Способ электролиза химических веществ с образованием газов и установка для его осуществления

 

Изобретение относится к электрохимии, в частности к процессам и устройствам разложения воды. Сущность : особенностью способа является организация циркуляции электролита, обеспечиваемая путем периодического изменения давления одного их газов при поддержании давления другого газа постоянным. Для осуществления этого способа предлагается установка, содержащая электролитические ячейки и охлаждаемые разделительные колонки, сообщенные с ячейками по газу и электролиту. В одной из колонок шарнирно установлен поплавковый регулятор давления с клапаном, и обеспечена возможность периодического перекрытия клапаном газоотводящего патрубка колонки. На газоотводящем патрубке другой колонки установлен задатчик давления. Изобретение направлено на повышение надежности установки и повышение эффективности процесса. 2 с.п. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Предполагаемое изобретение относится к области электролизных процессов для разложения химических веществ с образованием газовых фаз, в частности для разложения воды.

Известен способ электролиза и установка, применяемые в промышленности для получения из воды кислорода и водорода (см. Л. М. Якименко и др. "Электролиз воды" М. Химия, 1970, стр.170, рис.IY-33).

Способ включает в себя подвод электролита к электродам, разложение воды на кислород и водород под действием постоянного электрического тока, отвод получаемых газов и естественную циркуляцию электролита.

Установка для осуществления этого способа содержит электролизер, разделительные колонки для кислорода и водорода с холодильниками, промыватели газа, поплавковые регуляторы давления газов, трубопроводы и арматуру.

Указанные способ и установка имеют следующие недостатки: отсутствие заданной гарантированной циркуляции электролита; недостаточно эффективный отвод тепла из зоны электролиза, обеспечиваемый только естественной циркуляцией электролита.

Ближайшим аналогом (прототипом) предполагаемого изобретения являются способ и установка Зданского-Лонца (см. там же, стр. 180-184).

Данный способ включает в себя подвод электролита в межэлектродное пространство, разложение воды на кислород и водород под действием постоянного электрического тока, отвод получаемых газов и принудительную циркуляцию электролита.

Установка для осуществления этого способа содержит электролизер, сепараторы (разделители) с промывателями для кислорода и водорода, холодильники, регулятор давления, поплавковый регулятор равенства давлений газов, установленный в промывателе одного из сепараторов, циркуляционный насос для электролита, трубопроводы и арматуру.

Известный прототип имеет следующий недостаток: наличие в схеме циркуляционного электролитного насоса, имеющего, как и все вращающиеся механизмы, ограниченный ресурс работы.

Предполагаемое изобретение направлено на устранение указанного недостатка и создание электролизных установок для разложения химических веществ с образованием газовых фаз, обладающих повышенной надежностью и большим ресурсом работы.

Указанный результат достигается за счет исключения из схемы установки циркуляционного насоса при сохранении необходимой принудительной циркуляции электролита в установке.

Сущность изобретения заключается в следующем. Принудительная циркуляция электролита через электролизер осуществляется за счет колебания (пульсации) давления одного из газов, а устройство, обеспечивающее это колебание (пульсацию) давления одного из газов, выполнено в виде поплавкового регулятора давления "до себя", снабженного пружиной, соединенной одной стороной шарниром с вертикальным штоком поплавкового регулятора, а второй стороной также шарниром с корпусом разделительной колонки, в которой установлен поплавковый регулятор, причем ось нейтрального положения этой пружины перпендикулярна оси штока поплавкового регулятора.

Как вариант предлагаемого технического решения, поплавковый регулятор вместо пружины может быть снабжен постоянным (или электрическим) магнитом, а клапан поплавкового регулятора выполнен из магнитного материала, при этом усилие притяжения клапана к магниту направлено в сторону выталкивающей силы поплавкового регулятора. В электролизере предполагаемой установки подвод электролита к анодным и катодным камерам электролизных ячеек выполнен раздельно (по отдельным каналам), при этом электролитный штуцер катодной (водородной) разделительной колонки соединен непосредственно с электролитным каналом катодных камер ячеек, а электролитный штуцер анодной колонки с электролитным каналом анодных камер ячеек. Как вариант предлагаемого технического решения, электролитный штуцер катодной колонки может быть соединен с электролитным каналом анодных камер ячеек, а электролитный штуцер анодной колонки с электролитным каналом катодных камер ячеек, при этом на обоих электролитных трубопроводах должны быть установлены обратные клапаны, пропускающие электролит из разделительных колонок только в сторону электролитных каналов электролизера.

Существенными отличиями предлагаемого способа и установки являются: 1. Обеспечение циркуляции электролита через электролизер за счет колебания давления одного из газов.

2. Выполнение устройства для обеспечения циркуляции электролита в виде поплавкового регулятора давления "до себя" с пружиной или постоянным (электрическим) магнитом, обеспечивающими открытие и закрытие клапана поплавкового регулятора при различных уровнях электролита в разделительной колонке.

3. Разделительный подвод электролита к катодным и анодным камерам электролизных ячеек, а от штуцера анодной колонки к электролитному каналу анодных камер ячеек. Как вариант предлагаемого технического решения, обеспечение подвода электролита из катодной колонки к анодным камерам ячеек и из анодной колонки к катодным камерам ячеек, при этом на обоих трубопроводах установлены обратные клапаны, пропускающие электролит из разделительных колонок только в сторону электролизера.

Предлагаемые автором существенные отличия предполагаемого изобретения позволяют получить следующий результат, а именно обеспечить необходимую принудительную циркуляцию электролита через электролизер и отвод из зоны электролиза без специального циркуляционного насоса, имеющего, как все вращающиеся механизмы, ограниченный ресурс работы, что повысит надежность и ресурс работы установки.

На фиг. 1 схематично изображена установка, выполненная в соответствии с предполагаемым изобретением.

Электролизер 1 установки содержит катод 2 и анод 3, к которым прилегают рабочие сетки 4 и 5, разделительную пористую диафрагму 6 и две уплотнительные прокладки 7, электролизер имеет штуцеры "А" и "В" для подвода электролита в анодную и катодную камеру ячейки соответственно, а также штуцеры "Б" и "Г" для отвода анодного и катодного газа соответственно.

В установку также входят: анодная разделительная колонка 8 с холодильником 9, катодная колонка 10 с холодильником 11, поплавковым регулятором 12 со штоком 13, снабженным клапаном 14, в верхней части колонки имеется сопло 15 для выхода газа, шток поплавкового регулятора 12 соединен шарниром 16 с направляющим штоком 17 пружины 18, причем шток 17 по свободной посадке входит во второй шток пружины 19, соединенный шарниром 20 с корпусом разделительной колонки, на выходе из установки анодного газа установлен пружинный задатчик давления "до себя" 21.

В установке, приведенной на фиг. 1, электролитный штуцер анодной колонки 8 соединен со штуцером "А" подвода электролита к анодной камере ячейки, а электролитный штуцер катодной колонки 10 соединен со штуцером "B" подвода электролита к катодной камере ячейки электролизера.

В другом варианте предполагаемого изобретения (фиг. 3) электролитный штуцер анодной колонки 8 соединен со штуцером "B" подвода электролита к катодной камере ячейки, а электролитный штуцер катодной колонки 10 соединен со штуцером "A" подвода электролита к анодной камере электролизной ячейки.

Работает предлагаемый способ электролиза и установка для его осуществления следующим образом.

Установка заправлена электролитом до штуцеров входа газожидкостных смесей из электролизера 1 в разделительные колонки 8 и 10, задатчик давления 21 настроен на заданное давление, а на холодильники 9 и 11 подан заданный расход хладагента. Положение поплавкового регулятора, т.е. угол (см. фиг. 1) при пуске не имеет существенного значения.

Подать электропитание постоянного тока на концевые электроды электролизера 1, в электролизере сразу же начинается выделение анодного и катодного газов. Рассмотрим механизм выхода установки на нормальный режим для двух возможных положений поплавкового регулятора: 1) в момент пуска установки сопло 15 перекрыто клапаном 14, т.е. угол <90.

Сразу же начнется рост давления обоих газов в установке, при этом давление анодного газа будет расти до открытия регулятора 21, после чего будет поддерживаться с помощью этого регулятора постоянным, давление катодного газа также будет расти до открытия клапана поплавкового регулятора. При этом если скорость роста давления катодного газа в начальный период будет выше анодного, что имеет место при электролизе воды при равных объемах колонок 8 и 10 (объем водорода в два раза превышает объем кислорода), уровень в колонке 10 будет падать и электролит начнет циркулировать через электролизер 1 в колонку 8 до тех пор, пока выталкивающая сила поплавка не уменьшится до такой величины, когда вес самого поплавкового регулятора преодолеет силу пружины 18, откроет и переведет пружину через нейтральное положение в нижнее >90.

Давление катодного газа сразу же начнет падать и в определенный момент станет ниже давления анодного газа и циркуляция электролита начнется в обратном направлении по схеме: анодная колонка _ электролизер -L катодная колонка.

Следствием падения давления катодного газа по отношению к анодному станет рост уровня электролита в колонке 10 и увеличение выталкивающей силы поплавка 12, которая в определенный момент достигнет величины, способной перевести пружину 18 через нейтральное положение, когда <90 и закрыть сопло 15 клапаном 14. С этого момента начнется рост давления катодного газа, и когда его величина превысит давление анодного газа, циркуляция электролита начнется в другом направлении по схеме: катодная колонка _ электролизера -L анодная колонка и т.д.

2) сопло 15 в момент пуска установки открыто, т.е. >90.

В этом случае в начальный момент давление анодного газа будет расти быстрее, так как сопло 15 для выхода катодного газа открыто, и циркуляция начнется по схеме: анодная колонка _ электролизер -L катодная колонка.

Результатом этого будет рост уровня электролита в колонке 10 и увеличение выталкивающей силы поплавка, что приведет к переводу пружины 18 в верхнее положение <90 и закрытие сопла 15 клапаном 14 и цикл циркуляции электролита продолжится, как описано в п. 1 (см. выше).

Приведенное выше описание работы установки относится к обоим схемам соединения электролитных штуцеров колонок 8 и 10 с электролизером 1 (см. фиг. 1,2 и 3).

Целесообразность же использования каждой из двух предложенных автором схем определяется в каждом конкретном случае рядом технических требований: к скорости циркуляции электролита; к чистоте получаемых газов; по количеству ячеек в электролизере и т.д.

В случае использования поплавкового регулятора с постоянным (или электрическим) магнитом работа установки будет аналогична описанной. В этом случае роль пружины 18 выполняет усилие притяжения клапана 14 поплавкового регулятора к магниту и соплу 15.

Это усилие в определенном положении поплавка уменьшает его вес, что равноценно также увеличению его выталкивающей силы с целью повышения надежности и ресурса работы.

Внедрение предлагаемого технического решения повысит надежность электролизных установок и ресурс их работы.

Формула изобретения

1. Способ электролиза химических веществ с образованием газов, включающий подвод электролита в межэлектродное пространство, разложение химических веществ под действием электрического тока, отвод двух получаемых газов через разделительные колонки и циркуляцию электролита, отличающийся тем, что циркуляцию электролита осуществляют путем периодического изменения давления одного из газов при поддержании давления другого газа постоянным.

2. Установка для электролиза химических веществ с образованием газов, содержащая электролитические ячейки, разделенные диафрагмой на катодное и анодное отделения и выполненные со средством подвода электролита в ячейки и с патрубками отвода из отделений, катодную и анодную разделительные колонки, выполненные с охлаждающими устройствами и газоотводящими патрубками, сообщенные с патрубками отвода из отделений ячеек и со средством подвода электролита в них, отличающаяся тем, что она снабжена поплавковым регулятором давления, выполненным с клапаном и шарнирно закрепленным в одной из разделительных колонок с возможностью периодического перекрытия клапаном посредством силового элемента ее газоотводящего патрубка, и задатчиком давления, установленным на газоотводящем патрубке другой разделительной колонки, средство подвода электролита в ячейки выполнено с патрубками раздельного подвода в катодные и анодные отделения.

3. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что силовой элемент выполнен в виде магнита, установленного на газоотводящем патрубке разделительной колонки, а клапан выполнен из магнитного материала.

4. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что силовой элемент выполнен в виде пружины.

5. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что катодная и анодная разделительные колонки соединены с патрубками подвода электролита в катодное и анодное отделения соответственно.

6. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что катодная разделительная колонка соединена с патрубками подвода электролита в анодные отделения, а анодная разделительная колонка соединена с патрубками подвода электролита в катодные отделения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3