CN103849884A

CN103849884A - 一种用于轻水电解法制取超轻水的设备

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Publication number: CN103849884A
Application number: CN201210496800.8A
Authority: CN
Inventors: 柯香文
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2032-11-28
Also published as: CN103849884B

Abstract

本发明公开了一种用于轻水电解法制取超轻水的设备，包括低温无隔膜减容电解槽和氢氧催化合成反应器，其特征是由电解槽箱体和列管式冷凝器组成，无隔膜电解槽为箱式结构，分为上中下三段，下段为电解槽体，槽内电极板为板状结构；阴阳极均为镀镍铁板；电解槽箱体四周为冷却水套，电解槽极板上方为中段冷却箱体；电解槽顶部接有列管式冷凝器为圆拄型；氢氧催化合成反应器，其为圆柱形结构；反应器底部装有喷嘴，喷嘴由内外喷嘴组成，喷嘴上方为气体扩散区、阻火区、催化合成区、合成区；反应器外装有冷却水套，反应器上方装有铜制防爆膜法兰；内喷嘴为氕氧混合气流道，外喷嘴为空气流道。本发明结构合理，实用性强，是理解的轻水电解法制取超轻水的设备。

Description

一种用于轻水电解法制取超轻水的设备

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，涉及一种用于轻水电解法制取超轻水的设备。

背景技术

近年来，超轻水（氘含量≦125PPm）作为一种防癌保健的功能性饮用水，已进入欧洲、美国和日本高端市场，电解法制取超轻水是一种先进的方法。2005年美国专利(US2005/0109604 AI)公开了Zlotopolskt〝以海水为原料生产贫氘水的设备〞的发明，该专利采用工业电解槽电解产生的氢和氧分别送入作为合成反应器的燃料电池，氢和氧在燃料电池内化合产生超轻水，合成反应器采用了燃料电池，技术虽然先进但其设备复杂，成本高，投资较大，目前还难以产业化。目前制氢的方法很多，工业电解水是以碱液为介质，采用加压，高温方法电解制取氢气，是发展比较成熟的一种操作简单的方法，电解水制氢存在的最大的问题是槽电压过高，导至电能消耗增大，进而导至成本增加。

另一种电解槽是用于重水浓缩的无隔膜电解槽，源于《反应堆重水在浓缩的工业方法》，该文献发表于“原子能科学技术”1.14（1976），该电解槽选用了无隔膜圆拄型结构，高度为1770mm，容量为135.8升，每次运行可装了120升，分离系数为10.6-10.8，阳极高1500mm，外径400mm，材质为10号钢镀镍，外阴极为碳钢，阴阳极间距为6mm,内阴极高500mm，阴极外面装一水套，内阴极也为一冷却水套，以降低电解液温度，该电解槽的结构使阴、阳极在电解过程中始中嚗露在氕氧混合气中，一旦电路出问题易发.生爆炸，非常不安全。

工业制氢电解槽设计时并没有考虑氕氘分离的问题，电解氢对氘的含量是没有要求的，工业制氢是在高温或加压下运行，电解液循环使用，氕氘分离系数很低，电解氢中氘的含量大约在100ppm以上，工业电解槽的结构已不能满足对氕氘分离有特殊要求的领域，

减容电解法生产的氕和氧很容易爆炸，现有技术难以保证超轻水水产业化生产以及安全方面的需要。因此研制一种结构合理，安全可靠的水无隔膜减容电解槽和氢氧催化合成反应器是必要的。

发明内容

本发明的目地是提供一种安全，可靠，用于超轻水生产的低温无隔膜减容电解槽和氢氧催化合成反应器主要设备。

一种用于轻水电解法制取超轻水的设备，包括低温无隔膜减容电解槽和氢氧催化合成反应器。其中，在低温下运行的低温无隔膜减容电解槽，由电解槽箱体和列管式冷凝器组成，无隔膜电解槽为箱式结构，长宽高为650×550×210mm分为上中下三段，三段高度均为700mm，段与段之间用方形法兰连接。下段为电解槽体，槽内电极板为板状结构，阴阳极各48片，电解槽中并列的电解小池两端用上中下三行共9根长罗杆通过端板紧固连接，阴阳极段板焊有截面积45×55mm软铁引出电极，并由直径30mm的紫铜棒通过电解槽箱体引出，并由压帽和聚四氟乙烯垫圈密封。阴阳极之间由聚四氟乙烯垫圈隔开，形一个个电解小池，有48个小池组成双极性无隔膜电解槽，阴阳极间距为5mm，阴阳极板厚为3mm，面积为350×460mm,为增加电解效率，采用打孔平板电极，阴阳极板钻18×24个孔，孔径为5mm。阴阳极均为镀镍铁板，阴极经过镀镍活化处理后可降低电解小室的电解电压，阳极镀镍可增加析氧的效果，电解槽供电电压为100V，电流为125A直流电。电解槽箱体四周为冷却水套，电解槽极板上方为中段冷却箱体，为列管式冷凝器，内有15Χ21根列管，管径为25mmΧ2mm,上段装有防泡沫筛网，顶部设出气口和进料口，顶部装有橡胶膜防爆法兰和0.1MPa槽压力表或压力传感器，电解槽装有翻拄式磁浮子液面计监测槽液水位。电解槽顶部接有列管式冷凝器为圆拄型、直径160mm、高600mm。内装13根直径25mm列管。电解槽箱体冷却水套，列管冷凝器箱体，顶部列管冷凝器由冰机制冷。电解槽内电解液的温度控制在6-18℃之间。

所述的氢氧催化合成反应器，其为圆柱形结构，直径为150mm,高度为1850mm。反应器底部装有喷嘴，喷嘴由内外喷嘴组成，喷嘴上方为气体扩散区、阻火区、催化合成区、合成区内装有合成催化剂。各区高度依次为300mm、750mm、800mm，反应器直径为150mm。反应器外装有冷却水套，反应器上方装有铜制防爆膜法兰。内喷嘴为氕氧混合气流道，外喷嘴为空气流道，在合成反应时补充空气，控制空气流速在8-15立方米/时、以稀释氕氧混合气，并使氕气、氧气与空气混合气体在反应器内保持足够线速度、防止反应高温区下移产生回火爆炸。氕气在富氧状态下经催化反应生成的水蒸气经过冷凝后生成超轻水。

合成反应所用催化剂为亲水型氢氧合成催化剂，载体为直径为2-4毫米的球型颗粒，，催化剂活性组分钯含量为0.2-0.4%，催化剂的堆积密度为0.43-0.48。活性组分浸渍在小球上，并深入小球内部。该催化剂活性高、合成反应起始温度低。

合成反应器阻火层由花板支撑高750mm，它里面装有细粒的阻火填料，粒度是0.8-1.6毫米的石英砂，阻火层的厚度为合成反应器直径的5-7倍。

反应器底部装有喷嘴，喷嘴由内外喷嘴组成，喷嘴上方为气体扩散区、阻火区、催化合成区、合成区，内装有合成催化剂。

合成反应器阻火区内装有填料，填料颗粒度是0.8-1.6㎜石英砂。合成区内装有自行研制的氢氧合成亲水型催化剂、直径2-4毫米球型颗粒。电解槽电解生成的氧、氕(氘)混合气经干燥，阻火器送入合成反应器，在合成反应器中经催化合成水。

本发明同现有技术相比具有以下特点：

1、采用自行设计的低温减容电解槽，采用箱式结构，分为上中下三段，下段为电解室，中段为列管式冷却箱体，上段提供了足够的缓冲空间，在电解槽上方增加了一箱体使在电解过程中极板始终保持在电解液中、电解槽顶部按有防泡沫筛网。

2、电解槽下段装有冷却水套，中段为列管式冷凝器，电解温度控制在6-18度之间，故增加了冷却系统，由冰机制冷载冷剂循环冷却电解槽电解液，确保电解槽在低温下运行。

3、槽内电极板为板状结构，阴阳极各48片，阴阳极之间由聚四氟乙烯垫圈隔开，形一个个电解小池，共有48个小池组成成双极性无隔膜减容电解槽。

4、采用打孔平板电极，阴阳极板钻18×24共432个孔，孔径为5mm。阴阳极均为镀镍铁板，阴极经过镀镍活化处理后可降低电解小池的电解电压，阳极镀镍可增加析氧的效果。

5、为保证电解安全，在电解槽上方装有橡胶膜防爆法兰。

6、电解槽上方装有避免水汽带出电解槽的列管式回流式冷凝器。

7、采用了自行设计的催化合成反应器、反应器底部装有喷嘴，喷嘴由内外喷嘴组成，喷嘴上方为气体扩散区、阻火区、催化合成区、合成区内装有合成催化剂。各区高度依次为300mm、750mm、800mm，反应器直径为150mm。

8、反应器外装有冷却水套，反应器上方装有铜制防爆膜法兰。

9、内喷嘴为氕氧混合气流道，外喷嘴为空气流道，在合成反应时补充干燥空气，控制空气流速在8-15立方米/时、以稀释氕氧混合气，并使氕气、氧气与空气混合气体在反应器内保持足够线速度、防止反应高温区下移产生回火爆炸。氕气在富氧状态下经催化反应生成超轻水、

10、合成反应所用催化剂为亲水型氢氧合成催化剂，载体为直径为2-4毫米的球型颗粒，，催化剂活性组分钯的含量为0.2-0.4%，催化剂的堆积密度为0.43-0.48。活性组分浸渍在小球上，并深入小球内部。该催化剂活性高、合成反应起始温度低。

11、合成反应器阻火层由花板支撑高750mm，它里面装有细粒的阻火填料，粒度是0.8-1.6毫米石英砂，阻火层的厚度为合成反应器直径的5-7倍。

附图说明

图1是低温无隔膜减容电解槽结构示意图。

图2是氢氧催化合成反应器结构示意图。

图中：A-电解槽体，A-1-电解槽极板，A-2-极板紧固螺栓，A-3-电极引出端，A-4-电解槽冷却水套，A-5-冷却水入口，A-6-放料口，A-7-冷却水出口，B-列管冷凝器，B-1-冷却水出口，B-箱体连接法兰，B-3-冷却水入口，C-上段缓冲箱体，C-1-测温点，C-2-压力表，C-3-防泡沫筛网，C-4-加料口，C-5-列管冷凝器接口，C-6-橡胶膜防爆法兰。

D-喷嘴，D-1-内喷嘴，D-2-外喷嘴，E-气体扩散区，F-阻火区，F-1-阻火区热电偶，G-冷却水套，G-1-冷却水入口，G-2-冷却水出口，H-反应区，H-1-反应区中部测温热电偶，H-2-反应区上部测温热电偶，I-1-汽相测温热电偶，I-2-冷凝器接口，I-3-反应器铜箔防爆法兰。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明提供的催化合成反应器是圆柱形结构，直径为150mm,高度为1850mm。全部为304#不锈钢制造。反应器底部装有喷嘴，喷嘴由内外喷嘴组成，喷嘴上方为气体扩散区、阻火区、催化合成区、合成区内装有合成催化剂。各区高度依次为300mm、750mm、800mm，反应器的催化合成区外装有冷却水套，高度为900mm,。合成反应器阻火区内装有填料，填料颗粒度是0.8-1.6㎜石英砂。合成区内装有氢氧合成亲水型催化剂、直径2-4毫米球型颗粒，，催化剂活性组分为钯含量为0.2-0.4%，催化剂的堆积密度为0.43-0.48。反应器上方装有铜质防爆膜法兰，反应器出口装有冷凝器、内喷嘴为氕氧混合气流道，外喷嘴为空气流道，在合成反应时补充干燥空气，控制空气流速在8-15立方米/时、以稀释氕氧混合气，并使氕氧混合气与空气混合气体在反应器内保持足够线速度、防止反应高温区下移产生回火爆炸。氕气在富氧状态下经催化反应生成水蒸气。

电解槽由电解槽箱体和列管式冷凝器2部分组成，全套装置为不锈钢制造。无隔膜电解槽为箱式结构，长宽高为650×550×210mm分为上中下三段，三段高度均为700mm，段与段之间用方形法兰连接。下段为电解槽体，槽内电极板为板状结构，阴阳极各48片，电解槽中并列的电解小池两端用上中下三行共9根长罗杆通过端板紧固连接，阴阳极段板焊有截面积45×55mm软铁引出电极，直径30mm的紫铜棒通过电解槽箱体引出，并由压帽和聚四氟乙烯垫圈密封。各个电解小池阴阳极之间由聚四氟乙烯垫圈隔开，电解液和密封垫组成一个电解小池，共有48个小池组成双极性无隔膜电解槽，阴阳极间距为5mm，阴阳极板厚为3mm，面积为350×460mm,电流设计密度为1000A/cm²，为增加电解效率，采用打孔平板电极，每片阴阳极板各钻18×24共432个孔，孔径为5mm。阴阳极均为镀镍铁板，阴极经过镀镍活化处理后可降低电解小池的电解电压，阳极镀镍可增加析氧的效果，电解槽供电电压为100V，电流为125A直流电，由开关电源提供，每个电解小池的电解电压约为两伏。电解槽箱体四周为冷却水套，电解槽极板上方为中段冷却箱体，为列管式冷凝器，内有15Χ21共315根列管，管径为25mmΧ2mm,上段装有防泡沫筛网，顶部设出气口和进料口，顶部装有橡胶膜防爆法兰和0.1MPa槽压力表或压力传感器，电解槽装有翻拄式磁浮子液面计监测槽液水位。电解槽顶部接有列管式冷凝器为圆拄型、直径160mm、高600mm。内装13根直径25mm列管。电解槽箱体冷却水套，列管冷凝器箱体，顶部列管冷凝器均由冰机制冷。电解槽内电解液的温度控制在6-18℃之间。电解槽可装电解液体积360L，电解液浓度为7%，含氢氧化钾25kg，一小时电解水2kg，产氕气2.4立方米,其中氘的含量约为20-25ppm,氧气为1.2立方米。电解产生的低氘氕气和氧由列管冷凝器输出到氢氧合成反应器合成超轻水。

催化合成反应器为圆柱形结构，直径为150mm,高度为1850mm。全部为304#不锈钢制造。本反应器催化合成水的设计能力为每小时合成2.4立方米的氢气和1.2立方米的氧，产水2个立升。反应器底部装有喷嘴，喷嘴由内外喷嘴组成，喷嘴上方为气体扩散区、阻火区、催化合成区、合成区内装有合成催化剂。各区高度依次为300mm、750mm、800mm，反应器外装有冷却水套，合成反应器阻火区内装有填料，填料颗粒度是0.8-1.6㎜石英砂。合成区内装有自行研制的氢氧合成亲水型催化剂、直径2-4毫米球型颗粒，，催化剂活性组分钯含量为0.2-0.4%，催化剂的堆积密度为0.43-0.48。反应器上方装有铜质防爆膜法兰，反应器出口装有冷凝器、内喷嘴为氕氧气混合气流道，喷嘴氕氧气混合气流速为30-35米/秒，气体流速过大会增加气流阻力。外喷嘴为空气流道，在合成反应时补充干燥空气，控制空气流速在8-15立方米/时、以稀释氕氧混合气，并使氕氧混合气与空气混合气体在反应器内保持足够线速度、防止反应高温区下移产生回火爆炸。过量的空气可使氕氧反应完全。尾气氕气含量可控制在100ppm以下，合成反应器工作期间合成反应器的出口温度在200℃-250℃，合成区温度在400℃-600℃，阻火区、混合区温度在25℃-40℃.合成反应器的出口压力在0.01-0.02MPa。氕气在富氧状态下经催化反应生成超超轻水。

Claims

1.一种用于轻水电解法制取超轻水的设备，包括低温无隔膜减容电解槽和氢氧催化合成反应器，其特征在于，

在低温下运行的低温无隔膜减容电解槽，由电解槽箱体和列管式冷凝器2部分组成，无隔膜电解槽为箱式结构，分为上中下三段，段与段之间用方形法兰连接；下段为电解槽体，槽内电极板为板状结构，电解槽中并列的电解小池两端用上中下三行共9根长罗杆通过端板紧固连接，阴阳极段板焊有截面积45×55mm软铁引出电极，并由直径30mm的紫铜棒通过电解槽箱体引出，并由压帽和聚四氟乙烯垫圈密封；阴阳极之间由聚四氟乙烯垫圈隔开，形成电解小池；采用打孔平板电极；阴阳极均为镀镍铁板；电解槽箱体四周为冷却水套，电解槽极板上方为中段冷却箱体，为列管式冷凝器,上段装有防泡沫筛网，顶部设出气口和进料口，顶部装有橡胶膜防爆法兰和0.1MPa槽压力表或压力传感器，电解槽装有翻拄式磁浮子液面计监测槽液水位；电解槽顶部接有列管式冷凝器为圆拄型；电解槽箱体冷却水套，列管冷凝器箱体，顶部列管冷凝器由冰机制冷；

所述的氢氧催化合成反应器，其为圆柱形结构；反应器底部装有喷嘴，喷嘴由内外喷嘴组成，喷嘴上方为气体扩散区、阻火区、催化合成区、合成区内装有合成催化剂；反应器外装有冷却水套，反应器上方装有铜制防爆膜法兰；内喷嘴为氕氧混合气流道，外喷嘴为空气流道；

合成反应器阻火层由花板支撑高750mm，阻火层的厚度为合成反应器直径的5-7倍。

2.根据权利要求1所述的一种用于轻水电解法制取超轻水的设备，其特征在于，

无隔膜电解槽为箱式结构，长宽高为650×550×210mm；分为上中下三段，三段高度均为700mm。

3.根据权利要求1或2的一种用于轻水电解法制取超轻水的设备，其特征在于，

槽内电极板为板状结构，阴阳极各48片，形成48个小池组成双极性无隔膜电解槽，阴阳极间距为5mm，阴阳极板厚为3mm，面积为350×460mm；采用打孔平板电极，阴阳极板钻18×24个孔，孔径为5mm。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于轻水电解法制取超轻水的设备，其特征在于，圆柱形结构，直径为150mm,高度为1850mm。

5.根据权利要求1或2所述的一种用于轻水电解法制取超轻水的设备，其特征在于，喷嘴上方为气体扩散区、阻火区、催化合成区、合成区内装有合成催化剂；各区高度依次为300mm、750mm、800mm，反应器直径为150mm。

6.根据权利要求3述的一种用于轻水电解法制取超轻水的设备，其特征在于，圆柱形结构，直径为150mm,高度为1850mm。

7.根据权利要求3述的一种用于轻水电解法制取超轻水的设备，其特征在于，喷嘴上方为气体扩散区、阻火区、催化合成区、合成区内装有合成催化剂；各区高度依次为300mm、750mm、800mm，反应器直径为150mm。

8.根据权利要求4述的一种用于轻水电解法制取超轻水的设备，其特征在于，喷嘴上方为气体扩散区、阻火区、催化合成区、合成区内装有合成催化剂；各区高度依次为300mm、750mm、800mm，反应器直径为150mm。