RU2586560C2

RU2586560C2 - Electrochemical reactor

Info

Publication number: RU2586560C2
Application number: RU2014141028/05A
Authority: RU
Inventors: Константин Юрьевич Комоликов; Юрий Иванович Комоликов; Владимир Георгиевич Пантюков; Георгий Константинович Пантюков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Рэслинн"
Priority date: 2014-10-10
Filing date: 2014-10-10
Publication date: 2016-06-10
Also published as: RU2014141028A

Abstract

FIELD: electrochemistry.

SUBSTANCE: invention relates to devices for electrochemical treatment of solutions. Electrochemical reactor is made from one or more through electrochemical modular cell placed in housing 1 s, each including vertical cathode 6 installed in centre of housing, ceramic diaphragm 7 mounted around it, equally spaced from cathode opposing electrodes - anodes 5 arranged around cathode with diaphragm with formation of electrode pairs of “cathode-anode” type. Cathode cross-section is equilateral polygon with number of sides from 3 to 12, wherein opposing electrodes are made in form of bodies, each of which has plane parallel to face of cathode, which forms with plane of electrode pair of “cathode-anode” type. Opposing electrodes can be made in form of plates or in form of bodies of polyhedron. Formed thus electrode pairs enable maximum current density, as a result of working current generated in reactor, will have high value.

EFFECT: technical result is increase of efficiency of reactor at simultaneous increase of its reliability, reduced power consumption in process.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к устройствам для электрохимической обработки растворов, и может быть использовано в процессах электрохимического получения химических продуктов путем электролиза водных растворов, в частности к технологии получения хлора и хлорсодержащих окислителей для обеззараживания воды хозяйственно-питьевого водоснабжения, бытовых и промышленных сточных вод.The invention relates to the field of chemical technology, in particular to devices for the electrochemical processing of solutions, and can be used in the processes of electrochemical production of chemical products by electrolysis of aqueous solutions, in particular, to a technology for producing chlorine and chlorine-containing oxidizing agents for disinfecting household and drinking water, household and industrial wastewater.

В современной промышленности перспективными являются модульные электролизеры, обеспечивающие достижение требуемой производительности путем соединения необходимого числа электрохимических модульных ячеек, что позволяет сократить затраты на проектирование и производство электролизеров и унифицировать детали и узлы, что имеет значение для сокращения времени монтажа и ремонта электролизеров.In modern industry, modular electrolyzers are promising, ensuring the achievement of the required performance by combining the required number of electrochemical modular cells, which reduces the cost of designing and manufacturing electrolyzers and unifying parts and assemblies, which is important for reducing the time of installation and repair of electrolyzers.

Известен электрохимический реактор, применяемый в установке для электролитической обработки воды (RU 2078737, опубл. 10.05.1997) [1]. Реактор содержит несколько компактных диафрагменных электрохимических ячеек, представляющих собой проточные электрохимические модули. Каждый из модулей выполнен из вертикальных коаксиально установленных цилиндрического и стержневого электродов, керамической диафрагмы, которая разделяет межэлектродное пространство на электродные камеры. Известный реактор имеет предел производительности, так как соединение в нем более четырех модулей приводит к возникновению значительных различий в гидравлических сопротивлениях отдельных модульных ячеек и, как следствие, к неравномерности в работе отдельных модулей.Known electrochemical reactor used in the installation for electrolytic treatment of water (RU 2078737, publ. 05/10/1997) [1]. The reactor contains several compact diaphragm electrochemical cells, which are flow-through electrochemical modules. Each of the modules is made of vertical coaxially mounted cylindrical and rod electrodes, a ceramic diaphragm, which divides the interelectrode space into the electrode chambers. The known reactor has a performance limit, since the connection of more than four modules in it leads to significant differences in the hydraulic resistance of individual module cells and, as a result, to uneven operation of individual modules.

Прототипом заявленного решения является электрохимический реактор, используемый в установке для получения продуктов анодного окисления раствора хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов (RU 2516150, опубл. 27.12.2013 [2]. Реактор выполнен из одной или более проточных электрохимических модульных ячеек, снабженных общим корпусом, в котором размещены один или несколько вертикальных катодов и три или более противоэлектродов - анодов. Коаксиально каждому катоду установлена диафрагма, а аноды расположены в пространстве между наружными поверхностями диафрагм и внутренними стенками корпуса вокруг катода с диафрагмой с образованием электродных пар типа «катод-анод» и равноудалены от катода. Катоды в ячейках реактора выполнены стержневыми из металла или графита, или трубчатыми, аноды - стержневыми, трубчатыми или проволочными.The prototype of the claimed solution is an electrochemical reactor used in the installation for producing products of anodic oxidation of a solution of alkali or alkaline earth metal chlorides (RU 2516150, publ. 12/27/2013 [2]. The reactor is made of one or more flow-through electrochemical modular cells equipped with a common casing, which has one or more vertical cathodes and three or more counter electrodes - anodes, a diaphragm is installed coaxially to each cathode, and the anodes are located in the space between the outer surfaces . Styami diaphragms and the inner walls of the housing around the cathode from the diaphragm to form electrode pairs such as "cathode-anode" and are equidistant from the cathode cathodes in reactor cells formed from a metal rod or graphite or tubular anodes - rod, tube or wire.

В конструкции известного реактора с катодом и анодами круглого сечения межэлектродное расстояние создается по образующим цилиндров, а потому является неодинаковым для каждой точки поверхности электродов, в результате чего между электродами будет протекать ток разной величины, а плотность тока будет распределяться по поверхности электродов неравномерно. В зоне повышенных плотностей тока будет максимальный износ рабочей поверхности электродов, что ограничит общую величину тока и, следовательно, производительность реактора. Кроме того, электрод круглого сечения имеет минимальную площадь поверхности. При ограничении допустимой плотности тока малая площадь поверхности электрода ограничивает производительность реактора. В результате непостоянной нагрузки на электроды реактора его эксплуатация потребует повышенных расходов энергии, что снижает надежность и производительность реактора.In the design of the known reactor with a cathode and anodes of circular cross-section, the interelectrode distance is created along the generatrix of the cylinders, and therefore it is not the same for each point on the surface of the electrodes, as a result of which a current of different sizes will flow between the electrodes, and the current density will be distributed unevenly on the surface of the electrodes. In the zone of increased current densities there will be maximum wear of the working surface of the electrodes, which will limit the total current and, therefore, the productivity of the reactor. In addition, the circular electrode has a minimum surface area. When limiting the permissible current density, a small surface area of the electrode limits the performance of the reactor. As a result of an unstable load on the electrodes of the reactor, its operation will require increased energy consumption, which reduces the reliability and productivity of the reactor.

Задача настоящего изобретения заключается в повышении производительности реактора при одновременном повышении его надежности, а также в снижении расхода энергии на проведение процесса.The objective of the present invention is to increase the productivity of the reactor while increasing its reliability, as well as to reduce energy consumption for the process.

Для решения поставленной задачи предлагается электрохимический реактор, выполненный из одной или более помещенных в корпус проточных электрохимических модульных ячеек, каждая из которых содержит вертикально расположенные катод, установленный в центре корпуса, смонтированную вокруг него керамическую диафрагму, равноудаленные от катода противоэлектроды - аноды, расположенные вокруг катода с диафрагмой с образованием электродных пар типа «катод-анод», при этом реактор содержит катод, имеющий в сечении равносторонний многогранник с количеством сторон от 3 до 12, а противоэлектроды выполнены в виде тел, каждое из которых имеет плоскость, параллельную той грани катода, которая образует с этой плоскостью электродную пару типа «катод-анод».To solve this problem, an electrochemical reactor is proposed, made of one or more flow-through electrochemical modular cells placed in the housing, each of which contains a vertically located cathode, mounted in the center of the housing, a ceramic diaphragm mounted around it, counter electrodes equally spaced from the cathode — anodes located around the cathode with a diaphragm with the formation of electrode pairs of the "cathode-anode" type, while the reactor contains a cathode having in cross section an equilateral polyhedron with t he side of 3 to 12, and counter electrodes are in the form of bodies, each having a plane parallel to the faces of the cathode, which forms with the plane of the electrode pair such as "cathode-anode".

В частном случае исполнения реактора противоэлектроды могут быть выполнены в виде пластин или в виде тел, имеющих в сечении многогранник, или в виде других тел, имеющих плоскость, параллельную той грани основного электрода, которая образует с этой плоскостью электродную пару типа «катод-анод».In the particular case of the reactor design, the counter electrodes can be made in the form of plates or in the form of bodies having a polyhedron in cross section, or in the form of other bodies having a plane parallel to that face of the main electrode, which forms an electrode pair of the “cathode-anode” type with this plane .

В заявленном реакторе электродные пары типа «катод-анод» взаимодействуют между собой по параллельным плоскостям, одна из которых принадлежит катоду, а другая - аноду. В этом случае межэлектродное расстояние для каждой точки поверхности электродов будет одинаковым, в результате чего между электродами будет протекать ток одинаковой величины, а плотность тока будет распределяться по поверхности электродов равномерно. Образованные таким образом элементарные электродные пары обеспечивают максимальную плотность тока на площади большей, чем на образующей при круглом сечении электродов, в результате рабочий ток, получаемый в заявленном реакторе, будет иметь большую величину. Соответственно производительность заявленного реактора будет выше при одновременном повышении его надежности, удельный расход энергии на проведение процесса ниже.In the claimed reactor, electrode pairs of the "cathode-anode" type interact with each other along parallel planes, one of which belongs to the cathode, and the other to the anode. In this case, the interelectrode distance for each point on the surface of the electrodes will be the same, as a result of which a current of the same magnitude will flow between the electrodes, and the current density will be distributed evenly across the surface of the electrodes. The elemental electrode pairs formed in this way provide a maximum current density over an area greater than that on the generatrix with a circular cross-section of the electrodes, as a result, the operating current obtained in the claimed reactor will be large. Accordingly, the performance of the claimed reactor will be higher while increasing its reliability, the specific energy consumption for the process is lower.

Кроме того, заявленное исполнение и расположение электродных пар типа «катод-анод» сохраняет возможность варьировать производительность по продуктам анодного окисления за счет увеличения объема анодной камеры и увеличения количества окруженных анодами катодов с диафрагмой. При этом достигается сокращение объема продуктов катодной обработки, что позволяет сократить выход щелочного раствора, повысив его концентрацию, и исключить расходы, связанные с его утилизацией. При этом минимальное количество сторон многогранника в сечении катода обусловлено геометрически, а многогранник с количеством сторон более 12 может привести к значительному увеличению внутреннего угла между гранями, тогда электрод начнет работать как круглый.In addition, the claimed design and arrangement of electrode pairs of the “cathode-anode” type retains the ability to vary the performance of the products of anodic oxidation by increasing the volume of the anode chamber and increasing the number of cathodes with a diaphragm surrounded by anodes. At the same time, a reduction in the volume of cathodic treatment products is achieved, which reduces the yield of alkaline solution, increasing its concentration, and eliminates the costs associated with its disposal. In this case, the minimum number of sides of the polyhedron in the cathode cross section is geometrically determined, and a polyhedron with more than 12 sides can lead to a significant increase in the internal angle between the faces, then the electrode will start to work like a round one.

В зависимости от условий решаемой задачи аноды могут располагаться как максимально близко к наружной поверхности диафрагмы, так и на некотором расстоянии от нее, ограничиваясь внутренним размером стенки корпуса. Если реактор содержит один катод, то конструктивно пространство катодной камеры между внутренней поверхностью диафрагмы и поверхностью катода соединяется со средствами отвода продуктов из катодной камеры, а если реактор содержит несколько катодов, то для отвода продуктов катодной камеры эти пространства должны быть объединены общим приспособлением для вывода продуктов. Такое объединение может быть выполнено различным, в зависимости от конструктивного выполнения узлов крепления электродов и диафрагмы. Это может быть соединение с помощью гибких трубопроводов или, например, единого коллектора. Для подачи исходного раствора в анодную камеру требуется один ввод и для отвода продуктов обработки требуется один вывод независимо от количества ячеек. Таким образом, конструкция заявленного реактора проще, чем конструкция известного реактора с круглыми электродами,и обладает большей производительностью.Depending on the conditions of the problem being solved, the anodes can be located as close as possible to the outer surface of the diaphragm, and at a certain distance from it, limited to the internal size of the wall of the housing. If the reactor contains one cathode, then structurally the space of the cathode chamber between the inner surface of the diaphragm and the surface of the cathode is connected to means for removing products from the cathode chamber, and if the reactor contains several cathodes, then these spaces must be combined by a common device for removing products . Such a combination can be performed differently, depending on the design of the attachment points of the electrodes and the diaphragm. This can be a connection using flexible pipes or, for example, a single collector. One input is required to supply the initial solution to the anode chamber, and one output is required for the removal of treatment products, regardless of the number of cells. Thus, the design of the claimed reactor is simpler than the design of the known reactor with round electrodes, and has a higher productivity.

Изобретение поясняется фигурами, где на фиг. 1 схематически изображен горизонтальный разрез электрохимического реактора - прототипа, на фиг. 2 - горизонтальный разрез заявляемого электрохимического реактора, на фиг. 3 - вертикальный разрез заявляемого электрохимического реактора.The invention is illustrated by figures, where in FIG. 1 schematically shows a horizontal section of an electrochemical reactor of the prototype, FIG. 2 is a horizontal section through the inventive electrochemical reactor; FIG. 3 is a vertical section of the inventive electrochemical reactor.

Заявленный реактор содержит корпус 1, выполненный из диэлектрического материала, который имеет верхнюю крышку 2 и нижнюю крышку 3, которые выполнены также из диэлектрического материала. На крышке 2 выполнен патрубок 4 для отвода продуктов анодной обработки. На крышке 3 закреплены аноды 5. Катод 6 имеет выход через крышки 2 и 3 и крепится с помощью резьбы. Диафрагма 7 через уплотнительные кольца герметично закреплена в крышках 2 и 3. Для подвода продуктов обработки к анодной камере предусмотрен патрубок 8, а для отвода и подвода к катодной камере - патрубки 9 и 10. Для подвода отрицательного потенциала служит клемма 11, а положительного - клемма 12, обе клеммы через проводники соединяются с источником тока.The claimed reactor contains a housing 1 made of dielectric material, which has an upper cover 2 and a lower cover 3, which are also made of dielectric material. On the cover 2, a pipe 4 is made for the removal of anode treatment products. Anodes 5 are fixed to the cover 3. The cathode 6 has an outlet through covers 2 and 3 and is fastened with a thread. The diaphragm 7 is sealed through the sealing rings in the caps 2 and 3. A pipe 8 is provided for supplying the processed products to the anode chamber, and pipes 9 and 10 are used for the outlet and supply to the cathode chamber. Terminal 11 is used for supplying a negative potential and terminal is for a positive potential 12, both terminals are connected through current conductors to a current source.

Реактор работает следующим образом. В корпус 1 через патрубок 8 насосом или самотеком, со скоростью, обеспечивающей постоянство заданного уровня анолита в анодной камере, подается продукт, требующий анодной обработки, например раствор хлорида натрия. В катодную камеру с регулируемой скоростью протока через патрубок 9 подается электропроводящий раствор, например водопроводная вода. После подачи напряжения на электроды в анодной камере образуется анолит, на поверхности анодов 5 может идти выделение электролизных газов, например хлора. Из верхней части анодной камеры через патрубок 4 в крышке 2 отбираются продукты анодной обработки. Образующийся католит в катодной камере через патрубок 10 сбрасывается в канализацию или накапливается как щелочной реагент.The reactor operates as follows. In the housing 1 through the nozzle 8 by a pump or by gravity, with a speed that ensures the constancy of a given level of anolyte in the anode chamber, a product is supplied that requires anode treatment, for example, sodium chloride solution. An electrically conductive solution, for example tap water, is fed into the cathode chamber with a controlled flow rate through the pipe 9. After applying voltage to the electrodes, an anolyte is formed in the anode chamber, and electrolysis gases, such as chlorine, can be released on the surface of the anodes 5. From the upper part of the anode chamber through the pipe 4 in the cover 2 are selected products of the anode treatment. The resulting catholyte in the cathode chamber through the pipe 10 is discharged into the sewer or accumulates as an alkaline reagent.

Для сравнительного эксперимента было собрано два реактора: реактор по прототипу и заявляемый, каждый из которых содержал один катод и 4 анода. Корпус реакторов выполнен из трубы ХПВХ, с внутренним диаметром 200 мм. В центре корпусов установлен катод. В реакторе-прототипе катод был выполнен из трубы 12Х18Н10Т диаметром 16 мм и длиной рабочей части 300 мм, в заявляемом реакторе - из стальной квадратной трубы 12Х18Н10Т, сторона квадрата 16 мм и длиной рабочей части 300 мм. В каждом реакторе катод окружен диафрагмой толщиной 2,5 мм, с внутренним диаметром 24 мм, выполненной из оксидной керамики. Аноды расположены вокруг основного катода с диафрагмой с образованием сопрягаемых пар типа «катод-анод». Аноды в реакторе-прототипе выполнены из трубы ВТ 1-00 диаметром 16 мм, длиной рабочей части 300 мм и располагались в вершинах квадрата, вписанного в окружность радиусом 28 мм. Аноды в заявляемом реакторе были выполнены в виде пластины 25×300 из титанового листа толщиной 1,5 мм марки ВТ 1-00 и располагались строго параллельно плоскостям профильного катода таким образом, чтобы межэлектродное расстояние составило 12 мм. На поверхность анодов в обоих реакторах было нанесено электрокаталитическое покрытие ОРТА. В каждом из реакторов на поверхности катода, по всей его высоте между входными и выходными отверстиями расположено по 12 отверстий с шагом 30 мм по винтовой линии.For the comparative experiment, two reactors were assembled: the prototype reactor and the claimed one, each of which contained one cathode and 4 anodes. The reactor vessel is made of CPVC pipe with an inner diameter of 200 mm. A cathode is installed in the center of the buildings. In the prototype reactor, the cathode was made of 12X18H10T pipe with a diameter of 16 mm and a working part length of 300 mm, in the inventive reactor - from a steel square pipe 12X18H10T, a square side of 16 mm and a working part length of 300 mm. In each reactor, the cathode is surrounded by a diaphragm 2.5 mm thick, with an inner diameter of 24 mm, made of oxide ceramic. Anodes are located around the main cathode with a diaphragm with the formation of mating pairs of the "cathode-anode" type. The anodes in the prototype reactor are made of a VT 1-00 pipe with a diameter of 16 mm, a working part length of 300 mm, and were located at the vertices of a square inscribed in a circle with a radius of 28 mm. The anodes in the inventive reactor were made in the form of a plate 25 × 300 from a titanium sheet 1.5 mm thick of grade VT 1-00 and were located strictly parallel to the planes of the profile cathode so that the interelectrode distance was 12 mm. An electrocatalytic coating of ORTA was applied to the surface of the anodes in both reactors. In each of the reactors on the cathode surface, over its entire height between the inlet and outlet openings, there are 12 openings with a pitch of 30 mm along the helix.

Для проведения испытаний реакторы поочередно подключались к установке, содержащей приспособления для подачи обрабатываемого раствора в катодные и анодные камеры реактора, приспособления для отвода продуктов электролиза из анодной и катодной камер реактора. Реакторы испытывали на получение хлора. Для этого в анодную камеру подавался раствор хлорида натрия концентрацией 260 г/л, в катодную - водопроводная вода. Перепад давления между камерами составлял 2,2 кгс/см². На электроды подавалось напряжение 2,5 В и после выхода на рабочий режим замерялся ток и количество выделившегося хлора. В реакторе-прототипе рабочий ток составил 95А, при этом токе из верхней части анодной камеры отбирался хлор в количестве 120 г/ч. Расход энергии составил 1979 Вт×ч на 1 кг хлора. В заявляемом реакторе рабочий ток составил 104 А, при этом токе количество выделившегося хлора составило 140 г/ч. Расход энергии составил 1857 Вт×ч на 1 кг хлора. Как видно из представленных данных, реактор согласно изобретению имеет более высокую производительность, более низкий расход энергии.To conduct the tests, the reactors were alternately connected to a facility containing devices for supplying the treated solution to the cathode and anode chambers of the reactor, devices for removing electrolysis products from the anode and cathode chambers of the reactor. The reactors were tested for chlorine production. For this, a solution of sodium chloride with a concentration of 260 g / l was supplied to the anode chamber, and tap water was supplied to the cathode. The pressure drop between the chambers was 2.2 kgf / cm ² . A voltage of 2.5 V was applied to the electrodes, and after reaching the operating mode, the current and the amount of chlorine released were measured. In the prototype reactor, the working current was 95A, with this current, 120 g / h of chlorine was taken from the upper part of the anode chamber. The energy consumption was 1979 W × h per 1 kg of chlorine. In the inventive reactor, the operating current was 104 A, at this current the amount of chlorine released was 140 g / h. The energy consumption was 1857 W × h per 1 kg of chlorine. As can be seen from the data presented, the reactor according to the invention has a higher productivity, lower energy consumption.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет повысить производительности реактора при одновременном повышении надежности, снизить расхода энергии на проведение процесса.Thus, the claimed invention allows to increase the productivity of the reactor while increasing reliability, reduce energy consumption for the process.

Claims

1. An electrochemical reactor made of one or more flow-through electrochemical modular cells placed in the housing, each of which contains a vertically located cathode, mounted in the center of the housing, a ceramic diaphragm mounted around it, counter electrodes equally spaced from the cathode — anodes located around the cathode with a diaphragm with the formation of electrode pairs of the "cathode-anode" type, characterized in that the reactor contains a cathode having an equilateral polyhedron in cross section with the number of sides from 3 to 12, at Ohm counter electrodes are made in the form of bodies, each of which has a plane parallel to that face of the cathode, which forms an electrode pair of the “cathode-anode” type with this plane.

2. The reactor according to claim 1, characterized in that the counter electrodes are made in the form of plates.

3. The reactor according to claim 1, characterized in that the counter electrodes are made in the form of bodies having a polyhedron in cross section.