RU2581054C1

RU2581054C1 - Electrochemical modular cell for treatment of electrolyte solutions

Info

Publication number: RU2581054C1
Application number: RU2015120120/04A
Authority: RU
Inventors: Константин Юрьевич Комоликов; Юрий Иванович Комоликов; Владимир Георгиевич Пантюков; Георгий Константинович Пантюков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Рэслинн"
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2016-04-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to electrochemical modular cell for treatment of electrolyte solutions. Cell comprises a sealed housing with top and bottom covers, cylindrical, vertically mounted, coaxially arranged with respect to each other hollow outer and inner electrodes positioned between electrodes and microporous diaphragm which separates inter-electrode space into electrode chamber forming an internal electrode with a sealed chamber. Electrodes and diaphragm are placed in a sealed dielectric housing, and an outer electrode forms an unsealed chamber with diaphragm.

EFFECT: higher efficiency of using area of coaxial electrodes, making it possible to increase efficiency per unit of reactor volume, higher reliability of cell due to arrangement of working electrode beyond zone of accumulation of electrolysis gases, as well as easier merging electrochemical cells in reactor with higher efficiency.

4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к устройствам для электрохимической обработки растворов электролитов, и может быть использовано в процессах, связанных с электрохимическим регулированием кислотно-основных, окислительно-восстановительных свойств и каталитической активности воды и/или водных растворов, а также в процессах получения различных химических продуктов, в частности, в процессе получения хлора при электролизе водного раствора хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов. Полученный хлор может быть использован в процессах очистки и обеззараживания воды.The invention relates to the field of chemical technology, in particular to devices for electrochemical processing of electrolyte solutions, and can be used in processes related to the electrochemical regulation of acid-base, redox properties and catalytic activity of water and / or aqueous solutions, as well as in processes obtaining various chemical products, in particular, in the process of producing chlorine during the electrolysis of an aqueous solution of alkali or alkaline earth metal chlorides. The resulting chlorine can be used in water purification and disinfection processes.

В настоящее время для производства продуктов, получаемых при электролизе, широкое развитие получили модульные установки, которые достигают требуемой производительности путем соединения необходимого числа модулей и дают возможность организовать электролиз на месте потребления продуктов электролиза. Использование модульного принципа позволяет сократить затраты на проектирование и производство электролизеров фиксированной производительности, унифицировать детали и узлы, сократить время монтажа и ремонта таких электролизеров.Currently, for the production of products obtained by electrolysis, modular plants have been widely developed, which achieve the required performance by connecting the required number of modules and make it possible to organize electrolysis at the place of consumption of electrolysis products. Using the modular principle allows to reduce the cost of designing and manufacturing electrolyzers of fixed capacity, unify parts and assemblies, and reduce the time of installation and repair of such electrolyzers.

Так, известна, например, модульная установка для получения продуктов анодного окисления растворов хлорида щелочного металла [1]. Установка содержит как минимум одну ячейку, содержащую коаксиально размещенные цилиндрические наружный и внутренний полые электроды, а также коаксиально установленную между ними ультрафильтрационную диафрагму из керамики на основе оксидов циркония, алюминия и иттрия.So, it is known, for example, a modular installation for producing products of anodic oxidation of alkali metal chloride solutions [1]. The installation contains at least one cell containing coaxially placed cylindrical outer and inner hollow electrodes, as well as an ultrafiltration diaphragm made of ceramics based on zirconium, aluminum and yttrium oxides coaxially mounted between them.

Известна также установка для получения продуктов анодного окисления раствора хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов [2]. Установка содержит как минимум один электрохимический реактор, выполненный из одной или более проточных электрохимических модульных ячеек. Каждая из ячеек содержит вертикальные основной электрод и противоэлектрод, керамическую диафрагму, установленную коаксиально основному электроду и разделяющую межэлектродное пространство на герметичные анодную и катодную камерыAlso known is a plant for producing products of anodic oxidation of a solution of chlorides of alkali or alkaline earth metals [2]. The installation contains at least one electrochemical reactor made of one or more flow-through electrochemical modular cells. Each cell contains a vertical main electrode and a counter electrode, a ceramic diaphragm mounted coaxially to the main electrode and dividing the interelectrode space into sealed anode and cathode chambers

Недостатки вышеописанных установок связаны с тем, что каждая модульная ячейка имеет фиксированную производительность и является гидравлически самостоятельной единицей. Для повышения производительности, при объединении ячеек в электрохимический реактор большой мощности, возникают трудности с обеспечением равномерного распределения потока раствора электролита в электродные камеры ячеек реактора. Это обусловлено влиянием капиллярных сил и различиями гидравлического сопротивления электродных камер ячеек при интенсивном газовыделении на электродах. Эксплуатация установок с такими ячейками требует повышенных расходов энергии. Решение проблемы гидравлического распределения потока раствора электролита при повышении производительности предложено в установке [3]. Данная установка для получения продуктов анодного окисления растворов хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов содержит электрохимический реактор, выполненный из проточных электрохимических снабженных корпусом модульных ячеек. Каждая ячейка содержит цилиндрический основной электрод, установленный вертикально, цилиндрический противоэлектрод, также установленный вертикально, керамическую диафрагму, размещенную коаксиально основному электроду и разделяющую межэлектродное пространство на герметичные анодную и катодную камеры. Ячейка содержит один или несколько основных вертикальных электродов и более одного противоэлектрода и снабжена герметичным корпусом.The disadvantages of the above installations are associated with the fact that each modular cell has a fixed capacity and is a hydraulically independent unit. To improve productivity, when combining the cells into a high-power electrochemical reactor, difficulties arise in ensuring uniform distribution of the flow of the electrolyte solution into the electrode chambers of the reactor cells. This is due to the influence of capillary forces and differences in the hydraulic resistance of the electrode chambers of the cells during intense gas evolution at the electrodes. Operation of plants with such cells requires increased energy consumption. A solution to the problem of hydraulic distribution of the electrolyte solution flow with increasing productivity was proposed in the installation [3]. This installation for producing products of anodic oxidation of solutions of chlorides of alkali or alkaline earth metals contains an electrochemical reactor made of flowing electrochemical modular cells equipped with a housing. Each cell contains a cylindrical main electrode mounted vertically, a cylindrical counter electrode also mounted vertically, a ceramic diaphragm placed coaxially with the main electrode and dividing the interelectrode space into sealed anode and cathode chambers. The cell contains one or more main vertical electrodes and more than one counter electrode and is equipped with a sealed housing.

Электроды установлены в вершинах и центре одного или нескольких правильных плотноупакованных многоугольников, вписанных в плоскость поперечного сечения корпуса, причем основные электроды являются катодами, а противоэлектроды - анодами, и в центре каждого правильного многоугольника установлен катод с диафрагмой, а в вершинах многоугольника - аноды. Расположение основных электродов и противоэлектродов в едином корпусе позволило увеличить производительность ячейки и обеспечить равномерное распределение раствора электролита, однако уход от коаксиального расположения цилиндрических электродов по отношению друг к другу и к диафрагме приводит к следующему.The electrodes are installed at the vertices and center of one or more regular close-packed polygons inscribed in the plane of the cross section of the housing, the main electrodes being the cathodes and the counter electrodes being the anodes, and a cathode with a diaphragm is installed in the center of each regular polygon, and the anodes at the vertices of the polygon. The location of the main electrodes and counter electrodes in a single housing made it possible to increase cell productivity and ensure uniform distribution of the electrolyte solution, however, avoiding the coaxial arrangement of cylindrical electrodes with respect to each other and to the diaphragm leads to the following.

При работе противоэлектродов наибольший ток будет протекать по наименьшему расстоянию между ними. В случае параллельно расположенных цилиндрических поверхностей точки, находящиеся на наименьшем расстоянии друг против друга, располагаются на линиях образующих, а остальные точки цилиндрических плоскостей будут равномерно друг от друга удалены. В этом случае поверхности электродов будут работать с различной плотностью по току, причем наиболее высокая плотность тока будет на поверхностях, находящихся на наименьшем расстоянии друг от друга, а обратная сторона электрода вообще не будет участвовать в электрохимическом процессе. При таком расположении электродов площадь их рабочей поверхности сокращается, вследствие чего увеличивается токовая нагрузка на работающие поверхности, что снижает надежность работы ячейки, а также срок службы активного покрытия электрода.During operation of the counter electrodes, the greatest current will flow along the smallest distance between them. In the case of parallel cylindrical surfaces, points located at the smallest distance from each other are located on the generatrix lines, and the remaining points of the cylindrical planes will be evenly spaced from each other. In this case, the surfaces of the electrodes will work with different current densities, the highest current density being on the surfaces located at the smallest distance from each other, and the reverse side of the electrode will not participate in the electrochemical process at all. With this arrangement of electrodes, the area of their working surface is reduced, as a result of which the current load on the working surfaces increases, which reduces the reliability of the cell, as well as the service life of the active coating of the electrode.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению является электрохимическая модульная ячейка для обработки водных растворов [2]. Известная ячейка содержит цилиндрические вертикально установленные, коаксиально расположенные по отношению друг к другу наружный и внутренний полые электроды и расположенную между электродами микропористую диафрагму, образующую как с внутренним, так и с наружным электродами герметичные электродные камеры. При этом наружный электрод является корпусом ячейки. Ячейка работает при фиксированном подключении электродов.Closest to the claimed invention is an electrochemical modular cell for the treatment of aqueous solutions [2]. The known cell comprises cylindrical vertically mounted outer and inner hollow electrodes coaxially arranged with respect to each other and a microporous diaphragm located between the electrodes, forming sealed electrode chambers with both the inner and outer electrodes. In this case, the outer electrode is the cell body. The cell works with a fixed electrode connection.

Применение фиксированного подключения электродов, а именно внутренний электрод, расположенный внутри диафрагмы, является анодом, а наружный - катодом и одновременно корпусом ячейки, оправдано тем, что катодные электролизные продукты менее агрессивны, чем анодные, и опасности разгерметизации ячейки из-за коррозии нет, однако использование наружного электрода только в качестве катода ограничивает возможность повышения производительности ячейки исходя из следующего.The use of a fixed electrode connection, namely, the inner electrode located inside the diaphragm, is the anode, and the outer one is the cathode and at the same time the cell body, it is justified by the fact that the cathode electrolysis products are less aggressive than the anode ones, and there is no risk of depressurization of the cell due to corrosion, however the use of the external electrode only as a cathode limits the possibility of increasing cell productivity based on the following.

Как известно, количество выделяемого продукта при электролизе по закону Фарадея [4] прямо пропорционально величине тока, протекающего через электроды. Также, чтобы не допустить разрушения анодов при электролизе растворов электролитов ограничивают предельно допустимую плотностью анодного тока [5]. Отсюда следует, что наружный электрод, обладающий большей рабочей поверхностью, допускает пропускание тока большей величины, чем внутренний электрод, т.к. плотность тока - это величина, равная отношению тока, проходящего через электрод к площади его рабочей поверхности. Поэтому неиспользование наружного электрода в качестве анода снижает производительность ячейки по анодным продуктам электролиза. Кроме того, анод в известной электрохимической ячейке работает в замкнутой герметичной камере, поэтому при работе этой ячейки часть анода находится в зоне накопления электролизных газов, что снижает рабочую площадь и надежность анода. Это проявляется наиболее сильно, когда для более полной конверсии хлоридов в процессе получения хлора на выходе из ячейки будут отбираться только анодные электролизные газы. Смесь электролизных газов представляет собой очень агрессивную среду и практика показывает, что основное разрушение анодов независимо от качества защитного покрытия происходит в газовой зоне (см. фото на фиг. 3). При качественном покрытии части анода, находящиеся в зоне раствора, не разрушаются и не имеют видимых следов коррозии, покрытие расходуется равномерно. По мере расхода покрытия эти аноды можно перепокрывать для дальнейшего использования, тем самым сохраняя ценный металл титан, т.к. применяемые для получения хлора аноды изготавливаются из титана с покрытием. Это, например, широко известные аноды ОРТА (Оксид Рутений Титановые Аноды).As is known, the amount of product released during electrolysis according to the Faraday law [4] is directly proportional to the magnitude of the current flowing through the electrodes. Also, in order to prevent destruction of the anodes during electrolysis of electrolyte solutions, the maximum allowable density of the anode current is limited [5]. It follows that the outer electrode, which has a larger working surface, allows the transmission of current of a larger magnitude than the inner electrode, because current density is a value equal to the ratio of the current passing through the electrode to the area of its working surface. Therefore, the non-use of the external electrode as an anode reduces the cell performance of the anode electrolysis products. In addition, the anode in the known electrochemical cell operates in a closed sealed chamber, therefore, when this cell is operated, part of the anode is located in the accumulation zone of electrolysis gases, which reduces the working area and reliability of the anode. This is most pronounced when, for a more complete conversion of chlorides in the process of producing chlorine, only anode electrolysis gases will be selected at the cell exit. A mixture of electrolysis gases is a very aggressive environment and practice shows that the main destruction of the anodes, regardless of the quality of the protective coating, occurs in the gas zone (see photo in Fig. 3). With a high-quality coating, the parts of the anode located in the solution zone are not destroyed and do not have visible signs of corrosion, the coating is consumed evenly. As the coating is consumed, these anodes can be recoated for future use, thereby preserving the valuable metal titanium, as Anodes used to produce chlorine are made of coated titanium. These are, for example, the well-known ORTA anodes (Ruthenium Oxide Titanium Anodes).

Кроме того, при объединении таких ячеек в блок (реактор) к каждой ячейке требуется подвести раствор на обработку и отвести продукты обработки. Это значительно усложняет гидравлическую схему, т.к. требует согласованности ячеек по производительности, а также снижает надежность работы реактора, т.к. количество соединений возрастает пропорционально количеству ячеек.In addition, when combining such cells into a block (reactor), it is necessary to bring the solution to the treatment for each cell and divert the processed products. This greatly complicates the hydraulic circuit, as It requires cell consistency in terms of productivity, and also reduces the reliability of the reactor, because the number of compounds increases in proportion to the number of cells.

Задачей изобретения является повышение производительности электрохимической ячейки по заданным продуктам, повышение надежности электрохимической ячейки при производстве агрессивных газообразных электролизных продуктов, например, хлорсодержащих продуктов, упрощение возможности объединения электрохимических ячеек в реактор с большей производительностью, а также расширение ее функциональных возможностей получением не только анодных продуктов.The objective of the invention is to increase the productivity of the electrochemical cell for given products, increase the reliability of the electrochemical cell in the production of aggressive gaseous electrolysis products, for example, chlorine-containing products, simplify the possibility of combining electrochemical cells into a reactor with greater productivity, as well as expanding its functionality by obtaining not only anode products.

Предложена электрохимическая модульная ячейка для обработки водных растворов, содержащая герметичный корпус с верхней и нижней крышками, цилиндрические вертикально установленные, коаксиально расположенные по отношению друг к другу наружный и внутренний полый электроды и расположенную между электродами микропористую диафрагму, разделяющую межэлектродное пространство на электродные камеры, образующую с внутренним электродом герметичную камеру, отличающаяся тем, что электроды и диафрагма помещены в герметичный диэлектрический корпус, при этом наружный электрод образует с диафрагмой негерметичную камеру.An electrochemical modular cell for the treatment of aqueous solutions is proposed, comprising a sealed housing with upper and lower covers, cylindrical vertically mounted outer and inner hollow electrodes coaxially arranged with respect to each other, and a microporous diaphragm located between the electrodes that separates the interelectrode space into electrode chambers, which forms an internal electrode sealed chamber, characterized in that the electrodes and the diaphragm are placed in a sealed dielectric housing mustache, while the outer electrode forms an unpressurized chamber with the diaphragm.

В частном случае исполнения ячейки негерметичная камера между наружным электродом и диафрагмой образована за счет того, что верхняя и нижняя части наружного электрода не имеют герметичного контакта с верхней и нижней крышками корпуса.In the particular case of the cell execution, an untight chamber between the outer electrode and the diaphragm is formed due to the fact that the upper and lower parts of the outer electrode do not have tight contact with the upper and lower covers of the housing.

В частном случае исполнения ячейки внутренний электрод ячейки является катодом, а наружный - анодом, а герметичная камера, расположенная между внутренним электродом и диафрагмой, является катодной, а негерметичная камера, образованная между диафрагмой и наружным электродом ,- анодной.In the particular case of the cell execution, the inner electrode of the cell is the cathode, and the outer is the anode, and the sealed chamber located between the inner electrode and the diaphragm is cathode, and the non-sealed chamber formed between the diaphragm and the outer electrode is the anode.

В отличие от прототипа, где при фиксированном расположении электродов анодом является только внутренний электрод, заявленная конструкция, герметичный корпус которой выполнен из диэлектрического материала и не является катодом, допускает исполнения ячейки, в котором наружный электрод является анодом, что позволяет эффективно использовать большую по площади поверхность наружного электрода и, не увеличивая металлоемкость, повышать производительность ячейки.In contrast to the prototype, where for a fixed arrangement of the electrodes, the anode is only the inner electrode, the claimed design, the sealed housing of which is made of dielectric material and is not a cathode, allows the execution of a cell in which the outer electrode is the anode, which allows you to effectively use a large surface area an external electrode and, without increasing metal consumption, increase cell productivity.

При использовании заявленной ячейки в электролизе с выделением электролизных газов из обрабатываемых растворов в камере наружного электрода, наличие негерметичной камеры, образованной наружным электродом и диафрагмой, позволяет вести процесс таким образом, чтобы наружный электрод полностью находился в растворе, а электролизные газы скапливались между поверхностью раствора, внутренней стенкой корпуса и верхней крышкой корпуса с закрепленной в ней диафрагмой.When using the claimed cell in electrolysis with the release of electrolysis gases from the processed solutions in the chamber of the outer electrode, the presence of an untight chamber formed by the outer electrode and the diaphragm allows the process to be carried out so that the outer electrode is completely in solution and the electrolysis gases accumulate between the surface of the solution, the inner wall of the housing and the upper housing cover with a fixed diaphragm.

Кроме того, в отличие от прототипа, в котором часть анода, находящаяся в газовой зоне, не участвует в процессе электролиза раствора, снижая эффективность использования поверхности электрода, в заявленной ячейке вся поверхность наружного электрода погружена в раствор, при этом все точки его внутренней поверхности равноудалены от поверхности внутреннего электрода, в результате вся поверхность наружного электрода участвует в процессе электролиза. То, что заявленная конструкция ячейки допускает использовать внутренний электрод в качестве анода, а наружного - катода, и наоборот, расширяет функциональные возможности ячейки получением не только анодных продуктов.In addition, unlike the prototype, in which the part of the anode located in the gas zone does not participate in the electrolysis of the solution, reducing the efficiency of using the electrode surface, in the claimed cell, the entire surface of the outer electrode is immersed in the solution, while all points of its inner surface are equidistant from the surface of the inner electrode, as a result, the entire surface of the outer electrode is involved in the electrolysis process. The fact that the claimed cell design allows the use of an internal electrode as an anode, and an external electrode as a cathode, and vice versa, expands the functionality of the cell by producing not only anode products.

Преимуществом предложенной конструкции модульной ячейки является и то, что для повышения производительности группа электрохимических ячеек может объединяться в блок (реактор) в едином герметичном корпусе, имеющем общий входной патрубок для поступления и обработки раствора в камерах наружного электрода и один общий патрубок для отвода продуктов электролиза. Это упрощает возможность объединения электрохимических ячеек в реактор с большей производительностью.An advantage of the proposed design of a modular cell is that, to increase productivity, a group of electrochemical cells can be combined into a unit (reactor) in a single sealed enclosure having a common inlet pipe for entering and processing the solution in the chambers of the external electrode and one common pipe for removing electrolysis products. This simplifies the possibility of combining electrochemical cells into a reactor with higher productivity.

Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении эффективности использования площади коаксиально расположенных электродов, позволяющем повысить производительность с единицы объема реактора, в повышении надежности ячейки за счет размещения рабочего электрода вне зоны накопления электролизных газов, упрощении возможности объединения электрохимических ячеек в реактор с большей производительностью.The technical result achieved by the claimed invention is to increase the efficiency of using the area of coaxially arranged electrodes, which allows to increase productivity per unit volume of the reactor, to increase the reliability of the cell by placing the working electrode outside the zone of accumulation of electrolysis gases, simplifying the possibility of combining electrochemical cells into a reactor with higher productivity .

Для сравнения расчетных характеристик предлагаемой ячейки и ячейки- прототипа были взяты следующие исходные данные.To compare the calculated characteristics of the proposed cell and the cell prototype, the following initial data were taken.

Допустимая плотность тока - 0,20 А/см² Permissible current density - 0.20 A / cm ²

Наружный диаметр внутреннего электрода - 16 ммThe outer diameter of the inner electrode is 16 mm

Длина рабочей части внутреннего электрода - 300 ммThe length of the working part of the inner electrode is 300 mm

Площадь поверхности внутреннего электрода - 150,7 см² The surface area of the inner electrode is 150.7 cm ²

Внутренний диаметр наружного электрода - 36 ммThe inner diameter of the outer electrode is 36 mm

Длина рабочей части наружного электрода - 300 ммThe length of the working part of the outer electrode is 300 mm

Площадь поверхности наружного электрода - 339,1 см² The surface area of the outer electrode is 339.1 cm ²

Межэлектродное расстояние - 10 ммInterelectrode distance - 10 mm

Толщина стенки диафрагмы - 2 ммDiaphragm wall thickness - 2 mm

При исполнении ячейки-прототипа, когда внутренний электрод является анодом, допустимый ток будет определяться площадью анода и составит 0,2 А/см² × 150,7 см² = 30,14 А. При исполнении по заявленному изобретению, когда наружный электрод является анодом, допустимый ток, также будет определяться площадью анода и составит 0,2 А/см² × 339,1 см² = 67,82 А. Таким образом при равных геометрических параметрах и одинаковом межэлектродном расстоянии заявленное изобретение допускает возможность работы ячейки с большой токовой нагрузкой, а значит с большей производительностью.When executing the prototype cell, when the inner electrode is the anode, the permissible current will be determined by the area of the anode and will be 0.2 A / cm ² × 150.7 cm ² = 30.14 A. When executed according to the claimed invention, when the outer electrode is the anode , the permissible current will also be determined by the area of the anode and will be 0.2 A / cm ² × 339.1 cm ² = 67.82 A. Thus, with equal geometric parameters and the same interelectrode distance, the claimed invention allows the cell to operate with a large current load , which means with greater production duration.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид ячейки; на фиг. 2 - сечение А-А; на фиг. 3 представлено фото анода ячейки-прототипа до и после работы.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a general view of a cell; in FIG. 2 - section aa; in FIG. 3 shows a photo of the anode of the prototype cell before and after work.

Электрохимическая ячейка для обработки растворов электролитов содержит герметичный выполненный из диэлектрического материала, корпус 1 со съемным входным патрубком 2 для подачи обрабатываемой среды, верхнюю крышку 3 со съемным выходным патрубком 4 для отвода продуктов электролиза и нижнюю крышку 5. Внутри корпуса расположены цилиндрические внутренний полый электрод 6, закрепленный патрубком 7 на верхней крышке 3 и патрубком 8 - в нижней крышке 5, наружный электрод 9, закрепленный с помощью токоподводов 10 в нижней крышке 5. Коаксиально внутреннему электроду 6 размещена микропористая диафрагма 11, разделяющая межэлектродное пространство, герметично закрепленная в верхней 3 и нижней 5 крышках и образующая с внутренним электродом 6 герметичную камеру 12. Наружный электрод 9 выполнен таким образом, что его верхняя и нижняя части не имеют герметичного контакта с верхней и нижней крышками корпуса. За счет этого между наружным электродом и диафрагмой образована негерметичная камера 13.The electrochemical cell for processing electrolyte solutions contains a sealed dielectric material, a housing 1 with a removable inlet pipe 2 for supplying the medium to be treated, a top cover 3 with a removable output pipe 4 for removal of electrolysis products and a lower cover 5. A cylindrical inner hollow electrode 6 is located inside the housing fixed by a pipe 7 on the top cover 3 and a pipe 8 - in the bottom cover 5, the outer electrode 9, mounted using current leads 10 in the bottom cover 5. Coaxially inside microporous diaphragm 11 is placed thereto, separating the interelectrode space, hermetically fixed in the upper 3 and lower 5 covers and forming a sealed chamber 12 with the inner electrode 6. The outer electrode 9 is made in such a way that its upper and lower parts do not have tight contact with the upper and lower housing covers. Due to this, between the outer electrode and the diaphragm, an untight chamber 13 is formed.

Патрубки 7 и 8, закрепленные в верхней и нижней крышках соответственно, служат для закрепления внутреннего электрода, подачи и отвода обрабатываемой среды в герметичную камеру 12, установлены на торцах электрода 6, могут быть соединены с электродом 6 резьбовым и/или сварным соединением. Электрод 6 имеет перфорационные отверстия 14 для подачи и отвода обрабатываемого раствора в камеру внутреннего электрода, поступающего через патрубки 7 и 8.Pipes 7 and 8, mounted in the upper and lower covers, respectively, serve to secure the internal electrode, supply and discharge of the medium to be processed into the sealed chamber 12, are mounted on the ends of the electrode 6, can be connected to the electrode 6 by a threaded and / or welded joint. The electrode 6 has perforations 14 for supplying and discharging the solution to be processed into the chamber of the internal electrode entering through the nozzles 7 and 8.

Работа ячейки иллюстрируется примером получения газообразных продуктов электролиза, внутренний электрод 6 является катодом, а цилиндрический наружный 9 - анодом, расположенным коаксиально диафрагме 11 и катоду 6.The cell is illustrated by an example of obtaining gaseous products of electrolysis, the inner electrode 6 is the cathode, and the cylindrical outer 9 is the anode located coaxially to the diaphragm 11 and the cathode 6.

Ячейка работает следующим образом. The cell works as follows.

Через входной патрубок 2 обрабатываемый раствор электролита поступает внутрь герметичного корпуса ячейки и заполняет камеру 13. Через патрубок 8 раствор поступает в полость катода 6. Через нижние перфорационные отверстия 14 раствор поступает в пространство между диафрагмой 11 и наружной поверхностью катода 6 и заполняет герметичную камеру 12. Через верхние перфорационные отверстия 14 раствор выводится во внутреннюю полость катода 6 и через патрубок 7 удаляется из ячейки. Циркуляция раствора электролита в герметичной камере 12 организуется через внешний циркуляционный контур.Through the inlet pipe 2, the processed electrolyte solution enters the sealed cell body and fills the chamber 13. Through the pipe 8, the solution enters the cavity of the cathode 6. Through the lower perforations 14, the solution enters the space between the diaphragm 11 and the outer surface of the cathode 6 and fills the sealed chamber 12. Through the upper perforation holes 14, the solution is discharged into the inner cavity of the cathode 6 and is removed from the cell through the pipe 7. The circulation of the electrolyte solution in the sealed chamber 12 is organized through an external circulation circuit.

После подачи напряжения к электродам на внутренней поверхности анода 9 начинается выделение электролизных газов, и газовые пузырьки увлекают электролит вверх. Так как на наружной поверхности анода электролиз не идет, то электролит, находящийся между внутренней стенкой корпуса и наружной стенкой анода менее насыщен газовыми пузырьками, и имеет большую кажущуюся плотность, что приводит к организации внутренней циркуляции электролита внутри корпуса ячейки. При работе ячейки в проточном режиме обработанный раствор с продуктами электролиза будет удаляться через патрубок 4. При работе в режиме получения газообразных продуктов из корпуса через патрубок 4 удаляется только электролизный газ.After applying voltage to the electrodes on the inner surface of the anode 9, the release of electrolysis gases begins, and gas bubbles carry the electrolyte up. Since electrolysis does not occur on the outer surface of the anode, the electrolyte located between the inner wall of the casing and the outer wall of the anode is less saturated with gas bubbles and has a greater apparent density, which leads to the organization of the internal circulation of the electrolyte inside the cell body. When the cell is in flowing mode, the treated solution with electrolysis products will be removed through pipe 4. When working in the mode of receiving gaseous products from the casing, only electrolysis gas is removed from pipe through pipe 4.

Для проверки работоспособности изобретения была собрана ячейка с одной электродной парой, в которой анод (наружный электрод) и катод (внутренний электрод) установлены с межэлектродным расстоянием - МЭР=11 мм. Наружный электрод был изготовлен из титановой трубы марки ВТ1-0, внутренний диаметр трубы d составлял 60 мм, высота анода равнялась 240 мм. Внутренний электрод был изготовлен из нержавеющей трубы марки 12Х18Н10Т, наружный диаметр катода D был равен 38 мм, высота катода равнялась 240 мм. Трубчатая диафрагма была изготовлена из корундоциркониевой керамики, толщина стенок диафрагмы равнялась 2 мм. На поверхности внутреннего электрода (катод) в верхней и нижней части было равномерно расположено 12 отверстий. На внутреннею поверхность титанового наружного электрода (анод) было нанесено покрытие ОРТА, корпус и крышки корпуса, а также патрубки в корпусе и в верхней крышке были изготовлены из ПХПВ, уплотнения диафрагмы были выполнены из фторопласта марки Ф4. Уплотнительные кольца, герметизирующие корпус в местах соединения с верхними и нижними крышками, а также в местах выхода патрубков внутреннего электрода (катода) и выхода токоподводов внешнего электрода были изготовлены из кислотощелочестойкой резины марки ИРП-1314. В качестве стенда для испытаний была использована установка - АКВАХЛОР-500, серийно производимая ООО «ХК ЛЭТ» г. Москва, в которой 16 модульных ячеек были заменены на предлагаемую электрохимическую ячейку при сохранении коммуникаций по подаче растворов и отведению продуктов электролиза. Дополнительно для снижения подаваемого напряжения была изменена система подачи энергии. Исследовался процесс получения газообразной смеси оксидантов, в основном хлора, электролизом водного раствора хлорида натрия. В установку, которая содержала ячейку, выполненную согласно настоящему изобретению, подавался раствор хлорида натрия концентрацией 280 г/л. Напряжение на электродах ячейки было подано 3,1 В, ток составил 130 А. Производительность по хлору 167 г в час. Испытания проводили в течение 350 часов на станции обеззараживания МУП « БалаковоВодоканал». В течение испытаний напряжение на клеммах электрохимической ячейки не изменилось, а ток изменял свои показатели в пределах нормы 128-131 А. Средняя производительность по хлору составила 167 г в час. После испытания ячейка была извлечена из корпуса и осмотрена, никаких видимых следов коррозии и разрушения электродов обнаружено не было.To test the operability of the invention, a cell with one electrode pair was assembled, in which the anode (outer electrode) and cathode (inner electrode) were installed with an interelectrode distance of MER = 11 mm. The outer electrode was made of VT1-0 titanium pipe, the inner diameter of the pipe d was 60 mm, and the height of the anode was 240 mm. The inner electrode was made of stainless steel grade 12X18H10T, the outer diameter of the cathode D was 38 mm, and the height of the cathode was 240 mm. The tubular diaphragm was made of corundum-zirconium ceramics, the thickness of the walls of the diaphragm was 2 mm. On the surface of the inner electrode (cathode), 12 holes were uniformly located in the upper and lower parts. On the inner surface of the titanium outer electrode (anode), an ORTA coating was applied, the housing and the housing covers, as well as the nozzles in the housing and in the upper cover were made of PCB, the diaphragm seals were made of F4 grade fluoroplastic. O-rings sealing the housing at the junctions with the upper and lower covers, as well as at the exit points of the internal electrode (cathode) nozzles and the output of the external electrode current leads, were made of acid-alkali-resistant rubber of the IRP-1314 brand. The installation - AQUACHLOR-500, commercially produced by HC LET LLC in Moscow, in which 16 module cells were replaced with the proposed electrochemical cell while maintaining communications for supplying solutions and discharge of electrolysis products, was used as a test bench. Additionally, to reduce the applied voltage, the energy supply system was changed. The process of obtaining a gaseous mixture of oxidants, mainly chlorine, was studied by electrolysis of an aqueous solution of sodium chloride. A solution of 280 g / L sodium chloride was supplied to the apparatus, which contained a cell made according to the present invention. The voltage at the cell electrodes was 3.1 V, the current was 130 A. The chlorine output was 167 g per hour. The tests were carried out for 350 hours at the disinfection station of MUE "BalakovoVodokanal". During the tests, the voltage at the terminals of the electrochemical cell did not change, and the current changed its parameters within the norm of 128-131 A. The average chlorine productivity was 167 g per hour. After the test, the cell was removed from the housing and inspected, no visible signs of corrosion and destruction of the electrodes were found.

Заявленная конструкция позволяет повысить производительность электрохимической ячейки по заданным продуктам, повысить надежность электрохимической ячейки при производстве агрессивных газообразных электролизных продуктов, например хлорсодержащих продуктов, упростить возможность объединения электрохимических ячеек в реактор с большей производительностью, а также расширить функциональные возможности ячейки получением целевых продуктов в виде смеси газов или в виде раствора.The claimed design allows to increase the productivity of the electrochemical cell for given products, to increase the reliability of the electrochemical cell in the production of aggressive gaseous electrolysis products, for example, chlorine-containing products, to simplify the possibility of combining electrochemical cells into a reactor with higher productivity, and also to expand the functionality of the cell by obtaining the target products in the form of a gas mixture or in the form of a solution.

ЛитератураLiterature

1. RU 2088693, С25В 9/00, опубл. 27.08.1997.1. RU 2088693, C25B 9/00, publ. 08/27/1997.

2. RU 2176989, С25В 1/46, опубл. 20.12.2001.2. RU 2176989, С25В 1/46, publ. 12/20/2001.

3. RU 2516150, С25В 1/46, опубл. 20.05.2014.3. RU 2516150, С25В 1/46, publ. 05/20/2014.

4. Коровин Н.В., Масленникова Г.Н., Мингулина Э.И., Филиппов Э.Л. Курс общей химии. - М: Высшая школа, 1990. - С. 215.4. Korovin N.V., Maslennikova G.N., Mingulina E.I., Filippov E.L. General chemistry course. - M: Higher school, 1990 .-- S. 215.

5. Якименко Л.М. Электродные материалы в прикладной химии. М.: Издательство ХИМИЯ, 1977 г/ - С. 267.5. Yakimenko L.M. Electrode materials in applied chemistry. M .: Publishing house CHEMISTRY, 1977 / - S. 267.

Claims

1. An electrochemical modular cell for processing electrolyte solutions, comprising a sealed housing with upper and lower covers, cylindrical, vertically mounted, coaxially disposed outer and inner hollow electrodes and a microporous diaphragm located between the electrodes, separating the interelectrode space into the electrode chambers, forming a sealed chamber with an internal electrode, characterized in that the electrodes and the diaphragm are placed in a sealed dielectric housing, wherein the outer electrode forms an unpressurized chamber with the diaphragm.

2. The electrochemical cell according to claim 1, characterized in that the leaky chamber between the outer electrode and the diaphragm is formed due to the fact that the upper and lower parts of the outer electrode do not have tight contact with the upper and lower covers of the housing.

3. The electrochemical cell according to claim 1, characterized in that the inner electrode of the cell is the cathode, and the outer one is the anode.

4. The electrochemical cell according to claim 1, characterized in that the sealed chamber located between the inner electrode and the diaphragm is cathode, and the non-sealed chamber formed between the diaphragm and the outer electrode is anode.