диафрагменный электролизер

Формула изобретения

1. Диафрагменный электролизер, содержащий нижний модуль с анодами и катодами и по меньшей мере один наложенный на него верхний модуль с анодами и катодами, причем указанный по меньшей мере один верхний модуль имеет анодное пространство, непосредственно сообщающееся текучей средой с анодным пространством указанного нижнего модуля, по меньшей мере один из указанных модулей снабжен в целом U-образными анодами, имеющими две вертикальные основные поверхности, прикрепленные к первому горизонтальному токоснимателю, к по меньшей мере одной из указанных вертикальных основных поверхностей снаружи прикреплены дополнительные медные токосниматели с титановой облицовкой, при этом в пустом пространстве внутри указанных вертикальных основных поверхностей указанных анодов заключены покрытые диафрагмой катоды.

2. Электролизер по п.1, в котором указанные вертикальные основные поверхности указанных анодов представляют собой части единой складчатой поверхности, ограниченной изгибом, при этом указанный горизонтальный токосниматель прикреплен к указанным вертикальным основным поверхностям по указанному изгибу.

3. Электролизер по п.1 или 2, в котором по меньшей мере одна из указанных вертикальных основных поверхностей указанных анодов является перфорированной.

4. Электролизер по п.3, в котором указанная по меньшей мере одна перфорированная вертикальная основная поверхность указанных анодов образована перфорированным листом или сеткой либо наложенными друг на друга перфорированными листами или сетками.

5. Электролизер по п.1 или 2, в котором указанные в целом U-образные аноды полностью изготовлены из титана или титановых сплавов.

6. Электролизер по п.3, в котором указанные в целом U-образные аноды полностью изготовлены из титана или титановых сплавов.

7. Электролизер по п.4, в котором указанные в целом U-образные аноды полностью изготовлены из титана или титановых сплавов.

8. Электролизер по п.1 или 2, в котором в целом U-образными анодами снабжен указанный по меньшей мере один верхний модуль.

9. Электролизер по п.3, в котором в целом U-образными анодами снабжен указанный по меньшей мере один верхний модуль.

10. Электролизер по п.4, в котором в целом U-образными анодами снабжен указанный по меньшей мере один верхний модуль.

11. Электролизер по п.5, в котором в целом U-образными анодами снабжен указанный по меньшей мере один верхний модуль.

12. Электролизер по п.1 или 2, в котором указанный горизонтальный токосниматель изготовлен из титана.

13. Электролизер по п.3, в котором указанный горизонтальный токосниматель изготовлен из титана.

14. Электролизер по п.4, в котором указанный горизонтальный токосниматель изготовлен из титана.

15. Электролизер по п.12, в котором все указанные нижний и верхние модули снабжены указанными U-образными анодами.

16. Электролизер по п.13, в котором все указанные нижний и верхние модули снабжены указанными U-образными анодами.

17. Электролизер по п.14, в котором все указанные нижний и верхние модули снабжены указанными U-образными анодами.

18. Электролизер по п.1 или 2, в котором по меньшей мере указанные вертикальные основные поверхности снабжены каталитическим покрытием для выделения хлора.

19. Электролизер по п.3, в котором по меньшей мере указанные вертикальные основные поверхности снабжены каталитическим покрытием для выделения хлора.

20. Электролизер по п.4, в котором по меньшей мере указанные вертикальные основные поверхности снабжены каталитическим покрытием для выделения хлора.

21. Электролизер по п.5, в котором по меньшей мере указанные вертикальные основные поверхности снабжены каталитическим покрытием для выделения хлора.

22. Способ сборки электролизера по любому из предыдущих пунктов, включающий прикрепление указанных U-образных анодов к соответствующему анодному основанию, поддержание указанных анодов широко открытыми в упругом состоянии при помощи ограничивающих элементов, заключение указанных покрытых диафрагмой катодов в указанном пустом пространстве внутри указанных вертикальных основных поверхностей указанных анодов и удаление указанных ограничивающих элементов.

23. Способ получения хлора и щелочей, включающий подачу постоянного электрического тока на электролизер по любому из предыдущих пунктов, в который подают раствор хлорида щелочного металла.

24. Способ по п.23, в котором указанные щелочи содержат гидроксид натрия, а указанный раствор хлорида щелочного металла содержит рассол хлорида натрия.

Описание изобретения к патенту

Уровень техники

Мировое производство хлора, составляющее около 45 миллионов тонн в год, осуществляют в электролизерах различных видов. Среди них большое значение имеют диафрагменные электролизеры, с помощью которых получают около 22 миллионов тонн хлора в год.

Как известно специалистам в данной области техники, диафрагменный электролизер обычно состоит из четырех основных частей: медное анодное основание, облицованное защитным титановым листом; анодный блок, состоящий из множества анодов, расположенных параллельными рядами и прикрепленных к указанному основанию; катодный корпус из углеродистой стали, содержащий множество катодов, поверх которых нанесена пористая диафрагма, прикрепленных к токопроводу (распределителю тока) и расположенных параллельными рядами таким образом, чтобы они могли чередоваться с вышеуказанными анодами в соответствии с так называемой геометрией пальцевого типа; и крышка, обычно из хлоростойкой пластмассы, имеющая отверстия для подачи солевого раствора (рассола) и выпуска полученного хлора.

Ввиду большого количества действующих электролизеров (около 25000 по всему миру), большого количества энергии, необходимой для их работы (около 60 миллионов МВт·ч/год), и постоянного повышения стоимости электричества, технология диафрагменных электролизеров на протяжении ряда последних лет существенно улучшилась. Среди многих технологических новшеств, внесших основной вклад в снижение потребления энергии, могут быть упомянуты следующие новшества:

- замена традиционных графитовых анодов ящичными перфорированными металлическими анодами (так называемыми анодами ящичного типа), изготовленными из титана и покрытыми электрокаталитическим материалом на основе благородных металлов и/или их оксидов;

- замена ящичных анодов с фиксированными размерами так называемыми расширяющимися анодами, описанными в патенте США №3674676 и обеспечивающими уменьшение межэлектродного зазора;

- уменьшение вышеуказанного межэлектродного зазора путем введения внутрь расширяющихся анодов средств для приложения давление между анодами и диафрагмой, как описано в патенте США №5534122;

- усовершенствование расширяющегося анода путем введения двойного расширителя, как описано в патенте США №5993620, с чем связано меньшее омическое падение напряжения.

Можно заметить, что все вышеуказанные новшества направлены на улучшение характеристик, касающихся потребления энергии в результате либо повышения электрокаталитической активности либо оптимизации конструкции электрода, либо опять же в результате уменьшения межэлектродного зазора и увеличения массопереноса (сниженное образование пузырьков и повышенная циркуляция электролита), получаемых путем небольших модификаций, не предполагающих существенного изменения конструкции электролизера и таким образом облегчения внедрения и снижения стоимости.

Другие ранее предложенные решения основаны на модификации электролизера, в частности катодного блока, направленной на увеличение электродной поверхности и тем самым снижение плотности тока при его заданном общем значении и, как результат, напряжения электролизера и общего потребления энергии.

Следующим важным аспектом данной проблемы является необходимость повышения электрической нагрузки и, следовательно, производительности; такая необходимость зачастую находится в противоречии с отсутствием подходящей площади для установки дополнительных электролизеров.

В одновременно поданной неопубликованной Международной заявке РСТ/ЕР02/10848 предложено решение, позволяющее увеличить активную поверхность электролизера, занимающего в проекции такую же площадь, путем создания электролизера, включающего в себя множество наложенных друг на друга в вертикальном направлении модулей, снабженных известными встречно-штыревыми анодами. Данное решение само по себе является многообещающим, хотя и требует довольно существенных инвестиционных расходов.

Целью настоящего изобретения является разработка нового диафрагменного электролизера, устраняющего недостатки предшествующего уровня техники.

В частности, целью настоящего изобретения является разработка диафрагменного электролизера, содержащего множество наложенных друг на друга модулей с анодами и катодами, при этом аноды по меньшей мере части модулей обеспечивают существенное снижение строительных расходов.

Сущность изобретения

Данное изобретение предлагает диафрагменный электролизер, выполненный из нижнего модуля и наложенного на него в вертикальном направлении верхнего модуля или множества верхних модулей, при этом по меньшей мере верхние модули снабжены в целом U-образными анодами, имеющими две вертикальные основные поверхности, прикрепленные к горизонтальному токоснимателю и заключающие внутри себя соответствующие катоды.

Две вертикальные основные поверхности анодов могут представлять собой часть единой складчатой поверхности; предпочтительно они являются перфорированными для обеспечения циркуляции электролита и предпочтительно снабжены электрокаталитическим покрытием для выделения хлора.

Для облегчения понимания настоящего изобретения дальнейшее описание содержит ссылки на прилагаемые фигуры, никоим образом не ограничивающие данное изобретение, объем которого ограничивается исключительно прилагаемой формулой изобретения.

Краткое описание фиг.1-4

Фигура 1 представляет собой вид сбоку диафрагменного электролизера в соответствии с предшествующим уровнем техники.

Фигура 2 показывает анод электролизера в соответствии с данным изобретением согласно первому предпочтительному варианту его выполнения.

Фигура 3 показывает анод электролизера в соответствии с данным изобретением согласно второму предпочтительному варианту его выполнения.

Фигура 4 показывает расположение анодов и катодов в одном модуле диафрагменного электролизера по данному изобретению.

Подробное описание фиг.1-4

Фигура 1 показывает диафрагменный электролизер в соответствии с предшествующим уровнем техники согласно описанию, приведенному в одновременно поданной неопубликованной Международной заявке РСТ/ЕР02/10848. Иллюстрируемый электролизер состоит из двух вертикально наложенных друг на друга модулей: верхнего модуля (100) и нижнего модуля (200) в соответствии с наиболее общим вариантом осуществления; предполагается, что верхний модуль (100) может быть заменен множеством уложенных в вертикальную стопку модулей, как описано в указанной одновременно поданной заявке. Нижний модуль (200) содержит медную анодную основу (1), облицованную защитным титановым листом (не показан), к которому параллельными рядами при помощи токоснимающих стержней (4) прикреплено множество чередующихся с катодами (5) анодов (3). Поверхность анодов предпочтительно представляет собой сетку (решетку) из перфорированного листа или ромбовидно профилированного листа, покрытого электрокаталитическим материалом. Катодный блок состоит из ящика (6) с открытым верхом и дном, известного как катодный корпус, с токопроводом или, иначе говоря, распределителем тока (30) и размещенным внутри него множеством катодов (5), закрепленных по их наружной поверхности. Катоды (5), известные как «пальцы», имеют форму трубчатых коробок с плоским удлиненным поперечным сечением и расположены параллельными рядами, чередующимися с рядами анодов (3); два конца катодов (5) соединены с коллектором (7), проходящим вдоль четырех сторон ящичного корпуса (6). Катод изготовлен, к примеру, из железного перфорированного листа или сетки с диафрагмой, нанесенной на его или ее наружную поверхность, обращенную к аноду. Назначением диафрагмы является отделение анодного пространства (анодной камеры) от катодного пространства (катодной камеры) с целью предотвращения смешивания двух газов и растворов; первоначально ее изготавливали из модифицированного полимером асбеста, однако технологический прогресс привел к созданию композитных, не содержащих асбеста диафрагм. Диафрагма также может состоять из ионообменной мембраны или другого полупроницаемого материала. Верхний модуль (100) также содержит анодные и катодные блоки, по существу, из таких же конструкционных материалов, как и нижний модуль (200), но в большинстве случаев меньшей высоты. Верхний анодный блок состоит из рамы (15), играющей роль верхнего анодного основания и обеспечивающей механическую поддержку и распределение тока по соответствующим анодам (16). Рама (15) изготовлена из титанового листа с проделанными в нем отверстиями или прорезями подходящих размеров для обеспечения прямого сообщения текучих сред (жидкостей) между двумя анодными пространствами. Аноды (16) верхнего модуля вертикально прикреплены к раме пересекающимися рядами, как правило, с таким же шагом, как и в нижнем модуле. Аноды (16) верхнего модуля, прикрепленные к раме (15) посредством резьбовых нагелей (18), часто имеют меньшую высоту. Верхний катодный корпус представляет собой ящик (19), имеющий такую же конструкцию и изготовленный из таких же конструкционных материалов, как и ящик нижнего модуля, а также высоту, зависящую от высоты верхнего анодного блока; верхний катодный корпус приварен вдоль внутренних стенок ящика (19) к множеству катодов (20), расположенных параллельными рядами. Каждый палец в форме удлиненной трубчатой коробки соединен с коллектором (21), расположенным вдоль боковых сторон ящика (19). Основные признаки катодов и диафрагм верхнего модуля аналогичны признакам катодов и диафрагм нижнего модуля. Рама (15) и анодное основание (1) взаимно соединены при помощи наружных соединяющих проводов (не показаны на фигуре); ящик (6) и ящик (19) также соединены подобным образом. Крышка (8) электролизера, изготовленная из хлоростойкой пластмассы, снабжена выходным отверстием (9) для газообразного хлора и входным отверстием для солевого раствора или рассола (10). Электролизер соединен с источником постоянного электрического тока при помощи шин.

Как известно специалистам в данной области техники, электролизер работает следующим образом: подаваемый солевой раствор поступает в электролизер через входное отверстие (10) в крышке электролизера и распределяется далее по трубе (23) к основанию (1) нижнего анодного пространства, затем поднимаясь к его верхней поверхности и переливаясь через прорези в раме (15) в анодное пространство ящика (19). Хлор, выделившийся в нижнем анодном пространстве, идет по тому же пути и выходит через выпускное отверстие (9) в крышке (8). Обедненный хлоридом электролит под воздействием давления, соответствующего гидростатическому напору между анолитом и католитом, проникает через диафрагму и достигает верхнего (20) и нижнего (5) катодных пальцев. Водород покидает верхнее (21) и нижнее (7) катодные пространства соответственно через отверстия (25) и (11), параллельно соединенные с водородным коллектором (26). Щелочь, образующаяся в верхнем катодном пространстве (21), выходит через отверстие (27) и поступает в нижнюю катодную камеру (7) по трубе (28) через отверстие (29), где она смешивается с образующейся там щелочью, а затем покидает электролизер через гидравлический затвор (12). Уровень католита обычно регулируют таким образом, чтобы в нижнем катодном пространстве (7) всегда сохранялась достаточная газовая камера; следовательно, верхнее пространство (21) работает исключительно как газовая камера, и электролиз протекает только при прямом контакте между просачивающимся на диафрагму раствором и катодом. Для надежного поддержания таких условий труба (28) обязательно должна иметь достаточно большой диаметр для того, чтобы оставаться, по существу, заполненной водородом, так что два катодных пространства (7) и (21) подвергаются воздействию одинакового давления.

Фигура 2 показывает конкретный вариант выполнения анода в соответствии с данным изобретением, совершенно отличный от известных ранее анодов с расширителем или без него. Очевидно, что анодная конструкция образована электродной поверхностью (13), сложенной и открытой с одной стороны для обеспечения вставки катода и предпочтительно состоящей из перфорированного листа или сетки, либо в качестве альтернативы из наложенных друга на друга перфорированных элементов, таких как листы или сетки. Анод имеет единственный изгиб (14), при этом его профиль имеет U-образную геометрию; однако допустимы другие виды изгиба без нарушения заявленного в формуле объема данного изобретения. У основания анода по изгибу (14) приварен или каким-либо иным способом прикреплен токосниматель (150), снабженный предпочтительно резьбовым стержнем (160). Токосниматель (150) является горизонтальным, а не вертикальным, как в известных электролизерах, поскольку это позволяет сохранять внутреннее пространство анода пустым и полностью доступным для вставки в него соответствующего катода. В принципе, как аноды верхнего модуля (100), так и аноды нижнего модуля (200) могут быть изготовлены в соответствии с вариантом выполнения, представленным на фигуре 2. Однако конструкция электролизера, изображенного на фигуре 1, основана в большинстве случаев на модифицировании старого диафрагменного электролизера, в котором верхний модуль накладывается на нижний модуль в более позднее время, как описано в одновременно поданной Международной заявке РСТ/ЕР02/10848. Поэтому аноды нижнего модуля (200) в большинстве случаев имеют геометрию в соответствии с известным уровнем техники. Кроме того, при полной замене электродов нижнего модуля преимущество применения анода, показанного на фигуре 2, частично снижается тем, что аноды (3) нижнего модуля (200) обычно имеют довольно большую высоту (к примеру, 800 мм); в таком случае отсутствие внутреннего токоснимателя может повлечь за собой существенные омические потери, снижая таким образом выход по току. Аноды (16) верхнего модуля (100), напротив, имеют намного меньшую высоту (к примеру, 160 мм, как указано в упомянутой выше Международной заявке РСТ/ЕР02/10848), поэтому потери при пропускании электрического тока вдоль всей их высоты без применения внутренних токоснимателей могут не приниматься в расчет. По этой причине, согласно предпочтительному варианту осуществления, аноды, изображенные на фигуре 2, применяют в электролизере по данному изобретению только в верхнем модуле (100).

Согласно другому варианту осуществления, в электролизере по данному изобретению такие аноды также применяют в нижнем модуле (200), предотвращая повышение омического падения напряжения вдоль высоты электродов с помощью дополнительных вертикальных токоснимателей (не показаны), прикрепленных к наружным поверхностям анодов. Необязательные дополнительные медные токосниматели с облицовкой из титана, закрепленные снаружи, а не внутри, намного легче удалять и устанавливать, что ощутимым образом влияет на снижение стоимости реактивации.

Наружное, а не внутреннее крепление токоснимателей к анодам также имеет дополнительное преимущество: поскольку каталитическое покрытие периодически деактивируется, анод должен быть фактически подвергнут реактивации, которой предшествует травление в горячей концентрированной соляной или фосфорной кислоте. После нанесения каталитической краски анод должен быть обработан в печи при температуре около 500°С. Во время указанной обработки биметаллический контакт между медным сердечником традиционного токоснимателя и соответствующей титановой облицовкой испытывает серьезные повреждения в результате явления деформации, поэтому требуется предварительное отсоединение токоснимателя и его последующее присоединение после указанной обработки. Однако при использовании иллюстрируемого анода горизонтальный токосниматель может быть полностью выполнен из титана с учетом небольшого проигрыша в омическом падении напряжения, поэтому во время тепловой обработки при реактивации не возникает никаких проблем.

Фигура 3 показывает второй конкретный вариант выполнения анода в соответствии с данным изобретением, который не очень отличается от анода, изображенного ни фигуре 2. Его конструкция так же является открытой, позволяя заключить внутри нее катод; однако в данном случае электродная поверхность (13) образована двумя различными элементами, расположенными в вертикальном положении и прикрепленными к токоснимателю (150) соответственно по одному из краев (17). Устройство электродной поверхности (13) в основном такое же, как и в предыдущем варианте выполнения, при этом предпочтительным является применение перфорированных элементов, таких как листы или сетки, либо их наложение один на другой.

Фигура 4 представляет собой схему в виде сбоку возможной конфигурации верхнего модуля (100) в соответствии с наилучшим вариантом осуществления данного изобретения; такая же конфигурация может быть использована для нижнего модуля (200) без нарушения заявленного в формуле объема данного изобретения. Конкретная форма анода (16) с открытой верхней частью и свободной от преград внутренней частью может быть использована для размещения катода (20) таким образом, что уменьшение электродного шага (т.е. расстояния между соседними одинаковыми электродами) фактически ограничивается только толщиной катода (20). Смежные аноды фактически могут располагаться очень близко один к другому и даже находиться во взаимном контакте, поскольку они имеют одинаковый электрический потенциал. На фигуре также показаны ограничивающие элементы (31), наложенные на смежные пары анодов и применяемые для более широкого разведения последних в упругом состоянии таким образом, чтобы облегчить вставку катодов во время сборки (фигура 4А); фигура 4В показывает, как после завершения сборки и удаления ограничивающих элементов анодная поверхность возвращается в исходное положение, при этом две вертикальные боковые стороны обращены к покрытым диафрагмой основным поверхностям соответствующего катода (20). Показанный на фигуре 4 анод (16) имеет открытую верхнюю часть, однако понятно, что аноды могут быть собраны в перевернутых положениях, при этом открытой окажется нижняя часть. Процедура сборки может также обойтись без применения ограничивающих элементов, либо указанные элементы могут быть использованы иным образом без нарушения заявленного в формуле объема данного изобретения. Конструктивное решение, проиллюстрированное на фигуре 4, позволяет легко увеличить на 30-50% активную поверхность соответствующего модуля при заданной занимаемой электролизером в проекции площади поверхности.

В описании и формуле изобретения данной заявки термины «содержать» и «включать в себя» и их производные, такие как «содержащий» и «включающий в себя», не предполагают исключения присутствия других элементов или дополнительных компонентов.