DE29923569U1 - Electrolysis device - Google Patents
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Description
ElektrolysegerätElectrolysis device
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrolysegerät zur Herstellung einer Natriumhypochloritlösung aus Wasser und Salz.The present invention relates to an electrolysis device for producing a sodium hypochlorite solution from water and salt.
Zur Desinfektion von Trink-, Bade- und Brauchwasser und zur Vermeidung von Keimübertragungen wird Chlor in verschiedenen Lieferformen eingesetzt. Üblicherweise wird in Großanlagen vorzugsweise mit Chlorgas und in kleineren Anlagen mit Natrium- oder Calciumhypochlorit gearbeitet. Der Umgang mit den Chlorprodukten setzt allerdings strenge Sicherheits-Vorkehrungen voraus, um Gefahren für das Betriebspersonal und Dritte zu vermeiden.Chlorine is used in various forms to disinfect drinking, bathing and industrial water and to prevent the transmission of germs. Usually, chlorine gas is used in large plants and sodium or calcium hypochlorite is used in smaller plants. However, handling chlorine products requires strict safety precautions to avoid dangers for operating personnel and third parties.
Bei den herkömmlichen großtechnischen Verfahren wird Chlorgas durch Elektrolyse aus natürlichem Kochsalz oder Siedesalz 0 durch elektrochemische Zersetzung mit Hilfe von elektrischem Strom hergestellt. Ähnlich wie bei diesem großtechnischen Verfahren kann auch direkt am Verwendungsort eine hochaktive Chlorlösung durch Elektrolyse hergestellt werden.In conventional large-scale processes, chlorine gas is produced by electrolysis from natural table salt or evaporated salt 0 through electrochemical decomposition using electric current. In a similar way to this large-scale process, a highly active chlorine solution can also be produced directly at the place of use by electrolysis.
So ist aus der DE 296 13 126 Ul ein Elektrolysegerät zur Herstellung einer Desinfektionslösung aus Kochsalz nach dem Membranzellenverfahren bekannt, bei dem in einer Elektrolysezelle aus Kochsalz eine Desinfektionslösung hergestellt wird. Die hierbei entstehende Ablauge (Magersole) wird in die Kanalisation abgeführt und ist unwiederbringlich verloren. Bevor das Betriebswasser der Anlage sowie dem Salzlöse- oder Solebehälter zugeführt wird, wird das Betriebswasser von einem regenerierbaren Enthärter enthärtet. Aus dem Solebehälter wird die Salzsole der Elektrolysezelle mittels einer Dosierein-For example, DE 296 13 126 Ul describes an electrolysis device for producing a disinfectant solution from common salt using the membrane cell method, in which a disinfectant solution is produced from common salt in an electrolysis cell. The waste liquor (lean brine) produced in this process is drained into the sewage system and is irretrievably lost. Before the process water is fed into the system and the salt solution or brine tank, the process water is softened by a regenerable softener. The brine is fed from the brine tank to the electrolysis cell using a dosing device.
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richtung zugeführt, in der das gelöste Kochsalz elektroche misch zersetzt wird.device in which the dissolved table salt is electrochemically decomposed.
Ferner ist ein Membranzellenverfahren bekannt, bei dem die Magersole zur Aufkonzentration wieder in den Salzlösetank zurückgeführt wird. Da sich der erforderliche pH-Wert hierbei verfahrensbedingt aber nicht regeln lässt, kommt es immer wieder zu unerwünschten Chlorausgasungen im Solekreislauf sowie im Salzlösetank.A membrane cell process is also known in which the lean brine is returned to the salt dissolving tank for concentration. However, since the required pH value cannot be regulated due to the nature of the process, unwanted chlorine emissions in the brine circuit and in the salt dissolving tank repeatedly occur.
Ein weiteres wesentliches Problem bei der (exothermen) Chlorproduktion ist die entstehende Verlustwärme in Höhe von ca. 1,5 kWh/kg Chlor. Bei Anlagen bis zu einer Standardgröße von 500 g/h spielt dieser Wärmefaktor zwar keine entscheidende Rolle, bei Anlagen ab 1000 g/h und mehr wird die Verlustwärme jedoch zum Problem. Die bei der Chlorerzeugung entstehende Verlustenergie wird in den Elektrolysezellen freigesetzt und über die Förderströme an Sole und Lauge auf den Salzlösebehälter und das Natriumhypochlorit übertragen. Wird diese Wärme nicht in ausreichendem Maße abgeführt, entsteht insbesondere auf der Hypochlorit-Seite eine zu hohe Produkttemperatur, die zu einem thermischen Abbau des erzeugten Natriumhypochlorits und damit einer Reduzierung der Anlagenleistung führt. Ferner können durch die im System enthaltene Wärme Korrosionsprobleme auftreten und Anlagenteile beschädigt werden.Another major problem with (exothermic) chlorine production is the resulting heat loss of around 1.5 kWh/kg chlorine. Although this heat factor does not play a decisive role in systems up to a standard size of 500 g/h, heat loss becomes a problem in systems of 1000 g/h and more. The lost energy generated during chlorine production is released in the electrolysis cells and transferred to the salt dissolving tank and the sodium hypochlorite via the flow of brine and lye. If this heat is not sufficiently dissipated, the product temperature is too high, particularly on the hypochlorite side, which leads to thermal degradation of the sodium hypochlorite produced and thus a reduction in system performance. Furthermore, the heat contained in the system can cause corrosion problems and damage system components.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Erhöhung der Anlagenleistung bei der Natriumhypochloritproduktion zu ermöglichen.The object of the invention is therefore to enable an increase in plant performance in sodium hypochlorite production.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlfläche bei der Wasserstoff- und/oder der Chlorgasabscheidung mit steigender Anlagenleistung vergrößert wird. Es ist zwar bereits bekannt, die Wärme im Bereich der Hypochloritproduktion über den Wasserstoffentgasungsbehälter abzuführen,According to the invention, the cooling surface in the hydrogen and/or chlorine gas separation is increased as the plant output increases. It is already known to dissipate the heat in the hypochlorite production area via the hydrogen degassing tank,
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jedoch wird hierbei die Anlagenleistung und die dadurch bedingte unterschiedliche Verlustwärmemenge nicht berücksichtigt. Durch entsprechende Dimensionierung der Abscheider kann demgegenüber sichergestellt werden, dass auch bei hoher Chlorproduktion eine ausreichende Wärmeabfuhr gegeben ist.However, the system performance and the resulting different amounts of heat loss are not taken into account. By dimensioning the separators accordingly, it can be ensured that there is sufficient heat dissipation even when chlorine production is high.
Der im Wasserstoffabscheider entstehende Wasserstoff wird zur Vermeidung einer Knallgasreaktion erfindungsgemäß über ein Gebläse mit Luft verdünnt und ausgeblasen, wobei das Gebläse ebenfalls zur Kühlung verwendet werden kann. Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, dass der Solerücklaufstrom und/oder der Reaktionsturm belüftet wird, um bei der Elektrolyse entstehenden Sauerstoff abzuführen.In order to avoid an oxyhydrogen reaction, the hydrogen produced in the hydrogen separator is diluted with air and blown out using a blower, whereby the blower can also be used for cooling. Preferably, it is also provided that the brine return flow and/or the reaction tower is ventilated in order to remove oxygen produced during the electrolysis.
Bei der Sole treten durch die höheren Temperaturen ebenfalls Probleme auf. Der Salzgehalt der Sole steigt mit zunehmender Temperatur, da sich die Sättigungsgrenze verschiebt. Wird diese in hohem Maße gesättigte Sole auf dem Weg zur Elektrolysezelle durch niedrige Umgebungstemperaturen abgekühlt, kann es zur Auskristallisation von Salz, Blockierung des Soleförderstroms und zum Abschalten der Elektrolyse kommen. Dies ist vor allen Dingen dann problematisch, wenn die Anlage stillsteht und die Auskristallisation von Salz in der Solezuführleitung zur Elekrolysezelle erfolgt. Die Leitung kann dann mit Salzkristallen zuwachsen und beim nächsten Anfahren die Anlage blockieren. Vor dem Stillsetzen der Anlage wird Magersole in die Solezufuhrleitung eingeführt, die eventuelle Salzkristallationen löst und die Auskristallisation von Salz während des Anlagenstillstandes verhindert.The higher temperatures also cause problems with the brine. The salt content of the brine increases with increasing temperature because the saturation limit shifts. If this highly saturated brine is cooled by low ambient temperatures on the way to the electrolysis cell, salt can crystallize, block the brine flow and shut down the electrolysis. This is particularly problematic when the system is shut down and salt crystallizes in the brine feed line to the electrolysis cell. The line can then become clogged with salt crystals and block the system the next time it is started up. Before the system is shut down, lean brine is introduced into the brine feed line, which dissolves any salt crystals and prevents salt crystallizing while the system is shut down.
Alternativ kann die Solezufuhrleitung vor dem Abstellen der Anlage auch mit Betriebswasser gespült werden, dies vergrößert aber das Solevolumen.Alternatively, the brine supply line can be flushed with process water before the system is shut down, but this increases the brine volume.
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Ein weiteres Problem tritt beim Einschalten der Anlage auf. Nach dem Einschalten wird in der Anlage sofort Chlorgas entstehen, dem aber in dem Reaktionsturm noch keine Natronlauge entgegengesetzt werden kann. Es besteht somit die Gefahr,.dass Chlorgas freigesetzt wird. Daher ist vorgesehen, dass die Kathodenkammer der Elektrolysezelle und der Wasserstoff abscheider vor der Freigabe des Elektrolytenstroms bis zu einem festgelegten Niveau aufgefüllt werden. Der Reaktionsturm kann somit sofort mit der Arbeit beginnen und das unkontrollierte Freisetzen von Chlorgas wird verhindert.Another problem occurs when the system is switched on. After switching on, chlorine gas is immediately generated in the system, but there is no caustic soda to counteract this in the reaction tower. There is therefore a risk that chlorine gas will be released. It is therefore planned that the cathode chamber of the electrolysis cell and the hydrogen separator are filled to a specified level before the electrolyte flow is released. The reaction tower can then start working immediately and the uncontrolled release of chlorine gas is prevented.
Aufgabe der Erfindung ist es ferner, die Herstellung von Natriumhypochloritlösung zu vereinfachen, einen Salzverlust durch Abführen von Magersole zu vermeiden und die Anlage für Betreiber und Umwelt sicher zu gestalten. Ein Ausgasen von Chlorgas aus der Magersole soll vermieden werden. Neben der Erhöhung der Betriebssicherheit wird dadurch auch der Wirkungsgrad in Bezug auf den Salzumsatz verbessert.The aim of the invention is also to simplify the production of sodium hypochlorite solution, to avoid salt loss through the removal of lean brine and to make the system safe for operators and the environment. The release of chlorine gas from the lean brine should be avoided. In addition to increasing operational safety, this also improves the efficiency in terms of salt conversion.
Dies lässt sich dadurch erreichen, dass ein Teilstrom der Natronlauge aus der Kathodenkammer dem in den Salzlösebehälter zurückfließenden Magersolestrom zugeführt wird. Die Erfindung macht sich hierbei die Tatsache zu Nutze, dass die Ausbeute an Wasserstoffgas (H2) in der Kathodenkammer der Elektrolysezelle etwas besser (ca. 99%) ist als die Ausbeute an Chlorgas (Cl2) in der Anodenkammer der Elektrolysezelle (92 bis 95%). Mit dem entstehenden Laugenüberschuss kann die Magersole aufkonzentriert und erneut dem Salzlösebehälter zugeführt werden.This can be achieved by feeding a partial flow of the caustic soda from the cathode chamber to the lean brine flow flowing back into the salt dissolving tank. The invention makes use of the fact that the yield of hydrogen gas (H 2 ) in the cathode chamber of the electrolysis cell is somewhat better (approx. 99%) than the yield of chlorine gas (Cl 2 ) in the anode chamber of the electrolysis cell (92 to 95%). The lean brine can be concentrated using the resulting excess of caustic soda and fed back into the salt dissolving tank.
Die der Magersole zugeführte Natronlauge wird dem Sumpf des Wasserstoffsabscheiders entnommen und der Magersole nach dem Chlorgasabscheider zugeführt. Die Mager sole aus der Anodenkammer der Elektrolysezelle weist einen niedrigen pH-Wert auf, so dass das Chlorgas austreten und im ChlorgasabscheiderThe caustic soda fed to the lean brine is taken from the sump of the hydrogen separator and fed to the lean brine after the chlorine gas separator. The lean brine from the anode chamber of the electrolysis cell has a low pH value, so that the chlorine gas can escape and be precipitated in the chlorine gas separator.
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abgetrennt und für die Herstellung der Natriumhypochloritlösung verwendet werden kann. Der Rest des Cl2 bleibt in der Magersole in Lösung.separated and can be used to produce the sodium hypochlorite solution. The rest of the Cl 2 remains in solution in the lean brine.
Um zu vermeiden, dass das Chlorgas später aus der sauren Magersole ausgast, muss der pH-Wert der Magersole wieder in den alkalischen Bereich (pH > 7) gebracht werden, was über die Zufuhr der Natronlauge erfolgt. Hierzu wird der pH-Wert der Magersole überprüft und die Zufuhr von Natronlauge auf der Basis des pH-Wertes der Magersole gesteuert.To prevent the chlorine gas from later evaporating from the acidic lean brine, the pH value of the lean brine must be brought back into the alkaline range (pH > 7), which is done by adding caustic soda. To do this, the pH value of the lean brine is checked and the addition of caustic soda is controlled based on the pH value of the lean brine.
Wird der pH-Wert der Magersole hinter der Zufuhrstelle der Natronlauge überprüft, so ergibt sich eine gewisse Totzeit, bis die Magersole den erwünschten pH-Wert annimmt. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass die Zufuhr der Natronlauge so gesteuert wird, dass immer eine ausreichende Menge zugeführt wird, um einen pH-Wert von >7 zu erreichen (Grundlastdosierung), und dass die auf der Basis der pH-Wert-Messung der Magersole erfolgende Regelung 0 nur die Restmengenzufuhr zur Erzielung eines pH-Wertes von vorzugsweise ca. 8,5 regelt. Damit kann die Regelung auch schneller reagieren.If the pH value of the lean brine is checked behind the caustic soda feed point, there is a certain dead time until the lean brine assumes the desired pH value. According to a preferred development of the invention, it is therefore provided that the supply of caustic soda is controlled in such a way that a sufficient amount is always supplied to achieve a pH value of >7 (base load dosing), and that the control 0 based on the pH value measurement of the lean brine only controls the remaining amount supplied to achieve a pH value of preferably approx. 8.5. This also allows the control to react more quickly.
Ein erfindungsgemäßes Elektrolysegerät weist einen Salzlösebehälter, in dem Salz bspw. auf einen Siebboden angeordnet ist, eine Elektrolysezelle mit einer Anodenkammer, die über eine Sole-Zufuhrleitung mit dem Salzlösebehälter verbunden ist, und einer Kathodenkammer, die mit einer Betriebswasser-Zufuhrleitung verbunden ist, einen Chlorgasabscheider zur Abscheidung von Chlor aus dem aus der Anodenkammer austretenden Magersolestrom, einen Wasserstoffabscheider zur Abscheidung von Wasserstoff aus der aus der Kathodenkammer austretenden Natronlauge, einen Reaktionsturm zur Herstellung von Natriumhypochloritlösung aus der Natronlauge aus der Kathodenkammer und dem Chlorgas aus dem Chlorabscheider, eineAn electrolysis device according to the invention has a salt dissolving container in which salt is arranged, for example, on a sieve bottom, an electrolysis cell with an anode chamber which is connected to the salt dissolving container via a brine supply line, and a cathode chamber which is connected to a process water supply line, a chlorine gas separator for separating chlorine from the lean brine stream emerging from the anode chamber, a hydrogen separator for separating hydrogen from the caustic soda emerging from the cathode chamber, a reaction tower for producing sodium hypochlorite solution from the caustic soda from the cathode chamber and the chlorine gas from the chlorine separator, a
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Sole-Rücklaufleitung, über die die Magersole aus der Anodenkammer in den Salzlösebehälter zurückführbar ist und vorzugsweise eine Natronlauge-Rückführleitung auf, über die ein Teilstrom der Natronlauge aus der Kathodenkammer in die Magersole-Rücklaufleitung einführbar ist.Brine return line, via which the lean brine from the anode chamber can be returned to the salt dissolving tank, and preferably a caustic soda return line, via which a partial flow of the caustic soda from the cathode chamber can be introduced into the lean brine return line.
In der Magersole-Rücklaufleitung ist erfindungsgemäß eine pH-Wert-Messung vorgesehen, um die Magersole gezielt auf einen pH-Wert von ca. 8.5 aufkonzentrieren zu können.According to the invention, a pH value measurement is provided in the lean brine return line in order to be able to concentrate the lean brine to a pH value of approx. 8.5.
In Weiterbildung der Erfindung ist eine Dosierpumpe vorgesehen, die den Natronlauge-Rücklaufstrom insbesondere in Abhängigkeit von der pH-Wert-Messung in der Magersole-Rücklauf leitung fördert.In a further development of the invention, a dosing pump is provided which pumps the caustic soda return flow in particular as a function of the pH value measurement in the lean brine return line.
Um die Kühlleistung der Anlage an die Chlorproduktion und die dadurch bedingte Verlustwärmemenge anpassen zu können, ist die Größe des Chlorgasabscheiders und/oder des Wasserstoffabscheiders in Abhängigkeit von der Anlagenleistung variabel.In order to be able to adapt the cooling capacity of the system to the chlorine production and the resulting amount of heat loss, the size of the chlorine gas separator and/or the hydrogen separator is variable depending on the system output.
Dies wird besonders einfach und wirkungsvoll dadurch erreicht, dass der Chlor- und/oder der Wasserstoffabscheider als der Elektrolysezelle zugeordnete Rohrabschnitte ausgebildet sind, so dass bei einer Ergänzung weiterer Membranzellen zur Erhöhung der Anlagenleistung auch die Entgasungs- und Kühlfläche durch Ergänzen weiterer Rohrabschnitte vergrößert wird. Selbstverständlich kann bei der Erstinstallation der Anlage gleich ein der Anlagenleistung entsprechend lang ausgebildetes Rohr für den Chlorgas- bzw. Wasserstoffabscheider verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann dem Chlorgasabscheider und/oder dem Wasserstoffabscheider ein Kühlaggregat zugeordnet sein.This is achieved particularly simply and effectively by designing the chlorine and/or hydrogen separator as pipe sections assigned to the electrolysis cell, so that when additional membrane cells are added to increase the system output, the degassing and cooling area is also increased by adding additional pipe sections. Of course, when the system is first installed, a pipe of the appropriate length for the system output can be used for the chlorine gas or hydrogen separator. Alternatively or additionally, a cooling unit can be assigned to the chlorine gas separator and/or the hydrogen separator.
In Weiterbildung der Erfindung ist ein Gebläse zur Verdünnung des im Wasserstoffabscheider austretenden Wasserstoffs mit Luft vorgesehen. Das Gebläse kann außerdem zur KühlungIn a further development of the invention, a fan is provided for diluting the hydrogen emerging from the hydrogen separator with air. The fan can also be used for cooling
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herangezogen werden. Zusätzlich kann in der Magersole-Rücklauf leitung und/oder dem Reaktionsturm eine Belüftung vorgesehen sein.In addition, ventilation can be provided in the lean brine return line and/or the reaction tower.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in der Sole-Zufuhrleitung eine Soledosierpumpe vorgesehen, um die außerdem eine Bypassleitung mit einem Magnetventil angeordnet ist. Über diese Bypassleitung kann vor dem Abschalten der Anlage Magersole in die Solezufuhrleitung zurückgeführt werden, so dass in der Zufuhrleitung gebildete Salzkristalle gelöst bzw. eine Auskristallisation von Salz während des Stillstandes der Anlage verhindert wird.According to a preferred embodiment of the invention, a brine dosing pump is provided in the brine supply line, around which a bypass line with a solenoid valve is also arranged. Lean brine can be fed back into the brine supply line via this bypass line before the system is switched off, so that salt crystals formed in the supply line are dissolved or crystallization of salt is prevented while the system is shut down.
Schließlich ist in Weiterbildung der Erfindung in der Kathodenkammer und/oder dem Wasserstoffabscheider ein Niveauschalter vorgesehen, der den Elektrolytenstrom erst dann freigibt, wenn die Kathodenkammer und/oder der Wasserstoffabscheider bis zu einem festgelegten Niveau gefüllt ist.Finally, in a further development of the invention, a level switch is provided in the cathode chamber and/or the hydrogen separator, which only releases the electrolyte flow when the cathode chamber and/or the hydrogen separator is filled to a predetermined level.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.Further developments, advantages and possible applications of the invention also emerge from the following description of an embodiment and the drawing. All described and/or illustrated features form the subject matter of the invention, either individually or in any combination, regardless of their summary in the claims or their reference back to them.
Es zeigen:
Fig. 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Elektrolysegerät,Show it:
Fig. 1 schematically shows an electrolysis device according to the invention,
Fig. 2 schematisch die Zuordnung mehrerer Elektrolysezellen zum Wasserstoff- und Chlorabscheider.Fig. 2 shows a schematic representation of the assignment of several electrolysis cells to the hydrogen and chlorine separator.
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Das in der Zeichnung dargestellte Elektrolysegerät 1 weist einen Salzlösebehälter oder Soletank 2, einen Schaltschrank oder Steuerschrank mit Leistungsteil 3, eine Enthärtungsanlage mit Regeneration 4 sowie einen Produkttank 5 für die erzeugte Natriumhypochloritlösung auf.The electrolysis device 1 shown in the drawing has a salt dissolving container or brine tank 2, a switch cabinet or control cabinet with power unit 3, a water softening system with regeneration 4 and a product tank 5 for the sodium hypochlorite solution produced.
In dem Salzlösebehälter 2 ist ein Siebboden 6 vorgesehen, auf dem Kochsalz oder Siedesalz 7 bspw. in Tablettenform angeordnet ist. Bei Verwendung von Siedesalz wird auf dem Siebboden eine Schicht Filterkies oder dgl., wie bspw. ein Filterflies, aufgebracht, um zu vermeiden, dass Salzkristalle in die Soleumwälzung gelangen. Außerdem ist ein Sicherheitsüberlauf 8 vorgesehen. Zwischen der Enthärtungsanlage 4 und dem Einlaufstutzen des Salzlösebehälters 2 ist ein Absperrventil (Kugelhahn) 9 vorgesehen, das den Wasserzulauf in den Salzlösebehälter 2 regelt.The salt dissolving tank 2 has a sieve bottom 6 on which table salt or evaporated salt 7 is arranged, for example in tablet form. When evaporated salt is used, a layer of filter gravel or the like, such as a filter fleece, is applied to the sieve bottom to prevent salt crystals from getting into the brine circulation. A safety overflow 8 is also provided. Between the water softening system 4 and the inlet connection of the salt dissolving tank 2, a shut-off valve (ball valve) 9 is provided, which regulates the water flow into the salt dissolving tank 2.
In dem Salzlösebehälter 2 befindet sich unter dem Siebboden 6 ein Absaugstutzen 10 einer Soledosierpumpe 11, die die Sole 0 ansaugt und über eine Sole-Zuführleitung 12 einer Elektrolysezelle 15 mit einer Anodenkammer 15a und einer Kathodenkammer 15b zuführt. Der Solestrom wird hierbei über einen Durchflußmesser 13 gemessen. Ein Zurückfließen der Sole wird über ein Druckhalteventil 28 in der Sole-Zuführleitung 12 verhindert.In the salt dissolving tank 2, under the sieve bottom 6, there is a suction nozzle 10 of a brine dosing pump 11, which sucks in the brine 0 and feeds it via a brine feed line 12 to an electrolysis cell 15 with an anode chamber 15a and a cathode chamber 15b. The brine flow is measured by a flow meter 13. A backflow of the brine is prevented by a pressure control valve 28 in the brine feed line 12.
Andererseits ist parallel zu der Sole-Zuführleitung 12 um die Soledosierpumpe 11 und das Druckhalteventil 28 eine Bypassleitung 12a mit einem Magnetventil 32 angeordnet, auf die später eingegangen wird.On the other hand, a bypass line 12a with a solenoid valve 32 is arranged parallel to the brine supply line 12 around the brine dosing pump 11 and the pressure holding valve 28, which will be discussed later.
In der Anodenkammer 15a wird über die Anodenspannung aus den Chloridionen Cl2 gebildet. Das Natriumion diffundiert aufgrund der elektrokinetischen Effekte durch die Membran in Richtung der Kathode. Der an der Anode austretende Flüssigkeitsstrom (Magersole) wird einem Chlorabscheider 22 zugeführt. Am Sumpf des Chlorabscheiders 22 wird die weitgehend entgaste MagersoleIn the anode chamber 15a, Cl 2 is formed from the chloride ions via the anode voltage. The sodium ion diffuses through the membrane towards the cathode due to the electrokinetic effects. The liquid flow (lean brine) emerging at the anode is fed to a chlorine separator 22. At the bottom of the chlorine separator 22, the largely degassed lean brine
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in eine zum Salzlösebehälter 2 führende Magersole-Rücklaufleitung 16 abgeführt.into a lean brine return line 16 leading to the salt dissolving tank 2.
Der Kathodenkammer 15b wird über eine Betriebswasser-Zuführleitung 14 Betriebswasser aus der Enthärtungsanlage 4 zugeführt. Hierzu ist in der Zufuhrleitung 14 ein Durchflußmesser 26 sowie ein Stellventil 25 und/oder ein Magnetventil 29 vorgesehen. Die in der Kathodenkammer 15b angereicherten Natriumionen reagieren mit dem enthärteten Betriebswasser zu Natronlauge. Das an der Kathodenkammer 15b oben austretende Lauge/Wassergemisch ist mit dem in der Elektrolysezelle 15 gebildeten Wasserstoffgas angereichert und wird einem Wasserstoffabscheider 20 zugeführt. Der im Wasserstoffabscheider 20 abgeschiedene Wasserstoff wird über ein Gebläse 24 zur Vermeidung einer Knallgasreaktion bis auf eine Konzentration von weniger als 1% mit Luft verdünnt und anschließend über eine Steigleitung ausgeblasen. Die Natronlauge vom Wasserstoff abscheider 2 0 wird zum einen einem Reaktionsturm 23 oben zugeführt. Zum anderen wird ein Teilstrom der Natronlauge vom Wasserstoffabscheider 20 über eine Natronlauge-Rückführleitung 21 mit einer Dosierpumpe 19, die über die Steuereinheit 3 angesteuert wird, an einer Impfstelle 33 dem Solerücklaufstrom zugegeben. Hierbei wird der pH-Wert der Mager sole über eine pH-Meßdose 17, in die eine pH-Sonde 18 eingehängt oder eingeschraubt ist, überwacht. Das am Chlorgasabscheider 22 oben austretende Chlorgas wird über eine Leitung dem Reaktor 23 unten zugeführt, in dem die Natronlauge mit dem Chlorgas im Gegenstromverfahren zur Reaktion gebracht und zu einer Natriumhypochloritlösung umgesetzt wird. Die so gebildete Natriumhypochloritlösung tritt unten aus dem Reaktor 23 aus und wird dem Produkttank 5 durch freien Auslauf zugeführt. Die im Produkttank 5 befindliche 2 bis 4%-ige Natriumhypochloritlösung kann jetzt nach Bedarf über eine oder mehrere Dosierpumpen zum Einsatz gebracht werden.The cathode chamber 15b is supplied with process water from the softening system 4 via a process water supply line 14. For this purpose, a flow meter 26 and a control valve 25 and/or a solenoid valve 29 are provided in the supply line 14. The sodium ions enriched in the cathode chamber 15b react with the softened process water to form caustic soda. The lye/water mixture emerging from the top of the cathode chamber 15b is enriched with the hydrogen gas formed in the electrolysis cell 15 and is fed to a hydrogen separator 20. The hydrogen separated in the hydrogen separator 20 is diluted with air to a concentration of less than 1% using a blower 24 to avoid an oxyhydrogen reaction and then blown out via a riser. The caustic soda from the hydrogen separator 20 is fed to a reaction tower 23 at the top. On the other hand, a partial flow of the caustic soda from the hydrogen separator 20 is added to the brine return flow at an injection point 33 via a caustic soda return line 21 with a metering pump 19, which is controlled via the control unit 3. The pH value of the lean brine is monitored via a pH measuring cell 17, into which a pH probe 18 is suspended or screwed. The chlorine gas emerging from the chlorine gas separator 22 at the top is fed via a line to the reactor 23 at the bottom, in which the caustic soda is reacted with the chlorine gas in a countercurrent process and converted into a sodium hypochlorite solution. The sodium hypochlorite solution thus formed emerges from the bottom of the reactor 23 and is fed to the product tank 5 through a free outlet. The 2 to 4% sodium hypochlorite solution in the product tank 5 can now be used as required via one or more metering pumps.
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Wie in Fig. 2 dargestellt ist, können zur Erhöhung der Anlagenleistung mehrere Elektrolysezellen 15 nebeneinander angeordnet sein, die parallel mit Salzlösung und Betriebswasser versorgt werden. Die in den Elektrolysezellen 15 erzeugte Magersole bzw. Natronlauge wird dem Chlor- bzw. Wasserstoffabscheider zugeführt, um Cl2 bzw. H2 abzutrennen. Erfindungsgemäß sind um die Chlor- und Wasserstoffabscheider als rohrförmige Abscheider ausgebildet, die sich durch einfache Ergänzung zusätzlicher Rohrabschnitte, in die die Ausgangsprodukte der Elektrolysezellen eingeleitet werden, verlängern lassen. Dadurch wird die Kühlfläche der Abscheider 20, 22 entsprechend der zusätzlichen Elektrolysezellen 15 und damit der Anlagenleistung vergrößert, so dass die zusätzlich entstehende Verlustwärme abgeführt werden kann. Somit wird bei Erhöhung der Anlagenleistung durch zusätzliche Membranzellen 15 automatisch auch die Kühlfläche in den Abscheidern 20, 22 erhöht. Eine Änderung der übrigen Mechanik der Elektrolyseanlage und insbesondere des wasserführenden Tableaus ist nicht erforderlich.As shown in Fig. 2, to increase the system output, several electrolysis cells 15 can be arranged next to one another, which are supplied with salt solution and process water in parallel. The lean brine or caustic soda produced in the electrolysis cells 15 is fed to the chlorine or hydrogen separator in order to separate Cl 2 or H 2. According to the invention, the chlorine and hydrogen separators are designed as tubular separators, which can be extended by simply adding additional pipe sections into which the starting products of the electrolysis cells are introduced. This increases the cooling surface of the separators 20, 22 in line with the additional electrolysis cells 15 and thus the system output, so that the additional waste heat can be dissipated. Thus, when the system output is increased by additional membrane cells 15, the cooling surface in the separators 20, 22 is automatically increased as well. A change to the remaining mechanics of the electrolysis system and in particular to the water-carrying panel is not necessary.
Schließlich sind in der Magersole-Rücklaufleitung 16 und dem Reaktionsturm 23 Belüftungen 30 bzw. 31 vorgesehen. Ferner ist ein Chlorgaswarngerät 2 7 vorgesehen, das im Störfall den Betrieb der Elektrolyseanlage über die Steuereinheit 3 abschaltet.Finally, ventilation vents 30 and 31 are provided in the lean brine return line 16 and the reaction tower 23. Furthermore, a chlorine gas warning device 27 is provided, which switches off the operation of the electrolysis system via the control unit 3 in the event of a malfunction.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Elektrolysegerätes 1 beschrieben:The mode of operation of the electrolysis device 1 according to the invention is described below:
Bei Inbetriebnahme des Elektrolysegerätes 1 wird zur Erstbefüllung des Salzlösebehälters 2 das Zulaufventil 9 geöffnet und enthärtetes Betriebswasser in den Salzlösebehälter 2 eingeführt. Nach erfolgter Erstbefüllung wird das Erstbefüllungsventil 9 geschlossen. Siedesalz oder Kochsalz vorzugsweise in Tablettenform wird in der erforderlichen MengeWhen the electrolysis device 1 is put into operation, the inlet valve 9 is opened for the initial filling of the salt dissolving tank 2 and softened process water is introduced into the salt dissolving tank 2. After the initial filling, the initial filling valve 9 is closed. Evaporated salt or table salt, preferably in tablet form, is added in the required quantity.
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in dem Salzlösebehälter 2 auf den Siebboden 6 gegeben. Ferner werden die Kathodenkammer 15b und der Wasserstoffabscheider 2 0 über die Betriebswasser-Zufuhrleitung 14 bis zu einem festgelegten Niveau gefüllt, um zu verhindern, dass sich beim Anschalten der Anlage bildendes Chlorgas freigesetzt wird. Dies wird über einen Niveauschalter überprüft. Nun kann die Anlage eingeschaltet und der Elektrolytenstrom freigegeben werden.in the salt dissolving tank 2 onto the sieve bottom 6. Furthermore, the cathode chamber 15b and the hydrogen separator 20 are filled to a predetermined level via the process water supply line 14 in order to prevent the release of chlorine gas that forms when the system is switched on. This is checked by a level switch. The system can now be switched on and the electrolyte flow released.
Bei laufendem Betrieb der Anlage erfolgt die Versorgung mit enthärtetem Betriebswasser über die Zulaufleitung 14 direkt in die Kathodenkammer 15b. In dem Salzlösebehälter 2 wird aus dem auf dem Siebboden 6 angeordneten Kochsalz und dem enthärteten Betriebswasser eine konzentrierte Salzsole gebildet. Die Soleversorgung der Elektrolyseanlage erfolgt über die Sole-Zuführleitung 12 mit Hilfe der Soledosierpumpe 11. In der Elektrolysezelle 15 werden Magersole und Natronlauge erzeugt. In dem Chlorgasabscheider 22 bzw. dem Wasserstoff abscheider 2 0 werden Chlorgas und Wasserstoff von der in der Elektrolysezelle 15 hergestellten Magersole bzw. Natronlauge abgetrennt. Aus der Natronlauge wird anschließend im Reaktionsturm 2 3 Natriumhypochlorit hergestellt.When the system is in operation, the supply of softened process water is carried out via the inlet line 14 directly into the cathode chamber 15b. In the salt dissolving tank 2, a concentrated salt brine is formed from the common salt arranged on the sieve bottom 6 and the softened process water. The brine is supplied to the electrolysis system via the brine feed line 12 with the aid of the brine dosing pump 11. Lean brine and caustic soda are produced in the electrolysis cell 15. In the chlorine gas separator 22 or the hydrogen separator 20, chlorine gas and hydrogen are separated from the lean brine or caustic soda produced in the electrolysis cell 15. Sodium hypochlorite is then produced from the caustic soda in the reaction tower 23.
Ein Teilstrom der Natronlauge wird jedoch aus dem Sumpf des Wasserstoffabscheiders 20 über die Dosierpumpe 19 abgezogen und an der Impfstelle 33 in die Magersole-Rücklaufleitung 16 eingeführt. Hierdurch wird die einen niedrigen pH-Wert aufweisende saure Magersole aufkonzentriert und in den schwach alkalischen Bereich gebracht. Die Zufuhr der Natronlauge in die Magersole-Rücklaufleitung 16 wird hierbei so gesteuert, dass immer eine Grundlastdosierung zugegeben wird, die sicherstellt, dass die Magersole einen pH-Wert > 7 erreicht.However, a partial flow of the caustic soda is withdrawn from the sump of the hydrogen separator 20 via the metering pump 19 and introduced into the lean brine return line 16 at the injection point 33. This concentrates the acidic lean brine, which has a low pH value, and brings it into the weakly alkaline range. The supply of caustic soda into the lean brine return line 16 is controlled in such a way that a base load dosage is always added, which ensures that the lean brine reaches a pH value > 7.
Dieser pH-Wert wird über die pH-Messung 17, 18 überprüft und die Dosierpumpe 19 auf der Basis der pH-Wert-Messung so gesteuert, dass sich in der Magersole ein pH-Wert von ca. 8,5This pH value is checked by the pH measurement 17, 18 and the dosing pump 19 is controlled on the basis of the pH value measurement so that a pH value of approx. 8.5 is achieved in the lean brine.
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einstellt. Aufgrund der Grundlastdosierung wird hierbei sichergestellt, dass der pH-Wert immer > als 7 ist und die Totzeit zwischen der Impfstelle 33, an der die Natronlauge in die Magersole eingeführt wird, und der pH-Wert-Messung 17, 18 überbrückt. Da die Regelung der Dosierpumpe sich nur noch auf den Rest-pH-Bereich bis zu einem pH-Wert von 8,5 bezieht, kann die Regelung sehr viel einfacher erfolgen. Auch wird sichergestellt, dass selbst bei einem Ausfall der pH-Messung der Magersole immer ausreichende Laugenmengen zugesetzt werden, um ein Ausgang von Chlor zu vermeiden. Anschließend wird die aufkonzentrierte Magersole wieder in den Salzlösebehälter 2 eingeführt.The base load dosing ensures that the pH value is always > 7 and bridges the dead time between the injection point 33, where the caustic soda is introduced into the lean brine, and the pH value measurement 17, 18. Since the control of the dosing pump only relates to the remaining pH range up to a pH value of 8.5, the control can be carried out much more easily. It also ensures that even if the pH measurement of the lean brine fails, sufficient amounts of lye are always added to prevent chlorine from escaping. The concentrated lean brine is then fed back into the salt dissolving tank 2.
Die Auslegung der Entgasungsbehälter 22, 20 für Chlor und Wasserstoff in Form von horizontalliegenden Rohren, die z.T. mit Flüssigkeit (Magersole bzw. Natronlauge) und darüber hinaus mit ausgasendem Chlor bzw. Wasserstoff gefüllt sind, gewährleistet eine möglichst große Entgasungs- und Kühlfläche. Die Entgasungs- und Kühlfläche kann durch einfache Verlänge-0 rung bzw. Verkürzung der Rohre des Wasserstoff- und Chlorgasabscheiders an die Anlagengröße und -leistung angepasst werden. Da die sonstige Mechanik der Elektrolyseanlage und das wasserführende Tableau nicht verändert werden müssen, kann die Anpassung kostengünstig durchgeführt werden. Die Kühlung im Wasserstoffabscheider 20 kann durch das Gebläse 24 zusätzlich unterstützt werden.The design of the degassing tanks 22, 20 for chlorine and hydrogen in the form of horizontal pipes, which are partly filled with liquid (lean brine or caustic soda) and also with outgassing chlorine or hydrogen, ensures the largest possible degassing and cooling surface. The degassing and cooling surface can be adapted to the size and performance of the system by simply lengthening or shortening the pipes of the hydrogen and chlorine gas separator. Since the other mechanics of the electrolysis system and the water-carrying panel do not have to be changed, the adaptation can be carried out inexpensively. The cooling in the hydrogen separator 20 can be additionally supported by the fan 24.
Beim Abschalten der Anlage soll vermieden werden, dass Salzkristalle aus der in der Sole-Zuführleitung 12 enthaltenen Salzlösung auskristallisieren und die Leitung zusetzen. Hierzu ist vorgesehen, dass vor der Stillsetzung der Anlage das Magnetventil 32 der Bypassleitung 12a geöffnet und hierdurch Magersole in die Sole-Zuführleitung 12 zurückfließen kann. Wenn hierbei die Dosierpumpe 11 kurz eingeschaltet wird, kann die zurücklaufende Magersole auch in die Dosierpumpe 11 undWhen the system is switched off, it is to be avoided that salt crystals crystallize out of the salt solution contained in the brine feed line 12 and clog the line. To this end, the solenoid valve 32 of the bypass line 12a is opened before the system is shut down, thereby allowing lean brine to flow back into the brine feed line 12. If the dosing pump 11 is switched on briefly, the returning lean brine can also flow into the dosing pump 11 and
in den durch das Druckventil 2 8 abgesperrten Leitungsbereich bis zum Abzweig der Bypassleitung 12a eingeführt werden. Dadurch wird auf einfache Weise ohne Vermehrung des Solevolumens eine Auskristallisation von Salzkristallen in der Solezuführleitung, die das spätere Anfahren der Anlage behindern würden, vermieden.into the line section blocked off by the pressure valve 2 8 up to the branch of the bypass line 12a. This is a simple way of avoiding crystallization of salt crystals in the brine supply line without increasing the brine volume, which would hinder the subsequent start-up of the system.
Mit der Erfindung wird somit eine einfache, kontinuierlich betreibbare Elekrolyseanlage geschaffen, bei der eine ausreichende Kühlung in Abstimmung mit der Anlagenleistung gewährleistet wird. Ein Ausgasen von Chlorgas im Salzlösetank wird vermieden. Die Magersole kann ohne Salzverlust und gefährliche Chlorgasbildungen im Soletank wieder dem Salzkreislauf zugeführt werden.The invention thus creates a simple, continuously operable electrolysis system in which sufficient cooling is guaranteed in coordination with the system output. The release of chlorine gas in the salt dissolving tank is avoided. The lean brine can be fed back into the salt cycle without salt loss and dangerous chlorine gas formation in the brine tank.
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Stellventil-Zulaufwasser-Kathodenkammer
Durchflußanzeige-Zulaufwasser-Kathodenkammer Control valve inlet water cathode chamber
Flow indicator inlet water cathode chamber
Chlorgaswarngerät
Druckhalteventil
Magnetventil
Belüftung-Magersolerücklauf Chlorine gas detector
Pressure holding valve
magnetic valve
Ventilation-lean brine return
Belüftung-Reaktionsturm Bypass-Magnetventil
ImpfstelleVentilation reaction tower bypass solenoid valve
Vaccination center
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• ··
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Cited By (2)
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1999
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Legal Events
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