корпус ячейки могут быть выполнены из различных материалов. Они могут быть выполнены из диэлектрического кислото-щелочестойкого материала, например стекла, керамики, фторопласта, поливинилхлорида, полипропилена. Они также могут быть выполнены из металла, при этом внутренняя поверхность деталей корпуса и заглушек должна быть покрыта слоем диэлектрического кислото-щелочестойкого материала. Материал для изготовления деталей корпуса и заглушек определяется условиями решаемой задачи. Использование диэлектриков целесообразно при конструировании ячеек, содержащих сравнительно небольшое количество электродов, например одного катода и трех-шести, в некоторых случаях (при использовании электродов сравнительно небольших диаметров) до двенадцати анодов. В случае конструирования ячейки с большим количеством электродов или ячейки, корпус которой имеет сложную форму, целесообразно использовать прочные материалы, облегчающие создание деталей сложной формы, например металл, защищенный от воздействия агрессивной среды изолирующим покрытием.
В плоскость поперечного сечения корпуса может быть вписан один правильный многоугольник с числом вершин 3-12 или несколько плотноупакованных правильных многоугольников, каждый из которых является или равносторонним треугольником, или квадратом, или шестиугольником.
Количество электродов, их размер (и, соответственно, выбор закономерности, по которой они размещены внутри корпуса) также определяется условиями решаемой задачи.
При конструировании ячейки с одним катодом число анодов может составлять от трех до двенадцати. Число анодов не может быть менее трех, так как иначе невозможно обеспечить сравнительную равномерность электрического поля (и характеристик процесса электролиза). Число анодов нецелесообразно увеличивать свыше двенадцати, так как это потребует либо увеличения внешнего диаметра ячейки, что в свою очередь приведет к увеличению межэлектродного расстояния, возможным нарушениям гидравлического режима движения электролита, либо размещения анодов с малыми зазорами между собой, что приведет к неравномерности распределения плотности тока по поверхности анодов.
При конструировании ячейки с числом катодов более одного число анодов будет определяться выбором закономерности их размещения. В этом случае электроды располагаются в центре (катоды) и по вершинам (аноды) нескольких плотноупакованных правильных многоугольников, расположенных в поперечном сечении корпуса. Эти правильные многоугольники являются или равносторонним треугольником, или квадратом, или шестиугольником. Использование иных условно вписанных многоугольников в плоскость сечения корпуса нецелесообразно, так как не может обеспечить плотную упаковку многоугольников на плоскости. Вид многоугольников - равносторонний треугольник, квадрат или равносторонний шестиугольник - выбирается в зависимости от выбранной формы поперечного сечения корпуса и условий решаемой задачи - требований к процессу электролиза и требований к материалам корпуса и фланцевых заглушек.
Диафрагма ячейки должна быть выполнена из кислото-щелочестойкой наноструктурированной ультрафильтрационной керамики. Диафрагма может быть выполнена из керамики на основе оксидов металлов, в частности на основе оксида алюминия, и может содержать различные добавки, в том числе добавки оксидов циркония, иттрия, ниобия, тантала, титана, гадолиния и гафния. При этом диафрагма выполняется ультрафильтрационной.
Такая диафрагма является устойчивой к агрессивной среде, в которой протекают электрохимические процессы, обладает постоянством размеров и характеристик.
Краткое описание фигур чертежей
Основные детали ячейки согласно изобретению представлены на фиг.1 и 2.
На фиг.1 показана верхняя часть ячейки, содержащей один катод и четыре анода.
На фиг.2 представлено поперечное сечение корпуса ячейки, содержащей катоды и аноды, распределенные в поперечном сечении ячейки соответственно по центрам и по вершинам плотноупакованных правильных шестиугольников, вписанных в поперечное сечение корпуса.
На фиг.3 представлена схема установки для получения смеси оксидантов, в соответствии с которой производились сравнительные испытания ячейки по настоящему изобретению и ячейки по прототипу.
Электрохимическая модульная ячейка для обработки водных растворов (фиг.1) содержит вертикальные цилиндрические внутренний полый катод 1 и четыре анода 2. Катод 1 и аноды 2 размещены соответственно в центре и в вершинах квадрата, вписанного в поперечное сечение корпуса 3. На верхнем торце корпуса 3 установлена герметизирующая заглушка 4. На герметизирующей заглушке 4 закреплены катод 1, аноды 2 и диафрагма 5. Диафрагма 5 разделяет межэлектродное пространство на анодную 6 и катодную 7 камеры. На верхней заглушке также размещено приспособление для отвода жидкостей и газов из анодной камеры приспособления для отвода жидкостей и газов из катодной камеры соединено с полостью катода 1 (на чертеже не показаны).
На нижнем торце установлена заглушка, выполненная аналогично верхней заглушке, на которой закреплены катод 1, аноды 2, диафрагма 5, приспособление для подачи обрабатываемых жидкостей в анодную камеру 6 и приспособление для подачи обрабатываемых жидкостей в катодную камеру 7, соединенное с полостью катода 1 (на чертеже не показано). Катод 1 выполнен с перфорационными отверстиями 8, обеспечивающими поступление обрабатываемой жидкости в пространство между наружной поверхностью катода 1 и внутренней поверхностью диафрагмы 5.
Ячейка работает следующим образом.
Через приспособление для подачи обрабатываемых жидкостей в катодную камеру 7, соединенную с полостью катода 1 в его нижней части, поступает вода, а через приспособление для подачи обрабатываемых жидкостей в анодную камеру 6, размещенное на нижней герметизирующей заглушке (на чертеже не показаны), поступает обрабатываемая жидкость - например, раствор хлорида натрия.
В катодной камере 7 вода заполняет полость катода 1 и через отверстия 9 поступает в пространство между диафрагмой 5 и наружной поверхностью катода 1, то есть в катодную камеру 7. Поступление воды в катодную камеру 7 прекращают после ее заполнения. После подачи напряжения на внешней поверхности катода 1 начинается выделение газа (газообразного водорода), и газовые пузырьки увлекают католит (жидкость, находящуюся в катодной камере) вверх. В случае, если перфорационные отверстия 8 расположены только в верхней и только в нижней частях катода 1, то через нижние отверстия 8 католит поступает в пространство между диафрагмой 5 и внешней поверхностью катода 1, а через верхние отверстия 8 выводится во внутреннюю полость катода 1 и удаляется из ячейки. Так как на внутренней поверхности электролиз не идет, то католит просто заполняет внутреннее пространство полого электрода и, поскольку он менее насыщен газовыми пузырьками и имеет большую кажущуюся плотность, возникает медленная циркуляция католита в камере полого катода 1. Если перфорационные отверстия 8 расположены по винтовой линии по всей поверхности катода 1, то часть пузырьков водорода из пространства между внешней поверхностью катода 1 и внутренней поверхностью диафрагмы 5 проникает во внутреннюю полость катода 1, где происходит их коалесценция, сопровождающаяся значительным ускорением циркуляции во внутренней полости катода 1 за счет разделения газовой и жидкой фазы. Пузырьки водорода движутся вверх в то время, как жидкость, освобожденная от газовой фазы, перемещается вниз и поступает в рабочее пространство электрода 1 через нижние перфорационные отверстия.
В анодную камеру 6 анодов 2 электролит (например, раствор хлорида натрия) поступает на обработку через приспособление для подачи обрабатываемых жидкостей в анодную камеру, размещенное на нижней герметизирующей заглушке (на чертеже не показано), и, пройдя анодную камеру 6 снизу вверх, выводится через приспособление для отвода жидкостей и газов из анодной камеры 6. Циркуляция электролита в анодной камере 6 осуществляется за счет конвективного движения электролита под действием выделяющихся на анодах 2 газов, в частности хлора и в небольших количествах - кислорода. В процессе работы ячейки ионы металла (в частности, натрия) из анодной камеры 6 под действием электрического тока переходят через диафрагму в катодную камеру 7 и образуют раствор гидроксида натрия.
Варианты осуществления изобретения
Изобретение иллюстрируется следующими примерами, которые, однако, не исчерпывают всех возможностей реализации изобретения.
Во всех примерах использовалась ячейка, содержащая 7 катодов и 24 анода, которые установлены в соответствии со следующим правилом: в поперечное сечение корпуса ячейки, выполненной из трубы ХПВХ, с внутренним диаметром 200 мм вписаны 7 правильных шестиугольников, по их центрам установлены катоды из стальной трубы 12X18H10T, внешним диаметром 16 мм с толщиной стенки 1,5 мм, окруженные диафрагмой толщиной 2,5 мм, с наружным диаметром 28 мм, выполненной из керамики на основе оксида алюминия (Al2O3). Аноды выполнены из титановой трубы марки BT1-00 с нанесенным на ее поверхность электрокаталитическим покрытием OPTA. Межэлектродные расстояния составляют 12 мм, при этом внешний диаметр анода равен 16 мм при толщине стенки трубы 1 мм. Во внутренние полости анодов подавался теплоноситель - вода - с расходом 20 литров в час через каждый анод. Теплоноситель подавался прямотоком по отношению к обрабатываемому раствору электролита. На поверхности катода по всей его высоте между входными и выходными отверстиями расположено девять отверстий с шагом 30 мм по винтовой линии. Корпус и герметизирующие заглушки выполнены из хлорированного поливинилхлорида (ХПВХ). Приспособления для подачи обрабатываемых электролитов в катодную и анодную камеры и приспособления для отвода жидких и газообразных продуктов электролиза из анодной и катодной камер (штуцеры) установлены на герметизирующих заглушках.
В примерах использовалась установка, схема которой приведена на фиг.3.
Установка для получения смеси оксидантов (фиг.3) содержит реактор 9, выполненный из модульных ячеек или ячейки. Ячейки или ячейка содержат анодную 6 и катодную 7 камеры. Установка также содержит емкость с обрабатываемым раствором 10, насос 11, циркуляционный контур катодной камеры 7 с разделительной емкостью 12, линию подачи обрабатываемого раствора 13 в анодную камеру 6, линию отвода католита 14, линию вывода смеси оксидантов 15 с установленным на ней регулятором давления «до себя» 16, линию отвода газожидкостной смеси (водорода и католит) 17 с установленным на ней первичным сепаратором 18.
После вывода на рабочий режим установка работает следующим образом.
Из емкости 10 с помощью насоса 11 концентрированный раствор хлорида натрия подается в анодную камеру ячейки или ячеек реактора 9. С помощью насоса 11 и регулятора давления 16 поддерживается превышение давления в анодной камере 6 по сравнению с катодной камерой 7. Скорость подачи раствора определяется скоростью срабатывания раствора хлорида натрия в анодной камере 6. Газообразная смесь оксидантов через регулятор давления 16 по линии 15 выводится из анодной камеры 6. В катодной камере 7 осуществляется циркуляция католита по замкнутому циркуляционному контуру. Газожидкостная смесь - водород и католит - через линию 17 выводятся из катодной камеры 7. В первичном сепараторе 18 происходит отделение водорода от католита, после чего водород выводится из системы, а католит поступает в емкость 12 циркуляционного контура. Избыток католита отводится из емкости 12 по линии 14. При выполнении установки с ячейкой по прототипу на фиг.3. не показаны линии подвода и отвода теплоносителя в полости анодов.
Пример 1. В установку для получения оксидантов в соответствии с фиг.3, реактор которой содержит одну ячейку, выполненную согласно настоящему изобретению, подавался раствор хлорида натрия концентрацией 300 г/л. Точно такой же раствор подавался в реактор установки с ячейками, изготовленными по патенту США №5635040 (прототип). Для обеспечения одинаковой производительности установка содержала 16 ячеек по прототипу.
При суммарной одинаковой силе тока, расходуемой на электролиз и равной 400 ампер, производительность обеих установок по газообразному хлору составляла 500 граммов в час. При этом установка с ячейкой по изобретению потребляла в час 2,94 литра солевого раствора, в то время как установка с 16 ячейками по прототипу - 3,5 литров в час. Концентрация гидроксида натрия в католите из установки с ячейкой по изобретению составляла 194 г/л, а из установки с 16 ячейками по прототипу - 163 г/л, что говорит о более полном использовании соли в установке с ячейкой по изобретению.
Напряжение на электрохимической ячейке реактора установки с ячейкой по изобретению составляло в процессе работы 4,3 B, в то время как напряжение на ячейках по прототипу в установке напряжение было 4,7 B. Следовательно, затрачиваемая электрическая мощность на производство равного количества хлора в установке с 16 ячейками по прототипу при исследованном режиме работы на 8% больше, чем в установке с ячейкой по изобретению.
Измерения параметров на обеих установках были проведены через 60 часов непрерывной работы. Параметры работы установки с ячейкой по изобретению остались неизменными: сила тока составляла 400 ампер, напряжение на клеммах источника тока при этом было равно 4,3 В, производительность установки по газообразному хлору составляла 500 г/ч. Параметры работы установки с 16 ячейками по прототипу были следующими: сила тока в цепи из четырех групп электрически параллельно соединенных ячеек, где в каждой группе четыре ячейки электрически соединены последовательно, составляла 100 ампер при напряжении 22,5 вольт против 18,8 вольт в начале сравнительных испытаний. Следовательно, электрическая мощность, затрачиваемая на производство хлора, спустя 60 часов непрерывной работы увеличилась на 16% в установке с 16 ячейками по прототипу и осталась неизменной в установке с ячейкой по изобретению.
При увеличении действующей силы тока на обеих установках до 500 ампер, напряжение на ячейке установки с ячейкой по изобретению увеличилось до 4,8 вольт. При этом температура электролита в ячейке увеличилась на 1 градус в сравнении с температурой при токе 400 A, равной 34°C, и, достигнув отметки 35°C, оставалась на этом уровне во все время проведения сравнительных испытаний, продолжавшихся 48 часов. При увеличении действующей силы тока с 400 до 500 ампер, напряжение на каждой из 16 ячеек по прототипу увеличилось с 4,7 до 5,5 вольт и продолжало медленно расти в темпе 0,03 вольт в час. Температура электролита в ячейках при изменении действующей силы тока с 400 до 500 ампер изменилась с 36°C до 45°C. Через 48 часов напряжение на каждой ячейке по прототипу достигло 6,94. При этом температура электролита увеличилась до 89°C, что обусловило необходимость прекращения испытания ввиду опасности разгерметизации ячеек.
Полученные в процессе испытаний данные подтверждают эффективность использования ячейки по изобретению. При этом при снижении расхода энергии на процесс и повышении стабильности работы установки достигается и упрощение конструкции. Также подтверждена возможность стабильной работы ячеек по изобретению в условиях работы со значительной перегрузкой по току.
Промышленная применимость
Изобретение позволяет обеспечить возможность повышения производительности ячейки по анодным продуктам, при упрощении конструкции ячейки и обеспечении возможности компоновки требуемого количества ячеек в меньшем пространстве, упростить узлы фиксации элементов ячейки при одновременном повышении надежности, упростить создание реакторов большой мощности за счет сокращения вспомогательных коммуникаций, а также расширить функциональные возможности ячейки за счет обеспечения возможности регулирования свойств католита и анолита и повышения чистоты получаемых продуктов.
1. Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов, содержащая цилиндрический 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, нижнее и верхнее герметизирующие приспособления, приспособления для подачи обрабатываемых жидкостей в катодную и анодную камеры, приспособления для отвода жидкостей и газов из анодной и катодной камер, отличающаяся тем, что верхнее и нижнее герметизирующие приспособления выполнены в виде заглушек, ячейка содержит один или несколько основных вертикальных электродов и более одного противоэлектрода и ячейка снабжена корпусом, на верхней и нижней частях которого установлены заглушки, а во внутреннем пространстве корпуса размещены электроды, которые установлены в вершинах и центре одного или нескольких правильных плотноупакованных многоугольников, вписанных в плоскость поперечного сечения корпуса, причем основные электроды являются катодами, а противоэлектроды - анодами, и в центре каждого правильного многоугольника установлен катод с диафрагмой, а в вершинах многоугольника - аноды, причем аноды закреплены в верхней и нижней заглушках, а диафрагмы закреплены или на заглушках, или на катодах.
2. Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов по п.1, отличающаяся тем, что аноды выполнены полыми и снабжены приспособлениями для подачи и отвода теплоносителя, соединенными соответственно с нижними и верхними торцами анодов.
3. Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов по п.1, отличающаяся тем, что катод выполнен из металла или графита.
4. Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов по п.1, отличающаяся тем, что катод выполнен трубчатым и дополнительно содержит приспособления для подачи и отвода теплоносителя, соединенные соответственно с торцами катода.
5. Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов по п.1, отличающаяся тем, что катод выполнен металлическим, трубчатым, на поверхности катода выполнены перфорационные отверстия, приспособления для подачи обрабатываемой жидкости в катодную камеру и приспособления для отвода жидкостей и газов из катодной камеры соединены соответственно с нижним и верхним торцами катода.
6. Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов по п.1, отличающаяся тем, что заглушки и корпус выполнены или из диэлектрического кислото-щелочестойкого материала, или из металла, при этом внутренняя поверхность деталей из металла покрыта слоем диэлектрического кислото-щелочестойкого материала.
7. Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов по п.1, отличающаяся тем, что в плоскость поперечного сечения корпуса вписан один правильный многоугольник с числом вершин 3-12.
8. Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов по п.1, отличающаяся тем, что в плоскость поперечного сечения корпуса вписаны несколько плотноупакованных правильных многоугольников, каждый из которых является или равносторонним треугольником, или квадратом, или шестиугольником.
9. Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов по п.1, отличающаяся тем, что диафрагма выполнена из кислото-щелочестойкой наноструктурированной ультрафильтрационной керамики.
