RU2296108C1 - Диафрагменный электролизер - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к электрохимической промышленности, в частности к устройствам для электролиза водных растворов, и может быть использовано, например, при создании компактных, легкотранспортируемых установок для получения активированных водных растворов бытового и промышленного назначения. Электролизер содержит параллельно расположенные плоские металлические электроды, плоские диафрагмы и диэлектрические рамки, образующие электродную камеру, гидравлически связанную с устройством входа электродной камеры и с устройством выхода электродной камеры. Сечения электродных камер, нормальные к скорости потока жидкости, имеют форму канала постоянного прямоугольного сечения шириной Δ и толщиной δ, гидравлически связанного с устройством входа и с устройством выхода соответствующей электродной камеры, площадь поперечного сечения канала в устройстве выхода, нормального к скорости потока жидкости, составляет (0.3...3)δΔ, площадь поперечного сечения канала в устройстве входа, нормального к скорости потока жидкости, составляет (0.3...3)δΔ, ширина канала Δ меньше критического размера Δ'=V'[ρ/(σδ)]^1/2, где ρ - плотность, V' - объемный расход жидкости через электродную камеру, σ - коэффициент поверхностного натяжения, длина электродной камеры превышает ее ширину Δ, по крайней мере, в 2 раза, δ меньше 3 мм. Технический эффект - повышение качества обработки газожидкостных смесей, снижение материалоемкости и габаритов электролизера, повышение срока службы. 4 ил.

Description

Изобретение относится к электрохимической промышленности, в частности к устройствам для электролиза водных растворов, и может быть использовано, например, при создании компактных, легкотранспортируемых установок для получения активированных водных растворов бытового и промышленного назначения.

Известны многочисленные примеры применения проточных диафрагменных электролизеров для получения активированных водных препаратов в бытовых целях, в здравоохранении и в различных отраслях народного хозяйства (см., например, [Бахир В.М., Задорожний Ю.Г., Леонов Б.И., Паничева С.А., Прилуцкий В.И., Сухова О.И. Электрохимическая активация: история, состояние, перспективы. - М.: ВНИИИМТ, 1999. 256 с.]). Побочными продуктами электролиза являются газы (водород, хлор, кислород). Следует отметить, что во многих приложениях, особенно бытовых, требуются малые установки мощностью до 200 Вт, и на первый план выходят вопросы стоимости и надежности прибора; значительный круг задач может решаться с помощью электролизеров мощностью 200...3000 Вт, которые могут создаваться на основе сборок из маломощных электролизеров.

Энергоемкость электролиза в значительной мере зависит от электросопротивления электролита, которое обратно пропорционально площади электродов S и пропорционально межэлектродному расстоянию, близкому к 2δ, где δ - толщина сечения электродной камеры, равная расстоянию между диафрагмой и соседним электродом. Поэтому как правило выбирают δ≪S^1/2: например, для электролизеров [RU 2078737] δ=0,3 см, S=1 дм², δ/S^1/2=0,03≪1. Но увеличение S связано с затратами на материалы и покрытия, а уменьшение δ ограничивается, в частности, капиллярными силами, которые пропорциональны σ/δ (здесь σ - коэффициент поверхностного натяжения). При малом δ силы Архимеда недостаточно для эвакуации пузырьков, и если ширина межэлектродного промежутка Δ намного больше δ, то они могут останавливаться, формируя наполненные газом квазистационарные зоны: поток жидкости будет легко обтекать их. Однако, известно, что при значениях Δ, по порядку величины близких к δ, пузырьки могут перекрывать все сечение канала, и при большом по сравнению с единицей значении числа Вебера, равного отношению инерционных и капиллярных сил (Физические величины. / Под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат. 1991)

We=ρν²δ/σ, ν=V'/(δL)

напора жидкости достаточно, чтобы преодолеть капиллярные силы (здесь ρ - плотность, ν - скорость жидкости, V' - объемный расход жидкости через камеру). Т.о., целесообразно увеличивать скорость потока жидкости в электролизере. При заданном значении V' это соответствует условию для ширины потока Δ: она должна быть меньше Δ'=V'[ρ/(σδ)]^1/2. Например, при характерных для бытовых электролизеров [RU 2078737] значений V'≈30 л/час, δ≈3 мм, ρ=1000 кг/м³, σ=70 мН/м критическая ширина Δ' получается около 2 см. Итак, чтобы надежно обрабатывать газожидкостные смеси, надо обеспечивать ширину потока не более Δ', что во многих конструкциях не выполняется (см., например, [RU 2078737]).

Повышая скорость жидкости, необходимо обеспечить необходимое время обработки, задавая достаточно длинный путь жидкости в камере. Отметим, что длина электродов определяет размеры установки и не может существенно увеличиваться.

Повышение скорости жидкости при уменьшении δ приводит к росту гидравлического сопротивления электролизера, особенно - сборки электролизеров. Следует заметить, однако, что рост гидравлического сопротивления можно минимизировать, обеспечив правильную геометрию каналов - без резких расширений и сужений, плохо обтекаемых элементов, застойных зон и др.

Известны конструкции диафрагменных электролизеров с коаксиальными цилиндрическими и с параллельными плоскими электродами; последние при одинаковой площади поверхности электродов обеспечивают относительно большую компактность установки в целом и меньшую материалоемкость, а потому представляются более перспективными. В частности, известные электролизеры средней мощности. (200...3000 Вт) на основе сборок из многочисленных электролизных узлов с коаксиальными электродами [Бахир В.М., Задорожний Ю.Г. Установки для получения электрохимически активированных растворов и воды. // Докл. 2 Междунар. Симпозиума «Электрохимическая активация в медицине, сельском хозяйстве, промышленности». Ч.2. М.: ВНИИИМТ, 1999. С.325-331.] оказываются весьма значительными по объему и содержат большое количество элементов (штуцеров, трубок и т.п.), что повышает их стоимость и снижает надежность. В дальнейшем рассматриваются именно плоские диафрагменные электролизеры.

Известен диафрагменный электролизер [US 4643818], содержащий плоские параллельно расположенные на расстоянии δ, по крайней мере, один электропроводный находящийся в электрическом контакте с положительным выходом источника постоянного тока электрод - анод с площадью поверхности S_a, причем S_a≫δ², по крайней мере, одну диафрагму, по крайней мере, один находящийся в электрическом контакте с отрицательным выходом источника постоянного тока электрод - катод с площадью поверхности S_c≫δ² и, по крайней мере, две рамки, контактирующие с периферийными участками анода, диафрагмы и катода, причем рамка, анод и диафрагма образуют анодную камеру, гидравлически связанную с устройством входа анодной камеры и с устройством выхода анодной камеры, а рамка, катод и диафрагма образуют катодную камеру, гидравлически связанную с устройством входа катодной камеры и с устройством выхода катодной камеры, и в анодной, и катодной камерах имеются металлические перфорированные вставки, каждая из которых имеет размер в направлении нормали к поверхности диафрагмы, равный (0.9...1)δ, и размер в направлении вдоль поверхности диафрагмы, составляющий 0.9...1 от размера соответствующей камеры в этом направлении, причем, по крайней мере, одно устройство входа камеры гидравлически связано с напорным источником жидкости, обеспечивающим объемный расход жидкости V'. Формируется сборка, содержащая последовательно расположенные анодные и катодные камеры, причем каждый из двух расположенных с противоположных концов электродов находится в электрическом контакте с одним из двух выходов источника постоянного тока, а каждый из остальных электродов находится в электрическом контакте с электродом соседней камеры посредством жестких упругих элементов, образующих многочисленные пятна контакта. Вставки обеспечивают необходимую жесткость конструкции, позволяющую использовать упругие контакты и эксплуатировать электролизер при повышенном давлении (до нескольких атмосфер). Устройства ввода и вывода жидкости представляют собой цилиндрические трубки, проходящие через рамки, что позволяет применять различные варианты подключения камер и проводить с жидкостью промежуточные операции.

Недостатки этого устройства для получения активированных водных препаратов связаны, в частности, с тем, что вставки выполнены из проводящего материала, т.е. почти весь объем обрабатываемой жидкости не находится в электрическом поле, что приемлемо для задач генерации газов, но не годится для формирования электролитически активированных водных препаратов. Фактический рабочий объем, где жидкость проходит обработку током, составляет малую часть общего объема камеры. Кроме того, вставки имеют перфорацию по всей своей длине, т.е. они не формируют узкие каналы для движения жидкости по камерам. Скорость жидкости в камерах во много раз ниже, чем в трубках устройств ввода и вывода, диаметр которых не может превышать толщину камеры δ, что ограничивает возможность уменьшения δ и снижения балластного объема электролизера. Поперечное сечение потока при проходе жидкости по электролизеру меняется в десятки раз, обратно пропорционально сечению меняется и скорость потока, и происходит многократное ускорение и замедление потока с неизбежными потерями на трение, что определяет гидродинамическое сопротивление устройства и ограничивает расход жидкости. Малая скорость жидкости в камерах способствует накоплению газа и относительно большим отложениям солей жесткости на катоде и диафрагме, приводит к необходимости обеспечения определенной ориентации конструкции относительно силы тяжести.

Кроме того, электролизер имеет крайние электроды, находящиеся под напряжением, что требует принятия специальных мер по обеспечению безопасности при эксплуатации и/или ограничивает напряжение на крайних электродах. Это усложняет и удорожает источник питания. Действительно, наиболее простым и дешевым источником постоянного тока, работающим от электросети переменного тока, является мостовая схема из 4 выпрямителей (диодов). Если напряжение на крайних электродах должно быть значительно меньше напряжения на выходе описанной мостовой схемы, то необходимо применение дополнительных устройств (в том числе трансформаторов).

Известен диафрагменный электролизер [WO 0117909], содержащий плоские, параллельно расположенные на расстоянии δ друг от друга, по крайней мере, один электропроводный находящийся в электрическом контакте с положительным выходом источника постоянного тока электрод - анод с площадью поверхности S_a, причем S_a≫δ², по крайней мере, одну диафрагму, по крайней мере, один находящийся в электрическом контакте с отрицательным выходом источника постоянного тока электрод - катод с площадью поверхности S_c≫δ² и, по крайней мере, две рамки, контактирующие с периферийными участками анода, диафрагмы и катода, причем рамка, анод и диафрагма образуют анодную камеру, гидравлически связанную с устройством входа анодной камеры и с устройством выхода анодной камеры, а рамка, катод и диафрагма образуют катодную камеру, гидравлически связанную с устройством входа катодной камеры и с устройством выхода катодной камеры, и в анодной, и катодной камерах имеются диэлектрические вставки, которые имеют размер в направлении нормали к поверхности диафрагмы, составляющий (0.3...0.7)δ, и размер в направлении вдоль поверхности диафрагмы, равный размеру соответствующей камеры в этом направлении, причем, по крайней мере, одно устройство входа камеры гидравлически связано с напорным источником жидкости, обеспечивающим объемный расход жидкости V'. Имеются две прижимные пластины, расположенные с противоположных концов электролизера, каждая из которых находится в механическом контакте с одним из двух расположенных с противоположных концов электродов. Формируется сборка, содержащая последовательно расположенные анодные и катодные камеры, причем каждый из двух расположенных с противоположных концов электродов находится в электрическом контакте с одним из двух выходов источника постоянного тока, а каждый из остальных электродов является анодом для анодной камеры и катодом для катодной камеры. Данное устройство наиболее близко к заявленному изобретению и принято за прототип. К положительным сторонам этого устройства относятся обеспечение относительно равномерного электрического поля во всем объеме обрабатываемой жидкости, простота и компактность конструкции.

К недостаткам прототипа, связанным с конструкцией устройств ввода и вывода, относится отсутствие возможности другого соединения между камерами, отсутствие возможности проведения над жидкостью, выходящей из одной камеры и входящей в другую, промежуточных операций (например, фильтрации осадка, образующегося в катодных камерах, введение в жидкость газа и др.). Сечение потока меняется во много раз из-за малого диаметра трубок и каналов устройств ввода и вывода относительно поперечного сечения камеры, что вызывает высокое суммарное гидродинамическое сопротивление. Недостатки, определяемые конструкцией вставок и общей организацией потока жидкости по камере, задающей относительно малую скорость движения, связаны с возможностью накопления газа, в частности, под вставками; со строгой ориентацией конструкции относительно силы тяжести; с отложением солей жесткости на катоде и диафрагме. Конструктивные ограничения на уменьшение δ не позволяют существенно снизить энергозатраты на электролиз за счет снижения δ: слишком малы оказываются сечения потока в устройствах входа и выхода. Кроме того, электролизер имеет крайние электроды, находящиеся под напряжением, что требует принятия специальных мер по обеспечению безопасности при эксплуатации и/или ограничивает напряжение на крайних электродах. Это усложняет и удорожает источник питания.

В ряде случаев для обеспечения эффективных рабочих процессов в приэлектродные слои целесообразно специально вводить газ (воздух, кислород, озон и др., см., например, [US 2004/0031761, EP 0523202, FR 2784979]). В частности, при подаче кислорода на катод при электролизе слабых водных электролитов могут повышаться значения рН католита, а его редокс-потенциал может смещаться в сторону окислителя. Применение для этого кислорода и его соединений, формирующихся у анода [RU 2104960], не всегда оптимально, т.к. эти соединения при растворении в анолите дают повышение его окислительных свойств, что может быть важно для приложений. Более предпочтительным в ряде случаев оказывается насыщать водный раствор, поступающий в электролизер, кислородом из атмосферы или из напорного источника газа. Для этого электролизер может быть снабжен газонасыщающими устройствами. Следует отметить, что электролизер, описанный в прототипе, для насыщения газом католита может содержать только одно газонасыщающее устройство, расположенное перед входом в соответствующий тракт электролизера. При этом во время прохождения элементом массы газожидкостной смеси по всему электролизеру не исключена возможность коагуляции пузырьков газа и формирования квазистационарных газонаполненных зон.

Для повышения количества растворенного кислорода давление в электролизере можно повышать до (1...10)·10⁵ Па (растворимость газов в воде повышается с ростом давления примерно пропорционально, согласно закону Генри); кроме того, уменьшается объем выходящих газов, и др. [ЕР 0995818]. Т.о., конструкция электролизера должна предусматривать возможность работы при повышенном давлении. Это предъявляет повышенные требования к жесткости протяженных плоских элементов электролизера (электродов, диафрагмы и др.). Т.о., в ряде случаев целесообразно предусмотреть возможность снабжения электролизера такими газонасыщающими устройствами, например, для модификации процессов в объемах катодных камер: при подаче кислорода это должно привести к относительному повышению окислительных свойств католита и смещению его кислотности в щелочную сторону. При этом предпочтительна относительно высокая скорость течения и относительно малое время пребывания газожидкостной смеси в каждой из камер электролизера: это должно препятствовать коагуляции пузырьков и формированию квазистационарных газонаполненных зон. Следует отметить, что в случае существенно переменного сечения потока давление в узких местах спадает и там возможно бурное выделение газов, что может приводить к «запиранию» потока. Кроме того, в местах расширения потока давление резко растет, при этом происходит кумулятивное схлопывание пузырьков, при этом возникают локальные пики давления и температуры, вызывающие разрушение стенок (кавитация). Т.о., насыщение потока газами связано с ужесточением требований к изменению сечения потока жидкости.

Целями данного изобретения являются: повышение качества обработки газожидкостных смесей, снижение материалоемкости, стоимости изготовления и массогабаритов диафрагменного электролизера, уменьшение эксплуатационных затрат, повышение срока службы.

Сущность изобретения заключается в диафрагменном электролизере, который, как и прототип, содержит параллельно расположенные: N≥2 плоских металлических электродов, N-1 плоских диафрагм, каждая из которых находится между двух плоских металлических электродов, и диэлектрические рамки, причем каждая из диэлектрических рамок находится в механическом контакте с периферийными участками плоского металлического электрода и с периферийными участками плоской диафрагмы так, что указанные диэлектрическая рамка, плоский металлический электрод и диафрагма образуют электродную камеру, гидравлически связанную с устройством входа электродной камеры и с устройством выхода электродной камеры, причем внутренний объем электродной камеры уплотнен от соседних электродных камер и окружающей среды; по крайней мере, один плоский металлический электрод находится в электрическом контакте с положительным выходом источника постоянного тока; по крайней мере, один плоский металлический электрод находится в электрическом контакте с отрицательным выходом источника постоянного тока.

Однако, он отличается от прототипа тем, что, во-первых, сечения электродных камер, нормальные к скорости потока жидкости, имеют форму канала постоянного прямоугольного сечения шириной Δ и толщиной δ, гидравлически связанного с устройством входа и с устройством выхода соответствующей электродной камеры, а площади поперечных сечений каналов в устройствах входа и выхода, нормальных к скорости потока жидкости, составляют (0.3...3)δΔ (примерное постоянство сечения потока обеспечивает малость гидродинамических потерь в электродных камерах и устройствах входа и выхода). Во-вторых, ширина канала Δ меньше критического размера Δ'=V'[ρ/(σδ)]^1/2 (здесь ρ - плотность, V' - объемный расход жидкости через электродную камеру, σ - коэффициент поверхностного натяжения), что обеспечивает отсутствие стационарных газонаполненных зон. В-третьих, длина электродной камеры превышает ее ширину Δ, по крайней мере, в 2 раза, чтобы обеспечить достаточную площадь электродов при ограничениях на Δ, а δ выбирается достаточно малым, меньшим 3 мм, чтобы снизить потери на омический нагрев электролита: это становится возможным в результате снижения гидравлического сопротивления.

Толщина плоского металлического электрода должна преимущественно превышать критическую толщину потери устойчивости длинной пластины шириной Δ с зажатыми концами при характерном перепаде давлений Δρ=0,01...10 атм, т.e., другими словами, ширина Δ плоского металлического электрода должна быть достаточно мала для обеспечения его жесткости при толщинах, обеспечивающих дешевизну и легкость конструкции (порядка 0.3...2 мм). То же касается и плоской диафрагмы: ее толщина также преимущественно порядка 0.3...2 мм.

Для обеспечения дешевизны источника питания и безопасности эксплуатации число плоских металлических электродов N преимущественно выбирается из условия N=2k+1, где k=U₀/ΔU - целое число. U₀ - постоянное напряжение, выбираемое из условия минимальной стоимости источника постоянного тока, ΔU - напряжение между электродами, выбираемое из условия оптимальной работы электродной камеры, причем один из двух выходов источника постоянного тока находится в электрическом контакте с центральным, (k+1)-м электродом, а другой выход источника постоянного тока находится в электрическом контакте с заземлением и крайними, 1-м и N-м, электродами. При этом как крайние электроды с имеющимися на них переходниками, так и входящий и выходящие потоки воды оказываются заземленными. Высоковольтный электрод преимущественно находится в середине конструкции и может быть легко заизолирован. При этом источником питания может служить, например, мостовой выпрямитель, который содержит 4 выпрямителя тока, соединенных в мостовую схему и находящихся в электрическом контакте с сетью электропитания переменного тока, при этом постоянное напряжение U₀ может быть средним значением выпрямленного напряжения указанной мостовой схемы. В частности, напряжение U₀ может соответствовать выпрямленному напряжению от однофазной (~220 В) или трехфазной (~380 В) электросети и находиться в пределах от 200 до 400 В, ΔU может находиться в пределах от 5 до 40 В (что соответствует типичному напряжению при электролизе насыщенных или слабых водных растворов электролита), при этом N находится в пределах от 10 до 170.

Для обеспечения жесткости сборки электролизер может дополнительно содержать две прижимные пластины, расположенные с противоположных концов электролизера, каждая из которых находится в механическом контакте с одним из двух расположенных с противоположных концов электродов.

Наличие многих камер позволяет проводить с обрабатываемым водным раствором промежуточные операции, например фильтрацию осадка, образующегося в катодных камерах. Для этого диафрагменный электролизер может дополнительно содержать, по крайней мере, один фильтр, гидравлически связанный с устройствами входа и/или выхода электродных камер, в зависимости от расположения этапа фильтрации до, во время или после электролитической обработки элемента массы жидкости.

Может также иметься, по крайней мере, одно газонасыщающее устройство, гидравлически связанное с, по крайней мере, одной электродной камерой. Имеется в виду, что газонасыщающее устройство может устанавливаться перед входом в электролизер, между камерами электролизера или быть встроено прямо в конструкцию камер. Оно может, например, содержать пористую вставку, гидравлически связанную с напорным источником газа. Газонасыщающее устройство позволяет осуществлять процессы обработки с участием растворенных газов, что расширяет возможности устройства. Трудности работы с газонасыщенным потоком, связанные с запиранием потока и кавитацией, в данной конструкции обходятся за счет примерного сохранения поперечного сечения потока, а следовательно, примерного постоянства скорости и давления в элементе массы жидкости при его движении по устройству.

Сущность данного изобретения поясняется фиг.1-4.

На фиг.1 показано схематическое изображение электролизера с 2N+1 электродами 1, который содержит заземленные крайние 1-й и (2N+1)-й электроды и находящийся под постоянным напряжением U₀ центральный, (N+1)-й электрод (в данном случае - катод). Анодные поверхности электродов с защитными покрытиями отмечены пунктиром. Потоки католита здесь и далее обозначены сплошными, а анолита - пунктирными стрелками. Диэлектрические рамки, в сумме обозначенные двойной косой штриховкой, образуют корпус с устройствами входа и выхода и каналами, обеспечивающими гидравлическую связь между камерами. Катодные и анодные камеры 2, 3 разделены диафрагмами 4.

В варианте фиг.1,а имеются гидравлически последовательно подключенные катодные камеры 2 и гидравлически последовательно подключенные анодные камеры 3. Это последовательное подключение обеспечивает высокую скорость жидкости в камерах и наиболее полную обработку каждого элемента массы жидкости при получении анолита и католита.

Работа устройства по фиг.1,а осуществляется следующим образом. Обрабатываемая жидкость одновременно подается на входные устройства (2N+1)-x катодной и анодной камер, и одна ее часть последовательно проходит только через катодные камеры 2, а другая ее часть последовательно проходит только через анодные камеры 3 (см. стрелки). Одновременно на N-й электрод подается отрицательное постоянное напряжение, а 1-й и (2N+1)-й электроды заземляются; электрический ток протекает последовательно через все электродные камеры, инициируя электрохимические процессы в обрабатываемой жидкости.

В варианте фиг.1,б катодные камеры 2 подключены параллельно относительно друг друга к входному и выходному католитным магистральным каналам 5 и 5', а анодные камеры 3 подключены параллельно относительно друг друга к входному и выходному анолитным магистральным каналам 6 и 6'. В этом случае обеспечиваются высокие расходы жидкости при малом гидравлическом сопротивлении электролизера.

Возможны другие варианты соединения камер. Выбор соединения камер зависит от реализуемого технологического процесса.

Работа устройства по фиг.1,б осуществляется следующим образом. Обрабатываемая жидкость одновременно подается на входные католитный и анолитный магистральные каналы 5 и 6, и одна ее часть проходит только через параллельные катодные камеры 2 и выходит наружу через католитный магистральный канал 5, а другая ее часть проходит только через параллельные анодные камеры 3 и выходит наружу через анолитный магистральный канал 6' (см. стрелки). Одновременно на N-й электрод подается отрицательное постоянное напряжение, а 1-й и (2N+1)-й электроды заземляются; возникающий электрический ток протекает последовательно через все электродные камеры, инициируя электрохимические процессы в обрабатываемой жидкости.

На фиг.2,а,б для электролизера, изображенного на фиг.1,а, показано схематическое изображение сечений по соседним катодной (а) и анодной (б) камерам, например, 2б и 3б. Гидравлическая связь катодных камер 2а и 2б осуществляется по католитному каналу 7 через выходное устройство 8, гидравлическая связь катодных камер 2б и 2в осуществляется по католитному каналу 7' через входное устройство 9. Гидравлическая связь анодных камер 3а и 3б осуществляется по анолитному каналу 10 через выходное устройство 8', гидравлическая связь анодных камер 3б и 3в осуществляется по анолитному каналу 10' через входное устройство 9'. Входные и выходные устройства 8,8',9,9' представляют собой щели, площадь сечения каждой из которых близка к площади поперечного сечения электродных камер Δδ, ширина близка к Δ, а поперечный размер близок к δ. Католитные каналы 7, 7' гидравлически изолированы от анолитных каналов 10, 10'. В результате применения такой конструкционной схемы может обеспечиваться реализация вышеописанной работы устройства по фиг.1,а.

На фиг.2,в,г для электролизера, изображенного на фиг.1,б, показано схематическое изображение сечений по соседним катодной (в) и анодной (г) камерам, например, 2б и 3б. Гидравлическая связь катодной камеры 2б и входного католитного магистрального канала 5 осуществляется через входное устройство 11, гидравлическая связь катодной камеры 2б и выходного католитного магистрального канала 5' осуществляется через выходное устройство 12. Гидравлическая связь анодной камеры 3б и входного анолитного магистрального канала 6 осуществляется через входное устройство 11', гидравлическая связь анодной камеры 3б и выходного анолитного магистрального канала 6' осуществляется через выходное устройство 12'. Входные и выходные устройства 11, 11', 12, 12' представляют собой щели прямоугольного сечения, площадь которого близка к площади поперечного сечения электродных камер Δδ, ширина близка к Δ, а поперечный размер близок к δ. Католитные магистральные каналы 5 и 5' гидравлически изолированы от анолитных магистральных каналов 6 и 6'. В результате применения такой конструкционной схемы может обеспечиваться вышеописанная работа устройства по фиг.1,б.

На фиг.3,а представлен пример конструктивных решений, позволяющих реализовать схемы фиг.1,а и 2,а,б, на примере организации гидравлической связи катодных камер 2а и 2б по католитному каналу 7 через выходное устройство 8, при обеспечении гидравлической изоляции от анодной камеры 3б и анолитного канала 10'. Показан разрез электролизера по катодной камере 2б и два поперечных разреза: А-А - в области гидравлического соединения катодных камер 2а и 2б, и Б-Б - у боковой стенки. Диэлектрические рамки 13 и 13' вместе с электродами 1 и диафрагмами 4 ограничивают пространства катодных и анодных камер 2 и 3 соответственно, эти же рамки 13 и 13' формируют католитные и анолитные каналы и устройства входа и выхода (вместе с диэлектрическими дистанционаторами 14). Для компенсации толщины диафрагмы имеются компенсационные рамки 15. Конструкция стягивается шпильками 16.

На фиг.3,б представлен пример конструктивных решений, позволяющих реализовать схемы фиг.1,б и 2,в,г, на примере организации гидравлической связи катодной камеры 2а и выходного католитного магистрального канала 7' через входное устройство 12 при обеспечении гидравлической изоляции католита от анолитного магистрального канала 6.

На фиг.4 схематически показаны возможные варианты включения в конструкцию электролизера механического фильтра (фиг.4,а) или газонасыщающего устройства (фиг.4,б). На фиг.4,а 17 и 17' - входная и выходная камеры механического фильтра, 18 - фильтрующий элемент. На фиг.4,б 19 - напорный источник газа, 20 - пористая вставка, 21 - камера газонасыщающего устройства, светлой стрелкой обозначен поток газа, кружочками - пузырьки. Конструктивная реализация и работа таких устройств очевидны.

Приведенные конструкционные схемы и примеры конструктивных решений обосновывают реализуемость данного изобретения. Они содержат детали, получаемые с помощью достаточно дешевых в серийном производстве операций вырубки из листового материала. Сборка предполагает, например, приклеивание дистанционаторов, припайку к прижимным пластинам штуцеров, последовательное наложение плоских деталей, центровку и уплотнение шпильками. Электроды могут изготавливаться, например, из титанового листа, поверхности электродов, обращенные к анодным камерам, покрываются, например, платиной или оксидами платиноидов, диэлектрические рамки изготавливаются из фторопласта, а крепежные детали - из нержавеющей стали.

Техническим результатом данного изобретения является электролизер, предназначенный для электрохимической обработки жидкостей и газожидкостных смесей, в котором уменьшена вероятность появления отложений солей жесткости на катоде и диафрагме, возможна любая ориентация в поле тяжести, относительно невелико гидравлическое сопротивление, имеется возможность работы при повышенном давлении в камерах, исключена вероятность формирования квазистационарных газонаполненных зон, имеется возможность насыщения газом элемента массы жидкости и/или проведения фильтрации осадка как до, так и во время процесса обработки этого элемента массы.

Claims (8)

1. Диафрагменный электролизер, содержащий параллельно расположенные: N≥2 плоских металлических электродов, N-1 плоских диафрагм, каждая из которых находится между двух плоских металлических электродов, и диэлектрические рамки, причем каждая из диэлектрических рамок находится в механическом контакте с периферийными участками плоского металлического электрода и с периферийными участками плоской диафрагмы так, что указанные диэлектрическая рамка, плоский металлический электрод и диафрагма образуют электродную камеру, гидравлически связанную с устройством входа электродной камеры и с устройством выхода электродной камеры, причем внутренний объем электродной камеры уплотнен от соседних электродных камер и окружающей среды, по крайней мере, один плоский металлический электрод находится в электрическом контакте с положительным выходом источника постоянного тока; по крайней мере, один плоский металлический электрод находится в электрическом контакте с отрицательным выходом источника постоянного тока, отличающийся тем, что сечения электродных камер, нормальные к скорости потока жидкости, имеют форму канала постоянного прямоугольного сечения шириной Δ и толщиной δ, гидравлически связанного с устройством входа и с устройством выхода соответствующей электродной камеры, площадь поперечного сечения канала в устройстве выхода, нормального к скорости потока жидкости, составляет (0,3÷3)δΔ, площадь поперечного сечения канала в устройстве входа, нормального к скорости потока жидкости, составляет (0,3÷3)δΔ, ширина канала Δ меньше критического размера Δ'=V'[ρ/(σδ)]^1/2, где ρ - плотность, V' - объемный расход жидкости через электродную камеру, σ - коэффициент поверхностного натяжения, длина электродной камеры превышает ее ширину Δ, по крайней мере, в 2 раза, δ меньше 3 мм.

2. Диафрагменный электролизер по п.1, отличающийся тем, что толщина плоского металлического электрода составляет 0,3-2 мм.

3. Диафрагменный электролизер по п.1, отличающийся тем, что толщина плоской диафрагмы составляет 0,3-2 мм.

4. Диафрагменный электролизер по п.1, отличающийся тем, что источник постоянного тока содержит 4 выпрямителя тока, соединенных в мостовую схему и находящихся в электрическом контакте с сетью электропитания переменного тока, а напряжение U₀ источника постоянного тока является средним значением выпрямленного напряжения указанной мостовой схемы.

5. Диафрагменный электролизер по п.1, отличающийся тем, что напряжение U₀ находится в пределах от 200 до 400 В, напряжение между соседними электродами ΔU находится в пределах от 5 до 40 В, а N находится в пределах от 10 до 170.

6. Диафрагменный электролизер по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит две прижимные пластины, расположенные с противоположных концов электролизера, каждая из которых находится в механическом контакте с одним из двух расположенных с противоположных концов электродов.

7. Диафрагменный электролизер по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, по крайней мере, один фильтр, гидравлически связанный с, по крайней мере, одной электродной камерой.

8. Диафрагменный электролизер по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, по крайней мере, одно газонасыщающее устройство, гидравлически связанное с устройством входа электродной камеры.

Images