Электродное устройство, электродные узлы и электролизеры
Настоящее изобретение относится к электродному устройству, включающему анодный узел и катодный узел, каждый из которых содержит: фланец, выполненный с возможностью взаимодействия с фланцем на другом электродном узле для удержания между ними двумя разделителя; электролизное отделение, содержащее электрод и при работе заполненное жидкостью, подвергаемой электролизу; вход для жидкости, подвергаемой электролизу; и выходной коллектор для выделенного газа и отработанной жидкости. При этом выходной коллектор на анодном узле или катодном узле является внешним выходным коллектором, представляющим собой выходной объем, посредством которого выделенные при электролизе газы покидают электродный узел и который обеспечен на электродном узле снаружи электролизного отделения, а выходной коллектор на другом из электродных узлов является внутренним выходным коллектором, представляющим собой выходной объем, посредством которого выделенные при электролизе газы покидают электродный узел и который обеспечен на электродном узле внутри электролизного отделения. Также изобретение относится к модульному или фильтр-прессному электролизеру, способу электролиза галоидов щелочных металлов, применению электродного в модульном или фильтр-прессном электролизере, способу восстановления электродного устройства, способу восстановления модульного или фильтр-прессного электролизера. Изобретение обеспечивает усовершенствованное электродное устройство. 8 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.
Настоящее изобретение относится к электродному устройству, электродным узлам и электролизеру, в котором используются эти устройства/узлы, в частности, но не исключительно, при электролизе хлоридов щелочных металлов.
В предшествующем уровне техники биполярные электролизеры известны и описаны, например, в GB 1581348 или US 6761808.
Биполярные электролизеры, используемые для электролиза водных растворов хлоридов щелочных металлов, могут включать электродный модуль, содержащий анод в виде плиты или сетки из металла с покрытием, как правило, титана с электролитически активным покрытием, например из оксида металла платиновой группы, и катод обычно в виде перфорированной плиты или сетки, как правило, из никеля или низкоуглеродистой стали. Анод и катод отделены разделителем, обычно перегородкой, и формируют модуль.
В модульном электролизере промышленного назначения группа таких модулей помещается последовательно так, чтобы анод одного биполярного модуля чередовался и электрически соединялся с катодом смежного биполярного модуля.
При работе электролизера биполярного типа предпочтительно действовать при возможно меньшем расстоянии между анодом и катодом (анодно/катодном промежутке), чтобы поддерживать на минимальном уровне омические потери и, следовательно, падение напряжения на ячейке.
Другой тип биполярного электролизера, так называемый "фильтр-прессный электролизер", описан, например, в GB 1595183. В таких электролизерах формируются биполярные блоки, содержащие анодный узел и катодный узел, электрически связанные друг с другом. Биполярные электродные блоки затем соединяются с биполярными электродными блоками через разделитель и уплотнительные средства, размещенные между фланцами на смежных блоках, и блоки прижимаются друг к другу, формируя фильтр-прессный электролизер.
В US 6761808 описан электродный узел, содержащий ванну с чашеобразной выемкой и фланцем, служащим для крепления прокладки, выполненной с возможностью уплотнения разделителя, помещенного между поверхностями анода и катода. Чашеобразная выемка снабжена выступами, сопрягающимися с выступами на смежном электродном узле. Эти электродные узлы могут быть собраны в электролизерные модули или биполярные электродные блоки и затем объединены, формируя модульный или фильтр-прессный электролизер.
Анодный и катодный узлы в биполярном электролизере содержат независимые входы для жидкости, подвергаемой электролизу, и выходы для выделенных газов. Как показано в US 6761808 выходы могут быть обеспечены выходными коллекторами, размещенными вне области электролиза и находящимися над электролизным отделением/пространством электродного узла. Так как эти выходы обеспечены снаружи электролизного отделения электродного узла, они могут быть названы "внешними выходными коллекторами".
Документ СА 892733 относится к электролизному устройству. В нем описано наличие внутренних коллекторов как в анолитной, так и в католитной зонах, которые, соответственно, сообщаются с внешними коллекторами каждой из последовательности зон. Поэтому в данном документе выходные коллекторы представляют собой внутренние коллекторы, в то время как внешние коллекторы представлены сборными коллекторами, аккумулирующими продукты с группы выходных коллекторов.
В US 3463722 раскрыт суживающийся (конусообразный) внешний коллектор, проходящий перпендикулярно разным электролитическим ячейкам и собирающий продукт с каждой из них. Как показано на фиг. 4 или 12-16 каждая ячейка имеет отдельный внутренний выходной коллектор, сообщающийся с общим внешним сборным коллектором.
В US 2006/108215 описан микроканальный химический реактор с суживающимися внутренними коллекторами.
В US 2004/118677 описан фильтр-прессный электролизер для электролиза воды, имеющий суживающийся внутренний коллектор.
Ныне установлено, что усовершенствованное электродное устройство может быть создано путем обеспечения или анода, или катода внешним выходным коллектором, при условии того что в то же время другой электрод обеспечивается внутренним коллектором.
Таким образом согласно первому аспекту настоящее изобретение обеспечивает электродное устройство, включающее анодный узел и катодный узел, каждый из которых содержит:
i) фланец, выполненный с возможностью взаимодействия с фланцем на другом электродном узле для закрепления между ними разделителя,
ii) электролизное отделение, содержащее электрод и при работе заполненное жидкостью, подвергаемой электролизу,
iii) вход для жидкости, подвергаемой электролизу, и
iv) выходной коллектор для выделенного газа или отработанной жидкости,
при этом выходной коллектор или на анодном узле, или на катодном узле представляет собой внешний выходной коллектор, а выходной коллектор на другом из электродных узлов представляет собой внутренний выходной коллектор.
Первый аспект настоящего изобретения относится к электродному устройству, включающему анодный и катодный узлы. В данном документе термин "электродное устройство" обозначает устройство с одним анодным узлом и одним катодным узлом. Термин "электродное устройство" охватывает как биполярные электродные блоки, так и электродные модули в зависимости от того, как соединены анод и катод.
Для облегчения понимания таких узлов и настоящего изобретения в целом далее используются следующие определения.
"Биполярный электродный блок" - это электродное устройство, содержащее анодный узел и катодный узел, электрически соединенные друг с другом. Биполярные электродные блоки могут соединяться со смежными биполярными электродными блоками через разделитель и уплотнительные средства, помещенные между фланцами смежных блоков, для формирования фильтр-прессного электролизера.
"Электродный модуль" - это электродное устройство, включающее анодный узел и катодный узел, отделенные разделителем, помещенным между соответствующими фланцами. Электродный модуль обеспечен уплотнительными средствами, формирующими полную герметизацию по жидкости и газу между разделителем и соответствующими фланцами. Электродные модули могут быть электрически соединены со смежными электродными модулями для формирования модульного электролизера.
Термин "электродный узел" обозначает отдельный катодный узел или отдельный анодный узел. Как определено в данном документе, каждый электродный узел содержит фланец, электролизное отделение, входной и выходной коллекторы.
Сам по себе термин "электролизер" обозначает электролизер фильтр-прессного типа или модульный электролизер.
"Сборный коллектор электролизера" - это объем, который собирает выделенные при электролизе газы с выходов группы выходных коллекторов и направляет их на дальнейшую обработку. Электролизер может иметь один сборный коллектор электролизера или группу сборных коллекторов электролизера, но при этом число сборных коллекторов электролизера всегда значительно меньше числа электродных узлов.
"Подающий коллектор электролизера" - это объем из которого подвергаемая электролизу жидкость направляется ко входам нескольких электродных узлов, например ко входам группы входных коллекторов, при их наличии. Электролизер может иметь один подающий коллектор электролизера или группу подающих коллекторов электролизера, но при этом число подающих коллекторов электролизеров всегда значительно меньше числа электродных узлов.
"Электролизное отделение" - это объем в электродном узле, содержащий электрод и при работе заполненный подвергаемой электролизу жидкостью.
Термин "электрод" сам по себе относится к электропроводящей плите или сетке, введенной в электролизное отделение. То же относится и к терминам "анод" и "катод" при их независимом использовании.
"Внешний выходной коллектор" - это выходной объем, посредством которого выделенные при электролизе газы покидают электродный узел, и который обеспечен в электродном узле вне электролизного отделения.
Термин "фильтр-прессный электролизер" относится к группе соединенных биполярных электродных блоков, при этом смежные биполярные электродные блоки соединены через разделитель и уплотнительные средства, введенные между фланцами смежных блоков.
Термин "вход", как он используется в данном документе, относится ко входу, через который подвергаемая электролизу жидкость поступает в электродный узел. Каждый электродный узел будет иметь по меньшей мере один вход. Предпочтительно входы имеют вид "входных коллекторов". Входы нескольких электродных узлов одного типа (анод или катод) могут питаться при работе от общего входного коллектора электролизера.
Термин "входной коллектор", как он используется в данном документе, обозначает входной объем, посредством которого подвергаемая электролизу жидкость поступает в электролизное отделение электродного узла. Обычно входной коллектор представляет собой внешний объем, ориентированный параллельно горизонтальной продольной оси электродного узла. Входы входных коллекторов нескольких электродных узлов одного типа (анод или катод) могут питаться при работе от общего входного коллектора электролизера.
"Внутренний выходной коллектор" - это выходной объем, посредством которого выделенные при электролизе газы покидают электродный узел, и который обеспечен в электродном узле внутри электролизного отделения.
Термин "модульный электролизер" относится к группе соединенных электродных модулей.
Термин "выходной коллектор", как он используется в данном документе, относится к обеспеченному в отдельном электродном узле выходному объему, посредством которого выделенные при электролизе газы покидают электродный узел. Каждый электродный узел в электролизере будет иметь выходной коллектор. Выходной коллектор конкретного электродного узла может быть внутренним или внешним.
Термин "восстановление", как он используется в данном документе, относится к ремонту, повторному нанесению покрытия и (или) замене части или всего электрода.
"Уплотнительные средства" - это детали, выполненные из химически стойких, изоляционных, эластичных материалов, и к которым могут относится прокладки, выполненные с возможностью сжатия между фланцами, и разделитель, обеспечивающие герметичное уплотнение по жидкости и газу.
Термин "разделитель" используется в отношении средства, помещенного между анодом анодного узла и катодом смежного катодного узла и обеспечивающего в то же время разделение жидкостей между соответствующими электролизными отделениями анодного и катодного узлов. Предпочтительно разделитель представляет собой электропроводную перегородку, например ионообменную мембрану.
Каждый электродный узел содержит фланец, способный взаимодействовать с фланцем на другом электродном узле, закрепляя между ними разделитель. Как правило, на фланце закрепляется прокладка, выполненная с возможностью герметизации разделителя между анодом и смежным катодом в электродном модуле или между биполярными электродными блоками в фильтр-прессном электролизере.
Хотя предпочтительные и преимущественные свойства настоящего изобретения описаны далее, исключая требования к соответствующим коллекторам, можно сказать, что в широком смысле электродные узлы предпочтительно аналогичны описанным в US 6761808.
Как описано в US 6761808 такая конструкция позволяет использовать очень малые или даже нулевые анодно/катодные промежутки без повреждения разделителя и минимизировать электрическое сопротивление за счет использования коротких перпендикулярных токоподводов между электродами и материалов с низким омическим сопротивлением почти для всего перпендикулярного токоподвода, что обеспечивает отличное распределение тока по поверхности электрода. Такой электродный узел допускает как горизонтальное, так и вертикальное течение жидкости в нем, что способствует ее циркуляции и перемешиванию, а также имеет улучшенные жесткость и прочность, создавая возможность использования меньших допусков в конструкции ячейки, ее упрощения и облегчения изготовления.
Например, каждых электродный узел предпочтительно содержит ванну с чашеобразной выемкой, причем по периферии ванны проходит фланец, и содержит электрод, отнесенный от ванны.
Каждый электродный узел содержит электролизное отделение, представляющее собой объем в электродном узле, содержащий электрод и при работе заполненный подвергаемой электролизу жидкостью. При использовании электродного узла, содержащего ванну с чашеобразной выемкой и фланцем, проходящим по периферии ванны, электролизное отделение представляет собой объем, сформированный ванной с одной стороны и разделителем, закрепленным между этим электродом и смежным электродом, с другой стороны. В частности, фланец может закреплять прокладку, выполненную с возможностью герметизации разделителя, проходящего между анодом анодного узла и катодом катодного узла, так чтобы анод был в основном параллелен и обращен к катоду, но отделен от него разделителем, а электродный узел по фланцу герметично прилегал к разделителю.
Прокладки, предназначенные для герметизации разделителя между фланцами, в основном такие же, как известные в предшествующем уровне. Они могут отличаться в анодных и катодных узлах, но обычно изготавливаются из пригодного материала с надлежащей химической стойкостью и физическими характеристиками, например из пластифицированной этил-пропилен-диеновой мономерной резины. Если материал не обладает нужным сочетанием химической стойкости и физических характеристик выполненная из него прокладка на своей внутренней границе может быть обеспечена химически стойкой подложкой, например из тефлона.
Прокладка может иметь форму рамки, предпочтительно непрерывной, так чтобы при помещении двух прокладок по обеим сторонам разделителя и приложении к ним нагрузки через ванны создавалось герметичное уплотнение модуля.
Прокладка может иметь отверстия для прохождения уплотнительных болтов.
Предпочтительно разделитель представляет собой в основном непроницаемую для электролита ионообменную мембрану. Однако не исключается, что он может быть пористой, проницаемой для электролита диафрагмой. Ионные мембраны с избирательной проницаемостью, используемые в хлор/щелочном производстве, хорошо известны в предшествующем уровне техники. Предпочтительно такая мембрана состоит из фторсодержащего полимерного материала, включающего анионные группы. Предпочтительно это включающий анионные группы полимер, содержащий C-F связи и не содержащий С-Н связей. В качестве примеров соответствующих анионных групп могут быть приведены -РО32-, -РО22- или предпочтительно -SO3- или -СОО-.
Мембрана может представлять собой одно- или многослойную пленку. Она может быть ламинирована внутри или покрыта сверху тканым материалом или микропористым слоем. Кроме того, с одной стороны или с обеих сторон она может быть покрыта химически стойким напылением из твердых частиц для улучшения смачиваемости и газопроницаемости.
При использовании мембраны с поверхностным покрытием в хлорщелочных устройствах эти поверхностные покрытия обычно формируются из оксидов металлов, инертных к данной химической среде, например циркония.
Специальные мембраны для хлорщелочных применений поставляются, например, под торговыми марками "Naflon" компанией The Chemours Company LLC (дочерней фирмой компании Е I Du Pont de Nemours and Company), "Flemion" компанией Asahi Glass Co. Ltd. и "Aciplex" компанией Asahi Kasei Co. Ltd.
Электрод представляет собой профилированную или перфорированную плиту или сетку. При работе электролиз происходит на электроде. Предпочтительно на электрод наносится каталитическое покрытие, содействующее проведению электролиза при низких напряжениях. Электроды могут быть анодами или катодами в зависимости от того, окислительная или восстановительная электрохимическая реакция протекает на них.
Чашеобразная выемка может иметь выступы, обеспечивающие возможность сопряжения электродного узла со смежным электродным узлом. Выступы в чашеобразной выемке предпочтительно разнесены друг от друга в первом направлении и в направлении, поперечном первому направлению.
Предпочтительно выемка и выступы согласно настоящему изобретению в широком смысле соответствуют раскрытым в US 6761808. Например, предпочтительно выемка или анодного, или катодного узла обеспечена группой ориентированных наружу выступов, а другой из этих электродных узлов обеспечен группой ориентированных вовнутрь выступов, причем выступы выполнены таким образом, чтобы ориентированные наружу выступы могли сопрягаться с ориентированными вовнутрь выступами на смежном электродном узле или электродном модуле в модульном электролизере. Термин "вовнутрь" в данном контексте относится к выступам, ориентированным от выемки к электролизному отделению, в то время как термин "наружу" относится к выступам, ориентированным от выемки в сторону от электролизного отделения.
Предпочтительно катодный узел содержит чашеобразную выемку, обеспеченную группой ориентированных наружу выступов, и анодный узел содержит чашеобразную выемку, обеспеченную группой ориентированных вовнутрь выступов.
Выступы в чашеобразной выемке предпочтительно разнесены друг от друга в первом направлении и в направлении, поперечном первому направлению. Более предпочтительно выступы симметрично разнесены друг от друга. Например, они могут быть разнесены друг от друга на равные расстояния в первом направлении, и разнесены друг от друга на равные расстояния, которые могут быть такими же, в поперечном направлении, например проходящем под прямым углом к первому направлению. Предпочтительно разнесение друг от друга выступов может быть одинаковым в обоих направлениях.
Предпочтительно каждый выступ в чашеобразной выемке с возможностью проведения тока соединен с электропроводным элементом, так что выступы обеспечивают множество точек подвода тока, тем самым улучшая распределение тока по ванне, приводящее к снижению напряжения, более низким энергозатратам и продлению срока службы разделителя и электродного покрытия.
Выступы в чашеобразной выемке могут иметь различные формы, например купола, стакана, конуса или усеченного конуса. Согласно настоящему изобретению предпочтительной формой является усеченный конус. Такие выступы просты в изготовлении, обеспечивая в то же время повышенную стойкость к воздействию давления.
В настоящем изобретении предусматривается обычно приблизительно 20-200, предпочтительно 60-120 выступов/кв. метр в чашеобразной выемке ванны электродного узла.
Высота выступов от плоскости у дна чашеобразной выемки может лежать, например, в диапазоне 0,5-0,8 см, предпочтительно 1-4 см в зависимости от глубины ванны. Расстояние между соседними выступами в чашеобразной выемке может составлять, например, 1-30 см от центра до центра, предпочтительно 5-20 см. Размеры электродного узла в направлении прохождения тока предпочтительно лежат в диапазоне 1-6 см при измерении от электрода до плоскости у дна чашеобразной выемки, чтобы обеспечить короткий путь прохождения тока, гарантируя низкое падение напряжения в электродном узле без использования сложных токопроводящих устройств.
Согласно настоящему изобретению вход для жидкости может представлять собой любой пригодный вход, например одну или несколько труб, в общем находящихся у нижней части электродного узла. Например, труба может быть обеспечена у дна электродного узла, проходя по всей его ширине от одного края к другому и обеспечивая подачу жидкости в электродный узел. Например, при использовании электролизера для электролиза солевых растворов вход должен позволять подачу едкого вещества в катодный узел и подачу солевого раствора в анодный узел. Отверстия могут быть разнесены по длине входа для улучшения распределения жидкости по ширине электродного узла. Количестве отверстий для любой конкретной конструкции может быть легко подсчитано специалистом.
Выделенные газы отводятся из электродных узлов через выходной коллектор. Хотя в данном случае выходные коллекторы описаны в связи с газами, выделенными в процессе электролиза, через выходной коллектор с выделенными газами в общем отводится также отработанная жидкость/суспензия. В выходном коллекторе происходит газожидкостное разделение, так что газ и жидкость могут быть выведены по-отдельности. Потоки газа и жидкости покидают выходной коллектор через одно или несколько отверстий, предпочтительно через одно выходное отверстие, расположенное у одного из краев коллектора.
Как правило, потоки газа и жидкости выходят из выходного коллектора в сборный коллектор электролизера, через который они направляются в последующий процесс. Выходы выходных коллекторов нескольких электродных узлов одного типа (анод или катод) объединяются при работе в общий сборный коллектор электролизера. Электролизер может иметь один сборный коллектор электролизера или группу сборных коллекторов электролизера, но при этом число сборных коллекторов электролизеров всегда меньше числа электродных узлов. Чтобы не возникло неясностей, следует отметить, что в данном случае выходной коллектор - это самостоятельный элемент, отличный от сборного коллектора электролизера не в последнюю очередь потому, что каждый электродный узел содержит свой выходной коллектор, в то время как газ из группы электродных узлов поступает в один сборный коллектор электролизера.
Другой момент различия заключается в ориентации выходных коллекторов и сборных коллекторов.
В частности, каждый выходной коллектор согласно настоящему изобретению представляет собой внешний объем, ориентированный параллельно горизонтальной продольной оси электродного узла. Это дает возможность выходному коллектору сообщаться (и тем самым отводить выделенный газ и отработанную жидкость) в нескольких точках по длине электродного узла, что обеспечивает более эффективный отвод.
Наоборот, сборный коллектор электролизера обычно ориентирован в направлении, перпендикулярном продольным горизонтальным осям отдельных электродных узлов, так как его задача состоит в сборе выделенного газа (и жидкости) с группы выходных коллекторов группы электродных узлов.
В настоящем изобретении выходной коллектор или на анодном узле, или на катодном узле представляет собой внешний выходной коллектор, а выходной коллектор на другом из электродных узлов представляет собой внутренний выходной коллектор.
Во избежание неясностей, следует отметить, что, в то время как заявленное электродное устройство содержит как электродный узел с наружным выходным коллектором, так и электродный узел с внутренним выходным коллектором, отдельные электродные узлы предпочтительно содержат или только внутренний выходной коллектор, или только внешний выходной коллектор, но не внутренний внешний выходные коллекторы в одном электродном узле.
В настоящем изобретении термин "внутренний выходной коллектор" относится к выходному объему, обеспеченному в электродном узле внутри электролизного отделения. Обычно внутренние выходные коллекторы дешевле в изготовлении, так как для них требуется меньше металла. Кроме того, электродные узлы с внутренними выходными коллекторами имеют то преимущество, что допускают более высокое номинальное давление, а работа при более высоком давлении позволяет снизить напряжение. Предпочтительно внутренний выходной коллектор располагается у верхней части электролизного отделения или вблизи нее. Предпочтительно верхний край внутреннего выходного коллектора располагается ниже верхнего уровня фланца на электродном узле.
Внутренний выходной коллектор обычно сообщается с электролизного отделения через одно или несколько выходных отверстий или прорезей. Предпочтительно при проведении электролиза газожидкостная смесь, получающаяся в процессе электролиза, поступает вверх через электролизное отделение и затем растекается горизонтально из верхней части электролизной области во внутренний выходной коллектор через одно или несколько выходных отверстий или прорезей, сформированных между верхом стенки выходного коллектора и верхней частью электролизного отделения.
Во внутреннем выходном коллекторе, предпочтительно проходящем в основном по всей ширине электродного узла, газожидкостная смесь быстро разделяется.
Предпочтительно внутренний выходной коллектор имеет в основном прямоугольное поперечное сечение. Высота и ширина выходных отверстий или прорезей и площадь поперечного сечения выходного коллектора могут выбираться в зависимости, в числе прочего, от плотности тока, площади электрода и температуры, так чтобы он вписывался по глубине в электролизное отделение, обеспечивая достаточно места для свободной циркуляции в последнем жидкостей и газов, и в то же время обеспечивая пространство в самом коллекторе, достаточное для поддержания прохождения вдоль коллектора расслоенного газожидкостного потока, предпочтительно со сглаженной границей.
Внутренний выходной коллектор может иметь одно или несколько разных значений по глубине в зависимости от его формы. Как правило, максимальная глубина внутреннего выходного коллектора составляет 30%-85% глубины электролизного отделения, более предпочтительно 50%-70% глубины электролизного отделения. Высота внутреннего выходного коллектора определяется так, чтобы обеспечивалась требуемая площадь поперечного сечения, зависящая от формы и глубины выходного коллектора. В данном контексте "глубина" измеряется вдоль оси, перпендикулярной плоскости задней стенки электродной ванны, в то время как "высота" измеряется вдоль оси в плоскости задней стенки электродной ванны, которая вертикальна при работе ванны. Третье измерение "ширина" определяется вдоль оси в плоскости задней стенки электродной ванны, которая горизонтальна при работе ванны.
Выходные отверстия или прорези выполнены так, чтобы гарантировать разбиение газовой фазы на пузырьки, распределенные в непрерывной жидкой фазе в электролизном отделении и проходящие сквозь выходные прорези без преждевременного высвобождения газа или закупоривания. Высота выходной прорези обычно составляет 2-20 мм, предпочтительно 5-10 мм. Если обеспечены несколько выходных прорезей, они предпочтительно распределяются равномерно по ширине электролизного отделения. Предпочтительно общая длина выходной прорези или прорезей занимает более 70% ширины электролизного отделения, более предпочтительно превышает 90%. Более предпочтительно выходная прорезь обеспечивается так, чтобы превышать всю ширину (100%) электролизного отделения.
Предпочтительно внутренний выходной коллектор сообщается с внешним трубопроводом через единичное отверстие.
Использование внешнего выходного коллектора на одном из электродов имеет то преимущество, что верхняя область электролизного отделения может поддерживаться в состоянии "наполненности жидкостью", и, следовательно, при этом вероятность повреждения разделителя, вызванная формированием газового объема, прилегающего к разделителю, в верхней области электролизного отделения, снижается и часто исключается.
Кроме того, так как соответствующие газы не скапливаются в верхней части электролизного отделения на обеих сторонах от разделителя, изобретение исключает любой риск просачивания газа с одной стороны на другую. Например, для случая водорода и хлора это может привести к риску формирования взрывоопасной смеси этих газов. (Как правило, в результате миграции водорода, так как водородная сторона разделителя обычно работает при несколько более высоком давлении, чем хлорная сторона).
В настоящем изобретении термин "внешний выходной коллектор" относится к выходному объему, обеспеченному в электродном узле вне электролизного отделения. Предпочтительно низ внешнего выходного коллектора располагается выше верхнего уровня электролизного отделения.
В общем, во внешнем выходном коллекторе газожидкостная смесь распространяется вверх от области электролиза через одно или несколько выходных отверстий или прорезей у верха электролизного отделения во внешний выходной коллектор. Во внешнем выходном коллекторе может поддерживаться определенный уровень жидкости. В предпочтительном варианте выполнения внешний выходной коллектор обеспечивается в основном по всей ширине электродного узла. Предпочтительно одна или несколько выходных прорезей простираются фактически на ту же ширину, что и внешний выходной коллектор.
Глубина выходных прорезей должна выбираться с учетом, среди прочего, плотности тока, площади электрода и температуры, так чтобы газовая фаза разбивалась на пузырьки в непрерывной жидкой фазе. Глубина выходной прорези обычно составляет приблизительно 5-70%, предпочтительно 10-50% от глубины электролизного отделения, то есть от расстояния между плоскостью, проведенной через край чашеобразной выемки, и разделителем, при его наличии.
Во внешнем выходном коллекторе, проходящем в основном по всей ширине электродного узла, газожидкостная смесь быстро разделяется.
Предпочтительно внешний выходной коллектор имеет в основном прямоугольное поперечное сечение. Площадь внешнего выходного коллектора может быть определена с учетом среди прочего плотности тока, площади электрода и температуры, так чтобы поддерживать прохождение вдоль коллектора расслоенного газожидкостного потока, предпочтительно со сглаженной границей.
Однако теперь установлено, что может быть создан усовершенствованный электродный узел с внешним выходным коллектором, если VE/(AE×LE) меньше 1, где VE - внутренний объем внешнего выходного коллектора в см, AE -площадь внутреннего поперечного сечения на выходном краю коллектора, и LE - внутренняя длина.
В данном документе длина, объем и площадь определяются внутри внешнего коллектора. Внутренняя длина равна минимальному расстоянию по внутренней прямой линии от выходного края до противоположного края коллектора. По настоящему изобретению длина, площадь поперечного сечения и объем должны определяться, игнорируя наличие внутренних элементов в коллекторе.
Термин объем, VE, определяется как общий объем, заключенный внутри электродного блока над плоскостью, проходящей горизонтально вдоль оси в том же направлении, что и протяженность коллектора и находящейся у дна канала, по которому газы и жидкости, образованные у электрода, проходят к выходному краю.
В известных коллекторах с постоянным поперечным сечением по длине, например прямоугольным, значение VE/(AE×LE) равно 1.
Значение VE/(AE×LE), меньшее 1, можно получить, если коллектор имеет непостоянное поперечное сечение по своей длине.
Более предпочтительно, если VE/(AE×LE) меньше 0,95. Нижний предел для этой величины отсутствует, но VE/(AE×LE), как правило, может быть меньше 0,7, например 0,4.
Значение VE обычно меньше 3100 см3, например меньше 2800 см3, например 2300 см3.
Предпочтительно значение AE составляет по меньшей мере 7 см2 и предпочтительно по меньшей мере 15 см2.
Длина анода LE, как правило, больше 50 см и предпочтительно больше 150 см, например 230 см.
Объем, длина и площадь внутреннего поперечного сечения у выходного края внутреннего выходного коллектора (V1, L1 и A1) также могут быть такими, чтобы значение V1/(A1×L1) было меньшей 1, например меньше 0,75. Нижний предел для этой величины отсутствует, но V1/(A1×L1), как правило, может быть меньше 0,55, например 0,35.
В предпочтительном варианте выполнения отношение VE/(AE×LE) меньшее 1 достигается за счет выполнения внешнего выходного коллектора конусообразным (суживающимся), так чтобы площадь поперечного сечения возрастала по длине в направлении к выходному краю. Однако очевидно, что возможны другие варианты, как например коллектор со ступенчатым уменьшением поперечного сечения, для которого также может быть получено требуемое соотношение.
Например, для суживающегося коллектора может требоваться меньшее количество металла по сравнению с выходным коллектором постоянного сечения. Другое преимущество суживающегося выходного коллектора заключается в том, что требуется меньше средств усиления конструкции, таких как увеличение толщины металла или введение крепежных элементов, для обеспечения возможности работы при повышенных давлениях, что снижает стоимость изготовления.
Другое конкретное преимущество настоящего изобретения состоит в том, что, если только или анодный выходной коллектор, или катодный выходной коллектор представляют собой внешний выходной коллектор, остается больше пространства над электродным модулем или биполярным электродным блоком для представленного одиночного выходного коллектора, что обеспечивает большую вариабельность его конструкции, в частности в отношении глубины в горизонтальном направлении. (Во избежание неясности, "глубина", как этот термин используется при описании коллектора, для согласования с термином, использованным при описании электродного узла в общем, измеряется вдоль оси, перпендикулярной плоскости задней стенки электродной ванны). Это обеспечивает возможность дальнейших улучшений, касающихся разделения, происходящего в коллекторе.
Например, глубина внешнего выходного коллектора может превышать глубину электролизного отделения электродного узла, с которым этот коллектор связан. В порядке частного примера, внешний выходной коллектор электродного узла, имеющего такой внешний выходной коллектор, может занимать пространство, в вертикальном направлении превышающее смежный электродный узел в электродном модуле, биполярном электродном блоке, модульном электролизере или фильтр-прессном электролизере.
Кроме того, использование внутреннего выходного коллектора снижает толщину металла, идущего на изготовление электролизера, способного работать при повышенном давлении, по сравнению с альтернативным вариантом с двумя внешними коллекторами, так как внутреннему коллектору не нужно быть устойчивым к воздействию давления. Поэтому для внутреннего выходного коллектора может использоваться меньше металла и металл меньшей толщины.
В частном предпочтительном варианте выполнения выходной коллектор на анодном узле представляет собой внешний выходной коллектор, а выходной коллектор на катодном узла - внутренний выходной коллектор. Это предпочтительно, так как установлено, что разделитель наиболее подвержен повреждению, вызываемому формированием газового пространства вблизи разделителя на анодной стороне в верхней области электролизного пространства, а также из-за того, что отделение образовавшегося хлора от отработанного солевого раствора является наиболее проблематичным. Причина заключается, например, в плотности, вязкости и поверхностном натяжении смеси газообразного хлора и жидкого соляного раствора из-за которых, в частности, смесь хлора и соляного раствора наиболее подвержена пенообразованию.
Внешний выходной коллектор, расположенный над электролизной полостью, дает возможность минимизировать эти проблемы, так как при таком расположении область газовыделения смещается от разделителя, а также обеспечивает гибкость при проектировании его формы и размера, улучшающих разделение.
Один из выходных коллекторов или оба они могут содержать один или несколько поперечных элементов, и, в частности, поперечные элементы могут располагаться вдоль части или вдоль всей длины и прикрепляться с внутренней стороны к стенкам коллектора. Предпочтительно поперечные элементы представляют собой прикрепленные к стенкам коллектора (ов) планки, проходящие внутри, например, горизонтально, вдоль всей длины выходного коллектора (ов). Поперечные элементы могут быть снабжены проходящими сквозь планки отверстиями, связывающими верхнюю и нижнюю части.
Такие поперечные элементы могут быть обеспечены, например, для увеличения номинального давления коллектора. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере внешний выходной коллектор содержал один или несколько таких поперечных элементов.
Было однако установлено, что поперечные элементы могут способствовать улучшению разделения в коллекторе. Таким образом, даже если нет необходимости в увеличении номинального давления, как например во внутреннем коллекторе, использование поперечных элементов имеет преимущества и является предпочтительным.
В предпочтительном электродном узле, содержащем чашеобразную выемку (при этом по периферии ванны проходит фланец, и имеется электрод, отнесенный от ванны), между чашеобразной выемкой и электродом сформированы электропроводные токоподводы.
В одном из вариантов выполнения чашеобразную выемку с электродом могут соединять токопроводные стойки (далее просто "стойки").
Электропроводные токоподводы предпочтительно сформированы в виде носителей тока, содержащих центральную часть, от которой отходят одно или несколько ответвлений, при этом концы ответвлений (ножек) носителей тока электрически соединены с электродом.
В наиболее предпочтительных вариантах выполнения электропроводные токоподводы содержат один или несколько носителей тока, каждый из которых включает центральную часть, от которой отходят одно или несколько ответвлений (ножек), концы которых электрически соединены с электродом, при этом центральные части электрически соединены с чашеобразной выемкой ванны. Предпочтительно центральные части электрически соединены с чашеобразной выемкой ванны стойками, то есть электропроводные токоподводы сформированы в виде стоек, проходящих от выступов чашеобразной выемки к носителям тока, каждый из которых содержит центральную часть, от которой отходят одно или несколько ответвлений, концы которых (ножки) электрически соединены с электродом.
Напомним, что такая конфигурация в общем описана в US 6761808. Например, носители тока представляют собой предпочтительно носители тока с несколькими ответвлениями, и концы ответвлений (ножек) носителей тока электрически соединены с электродом, образуя то, что далее для удобства называется "звездочкой". Электрические соединения могут быть выполнены без использования стоек; например, в случае анодного узла вершина каждого ориентированного вовнутрь выступа может быть электрически соединена с анодной плитой с помощью носителя тока. Однако предпочтительно использование стоек и носителей тока.
Введение звездочек увеличивает количество и улучшает распределение точек подвода тока к электропроводной плите и, следовательно, улучшает распределение тока, что приводит к снижению напряжения и потребления энергии, а также к продлению срока службы разделителей и электродных покрытий.
Длина ответвлений и их количество в звездочках, при наличии последних, может меняться в широком диапазоне. Обычно каждая звездочка имеет от 2 до 100 ответвлений, предпочтительно от 2 до 8 ответвлений. Как правило, каждое ответвление имеет длину от 1 до 200 мм, предпочтительно от 5 до 100 мм. Специалист путем несложного эксперимента может определить надлежащие длины и количество ответвлений звездочки для любой практической задачи.
Звездочка может быть гибкой или жесткой. Форма и механические свойства звездочек анодного узла могут быть такими же, как форма и механические свойства звездочек катодного узла, или отличаться от них. В предпочтительном варианте выполнения ответвления носителей тока, связанных с анодным узлом, могут быть короче ответвлений носителей тока, связанных с катодным узлом, например короче на 5-50%, предпочтительно на 10-30%. Например, часто относительно неупругие звездочки с короткими ответвлениями предпочтительны в анодном узле, и относительно упругие звездочки с длинными ответвлениями предпочтительны в катодном узле.
Использование подпружиненных звездочек по меньшей мере у катодной плиты приводит к подпружиненным электродным узлам, обеспечивающим возможность работы с нулевым зазором при оптимальном давлении, что минимизирует риск повреждения разделителя/электрода. Под "нулевым зазором" подразумевается, что практически отсутствует зазор между электропроводной плитой каждого электродного узла и примыкающим разделителем, то есть смежные электропроводные плиты при работе отделяются только разделителем.
Использование такой конфигурации со стойками и носителями тока имеет также преимущество, заключающееся в возможности отсоединения и замены электрода.
Анодный носитель тока может изготавливаться из вентильного металла или его сплава. "Вентильные металлы" - это металлы, на которых под воздействием воздуха образуется пассивирующая оксидная пленка. Широко известные вентильные металлы, подпадающие под это определение, включают Ti, Zr, Hf, Nb, Та, W, Al и Bi. Анодные носители тока предпочтительно изготавливают из титана или его сплавов.
Катодные носители тока могут изготавливаться из таких материалов, как нержавеющая сталь, никель или медь, особенно никель или его сплавы.
Каждый носитель тока предпочтительно изготавливается из того же металла, что электропроводная плита, с которой он электрически контактирует, и более предпочтительно каждая стойка, с которой он контактирует также изготавливается из того же металла.
Поэтому стойка анодного узла ("анодная стойка") может изготавливаться из вентильного металла и предпочтительно из титана или его сплава, в то время как стойка катодного узла ("катодная стойка") может изготавливаться из нержавеющей стали, никеля или меди, особенно из никеля или его сплава. В таком случае длина электропроводного токоподвода через катодную стойку предпочтительно больше длины электропроводного токоподвода через анодную стойку. Предпочтительно отношение длины электропроводного токоподвода через катодную стойку к длине электропроводного токоподвода через анодную стойку составляет по меньшей мере 2:1, предпочтительно по меньшей мере 4:1 и более предпочтительно по меньшей мере 6:1. Наиболее просто это достигается при использовании катодного узла, содержащего чашеобразную выемку, обеспеченную группой ориентированных наружу выступов, при этом анодный узел содержит чашеобразную выемку, обеспеченную группой ориентированных вовнутрь выступов.
Стойки и центральная часть носителей тока могут нести нагрузку, и в этом случае они предпочтительно совмещаются с отверстиями в электроде. Могут быть обеспечены электроизоляционные, несущие нагрузку пальцы, расположенные у концов стоек/носителей тока, прилегающих к электроду.
Соответствующие стойки и пальцы могут быть обеспечены в смежном электродном блоке, так чтобы при закреплении между ними разделителя нагрузка передавалась от комбинации стойка/носитель тока/палец на одной стороне разделителя через разделитель комбинации палец/носитель тока/стойка на другой стороне разделителя. Приложение нагрузки способствует поддержанию хорошего электрического контакта ванны на одной стороне разделителя с ванной смежного электродного блока, в то время как изоляционные пальцы передают нагрузку через разделитель, не вызывая его механического повреждения. Так как в этих точках электролиз не протекает, разделитель не подвержен никакому электролизному повреждению.
Предпочтительная конфигурация представлена на фиг. 1-6 и будет рассмотрена далее.
Изоляционные пальцы могут быть выполнены полностью из изоляционного материала или из проводящего материала с изоляционной насадкой или прокладкой, прилегающей к мембране.
Такие изоляционные прокладки могут быть выполнены из непроводящего материала, устойчивого к химической среде в ячейке, например из такого фторполимера, как тефлон, сополимер тетрафторэтилена и гексафторпропилена, перфторалкокси-сополимер фторопласт, хлорированный поливинилхлорид и из фторкаучуков. Прокладки могут быть обеспечены на металлических штифтах, расположенных на обращенной к разделителю стороне.
В частности, в катодном узле несущие нагрузку изоляционные пальцы могут быть выполнены из никеля, снабженного изолирующей фторполимерной насадкой, а в анодном узле несущие нагрузку изоляционные пальцы могут быть выполнены из титана, снабженного изолирующей фторполимерной насадкой.
Носители тока предпочтительно выполнены таким образом, чтобы в электродном модуле, содержащем анодный узел и катодный узел, собранные с уплотнительными средствами и разделителем, в области между соседними рядами и столбцами выемок максимальное расстояние любой точки разделителя от ближайшей ножки носителя тока, скрепленного с анодом, или от ближайшей ножки носителя тока, скрепленного с катодом, составляло 50 мм или менее, например 30-50 мм.
В еще одном предпочтительном варианте ответвления или ножки носителей тока или анодного, или катодного узла выполнены упругими, в то время как носители тока другого электродного узла выполнены жесткими, так что при разделении анодного и катодного узлов проходящим между ними разделителем упругие ответвления или ножки передают давление от электрода одного узла через разделитель на электрод другого. Предпочтительно давление, прикладываемое со стороны одного электрода к другому (через разделитель), составляет более 0 г/см2 и менее 400 г/см2, например менее 100 г/см2, и предпочтительнее составляет более 10 г/см2 и/или менее 40 г/см2.
Способность обеспечения низких уровней давления за счет использования упругих ответвлений/ножек является преимуществом, так как создает возможность приложения давления с минимальным риском повреждения разделителя.
Как правило, в конкретном электродном узле ванна, электрод, вход и выходы жидкости, а также электропроводные токоподводы изготавливаются из одинакового материала. В анодном узле это предпочтительно титан. В катодном узле это предпочтительно никель.
Один или оба электродных узла могут быть снабжены перегородками, например, делящими электродный узел на две сообщающиеся потоковые зоны, протянувшиеся вертикально вверх по электролизеру, что способствует увеличению скорости внутренней циркуляции жидкости, создавая гидродинамический лифт.
Например, одна или несколько перегородок предпочтительно обеспечены в анодном и катодном узлах, формируя первый канал между первой стороной перегородки и электродной плитой и второй канал между второй стороной перегородки и чашеобразной выемкой ванны, при этом первый и второй каналы сообщаются друг с другом предпочтительно по меньшей мере у верха или низа электродного узла или вблизи них. Первый канал обеспечивает канал подъема газонасыщенного солевого раствора к выходному коллектору у верха электродного узла. Второй канал обеспечивает канал движения вниз дегазованного солевого раствора, опускающегося к нижней части электродного узла. Предпочтительно перегородки располагаются вертикально. Перегородки используют газлифтный эффект выработанного газа для усиления циркуляции и смешивания жидкости, что дает определенные преимущества.
Усиленное смешивание в анодном и катодном узлах минимизирует градиенты концентрации и температуры в них, что продляет срок службы анодного покрытия и мембраны. В частности в анодном узле усиленное смешивание позволяет использовать высококислые солевые растворы для получения низких уровней содержания кислорода в хлоре без повреждения мембраны за счет присоединения иона водорода. Усиление перемешивания в катодном узле позволяет непосредственно добавлять деионизированную воду для поддержания постоянного уровня концентрации каустика после его отбора.
Обеспечение на перегородке наклонной плоскости в верхней области электродного узла улучшает также разделение жидкости и газа за счет ускорения направленного вверх потока газожидкостной смеси из области электролиза, что усиливает слипание газовых пузырьков.
Перегородки изготавливаются из материала, стойкого к воздействию химической среды в ячейке. Перегородки в анодном узле могут изготавливаться из фторполимера или подходящего металла, например титана или его сплава. Перегородки в катодном узле могут изготавливаться из фторполимера или подходящего металла, например никеля.
В предпочтительном варианте выполнения на проводящих стойках, соединенных с носителями тока, могут быть обеспечены буртики. Это может облегчить установку перегородок в электродном узле, что упрощает изготовление.
Согласно настоящему изобретению электродное устройство может представлять собой "биполярный электродный блок" или "электродный модуль" в зависимости от вида связи между анодом и катодом.
Биполярный электродный блок содержит анодный узел и катодный узел, электрически соединенные друг с другом. Предпочтительно при конкретном использовании предпочтительных электродных узлов, содержащих ванну с чашеобразной выемкой, чашеобразная выемка анодной ванны и чашеобразная выемка катодной ванны электрически соединены, предпочтительно у вершин выступов.
Электропроводность может достигаться за счет использования соединительных средств или за счет непосредственного контакта между электродными узлами. Электропроводность может быть увеличена за счет применения материалов, повышающих проводимость, или повышающих проводимость средств на наружных поверхностях ванн. В качестве примера повышающих электропроводность материалов могут быть упомянуты, среди прочего, проводящие углеродные пены, проводящие смазки и покрытия из металлов с высокой проводимостью, например из серебра и золота.
Предпочтительно анодный и катодный узлы в биполярном электродном блоке электрически соединяются сваркой, сваркой взрывом или болтовым соединением.
Далее настоящее изобретение рассмотрено более подробно со ссылкой на прилагаемые, не служащие ограничением чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - поперечное сечение верхней части биполярного электродного блока согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2 - поперечное сечение верхней части электродного модуля согласно настоящему изобретению;
на фиг. 3А и 3Б - примеры "звездочек", пригодных для использования в анодном и катодном узлах, соответственно;
на фиг. 4А и 4Б - крупным планом предпочтительные конструкции поперечных элементов во внешнем и внутреннем выходных коллекторах;
на фиг. 5 - вид в изометрии анодного узла согласно настоящему изобретению;
на фиг. 6 - поперечное сечение нижней части биполярного электродного блока согласно настоящему изобретению.
На фиг. 1 представлен биполярный электродный блок, включающий анодный узел (10) и катодный узел (30).
Анодный узел (10) включает фланец (11) и чашеобразную выемку (12) с ориентированным вовнутрь выступом (13), формирующим электролизное отделение (14), содержащее анод (15). Анодный узел имеет внешний выходной коллектор (16). Как правило, анод (15) представляет собой перфорированную плиту.
Катодный узел (30) включает фланец (31) и чашеобразную выемку (32) с ориентированным наружу выступом (33), формирующим электролизное отделение (34), содержащее катод (35). Катодный узел имеет внутренний выходной коллектор (36). Как правило, катод (35) представляет собой перфорированную плиту.
Анодный узел (10) электрически соединен с катодным узлом (30) через увеличивающее электропроводность средство (50), расположенное между ориентированным вовнутрь выступом (13) на анодном узле (10) и ориентированным наружу выступом (33) на катодном узле (30).
Практически существует множество ориентированных вовнутрь и ориентированных наружу выступов на каждом электродном узле, а также множество увеличивающих электропроводность средств, так что при подгонке друг к другу двух электродных узлов эти средства обеспечивают хорошую электропроводность между вершинами выступов (33) катодных узлов и выступов (13) анодных узлов. Увеличивающее электропроводность средство может представлять собой абразивное средство или (что более предпочтительно) биметаллический диск. При поставке биполярного электродного блока в предварительно собранном виде для использования в фильтр-прессном электролизере увеличивающее электропроводность средство (50) может полностью отсутствовать, а анодный и катодный узлы соединяться электрически и механически посредством обычной сварки, сварки взрывом или болтовым соединением.
Анодный и катодный узлы содержат также электропроводные стойки (17, 37), соединенные с соответствующими выступами (13, 33), и носителями тока (19, 39), каждый из которых имеет форму с центральной частью и с двумя или более ответвлениями, и которые называются "звездочками". Звездочки (19, 39), закреплены между соответствующими стойками (17, 37) и соответствующими электродами (15, 35). В местоположениях соответствующих стоек (17, 37) в электродах (15, 35) проделаны отверстия, и пальцы (18, 38) вводятся в эти отверстия и упираются в центральную опорную часть звездочек (19, 39).
Через выходную прорезь у верхнего края анодного узла (10) формируется поток жидкости из анодной электролизной ванны (14) во внешний выходной коллектор (16), причем эта выходная прорезь располагается непосредственно над анодом (15).
Формируется также поток жидкости из катодной электролизной ванны (34) во внутренний выходной коллектор (36) через прорезь во внутреннем выходном коллекторе в верхней части катодного узла (30).
На фиг. 2 представлен электродный модуль, включающий анодный узел (10) и катодный узел (30). Анодный и катодный узлы в широком смысле соответствуют представленному на фиг. 1, и для соответствующих элементов, уже описанных в связи с фиг. 1, используется та же нумерация. Однако в данном случае соответствующие электродные узлы представлены сочлененными, с анодом (15) и катодом (35), обращенными друг к другу, и с мембраной (51) между ними. В частности, фланцы (11, 31) обеспечены крепежными элементами (20, 40) с отверстиями для прохождения болтов (не показаны), соединяющими анодный узел (10) и катодный узел (30), двумя прокладками (52) и мембраной (51) для формирования модуля согласно настоящему изобретению. Мембрана (51) проходит вниз через электродный модуль между анодом (15) и катодом (35), обеспечивая разделение потока между соответствующими электролизными ваннами (14, 34) анодного и катодного узлов (10, 30).
Звездочка (19) в анодной электролизной ванне (14) содержит дискообразную центральную часть (12), которая может соединяться с торцом стойки (17), например сваркой, винтовым креплением или запрессовкой, и некоторое число ответвлений (22), расходящихся от центральной части (21) и соединенных у своих свободных краев с анодом (15), например сваркой. Как правило, ответвления (22) скомпонованы так, чтобы ток, подаваемый через стойку (17), распределялся между некоторым числом эквидистантно разнесенных точек вокруг стойки (17).
Звездочка (39) в катодной электролизной ванне (34) содержит дискообразную центральную часть (41), которая может соединяться с торцом стойки (37), например сваркой, винтовым креплением или запрессовкой, и некоторое число ответвлений (42), расходящихся от центральной части (41) и соединенных у своих свободных краев с катодом (35), например сваркой. Как правило, ответвления (42) скомпонованы так, чтобы ток, подаваемый через стойку (37), распределялся между некоторым числом эквидистантно разнесенных точек вокруг стойки (37).
На практике при изготовлении электродных узлов (10, 30) звездочки (19, 39) могут быть приварены или другим образом скреплены с электродами (15, 35) и затем в дальнейшем приварены или другим образом скреплены со стойками (17, 37). Такая компоновка облегчает замену или восстановление анодно/катодных плит или обновление/замену электролитически активного покрытия на них.
На фиг. 2 показаны также перегородки (23, 43), которые могут служить для разделения, соответственно, каждой анодной ванны и каждой катодной ванны на две сообщающиеся зоны для обеспечения рециркуляции жидкости, как будет рассмотрено далее. Введение перегородок необязательно, но особо предпочтительно, чтобы перегородки были обеспечены в анодной ванне. Не вдаваясь в теорию, можно полагать, что рециркуляция в анодной ванне приносит пользу в обеспечении увеличенных скоростей электролиза, например содействуя процессу при повышенной плотности тока.
Перегородки (23, 43) могут монтироваться на электропроводных стойках (17, 37). Каждая из стоек может быть обеспечена буртиком (24, 44), облегчающим установку и точное позиционирование перегородок.
На фиг. 2 показаны также поперечный элемент (25) во внешнем выходном коллекторе (16) анода и поперечный элемент (45) во внутреннем коллекторе (36) катода.
На фигурах 3А и 3Б представлены, соответственно, примеры "звездочек", пригодных для использования в анодном и катодном узлах.
В соответствии с фиг. 3А звездочка содержит дискообразную центральную часть (21) и четыре ответвления (22), отходящих от центральной части (21). Ответвления (22) расходятся от центра симметрично, так чтобы при работе подвод тока равномерно распределялся между несколькими эквидистантно расположенными точками.
Особенно для целей электролиза галоидов щелочных металлов анодные звездочки изготавливаются из вентильных металлов или их сплавов.
В соответствии с фиг. 3Б звездочка содержит дискообразную центральную часть (41) и четыре ответвления (42), отходящих от центральной части (41). Ответвления (42) расходятся от центра симметрично, так чтобы при работе подвод тока равномерно распределялся между несколькими эквидистантно разнесенными точками.
Особенно для целей электролиза галоидов щелочных металлов катодные звездочки могут изготавливаться из таких материалов, как нержавеющая сталь, никель или медь.
Как показано, ответвления (42) катодной звездочки длиннее и выполнены так, чтобы слегка пружинить, в то время как ответвления (22) катодной звездочки короче и более жесткие.
На фиг. 4А и 4Б крупным планом представлены предпочтительные конструкции поперечных элементов (25) и (45), соответственно. Предпочтительная конструкция поперечного элемента (25), размещенного во внешнем выходном коллекторе (16), напоминает "лестницу", в то время как предпочтительная конструкция поперечного элемента (45), размещенного во внутреннем выходном коллекторе (36), имеет вид пластин с круглыми отверстиями. Как показано на фиг. 4Б, в выходном коллекторе (36) может размещаться несколько поперечных элементов (45). Хотя на фиг. 1 и 2 показан только один поперечный элемент (25), в выходном коллекторе (16) также могут размещаться несколько поперечных элементов.
На фиг. 5 более детально представлен анодный узел (10) с ориентированными вовнутрь полусферическими выступами (13) и суживающимся внешним выходным коллектором (16). На фиг. 5 показаны также приводимые в качестве примера места измерения АЕ и LE.
На фиг. 6 дано поперечное сечение нижней части биполярного электродного блока. Так же как для ранее приведенных чертежей для уже описанных, совпадающих элементов используется одинаковая нумерация. На данном чертеже анодный узел обеспечен анодной входной трубой (26), а катодный узел обеспечен катодной входной трубой (46). В соответствующих входных трубах обеспечены отверстия (не показаны) для поступления жидкости в соответствующие электролизные ванны, причем отверстия выполнены так, чтобы жидкость, выходящая из них, направлялась к задней части чаш за перегородками (23, 43), способствуя перемешиванию. Перегородки (23, 43) проходят вертикально в соответствующих анодных и катодных ваннах от нижнего края электродного узла к его верху и формируют два канала в каждом электродном узле, которые сообщаются по меньшей мере у верха и низа узла.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения обеспечен модульный или фильтр-прессный электролизер, включающий группу электродных узлов по первому варианту выполнения.
Например, настоящее изобретение может обеспечивать электролизер типа фильтр-пресса, содержащий группы соединенных биполярных катодных блоков, причем смежные биполярные электродные блоки скрепляются через разделитель и уплотнительные средства, размещенные между фланцами смежных блоков. Предпочтительно разделитель и уплотнительные средства размещаются, как описано, между электродными узлами при их выполнении в виде электродных модулей по первому аспекту изобретения.
Альтернативно, настоящее изобретение может обеспечивать модульный электролизер, содержащий группу соединенных электродных модулей. В этом случае электродные модули могут быть связаны друг с другом путем обеспечения соответствующих электрических соединений между смежными модулями.
Например, чашеобразная выемка анодной ванны и чашеобразная выемка катодной ванны смежных модулей электрически соединяются, предпочтительно, у вершин выступов.
Электропроводность может обеспечиваться за счет использования соединительных средств или за счет плотного контакта между электродными узлами. Электропроводность может быть увеличена обеспечением материалов, повышающих проводимость, или повышающих проводимость средств на наружных поверхностях ванн. В качестве примера повышающих электропроводность материалов могут быть упомянуты среди прочего проводящие углеродные пены, проводящие смазки и покрытия из металлов с высокой проводимостью, например из серебра и золота.
При соединении друг с другом смежных электродных модулей использование обычной сварки, сварки взрывом или болтовых соединений не является предпочтительным. Наоборот, предпочтительны соединения, сформированные при тесном физическом контакте между смежными электродными блоками.
Повышающие электропроводность средства, способные улучшить контакт, включают электропроводные биметаллические контактные прокладки, диски или пластины, электропроводные металлические средства, такие как кольцевые прокладки, или электропроводные металлические средства, выполненные с возможностью: (а) зачищать поверхность ванн или проникать сквозь нее путем прокола или прорези сквозь любое электроизоляционное покрытие на поверхности ванны, например оксидную пленку, и (б) по меньшей мере предотвращать образование изоляционного слоя между этим средством и поверхностью ванны (что может быть названо "абразивным средством"). Такие средства более подробно описаны в US 6761808. Число модулей или биполярных блоков может быть выбрано специалистом с учетом, наряду с прочим, производительности, ресурсов мощности и напряжения, а также определенных ограничений, известных специалисту. Однако, как правило, модульный или фильтр-прессный электролизер по второму аспекту настоящего изобретения содержит от 5 до 300 модулей.
Согласно третьему аспекту изобретения обеспечен способ электролиза галоидов щелочных металлов, включающий приложение электролиза к галоидам щелочных металлов в модульном или фильтр-прессном электролизере, выполненном по второму аспекту изобретения.
Модульный или фильтр-прессный электролизер согласно третьему аспекту настоящего изобретения может действовать в соответствии с известными способами. Например, он обычно действует при абсолютных давлениях от 50 до 600 кПа (0,5-6 бар), предпочтительно от 50 до 180 кПа (500-1800 мбар).
Жидкость, подвергаемая электролизу, подается во входные трубы каждого электродного узла. Например, при использовании электролизера для электролиза солевых растворов входные трубы должны позволять подачу едкого вещества в катодный узел и подачу солевого раствора в анодный узел. Продукты, а именно хлор и обедненный солевой раствор из анодного узла и водород и едкая щелочь из катодного узла, извлекаются из соответствующих коллекторов.
Электролиз может проводиться при высокой плотности тока, то есть >6 кА/м2.
Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение обеспечивает электродный узел, содержащий:
ванну с чашеобразной выемкой и фланцем, способным взаимодействовать с фланцем на втором электродном узле для удержания разделителя между ними, при этом чашеобразная выемка имеет также группу ориентированных вовнутрь или наружу выступов, способных сопрягаться с соответствующими выступами на третьем электродном узле в электродном блоке или модульном электролизере,
вход для жидкости, подвергаемой электролизу, и
выходной коллектор для выделенного газа и отработанной жидкости,
при этом выходной коллектор представляет собой сужающийся выходной коллектор с увеличивающейся площадью поперечного сечения в направлении течения газожидкостного потока к выходным отверстиям.
Предпочтительно внешний выходной коллектор согласно данному аспекту изобретения содержит один или несколько внутренних поперечных элементов, расположенных на части или на всей горизонтальной протяженности коллектора и внутренне прикрепленных к его стенкам.
Согласно данному аспекту изобретения глубина внешнего выходного коллектора может превышать глубину заявленного электродного узла. В частности, будучи присоединенным ко второму и (или) третьему электродному узлу в электродном модуле, электродном блоке или модульном электролизере внешний выходной коллектор заявленного электродного узла может занимать пространство, по вертикали выходящее за второй и (или) третий электродные узлы.
Другие свойства электродного узла могут быть, в основном, такими же, как для первого аспекта изобретения. Например, предпочтительный электродный узел содержит чашеобразную выемку, обеспеченную группой ориентированных вовнутрь выступов.
В наиболее предпочтительном варианте выполнения по данному аспекту изобретения фланец охватывает периферию чашеобразной выемки и служит для крепления прокладки, выполненной с возможностью уплотнения разделителя, помещенного между электродной поверхностью заявленного электродного узла и электродной поверхностью второго электродного узла, так чтобы электродные поверхности были в основном параллельны и обращены друг к другу, но отделены друг от друга разделителем, формируя с ним герметичное уплотнение. Кроме того, электродный узел содержит электрод, отнесенный от ванны, но соединенный с ней электропроводными токоподводами, проходящими между ванной и электродом, однако следует учесть, что, если заявленный электродный узел обеспечен группой ориентированных вовнутрь выступов, электрод может быть электрически соединен непосредственно с ванной.
Предпочтительно электродный узел представляет собой анодный узел. В частности, как уже описано, разделитель наиболее подвержен повреждению, вызываемому формированием газового пространства вблизи разделителя на анодной стороне в верхней области электролизного отделения, а также происходящему из-за того, что отделение образовавшегося хлора от обедненного солевого раствора является наиболее проблематичным. Внешний выходной коллектор, расположенный над электролизного отделения, дает возможность минимизировать эти проблемы, так как при таком расположении область газовыделения смещается от разделителя, а также обеспечивает гибкость при проектировании его формы и размера, улучшающих разделение.
Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение обеспечивает электродный узел, содержащий:
ванну с чашеобразной выемкой и фланцем, способным взаимодействовать с фланцем на втором электродном узле для удержания разделителя между ними, при этом чашеобразная выемка имеет также группу ориентированных вовнутрь или наружу выступов, способных сопрягаться с соответствующими выступами на третьем электродном узле в электродном блоке или модульном электролизере, и
вход для жидкости, подвергаемой электролизу, и выходной коллектор для выделенного газа и отработанной жидкости, при этом выходной коллектор заявленного электродного узла представляет собой внутренний выходной коллектор, и выходные коллекторы второго и третьего электродных узлов представляют собой внешние выходные коллекторы.
Предпочтительно внутренний выходной коллектор согласно данному аспекту изобретения содержит один или несколько внутренних поперечных элементов, расположенных на части или на всей горизонтальной протяженности коллектора и внутренне прикрепленных к его стенкам.
Согласно данному аспекту изобретения глубина внешних выходных коллекторов второго и третьего электродных узлов может превышать глубину электродных узлов, так чтобы в случае соединения заявленного электродного узла со вторым и (или) третьим электродными узлами в электродном модуле, электродном блоке или модульном электролизере внешний выходной коллектор второго или третьего электродных блоков мог занимать пространство вертикально над заявленным электродным узлом.
Так же, как и ранее, другие свойства электродного узла могут быть, в основном, такими же, как для первого аспекта изобретения. Например, предпочтительный электродный узел содержит чашеобразную выемку, обеспеченную группой ориентированных наружу выступов.
В наиболее предпочтительном варианте выполнения по данному аспекту изобретения фланец охватывает периферию чашеобразной выемки и служит для крепления прокладки, выполненной с возможностью уплотнения разделителя, помещенного между электродной поверхностью заявленного электронного узла и электродной поверхностью второго электродного узла, так чтобы электродные поверхности были в основном параллельны и обращены друг к другу, но отделены друг от друга разделителем, формируя с ним герметичное уплотнение. Кроме того, электродный узел содержит электрод, отнесенный от ванны, но соединенный с ней электропроводными токоподводами, проходящими между ванной и электродом, однако следует учесть, что, если заявленный электродный узел является анодным электродным узлом, электрод может быть непосредственно электрически соединен с ванной.
Согласно данному аспекту изобретения электродный узел предпочтительно представляет собой катодный узел.
Наконец, настоящее изобретение обеспечивает также способы восстановления электродных устройств или модульных или фильтр-прессных электролизеров согласно изложенным выше аспектам.
Например, способ восстановления электродного устройства может включать:
а) обеспечение электродного узла,
б) восстановление электродного узла, включающее:
i) отделение электрода и соединенных с ним носителей тока от ванны или от стоек, с которыми носители тока соединены, и
ii) последующее повторное прикрепление к ванне того же электрода после его восстановления или сменного электрода путем прикрепления носителей тока, соединенных с восстановленным или сменным электродом, к ванне или стойками, и
в) повторную сборку электродного узла.
При необходимости в восстановлении анодной или катодной плиты электродного узла она может быть снята с узла путем удаления упругих прокладок для раскрытия центральных частей носителей тока и тем самым обеспечения возможности их отделения от стоек или, при отсутствии стоек, от электродной ванны. После отделения носителей тока анод и катод могут быть затем сняты для восстановления. Восстановление электрода может включать восстановление его частей и (или) повторное нанесение покрытий, при необходимости. Альтернативно электрод может быть заменен на полностью новый электрод. Новый или восстановленный электрод затем повторно физически и электрически соединяется, например точечной сваркой, резьбовыми соединениями или за счет плотной посадки.
Восстановление электродных устройств, используемых в хлорщелочном процессе, требуется в общем через каждые несколько лет.
В альтернативном варианте выполнения способ восстановления электродного устройства может включать:
а) обеспечение электродного узла, и
б) восстановление электрода этого электродного узла в то время, как электрод все еще прикреплен к ванне.
Восстановление может включать:
i) удаление электродного покрытия с электрода, находящегося в ванне в нормальном положении,
ii) освобождение от примесей, очистка и сушка электродного узла,
iii) устранение конструктивных повреждений, например путем удаления сетки растрескивания или заусенцев и наварки на свободных от покрытия участках обновления,
iv) повторное нанесение покрытия непосредственно в ванне.
1. Электродное устройство, включающее анодный узел и катодный узел, каждый из которых содержит:
фланец, выполненный с возможностью взаимодействия с фланцем на другом электродном узле для удержания между ними двумя разделителя;
электролизное отделение, содержащее электрод и при работе заполненное жидкостью, подвергаемой электролизу;
вход для жидкости, подвергаемой электролизу; и
выходной коллектор для выделенного газа и отработанной жидкости,
причем выходной коллектор на анодном узле или катодном узле является внешним выходным коллектором, представляющим собой выходной объем, посредством которого выделенные при электролизе газы покидают электродный узел и который обеспечен на электродном узле снаружи электролизного отделения, а выходной коллектор на другом из электродных узлов является внутренним выходным коллектором, представляющим собой выходной объем, посредством которого выделенные при электролизе газы покидают электродный узел и который обеспечен на электродном узле внутри электролизного отделения.
2. Устройство по п. 1, в котором каждый выходной коллектор представляет собой обеспеченный на индивидуальном анодном или катодном узле объем, посредством которого выделенный газ выходит из анодного или катодного узла в сборный коллектор электролизера, представляющий собой объем, собирающий выделенные при электролизе газы, поступающие с выходов группы выходных коллекторов, и направляющий их на дальнейшую обработку.
3. Устройство по п. 2, в котором каждый выходной коллектор представляет собой объем, вытянутый параллельно продольной горизонтальной оси электродного узла.
4. Устройство по п. 1, в котором VE/(AE × LE) меньше 1, где VE - внутренний объем внешнего выходного коллектора в см3, AE - площадь внутреннего поперечного сечения у выходного края коллектора, LE - внутренняя длина.
5. Устройство по п. 4, в котором внешний выходной коллектор выполнен конусообразным и увеличивается по площади поперечного сечения в направлении течения газожидкостного потока к его выходному отверстию или отверстиям.
6. Устройство по п. 1, в котором один или оба выходных коллектора содержат один или несколько внутренних поперечных элементов, расположенных вдоль части или вдоль всей длины коллектора и внутренне скрепленных с его стенками, и в котором поперечные элементы представляют собой планки, проходящие внутри по длине выходного коллектора(ов) и скрепленные со стенками коллектора(ов).
7. Устройство по п. 6, в котором поперечные элементы обеспечены проходящими сквозь планки отверстиями, связывающими верхнюю и нижнюю части.
8. Устройство по п. 1, в котором внешний выходной коллектор электродного узла, имеющего такой внешний выходной коллектор, занимает пространство, находящееся по вертикали над смежным электродным узлом в электродном модуле, электродном блоке, модульном электролизере или фильтр-прессном электролизере.
9. Устройство по п. 1, в котором выходной коллектор на анодном узле представляет собой внешний выходной коллектор, а выходной коллектор на катодном узле представляет собой внутренний выходной коллектор.
10. Устройство по любому из пп. 1-9, в котором в каждом из анодного и катодного узлов:
электролизное отделение содержит ванну с чашеобразной выемкой, фланец, проходящий по периферии ванны и служащий для крепления прокладки, выполненной с возможностью герметизации разделителя между анодной поверхностью анодного узла и катодной поверхностью катодного узла, так что анодная поверхность в основном параллельна и обращена к катодной поверхности, но отделена от нее разделителем и герметично контактирует с разделителем; и
электрод отнесен от ванны, но соединен с ней электропроводными токоподводами, проходящими между ванной и электродом, при условии, что электродный узел является анодным электродным узлом, электрод может быть непосредственно электрически соединен с ванной, и
при этом электропроводные токоподводы содержат одну или несколько проводящих стоек, обеспеченных буртиками, на которые могут крепиться перегородки для улучшения циркуляции жидкостей и газа в электродном узле.
11. Устройство по п. 10, в котором чашеобразная выемка анодного или катодного узла обеспечена группой ориентированных наружу выступов, а другой из этих электродных узлов обеспечен группой ориентированных вовнутрь выступов, причем выступы выполнены таким образом, чтобы ориентированные наружу выступы могли сопрягаться с ориентированными вовнутрь выступами в смежном электродном узле или электродном модуле в модульном электролизере.
12. Модульный или фильтр-прессный электролизер, содержащий группу электродных устройств по любому из пп. 1-10.
13. Способ электролиза галоидов щелочных металлов, включающий воздействие на галоиды щелочных металлов электролизом в модульном или фильтр-прессном электролизере по п. 12.
14. Применение электродного узла по п. 10 в модульном или фильтр-прессном электролизере, содержащего:
ванну с чашеобразной выемкой и фланцем, способным взаимодействовать с фланцем на втором электродном узле для удержания разделителя между ними двумя, причем чашеобразная выемка имеет группу ориентированных вовнутрь или наружу выступов, способных сопрягаться с соответствующими выступами на третьем электродном узле в электродном блоке или модульном электролизере;
вход для жидкости, подвергаемой электролизу; и
выходной коллектор для выделенного газа и отработанной жидкости, который является внутренним выходным коллектором.
15. Применение по п. 14, причем внутренний выходной коллектор содержит один или несколько внутренних поперечных элементов, расположенных вдоль части или вдоль всей горизонтальной протяженности коллектора и внутренне прикрепленных к его стенкам.
16. Применение по п. 14, причем электродный узел представляет собой катодный узел.
17. Способ восстановления электродного устройства по п. 10, включающий:
а) обеспечение электродного узла, представляющего собой анодный узел или катодный узел;
б) восстановление электродного узла, включающее:
i) отделение электрода и прикрепленных носителей тока от ванны или от стоек, с которыми носители тока соединены, и
ii) последующее повторное прикрепление к ванне того же электрода после его восстановления или сменного электрода путем прикрепления носителей тока, соединенных с восстановленным или сменным электродом, к ванне или упомянутым стойкам; и
в) повторную сборку электродного узла.
18. Способ восстановления электродного устройства по п. 10, включающий:
а) обеспечение электродного узла, представляющего собой анодный узел или катодный узел;
б) восстановление электрода этого электродного узла, в то время как электрод все еще прикреплен к ванне.
19. Способ восстановления модульного или фильтр-прессного электролизера, включающий восстановление одного или нескольких электродных устройств согласно способу по п. 17.
20. Способ восстановления модульного или фильтр-прессного электролизера, включающий восстановление одного или нескольких электродных устройств согласно способу по п. 18.
