Устройство для получения моющих и дезинфицирующих растворов
Изобретение относится к химической технологии, в частности к устройствам для электрохимической обработки воды и водных растворов хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов, и может быть использовано для получения моющих и дезинфицирующих растворов. Устройство для получения моющих и дезинфицирующих растворов электролизом водных растворов хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов содержит по меньшей мере одну электрохимическую ячейку, выполненную из электродов, размещенных в электродных камерах и разделенных между собой диафрагмой. В нижних и верхних частях камер выполнены соответственно каналы для подвода и отвода обрабатываемого раствора, соединенные соответственно с катодной и анодной камерами. Устройство содержит источник тока, положительный и отрицательный полюса которого соединены с электродами, газоотделитель, установленный на линии отвода обрабатываемого раствора из камеры отрицательного электрода. Кроме того, электроды выполнены в виде плоских перфорированных пластин с размещенной между ними фильтрующей диафрагмой, а в трубопроводах подачи обрабатываемого раствора и отвода обработанного раствора установлены трехходовые краны или переключающие клапаны, обеспечивающие изменение на обратное направление обрабатываемого потока через диафрагму. Технический эффект - улучшение эксплуатационных характеристик устройства и обеспечение возможности проведения безреагентной промывки от отложений солей жосткости внутренних поверхностей элементов электрохимической ячейки. 2 ил.
Изобретение относится к химической технологии, в частности к устройствам для электрохимической обработки воды и водных растворов хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов, и может быть использовано для получения моющих и дезинфицирующих растворов.
Известно устройство для электрохимической обработки воды, заявка РСТ 20014, кл. С 02 F 1/46, принятое за аналог, которое содержит по меньшей мере одну электрохимическую ячейку, выполненную из вертикальных коаксиальных цилиндрического и стержневого электродов, установленных в диэлектрических втулках, ультрафильтрационной диафрагмы из керамики на основе оксида циркония, коаксиально установленной во втулках между электродами. Геометрические размеры ячейки удовлетворяют определенным соотношениям.
Ячейки особым образом закреплены в нижнем и верхнем коллекторах из диэлектрического материала с подводящими и отводящими каналами в камеры, причем ячейки, установленные в коллекторах, соединены параллельно гидравлически и параллельно или последовательно-параллельно электрически.
Электроды ячейки соединены с полюсами источника тока таким образом, что цилиндрический электрод является анодом, а стержневой электрод - катодом. Устройство также содержит источник обрабатываемой воды, с которым электродные камеры соединены параллельно, регуляторы расхода, установленные на линиях подачи воды в электродные камеры и на линии отвода воды из анодной камеры, водоструйный насос для дозирования реагента, поступающего из емкости, установленный на линии подачи воды, и емкости с катализатором, гидравлическую обвязку и источник тока, соединенный через узел коммутации с электродами.
Недостаток аналога заключается в том, что процесс обработки воды в данном устройстве связан с затратами сравнительно больших количеств реактивов на промывку электрохимических ячеек.
Известно устройство для получения моющих и дезинфицирующих растворов по патенту RU 2076847 С1, 6 С 02 F 1/46 1997 г., принятое в качестве прототипа, включающее по меньшей мере одну электрохимическую ячейку, выполненную из электродов, размещенных в электродных камерах и разделенных между собой ультрафильтрационной диафрагмой, причем в нижней и верхней частях выполнены соответственно каналы для подвода и отвода обрабатываемого раствора в электродные камеры, приспособления для подвода и отвода обрабатываемого раствора, соединенные соответственно с катодной и анодной камерами, линии подвода обрабатываемого и отвода обработанного в электродных камерах раствора, соединенные с приспособлениями для подвода и отвода раствора, линию подачи воды с установленным на ней приспособлением для дозирования в подаваемую воду хлорида щелочного или щелочноземельного металла, соединенную с линией подвода обрабатываемого раствора в электродные камеры, источник электрического тока, положительный и отрицательный полюса которого соединены с электродами, и газоотделитель, установленный на линии отвода обрабатываемого раствора из камеры отрицательного электрода.
Недостаток прототипа состоит в том, что один из наиболее важных конструктивных элементов - диафрагма забивается солями жесткости, что требует ее регулярной промывки кислотой, сопровождаемой остановкой работы устройства для профилактики.
Задачей настоящего изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик устройства и обеспечение возможности проведения безреагентной промывки от отложений солей жесткости на внутренних поверхностях элементов электрохимической ячейки устройства для получения моющих и дезинфицирующих растворов, кислотная промывка должна производиться значительно реже, иметь профилактическую направленность на промывку вспомогательных элементов и коммуникаций устройства от отложений солей жесткости на их внутренних поверхностях.
Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство для получения моющих и дезинфицирующих растворов хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов содержит по меньшей мере одну электрохимическую ячейку, выполненную из электродов с размещенной между ними диафрагмой, причем в нижней и верхней частях выполнены соответственно каналы для подвода и отвода обрабатываемого раствора в электродные камеры, приспособления для подвода и отвода обрабатываемого раствора, соединенные соответственно с катодной и анодной камерами, линии подвода обрабатываемого и отвода обработанного в электродных камерах раствора, соединенные с приспособлениями для подвода и отвода раствора, линию подачи воды с установленным на ней приспособлением для дозирования в подаваемую воду хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов, соединенную с линией подвода обрабатываемого раствора в электродные камеры, источник тока, положительный и отрицательный полюса которого соединены с электродами, газоотделитель, установленный на линии отвода обрабатываемого раствора из камеры отрицательного электрода, причем электроды выполнены в виде плоских перфорированных пластин с размещенной между ними фильтрующей диафрагмой, а в трубопроводах подачи обрабатываемого раствора и отвода обработанного раствора установлены трехходовые элементы (краны, клапаны), обеспечивающие изменение на обратное направление движения обрабатываемого потока через диафрагму. При этом на линиях отвода обработанных растворов из электродных камер установлены регуляторы давления.
Блок-схема предлагаемого устройства для получения моющих и дезинфицирующих растворов, содержащая обвязку сдвоенной электрохимической ячейки, представлена на фиг.1. Вариант выполнения устройства, содержащего единичную электрохимическую ячейку, представлен на фиг.2.
Устройства для получения моющих и дезинфицирующих растворов собираются из единичных или сдвоенных ячеек, располагаемых параллельно между собой и объединенных каналами подвода обрабатываемого раствора и отвода обработанных растворов, расположенными перпендикулярно плоскости расположения электродов и являющимися продолжением соответственно один другого. Количество электрохимических ячеек, объединяемых одновременно в одном устройстве, обусловлено требованием суммарной производительности и параметрами энергопотребления.
Устройство для получения моющих и дезинфицирующих растворов (фиг.1) содержит линии подачи фильтрованной воды 1 и солевого раствора 2, объединенные с линией исходного обрабатываемого раствора 3; трехходовой кран (или переключающий клапан) 4, расположенный в промежутке между выходом линии исходного обрабатываемого раствора и входами в подводящие каналы 5 и 6 обрабатываемого раствора соответственно анодной камеры 7 и смежных катодных камер 81 и 82.
Анодные камеры выполнены из двух пластин, подключенных к положительному полюсу источника выпрямленного электрического тока и расположенных на расстоянии 2-3 мм одна от другой таким образом, что в пространстве между ними протекает обрабатываемый раствор (анолит), причем обе пластины могут быть выполнены перфорированными или одна - перфорированной, а вторая - сплошной.
Катодные камеры выполнены из двух пластин, подключенных к отрицательному полюсу источника выпрямленного электрического тока и расположенных на расстоянии 2-3 мм одна от другой таким образом, что в пространстве между ними протекает обрабатываемый раствор (католит).
Пространство между анодом и катодом заполнено фильтрующим материалом 91 и 92, выполняющим функции фильтрующей диафрагмы и способным пропускать через себя обрабатываемый раствор как в одну сторону (из катодной камеры в анодную), так и в обратную сторону (из анодной камеры в катодную). Причем пластины разноименно заряженных электродов, примыкающих непосредственно к фильтрующей диафрагме, выполнены перфорированными, а удаленные от диафрагмы могут быть как перфорированными, так и сплошными 10.
Катодные камеры могут выполняться из двух пластин или многослойными, подсоединенными к одному и тому же отрицательному полюсу источника электрического тока. В такой конструкции свободное пространство, создаваемое перфорацией пластин, объединенных в один электрод, составляет свободное пространство катодной камеры, по которому протекает обрабатываемый раствор. Электрохимические ячейки, из которых составляется устройство для получения моющих и дезинфицирующих растворов, разделяются между собой электронепроницаемыми перегородками 111 и 112; при использовании устройства, представленного на фиг.1, содержащего более одной электрохимической ячейки, подключение их к источнику электрического напряжения производят по схемам параллельного, последовательного или параллельно-последовательного соединения.
В промежутке между пластиной 10 и электронепроницаемой перегородкой 111 расположена камера нерегулируемого перетока 12, предназначенная для направления на вход анодной камеры жидкой фазы, отделившейся от газожидкостного потока в канале 13 и представляющей собой обработанный в катодной камере раствор. Через камеру нерегулируемого перетока 12 жидкая фаза может быть также направлена на вход катодной камеры, либо на вход катодной и анодной камер одновременно. Газовая фаза, содержащая жидкие взвешенные частицы, выводится из канала 13 устройства через газоотделитель 14; количество жидкости, составляющей дисперсную фазу и выводимое из устройства через газоотделитель вместе с газовым потоком, устанавливается наперед заданным путем стабилизации давления транспортируемой среды перед газоотделителем и настройкой размера проходного сечения регулируемого элемента газоотделителя. Газоотделитель расположен несколько выше канала 13 и имеет объединенный вход с нижним выходом таким образом, что частично отделившаяся в нем жидкая фаза от газожидкостного потока имеет возможность перетекать обратно в канал 13.
Линии отвода из канала 15 обработанного раствора в анодной камере содержат переключающий клапан 16 и регулятор давления “до себя” 17. Эти элементы устройства предназначены для стабилизации давления газожидкостных потоков в электродных камерах и каналах отвода обработанных растворов. Кроме того, к каналу, объединяющему вход газоотделителя 14 со вторым выходным каналом переключающего клапана 16, подключен регулятор “до себя” 18, настроенный на более высокое давление, чем регулятор 17, с целью перераспределения направления потоков обрабатываемых и обработанных растворов в период времени проведения автоматической промывки устройства.
Устройство для получения моющих и дезинфицирующих растворов работает следующим образом.
Дозируемые количества отфильтрованной воды и раствора хлорида щелочного или щелочноземельного металла поступают в устройство по линиям соответственно 1 и 2 (фиг.1), смешиваются между собой и попадают в линию 3 обрабатываемого раствора, причем концентрация хлорида в обрабатываемом растворе определяется условиями решаемой задачи, однако чаще всего применяется концентрация до 5 г/л.
Обрабатываемый раствор из линии 3 через переключающий клапан 4 направляется либо в канал 5 обрабатываемого раствора анодной камеры 7, либо в канал 6 обрабатываемого раствора катодных камер 81 и 82, причем во время автоматической промывки от солей жесткости обрабатываемый раствор поступает в канал 5, а во время получения моющих и дезинфицирующих растворов - в канал 6. Из канала 6 обрабатываемый раствор непрерывно поступает в зону электрохимической обработки раствора, причем в анодную камеру 7 обрабатываемый раствор непрерывно перетекает из катодных камер 81 и 82 через фильтрующие диафрагмы 91 и 92, пройдя при этом электрохимическую (катодную) обработку. Подвергнутый дальнейшей электрохимической обработке в анодной камере, поступающий в нее обрабатываемый раствор выводится затем из устройства как готовый к употреблению моющее-дезинфицирующий раствор “анолит”. При этом часть обработанного в катодной камере раствора удаляется из этой камеры в виде брызгоуноса вместе с потоком газа водорода, образующегося в катодной камере за счет электрохимических реакций. Газожидкостной поток из катодных камер 81 и 82 попадает в канал 13, теряет часть жидкой фазы, оседающей на внутренних поверхностях канала 13, и затем самотеком через камеру нерегулируемого перетока 12 и канал 5 попадает в анодную камеру 7, в которой, смешиваясь с основным потоком обрабатываемого раствора, поступающим в нее через диафрагму, подвергается анодной обработке. Учитывая, что перепад давления между анодной и катодной камерами незначителен, раствор, перетекающий через камеру 12, может быть направлен как на вход в анодную камеру, так и в катодную. Газовая фаза с остатками жидкости в виде дисперсной фазы из канала 13 непрерывно попадает в газоотделитель 14 и выводится из устройства на сторону через линию “католит”. Количество жидкой фазы, выводимое через газоотделитель 14 в виде брызгоуноса, стабилизируется путем стабилизации давления в канале 15 с помощью стабилизатора 17 и настройки величины проходного сечения газоотделителя.
Необходимость стабилизации брызгоуноса обусловлена тем фактором, что значение рН раствора, содержащего хлориды щелочных и щелочноземельных металлов и подвергнутого электрохимической обработке в катодной и анодной камерах, содержит в своем составе такие вещества как NaOH; Са(ОН)2; Са(НСО3)2; Мg(НСО3)2; СаСО3; MgCO3; NaOCl; NaClO2; NaClO3; Сl2О; СаСl2; MgCl2 и другие, значение рН такого раствора зависит от концентрации каждого из компонентов, констант диссоциации и подвижности ионов, причем в случае отсутствия брызгоуноса, т.е. при отсутствии отвода из устройства части раствора, обработанного в катодной камере, значение рН обработанного раствора на выходе из анодной камеры составит рН 8,8±0,2, и дезинфицирующая способность такого раствора окажется значительно слабее, чем при рН 7,7±0,5.
Электрохимической обработке подвергаются водные растворы, содержащие соли жесткости, которые при рН
7 находятся в растворенном состоянии. Однако, подвергаясь электрохимической обработке в катодной камере, значение рН таких растворов возрастает до значений рН
12,5, что способствует интенсивному выделению из раствора солей жесткости в виде мелкодисперсной твердой фазы, которая задерживается фильтрующей диафрагмой и постепенно накапливается в ней, сокращая тем самым ее пропускную способность, которая, однако, остается длительное время достаточно “прозрачной” для протекания через нее раствора. Чем меньшей фильтрующей способностью обладает диафрагма, тем быстрее на ней задерживаются твердые отложения и тем быстрее она теряет свою работоспособность как элемент электрохимической ячейки. Любая диафрагма может быть освобождена от твердых отложений путем ее промывки кислым раствором.
При работе устройства получения моющих и дезинфицирующих растворов в катодной камере протекают следующие основные электрохимические реакции:
NaCl 
Na++Сl-
Na++le-- Na0
2Na0+2НОН 2NaOH+Н2
Са(НСО3)2 
СаСО3-Н2О+СО2 (при рН>10)
и др.
Значение рН раствора, обрабатываемого в катодной камере, изменяется от рН 7до рН 12,5. Такой раствор перетекает из катодной камеры в анодную через диафрагму; выпадающая в осадок твердая фаза СаСО3 задерживается диафрагмой и накапливается в ней.
В анодной камере протекают следующие основные электрохимические реакции:
Сl--lе-- Сl0
2Сl0=Сl2
Cl2+НОН НСl+НОСl
НСl+NaOH NaCl+Н2О
При этом рН раствора, обрабатываемого в анодной камере, изменяется от рН 12,5 до рН 7,7±0,5. Значение рН раствора, проходящего через диафрагму, в период времени получения моющих и дезинфицирующих растворов во всем объеме пространства, занимаемого диафрагмой, остается практически неизменным рН 12,5.
В заявленном устройстве обеспечивается промывка диафрагмы обратным током обрабатываемого раствора из анодной камеры 7 в катодные 81 и 82 через диафрагмы 91 и 92 без изменения полярности электродов и величины потребляемой электроэнергии. Промывка начинается с изменения направления потока обрабатываемого раствора на обратное, производимого путем синхронного переключения положения клапанов 4 и 16. При этом обрабатываемый раствор из линии 3 через клапан 4 и канал 5 направляется в анодную камеру 7, подвергается анодной обработке, его рН изменяется от рН 7 до рН
2, и затем этот кислый раствор направляется в катодные камеры 81 и 82 через диафрагмы 91 и 92, в которых при этом растворяются осажденные ранее соли жесткости. Обработанные в анодной и катодных камерах растворы, содержащие дисперсную газовую фазу, выводятся из устройства через газоотделитель 14 и стабилизатор давления “до себя” 18 по линии католит. При этом за счет разницы в настройке давлений Р стабилизаторов 17 и 18 (P18>Р17) газожидкостной поток из верхней части анодной камеры также попадает в стабилизатор давления 18, пройдя при этом канал 15, переключенный клапан 16 и стабилизатор давления 17, который становится “открытым” при величине давления в каналах обрабатываемого раствора, равном Р18 (P18>p17).
При неизменных параметрах электрической схемы и протекания тех же электрохимических реакций в анодной камере рН обрабатываемого раствора изменяется от рН 7 до рН 2, а в катодной камере - от рН 2 до рН 8. В это же время через диафрагму проходит кислый раствор из анодной камеры и растворяет накопленный в объеме диафрагмы осадок солей
СаСО3+2НСl CaCl2+Н2О+СО2
Промывка диафрагмы производится до полного растворения осадка, которое внешне характеризуется прекращением интенсивного газовыделения, после чего клапаны 4 и 16 переключаются обратно и устройство возвращается в первоначальное состояние - состояние готовности получения моющих и дезинфицирующих растворов.
Технико-экономическим результатом изобретения является многократное, не менее чем в 4-5 раз, увеличение ресурса времени бесперебойной непрерывной работы устройства, причем реагентная промывка устройства с использованием специальных кислых растворов выполняется эпизодически и только как профилактическая мера для отмывки внешних коммуникаций и отдельных элементов устройства от возможных известковых отложений на их внутренних поверхностях.
Формула изобретения
1. Устройство для получения моющих и дезинфицирующих растворов электролизом водных растворов хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов, содержащее, по меньшей мере, одну электрохимическую ячейку, выполненную из электродов, размещенных в электродных камерах и разделенных между собой диафрагмой, причем в нижних и верхних частях камер выполнены, соответственно, каналы для подвода и отвода обрабатываемого раствора, приспособления для подвода и отвода обрабатываемого раствора, соединенные, соответственно, с катодной и анодной камерами, линии подвода обрабатываемого и отвода обработанного в электродных камерах раствора (анолита и католита), соединенные с приспособлениями для подвода и отвода раствора, линию подачи воды с установленным на ней приспособлением для дозирования в подаваемую воду хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов, соединенную с линией подвода обрабатываемого раствора в электродные камеры, источник тока, положительный и отрицательный полюса которого соединены с электродами, газоотделитель, установленный на линии отвода обрабатываемого раствора из камеры отрицательного электрода, отличающееся тем, что электроды выполнены в виде плоских перфорированных пластин с размещенной между ними фильтрующей диафрагмой, а в трубопроводах подачи обрабатываемого раствора и отвода обработанного раствора установлены трехходовые краны, обеспечивающие изменение на обратное направление движения обрабатываемого потока через диафрагму.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на линиях отвода анолита и католита установлены регуляторы давления.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что катодные камеры расположены между двумя пластинами, одна из которых выполнена без перфорации.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что катодные камеры образованы двумя перфорированными пластинами.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анодные камеры расположены между двумя пластинами, одна из которых выполнена без перфорации.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анодные камеры образованы двумя перфорированными пластинами.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электроды выполнены в виде многослойных пластин.
8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что канал отвода католита соединен с каналом подвода обрабатываемого раствора в анодную камеру через камеру нерегулируемого внутреннего перетока.
9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что канал отвода католита соединен с каналом подвода обрабатываемого раствора в катодную камеру через камеру нерегулируемого внутреннего перетока.
10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что канал отвода католита из газоотделителя соединен с камерой нерегулируемого внутреннего перетока через канал отвода католита.
