RU2051990C1 - Монополярный электролизер для получения хлора и щелочи - Google Patents

Abstract

Действие диафрагменных монополярных электролизеров для хлор-щелочного электролиза может быть улучшено путем установки на ней по крайней мере части анодов в их верхней части гидродинамических дефлекторов, которые могут создавать восходящие и нисходящие рециркулирующие потоки смешанной анолит-газовой фазы, а также анолита отделенного от газа, отличающихся тем, что их верхние края или отверстия для перетекания расположены под свободной поверхностью анолита, что приводит к снижению напряжения на ячейке, увеличению фарадной эффективности и качества получаемых продуктов. 8 з. п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Description

Изобретение может быть применено в различных отраслях хлор-щелочной промышленности (ртутные катоды, диафрагменные и мембранные электролизеры), хорошо известны трудности, связанные с массопереносом и образованием газа на электродах, в особенности на анодах.

Введение стабильных с точки зрения размеров металлических анодов в качестве подложки для графита и использование асбестовых и политетрафторэтиленовых диафрагм, нанесенных на катод новыми технологическими методами, обеспечило увеличение плотности тока от 1,5 кА/м² до 2,7 кА/м² и позволило уменьшить расстояние между анодом и диафрагмой от 7-10 до 1-2 мм. В таких условиях работы оказываются чрезвычайно важными эффективный массоперенос на поверхность анода путем поддержания высокой концентрации хлорида в ограниченном зазоре между анодом и диафрагмой и уменьшения количества пузырьков газа, прилипающий к аноду.

Неудовлетворительная подача ионов хлорида и недостаточный отвод пузырьков газа с анода приводит к тому, что напряжение на ячейке увеличивается, развиваются побочные реакции, ведущие к загрязнению продуктов, снижается электрокаталитическая активность и время жизни анода, снижается время жизни диафрагмы, а режим работы самого электролизера становится опасным. Если указанные трудности не удается преодолеть, не только значительно сократится эффективность работы диафрагменного электролизера, но и будет затруднено любое дальнейшее движение вперед.

Известен электролизер, включающий основание, к которому прикреплены стабильные с точки зрения их размеров аноды.

Количество анодов зависит от размеров электролизера. Корпус устройства действует как распределитель тока, к которому методом сварки прикреплены катоды, выполненные из очень тонкой металлической сетки. Диафрагма из асбеста (или подобное устройство) нанесена на катодную сетку методом с использованием специальной технологии. Крышка выполнена из полиэфира или какого-либо другого стойкого к воздействию хлора материала. Катодный отсек образован в пространстве, заключенном между удерживаемой сеткой диафрагмой и корпусом, а анодный отсек образован остающейся частью объема электролизера, в которой расположены сами аноды.

Однако электролизер описанного типа страдает некоторыми недостатками, не позволяющими легко решить задачи увеличения удельной производительности путем повышения плотности тока, уменьшения межэлектродного зазора для снижения потребления энергии, увеличения концентрации каустика в католите для снижения парообразования на стадии концентрации, удлинения периода работы для снижения стоимости обслуживания и уменьшения загрязнения окружающей среды, связанного с присутствием асбеста, который на сегодняшний день по-прежнему является основным компонентом диафрагм. Снижение частоты соприкосновения с асбестом является на сегодня целью исключительной важности для промышлености.

Недостатки известной конструкции в основном обусловлены трудностями, связанными с подачей свежего соляного раствора в промежуток между анодом и диафрагмой и исключением газовых пузырьков, которые в этом промежутке собираются. Недостаточная подача свежего соляного раствора влечет за собой следующие сопутствующие явления: локально увеличивается значение рН в анодном отсеке вследствие обратной миграции ионов гидроксила из катодного отсека, происходит электролиз воды с образованием кислорода и соответствующим снижением эффективности анода, происходит образование хлорида водорода и хлоратов, которые диффундируют через диафрагму из анодного отсека в катодный отсек и которые преобразуются в хлориды на катоде с обусловленным этим соответствующим снижением катодной фарадной эффективности, имеет место эффект газовых пузырьков, представляющих собой пузырьки газообразного хлора, образующегося на аноде, которые заполняют анодный отсек, вызывая локальное увеличение сопротивления электролита, в результате чего появляется разбаланс тока, ведущий к увеличению местной плотности тока в электролите и в диафрагме и к увеличению напряжения на электролизере. Эти трудности еще более возрастают, когда общая электрическая нагрузка увеличивается, и становятся еще более значительными при уменьшении межэлектродного зазора. Наиболее тяжелые условия имеют место в так называемых ячейках с нулевым зазором, где аноды находятся в прямом контакте с диафрагмой.

Целью изобретения является создание улучшенного монополярного электролитического электролизера, а также анода с улучшенным массопереносом.

Еще одной целью изобретения является создание улучшенного способа электролиза.

Эти и другие цели и преимущества изобретения станут очевидными из нижеследующего подробного описания.

Новый монополярный диафрагменный электролизер или ионнообменный мембранный электролизер карманного типа для хлорщелочного электролиза, включающий катодный и анодный отсеки, содержащие соответственно катоды и аноды, имеющие открытую структуру и удлиненные в вертикальном направлении, имеющий улучшение, предусматривающее, что по крайней мере часть анодов снабжена в верхней части дефлекторами для создания ряда восходящих рециркулирующих потоков смешанной фазы анолита и газа и нисходящих потоков свободного от газа анолита, что позволяет снизить напряжение на электролизере и качество получаемых продуктов, причем восходящие и нисходящие потоки локализованы в отдельных участках анодов, а дефлекторы снабжены верхними краями или отверстиями для перетекания, расположенными под поверхностью анолита.

В соответствии с изобретением удается преодолеть недостатки известных конструкций, в особенности конструкций новых или уже существовавших монополярных диафрагменных электролизеров, в которых используются аноды со стабильными размерами. Однако изобретение обеспечивает преимущества и в случае использования в мембранных ячейках карманного типа.

На фиг.1 показан электролизер с дефлектором, вид спереди; на фиг.2 электролизер, вид сбоку; на фиг.3 часть электролизера снизу с дефлекторами; на фиг.4 различные виды дефлекторов, которые могут быть использованы в предлагаемой конструкции; на фиг.5 конструкция и размещение двух соседних дефлекторов.

Монополярный электролизер содержит корпус 1, в котором размещены аноды и катоды.

Дефлекторы 2 расположены на электродах параллельно или ортогонально анодной поверхности. В первом случае каждая пара дефлекторов, прикрепленная к аноду, имеет края, расположенные симметрично относительно центральной плоскости, определяемой поверхностью анода, причем дефлекторы предназначены для концентрации в области 3 восходящего потока пузырьков газа, образующегося на анодной поверхности, которые таким образом вызывают восходящее движение смеси газа и электролита, которая от основания 4 ячейки переносится через пространство 5 между диафрагмой 6 и анодной поверхностью 7 в пространство 3, а также нисходящее движение электролита, свободного от газа, которое начинается в пространстве, определяемом каждой парой дефлекторов 2 и проходящем через каналы для соляного раствора к основаниям анодов 7 и основания ячейки 4. Как основное следствие этого, восходящие и нисходящие движения локализованы в отдельных объемах анодов и не взаимодействуют одно с другим.

Восходящие движения могут быть принципиально сконцентрированы в пространстве 5, ограниченном между диафрагмой 6 и анодом 7, в случае, если аноды, выполненные из металлического листа и имеющие коробчатую форму с прямоугольным сечением, имеют нижний участок, закрытый полоской листа 8 или тонкой сеткой. В последнем случае полоска 8 может быть заменена изогнутым концом тонкого экрана, прикрепленным точечной сваркой к поверхности анода в процессе установки. Гидравлическое давление, обеспечиваемое каждой парой дефлекторов и представленное различной плотностью объемов восходящей жидкости (соляной раствор + газ) и нисходящей жидкости (соляной раствор) не только позволяет обеспечить рециркуляцию электролита, но также обеспечивает увеличение скорости вывода пузырьков газа, которые образуются на поверхности анода и собираются в пространстве 5. Более того, недостатки неоднородности и неэффективной рециркуляции электролита, присущей известным конструкциям, удается преодолеть.

Дефлекторы предпочтительно выполняются из титановых листов толщиной, например, 0,5 мм, в форме, показанной на фиг.4 (фрагмент 1-6), однако могут использоваться и другие стойкие к хлору материалы. Дефлекторы крепятся к анодам, как это показано на фиг.4 (фрагмент 7-10) и к конвейерам по схеме, показанной на фиг.4 (фрагменты 11-17). Конвейеры электролита выполняются из устойчивого к хлору материала и могут изменяться в отношении количества, а также по форме и размерам (цилиндрическая, овальная, прямоугольная, трубчатая и другие формы) в зависимости от характеристик анодов. Конвейеры для электролита располагаются вертикально во внутренней части анода, а их длина составляет половину или более высоты анодов.

Расстояние V (см. фиг.5) между двумя последовательными парами дефлекторов может изменяться в пределах между 10 и 100 мм в зависимости от плотности тока, размеров анодов, расстояния между анодами и диафрагмой и желательной скорости восходящего потока. В любом случае предпочтительное отношение между поверхностями, образуемыми длиной дефлекторов, умноженное на ширину W и расстояние между ними V соответственно (см. фиг.5) равно или превышает единицу. Высота каждого дефлектора может изменяться и зависит от уровня соляного раствора относительно анода. Важно, чтобы верхний конец дефлектора был расположен всегда под уровнем соляного раствора либо в качестве альтернативы дефлекторы могут быть снабжены отверстиями для переливания. Выше указывалось, что дефлекторы сориентированы ортогонально относительно длины ячейки (см. фиг.1), однако без заметных изменений в эффективности работы возможна и параллельная ориентация (см. фиг.3).

В нижеследующих примерах описывается несколько предпочтительных воплощений, иллюстрирующих изобретение. Однако следует понимать, что изобретение не ограничивается конкретными воплощениями.

П р и м е р. В диафрагменном электролизере МДС 55, имеющем размеростабильные аноды, установлены 13 пар дефлекторов, выполненных из титанового листа толщиной 0,5 мм. Высота V дефлекторов и расстояния U между двумя смежными парами дефлекторов составляли соответственно 200 и 300 мм. Углы β и α заключенные между двумя наклонными поверхностями и соответственно касательной у основания дефлектора и вертикальной осью, составляли 30 и 70^о. Электролитом служил соляной раствор, содержащий 310 г/л хлорида натрия, плотность тока составляла 2,5 кА/м², отнесенный к анодной поверхности.

Данные, полученные после продолжительной работы двух одинаковых электролизеров на одной и той же установке, один из которых оборудован дефлекторами по предлагаемому изобретению, а другой не имел дефлектора, приведены в таблице.

Сравнение данных о работе электролизеров ясно показывает, что использование гидродинамических дефлекторов по изобретению обеспечивает заметное уменьшение напряжения электролиза, резкое сокращение содержания кислорода в хлоре при сопутствующем увеличении фарадной эффективности и, наконец, значительное увеличение срока службы электролизера.

Возможны различные изменения конструкции ячейки и способа по изобретению, однако без отступления от его сути и объема.

Claims (9)

1. МОНОПОЛЯРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ХЛОРА И ЩЕЛОЧИ, включающий корпус с размещенными в нем катодами, выполненными в виде пальцев, и анодами, выполненными в виде полых коробок, с нанесенным на них электрокатализатором, между которыми размещены мембраны или диафрагмы, отличающийся тем, что по крайней мере часть анодов снабжена циркуляционными трубами с дефлекторами, установленными за верхним краем анодов.

2. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что электрокатализатор выполнен в виде пленки.

3. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что в нижней части анодов размещена мелкоячеистая сетка.

4. Электролизер по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что пленка электрокатализатора выполнена загнутой внутрь анода в нижней его части.

5. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что аноды снабжены парой циркуляционных труб с дефлекторами, которые размещены симметрично оси анода, отношение ширины дефлектора к расстоянию между ними составляет не меньше единицы.

6. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что все аноды снабжены дефлекторами.

7. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что дефлекторы установлены в анодах через один.

8. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что дефлекторы расположены симметрично оси анода.

9. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что дефлекторы расположены параллельно вертикальной оси электролизера.

Images