магнитодинамический аппарат для производства гидроксида натрия электрохимическим способом на переменном токе

Формула изобретения

Магнитодинамический аппарат для производства гидроксида натрия электрохимическим способом на переменном токе, содержащий систему магнитодинамических электролизеров, приемник соляной кислоты, приемник каустической соды с выводным патрубком, накопитель соляной кислоты с выводным патрубком, трубопроводную магистраль с коллектором подвода рассола поваренной соли к магнитодинамическим электролизерам, трубопроводную магистраль с коллектором сбора и отвода хлора и водорода из магнитодинамических электролизеров в приемник соляной кислоты, трубопроводную магистраль для отвода соляной кислоты в накопитель соляной кислоты с выводным патрубком, трубопроводную магистраль с коллектором отвода каустической соды из магнитодинамических электролизеров в приемник каустической соды с выводным патрубком, линию электропередачи переменного тока от блока электропитания с коммутационной аппаратурой к магнитодинамическим электролизерам, при этом магнитодинамические электролизеры выполнены в виде системы коаксиальных трубчатых проводников, электрически соединенных последовательно по гидропотоку.

Описание изобретения к патенту

Магнитодинамический аппарат для производства гидроксида натрия электрохимическим способом на переменном токе предназначен для полной механизации и автоматизации технологического процесса получения гидроксида натрия, поэтому он может быть использован на современных химических предприятиях, занятых производством соды каустической и др.

В настоящее время для указанной выше цели применяются электролизеры с твердым катодом (диафрагменный метод производства) или электролизером с жидким (ртутным) катодом, описанные в литературе, например [1, 2].

Так как производство каустической соды с помощью электролизеров с ртутным катодом получило преимущественное распространение в связи с его большой производительностью и низкой стоимостью, то присущее этому методу производства ртутное загрязнение привело к резкому ухудшению экологической обстановки в регионах размещения соответствующих предприятий, что нашло отражение в многочисленных документах и публикациях, например [3, 4].

Особенности устройства и работы всех известных электролизеров связаны с известной низкой электропроводностью электролитов, в том числе и рассолов поваренной соли, служащих исходным сырьем в упомянутом технологическом процессе. Свойства электролитов описаны в литературе, например [5].

Известно окислительно-восстановительное действие переменного тока на вещества в растворах и расплавах, описанное в [6, 7].

Более того, в настоящее время известны аппараты для индуцирования токов в электропроводящей среде, описанные в литературе, например [8, 9, 10].

Из уровня техники не известно магнитодинамических аппаратов для производства гидроксида натрия электрохимическим способом на переменном токе.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является осуществление технологического процесса по производству гидроксида натрия из рассола поваренной соли с помощью индукционных токов, что позволяет предотвратить использование электродов, обеспечить непрерывный технологический процесс с полной механизацией и автоматизацией всех операций, включая загрузку сырья и извлечение продукции.

Поставленная техническая задача достигается тем, что магнитодинамический аппарат для производства гидроксида натрия электрохимическим способом на переменном токе, содержащий систему магнитодинамических электролизеров, приемник соляной кислоты, приемник каустической соды с выводным патрубком, накопитель соляной кислоты с выводным патрубком, трубопроводную магистраль с коллектором подвода рассола поваренной соли к магнитодинамическим электролизером, трубопроводную магистраль с коллектором сбора и отвода хлора и водорода из магнитодинамических электролизеров в приемник соляной кислоты, трубопроводную магистраль для отвода соляной кислоты в накопитель соляной кислоты с выводным патрубком, трубопроводную магистраль с коллектором отвода каустической соды и магнитодинамических электролизеров в приемник каустической соды с выводным патрубком, линию электропередачи переменного тока от блока электропитания с коммутационной аппаратурой к магнитодинамическим электролизерам, при этом магнитодинамические электролизеры выполнены в виде системы коаксиальных трубчатых проводников, электрически соединенных последовательно по гидропотоку.

Так как при включении переменного тока на систему трубчатых коаксиальных проводников вокруг них в протекающем между ними рассоле образуется переменное магнитное поле, то вследствие окислительно-восстановительного действия переменного тока ионы хлора и водорода восстанавливаются до молекулярного состояния, выделяясь из рассола в виде газовых пузырьков. В результате обеднения рассола ионами хлора и водорода повышается концентрация в рассоле ионов натрия и гидроксидной группы, то есть образуется раствор каустической соды, вытекающий из последнего в системе трубчатого проводника, что и является достижением цели изобретения.

Перечень фигур на чертежах:

Фиг. 1. Технологическая схема магнитодинамического аппарата для производства гидроксида натрия электрохимическим способом на переменном токе.

Фиг. 2. Разрез магнитодинамического электролизера вертикальной плоскостью.

Фиг. 3. Часть развертки заготовки трубчатого проводника с лепестками токоотвода.

Фиг. 4. Вид сверху на фиг. 3.

Фиг. 5. Часть развертки заготовки трубчатого проводника с развернутыми на 90^o лепестками токоотвода.

Фиг. 6. Вид сверху на фиг. 5.

На чертежах не показаны применяемые по своему прямому назначению типовые устройства и системы блока электропитания, коммутационная аппаратура, емкости для воды и рассола, гидрозатворы и гидронасосы, приемники и накопители продуктов и другие типовые приспособления, которые могут быть предусмотрены в конкретном техническом проекте по конкретным условиям эксплуатации.

Детальное описание изобретения

Магнитодинамический аппарат для производства гидроксида натрия электрохимическим способом на переменном токе включает в себя систему магнитодинамических электролизеров 1, приемник соляной кислоты 2, приемник каустической соды 3, накопитель соляной кислоты 4, трубопроводную магистраль с коллектором подвода рассола поваренной соли 5 к магнитодинамическим электролизерам 1, трубопроводную магистраль 6 с коллектором для сбора и отвода хлора и водорода из магнитодинамических электролизеров 1 в приемник соляной кислоты 2, трубопроводная магистраль 7 для отвода соляной кислоты в накопитель 4 с выводным патрубком 8, трубопроводная магистраль с коллектором 9 для отвода каустической соды из магнитодинамических электролизеров 1 в приемник 3 с выводным патрубком 10, линия электропередачи тока переменного 11 от блока электропитания 12 к магнитодинамическим электролизерам 1.

Магнитодинамический электролизер 1 состоит из металлического тупикового стакана 13, электрически соединенного с металлическим проточным стаканом 14 токоотводящими лепестками 15. Стакан 14 вместе с коаксиально размещенным в нем стаканом 13 укреплены с помощью отбортовки 16 болтовыми креплениями 17 к электроизолирующей крышке 18. Входной трубчатый проводник 19 укреплен коаксиально внутри стакана 13 с помощью токоотводящих лепестков 20, приваренных к болтовому соединению 21 проводника 19 со стаканом 13. Вывод стакана 14 и трубчатый проводник 19 снабжены кольцевыми хомутами с клеммами 22 и 23 для подсоединения линии электропитания электролизера. Вывод стакана 14 и ввод трубчатого проводника 19 снабжены штуцерами 24 и 25 для присоединения гидролиний согласно технологической схеме. В крышке 18 выполнен трубопроводный вывод 26 для газообразных хлора и водорода. Герметизация элетролизера обеспечивается прокладкой 27 между отбортовкой 16 стакана 14 и крышкой 18.

Количество электролизеров 1 в аппарате по конкретному условию эксплуатации может быть произвольным и определяется заданной производительностью аппарата. Количество тупиковых стаканов 13 и проточных стаканов 14 в каждом электролизере 1 может быть произвольным и определяется по конкретным условиям эксплуатации заданной концентрации каустической соды на выходе из аппарата.

Стаканы 13 и 14, трубчатый проводник 19 выполнены металлическими из проводникового сплава, например, на основе меди, поверхность стаканов 13 и 14 и проводника 19 пассивирована или покрыта щелочестойким сплавом.

Токоотводящие лепестки 15 и 20 выполнены путем разворота их на 90^o после разрезания торцов трубчатых проводников 13 и 19, а по месту их электроконтакта с отбортовкой 16 стакана 14 или с головкой болта 21 приварены электросваркой или пропаяны. Хомуты с электроклеммами 22 и 23 на выводе стакана 14 и трубчатом проводнике 19 также приварены электросваркой или пропаяны по всему периметру хомутов.

Трубопроводные магистрали и коллекторы 5 и 9 выполнены из коррозионностойких и электроизолирующих материалов, например, фторопластов и т.п.

Габаритные размеры стаканов 13, 14 и трубчатого проводника 19 и толщина их стенок определяется заданной мощностью аппарата по конкретным условиям эксплуатации и ничем не ограничены.

Устройство магнитодинамического электролизера по описанию обеспечивает электрическое соединение коаксиальных стаканов 13 и 14 и трубчатого проводника 19 между собой согласно по магнитному полю и последовательно по гидропотоку обрабатываемого рассола.

В качестве блока электропитания 12 может быть использована типовая трехфазная трансформаторная подстанция мощностью, согласованной с мощностью аппарата, электролизеры 1 которого должны быть распределены по фазам трехфазной сети равномерно.

Работа магнитодинамического аппарата для производства гидроксида натрия электрохимическим способом на переменном токе.

После выполнения технологической схемы (см. фиг. 1) по описанному с помощью типовой электрокоммутационной аппаратуры (на чертежах не показана) включается электропитание от блока электропитания 12 на магнитодинамические электролизеры 1, через которые с помощью типовой запорно-регулирующей аппаратуры и системы насосов (на чертежах не показаны) создается поток рассола поваренной соли.

Согласно современным электрохимическим представлениям соль в растворе диссоциирована на ионы, находясь при отсутствии внешнего воздействия в термодинамическом равновесии.

Так как трубчатые проводники стаканов 13, 14 и 19 соединены между собой электрически согласно по магнитному полю, то в цилиндрических зазорах между коаксиальными проводниками 13, 14 и 19 при протекании по ним переменного тока создается мощное переменное магнитное поле, которое индуцирует в протекающем по цилиндрическим зазорам между проводниками 13, 14 и 19 рассоле переменные токи большой величины. Под воздействием переменных электротоков термодинамическое равновесие в растворе электролита нарушается, так как дополнительно к ионам диссоциированной поваренной соли образуются вследствие электролиза воды ее ионы водорода и гидроксидной группы. В результате взаимодействия под влиянием переменных индукционных токов ионов натрия, хлора, водорода и гидроксидной группы интенсивно протекает процесс восстановления молекул водорода и хлора, которые в виде пузырьков выделяются из рассола, нарушая первоначальный состав электролита, обедняя его ионами хлора и водорода, увеличивая соответственно концентрации ионов натрия и гидроксидной группы, являющихся составными частями каустической соды.

Таким образом, суммарную реакцию разложения поваренной соли в магнитодинамическом электролизере 1 между трубчатыми проводниками 13, 14 и 19 под действием переменных индуцированных токов можно записать в виде:

2NaCl + 2H₂O = 2NaOH + Cl₂ + H₂. (1)

Соотношение концентраций продуктов этой суммарной реакции определяется величиной индукционных токов в электролите рассола, длительностью обработки их в зазорах между трубчатыми проводниками 13, 14 и 19 и первичной концентрацией поваренной соли в рассоле, то есть может быть задано конкретной мощностью электропитания магнитодинамического электролизера 1, его габаритными размерами и заданной производительностью аппарата, что в итоге и является достижением цели изобретения.

Продукты реакции (1) по трубопроводным магистралям 6, 7, 9 отводятся к приемникам и накопителям 3 и 4, откуда расходуются по своему назначению. Так как все стадии технологического процесса по описанному от подачи рассола по трубопроводной магистрали с коллектором 5 до вывода продуктов реакции в магнитодинамическом электролизере 1 по трубопроводным магистралям и коллекторы 6, 7, 9 осуществляются и управляются с помощью гидронасосов и запорно-регулирующей аппаратуры, то использование систем типового электрофицированного дистанционного управления и измерения параметров технологического процесса обеспечивает реальную возможность полной механизации и автоматизации производства гидроксида натрия электрохимическим способом на переменном токе.

Эффективность магнитодинамического аппарата для производства гидроксида натрия и электрохимическим способом на переменном токе по описанному определяется габаритными показателями магнитодинамических электролизеров, количеством их в технологической схеме, общей мощностью установки по конкретным условиям эксплуатации.

Библиографические данные

1. Фиошин М.Я., Смирнова М.Г. Электрохимические системы в синтезе химических продуктов. - М.: Химия, 1985, с. 166 и далее.

2. Якименко Л.М. Производство водорода, кислорода, хлора и щелочей. - М. : Химия , 1981, с. 177 и далее.

3. О состоянии окружающей природной среды РФ в 1996 г. Государственный доклад, газета "Зеленый мир", 2, 266, 1998, с. 10 и далее.

4. О состоянии окружающей природной среды по Иркутской области в 1996 г. Государственный доклад. Иркутск: Облкомприроды, 1997, с. 48 и далее.

5. Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская Энциклопедия, 1966, т. 5, с. 512 и далее.

6. Шульгин Л.П. Электрохимические процессы на переменном токе. - М.: Наука, 1974, с. 11 и далее.

7. Томилов А.П. и др. Электрохимия элементоорганических соединений. - М. : Наука, 1985, ч. 1 (элементы I, II, III групп Периодической системы и переходные металлы), с. 75 и далее.

8. Патент России N 2061659, C 02 F 01/463, 1996.

9. Патент России N 2076074, C 02 F 01/463, 1997.

10. Патент России N 2077954, B 03 C 05/00, 1997.