Устройство для получения водорода и кислорода

Авторы патента:

 

C25B1/10 - Электролитические способы; электрофорез; устройства для них (электродиализ, электроосмос, разделение жидкостей с помощью электричества B01D; обработка металла воздействием электрического тока высокой плотности B23H; обработка воды, промышленных и бытовых сточных вод или отстоя сточных вод электрохимическими способами C02F 1/46; поверхностная обработка металлического материала или покрытия, включающая по крайней мере один способ, охватываемый классом C23 и по крайней мере другой способ, охватываемый этим классом, C23C 28/00, C23F 17/00; анодная или катодная защита C23F; электролитические способы получения монокристаллов C30B; металлизация текстильных изделий D06M 11/83; декоративная обработка текстильных изделий местной

Владельцы патента RU 2456378:

Общество с ограниченной ответственностью "Диал" (RU)

Устройство для получения водорода и кислорода относится к электролизерам фильтр-прессного типа и может быть использовано в различных отраслях промышленности, например для производства газопламенных работ, с применением стандартных горелок, или для получения водорода в качестве энергоносителя. В предложенном устройстве исключены колебания уровней электролита в электролизных ячейках и перенос пузырьков кислорода в водород, а водорода в кислород через перфорации диафрагм (8) путем сохранения неизменного давления газов в ячейках электролизера (1), который снабжен сообщающимися сосудами (10) и (11), частично заполненными электролитом, в который погружены концы газоотводных трубок (12) и (13), соединенных с кислородным и водородным каналами электролизера (1). Емкость с кислородом содержит трубку (15), конец которой находится на уровне электролита, соединенную с подпитывающим сосудом (3), который через клапан подпитки (4) соединен с электролизером (1). Подпитывающий сосуд (3) разделен перегородкой на две части, при этом в нижней части находится полый поплавок (23) с иглой (24), перекрывающей поступление воды из верхней части. Через верхнюю часть проходит кислородный трубопровод (25), соединенный с мембранным устройством выравнивания давления газов (5) в сообщающихся емкостях электролизера. Техническим результатом изобретения является повышение КПД электролизера. 1 ил.

 

Устройство предназначено для получения водорода и кислорода и использования получаемых газов для производства газопламенных работ, для технологических нужд, кислорода в медицинских целях и водорода для водородной энергетики.

Известны наиболее простые электролизеры, у которых анод и катод установлены в колоколах, обеспечивающих разделение и получение наиболее чистого кислорода и водорода, помещенных в открытые или закрытые коробки с электролитом (Л.М.Якименко, И.Д.Модылевская, З.А.Ткачек. Электролиз воды, Изд. Химия, М. 1970. Стр.99. Рис.111-2, а-б, в-г).

Недостаток таких устройств - низкий КПД, не превышающий 50%. Поэтому такие устройства используют для получения малых количеств газов высокой чистоты, например для газопламенной хроматографии.

Наиболее близким аналогом является вариант устройства для газопламенных работ по патенту №2359795 от 11 мая 2007 г. (стр.16, Фиг.6 описания). Устройство состоит из электролизера, устройства выравнивания давлений газов, подпитывающего сосуда, диэлектрического клапана, блока управления и датчика температуры. Электролизер установлен наклонно и состоит из биполярных электродов, разделенных кольцевыми диэлектрическими прокладками, стянутых между концевыми плитами стержнями с упругими компенсаторами. Электролизные ячейки разделены диэлектрическими перфорированными диафрагмами.

Недостаток устройства состоит в непрерывных колебаниях уровня электролита в электролизных ячейках, обусловленного поочередным перемещением жидкостных пробок электролита по газоотводным трубкам в подпитывающий сосуд при подпитке, что вызывает перенос пузырьков кислорода в водород и пузырьков водорода в кислород через перфорации диафрагм.

Технической задачей является получение водорода и кислорода, аналогичного по чистоте получаемым в электролизерах колокольного типа, но с высоким КПД и длительным периодом непрерывной работы, с возможностью заправки водой в процессе работы.

Поставленная задача решается устройством для получения водорода и кислорода, состоящим из установленного наклонно электролизера фильтр-прессного типа с плоскими электродами и диэлектрическими перфорированными диафрагмами для разделения получаемых газов, подпитывающего сосуда, мембранного устройства выравнивания давления, диэлектрического клапана подпитки, блока управления и датчика температуры.

Для решения поставленной задачи электролизер содержит две емкости, сообщающиеся друг с другом и частично заполненные электролитом, в который помещены газоотводные трубки, соединенные с каналами кислорода и водорода электролизера. Емкость с кислородом содержит трубку, конец которой находится на уровне электролита, соединенную с подпитывающим сосудом, который через клапан подпитки соединен с электролизером. Подпитывающий сосуд разделен перегородкой на две части - в нижней части находится полый поплавок с иглой, перекрывающей поступление воды из верхней части, через которую проходит кислородный трубопровод. Мембранное устройство выравнивания давления газов в сообщающихся емкостях электролизера снабжено выходными штуцерами с калиброванными отверстиями, соединено трубопроводом с подпитывающим сосудом, а водородная часть соединена трубопроводом с водородной емкостью электролизера и с предохранительным клапаном.

Отличия от прототипа состоят в том, что электролизер содержит две емкости, сообщающиеся друг с другом и частично заполненные электролитом, в который помещены газоотводные трубки, соединенные с каналами кислорода и водорода электролизера. Емкость с кислородом содержит трубку, конец которой находится на уровне электролита, соединенную с подпитывающим сосудом, который через клапан подпитки соединен с электролизером. Подпитывающий сосуд разделен перегородкой на две части - в нижней части находится полый поплавок с иглой, перекрывающей поступление воды из верхней части, через которую проходит кислородный трубопровод. Мембранное устройство выравнивания давления газов в сообщающихся емкостях электролизера снабжено выходными штуцерами с калиброванными отверстиями, соединено трубопроводом с подпитывающим сосудом, а водородная часть соединена трубопроводом с водородной емкостью электролизера и с предохранительным клапаном.

Указанные отличия обеспечивают выполнение поставленной задачи. Газоотводные трубки, соединенные с каналами кислорода и водорода электролизера и помещенные в электролит в сообщающихся емкостях электролизера, обеспечивают равенство давлений газов в электролизных ячейках и газоотводных каналах электролизера на основании закона Паскаля, а избыточный электролит из газоотводных каналов стекает вниз, не образуя пробок. Конвекционное перемешивание электролита между анодной и катодной частями электролизной ячейки, обусловленное его разной плотностью, происходит крайне медленно и переносит только растворенные газы. Растворимость газов при малых давлениях и повышенных температурах незначительна, и условий для их выделения в стационарном режиме работы нет.

Емкость с кислородом содержит трубку, конец которой находится на уровне электролита, соединенную с подпитывающим сосудом. Через эту трубку в подпитывающий сосуд возвращается избыточный электролит в виде жидкостных пробок, число которых снижено в связи с тем, что клапан подпитки автоматически регулирует подпитку в соответствии с расходом воды.

Подпитывающий сосуд разделен перегородкой на две части - в нижней части находится полый поплавок с иглой, перекрывающей поступление воды из верхней части, через которую проходит кислородный трубопровод. Малое количество воды, вводимое в оборот для подпитки, обеспечивает неизменный и оптимальный состав электролита, соответствующий наибольшему КПД. Верхняя часть подпитывающего сосуда может иметь любую емкость и к ней возможно подсоединение дополнительной емкости двумя кранами, которую можно полностью заправлять водой в процессе работы электролизера, закрыв краны и открывая их после полного заполнения дополнительного сосуда.

Мембранное устройство выравнивания давления газов в сообщающихся емкостях электролизера снабжено выходными штуцерами с калиброванными отверстиями, соединено трубопроводом с подпитывающим сосудом, а водородная часть соединена трубопроводом с водородной емкостью электролизера и с предохранительным клапаном. Использование выходных штуцеров с калиброванными отверстиями позволяет получать давление газов, пропорционально их количеству, что обеспечивает автоматическую регулировку подпитки и выключение устройства со сбросом давления газов при превышении заданного давления в аварийных ситуациях, что повышает надежность и безопасность.

На фиг.1 показана схема устройства для получения водорода и кислорода.

Устройство для получения водорода и кислорода, показанное на фиг.1, состоит из электролизера 1, блока питания и управления 2, подпитывающего сосуда 3, клапана подпитки 4, мембранного устройства выравнивания давлений 5 и предохранительного клапана 6.

Электролизер 1 состоит из биполярных электродов 7, разделенных перфорированными диафрагмами 8 и диэлектрическими рамками 9, а также кислородной емкости 10 и водородной емкости 11 с электролитом, образующих сообщающиеся сосуды, в которых установлены газоотводные трубки 12 и 13, соединенные с газоотводными каналами электролизных ячеек. Выходной штуцер 14 кислородной емкости 10 имеет патрубок 15, конец которого находится на уровне электролита. Водородная емкость 11 имеет выходной штуцер 16. Все детали расположены между концевыми плитами 17 и 18 с концевыми упругими элементами 19 и стянуты стержнями 20.

Блок питания и управления 2 аналогичен известному по прототипу. Для включения использован электромагнитный пускатель, в самоблокирующуюся цепь которого включены нормально замкнутые контакты микропереключателя 21 предохранительного клапана 6, электромагнит которого закрывает клапан. Термодатчик 22 находится на наружной поверхности электролизера 1. Разрядный ток определяется положением регулятора тока, и поэтому измерительный прибор может отсутствовать.

Подпитывающий сосуд 3 разделен по высоте на две части. В нижней части находится поплавок 23 с иглой 24, перекрывающей поступление воды из верхней части, через которую проходит кислородный трубопровод 25, и расположен выходной штуцер 26, соединенный трубопроводом с мембранным устройством выравнивания давлений 5. Выходной штуцер 14 кислородной емкости 10 соединен трубопроводом с патрубком 27, расположенным под поплавком 23. Штуцер 28 с фильтром соединен трубопроводом с клапаном подпитки 4.

Клапан подпитки 4 содержит подвижную пластинку 29 с выступом, который через винт приподнимает поршень, прижимавший эластичную мембрану к отверстию выходного патрубка 30, открывая клапан 4 при заправке электролизера электролитом через подпитывающий сосуд 3. После заправки электролитом пластинка 29 с выступом отводится в сторону, и подпружиненный поршень опускается, прижимая мембрану к отверстию патрубка 30. Давлением кислорода на поршень клапан 4 открывается пропорционально расходу кислорода, обеспечивая необходимую подпитку электролита электролизера 1.

Мембранное устройство выравнивания давлений 5 состоит из емкости, разделенной эластичной мембраной 31. Каждая из разделенных частей снабжена входными патрубками для кислорода 32 и водорода 33, а также калиброванными выходными патрубками для водорода 34 и кислорода 35. Через перекрываемый мембраной 31 патрубок 36 выводится избыточный кислород, а патрубок 37 соединен трубопроводом с предохранительным клапаном 6.

Предохранительный клапан 6 состоит из электромагнита 38 с магнитопроводом и подпружиненным якорем, который связан штоком с поршнем, прижимающим эластичную мембрану к отверстию патрубка 39, закрывая его. Выступающая часть штока упирается в кнопку микропереключателя 21, разрывая нормально замкнутые контакты. Предохранительный клапан 6 предназначен для автоматического выключения устройства и сброса давлений газов в случае перегрева электролизера 1 и в случае превышения давления газов выше допустимого.

Устройство для получения водорода и кислорода готовят к работе следующим образом. Снимают защитный чехол электролизера. Заливают электролит (29-30% водный раствор КОН) в подпитывающий диэлектрический сосуд 3, фиг.1, и открывают диэлектрический клапан 4 подпитки перемещением подвижной пластины 28 в положение, показанное на фиг.1. Заполнение ячеек электролизера 1 контролируют по уровню электролита в подпитывающем диэлектрическом сосуде 3 и омметром. Залив заданное количество электролита (6,4 литра), подвижную пластину 28 сдвигают вправо, что приводит к закрытию клапана. В подпитывающий сосуд 3 заливают дистиллированную воду и закрывают горловину пробкой. Устанавливают защитный чехол. Устройство готово к работе.

Работу устройства для получения водорода и кислорода рассмотрим на примере его использования для производства газопламенных работ. Для этого к патрубкам 34 и 35 мембранного устройства выравнивания давлений 5 подсоединяют шланги стандартной газосварочной горелки и открывают кран подачи водорода, закрывая кран подачи кислорода. Если предполагается использование кислородной резки, то к патрубку 36 мембранного устройства выравнивания давлений 5 подсоединяют шланг кислородного резака. Включают устройство и устанавливают регулятор тока в положение, соответствующее выбранному расходу водорода. Поджигают водород и, открывая кислородный кран горелки, формируют требуемый факел пламени для газосварки. Для кислородной резки закрывают кислородный кран горелки и, подогревая место реза водородным пламенем, осуществляют резку. При необходимости регулятор тока переводят на больший ток.

При использовании водорода в качестве технологической среды требуется осушение известными методами: сорбционными, криогенными, диффузионными. Выбор метода осушения и дополнительной очистки определяется требованиями к технологической среде в непрерывном потоке. При необходимости заполнения емкостей осуществляют отвод от потока.

Получаемый кислород может быть использован в медицинских целях. Двукратная барботажная промывка в электролите и возможная дополнительная промывка в чистой воде верхней части подпитывающего сосуда 3 полностью исключают щелочной туман, да он и не образуется. Многочисленными наблюдениями установлена техника образования пузырьков газа - они растут и, достигнув определенного размера, отрываются и поднимаются вверх, оставляя на своем месте зародыш будущего пузырька. Поднимающиеся пузырьки отрывают на своем пути относительно большие пузырьки. Мелкие пузырьки не отрываются. Микроскопические брызги образуются в момент разрушения пузырьков на поверхности жидкости. Такие брызги немногочисленны, тумана не образуют и довольно быстро оседают, что видно при выключении потока газа.

При использовании устройства для получения водорода в энергетических целях регулятор тока устанавливают на максимально возможный ток для длительной и непрерывной работы. Фактический ток определяется источником тока и не может быть больше максимально возможного тока. В остальном работа устройства аналогична предшествующим случаям.

Технико-экономические преимущества использования предложенного устройства для получения водорода и кислорода состоят в получении газов, пригодных для практического использования в различных целях без дополнительной очистки и с высоким КПД.

Устройство для получения водорода и кислорода, состоящее из установленного наклонно электролизера фильтр-прессного типа с плоскими электродами и диэлектрическими перфорированными диафрагмами для разделения получаемых газов, подпитывающего сосуда, мембранного устройства выравнивания давления, диэлектрического клапана подпитки, блока управления и датчика температуры, отличающееся тем, что электролизер содержит две емкости, сообщающиеся друг с другом и частично заполненные электролитом, в которые помещены концы газоотводных трубок, соединенные с каналами кислорода и водорода электролизера, а емкость с кислородом содержит трубку, конец которой находится на уровне электролита, соединенную с подпитывающим сосудом, который через клапан подпитки соединен с электролизером, причем подпитывающий сосуд разделен перегородкой на две части, и в нижней части находится полый поплавок с иглой, перекрывающей поступление воды из верхней части, через которую проходит кислородный трубопровод, соединенной с мембранным устройством выравнивания давления газов в сообщающихся емкостях электролизера, имеющим выходные штуцера с калиброванными отверстиями, а водородная часть соединена трубопроводом с водородной емкостью электролизера и с предохранительным клапаном.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к водородной энергетике. .

Изобретение относится к катоду для диафрагменных электролизеров, в частности для использования в диафрагменных электролизерах для получения хлора и щелочи, ограниченному электропроводящей перфорированной поверхностью и имеющему внутреннее пространство, содержащее два наложенных один на другой элемента, предназначенных для улучшения распределения жидкости и электрического тока.

Изобретение относится к катоду для диафрагменных электролизеров, в частности для использования в диафрагменных электролизерах для получения хлора и щелочи, ограниченному электропроводящей перфорированной поверхностью и имеющему внутреннее пространство, содержащее два наложенных один на другой элемента, предназначенных для улучшения распределения жидкости и электрического тока.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электролизеру для высокотемпературного электролиза, преимущественно реагента в жидкой или паровой фазе, который работает в аллотермическом режиме.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электролизеру для высокотемпературного электролиза, преимущественно реагента в жидкой или паровой фазе, который работает в аллотермическом режиме.

Изобретение относится к коллектору тока для электрохимических ячеек диафрагменного или мембранного типа, содержащему слой, полученный путем сплетения или переплетения множества первых наборов металлических проволок с множеством одиночных металлических проволок или вторых наборов металлических проволок и снабженный по существу параллельными гофрами, при этом полученный слой сопряжен с плоским элементом, состоящим из полотна или уплощенного чулка, образованного путем переплетения одиночной металлической проволоки.

Изобретение относится к «водородной» энергетике и может быть использовано на станциях заправки водородом перспективного автотранспорта на топливных элементах.

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к устройствам для электролиза водных растворов электролитов, и может быть использовано в различных процессах электролизного получения различных химических продуктов.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) работающих на водороде. .

Изобретение относится к изготовлению коррозионно-стойких электродов, применяемых для выделения металлов из промышленных растворов методом электроэкстракции, при нанесении гальванических покрытий драгоценными и цветными металлами, электрохимическом производстве хлора и кислорода, при электрохимической катодной защите от коррозии металлических конструкций, а также и в других различных областях промышленности

Изобретение относится к тепловой ячейке отопительной батареи и может быть использовано в технике для нагрева воды

Изобретение относится к области высокотемпературной электрохимии, в частности к электролитическому получению нановискерных структур оксида меди, и может быть использовано в технологии катализаторов

Изобретение относится к газопламенной обработке материалов водородно-кислородным пламенем с получением водородно-кислородной смеси электролизом воды непосредственно на месте сварки
Изобретение относится к области получения растворов гипохлоритов электролизом, в частности к способу электрохимического получения раствора гипохлоритов магния и меди

Изобретение относится к электрохимическим устройствам и может быть использовано в электролизном производстве, связанном с получением газов

Изобретение относится к электрохимическим устройствам и может быть использовано в электролизном производстве, связанном с получением газов
Наверх