EA011603B1 - Электрическая цепь электролизера с биполярными электродами и электролизная установка с биполярными электродами - Google Patents

Abstract

Электрическая цепь электролизера, по существу, с вертикальными биполярными электродами, содержащая по меньшей мере одну шину (9, 10, 14), которая расположена под и/или над электролизером (3). Электролизная установка, содержащая такую цепь и по меньшей мере один электролизер (3) с вертикальными биполярными электродами.

Description

Данное изобретение относится к электролизерам с биполярными электродами, а конкретнее - к подаче электрического тока на такие электролизеры.

Данное изобретение относится, в частности, к электрической цепи для подачи электропитания выпрямленного тока на электролизер с биполярными электродами.

Электролизеры с биполярными электродами, на которые подают питание постоянного тока, обычно используют в электрохимической промышленности. Такие электролизеры обычно используют для электролиза водных растворов хлорида натрия с целью получения хлора, водных растворов гидроксида натрия или водных растворов хлората натрия.

Принимая во внимание высокие плотности тока, используемые в электролизерах с биполярными электродами, питание постоянным током обычно заменяют питанием выпрямленным переменным током. Питание выпрямленным переменным током обычно представляет собой импульсы, частота и амплитуда которых зависят от используемого выпрямителя. Соответственно, электромагнитное поле, создаваемое при питании выпрямленным переменным током, может генерировать наведенные токи, которые могут быть довольно большими при некоторых видах промышленного применения, особенно в случае биполярных электролизеров для непрерывного производства хлора и водных растворов гидроксида натрия.

Также хорошо известно, что при экстремальных условиях сильные электромагнитные поля могут оказывать вредное воздействие на человеческий организм, особенно поля, созданные при питании выпрямленным электрическим током, вследствие тех наведенных токов, которые они способны генерировать. Поэтому важно предпринимать меры по защите персонала, находящегося поблизости от промышленных установок, или же снижать напряженность электромагнитных полей. Более того, в этом отношении установлены стандарты, требующие ограничения напряженности электромагнитных полей в промышленных помещениях. Среди этих стандартов особенно строгим является Европейский стандарт 89/391/ЕЕС.

Целью данного изобретения является создание электрической цепи новой конструкции для подачи электрического тока большой силы на промышленный электролизер с биполярными электродами.

Более конкретной целью данного изобретения является создание электрической цепи, при использовании которой электромагнитное поле поблизости от электролизера уменьшено до достаточно низкой величины, соответствующей требованиям вышеуказанного Европейского стандарта.

Еще более конкретной целью данного изобретения является уменьшение напряженности магнитного поля в проходах, устроенных вдоль боковых стенок электролизеров с биполярными электродами.

Соответственно, данное изобретение относится к электрической цепи электролизера с биполярными электродами, содержащей по меньшей мере одну электрическую токопроводящую линию, расположенную снаружи этого электролизера, отличающейся тем, что эта электрическая токопроводящая линия содержит по меньшей мере одну шину, которая расположена под и/или над электролизером.

Данное изобретение относится, более конкретно, к электролизерам с по существу вертикальными биполярными электродами. Такие электролизеры хорошо известны в данной области техники, где они широко используются для электролиза водных растворов галогенидов металлов, в частности - хлорида натрия. Эти электролизеры обычно образованы последовательностью металлических рамок, каждая из которых содержит биполярный электрод, причем эти рамки наложены друг на друга как в фильтр-прессе (Мойегпе С11ог-а1ка11 1се1то1оду. Уо1ите 3, 8С1, 1986, сйар1ет 13 «Оретайпд ехрепепсе дашей тейй Не Ыро1аг НоесйЧ-иНйе тетЬтаие се11»; Мойегп С11ог-а1ка11 Тесйио1оду, Уо1ите 4, 8С1, 1990, сйар1ет 20 «НоесйЧ-иНйе йпДе е1етеп! тетЬгапе е1ес1го1ухег: сопсерРехрепепсек-аррНсайопк»).

Рамки обычно имеют квадратный или прямоугольный профиль, так что при их наложении друг на друга в фильтр-прессной конфигурации они образуют верхнюю стенку, нижнюю или донную стенку и две боковые стенки электролизера. На такой электролизер обычно подают питание постоянным током или же, в более общем случае, питание выпрямленным переменным током. Подаваемый постоянный или выпрямленный переменный ток протекает от клеммы источника постоянного тока или выпрямителя через биполярные электроды и затем возвращается к другой клемме источника постоянного тока или выпрямителя посредством электрической токопроводящей линии, расположенной снаружи электролизера. В соответствии с данным изобретением указанная возвратная электрическая токопроводящая линия содержит по меньшей мере одну шину, которая расположена под или над электролизером. Выбор размещения этой шины под или над электролизером диктуется соображениями, связанными с конструкцией электролизера и способом сборки биполярных электродов. В качестве варианта вышеуказанная электрическая токопроводящая линия может содержать одну шину, расположенную под электролизером, и другую шину, расположенную над электролизером. В соответствии с другим вариантом электролизер может также содержать множество шин под электролизером и/или множество шин над электролизером. На практике по соображениям, связанным со сборкой и техническим обслуживанием такого электролизера, обычно является предпочтительным, чтобы вышеуказанная электрическая токопроводящая линия не содержала шины над электролизером.

Было обнаружено, что при всех прочих равных условиях электрическая цепь согласно изобретению существенно уменьшает электромагнитное поле поблизости от электролизера с биполярными электро

- 1 011603 дами, главным образом, вдоль его боковых стенок, особенно в проходах, которые обычно устроены вдоль боковых стенок и используются обслуживающим и ремонтным персоналом. В представленном ниже обсуждении выражение «поблизости от электролизера» означает пространство вдоль боковых стенок электролизера, в котором обычно устроены проходы, используемые персоналом для обслуживания и ремонта электролизера.

В электрической цепи согласно изобретению материал шины не является решающим фактором для характеризации изобретения. Она обычно изготовлена из меди, алюминия или алюминиевого сплава.

В электрической цепи согласно изобретению профиль поперечного сечения шины не является решающим фактором для характеризации изобретения. Он может, например, быть квадратным, прямоугольным, круглым или полигональным.

В первом и частном варианте реализации электрической цепи согласно изобретению шина имеет прямоугольный профиль и ориентирована таким образом, что ее большие стороны расположены по существу горизонтально. Было замечено, что при всех прочих равных условиях выбор шины прямоугольного сечения, размещенной горизонтально под и/или над электролизером, сводит к минимуму напряженность электромагнитного поля поблизости от электролизера. Также было отмечено, что уменьшение электромагнитного поля поблизости от электролизера является большим, если отношение толщины шины к ее ширине меньше. Следовательно на практике является предпочтительным использовать в качестве шины металлические полосы. В качестве варианта может быть использовано множество металлических полос, расположенных бок о бок под и/или над электролизером.

Кроме того, было также отмечено, что при всех прочих равных условиях напряженность электромагнитного поля поблизости от электролизера уменьшается по мере того, как шина сближается со стенкой электролизера.

Поэтому во втором варианте реализации электрической цепи согласно изобретению шина размещена непосредственно рядом со стенкой электролизера. В этом варианте реализации изобретения указанная стенка электролизера является нижней или донной стенкой электролизера или его верхней стенкой, в зависимости от того, расположена ли шина под или над электролизером. В этом варианте реализации изобретения выражение «непосредственно рядом со стенкой электролизера» означает, что расстояние между этой стенкой и шиной не превышает более чем в пять раз (предпочтительно не более чем в три раза) толщину шины. Предпочтительно это расстояние не превышает толщину шины.

В предпочтительном подварианте вышеуказанного второго варианта реализации изобретения шина прикреплена к указанной стенке электролизера. В этом предпочтительном подварианте изобретения шина преимущественно является металлической полосой, одна из больших сторон которой прикреплена к указанной стенке и отделена от этой стенки лишь на толщину требуемой электрической изоляции. Металлическая полоса может быть прикреплена к части указанной стенки. Предпочтительно, чтобы металлическая полоса была прикреплена, по существу, к всей поверхности указанной стенки.

В третьем частном варианте реализации изобретения вышеуказанная электрическая линия также содержит две дополнительных шины, которые размещены соответственно непосредственно рядом с двумя боковыми стенками электролизера. В этом варианте реализации изобретения выражение «непосредственно рядом с» идентично определению этого выражения, данному в обсуждавшемся выше втором варианте реализации. При всех прочих равных условиях наличие этих дополнительных шин уменьшает напряженность электромагнитного поля поблизости от электролизера.

В этом третьем варианте реализации согласно изобретению эти дополнительные шины могут иметь любую форму, совместимую с конструкцией электролизера. Они могут, например, иметь квадратный, прямоугольный, полигональный, овальный или круговой профиль. Дополнительные шины могут также иметь одинаковый профиль или же разные профили, и они могут иметь одинаковые или же разные размеры. На практике, однако, предпочтительно, чтобы дополнительные шины имели одинаковый профиль и одинаковые размеры. Также предпочтительно, чтобы дополнительные шины имели прямоугольный профиль и чтобы они были прикреплены своей большой стороной соответственно к двум боковым стенкам электролизера.

В описанном выше третьем варианте реализации изобретения соответствующие размеры дополнительных шин и размеры указанной или каждой из шин, которые расположены под и/или над электролизером, определяют в соответствии с тем, как электрический ток должен распределяться по всем этим шинам. На практике рекомендуется, чтобы сила электрического тока в шине, расположенной под и/или над электролизером, отличалась не более чем на 30% (предпочтительно не более чем на 20%) от силы электрического тока в каждой из дополнительных шин. Предпочтительно, чтобы сила электрического тока была, по существу, одинаковой в шине, которая расположена под и/или над электролизером, и в каждой из дополнительных шин.

В четвертом варианте реализации изобретения, который обладает особыми преимуществами, возвратная электрическая токопроводящая линия электрической цепи расположена так, чтобы генерировать электромагнитное поле, которое является, по существу. симметричным относительно средней вертикальной плоскости электролизера. В этом варианте реализации указанная цель (генерация электромагнитного поля, которое является, по существу, симметричным относительно средней вертикальной плос

- 2 011603 кости электролизера) достигается адекватным приданием размеров и позиционированием указанной или каждой шины. Выбор оптимальных размеров и оптимальное позиционирование определяется специалистом в данной области техники индивидуальным образом в соответствии с формой и размерами электролизера. На практике такой результат может быть обычно достигнут размещением шины или шин симметрично относительно средней вертикальной плоскости электролизера.

Электрическая цепь согласно изобретению значительно уменьшает электромагнитное поле поблизости от электролизера с биполярными электродами.

Следовательно, данное изобретение также относится к применению электрической цепи согласно изобретению для уменьшения электромагнитного поля поблизости от электролизера.

Электрическая цепь согласно изобретению особенно применима к электролизерам для непрерывного электролиза воды или водных растворов, таких как водные растворы галогенидов щелочных металлов, в особенности хлорида натрия. Поэтому в предпочтительном варианте реализации изобретения такой электролизер содержит линию для непрерывного подвода водного электролита и линию для непрерывного отвода водного электролита.

Данное изобретение применимо, в частности, к электролизерам для производства хлората натрия электролизом водных растворов хлорида натрия. Данное изобретение особенно применимо к электролизерам для производства хлора и водных растворов гидроксида натрия электролизом водных растворов хлорида натрия, причем эти электролизеры содержат мембраны, которые являются селективно проницаемыми для катионов и которые вставлены между биполярными электродами.

Электрическая цепь согласно изобретению применима к любой электролизной установке, включающей в себя по меньшей мере один электролизер с вертикальными биполярными электродами.

Поэтому данное изобретение относится также к электролизной установке, содержащей по меньшей мере один электролизер с биполярными электродами, соединенный с электрической цепью согласно изобретению. Данная установка согласно изобретению может содержать один единственный электролизер или множество электролизеров, электрически соединенных последовательно.

Данное изобретение относится, в частности, к применению этой установки для производства хлора и водных растворов гидроксида натрия.

Конкретные признаки и особенности изобретения будут очевидны из нижеприведенного описания приложенных к нему фигур, которые иллюстрируют ряд частных вариантов реализации изобретения.

Фиг. 1 показывает общий вид сверху электролизной установки, предшествующей данному изобретению;

фиг. 2 - схематический вид в вертикальной проекции в продольном направлении частного варианта реализации электролизной установки согласно изобретению;

фиг. 3 - вертикальное поперечное сечение в плоскости ΙΙΙ-ΙΙΙ на фиг. 2;

фиг. 4 - вид, подобный представленному на фиг. 3, другого варианта реализации установки согласно изобретению;

фиг. 5 - предпочтительный вариант установки на фиг. 4.

На этих фигурах идентичные элементы обозначены одними и теми же цифрами.

Электролизная установка, показанная на фиг. 1, предшествует данному изобретению и не соответствует ему. Она содержит три электролизера 1, 2 и 3, предназначенные для производства хлора, водорода и гидроксида натрия электролизом водного раствора хлорида натрия. Электролизеры 1, 2 и 3 относятся к типу с вертикальными биполярными электродами. Они образованы путем наложения одной на другую вертикальных прямоугольных рамок 4, каждая из которых содержит вертикальный биполярный электрод (не показан). Рамки 4 наложены друг на друга в фильтр-прессной конфигурации. Мембраны, которые селективным образом проницаемы для катионов, вставлены между рамками 4 с образованием поочередных анодных и катодных камер. Анодные камеры электролизеров 1, 2 и 3 сообщаются с линией (не показана) для непрерывного подвода водного раствора хлорида натрия. Они также сообщаются с коллектором (не показан) для непрерывного отвода хлора. Катодные камеры электролизеров 1, 2 и 3 сообщаются с двумя коллекторами (не показаны), которые служат соответственно для непрерывного отбора водорода, с одной стороны, и водного раствора гидроксида натрия - с другой.

Электролизеры 1, 2 и 3 электрически соединены последовательно с выпрямителем 5 источника питания переменного тока посредством электрической цепи, содержащей, с одной стороны, шины 6, расположенные между электролизерами 1, 2 и 3, и, с другой стороны, возвратную электрическую токопроводящую линию 7, расположенную снаружи электролизеров 1, 2 и 3. Электрическая цепь также содержит двухполюсный выключатель 8.

В электролизной установке на фиг. 1 возвратная электрическая токопроводящая линия 7 содержит длинную шину, проложенную вдоль продольной боковой стенки электролизеров 1, 2 и 3.

В электролизной установке, представленной на фиг. 1, каждый из трех электролизеров 1, 2, и 3 может, например, содержать от 30 до 40 элементарных электролизных ячеек, а источник электропитания содержит, например, выпрямитель на 520 В постоянного напряжения, способный выдавать ток в интервале между 8 и 20 кА. В зависимости от площади поверхности электродов это может давать плотность анодного тока в интервале от 2,5 до 6 кА/м² площади анода. Однако эти численные значения являются

- 3 011603 чисто иллюстративными и не ограничивают объем данного изобретения и представленной ниже формулы изобретения.

При замыкании двухполюсного выключателя выпрямленный электрический ток протекает последовательно в электролизеры 1, 2 и 3 через их биполярные электроды и по возвратной линии 7. Этот электрический ток генерирует электромагнитное поле в окружении установки.

Установка, представленная на фиг. 2 и 3, соответствует изобретению. На этих фигурах показан только электролизер 3. В установке по фиг. 2 и 3 возвратная электрическая токопроводящая линия 7 содержит две шины 9 и 10, которые расположены под донной стенкой 11 электролизера 3. Шины 9 и 10 представляют собой призматические прутки из металла, который является хорошим электрическим проводником (предпочтительно меди или алюминия). Эти шины размещены симметрично по обе стороны от средней вертикальной плоскости Х-Х электролизера. Шины 9 и 10 также размещены поблизости от донной стенки 11 электролизера 3. Расположение шин 9 и 10 таким образом, как это показано на фиг. 3, обусловливает эффект уменьшения напряженности электромагнитного поля в проходах 12, которые простираются вдоль боковых стенок 13 электролизера 3 и которые предназначены для обслуживающего электролизер персонала.

Было обнаружено, что при всех прочих равных условиях напряженность электромагнитного поля в проходах 12 уменьшается в большей степени, если шины 9 и 10 расположены ближе к средней плоскости Х-Х и к донной стенке 11. Также было обнаружено, что напряженность электромагнитного поля в проходах 12 снижается при уменьшении отношения толщины к ширине шин 9 и 10. Поэтому является предпочтительным использовать шины 9 и 10 в виде полос или горизонтальных лент.

В варианте реализации, представленном на фиг. 4, возвратная электрическая токопроводящая линия 7 содержит металлическую полосу или ленту 14, которая прикреплена к донной стенке 11 электролизера и которая покрывает, по существу, всю эту стенку.

В установке по фиг. 5 электрическая токопроводящая линия 7 содержит металлическую полосу 14, которая наложена на донную стенку 11 электролизера 3, и две дополнительных шины 15 и 16, расположенных соответственно вдоль двух боковых стенок 13 электролизера 3. Эти две дополнительные шины 15 и 16 представляют собой преимущественно металлические полосы или ленты, которые закреплены на боковых стенках 13.

Claims (12)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Электрическая цепь электролизера с биполярными электродами, содержащая по меньшей мере одну возвратную электрическую токопроводящую линию, которая расположена снаружи электролизера, отличающаяся тем, что эта возвратная электрическая токопроводящая линия (7) содержит по меньшей мере одну шину (9, 10, 14), которая расположена под и/или над электролизером (3).
2. 2. Цепь по п.1, отличающаяся тем, что шина (14) прикреплена к стенке (11) электролизера (3).
3. 3. Цепь по п.2, отличающаяся тем, что эта стенка является донной стенкой (11) электролизера.
4. 4. Цепь по любому из пп.2 и 3, отличающаяся тем, что эта шина представляет собой металлическую полосу (14), одна из больших сторон которой прикреплена к стенке (11).
5. 5. Цепь по любому из пп.3 и 4, отличающаяся тем, что шина (14) прикреплена, по существу, ко всей поверхности стенки (11).
6. 6. Цепь по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что электрическая токопроводящая линия (7) также содержит две дополнительных шины (15, 16), которые прикреплены соответственно к двум боковым стенкам (13) электролизера (3).
7. 7. Цепь по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что возвратная электрическая токопроводящая линия (7) размещена так, чтобы генерировать электромагнитное поле, которое является, по существу, симметричным относительно средней вертикальной плоскости (Х-Х) электролизера.
8. 8. Цепь по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что электролизер содержит линию для непрерывного подвода водного электролита и линию для непрерывного отвода водного электролита.
9. 9. Цепь по п.8, отличающаяся тем, что электролизер содержит мембраны, которые селективно проницаемы для катионов и которые вставлены между биполярными электродами.
10. 10. Применение возвратной электрической токопроводящей линии электрической цепи по любому из пп.1-9 в качестве средства уменьшения электромагнитного поля поблизости от электролизера.
11. 11. Электролизная установка, содержащая по меньшей мере один электролизер (3) с биполярными электродами, соединенный с электрической цепью (9, 10, 14, 15, 16) по любому из пп.1-9.
12. 12. Применение установки по предыдущему пункту для производства хлора и водных растворов гидроксида натрия.