ЭЛЕКТРОЛИЗНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1996 года по МПК C25B1/02 

Предлагаемая электролизная установка относится к области электролизных установок для разложения химических веществ с образованием газовой фазы, в частности, для разложения воды.

Известны электролизные установки для разложения воды, применяемые в промышленности для получения кислорода и водорода (см. Якименко и др. "Электролиз воды", изд. Химия, М. 1970г. стр.126-186).

Известные электролизные установки включают в себя электролизер, разделители газожидкостных смесей, холодильники регуляторы давления и равенства давлений получаемых газов, трубопроводы и арматуру.

Известные установки имеют следующий недостаток:
недостаточно эффективный и равномерный по длине электролизера отвод тепла из электролизных ячеек, определяемый скоростью циркуляции электролита через каждую отдельную ячейку, что является причиной значительного различия в температурах концевых и средних ячеек электролизера и снижает ресурс работы электролизера, определяемый, как правило, не средней, а максимальной температурой процесса.

Ближайшим аналогом (прототипом) предлагаемой электролизной установки является электролизная установка Зданского-Лонца (см. там же).

Прототип включает в себя электролизер, разделители газожидкостных смесей, холодильники, регуляторы давления и равенства давлений газов, побудитель циркуляции электролита (насос), трубопроводы и арматуру.

Прототип имеет недостаток, связанный, как и в других электролизных установках (см. выше), с неравномерностью температуры в ячейках по длине пакета электролизера, имеющей место даже при наличии циркуляционного насоса.

Это объясняется сложностью и плохой организацией гидравлической системы электролизера у прототипа. Сложность гидравлической системы электролизера связана с большим количеством параллельных каналов для электролита и газожидкостных смесей, что неизбежно для больших многоячеечных электролизеров. Плохая же организация гидравлической системы электролизера связана со следующими причинами:
1. Слишком различным в части гидравлики положением ячеек электролизера по отношению к общим штуцерам электролизера для подвода электролита и отвода газожидкостных смесей.

2. Горизонтальным положением электролитного и газожидкостных общих каналов электролизера, не использующих поэтому с достаточной эффективностью разницу в плотностях рабочих сред, связанную как с величиной газонаполнения электролита, так и с его температурой.

Имеющиеся же у прототипа насос и вертикальные участки переходных трубопроводов для газожидкостных смесей от электролизера к разделителям хотя и улучшают циркуляцию электролита, все же не могут существенно влиять на равномерность распределения электролита по ячейкам электролизера.

Предлагаемое изобретение направлено на устранение указанного недостатка и создание электролизной установки, имеющей значительно более равномерную температуру по длине пакета электролизера и, соответственно, более высокий ресурс работы.

Технический результат достигается за счет увеличения общей скорости циркуляции электролита и более равномерного его распределения по ячейкам электролизера.

Сущность изобретения заключается в следующем. В электролизной установке, содержащей электролизер, разделители газожидкостных смесей, холодильники, регуляторы давления и равенства давлений газов, трубопроводы и арматуру, электролизер установлен таким образом, что его общие газовые и электролитный каналы наклонены под острым углом к горизонтали (например, ≈ 45^o), при этом общие газовые каналы и их выходные штуцеры проходят через верхние точки ячеек электролизера, а общий электролитный канал и его штуцер через нижние точки ячеек электролизера, причем общие газовые штуцеры находятся в верхних точках газовых каналов, а общий штуцер для электролита, в зависимости от условий эксплуатации, может находится как с одной, так и с другой стороны общего электролитного канала.

Существенными отличиями предполагаемого изобретения являются:
электролизер установлен таким образом, что его общие газовые и электролитный канал наклонены под острым углом к горизонтали (например, ≈ 45^o), при этом общие газовые каналы и его штуцеры проходят через верхние точки ячеек электролизера, а общий электролитный канал и его штуцер - через нижние точки ячеек электролизера, общие газовые штуцера расположены в верхних точках общих газовых каналов, а общий штуцер для электролита, в зависимости от условий эксплуатации и конструкции электролизера, может находиться как с одной, так и с другой стороны общего электролитного канала.

Предлагаемые существенные отличия электролизной установки позволяют получить следующие технические результаты.

Установка электролизера таким образом, что его общие газовые и электролитный каналы наклонены под острым углом к горизонтали позволяет увеличить скорость циркуляции электролита через электролизер и обеспечить более равномерное распределение электролита по ячейкам электролизера, что в свою очередь приводит к выравниванию температуры по длине пакета электролизера, и, соответственно, к повышению ресурса его работы.

Указанный эффект достигается за счет:
1. Увеличения высоты уровней электролита (на выходе газожидкостных смесей из ячеек электролизера и на входе электролита в ячейки электролизера), значительно различающихся по плотности и температуре, из-за высокого газонаполнения выходящего из электролизера электролита и его нагрева в ячейках при электролизе, в то время как возвращаемый в электролизер электролит отделен от газовых включений в разделителях газожидкостных смесей и охлажден его холодильником.

2. Отсутствия в предлагаемом контуре циркуляции электролита, в отличие от прототипа, горизонтально расположенных общих газовых и электролитного каналов электролизера, являющихся существенной частью электролитного контура установки, определяющей в значительной степени скорость циркуляции электролита и положение электролизных ячеек в части гидравлики по отношению к общим штуцерам электролизера для электролита и газов.

Кроме того, наклонное положение общих каналов электролизера, и, соответственно, самого электролизера, по отношению к горизонтали, позволяет значительно сократить производственную площадь, необходимую для монтажа электролизной установки, например, в 1,5-2 раза при монтаже в одном помещении нескольких электролизеров.

На фиг. 1-3 схематично изображены схема и аппараты предлагаемой электролизной установки. Установка состоит из электролизера 1, наклоненного под острым углом 2 к горизонтали вместе с общими газовыми каналами и штуцерами 2 и 3 и общим электролитным каналом и его штуцером 4, разделительной колонки 5 с холодильником 6, разделительной колонки 7 с поплавковым регулятором давления 8 и холодильником 9, и регулятора давления 10.

Работает предлагаемая электролизная установка следующим образом.

Исходное состояние:
установка заправлена электролитом (водным раствором щелочи КОН);
на холодильники 6 и 9 подана охлаждающая вода;
регулятор давления 10 настроен на заданное давление газа "до себя".

Подать электропитание постоянного тока на электролизер 1. В ячейках электролизера сразу же начинается разложение воды на кислород и водород. Получаемые газы вместе с электролитом собираются в общих газовых каналах электролизера и через штуцеры 2 и 3 поступают в разделители 5 и 7, где газы отделяются от электролита и подаются потребителю, а отделенный от газов электролит охлаждается на холодильниках 6 и 9 и через штуцер 4 электролизера возвращается в общий электролитный канал, откуда поступает на ячейки электролизера.

Внедрение предлагаемой электролизной установки позволит повысить надежность и ресурс ее работы за счет повышения скорости циркуляции электролита и более равномерного его распределения по ячейкам электролизера и исключения из схемы электролизной установки циркуляционного насоса, имеющего, как и большинство вращающихся изделий, ограниченный ресурс работы.

Использование: изобретение относится к области электролизных установок для разложения химических веществ с образованием газовой фазы, в частности, для разложения воды. Сущность: электролизер и его общие каналы для рабочих сред наклонены под острым углом к горизонтали, при это штуцеры общих газовых каналов расположены в их верхних точках, а штуцер общего электролитного канала, в зависимости от условий эксплуатации расположен или с одной, или с другой стороны этого канала. Изобретение может использоваться в промышленности при электролизе химических веществ, в частности, при электролизе воды, с целью получения кислорода и водорода. 3 ил.

Электролизная установка, содержащая электролизер, разделители газожидкостных смесей, холодильники, регуляторы давления газов, трубопроводы и арматуру, отличающаяся тем, что электролизер вместе с общими каналами для рабочих сред установлен с наклоном под острым углом к горизонтали, при этом газовые каналы проходят через верхние точки ячеек электролизера, а их выходные штуцеры расположены в верхних точках этих каналов, общий электролитный канал проходит через нижние точки ячеек электролизера, а его выходной штуцер расположен на одном из концов канала.