RU2729184C1 - Electrochemical reactor and apparatus for electrochemical synthesis of a mixture of oxidants - Google Patents
Electrochemical reactor and apparatus for electrochemical synthesis of a mixture of oxidants Download PDFInfo
- Publication number
- RU2729184C1 RU2729184C1 RU2019141097A RU2019141097A RU2729184C1 RU 2729184 C1 RU2729184 C1 RU 2729184C1 RU 2019141097 A RU2019141097 A RU 2019141097A RU 2019141097 A RU2019141097 A RU 2019141097A RU 2729184 C1 RU2729184 C1 RU 2729184C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- anode
- cathode
- diaphragm
- chamber
- electrochemical
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
- C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
Description
Группа изобретений относится к области электрохимической обработки водно-солевых растворов для получения различных целевых продуктов, в частности, к электролизу водных растворов хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов с получением продуктов анодного окисления, например, смеси окислителей (оксидантов), которая может быть использована в таких процессах, как очистка и обеззараживание водных систем хозяйственно-питьевого водоснабжения, бытовых и промышленных сточных вод, а также для дезинфекции воды плавательных бассейнов и аквапарков.The group of inventions relates to the field of electrochemical treatment of water-salt solutions to obtain various target products, in particular, to the electrolysis of aqueous solutions of chlorides of alkali or alkaline earth metals to obtain products of anodic oxidation, for example, a mixture of oxidants (oxidants), which can be used in such processes , as cleaning and disinfection of water systems of domestic drinking water supply, domestic and industrial wastewater, as well as for disinfection of water in swimming pools and water parks.
Проблемы охраны окружающей среды в настоящее время становятся все более приоритетными, в частности, очистке и обеззараживанию сточных вод от различных по виду и характеру загрязнений, а также снабжению населения питьевой водой высокого качества, уделяется все большее внимание. Возросшее коттеджное строительство требует обеспечения питьевой и технической водой, а сброс недостаточно очищенных и обеззараженных производственных и бытовых сточных вод приводит к загрязнению поверхностных водоисточников. Применение смеси оксидантов для обеззараживания водных систем обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами обеззараживания. Например, применение смеси оксидантов приводит к эффективному удалению биообрастаний в резервуарах хранения воды и трубопроводах и предотвращает их дальнейшее образование. Существующие биообрастания не только придают питьевой воде неприятный вкус, но и поглощают остаточный активный хлор из воды, что приводит к необходимости увеличения первоначальной дозы хлора для достижения его необходимой концентрации в конечной точке водопотребления. Повышение первоначальной дозы хлора влечет за собой увеличение образования опасных канцерогенных соединений. Удаление биообрастаний путем обработки водных систем смесью оксидантов позволяет существенно снизить объем дозирования хлора, что улучшает органолептические показатели питьевой воды и значительно снижает образование побочных продуктов дезинфекции.The problems of environmental protection are now becoming more and more priority, in particular, more attention is paid to the purification and disinfection of wastewater from different types and nature of pollution, as well as supplying the population with high quality drinking water. Increased cottage construction requires the provision of drinking and industrial water, and the discharge of insufficiently treated and disinfected industrial and domestic wastewater leads to the pollution of surface water sources. The use of a mixture of oxidants for the disinfection of water systems provides a number of advantages over traditional methods of disinfection. For example, the use of a mixture of oxidants effectively removes biofouling in water storage tanks and pipelines and prevents their further formation. Existing biofouling not only imparts an unpleasant taste to drinking water, but also absorbs residual active chlorine from the water, which leads to the need to increase the initial dose of chlorine to reach its required concentration at the end point of water consumption. An increase in the initial dose of chlorine entails an increase in the formation of hazardous carcinogenic compounds. Removal of biofouling by treating water systems with a mixture of oxidants can significantly reduce the amount of chlorine dosing, which improves the organoleptic characteristics of drinking water and significantly reduces the formation of disinfection by-products.
По сравнению с широко используемыми в настоящее время для обеззараживания воды жидким хлором и гипохлоритом натрия, смесь оксидантов позволяет повысить качество обеззараживания водных систем, при использовании на порядок меньших доз дезинфектанта, в пересчете на активный хлор.Compared with liquid chlorine and sodium hypochlorite, widely used now for water disinfection, a mixture of oxidants improves the quality of disinfection of water systems, when using an order of magnitude smaller doses of disinfectant, in terms of active chlorine.
Известны многочисленные конструкции цилиндрических проточных диафрагменных электрохимических реакторов (ячеек), являющихся основной частью установок для обработки водно-солевых растворов, в частности, с получением смеси оксидантов, содержащей активный хлор, диоксид хлора, озон и т.д.Numerous designs of cylindrical flow-through diaphragm electrochemical reactors (cells) are known, which are the main part of installations for the treatment of aqueous-salt solutions, in particular, with obtaining a mixture of oxidants containing active chlorine, chlorine dioxide, ozone, etc.
Известна электрохимическая модульная ячейка для обработки водных растворов с получением смеси оксидантов, содержащая вертикальные коаксиально установленные цилиндрические внутренний полый с перфорационными отверстиями и внешний электроды, диафрагму из керамики на основе оксида циркония, коаксиально установленную между электродами и разделяющую межэлектродное пространство на электродные камеры, нижнюю и верхнюю диэлектрические втулки, по оси которых выполнены отверстия, а на поверхность втулок выведены соответственно входной и выходной каналы, сообщающиеся с камерой внешнего электрода, входной и выходной патрубки камеры внутреннего электрода герметично размещены в осевых отверстиях нижней и верхней диэлектрических втулок которые установлены и зафиксированы на торцах внешнего электрода. Диафрагма закреплена в приспособлениях для ее крепления на входном и выходном патрубках камеры внутреннего электрода, которые установлены соответственно на нижнем и верхнем торцах внутреннего полого электрода и сообщаются с его полостью /Патент РФ №2176989, C02F 1/461, С25В 1/46.2001 г./Known electrochemical modular cell for processing aqueous solutions to obtain a mixture of oxidants, containing vertical coaxially mounted cylindrical inner hollow with perforations and external electrodes, a ceramic diaphragm based on zirconium oxide, coaxially installed between the electrodes and dividing the interelectrode space into the electrode chambers, lower and upper dielectric bushings, along the axis of which holes are made, and on the surface of the bushings, respectively, the input and output channels are brought out, communicating with the chamber of the outer electrode, the input and output nozzles of the chamber of the inner electrode are hermetically placed in the axial holes of the lower and upper dielectric bushings, which are installed and fixed at the ends of the outer electrode. The diaphragm is fixed in fixtures for its attachment to the inlet and outlet nozzles of the inner electrode chamber, which are installed respectively at the lower and upper ends of the inner hollow electrode and communicate with its cavity / RF Patent No. 2176989,
Недостатками известного устройства являются ограниченные функциональные возможности, а также невысокая производительность и недолговечность из-за отсутствия непосредственного охлаждения катода и применения внешнего циркуляционного контура, с помощью которого осуществляется отделение электролизных газов и возврат католита в электродную камеру. При такой организации процесса обеспечение равномерного распределения потока возвращаемого раствора электролита в электродные камеры электрохимических модульных ячеек является невозможным, что обусловлено влиянием капиллярных сил и различиями гидравлического сопротивления узких концентрически расположенных электродных камер ячеек при интенсивном газовыделении на электродах. Диафрагма электрохимической ячейки фиксируется и герметизируется при помощи уплотнений, изготовленных из эластичного кислото-щелочестойкого материала. Однако большинство эластичных полимерных материалов в условиях интенсивного электролиза концентрированных водных растворов хлоридов щелочных или щелочноземельныых металлов теряют эластичность под воздействием жидких и газообразных продуктов электролиза. В известной электрохимической ячейке, работающей при силе тока всего 8-10 А на хлоридных водных растворах, концентрацией более 10 г/л, со временем герметичность в местах крепления диафрагмы нарушается, что приводит к ухудшению показателей работы реактора и его поломке, т.е. сокращению срока эксплуатации.The disadvantages of the known device are limited functionality, as well as low productivity and fragility due to the lack of direct cooling of the cathode and the use of an external circulation loop, which separates electrolysis gases and returns the catholyte to the electrode chamber. With such an organization of the process, it is impossible to ensure a uniform distribution of the flow of the returned electrolyte solution into the electrode chambers of electrochemical modular cells, which is due to the influence of capillary forces and differences in the hydraulic resistance of narrow concentrically located electrode chambers of the cells with intense gas evolution at the electrodes. The diaphragm of the electrochemical cell is fixed and sealed with seals made of elastic acid-alkali-resistant material. However, most elastic polymeric materials under conditions of intensive electrolysis of concentrated aqueous solutions of chlorides of alkali or alkaline earth metals lose their elasticity under the influence of liquid and gaseous electrolysis products. In a well-known electrochemical cell operating at a current of only 8-10 A on chloride aqueous solutions with a concentration of more than 10 g / l, over time the tightness at the points of attachment of the diaphragm is broken, which leads to a deterioration in the performance of the reactor and its breakdown, i.e. reduced service life.
Известен цилиндрический диафрагменный электролизер, содержащий коаксиально расположенные анод, диафрагму и катод, причем анод является внешним электродом, а катод - внутренним, размещение анода, диафрагмы и катода обеспечивается их креплением в верхней и нижней крышках, которые используют также для ввода и вывода электролита и продуктов электролиза, для изоляции анодной камеры от катодной и герметизации устройства в целом. Верхняя крышка имеет дополнительное отверстие для вывода катодных газов. /Патент US 8298383, С25В 9/08, 2012/.Known cylindrical diaphragm electrolyzer containing coaxially located anode, diaphragm and cathode, and the anode is an external electrode, and the cathode is an internal one, the placement of the anode, diaphragm and cathode is ensured by their fastening in the upper and lower covers, which are also used for input and output of electrolyte and products electrolysis, to isolate the anode chamber from the cathode one and seal the device as a whole. The top cover has an additional hole for cathode gases outlet. / Patent US 8298383,
Недостатками известного устройства являются сложность его гидравлической схемы, обусловленная конструкцией верхней и нижней крышек, а также необходимостью использования дополнительного устройства для охлаждения электродов, поскольку в процессе электролиза происходит их разогрев, приводящий к сокращению времени эксплуатации реактора и выходу его из строя.The disadvantages of the known device are the complexity of its hydraulic circuit due to the design of the upper and lower covers, as well as the need to use an additional device for cooling the electrodes, since during the electrolysis process they are heated, leading to a reduction in the operating time of the reactor and its failure.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является электрохимический реактор - электролизер для получения дезинфицирующего средства, содержащий непрерывный трубчатый катод, как внутренний электрод, анод, как наружный электрод, диафрагму, размещенную между катодом и анодом коаксиально и разделяющую анодную и катодную камеры, верхний и нижний узлы крепления электродов и диафрагмы, узлы подачи электролитов, отвода продуктов электролиза и подачи и отвода хладагента во внутреннее трубное пространство катода/Патент RU 2566747, С25В 1/26; С25В 9/08; C02F 1/461, 2013/.The closest in technical essence to the proposed one is an electrochemical reactor - an electrolyzer for obtaining a disinfectant containing a continuous tubular cathode as an internal electrode, an anode as an external electrode, a diaphragm located between the cathode and anode coaxially and separating the anode and cathode chambers, upper and lower nodes for fixing electrodes and diaphragms, nodes for electrolyte supply, removal of electrolysis products and supply and removal of refrigerant into the inner tube space of the cathode / Patent RU 2566747, С25В 1/26;
Недостатками известного устройства являются сложность его гидравлической схемы, невысокая надежность и недолговечность. Устройство характеризуется невысокой производительностью, низкой степенью конверсии исходной соли в активный хлор (не более 50%) и, как следствие, повышенным (в разы) энергопотреблением и большими габаритными размерами. Целевой продукт (смесь оксидантов) содержит большое количество примесей в виде непрореагировавшей соли NaCl. Устройство предъявляет повышенные требования к качеству потребляемой воды, что увеличивает удельную стоимость целевого продукта.The disadvantages of the known device are the complexity of its hydraulic circuit, low reliability and fragility. The device is characterized by a low productivity, a low degree of conversion of the initial salt into active chlorine (no more than 50%) and, as a result, increased (several times) energy consumption and large overall dimensions. The target product (mixture of oxidants) contains a large amount of impurities in the form of unreacted NaCl salt. The device makes increased demands on the quality of consumed water, which increases the specific cost of the target product.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является создание компактной, высокопроизводительной, экономичной, долговечной и простой в эксплуатации установки для электрохимического синтеза смеси оксидантов.The technical problem to be solved by the claimed group of inventions is the creation of a compact, high-performance, economical, durable and easy-to-operate installation for the electrochemical synthesis of a mixture of oxidants.
Технический результат от использования предложенного электрохимического реактора заключается в обеспечении высокой производительности синтеза смеси оксидантов в пересчете на активный хлор, при одновременном сокращении энергозатрат, потребляемой соли и подготовленной воды. Кроме того, устройство обладает повышенной надежностью герметизирующих элементов, что является важным аспектом при его эксплуатации.The technical result from the use of the proposed electrochemical reactor is to ensure a high productivity of synthesis of a mixture of oxidants in terms of active chlorine, while reducing energy consumption, salt and treated water consumption. In addition, the device has increased reliability of sealing elements, which is an important aspect during its operation.
Техническая проблема решается, а технический результат в части устройства достигается за счет того, что в электрохимическом реакторе, содержащем вертикальные цилиндрические коаксиально расположенные полые электроды, внешний из которых является анодом, а внутренний - катодом, и диафрагму, коаксиально размещенную между ними с образованием анодной и катодной камер, верхний и нижний узлы крепления электродов и диафрагмы, узлы подачи электролитов, отвода продуктов электролиза и подачи и отвода хладагента в трубное пространство катода, используют анод с электрокаталитическим покрытием со стороны диафрагмы, а диафрагму керамическую на основе оксидов циркония, алюминия или иттрия, узлы подачи электролита в анодную камеру и отвода продуктов электролиза из нее расположены на боковой поверхности анода в виде штуцеров, выполненных с возможностью обеспечения быстросъемного соединения, каждый из верхнего и нижнего узлов крепления полых электродов и диафрагмы содержит фланцевое соединение, один из фланцев которого выполнен плоским с осевым отверстием и соединен с анодом, а другой - выполнен ступенчатым и снабжен в торцевой части диэлектрической втулкой с осевым отверстием, узлы подачи и отвода хладагента расположены в торцах полого катода в виде штуцеров, выполненных с возможностью обеспечения быстросъемного соединения и с наружной резьбой в серединной части, при этом штуцеры подачи и отвода хладагента расположены в осевых отверстиях диэлектрических втулок, узлы подачи электролита в катодную камеру и отвода продуктов электролиза из нее расположены на боковой поверхности меньшей по диаметру ступени ступенчатого фланца в виде штуцеров, выполненных с возможностью обеспечения быстросъемного соединения, на торцах диафрагмы установлены опорные фторопластовые колпачки с осевым отверстием, диаметр которого равен наружному диаметру катодной камеры, расположенные внутри ступенчатого фланца, между фланцами расположено фторопластовое кольцо, а между ступенчатыми фланцами и диэлектрическими втулками, а также между диэлектрическими втулками и штуцерами подачи и отвода хладагента расположены химически стойкие кольца.The technical problem is solved, and the technical result in terms of the device is achieved due to the fact that in an electrochemical reactor containing vertical cylindrical coaxially located hollow electrodes, the outer of which is the anode, and the inner one is the cathode, and a diaphragm coaxially placed between them to form an anode and cathode chambers, upper and lower attachment points for electrodes and diaphragms, units for electrolyte supply, removal of electrolysis products and supply and removal of coolant into the tube space of the cathode, use an anode with an electrocatalytic coating on the side of the diaphragm, and a ceramic diaphragm based on oxides of zirconium, aluminum or yttrium, nodes for supplying electrolyte to the anode chamber and removing electrolysis products from it are located on the side surface of the anode in the form of fittings made with the possibility of providing a quick-detachable connection, each of the upper and lower attachment points of hollow electrodes and a diaphragm contains a flange connection, one of the flange whose ends are made flat with an axial hole and connected to the anode, and the other is made stepped and equipped in the end part with a dielectric bushing with an axial hole, the coolant supply and discharge units are located at the ends of the hollow cathode in the form of fittings made with the possibility of providing a quick-detachable connection and with with an external thread in the middle part, while the coolant supply and outlet fittings are located in the axial holes of the dielectric bushings, the electrolyte supply units to the cathode chamber and the electrolysis products removal from it are located on the side surface of the stepped flange step smaller in diameter in the form of fittings made with the ability to provide quick-detachable connection, at the ends of the diaphragm there are supporting fluoroplastic caps with an axial hole, the diameter of which is equal to the outer diameter of the cathode chamber, located inside the stepped flange, a fluoroplastic ring is located between the flanges, and between the stepped flanges and dielectric bore Chemically resistant rings are located between the dielectric sleeves and the refrigerant inlet and outlet connections.
В частном случае плоские фланцы соединены с анодом посредством сварки.In a particular case, flat flanges are connected to the anode by welding.
Используемая диафрагма, выполненная из керамики на основе оксидов циркония, алюминия или иттрия может содержать добавки оксидов ниобия и/или тантала, и/или титана, и/или гадолиния, и/или гафния.The diaphragm used, made of a ceramic based on oxides of zirconium, aluminum or yttrium, may contain additives of oxides of niobium and / or tantalum and / or titanium and / or gadolinium and / or hafnium.
В частных случаях исполнения реактора используют керамическую диафрагму, выполненную ультрафильтрационной, микрофильтрационной или нанофильтрационной, а в качестве электрокаталитического покрытия анода используют покрытие из оксидов рутения, иридия, марганца или их смеси, или из платины, или из иридия.In special cases of the reactor, a ceramic diaphragm is used, made of ultrafiltration, microfiltration or nanofiltration, and as an electrocatalytic coating of the anode, a coating of oxides of ruthenium, iridium, manganese or a mixture thereof, or of platinum, or of iridium is used.
Группа изобретений поясняется чертежами.The group of inventions is illustrated by drawings.
Для большей наглядности соотношения между отдельными элементами на чертежах изменены.For greater clarity, the relationships between the individual elements in the drawings have been changed.
На Фиг. 1 схематически изображен электрохимический реактор; на Фиг. 2 - установка для электрохимического синтеза смеси оксидантов с использованием одного электрохимического реактора; на Фиг. 3 - установка для электрохимического синтеза смеси оксидантов с использованием двух параллельно установленных электрохимических реакторов.FIG. 1 schematically shows an electrochemical reactor; in FIG. 2 - installation for electrochemical synthesis of a mixture of oxidants using one electrochemical reactor; in FIG. 3 - installation for electrochemical synthesis of a mixture of oxidants using two parallel installed electrochemical reactors.
Электрохимический реактор (Фиг. 1) содержит вертикальный цилиндрический полый внешний электрод - анод 1 с электрокаталитическим покрытием со стороны диафрагмы, коаксиально которому установлен внутренний полый электрод - катод 2, при этом между анодом 1 и катодом 2 коаксиально установлена керамическая диафрагма 3, выполненная из материала на основе оксидов циркония, алюминия или иттрия, разделяющая анодную 4 и катодную 5 камеры. На боковой поверхности анода 1 расположены узлы подачи электролита в анодную камеру 4 и отвода продуктов электролиза из нее, выполненные в виде штуцеров 6 и 7 соответственно, с обеспечением возможности быстросъемного соединения штуцеров с подводящими/отводящими трубками или трубопроводами. Быстросъемное соединение может быть выполнено в виде «елочки» для соединения с гибким трубопроводом или содержать наружную резьбу для соединения посредством фитинга. Анод 1, катод 2 и диафрагма 3 установлены в нижнем и верхнем узлах крепления, каждый из которых содержит нижнее и верхнее фланцевые соединения, образуемые фланцами 8 и 10, и 9 и 11, с расположенными между ними фторопластовыми кольцами 24 и 25 соответственно и соединенные болтами (на чертеже не показаны). Один из фланцев 8 нижнего и 9 верхнего фланцевых соединений выполнен плоским с осевым отверстием и соединен с анодом 1, в частности, сварным соединением. Другой фланец фланцевого соединения, соответственно 10 - нижнего узла крепления и 11 - верхнего, выполнен ступенчатым и снабжен в торцевой части диэлектрической втулкой 12 нижнего узла крепления и 13 - верхнего. Торцы полого катода 2 снабжены узлами подачи и отвода хладагента в виде штуцеров 14 и 15 соответственно, выполненных с возможностью обеспечения быстросъемного соединения с наружной резьбой в серединной части, при этом штуцер подачи хладагента 14 расположен в осевом отверстии диэлектрической втулки 12, между штуцером 14 и диэлектрической втулкой 12 расположено уплотнительное химически стойкое кольцо 16, штуцер отвода хладагента 15 расположен в осевом отверстии диэлектрической втулки 13, при этом между ними установлено уплотнительное химически стойкое кольцо 17. Штуцеры 14 и 15 расположены во втулках 12 и 13 соответственно таким образом, что наружная резьба серединных частей штуцеров 14 и 15 оказывается снаружи диэлектрических втулок 12 и 13. Между ступенчатым фланцем 10 и диэлектрической втулкой 12 установлено уплотнительное химически стойкое кольцо 18, а между ступенчатым фланцем 11 и диэлектрической втулкой 13 - уплотнительное химически стойкое кольцо 19, при этом диэлектрические втулки 12 и 13 запрессованы в торцы ступенчатых фланцев 10 и 11 соответственно. На боковой поверхности меньшей по диаметру ступени ступенчатых фланцев 10 и 11 расположены узлы подачи электролита в катодную камеру 5 и отвода продуктов электролиза из нее в виде штуцеров 20 и 21 соответственно, выполненных с возможностью обеспечения быстросъемного соединения. Торцы керамической диафрагмы 3 вставлены в опорные фторопластовые колпачки 22 и 23, усаженные в ступенчатые фланцы 10 и 11 соответственно и выполненные каждый с осевым отверстием, диаметр которого равен наружному диаметру катодной камеры 5, образованной коаксиально расположенными катодом 2 и диафрагмой 3. На наружной резьбе серединных частей-штуцеров 14 и 15 установлены гайки 26 и 27 с шайбами 28 и 29 соответственно, за счет которых производится окончательная сборка и в том числе осуществляется надежная герметизация электрохимического реактора.The electrochemical reactor (Fig. 1) contains a vertical cylindrical hollow outer electrode -
Предложенная конструкция позволяет повысить надежность крепления электродов 1, 2 и диафрагмы 3 реактора при одновременном повышении степени герметизации анодной и катодной камер.The proposed design makes it possible to increase the reliability of fastening the
Электрохимический реактор работает следующим образом.The electrochemical reactor works as follows.
Насыщенный солевой раствор хлорида щелочного или щелочноземельного металла, например, NaCl, через штуцер подачи электролита 6 подают в анодную камеру 4. Катодную камеру 5 через штуцер подачи электролита 20 заполняют растворителем, например, подготовленной умягченной водой. Умягченную воду используют для заправки катодной камеры единожды при запуске реактора. Допускается использование неумягченной воды, однако в этом случае соли жесткости со временем будут откладываться на катоде создавая электрическое сопротивление. Для их удаления потребуется промывка кислотным раствором. После заполнения катодной камеры 5 подачу воды прекращают. На электроды - анод 1 и катод 2 подают электрический ток, после чего начинается экзотермический процесс электролиза с интенсивным выделением электролизных газов. При этом в анодной камере 4 образуется анолит - парогазовая смесь, содержащая активный хлор, которую отводят через штуцер 7 отвода продуктов электролиза из анодной камеры 4, а в катодной камере 5 синтезируется католит, содержащий гидроксид металла и газообразный водород, и который в свою очередь выводят из реактора через штуцер 21 отвода продуктов электролиза из катодной камеры 5. В процессе электролиза катод 2 нагревается. С целью его охлаждения через штуцер подачи хладагента 14 в трубное пространство катода 2 подают хладагент, например, воду, которую выводят из реактора через штуцер отвода хладагента 15.A saturated saline solution of an alkali or alkaline-earth metal chloride, for example, NaCl, is fed through the
Внешний электрод - анод 1 и внутренний полый электрод - катод 2 выполнены из титана. Внутренняя поверхность анода 1 снабжена электрокаталитическим покрытием, в качестве которого могут быть использованы оксиды рутения, иридия, марганца или их смеси, или платина, или иридий. Такое выполнение анода 1 позволяет в несколько раз повысить площадь рабочей поверхности анода.The outer electrode -
Размещение штуцеров подачи 14 и отвода 15 хладагента на торцах катода 2 реактора позволяет поддерживать эффективное устойчивое охлаждение катода 2, что в совокупности с повышенной площадью рабочей поверхности анода 1 позволяет увеличить подаваемый на электроды ток, повышая тем самым производительность реактора.The placement of the
Диафрагма 3 электрохимического реактора выполнена из керамики на основе оксидов циркония, алюминия или иттрия и может содержать добавки оксидов ниобия и/или тантала, и/или титана, и/или гадолиния, и/или гафния. Такая диафрагма устойчива к агрессивной среде, в которой протекают электрохимические процессы. Выполнение диафрагмы ультрафильтрационной, микрофильтрационной или нанофильтрационной в зависимости от размера пор направленно влияет на протекание процессов в реакторе.The
Известно, что при достаточно малых размерах пор диафрагмы могут работать в электрохимическом процессе практически как ионообменные мембраны, применение реакторов с внешним анодом и охлаждаемым катодом с керамическими диафрагмами, обладающими постоянством характеристик, и в частности постоянством размера пор, позволяет при их применении использовать все преимущества мембранного метода получения хлора.It is known that with sufficiently small pore sizes, diaphragms can operate in an electrochemical process practically as ion-exchange membranes; the use of reactors with an external anode and a cooled cathode with ceramic diaphragms with constant characteristics, and in particular a constant pore size, makes it possible to use all the advantages of a membrane chlorine production method.
Процесс работы электрохимического реактора организован таким образом, что избыточное давление создается снаружи керамической диафрагмы, при этом диафрагма работает «на сжатие», что в 10-12 раз повышает предел ее прочности.The process of operation of the electrochemical reactor is organized in such a way that excess pressure is created outside the ceramic diaphragm, while the diaphragm works "in compression", which increases its strength by 10-12 times.
Сравнение показателей работы предложенного электрохимического реактора с прототипом приведено в Таблице. 
Таким образом, предложенная конструкция электрохимического реактора позволяет обеспечить высокую производительность при одновременном сокращении энергозатрат, потребляемой соли хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов и подготовленной воды. Кроме того, устройство обладает повышенной надежностью герметизирующих элементов, что является важным аспектом при его эксплуатации.Thus, the proposed design of the electrochemical reactor allows for high productivity while reducing energy consumption, consumed salt of chlorides of alkali or alkaline earth metals and treated water. In addition, the device has increased reliability of sealing elements, which is an important aspect during its operation.
Электрохимический реактор с внешним анодом и охлаждаемым катодом, выполненный согласно изобретению, может использоваться в различных электрохимических процессах, и, в частности, при получении продуктов анодного окисления водных растворов хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов. При осуществлении этого процесса, реакторы с внешним анодом и охлаждаемым катодом являются основной частью установки для получения целевого продукта - смеси оксидантов.The electrochemical reactor with an external anode and a cooled cathode, made according to the invention, can be used in various electrochemical processes, and, in particular, in obtaining products of anodic oxidation of aqueous solutions of chlorides of alkali or alkaline earth metals. In the implementation of this process, reactors with an external anode and a cooled cathode are the main part of the installation for obtaining the target product - a mixture of oxidants.
Известны многочисленные установки для получения продуктов анодного окисления раствора хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов с использованием одного и более электрохимических реакторов, в частности, для электрохимического синтеза смеси оксидантов.Numerous installations are known for obtaining products of anodic oxidation of a solution of chlorides of alkali or alkaline earth metals using one or more electrochemical reactors, in particular, for the electrochemical synthesis of a mixture of oxidants.
Известна установка для получения продуктов анодного окисленияKnown installation for obtaining products of anodic oxidation
растворов хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов, содержащая как минимум одну электрохимическую ячейку, выполненную из вертикальных коаксиально расположенных внешнего катода, внутреннего анода и диафрагмы, выполненной из керамики на основе смеси оксидов циркония или алюминия, разделяющей межэлектродное пространство на анодную и катодную электродные камеры, ввод и вывод электродных камер ячейки расположены соответственно в нижней и верхней ее частях. Установка содержит анодный и катодный циркуляционные контуры, каждый из которых снабжен газоотделительной емкостью. Газоотделительная емкость анодного контура через газовый вывод может быть соединена со смесителем, в который подают свежую воду или свежую воду и католит для получения водного раствора, при этом установка обеспечивает возможность гидравлического параллельного соединения нескольких ячеек. /Патент RU 2088693, С25В 9/00; 1997 г./.solutions of chlorides of alkali or alkaline earth metals, containing at least one electrochemical cell made of vertical coaxially located external cathode, internal anode and a diaphragm made of ceramics based on a mixture of zirconium or aluminum oxides, separating the interelectrode space into anode and cathode electrode chambers, input and the outlet of the electrode chambers of the cell are located in the lower and upper parts, respectively. The installation contains anode and cathode circulation circuits, each of which is equipped with a gas separating tank. The gas-separating vessel of the anode loop through the gas outlet can be connected to a mixer, which is supplied with fresh water or fresh water and catholyte to obtain an aqueous solution, while the installation allows hydraulic parallel connection of several cells. / Patent RU 2088693,
Недостатками известной установки являются наличие двух циркуляционных контуров, что снижает надежность ее работы из-за необходимости использования дополнительных вспомогательных элементов оборудования, недолговечность, а также увеличенные габариты за счет требования по объему и высоте размещения газоотделительных емкостей циркуляционных контуров. Циркуляция и теплообмен в контурах обеспечены неэффективно, с высокой вероятностью образования застоя циркулируемых сред в процессе работы установки и как следствие, перегрева электрохимической ячейки и ее разрушения.The disadvantages of the known installation are the presence of two circulation circuits, which reduces the reliability of its operation due to the need to use additional auxiliary equipment elements, fragility, as well as increased dimensions due to the requirement for the volume and height of the gas separation tanks of the circulation circuits. Circulation and heat exchange in the circuits are provided ineffectively, with a high probability of stagnation of the circulated media during the operation of the installation and, as a consequence, overheating of the electrochemical cell and its destruction.
Известна установка для получения продуктов анодного окисления растворов хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов, содержащая как минимум один электрохимический реактор, содержащий коаксиально расположенные внутренний цилиндрический полый анод с перфорационными отверстиями, внешний цилиндрический катод и диафрагму из керамики на основе оксида циркония, установленную между электродами и разделяющую межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры, каждая из которых имеет отдельные вход и выход, нижнюю и верхнюю диэлектрические втулки с осевыми отверстиями, а на поверхность втулок выведены соответственно вход и выход катодной камеры, вход и выход анодной камеры расположены соответственно на нижнем и верхнем торцах анода и сообщаются с его полостью. Нижняя и верхняя диэлектрические втулки установлены на торцах катода, а диафрагма закреплена на аноде. При этом, установка дополнительно содержит регулятор уровня раствора хлорида в анодных камерах, регулировочные вентили и соединительную арматуру / Патент RU 2176989, C02F 1/461, С25В 1/46; 2001 г./.Known installation for obtaining products of anodic oxidation of solutions of chlorides of alkali or alkaline earth metals, containing at least one electrochemical reactor containing coaxially located inner cylindrical hollow anode with perforations, an external cylindrical cathode and a diaphragm made of ceramics based on zirconium oxide, installed between the electrodes and separating the interelectrode space to the anode and cathode chambers, each of which has separate inlet and outlet, lower and upper dielectric bushings with axial holes, and the inlet and outlet of the cathode chamber are brought out to the surface of the bushings, respectively, the inlet and outlet of the anode chamber are located respectively at the lower and upper ends of the anode and communicate with its cavity. The lower and upper dielectric bushings are installed at the ends of the cathode, and the diaphragm is fixed at the anode. At the same time, the installation additionally contains a regulator for the level of chloride solution in the anode chambers, control valves and connecting fittings / Patent RU 2176989,
Недостатками этой установки являются небезопасность ее эксплуатации, связанная с образованием в процессе ее работы взрывоопасной смеси хлора с водородом. Наличие циркуляционных контуров снижает надежность работы установки из-за необходимости использования дополнительных вспомогательных элементов оборудования, а также увеличенные габариты за счет использования вспомогательных технических устройств. Теплообмен в контурах обеспечен неэффективно с высокой вероятностью образования перегрева электрохимической ячейки и ее разрушения.The disadvantages of this installation are the unsafe operation associated with the formation of an explosive mixture of chlorine with hydrogen during its operation. The presence of circulation circuits reduces the reliability of the installation due to the need to use additional auxiliary equipment elements, as well as increased dimensions due to the use of auxiliary technical devices. Heat transfer in the circuits is provided ineffectively with a high probability of overheating of the electrochemical cell and its destruction.
Наиболее близкой по технической сущности к предложенной является установка для получения продуктов анодного окисления раствора хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов, содержащая как минимум один электрохимический реактор, содержащий коаксиально установленные внутренний цилиндрические полый анод, внешний цилиндрический катод и размещенную между ними диафрагму, выполненную из керамики на основе оксидов циркония, алюминия и иттрия, установленные в нижнем и верхнем узлах крепления с образованием гидравлически замкнутых анодной и катодной камер со входом в нижнем узле крепления и выходом в верхнем, при этом вход и выход анодной камеры сообщаются с полостью анода и анод выполнен с перфорационными отверстиями, расположенными как в верхней и нижней частях анода, так и равномерно по длине анода, установка содержит также линию подачи исходного раствора под повышенным давлением, коллектор подачи исходного раствора, соединенный с линией подачи исходного раствора и с линиями подвода в анодные камеры, коллектор сбора газообразных продуктов анодного окисления, соединенный с линиями отвода из анодных камер, катодный циркуляционный контур, соединенный с линиями подвода и отвода катодных камер и содержащий приспособление для разделения католита на водород и гидроксид металла, установленное на линии отвода из катодной камеры, емкость солевого раствора, линию подачи исходного солевого раствора с насосом, датчик уровня солевого раствора в анодной камере с блоком управления, регулятор давления «до себя», соединенный с коллектором сбора газообразных продуктов анодного окисления, и линию отвода газообразных продуктов из анодной камеры установки, соединенную с регулятором давления «до себя», датчик уровня солевого раствора в анодных камерах с блоком управления насосом, установка дополнительно содержит нижний вертикальный коллектор катодного циркуляционного контура и вертикальный теплообменник, расположенный между верхним и нижним коллекторами катодного циркуляционного контура, вход и выход которого соединены соответственно с верхним и нижним коллекторами катодного циркуляционного контура / Патент RU 2270885, С25В 1/46; C02F 1/46, 2006 г./The closest in technical essence to the proposed one is an installation for obtaining products of anodic oxidation of a solution of chlorides of alkali or alkaline earth metals, containing at least one electrochemical reactor containing coaxially mounted inner cylindrical hollow anode, an outer cylindrical cathode and a diaphragm placed between them, made of ceramics based oxides of zirconium, aluminum and yttrium, installed in the lower and upper attachment points to form hydraulically closed anode and cathode chambers with an inlet in the lower attachment point and an outlet in the upper one, while the inlet and outlet of the anode chamber communicate with the anode cavity and the anode is made with perforations located both in the upper and lower parts of the anode, and evenly along the length of the anode, the installation also contains a feed line for the initial solution under increased pressure, a collector for supplying the initial solution connected to the supply line of the initial solution and to the supply lines to the anode chambers, a collector for collecting gaseous products of anodic oxidation, connected to the outlet lines from the anode chambers, a cathode circulation circuit connected to the supply and outlet lines of the cathode chambers and containing a device for separating the catholyte into hydrogen and metal hydroxide, installed on the outlet line from the cathode chamber, salt solution tank, feed line for initial saline solution with a pump, salt solution level sensor in the anode chamber with a control unit, pressure regulator "upstream" connected to the collector for collecting gaseous products of anodic oxidation, and a line for removing gaseous products from the anode chamber of the installation, connected with a pressure regulator "upstream", a salt solution level sensor in the anode chambers with a pump control unit, the unit additionally contains a lower vertical collector of the cathode circulation circuit and a vertical heat exchanger located between the upper and lower collectors of the cathode circulation circuit, inlet and the outlet of which is connected respectively to the upper and lower collectors of the cathode circulation circuit / Patent RU 2270885, C25B 1/46; C02F 1/46, 2006 /
Недостатками известной установки являются большие габариты за счет жестких требований по размещению отдельных конструктивных элементов установки, включая отдельно расположенный теплообменник для охлаждения католита. Организация естественной циркуляции католита через теплообменник снижает надежность работы установки из-за невысокой эффективности теплообмена, высокой вероятности образования застоя циркулируемой среды в процессе работы и, как следствие, перегрев электрохимической ячейки и ее разрушение.The disadvantages of the known installation are large dimensions due to the strict requirements for the placement of individual structural elements of the installation, including a separately located heat exchanger for cooling the catholyte. The organization of natural circulation of the catholyte through the heat exchanger reduces the reliability of the installation due to the low efficiency of heat exchange, the high probability of the formation of stagnation of the circulated medium during operation and, as a consequence, overheating of the electrochemical cell and its destruction.
Процесс работы установки организован таким образом, что избыточное давление создается внутри керамической диафрагмы электрохимической ячейки, заставляя работать диафрагму «на разрыв», что в 10-12 раз снижает предел ее прочности. Небольшая площадь анодной поверхности по сравнению с катодной поверхностью не позволяет создавать эффективный ток в процессе электролиза и обеспечивать высокую производительность.The process of operation of the installation is organized in such a way that excess pressure is created inside the ceramic diaphragm of the electrochemical cell, forcing the diaphragm to work "to break", which reduces its strength by 10-12 times. The small area of the anode surface in comparison with the cathode surface does not allow creating an effective current during electrolysis and ensuring high productivity.
Технический результат от использования предложенной установки для электрохимического синтеза смеси оксидантов с внешним анодом и охлаждаемым катодом заключается в повышении ее производительности, надежности, ресурса непрерывной работы, снижении расхода электроэнергии в процессе эксплуатации, упрощении конструкции и уменьшении габаритов.The technical result from the use of the proposed installation for the electrochemical synthesis of a mixture of oxidants with an external anode and a cooled cathode is to increase its performance, reliability, continuous service life, reduce power consumption during operation, simplify the design and reduce dimensions.
Технический результат в части установки достигается за счет того, что в установке для электрохимического синтеза смеси оксидантов, содержащей, по меньшей мере, один электрохимический реактор, содержащий вертикальные цилиндрические коаксиально установленные анод и катод и расположенную между ними диафрагму, выполненную из керамики на основе оксидов циркония, алюминия или иттрия, установленные в нижнем и верхнем узлах крепления с образованием анодной и катодной камер, со входом в катодную камеру и выходом из нее, расположенными в нижнем и верхнем узлах крепления соответственно, линии подвода в катодную и анодную камеры, линии отвода из катодной и анодной камер, приспособление для разделения католита на водород и гидроксид металла, установленное на линии отвода из катодной камеры, емкость солевого раствора, линию подачи исходного солевого раствора с насосом, датчик уровня солевого раствора в анодной камере с блоком управления, манометр и регулятор давления «до себя», установленные на линии отвода из анодной камеры, и вертикальный теплообменник с линиями подачи и отвода хладагента, в электрохимическом реакторе анод является наружным электродом и снабжен электрокаталитическим покрытием со стороны диафрагмы, а катод является внутренним электродом, выполнен полым, используется в качестве вертикального теплообменника и снабжен в торцах штуцерами для подачи и отвода хладагента, расположенными в нижнем и верхнем узлах крепления соответственно и соединенными с линиями подачи и отвода хладагента соответственно, вход в анодную камеру и выход из нее расположены на боковой поверхности анода, а линия отвода из анодной камеры перед манометром снабжена успокоителем раствора в анодной камере.The technical result in terms of the installation is achieved due to the fact that in the installation for electrochemical synthesis of a mixture of oxidants containing at least one electrochemical reactor containing vertical cylindrical coaxially mounted anode and cathode and a diaphragm located between them, made of ceramics based on zirconium oxides , aluminum or yttrium, installed in the lower and upper attachment points with the formation of the anode and cathode chambers, with an entrance to the cathode chamber and an outlet from it, located in the lower and upper attachment points, respectively, supply lines to the cathode and anode chambers, outlet lines from the cathode and anode chambers, a device for separating catholyte into hydrogen and metal hydroxide installed on the outlet line from the cathode chamber, a salt solution tank, a feed line for the initial saline solution with a pump, a salt solution level sensor in the anode chamber with a control unit, a pressure gauge and a pressure regulator " up to yourself "installed on the line and outlet from the anode chamber, and a vertical heat exchanger with lines for supplying and removing refrigerant, in the electrochemical reactor the anode is an external electrode and is provided with an electrocatalytic coating on the side of the diaphragm, and the cathode is an internal electrode, is hollow, is used as a vertical heat exchanger and is equipped at the ends with fittings for supplying and removing refrigerant, located in the lower and upper attachment points, respectively, and connected to the lines for supplying and removing refrigerant, respectively, the inlet and outlet of the anode chamber are located on the side surface of the anode, and the outlet line from the anode chamber in front of the manometer is equipped with a solution damper in anode chamber.
В частном случае линия подвода в анодную камеру реактора снабжена успокоителем пульсаций солевого раствора, установленным после насоса подачи солевого раствора.In a particular case, the supply line to the anode chamber of the reactor is equipped with a salt solution pulsation damper installed after the brine supply pump.
В частном случае выполнения установки линия отвода хладагента снабжена обратным клапаном и соединена с линией отвода из анодной камеры.In the particular case of the installation, the refrigerant outlet line is equipped with a check valve and is connected to the outlet line from the anode chamber.
Предпочтительно, что установка содержит два и более электрохимических реактора, установленных параллельно, при этом линия отвода хладагента из каждого предыдущего электрохимического реактора соединена с линией подачи хладагента каждого последующего электрохимического реактора, а линия отвода хладагента последнего в цепочке электрохимического реактора снабжена обратным клапаном и соединена с линией отвода из анодной камеры.It is preferable that the installation contains two or more electrochemical reactors installed in parallel, wherein the refrigerant withdrawal line from each previous electrochemical reactor is connected to the refrigerant supply line of each subsequent electrochemical reactor, and the refrigerant withdrawal line of the latter in the electrochemical reactor chain is equipped with a check valve and is connected to the line outlet from the anode chamber.
Установка для электрохимического синтеза смеси оксидантов (Фиг. 2) содержит один электрохимический реактор 1 с коаксиально установленными в нижнем и верхнем узлах крепления наружным вертикальным цилиндрическим полым анодом 2, внутренним цилиндрическим полым катодом 3 и расположенной между анодом 2 и катодом 3 керамической диафрагмой 4, выполненной из керамики на основе оксидов циркония, алюминия или иттрия, с образованием анодной 5 и катодной 6 камер. Анод 2 со стороны диафрагмы 4 снабжен электрокаталитическим покрытием, в качестве которого могут быть использованы оксиды рутения, иридия, марганца или их смеси, или платина, или иридий. Такое выполнение анода 2 позволяет в несколько раз повысить площадь его рабочей поверхности. Электроды - анод 2, катод 3 и диафрагма 4 установлены в нижнем и верхнем узлах крепления, каждый из которых содержит фланцевое соединение 7 и 8 и диэлектрическую втулку 9 и 10 соответственно. Реактор 1 содержит вход 11 в катодную камеру 6, расположенный в нижнем узле крепления, и выход 12 из катодной камеры 6, расположенный в верхнем узле крепления, вход в анодную камеру 13 и выход из анодной камеры 14, расположенные на боковой поверхности анода 2, а также штуцер подачи хладагента 15 в полость катода 3, расположенный в нижнем узле крепления, и штуцер отвода хладагента 16 из полости катода 3, расположенный в верхнем узле крепления.The installation for the electrochemical synthesis of a mixture of oxidants (Fig. 2) contains one
Вход 11 в катодную камеру 6 соединен с линией подвода подготовленной (умягченной) воды 17 с установленными на ней клапаном 18 и расходомером 19 для заправки водой катодной камеры 6 реактора 1, а выход 12 из катодной камеры 6 соединен с линией отвода из катодной камеры 20, на которой установлено приспособление для разделения католита на водород и гидроксид металла 21.The
Вход 13 в анодную камеру 5 соединен с линией подвода 22 в анодную камеру 5 солевого раствора из емкости солевого раствора 23 насосом 24, с блоком управления от датчика уровня солевого раствора 30 в анодной камере 5, с установленным после насоса 24 успокоителем пульсаций солевого раствора 25. Выход из анодной камеры 14 соединен с линией отвода из анодной камеры 26 с установленными на ней успокоителем раствора в анодной камере 27, манометром с мембранным разделителем 28, регулятором давления «до себя» 29.The
Штуцер подачи хладагента 15 соединен с линией подачи хладагента 31 с установленными на ней клапаном 32 и расходомером 33 для подачи хладагента с целью охлаждения катода 3 реактора 1. Штуцер отвода хладагента 16 соединен с линией отвода хладагента 34 с установленным на ней обратным клапаном 35 и соединенной с линией отвода 26 из анодной камеры 5.The
Установка работает следующим образом.The installation works as follows.
В емкость для солевого раствора 23 загружают твердую соль хлорида щелочного или щелочноземельного металла и подают умягченную воду для приготовления насыщенного солевого раствора. При этом возможно использование заранее приготовленного концентрированного водного раствора хлорида щелочного или щелочноземельного металла. После запуска установки из емкости 23 концентрированный солевой раствор посредством насоса 24 по линии подвода 22 через вход 13 подают в анодную камеру 5 реактора 1. В процессе работы заполненность анодной камеры 5 солевым раствором поддерживают автоматически посредством управления работой насоса 24 от датчика уровня солевого раствора с блоком управления 30. В случае использования для подачи солевого раствора мембранного или плунжерного насоса после него на линии подвода в анодную камеру устанавливают успокоитель пульсаций солевого раствора 25, возникающих в процессе работы насоса 24, что позволяет смягчать гидроудары в анодной камере с целью продления срока службы керамической диафрагмы и реактора в целом.The
Катодную камеру 6 по линии подвода умягченной воды 17 с установленными на ней клапаном 18 и расходомером 19 через вход 11 заправляют подготовленной (умягченной) водой. Объем воды для заполнения катодной камеры 6 контролируют при помощи расходомера 19. После заполнения катодной камеры 6 водой дальнейшую ее подачу прекращают. Умягченную воду используют для подготовки насыщенного солевого раствора в емкости и заправки катодной камеры единожды при запуске установки. Допускается использование неумягченной воды, однако в этом случае соли жесткости со временем будут откладываться на катоде, создавая электрическое сопротивление. Для их удаления потребуется промывка кислотным раствором. Хладагент - холодную воду - по линии подачи хладагента 31 с установленными на ней клапаном 32 и расходомером 33 через штуцер подачи хладагента 15 подают в трубное пространство катода 3 для охлаждения его во время работы.The
На электроды - наружный анод 2 и внутренний катод 3 подают постоянный электрический ток. Начинается процесс электролиза с интенсивным выделением электролизных газов. Давление в анодной камере 5 устанавливают при помощи регулятора давления «до себя» 29 и контролируют при помощи манометра с мембранным разделителем 28, установленными на линии отвода из анодной камеры 26, соединенной с выходом из анодной камеры 14.A constant electric current is supplied to the electrodes - the
Образующиеся в анодной камере 5 реактора 1 электролизные газы из выхода из анодной камеры 14 по линии отвода из анодной камеры 26 через успокоитель раствора в анодной камере 27 и регулятор давления газа 29 смешивают с водой, отводимой из полого катода 3 через штуцер отвода хладагента 16 и линию отвода хладагента 34 с установленным на ней обратным клапаном 35 с образованием смеси оксидантов. Успокоитель раствора в анодной камере 27 служит для предотвращения попадания рабочего солевого раствора, выносимого электролизными газами из анодной камеры в процессе работы установки, и возврата его самотеком обратно в анодную камеру, что сокращает расход солевого раствора. Расход воды, подаваемой на охлаждение катода 3 и приготовление смеси оксидантов контролируют при помощи расходомера 33.The electrolysis gases formed in the
Готовую смесь оксидантов подают либо в накопительную емкость (на чертеже не показана), либо непосредственно в обеззараживаемую воду.The finished mixture of oxidants is fed either into a storage tank (not shown in the drawing), or directly into the water to be disinfected.
Синтезирующийся в процессе работы католит из катодной камеры 6 по линии отвода из катодной камеры 20 поступает в приспособление для разделения католита на водород и гидроксид металла 21. Водород из приспособления 21 отводится в атмосферу, а раствор гидроксида металла подается в накопительную емкость (на чертеже не показана), откуда его могут, например, подавать в обеззараживаемую воду 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, флокулянтов, а также для очистки оборудования (емкостей, фильтров) от загрязнений.The catholyte synthesized during operation from the
Установка для электрохимического синтеза смеси оксидантов (Фиг. 3) содержит два электрохимических реактора 1 и 1а, установленных параллельно, с коаксиально установленными в нижнем и верхнем узлах крепления наружным вертикальным цилиндрическим полым анодом 2 и 2а, внутренним цилиндрическим полым катодом 3 и 3а и расположенной между анодом 2 и 2а и катодом 3 и 3а керамической диафрагмой 4 и 4а, выполненной из керамики на основе оксидов циркония, алюминия или иттрия, с образованием анодной 5 и 5а и катодной 6 и 6а камер. Электроды 1 и 1а, 2 и 2а и диафрагма 3 и 3а установлены в нижнем и верхнем узлах крепления, каждый из которых содержит фланцевое соединение 7 и 7а и 8 и 8а и диэлектрическую втулку 9 и 9а и 10 и 10а соответственно. Реакторы 1 и 1а содержат вход 11 и 11а в катодную камеру 6 и 6а, расположенный в нижнем узле крепления, и выход 12 и 12а из катодной камеры 6 и 6а, расположенный в верхнем узле крепления, вход в анодную камеру 13 и 13а и выход из анодной камеры 14 и 14а, расположенные на боковой поверхности анода 2 и 2а, а также штуцер подачи хладагента 15 и 15а в полость катода 3 и 3а, расположенный в нижнем узле крепления, и штуцер отвода хладагента 16 и 16а из полости катода 3 и 3а, расположенный в верхнем узле крепления.The installation for the electrochemical synthesis of a mixture of oxidants (Fig. 3) contains two
Вход 11 и 11а в катодную камеру 6 и 6а соединен с линией подвода умягченной воды 17 и 17а с установленными на ней клапаном 18 и расходомером 19 для заправки водой катодной камеры 6 и 6а реакторов 1 и 1а, а выход 12 и 12а из катодной камеры 6 и 6а соединен с линией отвода из катодной камеры 20 и 20а и с приспособлением для разделения католита на водород и гидроксид металла 21.The
Вход 13 и 13а в анодную камеру 5 и 5а соединен с линией подвода 22 и 22а в анодную камеру 5 и 5а солевого раствора из емкости солевого раствора 23 насосом 24 с установленным после него успокоителем пульсаций солевого раствора 25, возникающих при работе насоса 24. Установка содержит датчик уровня солевого раствора с блоком управления 30 в анодной камере 5. Выход из анодной камеры 14 соединен с линией отвода из анодной камеры 26, а выход из анодной камеры 14а соединен через линию отвода из анодной камеры 26а с линией 26 с установленными на ней успокоителем раствора в анодной камере 27, манометром с мембранным разделителем 28 и регулятором давления «до себя» 29.The
Успокоители раствора в анодной камере могут быть установлены на выходах из анодной камеры каждого параллельно установленного электролизера для возврата рабочего солевого раствора, выносимого электролизными газами из анодной камеры в процессе работы установки, и возврата его самотеком обратно в анодную камеру.The solution dampers in the anode chamber can be installed at the outlets of the anode chamber of each electrolyzer installed in parallel to return the working salt solution carried out by electrolysis gases from the anode chamber during the operation of the installation and return it by gravity back to the anode chamber.
Штуцер подачи хладагента 15 соединен с линией подачи хладагента 31 с установленными на ней клапаном 32 и расходомером 33 для подачи хладагента с целью охлаждения катода 3 реактора 1. Штуцер отвода хладагента 16 соединен с линией отвода хладагента 34 и со штуцером подачи хладагента 15а реактора la, а штуцер отвода хладагента 16а соединен с линией отвода хладагента 34а с установленным на ней обратным клапаном 35 и соединенной с линией отвода 26 из анодной камеры 5.The
Работа установки для электрохимического синтеза смеси оксидантов, в которой используют два и более параллельно установленных электрохимических реактора с наружным анодом и внутренним полым катодом, аналогична работе, приведенной выше для установки с одним реактором. Незначительные отличия заключаются в движении потоков воды, направляемой на охлаждение полых катодов, подаваемой последовательно из штуцера отвода хладагента предыдущего электрохимического реактора через штуцер подачи хладагента последующего реактора в полость его катода.The operation of the installation for the electrochemical synthesis of a mixture of oxidants, in which two or more parallel-installed electrochemical reactors with an external anode and an internal hollow cathode are used, is similar to the work described above for a plant with one reactor. Minor differences lie in the movement of water flows directed to cooling the hollow cathodes, supplied in series from the coolant outlet of the previous electrochemical reactor through the coolant supply of the subsequent reactor into the cavity of its cathode.
Производительность установки регулируют при помощи напряжения, прикладываемого на электроды, а также путем добавления или убавления электрохимических реакторов, установленных параллельно и работающих одновременно.The performance of the installation is controlled by the voltage applied to the electrodes, as well as by adding or subtracting electrochemical reactors installed in parallel and operating simultaneously.
Процесс работы электрохимического реактора в установке организован таким образом, что избыточное давление создается снаружи керамической диафрагмы, при этом диафрагма работает «на сжатие», что в 10-12 раз повышает предел ее прочности и надежность установки в целом.The process of operation of the electrochemical reactor in the installation is organized in such a way that excess pressure is created outside the ceramic diaphragm, while the diaphragm works "in compression", which increases its strength limit and reliability of the installation as a whole by 10-12 times.
Использование в установке конструкции электрохимического реактора с наружным анодом, снабженным со стороны керамической диафрагмы электрокаталитическим покрытием, и внутренним полым охлаждаемым катодом позволяет повысить ее производительность, надежность, ресурс непрерывной работы, снизить расход электроэнергии в процессе эксплуатации при одновременном упрощении конструкции и уменьшении ее габаритов.The use in the installation of an electrochemical reactor design with an external anode equipped with an electrocatalytic coating on the side of a ceramic diaphragm and an internal hollow cooled cathode makes it possible to increase its performance, reliability, continuous operation life, and reduce power consumption during operation while simplifying the design and reducing its dimensions.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019141097A RU2729184C1 (en) | 2019-12-12 | 2019-12-12 | Electrochemical reactor and apparatus for electrochemical synthesis of a mixture of oxidants |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019141097A RU2729184C1 (en) | 2019-12-12 | 2019-12-12 | Electrochemical reactor and apparatus for electrochemical synthesis of a mixture of oxidants |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2729184C1 true RU2729184C1 (en) | 2020-08-05 |
Family
ID=72086011
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019141097A RU2729184C1 (en) | 2019-12-12 | 2019-12-12 | Electrochemical reactor and apparatus for electrochemical synthesis of a mixture of oxidants |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2729184C1 (en) |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02274889A (en) * | 1989-04-18 | 1990-11-09 | Tatsuo Okazaki | Electrolytic unit of ionized water generator |
| US5783052A (en) * | 1996-03-11 | 1998-07-21 | Rscecat, Usa, Inc. | Electrochemical cell |
| WO1998058880A1 (en) * | 1997-06-25 | 1998-12-30 | Sterilox Technologies International Limited | Method and apparatus for the electrochemical treatment of water and aqueous salt solutions |
| OA10551A (en) * | 1996-03-11 | 2002-05-31 | Vitold Bakhir | Electrochemical cell |
| EP1860209A2 (en) * | 2006-05-25 | 2007-11-28 | Aquastel International B.V. | Electrolysis cell assembly |
| RU2007101390A (en) * | 2004-06-16 | 2008-07-27 | Уденора С.П.А. (It) | ELECTROLYSIS CELL |
| US7422668B2 (en) * | 2002-07-23 | 2008-09-09 | Puricore International Limited | Electrochemical cells |
| DE102011002104A1 (en) * | 2011-04-15 | 2012-10-18 | Kumatec Sondermaschinenbau & Kunststoffverarbeitung Gmbh | Electrolyzer, useful for producing hydrogen and oxygen from electrochemical decomposition of water, comprises a single cell comprising cell components, inner electrode and outer electrode, or several single cells connected in series |
| RU2581054C1 (en) * | 2015-05-27 | 2016-04-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Рэслинн" | Electrochemical modular cell for treatment of electrolyte solutions |
| RU2605084C1 (en) * | 2015-09-30 | 2016-12-20 | Акционерное общество "Ордена Трудового Красного Знамени Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова" (АО "НИФХИ им. Л.Я. Карпова") | Electrolytic cell with fixed electrodes for electrochemical purification of waste water and obtaining several inorganic peroxide compounds |
| RU2614450C1 (en) * | 2016-05-06 | 2017-03-28 | Константин Юрьевич Комоликов | Electrochemical module cell for treatment of electrolyte solutions |
| WO2017130092A1 (en) * | 2016-01-26 | 2017-08-03 | VERARDO, Daniele Marino | Electrolytic cell for generating hydrogen |
-
2019
- 2019-12-12 RU RU2019141097A patent/RU2729184C1/en active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02274889A (en) * | 1989-04-18 | 1990-11-09 | Tatsuo Okazaki | Electrolytic unit of ionized water generator |
| US5783052A (en) * | 1996-03-11 | 1998-07-21 | Rscecat, Usa, Inc. | Electrochemical cell |
| OA10551A (en) * | 1996-03-11 | 2002-05-31 | Vitold Bakhir | Electrochemical cell |
| WO1998058880A1 (en) * | 1997-06-25 | 1998-12-30 | Sterilox Technologies International Limited | Method and apparatus for the electrochemical treatment of water and aqueous salt solutions |
| US7422668B2 (en) * | 2002-07-23 | 2008-09-09 | Puricore International Limited | Electrochemical cells |
| RU2007101390A (en) * | 2004-06-16 | 2008-07-27 | Уденора С.П.А. (It) | ELECTROLYSIS CELL |
| EP1860209A2 (en) * | 2006-05-25 | 2007-11-28 | Aquastel International B.V. | Electrolysis cell assembly |
| DE102011002104A1 (en) * | 2011-04-15 | 2012-10-18 | Kumatec Sondermaschinenbau & Kunststoffverarbeitung Gmbh | Electrolyzer, useful for producing hydrogen and oxygen from electrochemical decomposition of water, comprises a single cell comprising cell components, inner electrode and outer electrode, or several single cells connected in series |
| RU2581054C1 (en) * | 2015-05-27 | 2016-04-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Рэслинн" | Electrochemical modular cell for treatment of electrolyte solutions |
| RU2605084C1 (en) * | 2015-09-30 | 2016-12-20 | Акционерное общество "Ордена Трудового Красного Знамени Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова" (АО "НИФХИ им. Л.Я. Карпова") | Electrolytic cell with fixed electrodes for electrochemical purification of waste water and obtaining several inorganic peroxide compounds |
| WO2017130092A1 (en) * | 2016-01-26 | 2017-08-03 | VERARDO, Daniele Marino | Electrolytic cell for generating hydrogen |
| RU2614450C1 (en) * | 2016-05-06 | 2017-03-28 | Константин Юрьевич Комоликов | Electrochemical module cell for treatment of electrolyte solutions |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7691249B2 (en) | Method and apparatus for making electrolyzed water | |
| US4129493A (en) | Swimming pool chlorinator system | |
| US5427667A (en) | Apparatus for electrochemical treatment of water | |
| CN110325668B (en) | Method and electrolytic cell for producing detergent and disinfectant liquids | |
| RU2176989C1 (en) | Electrochemical module cell for treatment of aqueous solutions, plant for production of products of anodic oxidation of solution of alkaline or alkaline-earth metal chlorides | |
| US20130146473A1 (en) | Dual diaphragm electrolysis cell assembly and method for generating a cleaning solution without any salt residues and simultaneously generating a sanitizing solution having a predetermined level of available free chlorine and pH | |
| US6004439A (en) | Apparatus for obtaining products by anode oxidation of dissolved chlorides of alkaline or alkaline-earth metals | |
| JPH09512861A (en) | Electrolytic cell producing mixed oxidant gas | |
| RU2204530C2 (en) | Portable apparatus for electrochemical treatment of liquid | |
| RU2088693C1 (en) | Installation for preparing products of anode oxidation of alkali and alkali-earth metal chloride solution | |
| KR20210015536A (en) | Cooling pipe of titanium material equipped in electrolyzer of the Sodium Hypochlorite generation device of undivided type | |
| CN102010035A (en) | Immersed electrolysis mixing device | |
| EA013774B1 (en) | Device for the electrochemical treatment of the water and the water solutions | |
| KR20190026597A (en) | Method and apparatus for producing highly concentrated slightly acidic electrolyzed water | |
| WO2007046730A2 (en) | Water electrochemical processing device | |
| JP6293976B2 (en) | Electrolysis equipment | |
| KR100958677B1 (en) | High efficient un-divided electrochemical cell and apparatus for manufacturing of chlorine dioxide using it | |
| CN110042417A (en) | A kind of method and device of electrolytic seawater production javelle water | |
| RU2729184C1 (en) | Electrochemical reactor and apparatus for electrochemical synthesis of a mixture of oxidants | |
| RU160773U1 (en) | INSTALLATION FOR INTEGRATED PRODUCTION OF CHLORINE-CONTAINING REAGENTS AND SODIUM FERRATE | |
| RU2516150C2 (en) | Installation for obtaining products of anode oxidation of solutions of alkali or alkali-earth metal chlorides | |
| WO2012010177A1 (en) | Device for electrochemically processing water or aqueous solutions | |
| RU2454489C1 (en) | Electrochemical cell for treatment of electrolyte solutions | |
| AU658328B2 (en) | Alkali metal hypochlorite generation-storage unit | |
| RU171421U1 (en) | ELECTROCHEMICAL REACTOR FOR PRODUCING ANODIC OXIDATION PRODUCTS OF ALKALI OR ALKALINE EQUIPMENT CHLORIDES |