Область применения

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, смеси оксидантов при электролизе водного раствора хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов.

Предшествующий уровень техники

В прикладной электрохимии используются электролизеры различных конструкций как для обработки воды и/или водных растворов, так и для электролитического получения различных продуктов, в частности проточные электролизеры с плоскими электродами или электролизеры с коаксиально расположенными цилиндрическими электродами и диафрагмой между ними.

Наиболее перспективными являются модульные электролизеры, обеспечивающие достижение требуемой производительности путем соединения необходимого числа электрохимических модульных ячеек, что позволяет сократить затраты на проектирование и производство электролизеров, так как проектирование не связано с фиксированной производительностью электролизера. Это также позволяет унифицировать детали и узлы, сократить время монтажа и ремонта таких электролизеров.

Известна, например, установка для получения продуктов анодного окисления растворов хлорида щелочного металла, содержащая как минимум одну ячейку, содержащую коаксиально размещенные цилиндрические внешний и внутренний полый электроды и установленную между ними коаксиально ультрафильтрационную диафрагму из керамики на основе оксидов циркония, алюминия и иттрия, катодный и анодный циркуляционные контуры, каждый из которых снабжен газоотделительной емкостью, линию подачи раствора хлорида щелочного металла, соединенную через приспособление для повышения давления, с анодным циркуляционным контуром. Газовый вывод газоотделительной емкости анодного контура может быть соединен со смесителем, что позволяет получить продукты окисления не только в газообразном

5 виде, но и в виде водного раствора (см. патент РФ N 2088693, С 25 В 9/00, 1997).

Недостатки известного решения связаны как с конструкцией модульной ячейки, так и конструкции установки в целом. При обработке в ячейке водных растворов электролитов с концентрацией 10 г/л и более, возникает необходимость применения внешнего циркуляционного контура, с помощью которого осуществляется отделение ю электролизных газов и возврат раствора электролита в электродную камеру. При этом из-за размеров ячейки возникают трудности с обеспечением равномерного распределения потока возвращаемого раствора электролита в электродные камеры электрохимических модульных ячеек, объединенных в блок, т.е. в электрохимический реактор большой мощности. Это обусловлено влиянием капиллярных сил и различиями

15 гидравлического сопротивления узких концентрически расположенных электродных камер ячеек при интенсивном газовыделешш на электродах. Хотя известная установка, выполненная по модульному принципу, позволяет сравнительно легко собирать установки различной производительности, в зависимости от требований получать продукты в виде газа или раствора, установка сравнительно громоздка, имеет два

20 циркуляционных контура, причем к газоотделительным емкостям, которыми снабжены эти контуры, предъявляются дополнительные требования по объему и высоте их размещения относительно ячеек, что приводит к увеличению габаритов установки. Специальные требования предъявляются к материалам трубопроводов и узлов, образующих анодный циркуляционный контур, поскольку во время работы они

25 подвергаются непрерывному воздействию движущейся со значительной скоростью крайне химически агрессивной газо-жидкостной среды. Наличие двух циркуляционных контуров со многими сопряжениями также создает дополнительную опасность разгерметизации. То, что анодный контур работает под давлением, предъявляет дополнительные требования к материалам.

зо Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является установка для получения продуктов анодного окисления раствора хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов, содержащая как минимум один электрохимический реактор, выполненный из одной или более проточных электрохимических модульных ячеек, каждая из которых содержит вертикальный основной электрод, противоэлектрод, также выполненный вертикальным, керамическую диафрагму, установленную коаксиально основному электроду и разделяющую межэлектродное пространство на герметичные анодную и катодную камеры, и установка также

5 содержит приспособления для подачи обрабатываемого раствора в катодные и анодные камеры реактора или реакторов, приспособления для отвода продуктов электролиза из анодной и катодной камер реактора или реакторов, приспособление для повышения давления обрабатываемого раствора в анодных камерах реактора или реакторов, узел приготовления исходного раствора, соединенный с приспособлениями ю подачи обрабатываемого раствора в анодные камеры реактора или реакторов, циркуляционный контур катодной камеры ячеек реактора или реакторов, газоотделительную емкость с патрубком ввода и патрубками вывода газообразного водорода и католита, линию отвода газообразных продуктов анодной камеры, соединенную с приспособлениями для отвода продуктов электролиза из анодных

15 камер реактора или реакторов (см. патент РФ JN° 2176989, С 25В 1/46, 2000).

Это техническое решение выбрано в качестве прототипа.

В известной установке для получения продуктов анодного окисления достигнуто ее удешевление, уменьшение габаритов и повышение надежности за счет уменьшения степени отрицательного взаимовлияния ячеек, объединенных в электрохимический

20 реактор большой мощности.

Однако известная установка обладает рядом недостатков. Ее ячейки обладают сравнительно низкой производительностью, они сложны в изготовлении. Эксплуатация установки требует повышенных расходов энергии. Кроме того в известной установке вырабатывается сравнительно большое количество католита, значительная часть

25 которого не используется и требует утилизации, что повышает материалоемкость процесса.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом использования изобретения является упрощение зо установок большой производительности за счет изменения конструкции ячейки, снижение расхода энергии на проведение процесса, увеличение выхода целевых продуктов при одновременном повышении надежности. Указанный технический результат достигается тем, что в установке для получения продуктов анодного окисления раствора хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов, содержащей как минимум один электрохимический реактор, выполненный из одной или более проточных электрохимических модульных ячеек, каждая из которых содержит вертикальный основной электрод, противоэлектрод, также выполненный вертикальным, керамическую диафрагму, установленную коаксиально основному электроду и разделяющую межэлектродное пространство на герметичные анодную и катодную камеры, также содержащей приспособления для подачи обрабатываемого раствора в катодные и анодные камеры реактора или реакторов, приспособления для отвода продуктов электролиза из анодной и катодной камер реактора или реакторов, приспособление для повышения давления обрабатываемого раствора в анодных камерах реактора или реакторов, узел приготовления исходного раствора, соединенный с приспособлениями подачи обрабатываемого раствора в анодные камеры реактора или реакторов, циркуляционный контур катодной камеры ячеек реактора или реакторов, снабженный емкостью, линию отвода газообразных продуктов анодной камеры, соединенную с приспособлениями для отвода продуктов электролиза из анодных камер реактора или реакторов, линию отвода газообразных продуктов из катодных камер реактора или реакторов и линию отвода католита, каждая проточная электрохимическая модульная ячейка содержит один или несколько основных вертикальных электродов и три или более противоэлектрода, причем основные электроды являются катодами, а противоэлектроды - анодами, при этом ячейка снабжена корпусом, коаксиально каждому катоду установлена диафрагма и объемы между внутренней поверхностью диафрагмы и катодом соединены с образованием единого катодного пространства, а аноды установлены в ячейке в пространстве между наружными поверхностями диафрагм с образованием единого анодного пространства, отдельным катодным циркуляционным контуром снабжена каждая ячейка реактора, и каждый циркуляционный контур соединен с приспособлениями для подачи обрабатываемых растворов в катодную камеру и с приспособлениями для вывода из катодной камеры. Емкость каждого циркуляционного контура выполнена в виде теплообменника. Установка дополнительно содержит линии подвода и отвода теплоносителя, соединенные с приспособлениями для подачи и отвода теплоносителя теплообменников, сепаратор для разделения газообразного водорода и католита, линию вывода газожидкостной смеси продуктов катодной камеры, соединяющую емкость циркуляционного контура с сепаратором для разделения, причем линия отвода католита и линия отвода водорода соединены с сепаратором, а ячейки реактора или реакторов выполнены однотипными.

Аноды ячейки или ячеек реактора установки могут быть выполнены полыми, и в этом случае целесообразно снабдить их приспособлениями для подачи и отвода теплоносителя, которые соединены с торцами анодов.

В установке ячейки реактора могут быть установлены на одном уровне.

В установке для получения продуктов анодного окисления раствора хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов приспособление для повышения давления в анодных камерах ячеек реактора или реакторов выполнено в виде насоса и клапана регулирования давления «до себя», причем насос установлен на линии подачи исходного раствора перед приспособлениями для подачи раствора в анодную камеру, а клапан регулирования давления «до себя» установлен на линии отвода газообразных продуктов из анодной камеры.

Ячейки реактора могут быть установлены одна над другой, при этом установка дополнительно содержит емкость для исходного раствора, установленную на линии подачи исходного раствора между перед приспособлениями для подачи обрабатываемого раствора в анодные камеры ячеек, и приспособление для предотвращения проскока анолита, выполненное в виде разделительной емкости, расположенной на уровне, превышающем уровень расположения верхней ячейки, причем разделительная емкость соединена с линией вывода газообразных продуктов электролиза из анодной камеры или камер и с емкостью для исходного раствора. В случае если приспособление для повьппения давления в анодных камерах ячеек реактора или реакторов выполнено в виде насоса и клапана регулирования давления «до себя», то емкость для исходного раствора, устанавливают на линии подачи исходного раствора между приспособлениями для подачи обрабатываемого раствора в анодные камеры ячеек и насосом, а приспособление для предотвращения проскока анолита, выполненное в виде разделительной емкости, устанавливают на линии вывода газообразных продуктов электролиза из анодной камеры или камер перед регулятором давления «до себя».

Катоды в ячейке или в ячейках реактора могут быть выполнены стержневыми из металла или графита, или трубчатыми, при этом установка может дополнительно содержать приспособления для подачи и отвода теплоносителя, соединенные соответственно с нижним и верхним торцами катода.

Также при выполнении катода металлическим трубчатым, на поверхности катода могут быть вьшолнены перфорационные отверстия, и приспособления для

5 подачи и отвода обрабатываемого раствора в этом случае могут быть соединены соответственно с нижним и верхним торцами катода.

Корпус ячейки или ячеек реактора может быть выполнен или из диэлектрического материала или из металла. Однако в последнем случае внутренняя поверхность металлического корпуса должна быть покрыта слоем диэлектрического

Ю материала. Корпус ячеек может быть снабжен приспособлениями, обеспечивающими последовательное или параллельное соединение корпусов.

В плоскость поперечного сечения корпуса ячейки может быть условно вписан один правильный многоугольник с числом вершин 3 - 12, или несколько плотноупакованных правильных многоугольников, каждый из которых является или

15 равносторонним треугольником или квадратом или шестиугольником. При этом коаксиально установленные катоды и диафрагмы размещены в центре каждого правильного многоугольника, а аноды - по их вершинам.

Диафрагмы в ячейке должны быть вьшолнены из кислотощелочестойкой наноструктурированной ультрафильтрационной керамики.

20 Установка также может дополнительно содержать смеситель, снабженный двумя вводами и одним выводом, линию подачи воды и линию отвода водного раствора оксид антов, при этом вводы смесителя соединены с линией отвода газообразных продуктов из анодной камеры или камер и с линией подачи воды, а вывод смесителя соединен с линией отвода водного раствора оксидантов.

25 Узел приготовления исходного раствора в установке может быть выполнен в виде емкости для растворения твердой соли в воде или в виде емкости для смешения концентрированного раствора хлорида с водой. Целесообразно снабдить такие емкости приспособлениями для ввода щелочного реагента для удаления осадка и приспособлением для подачи кислоты.

зо Установка дополнительно может содержать узел приготовления газообразного хлористого водорода, включающий приспособления для подачи реагентов и приспособление для вывода газообразного хлористого водорода, причем приспособления для подачи реагентов соединены с линиями отвода газообразных продуктов из анодной камеры и с линией отвода водорода из газоотделительной емкости катодного контура. При таком вьшолнении установка может содержать узел для растворения газообразного хлористого водорода в воде, выполненный в виде смесителя с двумя входами и одним выводом, и накопительную емкость для раствора

5 соляной кислоты, при этом входы смесителя соединены с линией подачи воды и с приспособлениями для вывода газообразного хлористого водорода, а вывод смесителя соединен с накопительной емкостью.

Выполнение установки для получения продуктов анодного окисления раствора хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов модульной, содержащей как

Ю минимум один электрохимический реактор, выполненный из одной или более проточных электрохимических модульных ячеек, каждая из которых содержит вертикальный основной электрод, противоэлектрод, также выполненный вертикальным, керамическую диафрагму, установленную коаксиально основному электроду и разделяющую межэлектродное пространство на герметичные анодную и

15 катодную камеры, и установка также содержит приспособления для подачи обрабатываемого раствора в катодные и анодные камеры реактора или реакторов, приспособления для отвода продуктов электролиза из анодной и катодной камер реактора или реакторов, приспособление для повышения давления обрабатываемого раствора в анодных камерах реактора или реакторов, узел приготовления исходного

20 раствора, соединенный с приспособлениями подачи обрабатываемого раствора в анодные камеры реактора или реакторов, циркуляционный контур катодной камеры ячеек реактора или реакторов, снабженный емкостью, линию отвода газообразных продуктов анодной камеры, соединенную с приспособлениями для отвода продуктов электролиза из анодных камер реактора или реакторов, линию отвода газообразных

25 продуктов из катодных камер реактора или реакторов и линию отвода католита, при этом установка выполнена так, что каждая проточная электрохимическая модульная ячейка содержит один или несколько основных вертикальных электродов и три или более противоэлектрода, причем основные электроды являются катодами, а противоэлектроды - анодами, при этом каждая ячейка снабжена корпусом, коаксиально зо каждому катоду установлена диафрагма и объемы между внутренней поверхностью диафрагм и катодами соединены с образованием единого катодного пространства, а аноды установлены в ячейке в пространстве между наружными поверхностями диафрагм с образованием единого анодного постранства, отдельным катодным циркуляционным контуром снабжена каждая ячейка реактора, и каждый циркуляционный контур соединен с приспособлениями для подачи обрабатываемых растворов в катодную камеру и с приспособлениями для вывода из катодной камеры. Такое выполнение позволяет сохранив преимущества модульного выполнения установки, обеспечив возможность варьировать производительность установки в широких пределах, увеличить производительность установки по продуктам анодного окисления за счет увеличения объема анодной камеры каждой ячейки и реакционной поверхности анодов за счет увеличения числа анодов. При этом достигается сокращение объема катодной камеры установки, что позволяет сократить выход раствора гидроксида и исключить расходы, связанные с его утилизацией, так как только незначительные объемы этого раствора могут быть использованы в технологическом цикле.

То, что емкость каждого катодного циркуляционного контура выполнена в виде теплообменника, соединенного с линиями подачи и отвода теплоносителя позволяет увеличить концентрацию раствора гидроксида щелочного металла, циркулирующего в контуре, и тем самым, за счет увеличения электропроводности раствора сократить расход электроэнергии на проведение процесса.

Снабжение установки дополнительным сепаратором для разделения газообразного водорода и католита, соединенного с линией вывода газожидкостной смеси продуктов катодной камеры циркуляционного контура позволяет оптимально организовать гидродинамику циркуляционного контура, усилить эффект газлифта в контуре и тем самым сократить расход энергии. Этой же цели служит соединение линии отвода католита и линии отвода водорода с сепаратором.

Ячейки реактора или реакторов должны быть выполнены однотипными, что обеспечивает сокращение времени на их монтаж или демонтаж, а также постоянство характеристик процесса электролиза.

В установке для получения продуктов анодного окисления раствора хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов целесообразно приспособление для повышения давления в анодных камерах ячеек реактора или реакторов выполнять в виде насоса и клапана регулирования давления «до себя». При этом насос устанавливают на линии подачи исходного раствора перед приспособлениями для подачи раствора в анодную камеру, а клапан регулирования давления «до себя» - на линии отвода газообразных продуктов из анодной камеры. Такое выполнение из двух, автономных приспособлений, обеспечивает стабильность поддержания требуемых параметров процесса а также сравнительную простоту регулирования параметров и наблюдения за ними.

Аноды ячейки или ячеек установки могут быть выполнены полыми и снабжены 5 приспособлениями для подачи и отвода теплоносителя, которые соединены с торцами анодов. Такое вьшолнение позволяет направленно влиять на параметры процесса электролиза и повысить выход целевых продуктов.

В зависимости от требований к геометрическим параметрам установки ячейки реактора или реакторов могут быть установлены на одном уровне или на разных, ю уровнях - один над другим. В последнем случае, когда лимитирующей является площадь размещения установки, она дополнительно содержит емкость для исходного раствора, установленную на линии подачи исходного раствора между перед приспособлениями для подачи обрабатываемого раствора в анодные камеры ячеек, и приспособление для предотвращения проскока анолита, выполненное в виде

15 разделительной емкости, расположенной на уровне, превышающем уровень расположения верхней ячейки, причем разделительная емкость соединена с линией вывода газообразных продуктов электролиза из анодной камеры или камер и с емкостью для исходного раствора. Такое вьшолнение позволяет исключить проскок анолита в линию отвода газообразных продуктов электролиза из анодных камер и

20 обеспечить стабильность работы ячеек.

В зависимости от условий решаемой задачи катоды ячеек могут быть выполнены из различных материалов или различными по форме. Так, катод может быть выполнен стержневым из металла или графита, что определяется требованиями к условиям процесса или экономическими соображениями. Металлические катоды могут

25 быть выполнены трубчатыми, и дополнительно содержать приспособления для подачи и отвода теплоносителя, которые соединены соответственно с нижним и верхним торцами катодов, что позволяет дополнительно регулировать параметры процесса в катодной камере. Катоды также могут быть выполнены металлическими трубчатыми и на поверхности катодов могут быть выполнены перфорационные отверстия, а зо приспособления для подачи и отвода обрабатываемого раствора в этом случае соединены соответственно с нижними и верхними торцами катодов. Такое выполнение позволит оптимизировать процесс подачи и вывода раствора в и из катодной камеры, а также регулировать параметры циркуляции католита в зависимости от требований к проведению процесса.

В электрохимических модульных ячейках корпус их в зависимости от условий решаемой задачи может быть выполнен или из диэлектрического материала или из

5 металла, внутренняя поверхность которого покрыта слоем диэлектрического материала и корпус снабжен приспособлениями, обеспечивающими последовательное или параллельное соединение корпусов. Выполнение корпуса ячейки из диэлектрика целесообразно при использовании ячеек сравнительно небольшой производительности. При необходимости обеспечить большую производительность ячейки или при ю необходимости использовать ячейку сложной геометрической формы целесообразно корпус ячейки выполнять из металла с изолирующим внутренним покрытием.

Для обеспечения постоянства нагрузок на электроды ячейки целесообразно размещать их в корпусе по определенным закономерностям. Так в плоскость поперечного сечения корпуса может быть условно вписан один правильный is многоугольник с числом вершин 3- 12, или несколько плотноупакованных правильных многоугольников, каждый из которых является или равносторонним треугольником или квадратом или шестиугольником. При этом коаксиально размещенные катоды и диафрагмы устанавливают в центре каждого многоугольника, а аноды - по их вершинам. Такое выполнение обеспечит равномерную токовую нагрузку на электроды

20 и увеличит срок службы ячеек.

Диафрагмы в ячейке должны быть выполнены из кислотощелочестойкой наноструктурированной ультрафильтрационной керамики. Выбор материала определяется исходными условиями, требованиями к параметрам процесса и к чистоте продуктов. Диафрагма должна быть устойчивой к агрессивной среде, в которой

25 протекают электрохимические процессы, обладать постоянством размеров и характеристик. Применение такой диафрагмы в зависимости от размеров пор позволяет направлено влиять на протекание процессов в ячейке.

Для расширения функциональных возможностей установки она может дополнительно содержать приспособления для получения водного раствора зо оксидантов, газообразного хлористого водорода или водного раствора хлористого водорода (раствор соляной кислоты).

Водный раствор оксидантов может использоваться там, где использование газообразных оксидантов (хлора, кислорода, диоксида хлора и т.д.) ведет в появлению значительных эксплутационных трудностей, в то время как использование водного раствора дает тот же эффект - например при очистке воды как для питьевых, так и для иных нужд (например, в бассейнах). Приспособление для получения водного раствора оксидантов может быть содержать смеситель, снабженный двумя вводами и одним выводом, линию подачи воды и линию отвода водного раствора оксидантов, при этом вводы смесителя соединены с линией отвода газообразных продуктов из анодной камеры или камер установки и с линией подачи воды, а вывод смесителя соединен с линией отвода водного раствора оксидантов.

Узел приготовления газообразного хлористого водорода, содержит контактную емкость с приспособлениями для подачи реагентов и с приспособлением для вывода газообразного хлористого водорода, причем приспособления для подачи реагентов соединено с линиями отвода газообразных продуктов из анодной камеры и из газоотделительной емкости катодного контура установки. Узел для растворения газообразного хлористого водорода в воде, выполнен в виде смесителя с двумя входами и одним вьюодом, и накопительную емкость для раствора соляной кислоты, при этом входы смесителя соединены с линией подачи воды и с приспособлениями для вывода газообразного хлористого водорода, а вывод смесителя соединен с накопительной емкостью. Газообразный хлористый водород или его водный раствор могут использоваться как целевые продукты установки, а водный раствор может использоваться в частности для промывки катодных контуров и камер ячеек реакторов устрановки.

Узел приготовления исходного раствора выполнен в виде емкости для растворения твердой соли в воде или в виде емкости для смешения концентрированного раствора хлорида с водой, и емкости снабжены приспособлениями для ввода щелочного реагента для удаления осадка и приспособлением для подачи кислоты. Включение такого узла в конструкцию установки целесообразно, так как позволяет на месте регулировать свойства и параметры исходного раствора и тем самым продлить срок службы установки за счет исключения последствий использования некондиционного исходного раствора. Краткое описание фигур чертежей

Установка для получения продуктов анодного окисления раствора хлорида схематично показана на фиг. 1.

На фиг.2 показано размещение электрохимических ячеек в реакторе на уровнях 5 один над другим.

На фиг. 3 и 4 показаны дополнительные узлы установки: для получения водного раствора оксидантов (фиг. 3) и газообразного хлористого водорода и его водного раствора (фиг.4).

Установка для получения продуктов анодного окисления раствора хлорида (фиг. ю 1) содержит электрохимический реактор 1, условно показанный в виде одной электрохимической ячейки. Ячейка содержит анод 2, выполненный полым, и полость 3 анода 2 снабжена приспособлениями для подачи и отвода теплоносителя (на чертеже условно показаны потоками воды). Ячейка также содержит катод 4 и диафрагму 5, разделяющую межэлектродное пространство на анодную 6 и катодную 7 камеры,

15 Приспособление для повышения давления в анодной камере выполнено в виде насоса 8 и регулятора давления «до себя» 9, которые установлены соответственно на линиях подачи исходного раствора в анодную камеру 10 и линию отвода газообразных продуктов электролиза из анодной камеры 11. Катодная камера 7 снабжена линией отвода газожидкостной смеси 12, линией подвода раствора в катодную камеру 13.

20 Линии 12 и 13 соединены с емкостью 14, выполненной в виде теплообменника, снабженного приспособлениями для подачи и отвода теплоносителя (на чертеже условно показаны потоками воды). Линии 12, 13 и емкость 14 образуют циркуляционный контур катодной камеры. Установка содержит сепаратор 15, соединенный с емкостью 14 линией вывода влажного водорода 16. С сепаратором

25 соединены линии 17 отвода газообразного водорода и линия 18 отвода католита.

Установка также содержит узел приготовления исходного раствора 19, выполненный в виде емкости для растворения твердой соли потоком воды, подаваемой в емкость 19 сверху вниз.

На фиг.2 показано размещение в реакторе электрохимических ячеек 20 и 21 на зо разных уровнях одна под другой. Ячейки 20 и 21 содержат каждая отдельный циркуляционный контур с емкостями 14. При таком размещении ячеек установка содержит емкость исходного раствора 22 установленную на линии подачи исходного раствора после насоса 8 и соединенную линиями 10 с анодными камерами 6 ячеек 20 и 21. Над верхней ячейкой 21 размещена разделительная емкость 23, соединенная линиями 11 с приспособлением для вывода газообразных продуктов электролиза из анодных камер 6 ячеек 19 и 20. Разделительная емкость 22 установлена на линии перед регулятором давления «до себя» 9 и соединена линией 24 с емкостью 22 исходного 5 раствора.

На фиг. 3 показан узел приготовления водного раствора оксидантов, содержащий емкость-смеситель 25 соединенный с линией подачи воды и с линией 11 подачи газообразных продуктов электролиза из анодных камер 6. Водный раствор оксидантов отводится по линии 26.

Ю На фиг. 4 показан узел приготовления хлористого водорода (газообразного и в виде водного раствора). Узел содержит контактную емкость 27, входы которой соединены с линиями 11 газообразных продуктов электролиза из анодных камер и линией 17 отвода газообразного водорода. Контактная емкость снабжена линией 28 отвода газообразного хлористого водорода, по которой продукт может быть направлен

15 потребителю, или, как показано на фиг.4, линия 28 соединена со смесителем 29, в котрый подается вода и который снабжен линией 30 для отвода водного раствора хлористого водорода (раствора соляной кислоты).

Установка работает следующим образом.

В емкость 19 (фиг.1) подается твердая соль (концентрированный раствор 20 хлорида натрия) и вода. В случае необходимости предусмотрена подача щелочного реагента по линии отвода католита 17. Из емкости 19 исходный раствор хлорида, концентрация которого определяется условиями решаемой задачи, поступает в насос 8, и подается под избыточным давлением в анодную камеру 6 ячейки 1 со скоростью, обеспечивающей постоянство заданного уровня анолита в анодной камере 6 ячейки 1. 25 После подачи напряжения на электроды в анодной камере 6 на внешней поверхности анода начинается интенсивное выделение электролизных газов, в основном хлора. Из верхней части анодной камеры 6 отбирается газ ( хлор) и удаляется из анодного пространства 6 по линии 11 через регулятор давления «до себя» 9. Полученный анодный газ может направляться непосредственно потребителю, или зо поступать в смеситель 25 газ-жидкость и поступать потребителю в виде водного раствора оксидантов по линии 26.

В случае расположения ячеек 20 и 21 одна под другой (фиг.2) установка работает следующим образом. В емкость 19 (фиг.2) подается твердая соль (концентрированный раствор хлорида натрия) и вода. Из емкости 19 исходный раствор хлорида, концентрация которого определяется условиями решаемой задачи, поступает в насос 8, и подается под избыточным давлением в емкость 22 и по линиям 10 в анодные камеры 6 ячеек 20 и 21 со скоростью, обеспечивающей полное электрохимическое разложение соли (99,9%) при заданной силе тока. Из верхних частей анодных камер 6 ячеек 20 и 21 крупные пузыри электролизных газов (преимущественно хлора) и газожидкостная смесь анолита и мелких пузырьков электролизных газов поступают за счет газлифта по линиям 11 в емкость 23, где происходит отделение газа от жидкости. Хлор-газ через редуктор 9 «до себя» выводится по линии И как целевой продукт, а жидкость (обедненный анолит) возвращается по линии 24 в емкость 22 где донасыщается и возвращается в анодные камеры 6 ячеек 20 и 21, замыкая циркуляционный контур анолита. Таким образом анодные камеры 6 ячеек 20 и 21 заполнены циркулирующим потоком анолита, что позволяет интенсивно удалять образующийся газообразный хлор и сократить расход энергии на проведение процесса за счет снижения газонаполнения электролита. Полученный анодный газ (хлор) может отбираться как целевой продукт или направляться в смеситель 25 газ-жидкость (фиг.З) и поступать потребителю в виде водного раствора окидантов по линии 26.

Катодная камера 7 и емкость 14 циркуляционного контура ячейки 1 перед включением заполняется водой (или исходным раствором). После подачи напряжения на электроды за счет интенсивного выделения водорода на поверхности катода изменяется кажущаяся плотность католита в катодной камере 7 и за счет газлифта газожидкостная смесь по линии 12 поступает в емкость 14, где охлаждается, причем за счет охлаждения уменьшается растворимость водорода в растворе и влажный газообразный водород с частью жидкости по линии 16 поступает в сепаратор 15. В сепараторе 15 происходит разделение фаз, и газообразный водород выводится по линии 17, а католит - по линии 18.

Водород по линии 17 выпускается в атмосферу или поступает в контактную емкость 27 (фиг.4) для приготовления газообразного хлористого водорода.

Часть хлора из линии 11 также поступает в контактную емкость 27 для приготовления хлористого водорода. Полученный в устройстве 27 хлористый водород по линии 28 отводится потребителю или поступает в смеситель 29, в котором смешивается с водой, образуя водный раствор соляной кислоты. Водный раствор 2013/000502

15 соляной кислоты из смесителя 29 по линии 30 может подаваться подается в накопительную емкость (на чертеже не показана). Раствора соляной кислоты может использоваться для приготовления исходного раствора в емкости 19, или для очистки катодных камер 7 установки от карбонатных отложений.

атолит, отводимый по линии 18 может быть использован для приготовления исходного раствора с целью его очистки от ионов жесткости и накипеобразующих металлов или может подаваться для регулирования рН воды с растворенными в ней продуктами анодного окисления. Кроме того, католит может использоваться для приготовления реагентов, применяемых в процессах предварительной химической обработки воды - коагулянтов, флоккулянтов, а также для очистки оборудования (емкостей, фильтров) от загрязнений. Также возможно направлять католит, имеющий значительную концентрацию гидроксида натрия (до 150 г/л), на упаривание с целью получения твердой товарной каустической соды. Варианты осуществления изобретения

Изобретение иллюстрируется следующими примерами, которые, однако, не исчерпывают всех возможностей реализации изобретения.

В примерах использовалась ячейка, содержащая 7 катодов и 24 анода, которые установлены в соответствии со следующим правилом: в поперечное сечение корпуса ячейки, выполненной из трубы ХПВХ, с внутренним диаметром 200 мм вписаны 7 правильных шестиугольников, по их центрам установлены катоды из стальной трубы 12Х18Н10Т, внешним диаметром 16 мм с толщиной стенки 1,5 мм, окруженные диафрагмой толщиной 2,5 мм, с наружным диаметром 28 мм, выполненной из керамики на основе оксида алюминия (AI2O3 ). Аноды выполнены из титановой тубы марки ВТ 1-00 с нанесенным на его поверхность электрокаталитическим покрытием ОРТА. Межэлектродные расстояния составляют 12 мм, при этом внешний диаметр анода равен 16 мм при толщине стенки трубы 1 мм. Во внутренние полости анодов подавался теплоноситель - вода - с расходом 20 литров в час через каждый анод. Теплоноситель подавался прямотоком по отношению к обрабатываемому раствору электролита. На поверхности катода по всей его высоте между входными и выходными отверстиями расположено 9 отверстий с шагом 30 мм по винтовой линии. Корпус и герметизирующие заглушки выполнены из хлорированного поливинилхлорида (ХПВХ). Приспособления для подачи обрабатываемых электролитов в катодную и анодную камеры и приспособления для отвода жидких и газообразных продуктов электролиза из анодной и катодной камер (штуцеры) установлены на герметизирующих заглушках.

5 Пример 1. Для получения хлора использовалась установка, содержащая одну ячейку, схема которой приведены на фиг.1. В емкость 19 была загружена твердая соль - хлорид натрия - марки «ЭКСТРА». Вода подавалась в емкость 19 сверху вниз со скоростью, обеспечивавшей растворение твердой соли с получением раствора хлорида натрия концентрацией 280 г/л. Раствор хлорида натрия через насос 8 подавался в ю анодную камеру 6 ячейки 1 со скоростью, обеспечивающей постоянство заданного уровня анолита в анодной камере 6 ячейки 1. Перепад давления между камерами составлял 2 кгс/см ² .

На электроды подавалось напряжение 2,42 В и после выхода на рабочий режим при токе 100 А из верхней части анодной камеры 6 отбирался хлор в количестве 130

15 г/ч. Хлор выводился из анодного пространства 6 по линии 11 через регулятор давления «до себя» 9. Расход энергии составил I860 Втхч на 1 килограмм хлора. Масса установки составляла 50 кг, и ее габариты составляли 30x30x70 см. Для обеспечения такой же производительности установка по прототипу содержала 4 реактора, имела массу 80 кг и габариты 50x50x150 см. В установке по прототипу при таком же расходе

20 раствора хлорида натрия той же концентрации и той же суммарной силе тока (100 А) и напряжении 2,7 В было получено 130 г в час хлора при расходе энергии 2076 Втхч на 1 килограмм хлора.

Пример 2. Для получения хлора использовалась установка, содержащая две ячейки, схема которой приведены на фиг. 2. В емкость 19 была загружена твердая

25 соль - хлорид натрия - марки «Экстра». Вода подавалась в емкость 19 сверху вниз со скоростью, обеспечивавшей растворение твердой соли с получением раствора хлорида натрия концентрацией 290 г/л. Из емкости 19 раствор хлорида через насос 8 подавался под избыточным давлением в емкость 22 и по линиям 10 в анодные камеры 6 ячеек 20 и 21. На электроды подавалось напряжение 3,9 В и после выхода на зо рабочий режим из верхних частей анодных камер 6 ячеек 20 и 21 газожидкостная смесь анолита и хлора по линиям 11 подавалась в емкость 23, где происходило отделение газа от жидкости. Хлор-газ через редуктор 9 «до себя» выводился по линии 11 как целевой продукт, а жидкость (обедненный анолит) возвращалась по линии 24 в емкость 22 где донасыщалась хлоридом натрия до исходной концентрации и возвращалась в анодные камеры 6 ячеек 20 и 21, замыкая циркуляционный контур анолита. При расходе энергии 780 Втхч было получено 260 граммов хлора.

Масса установки составляла 78 кг, и ее габариты составляли 30x30x150 см. Для обеспечения такой же производительности установка по прототипу содержала 8 электрохимических модульных ячеек (реакторов), имела массу 148 кг и габариты 50x80x150 см. В установке по прототипу при таком же расходе раствора хлорида натрия той же концентрации и при подаче такого же напряжения на электроды было получено 230 хлора при расходе энергии 840 Втхч.

Как видно из представленных данных, установка согласно изобретению имеет более высокую производительность, более низкий расход энергии. Также установка, при более высокой производительности имеет меньшие габариты и массу. Кроме того источник питания, использованный в установке имеет также меньшую массу. Это различие массы источников питания связано с тем, что источник в устройстве по изобретению не имеет системы регулирования силы тока в отличие от источника по прототипу. Регулирование силы тока в изобретении осуществляется изменением уровня раствора в рабочих (анодных) камерах модульных электрохимических ячеек, составляющих реактор. Промышленная применимость

Изобретение позволяет упростить установки большой производительности за счет изменения конструкции ячейки, добиться снижение расхода энергии на проведение процесса, увеличение выхода целевых продуктов при одновременном повышении надежности, упростить монтаж и демонтаж ячейки, обеспечить компоновку требуемого количества ячеек в меньшем пространстве, упростить узлы фиксации элементов ячейки при повышении их надежности. Использование установки для получения продуктов анодного окисления позволяет расширить гамму получаемых продуктов, получать целевой продукт в виде смеси газов или в виде водного раствора, получать газообразный хлористый водород или раствор соляной кислоты, сократить расход реагентов на проведение процесса.