Способ проведения электролиза и устройство для его осуществления

Способ проведения электролиза и устройство для его осуществления

Реферат

 

Способ проведения электролиза в проточном многоэлектродном электролизере, разделенном на сообщающиеся между собой электролизную и приемную камеры, включает непрерывную и равномерную подачу исходного электролита в межэлектродные промежутки электролизной камеры, отвод электролита из электролизной в приемную камеру и слив готового продукта из приемной камеры, при этом исходный электролит подают в верхние части межэлектродных промежутков, а отвод электролита в приемную камеру осуществляют из нижней части электролизной камеры, причем процесс электролиза проводят при обеспечении заполнения электролизной и приемной камер электролитом. Устройство для проведения электролиза содержит корпус, разделенный по меньшей мере одной перегородкой на сообщающиеся между собой приемную камеру и по меньшей мере одну электролизную камеру с размещенными в ней параллельными электродами, при этом электролизная камера снабжена распределителем для подачи электролита в межэлектродные промежутки, приемная камера снабжена отверстием для слива готового продукта, распределитель размещен в верхней части электролизной камеры, перегородка установлена в корпусе с зазором относительно дна, а отверстие для слива готового продукта расположено на уровне, обеспечивающем заполнение электролизной и приемной камер электролитом. Техническим результатом способа и устройства является повышение производительности и экономичности процесса электролиза. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электрохимии и может быть использовано для получения веществ, образующихся при взаимодействии анодных и катодных продуктов электролиза растворов солей, кислот, оснований в неразделенном межэлектродном пространстве, в частности для получения гипохлорита натрия.

Наиболее технологичным и производительным является процесс электролиза, осуществляемый в электролизере проточного типа. Для реализации рассматриваемых процессов электролиза используются различные конструкции электролизеров, наиболее простыми и удобными в эксплуатации из которых являются электролизеры ящичного типа.

Известен способ проведения электролиза водного раствора хлорида натрия для получения гипохлорита натрия в проточном электролизере ящичного типа с неразделенными катодным и анодным пространствами [1].

Согласно способу электролит с помощью насоса-дозатора подводится в нижнюю часть электролизера и принудительно прокачивается снизу вверх вдоль вертикально расположенных электродов. Готовый продукт выводится из верхней части электролизера в выходную магистраль и собирается в баке-хранилище. Электролизные газы удаляются в газоотделителе, расположенном в выходной магистрали электролизера.

Устройство для реализации указанного способа включает корпус, внутри которого установлена электролизная ячейка из параллельных пластинчатых вертикальных электродов, содержащая соединенные с токоподводами крайние монополярные и промежуточные биполярные электроды.

Основные недостатки рассматриваемых способа и устройства обусловлены тем, что процесс электролиза осуществляют, прокачивая с помощью насоса электролит через межэлектродные промежутки снизу вверх. При этом равномерного распределения жидкости между электродами достичь не удается.

Прокачивание электролита через электролизную ячейку со значительной скоростью снижает степень конверсии исходного продукта в целевой продукт, поэтому для обеспечения высокого выхода целевого продукта необходима повторная прокачка электролита (рециркуляция) между электродами.

Неизбежные пульсации потока электролита из-за подачи его с помощью насоса не позволяют обеспечить равномерное движение электролита в межэлектродных промежутках, что ведет к нестационарности процесса электролиза и снижению его показателей. Кроме того, пульсации потока электролита приводят к перемешиванию приэлектродных слоев и к нарушению естественного движения ионов, что может вызвать сдвиг электрохимической реакции в нежелательную сторону.

Известны способ проведения электролиза и устройство для его осуществления, в частности для получения гипохлорита натрия, наиболее близкие по технической сущности к заявляемым устройству и способу и выбранные за прототип [2].

Согласно способу электролиз осуществляют в проточном электролизере, каждая секция которого разделена перегородкой на сообщающиеся между собой электролизную и приемную камеры. Электролит заливают во входную камеру, откуда он поступает в первую секцию и равномерно направляется в нижние части межэлектродных пространств электролизной камеры. Затем электролит поднимается вдоль электродов вверх и переливается через перегородку, отделяющую электролизную камеру от приемной камеры. Смесь продуктов электролиза и непрореагировавшего электролита сливается из нижней части приемной камеры и поступает на охлаждение в холодильную камеру. Охлажденный раствор далее поступает в следующую секцию, где процесс электролиза протекает аналогичным образом.

Устройство для реализации указанного способа представляет собой многокаскадный проточный электролизер ящичного типа, включающий корпус, разделенный стенками со сквозными отверстиями в нижней их части на входную камеру и ряд последовательно расположенных электролизных секций и холодильных камер.

Каждая секция имеет перегородку, примыкающую к параллельно расположенным вертикальным пластинчатым электродам, высота перегородки несколько превышает высоту электродов. Перегородка разделяет секцию на электролизную и приемную камеры, при этом в верхней части секции образовано свободное пространство, посредством которого указанные камеры сообщаются между собой.

Данные способ и устройство обеспечивают непрерывную равномерную подачу электролита в межэлектродные промежутки, а также стационарное (без пульсаций) движение электролита в электролизной камере, поскольку электролит не прокачивается через межэлектродные промежутки, а подается путем перетекания его из выходной камеры в нижнюю часть электролизной камеры.

Однако данным способу и устройству присущи недостатки, обусловленные прохождением электролита в электролизной камере снизу вверх.

При подаче электролита снизу вверх направление движения жидкой фазы совпадает с направлением движения пузырьков выделяющихся при электролизе газов, при этом распределение жидкой и газовой фазы в потоке электролита носит неравномерный характер. Неравномерность распределения усиливается за счет подсоса жидкой фазы пузырьками газа. В результате процесс электролиза в различных межэлектродных промежутках протекает по-разному.

При однонаправленном движении жидкой и газовой фаз на пузырьки газа кроме выталкивающей (архимедовой) силы действуют силы уноса со стороны движущегося вверх потока жидкости, что приводит к ускорению движения пузырьков газа относительно поверхности электродов и способствует разрушению приэлектродного ионного слоя.

Кроме того, за счет дополнительного ускоряющего импульса газовые пузырьки быстрее выносятся из межэлектродных промежутков и не успевают укрупняться за счет коалесценции. Чем меньше размеры пузырьков газа, тем больше их поверхность. При значительном увеличении доли маленьких пузырьков в электролите увеличивается экранирование поверхности электродов, что в конечном итоге приводит к снижению выхода целевого продукта.

Направление движения электролита в электролизной камере снизу вверх не оптимально также с точки зрения теплообмена между жидкостью и образующимися в процессе электролиза газами. Процесс электролиза идет с выделением тепла, что приводит к нагреванию продуктов в электролизной камере. Повышение температуры сверх нормы является неблагоприятным фактором. В частности, в рассматриваемых способе и устройстве повышение температуры приводит к разложению целевого продукта. При движении электролита снизу вверх наибольший нагрев электролита происходит в верхней части электролизной камеры за счет тепла поднимающихся вверх газов. При этом, поскольку зона наибольшего нагрева среды совпадает с зоной вывода целевого продукта, выход его значительно снижается. Это вызывает необходимость использования холодильных камер для охлаждения электролита, что снижает экономичность способа и усложняет конструкцию устройства.

Задачей предлагаемых способа и устройства является повышение производительности и экономичности процесса электролиза.

Сущность заявляемого способа заключается в том, что электролиз проводят в проточном многоэлектродном электролизере, разделенном на сообщающиеся между собой электролизную и приемную камеры, исходный электролит непрерывно и равномерно подают в межэлектродные промежутки электролизной камеры, после чего отводят электролит из электролизной камеры в приемную камеру и осуществляют слив готового продукта из приемной камеры, при этом исходный электролит подают в верхние части межэлектродных промежутков, отвод электролита в приемную камеру осуществляют из нижней части электролизной камеры, причем процесс электролиза проводят при обеспечении заполнения электролизной и приемной камер электролитом.

Новыми отличительными от прототипа признаками являются следующие признаки способа. Исходный электролит подают в верхние части межэлектродных промежутков, а отвод электролита в приемную камеру осуществляют из нижней части электролизной камеры, при этом процесс электролиза проводят при обеспечении заполнения электролизной и приемной камер электролитом.

Сущность заявляемого устройства заключается в том, что оно содержит корпус, разделенный по меньшей мере одной перегородкой на сообщающиеся между собой приемную камеру и по меньшей мере одну электролизную камеру с размещенными в ней параллельными электродами, при этом электролизная камера снабжена распределителем для подачи электролита в межэлектродные промежутки, а приемная камера снабжена отверстием для слива готового продукта, причем распределитель размещен в верхней части электролизной камеры, перегородка установлена в корпусе с зазором относительно дна, отверстие для слива готового продукта расположено на уровне, обеспечивающем заполнение электролизной и приемной камер электролитом.

Новыми отличительными от прототипа признаками устройства являются следующие. Распределитель размещен в верхней части электролизной камеры, перегородка установлена в корпусе с зазором относительно дна, отверстие для слива готового продукта расположено на уровне, обеспечивающем заполнение электролизной и приемной камер электролитом.

Кроме того, новыми отличительными от прототипа признаками, которые характеризуют возможные частные случаи исполнения устройства, являются следующие признаки.

Отверстие для слива готового продукта может быть выполнено в виде открытого верхнего конца вертикально расположенной в приемной камере сливной трубы, выходной конец которой пропущен через дно корпуса.

Указанная сливная труба может быть установлена в приемной камере с возможностью вертикального перемещения.

Возможен вариант выполнения устройства, в котором корпус помещен в емкость, снабженную патрубком для подвода электролита, распределитель выполнен в виде переливного кармана, примыкающего к верхнему краю боковой стенки корпуса, ориентированной вдоль ряда установленных в электролизной камере параллельных электродов, и снабженного в нижней части штуцером для подвода электролита, установленным внутри кармана с возможностью вертикального перемещения, а выходной конец сливной трубы пропущен также через дно емкости.

В таком варианте выполнения устройства стенка корпуса, к которой примыкает переливной карман, может быть выполнена перфорированной.

Принципиальным отличием предлагаемого способа проведения электролиза от известных способов, осуществляемых в электролизерах с неразделенными анодным и катодным пространствами, является организация движения потока электролита в межэлектродных промежутках сверху вниз.

При подаче электролита сверху вниз направления движения жидкой фазы и пузырьков газа противоположны, при этом распределение жидкой фазы между электродами носит более равномерный характер, чем при однонаправленном движении жидкой и газовой фаз. Пузырьки газа практически не создают подсасывающего эффекта. Жидкая фаза с пузырьками газа представляет собой медленно перемещающийся вниз столб электролита. В результате процесс электролиза в разных межэлектродных промежутках протекает практически одинаково.

Скорость движения газовых пузырьков относительно поверхности электродов уменьшается за счет встречного потока жидкости, что способствует сохранению приэлектродных ионных слоев. Кроме того, газовые пузырьки при своем замедленном движении контактируют между собой и коалесцируют, увеличивая свои размеры, а следовательно, уменьшают свою поверхность, что снижает экранирование поверхности электродов, и соответственно, выход целевого продукта увеличивается.

Кроме того, противоточное движение газовых пузырей и электролита улучшает условия его охлаждения. Пузыри газа, образующиеся в межэлектродных промежутках и поднимающиеся в верхнюю часть электролизной камеры, охлаждаются поступающими сверху свежими порциями исходного раствора, в результате чего уменьшается нагрев электролита в процессе электролиза.

Другим принципиальным отличием предлагаемого способа является то, что процесс электролиза проводят при заполнении электролизной и сообщающейся с ней приемной камер электролитом.

Подпор массы электролита, протекающего в межэлектродных промежутках, массой жидкости, находящейся в приемной камере, обеспечивает стабилизацию процесса электролиза в электролизной камере. Возможные колебания расхода исходного потока электролита не приводят к существенному изменению скорости протекания электролита по межэлектродным промежуткам. Протекающие через промежутки последующие объемы жидкости вытесняются предыдущими объемами, что приближает движение жидкости в электролизной камере к модели идеального вытеснения. Таким образом повышается устойчивость и равномерность процесса электролиза, что положительно сказывается на увеличении выхода целевого продукта и снижении энергопотребления.

Указанные выше особенности предлагаемого способа реализуются с помощью заявляемого устройства.

Наличие в корпусе по меньшей мере одной перегородки, отделяющей параллельно расположенные электроды от остального объема устройства, обеспечивает образование в корпусе приемной камеры и по меньшей мере одной электролизной камеры.

Установка распределителя потока электролита в верхней части электролизной камеры обеспечивает равномерную подачу исходного электролита в верхние части межэлектродных промежутков.

Установка перегородки в корпусе с зазором относительно дна позволяет осуществить отвод электролита из нижней части электролизной камеры в приемную камеру и тем самым организовать нисходящее движение электролита в межэлектродных пространствах, а также позволяет указанным камерам сообщаться между собой.

Расположение отверстия для слива готового продукта в приемной камере на некотором уровне относительно дна обеспечивает постоянное заполнение объемов сообщающихся друг с другом электролизной и приемной камер электролитом. При этом уровень расположения сливного отверстия определяет уровень погружения электродов в электролит, что, в свою очередь, определяет площадь рабочей поверхности электродов и плотность тока, а следовательно, влияет на производительность устройства.

На фиг. 1 приведено предлагаемое устройство, общий вид; на фиг. 2 и 3 представлены примеры выполнения предлагаемого устройства.

Устройство (фиг.1) содержит корпус 1, разделенный перегородкой 2, установленной с зазором 3 относительно дна корпуса 1, на приемную камеру 4 и электролизную камеру 5. В камере 5 установлен ряд вертикальных пластинчатых электродов 6, крайние из которых соединены с токоподводами 7 и являются монополярными, а промежуточные являются биполярными. В верхней части камеры 4 имеется отверстие 8 для слива готового продукта. В верхней части камеры 5 установлен распределитель 9 для подачи электролита в промежутки между электродами 6, выполненный в виде коллектора с отверстиями, расположенными над межэлектродными промежутками. Над корпусом 1 помещен газосборник 10.

На фиг.2 показан пример выполнения устройства, в котором корпус 1 помещен в емкость 11, отверстие 8 для слива готового продукта выполнено в виде открытого верхнего конца вертикальной сливной трубы 12, выходной конец 13 которой пропущен через дно корпуса 1 и дно емкости 11, распределитель выполнен в виде переливного кармана 14, примыкающего к боковой стенке 15 корпуса 1, расположенной вдоль ряда электродов 6.

Внутри кармана 14 установлен входной штуцер 16 с возможностью вертикального перемещения с целью регулирования, при необходимости, расхода исходного электролита, подаваемого в камеру 5. Емкость 11 снабжена патрубком 17 для подвода электролита.

Электроды 6 и перегородка 2 расположены наклонно относительно горизонта. Стенка 15 также выполнена наклонной. Такая установка электродов 6 способствует снижению экранирования их рабочих поверхностей пузырями газа.

Кроме того, стенка 15 выполнена перфорированной с диаметром отверстий, обеспечивающим проникновение газовых пузырьков из электролизной камеры 5 в емкость 11. Выполнение наружной стенки 15 перфорированной способствует тому, что не все газы поднимаются вверх в газосборник 10. Часть газовых пузырей быстро покидают электролизную камеру 5 через отверстия в стенке 15, при этом снижается негативное влияние газовых пузырей на процесс электролиза. Дополнительным положительным эффектом является то, что пузырьки газа захватывают капельки электролита, что способствует более полной конверсии исходного реагента.

Сливная труба 12 может быть установлена с возможностью ее вертикального перемещения в камере 4. Изменяя высоту установки трубы 12, можно регулировать уровень заполнения электролитом камер 4 и 5 и таким образом влиять на производительность процесса электролиза.

На фиг. 3 представлен пример выполнения устройства, содержащего несколько электролизных камер 5, образованных перегородками 2, и одну общую приемную камеру 4. Количество камер 5 выбирается в зависимости от требуемой производительности электролиза. Устройство снабжено переливными карманами 14, которые сообщаются с боковыми стенками 15, расположенными вдоль ряда электродов 6 в электролизных камерах 5. Внутри карманов 14 в нижней их части установлены с возможностью вертикального перемещения входные штуцеры 16 для подвода электролита в камеры 5. Наличие карманов 14 со штуцерами 16 позволяет регулировать подачу электролита в камеры 5 путем изменения положения штуцеров 16, а также поддерживать равенство расходов в камерах 5 для обеспечения устойчивости и равномерности процесса электролиза, например, в случае неодинакового уровня электролита в емкости 11 при неровной установке емкости 11 относительно горизонта.

Стенки 15 корпуса 1 выполнены перфорированными для обеспечения выхода части газовых пузырей и захватываемых ими капелек электролита в емкость 11.

Устройство работает следующим образом.

Исходный электролит с помощью связанного со входной магистралью (на чертеже не показана) распределителя 9 (фиг.1) или из емкости 11 через переливной карман 14 (фиг.2 и 3) поступает сверху в межэлектродные промежутки электродов 6, установленных в электролизной камере 5. В нисходящем потоке электролита осуществляется электрохимическая реакция, при этом движущаяся масса электролита в камере 5 подпирается массой жидкости в камере 5, что способствует стационарному и равномерному перемещению электролита и стабильному протеканию процесса электролиза. Продукты электролиза выводятся через зазор 3 в приемную камеру 4. Готовый продукт сливается через отверстие 8 в стенке корпуса 1 (фиг.1) или по сливной трубе 12 (фиг.2 и 3). Газообразные продукты реакции поднимаются вверх и попадают в газосборник 10. В случае выполнения стенки 15 перфорированной часть газа с капельками электролита проникает в электролит, заполняющий емкость 11. Уровень, на котором расположено отверстие 8 на стенке корпуса 1 (фиг.1) или верхний открытый конец 8 сливной трубы 12 (фиг.2 и 3), определяет уровень заполнения камер 4 и 5 электролитом в процессе электролиза.

Источники известности 1. Медриш Г. Л. и др. Обеззараживание природных сточных вод с использованием электролиза. М.: 1982, с. 30 -31.

2. Авторское свидетельство СССР N 262862, B 01 K 3/00, публ. БИ N 23, 1973.

Формула изобретения

1. Способ проведения электролиза в проточном многоэлектродном электролизере, разделенном на сообщающиеся между собой электролизную и приемную камеры, включающий непрерывную и равномерную подачу исходного электролита в межэлектродные промежутки электролизной камеры, отвод электролита из электролизной в приемную камеру и слив готового продукта из приемной камеры, отличающийся тем, что исходный электролит подают в верхние части межэлектродных промежутков, а отвод электролита в приемную камеру осуществляют из нижней части электролизной камеры, при этом процесс электролиза проводят при обеспечении заполнения электролизной и приемной камер электролитом.

2. Устройство для проведения электролиза, содержащее корпус, разделенный по меньшей мере одной перегородкой на сообщающиеся между собой приемную камеру и по меньшей мере одну электролизную камеру с размещенными в ней параллельными электродами, при этом электролизная камера снабжена распределителем для подачи электролита в межэлектродные промежутки, а приемная камера снабжена отверстием для слива готового продукта, отличающееся тем, что распределитель размещен в верхней части электролизной камеры, перегородка установлена в корпусе с зазором относительно дна, отверстие для слива готового продукта расположено на уровне, обеспечивающем заполнение электролизной и приемной камер электролитом.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что отверстие для слива готового продукта выполнено в виде открытого верхнего конца вертикально расположенной в приемной камере сливной трубы, выходной конец которой пропущен через дно корпуса.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что сливная труба установлена в приемной камере с возможностью вертикального перемещения.

5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что корпус помещен в емкость, снабженную патрубком для подвода электролита, распределитель выполнен в виде переливного кармана, примыкающего к верхнему краю боковой стенки корпуса, ориентированной вдоль ряда установленных в электролизной камере параллельных электродов и снабженного в нижней части штуцером для подвода электролита, установленным внутри кармана с возможностью вертикального перемещения, а выходной конец сливной трубы пропущен через дно емкости.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что стенка корпуса, к которой примыкает карман, выполнена перфорированной.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3