Электролизная установка

Практика обеззараживания питьевой воды хлорированием, получившая в России начало и развитие в Петербурге в начале 20-х годов прошедшего столетия, практически решила проблему эффективного санитарного обеспечения водоснабжения населенных мест. Однако обеззараживание воды газообразным хлором, завозимым на водоочистные станции в баллонах и цистернах в сжиженном виде, имеет ряд недостатков, среди которых самым существенным является способность хлора в случае утечки поражать не только обслуживающий персонал, но и население прилегающей к водоочистной станции территории. Это обусловлено летучестью и ядовитыми свойствами хлора и представляет реальную опасность для городов и населенных пунктов.

В последние десятилетия во всем мире все шире применяется раствор гипохлорита натрия NaClO, содержащий активный хлор, равноценный по своим дезинфицирующим и стерилизующим качествам чистому хлору. Его применение практически снимает все опасные и вредные производственные факторы, присущие использованию жидкого и газообразного хлора сильнодействующего ядовитого вещества.

К достоинствам применения гипохлорита натрия относится возможность получения его непосредственно на месте потребления путем электролиза дешевого и доступного сырья - хлорида натрия (поваренной соли). При этом раствор гипохлорита натрия, получаемый электрохимическим методом (марка Э по ТУ 6-01-29-93) является наиболее чистым и малотоксичным продуктом (класс опасности - 4 по ГОСТ 12.1.007-76) и имеет самую высокую эффективность.

Разработанные и производимые установки получения гипохлорита натрия имеют различную производительность и различное назначение. Они могут быть использованы:

- для обеззараживания природных и сточных вод в хозяйственно-питьевом водоснабжении;

- для дезинфекции оборудования, помещений и сооружений в отраслях пищевой промышленности, в медико-санитарных учреждениях, предприятиях общественного питания, санаториях и домах отдыха, детских учреждениях, плавательных бассейнах и других объектах;

- для отбеливания;

- для предотвращения биообрастания в системах водяного обогрева и охлаждения.

В настоящее время наиболее перспективным методом является метод обеззараживания воды с использованием электролитического гипохлорита натрия, получаемого на месте потребления путем электролиза растворов хлоридов.

Технологические схемы электролизных установок могут быть как проточные, так и периодического действия. При использовании проточных электролизеров появляется возможность сократить затраты на обслуживание установок, т.к. здесь значительно легче управлять процессом.

В зависимости от вида используемого сырья электролизные установки можно разделить на установки для электролиза искусственно приготовленного раствора и для электролиза природных рассолов.

Расход поваренной соли у прямоточных установок, как правило, несколько больше, чем у периодического действия. Однако их изготовление и условия эксплуатации значительно проще. Поэтому такие установки зачастую используют на объектах небольшой пропускной способности, когда некоторый перерасход соли оправдан простотой их конструкции и обслуживания.

Достоинства электролитического гипохлорита натрия как эффективного бактерицидного агента, простота и надежность электролизных установок, а также заинтересованность потребителей в применении безопасного электрохимического метода обеззараживания воды привели к созданию огромного числа самых разнообразных по своей конструкции электролизеров.

Наиболее широкое распространение получили электролизные установки, работающие по нижеприведенной технологической схеме.

В емкости приготавливается насыщенный раствор поваренной соли, загружается соль и заливается водопроводной водой. Подача водопроводной воды в емкость осуществляется через поплавковый клапан, с помощью которого в емкости поддерживается постоянный уровень воды. Вода, проходя через слой поваренной соли и растворяя ее, насыщается хлоридом натрия. Для получения насыщенного раствора соли с содержанием NaCl 30 г/л слой соли над заборным фильтром (мертвый объем) должен быть не менее 15-20 см. По мере работы электролизной слой соли уменьшается и при уменьшении его до уровня мертвого объема необходимо произвести пополнение емкости.

Забор насыщенного раствора поваренной соли производится насосом-дозатором через трубопровод, расположенный на дне емкости. Приемное отверстие трубопровода с целью предотвращения попадания загрязнений оборудовано фильтром. Насыщенный раствор поваренной соли поступает в трубопровод приготовления рабочего раствора поваренной соли, в который поступает и водопроводная вода для разбавления до заданной концентрации раствора поваренной соли. Контроль расхода водопроводной воды производится по счетчику воды или по ротаметру и регулируется клапаном или краном.

Приготовленный рабочий раствор поступает в проточный электролизер, состоящий из нескольких электролитических ячеек, в которых осуществляется электролиз, в результате которого образуется гипохлорит натрия заданной концентрации по хлору и водород. Электролизер подключен к источнику постоянного тока. Полученный гипохлорит натрия поступает в буферный резервуар, где происходит отделение водорода от гипохлорита. Из буферного резервуара гипохлорит натрия насосом-дозатором подается на хлорирование. Дозирование активного хлора осуществляется путем изменения скорости работы насосов. Выделяющийся при электролизе водород удаляется с помощью принудительной вентиляции за пределы помещения в атмосферу.

В процессе электролиза на электродах происходит нарастание солей жесткости, содержащихся в растворе поваренной соли. Для удаления солевых отложений предусматривается кислотная промывка электролизера.

Буферный резервуар оборудован аварийным переливным трубопроводом. Перелив осуществляется в производственную канализацию.

Электролизная установка снабжена элементами автоматики, отключающими выпрямительный агрегат при нарушении технологического режима работы.

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к конструкциям электролизных установок.

Известен проточный электролизер для получения раствора гипохлорита натрия из раствора хлорида натрия. Проточный электролизер состоит из емкости с расположенными на противоположных стенках входным и выходным патрубками. В емкости находятся группы монополярных и биполярных вертикальных пластинчатых электродов. В зависимости от концентрации раствора хлорида натрия, для обеспечения наиболее эффективной работы электролизера величина межэлектродных зазоров между пластинчатыми электродами выбирается из интервала от 1 мм до 3 мм.

При установке пластинчатых электродов на малом расстоянии друг от друга возникает проблема чистки электродов от отложений солей жесткости, накапливаемых в процессе электролиза на поверхностях пластинчатых электродов.

Использование механических приспособлений, типа скребков, сложно и неэффективно и требует извлечение кассет из емкости электролизера и наличие специального инструмента для очистки.

Использование средств подачи сжатого газа в межэлектродное пространство согласно патенту RU 16504 U1 не решает полностью задачу исключения образования отложений солей жесткости т.к. все равно приходится периодически промывать электролизер раствором соляной кислоты.

В основу настоящей полезной модели поставлена задача создать конструкцию электролизной установки, предотвращающую образование отложений солей жесткости в электролизере и в системе водоснабжения электролизной установки, а также повышающую безопасность эксплуатации принудительным удалением водорода в атмосферу.

Поставленная задача решается тем, что электролизная установка снабжена средством умягчения воды, поступающей на вход установки. В предлагаемой полезной модели используется умягчитель воды с загрузкой из специальной катионообменной смолы.

При избыточном содержании солей жесткости в исходной воде (соли кальция и магния) свыше 4,5 мг-экв/л происходит интенсивное накопление известковых отложений в электролизере и в системе водоснабжения электролизной установки. Это приводит к перерасходу электроэнергии, частым промывкам электролизера раствором соляной кислоты и более быстрому выходу из строя электролизной установки. Известковые отложения также служат благоприятной средой для размножения различных микробов.

Умягчитель воды на основе ионообменных технологий обеспечивает качественное удаление солей жесткости из воды и предотвращает образование отложений. Используемая в умягчителе ионообменная смола также поглощает другие растворимые примеси, в первую очередь соединения железа, марганца и других металлов. Умягчение проводится до остаточной жесткости 1,0-1,5 мг-экв/л, что соответствует российским и зарубежным нормативам по эксплуатации бытовой и промышленной техники.

Технологические схемы электролизных установок, работающих на растворах поваренной соли, могут быть как проточные, так и с системой периодического действия. Основное отличие параметров проточных электролизеров от параметров электролизеров периодического действия заключается в том, что в первом случае процесс электролиза можно полагать стационарным, не зависящим от времени. При этом, если расход рассола и токовая нагрузка на электролизер остаются постоянными, то сохраняется неизменной и концентрация раствора гипохлорита натрия, отводимого из электролизера.

В электролизных установках периодического действия концентрация гипохлорита натрия зависит от времени, прошедшего с начала электролиза. В этом случае обслуживающий персонал должен значительно больше затрачивать времени на организацию процесса в связи с тем, что он вынужден несколько раз в сутки заполнять электролизер раствором и сливать из них гипохлорит натрия.

Как правило, исходный раствор должен содержать не менее 30 г/л хлорида натрия, а для увеличения выхода хлора применяют каскадное включение электролизеров.

Известна электролизная установка "Sea clor" фирмы "De Nora" для получения гипохлорита натрия из поваренной соли. В баке для растворения соли готовят концентрированный рассол, который затем разбавляется до заданной концентрации в промежуточном баке. Раствор насосом-дозатором через сетчатый фильтр подается в электролизер или последовательно в ряд электролизеров. Полученный в результате электролиза гипохлорит натрия собирается в баке-хранилище. Электролизные газы удаляются после каждого электролизера в газоотделитель, а затем в атмосферу. Гипохлорит натрия в обрабатываемую воду подается насосом-дозатором. Электропитание электролизеров осуществляется от выпрямительного агрегата. Установка снабжена элементами автоматики, отключающими выпрямительный агрегат при нарушении технологического режима работы установки. Периодически, по мере зарастания электродов отложениями солей жесткости, электролизер промывается с помощью замкнутого кислотного контура. (Г.Л.Медриш и др. "Обеззараживание природных и сточных вод с использованием электролиза", "Стройиздат", М. 1982 с.31) Содержание активного хлора в готовом продукте 5-6 г/л. Более высокие концентрации хлора (до 8 г/л) могут быть достигнуты частичной рециркуляцией раствора, что увеличивает расход электроэнергии.

Для повышения выхода жидкофазного целевого раствора, получаемого электролизом исходного солевого раствора, после первой стадии электролиза исходного сильноконцентрированного раствора соли, включают последующий электролиз полученного на предыдущей стадии раствора при разбавлении его водой (патент РФ 2125120). Реализация этого способа приведена в патенте РФ 2134733.

Известна электролизная установка OSEC фирмы "WALLACE&TIERNAN". Защищена патентом Великобритании 2068016А с приоритетом от 1 июля 1980 г. (по дате поступления конвенционной заявки в патентное ведомство Англии), но само изобретение создано в США, защищено патентом США 4248690 с приоритетом 28 июля 1980 г., опубликовано 03 февраля 1981 г. Электролизная установка включает четыре последовательносоединенных электролизера, состоящих из нескольких электродных ячеек.

Реализация предлагаемой полезной модели рассмотрена на примере технологической схемы электролизной установки на фиг.1. Вся вода, поступающая на электролизную установку проходит через ионообменный умягчитель 1, узел подачи воды на разбавление концентрированного рассола поваренной соли, находящегося в емкости 2, фильтр 3, насос-дозатор 4, управляемый вентиль 5, установленный на трубопроводе 6, обеспечивают заданный расход подаваемой воды, контролируемый расходомером 7. Электропитание электролизера осуществляется от выпрямителя 8. Выход электролизера соединен трубопроводом 9 с буферной емкостью 10 для хранения готового гипохлорита натрия. Буферная емкость снабжена патрубком 11 и воздуховодом 12, достигающим по длине нескольких десятков метров, для выброса газообразных продуктов электролиза (водорода) в атмосферу, патрубком 13 подачи напора воздуха от напорного вентилятора 14 для принудительного удаления водорода в атмосферу, т.к водород может накопиться в магистрали воздуховода и патрубком 15 для подачи гипохлорита натрия насосом-дозатором 16 к точкам ввода на обеззараживание воды.

Повышение безопасности эксплуатации электролизной установки достигается исключением накопления водорода в длинной магистрали воздуховода.

Из приведенного выше описания понятно, что предлагаемая полезная модель может быть реализована не только в соответствии с рассмотренным примером ее реализации, но и в других конкретных формах без отступления от ее существа, определенного прилагаемой формулой полезной модели.

1. Электролизная установка для производства гипохлорита натрия, состоящая из емкости для растворения поваренной соли, входной патрубок которой соединен с узлом подачи воды на разбавление, а выходной патрубок соединен с насосом-дозатором подачи исходного раствора поваренной соли в электролизер, выход которого соединен с резервуаром для хранения полученного гипохлорита натрия, причем резервуар снабжен патрубком выброса водорода в атмосферу и соединенным с насосом-дозатором патрубком для подачи гипохлорита натрия на обеззараживание воды, отличающаяся тем, что узел подачи воды на разбавление поваренной соли и исходного раствора оборудован ионообменным умягчителем, обеспечивающим удаление солей жесткости в воде (соли кальция и магния) и препятствующим образованию известковых отложений в электролизере и в системе водоснабжения электролизной установки.

2. Электролизная установка по п.1, отличающаяся тем, что резервуар для хранения полученного гипохлорита натрия снабжен напорным вентилятором с патрубком для принудительного выброса водорода в атмосферу.