RU168370U1 - Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов - Google Patents

Abstract

Область применения: в процессах, связанных с регулированием кислотно-основных, окислительно-восстановительных свойств воды и/или водных растворов, а также в процессах получения различных химических продуктов. Сущность полезной модели: в электрохимической модульной ячейке для обработки растворов электролитов, содержащей цилиндрический основной электрод переменного сечения с центральной и хвостовыми частями, 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, средства для подачи обрабатываемых растворов в анодную камеру, средства для отвода обработанных растворов и газов из анодной камеры, размещены один основной вертикальный электрод и 2-5 противоэлектродов. Основной электрод является катодом и выполнен полым с наружным диаметром концевых частей 16 мм и диаметром центральной части 16-18 мм, центральная часть выполнена с перфорацией, а концевые части выполнены без перфорации. Нижняя концевая часть катода соединена с приспособлением для подачи обрабатываемого раствора в катодную камеру, а верхняя концевая часть - с приспособлением для вывода раствора и газа из катодной камеры. Диафрагма выполнена высотой, превышающей высоту центральной части катода, и закреплена на концевых частях катода с помощью фиксаторов. Противоэлектроды являются анодами и выполнены с наружным диаметром 14-18 мм. Ячейка снабжена цилиндрическим корпусом, внутренний диаметр которого составляет 80-90 мм.

Description

Полезная модель относится к области химической технологии, в частности к устройствам для электрохимической обработки растворов электролитов. Полезная модель может быть использована, например, для получения газообразных продуктов анодного окисления растворов хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов для использования в процессах очистки и обеззараживания воды, в процессах, связанных с регулированием кислотно-основных, окислительно-восстановительных свойств воды и/или водных растворов, а также в процессах получения различных химических продуктов.

В прикладной электрохимии для электролитического получения различных продуктов или обработки 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 перспективным является создание модульных конструкций, в которых изменение производительности достигается путем соединения необходимого числа однотипных 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 близким по технической сути и достигаемому результату является техническое решение, описывающее электрохимическую модульную ячейку, содержащую стержневой основной электрод переменного сечения с центральной и хвостовыми частями, установленный вертикально, цилиндрический противоэлектрод, установленный вертикально и коаксиально основному электроду, керамическую диафрагму, размещенную коаксиально между электродами и разделяющую межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры, нижнее и верхнее герметизирующие приспособления, приспособления для подачи обрабатываемых растворов в катодную и анодную камеры и приспособления для отвода обработанных растворов и электролизных газов из анодной и катодной камер (см. патент РФ №2078737, C02F 1/461, 1994).

Это техническое решение выбрано в качестве прототипа.

В известном техническом решении обработка раствора электролита (или воды) производится при однократном или многократном (с использованием внешнего циркуляционного контура) протоке обрабатываемого раствора через электродные камеры ячейки снизу вверх. Требуемая производительность устройства обеспечивается соединением необходимого количества электрохимических модульных ячеек.

Известная электрохимическая модульная ячейка эффективна при проведении обработки 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. 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 сравнительно узком диапазоне размеров, что обусловлено механической прочностью диафрагм, 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, для которых сложно обеспечить равномерное распределение циркулирующего электролита по электродным камерам ячеек. 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 трудностями применения технологий нанесения анодных электрокаталитических покрытий на внутреннюю поверхность трубчатых электродов, что делает практически невозможным использования в качестве катода электрода, находящегося внутри диафрагмы. Кроме того, в известной электрохимической ячейке 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.

Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящей полезной модели, является обеспечение возможности повышения производительности ячейки по анодным продуктам, при упрощении конструкции ячейки и обеспечении возможности компоновки реактора требуемой производительности из меньшего количества ячеек и в меньшем пространстве, при повышении надежности, конструкции реакторов большой мощности за счет сокращения вспомогательных коммуникаций, а также расширение функциональных возможностей ячейки, которое достигается за счет обеспечения возможности регулирования свойств анолита и повышения чистоты получаемых продуктов.

Указанный результат достигается тем, что в электрохимической модульной ячейке для обработки растворов электролитов, содержащей цилиндрический основной электрод переменного сечения с центральной и хвостовыми частями, 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, средства для подачи обрабатываемых растворов в анодную камеру, средства для отвода обработанных растворов и газов из анодной камеры, размещены один основной вертикальный электрод и 2-5 противоэлектродов. Основной электрод является катодом и выполнен полым с наружным диаметром концевых частей 16 мм и диаметром центральной части 16-18 мм, центральная часть выполнена с перфорацией, а концевые части выполнены без перфорации. Нижняя концевая часть катода соединена с приспособлением для подачи обрабатываемого раствора в катодную камеру, а верхняя концевая часть - с приспособлением для вывода раствора и газа из катодной камеры. Диафрагма выполнена высотой, превышающей высоту центральной части катода и закреплена на концевых частях катода с помощью фиксаторов. Противоэлектроды являются анодами, и выполнены с наружным диаметром 14-18 мм. Ячейка снабжена цилиндрическим корпусом, внутренний диаметр которого составляет 80-90 мм. Электроды размещены во внутреннем пространстве корпуса, причем катод и коаксиальная ему диафрагма установлены в центре внутреннего пространства корпуса, а аноды равномерно размещены на условной окружности, вписанной во внутреннее сечение корпуса на расстоянии 1-1.5 диаметра анодов от внутренней поверхности корпуса. Таким образом, пространство катодной камеры ограничено внутренней поверхностью диафрагмы и внешней поверхностью катода, а пространство анодной камеры ограничено внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью диафрагмы. На верхней и нижней частях корпуса установлены герметизирующие приспособления, выполненные в виде верхней и нижней крышек. Крышки содержат приспособления для крепления электродов, а также средства для подачи обрабатываемого раствора в анодную камеру и средства для отвода жидкостей и газов из анодной камеры выполнены в виде каналов, размещенных соответственно в нижней и верхней крышках.

Длина анодов составляет 105-110% высоты корпуса, а суммарная длина центральной и концевых частей катода составляет 110-120% высоты корпуса.

Аноды могут быть выполнены полыми и снабжены приспособлениями для подачи и отвода теплоносителя, соединенными соответственно с нижними и верхними торцами анодов.

Катод может быть выполнен таким образом, что его длина центральной части катода составляет 300 мм и сама центральная часть выполнена из 18 стержней диаметром 2 мм, закрепленных с равномерным шагом на наружных сторонах верхней и нижней концевых частей катода.

Электрохимическая модульная ячейка может быть выполнена с высотой корпуса 310-350 мм, а катод выполнен с центральной частью высотой 300 мм.

Электрохимическая модульная ячейка может быть выполнена с высотой корпуса 670-700 мм, при этом катод может быть выполнен составным, содержащим две вертикальные центральные части диаметром 18 мм и хвостовые части диаметром 16 мм, причем центральные части соединены отрезками хвостовых частей с образованием единой полости, при этом центральные части выполнены длиной по 300 мм из 18 металлических стержней диаметром 2 мм, равномерно закрепленных на наружных сторонах концевых частей каждой части и центральные части разнесены друг от дуга на расстояние не более 30 мм.

Приспособления для крепления электродов выполнены в виде отверстий в верхней и нижней крышках, причем диаметр отверстий для крепления анодов равен наружному диаметру анодов, а диаметр отверстий для крепления катода равен наружному диаметру и концевых частей катода, крышки снабжены средствами герметизации.

Диафрагма в электрохимической ячейке целесообразно выполнять из кислото-щелочестойкой наноструктурированной ультрафильтрационной керамики толщиной 2.5-3,2 мм и расстояние между внутренней поверхностью диафрагмы и наружной поверхностью катода составляет 3-4 мм.

Корпус электрохимической ячейки и крышки выполнены или из диэлектрического кислото-щелочестойкого материала или из металла, при этом внутренняя поверхность элементов конструкции покрыта слоем такого диэлектрического материала.

То, что в электрохимической модульной ячейке для обработки растворов электролитов размещены один основной вертикальный электрод, являющийся катодом, и 2-5 противоэлектродов, которые являются анодами, позволяет повысить производительность ячейки по анодным продуктам. При этом достигается упрощение конструкции ячейки, появляется возможность установить большее количество электродов в меньшем пространстве, что ведет к сокращению числа и протяженности вспомогательных коммуникаций при объединении ячеек в реакторы. Использование 2-х анодов является минимальным условием увеличения производительности, а увеличение числа анодов более 5 требует увеличения размеров ячейки, что приведет к увеличению ее объема и, соответственно, к увеличению затрат на соблюдение гидравлического режима. Такое выполнение позволяет, сохранив преимущества модульного построения установки, варьировать производительность установки в нужных пределах и регулировать производительность установки по продуктам анодного окисления за счет увеличения реакционной поверхности анодов. При этом объем катодной камеры установки сохраняется постоянным, что позволяет сократить выход католита, регулировать его концентрацию и исключить расходы, связанные с его утилизацией, так как только незначительные объемы этого раствора могут быть использованы в технологическом цикле.

Катод выполнен полым цилиндрическим с наружным диаметром концевых частей 16 мм и диаметром центральной части 16-18 мм. Центральная часть выполнена перфорированной, а концевые части выполнены без перфорации. Нижняя концевая часть катода соединена с приспособлением для подачи обрабатываемого раствора в катодную камеру, а верхняя концевая часть - с приспособлением для вывода раствора и газа из катодной камеры. Такое выполнение позволяет обеспечить необходимую гидравлику подачи раствора в катодную камеру, а также регулировать обработку в катодной камере за счет обеспечения циркуляции раствора в камере за счет газлифта и получить католит требуемого состава.

Диафрагму целесообразно выполнять высотой, превышающей высоту центральной части катода. Такое выполнение позволяет закрепить диафрагму на концевых частях катода с помощью фиксаторов, что упрощает монтаж и демонтаж катодно-диафрагменного блока, а также обеспечивает оптимальную работу центральной части катода. Конкретное значение превышения высоты диафрагмы по отношению к центральной части катода зависит от используемых средств крепления, но не должно превышать 20% высоты центральной части катода, что связано с механической прочностью диафрагмы.

Аноды предпочтительно выполнять с наружным диаметром 14-18 мм. Это обеспечит оптимальную гидравлику и позволит достичь требуемой производительности без необоснованного увеличения габаритов и металлоемкости конструкции.

Ячейка снабжена цилиндрическим корпусом, внутренний диаметр которого составляет 80-90 мм. Электроды размещены во внутреннем пространстве корпуса, причем катод и коаксиальная ему диафрагма установлены в центре внутреннего пространства корпуса, и аноды равномерно размещены на условной окружности, вписанной во внутреннее сечение корпуса на расстоянии 1-1.5 диаметра анодов от внутренней поверхности корпуса. Таким образом, пространство катодной камеры ограничено внутренней поверхностью диафрагмы и внешней поверхностью катода, а пространство анодной камеры ограничено внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью диафрагмы. На верхней и нижней частях корпуса установлены герметизирующие приспособления, выполненные в виде верхней и нижней крышек. Крышки содержат приспособления для крепления электродов, а также средства для подачи обрабатываемого раствора в анодную камеру и средства для отвода жидкостей и газов из анодной камеры выполнены в виде каналов, размещенных соответственно в нижней и верхней крышках. Такое выполнение позволяет получить требуемую производительность по анодным продуктам за счет обеспечения одинаковых условий работы анодов, упростить конструкцию за счет упрощения крепления электродов, обеспечит оптимальную гидравлику и позволяет избежать застойных зон в анодной камере, так как при такой установке анодов создаются условия для циркуляции анолита за счет газлифта. Выполнение корпуса диаметром менее 80 мм не позволяет разместить требуемое число электродов, а выполнение с диаметром более 90 мм необоснованно увеличивает габариты ячейки. Размещение анодов на меньшем, чем указано, расстоянии может привести к образованию застойных зон, а на большем - к нерациональному использованию объема ячейки.

Длина анодов составляет 105-110% высоты корпуса, а суммарная длина центральной и концевых частей катода составляет 110-120% высоты корпуса, что обеспечивает надежное крепление электродов в крышках, и обеспечивает компоновку токоподводов к анодам и катоду на меньшем пространстве.

В зависимости от условий решаемой задачи, аноды могут быть выполнены полыми и снабжены приспособлениями для подачи и отвода теплоносителя, которые соединены соответственно с нижними и верхними торцами анодов. Такое выполнение позволяет обеспечить оптимальные условия для протекания целевого анодного процесса и эффективно регулировать состав анолита за счет проведения процесса при оптимальной температуре, которая снижает возможность образования побочных продуктов.

Катод может быть выполнен таким образом, что его длина центральной части катода составляет 300 мм и сама центральная часть выполнена из 18 стержней диаметром 2 мм закрепленных с равномерным шагом на наружных сторонах верхней и нижней концевых частей катода. Выполнение центральной части катода из стержней позволяет увеличить эффективную рабочую поверхность катода, и обеспечить требуемую гидродинамику прохождения католита. Длина центральной части определена исходя из механических свойств стержней, так как увеличение высоты центральной части при фиксированном размере стержней делает возможным деформацию центральной части катода в процессе электролиза. Количество стержней является оптимальным при использовании заявленных геометрических размеров элементов анода, так как должна быть обеспечена необходимая величина поверхности катода для обеспечения возможности протекания раствора из полости катода в катодную камеру.

В зависимости от требуемой производительности электрохимическая модульная ячейка может быть выполнена с высотой корпуса 310-350 мм, при этом катод выполнен с центральной частью высотой 300 мм, или ячейка может быть выполнена с высотой корпуса 670-700 мм, при этом катод может быть выполнен составным из двух вертикальных частей, центральная часть которых составляет по 300 мм и соединенных концевыми частями с образованием единой полости и центральные части разнесены друг от друга на расстояние не более 30 мм. Высота корпуса ячейки определяется в зависимости от формы выполнения катодов. Указанные параметры высоты являются оптимальными. При меньших высотах усложняется монтаж и демонтаж элементов ячейки и создается вероятность нарушения целостности и правильной центровки электродов, применение более высоких значений, чем указаны в интервалах приводит к необоснованному увеличению размеров ячейки и объемов перекачиваемых растворов электролитов. При выполнении катода из двух центральных частей расстояние между ними не должно превышать 30 мм. Минимальное расстояние может составлять 20 мм, что определяется технологическими параметрами оборудования, используемого при сборке ячейки. Увеличение этого расстояния более 30 мм ведет к необоснованному увеличению габаритов ячейки.

Такое выполнение обеспечивает требуемую механическую прочность элементов ячейки при сохранении стабильности гидравлического режима.

Приспособления для крепления электродов целесообразно выполнять в виде отверстий в верхней и нижней крышках, причем диаметр отверстий для крепления анодов равен наружному диаметру анодов, а диаметр отверстий для крепления катода равен наружному диаметру концевых частей катода, крышки снабжены средствами герметизации. Это позволяет упростить конструкцию, сократить трудозатраты на монтаж и демонтаж ячейки.

Диафрагму в электрохимической ячейке целесообразно выполнять из кислото-щелочестойкой наноструктурированной ультрафильтрационной керамики толщиной 2.5-3,2 мм и расстояние между внутренней поверхностью диафрагмы и наружной поверхностью катода составляет 3-4 мм. Указанные размеры обеспечивают требуемую производительность при одновременном достижении поставленных ограничений на состав католита. 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.

В зависимости от условий решаемой задачи корпус электрохимической ячейки и крышки может быть выполнен или из диэлектрического кислото-щелочестойкого материала или из металла, внутренняя поверхность которого покрыта слоем такого диэлектрического материала. Материал выполнения корпуса определяется условиями процесса электролиза и требованиями к прочности конструкции.

Ячейка, согласно полезной модели, представлена на фиг. 1, 2 и 3.

На фиг. 1 показано поперечное сечение корпуса ячейки, содержащей один катод и четыре анода.

На фиг. 2 показано продольное сечение ячейки, содержащей катод и четыре анода, с высотой корпуса 310 мм.

На фиг. 3 показано продольное сечение ячейки, содержащей катод и четыре анода, с высотой корпуса 690 мм.

На фиг. 4 представлена схема установки для получения смеси оксидантов, в соответствии с которой производились сравнительные испытания ячейки по настоящей полезной модели и ячейки по прототипу.

Электрохимическая модульная ячейка для обработки водных растворов (фиг. 1) содержит вертикальный цилиндрические внутренний полый катод 1 и четыре трубчатых анода 2. Катод 1 размещен в центре корпуса 3, а аноды 2 равномерно размещены соответственно на условной окружности, вписанной в поперечное сечение корпуса 3, на расстоянии равном 1, 5 диаметра анодов от стенки корпуса 3. На катоде закреплена диафрагма 4.

На верхнем торце (фиг. 2) корпуса 3 установлена крышка 5, а на нижнем торце корпуса 3 установлена крышка 6. На крышках 5 и 6 закреплены катод 1, аноды 2. Катод 1 и аноды 2 установлены в отверстиях в крышках 5 и 6 и снабжены герметизирующими приспособлениями 7 и 8. Катод 1 выполнен из центральной части 9 и верхнего и нижнего концевых частей 10 и 11. Диафрагма 4 закреплена на верхнем 10 и нижнем 11 концевых частях катода с помощью герметизирующих фиксаторов 12 и 13.. В теле нижней крышки 6 выполнен канал для подвода обрабатываемого раствора в анодную камеру, а в теле верхней крышки 5 выполнен канал для отвода жидкостей и газов из анодной камеры (на чертеже не показаны). Приспособления для подачи раствора в катодную камеру и для отвода жидкостей и газов из катодной камеры соединены соответственно с полостями нижней 11 и верхней 10 концевых частей катода 1 (на чертеже не показаны).

При выполнении корпуса длиной 690 мм (фиг. 3) катод 1 выполнен составным, из верхнего и нижнего элементов. Верхний элемент состоит из центральной части 9 и верхней и нижней концевых частей 10 и 11, а нижний элемент состоит из центральной части 12 и верхней и нижней концевых частей 13 и 14. Нижняя часть 11 верхнего элемента соединена с верхней частью 13 нижнего элемента с помощью фиксирующего узла 15. Внутренняя поверхность корпуса 3, выполненного из металла, покрыта диэлектриком 16.

Ячейка работает следующим образом.

В катодную камеру, ограниченную наружной поверхностью центральной части 9 катода 1 и внутренней поверхностью диафрагмы 4 (фиг. 2) через полость нижней части 11 катода 1, поступает обрабатываемый раствор, например вода, а в анодную камеру, ограниченную наружной поверхностью диафрагмы 4 и внутренней поверхностью корпуса 3, образованную слоем диэлектрика 16 через канал для подачи обрабатываемых растворов, выполненный в нижней крышке (на чертеже не показан), поступает обрабатываемая жидкость, например раствор хлорида натрия.

В катодной камере вода заполняет полость катода 1 и через отверстия в центральной части 9 катода 1 поступает в пространство между внутренней поверхностью диафрагмы 4 и наружной поверхностью центральной части 9 катода 1. 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. Так как на внутренней поверхности центральной части 9 катода 1 электролиз не идет, то католит просто заполняет внутреннее пространство полого электрода и, поскольку он имеет меньшее газонаполнение и большую кажущуюся плотность, возникает циркуляция католита в камере катода 1.

В анодную камеру, ограниченную наружной поверхностью диафрагмы 4 и внутренней поверхностью корпуса 3 (или, в случае наличия слоя диэлектрика, - поверхностью этого слоя) через канал для подачи обрабатываемых растворов, выполненный в нижней крышке (на чертеже не показан), поступает раствор - например, раствор хлорида натрия и, пройдя анодную камеру снизу вверх, выводится через приспособление для отвода жидкостей и газов из анодной камеры (на чертеже не показано). Циркуляция электролита в анодной камере осуществляется за счет конвективного движения электролита под действием выделяющихся на анодах 2 газов, в частности хлора, диоксида хлора и кислорода. В процессе работы ячейки ионы металла (в частности, натрия) из анодной камеры под действием электрического тока переходят через диафрагму 4 в катодную камеру и образуют раствор гидроксида натрия.

Ячейка по полезной модели использовалась для получения продуктов анодного окисления раствора хлорида щелочного металла в установке, схема которой приведена на фиг. 4.

Установка содержала реактор 17, выполненный из четырех модульных ячеек (на чертеже показан схематично в виде одной ячейки). Ячейки выполнены с высотой корпуса 380 мм. Каждая ячейка содержала анодную 18 и катодную 19 камеры, циркуляционный контур катодной камеры 20 с емкостью-сепаратором 21, линию подачи раствора хлорида щелочного металла в анодную камеру 22, на которой установлен насос 23, линию отвода газообразной смеси оксидантов 24 с установленным на ней регулятором давления «до себя» 25, линию отвода влажного водорода 26 с установленным на ней разделителем газ-жидкость 27 и линию отвода католита 28 из емкости 21. Катодный циркуляционный контур соединен с линией 29 подачи воды с вентилем 30.

Установка работает следующим образом: по линии 29 катодная камера 19 и катодный циркуляционный контур заполняется водой. По линии 22 с помощью насоса 23 концентрированный раствор хлорида натрия подается в анодную камеру 18 ячеек реактора 17. С помощью насоса 23 и регулятора давления 25 поддерживается превышение давления в анодной камере 18 по сравнению с катодной камерой 19. Скорость подачи раствора определяется скоростью срабатывания раствора хлорида натрия в анодной камере 18. Газообразная смесь оксидантов через регулятор давления 25 по линии 24 выводится из анодной камеры 18. В катодной камере 19 осуществляется циркуляция католита по замкнутому циркуляционному контуру. Газожидкостная смесь - водород и католит - через линию 26 выводятся из катодной камеры 19. В разделителе газ-жидкость 27 происходит отделение водорода от католита, после чего водород выводится из системы, а католит поступает в емкость 21 циркуляционного контура 20. Избыток католита отводится из емкости 21 по линии 28.

Реактор был выполнен из 4 ячеек, каждая из которых содержала один катод и четыре анода. Катод выполнен из стали, с центральной частью длиной 300 мм, выполненной из 18 стальных стержней диаметром 2 мм. Диаметр центральной части катода составлял 18 мм, а диаметр концевых частей - 16 мм. Аноды выполнены из титановой трубы с нанесенным на ее поверхность электрокаталитическим покрытием ОРТА. Внешний диаметр анодов - 16 мм. Аноды равномерно размещены в цилиндрическом корпусе внутреннем диаметром 78 мм. Центр каждого анода находился на расстоянии 24 мм от внутренней стенки корпуса. На концевых частях катода закреплена диафрагма толщиной 2,5 мм, с наружным диаметром 28 мм, выполненная из керамики на основе оксида алюминия (Al₂O₃). Во внутренние полости анодов подавался теплоноситель - вода - с расходом 20 литров в час через каждый анод. Производительность установки составляла 500 г оксидантов в час, при расходе энергии на уровне 1,5 кВт/ч, напряжении на одной ячейке 5-6 В. Вес электрохимического блока составляет 15 кг.

При использовании ячеек по прототипу для обеспечения производительности 500 г в час оксидантов необходимо использовать реактор, содержащий 60 ячеек. В связи со сложностью компоновки такого количества ячеек и для обеспечения гидравлической стабильности при использовании ячеек по прототипу для достижения указанной производительности были использованы пять реакторов по двенадцать ячеек каждая, соединенных параллельно. Удельный расход энергии на синтез оксидантов составил 1,9-2,0 кВт/ч. Вес электрохимического блока установки по прототипу из 12 ячеек составляет 8 кг, а суммарный вес электрохимических блоков для обеспечения требуемой производительности составляет 40 кг (без учета веса гидравлических линий). Сравнение веса электрохимических блоков показывает, что ячейка по данной полезной модели имеет значительно меньшую металлоемкость. Кроме того, при использовании ячейки по прототипу значительно увеличивается количество гидравлических соединений и требуется повышенная мощность насосов для перекачки растворов.

После 24 часов работы изменения в режимах и характеристиках получаемых продуктов в установке по данной полезной модели не изменилось, в то время как в установке по прототипу повысился расход энергии на 10% и снизилась производительность по оксидантам на 5%.

Как следует из представленных данных, установка по настоящей полезной модели имеет более высокую производительность, более низкий расход энергии при увеличении ресурса работы.

Полезная модель 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.

Claims (9)

1. Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов, содержащая цилиндрический основной электрод переменного сечения с центральной и хвостовыми частями, 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, средства для подачи обрабатываемых растворов в анодную камеру, средства для отвода обработанных растворов и газов из анодной камеры, отличающаяся тем, что ячейка содержит один основной вертикальный электрод и 2-5 противоэлектродов, причем основной электрод является катодом и выполнен полым с наружным диаметром концевых частей 16 мм и диаметром центральной части 16-18 мм, центральная часть выполнена с перфорацией, а концевые части выполнены без перфорации, причем нижняя концевая часть соединена с приспособлением для подачи обрабатываемого раствора в катодную камеру, а верхняя концевая часть - с приспособлением для вывода раствора и газа из катодной камеры, и диафрагма выполнена высотой, превышающей высоту центральной части катода, и закреплена на концевых частях катода с помощью фиксаторов, противоэлектроды являются анодами и выполнены с наружным диаметром 14-18 мм, и ячейка снабжена цилиндрическим корпусом, внутренний диаметр которого составляет 80-90 мм, электроды размещены во внутреннем пространстве корпуса, причем катод и коаксиальная ему диафрагма установлены в центре внутреннего пространства корпуса, и пространство катодной камеры ограничено внутренней поверхностью диафрагмы и внешней поверхностью катода, а аноды равномерно размещены на условной окружности, вписанной во внутреннее сечение корпуса на расстоянии 1-1.5 диаметра анодов от внутренней поверхности корпуса, и пространство анодной камеры ограничено внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью диафрагмы, на верхней и нижней частях корпуса установлены герметизирующие приспособления, выполненные в виде верхней и нижней крышек, содержащих приспособления крепления электродов, а средства для подачи обрабатываемого раствора в анодную камеру и средства для отвода жидкостей и газов из анодной камеры выполнены в виде каналов, размещенных соответственно в нижней и верхней крышках.

2. Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов по п. 1, отличающаяся тем, что длина анодов составляет 105-110% высоты корпуса, а суммарная длина катода составляет 110-120% высоты корпуса.

3. 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.

4. Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов по п. 1, отличающаяся тем, что центральная часть катода выполнена длиной 300 мм в виде 18 стержней диаметром 2 мм, равномерно закрепленных на наружных сторонах верхней и нижней концевых частей катода.

5. Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов по п. 1, отличающаяся тем, что высота корпуса составляет 310-350 мм, а катод выполнен с центральной частью длиной 300 мм.

6. Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов по п. 1, отличающаяся тем, что высота корпуса составляет 670-700 мм, а катод выполнен составным, содержащим две вертикальные центральные части диаметром 18 мм и хвостовые части диаметром 16 мм, причем центральные части соединены отрезками хвостовых частей с образованием единой полости, при этом центральные части выполнены длиной 300 мм из 18 металлических стержней диаметром 2 мм, равномерно закрепленных на наружных сторонах концевых частей каждой части, и центральные части разнесены друг от дуга на расстояние не более 30 мм.

7. Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов по п. 1, отличающаяся тем, что приспособления для крепления электродов выполнены в виде отверстий в верхней и нижней крышках, причем диаметр отверстий для крепления анодов равен наружному диаметру анодов, а диаметр отверстий для крепления катода равен наружному диаметру концевых частей катода, крышки снабжены средствами герметизации.

8. Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов по п. 1, отличающаяся тем, что диафрагма выполнена из кислото-щелочестойкой наноструктурированной ультрафильтрационной керамики толщиной 2.5-3,2 мм и расстояние между внутренней поверхностью диафрагмы и наружной поверхностью катода составляет 3-4 мм.

9. Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов по п. 1, отличающаяся тем, что корпус и крышки выполнены или из диэлектрического кислото-щелочестойкого материала, или из металла, при этом внутренняя поверхность элементов конструкции покрыта слоем такого диэлектрического материала.

Images