ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ПОЛУЧЕНИЯ ФТОРА Российский патент 1997 года по МПК C25B9/00 C25B1/24 

Настоящее изобретение относится к технике получения фтора, а более конкретно к конструкции среднетемпературного фторного электролизера для промышленного производства фтора.

Известен фторный электролизер (см. например, патент США N 4511440, опубл. 16.04.85). Основной особенностью указанного электролизера является конструкция анода, который представляет собой набор углеграфитовых пластин с внутренними каналами или угольный блок с канавками и сквозными каналами. Конструкция данного электролизера позволяет получить достаточно высокие показатели электролизера при повышенной плотности тока. Однако в данной конструкции не решен вопрос защиты анодного токоподвода при работе анодных пластин, а изготовление внутренних каналов в угольном блоке трудоемкий процесс, требующий значительных трудозатрат.

Известен также электролизер для промышленного производства фтора (см. например, заявку Франции N 2304691, опубл. 19.11.76).

Данная конструкция содержит биполярные электроды, которые разделяются перегородками из электроизоляционного материала. Указанная конструкция является биполярным электролизером и, как все биполярные электролизеры, требует для изготовления специальных электроизолирующих материалов, устойчивых в агрессивных средах, и в настоящее время еще не нашла достаточно широкого промышленного применения.

Наиболее близким к заявляемому являются среднетемпературные электролизеры для получения фтора, работающие с токовой нагрузкой 6,0 кА (см. Галкин Н. П. Крутиков А.Б. Технология фтора. Атомиздат. М. с. 103-106, 1968). Такие электролизеры являются монополярными аппаратами ящичного типа с вертикальными углеграфитовыми анодами, стальными плоскими катодными пластинами, расположенными параллельно анодам, газоразделительным колоколом, к нижнему краю которого прикреплена сетчатая диафрагма и системой теплообмена.

Такие электролизеры могут работать при анодной плотности тока 0,15 • 10⁴ A/м² и обладает относительно низкой удельной производительностью. Средний выход по току около 90%
Указанные технико-экономические показатели не отвечают возрастающим требованиям промышленного производства.

В отличие от прототипа, включающего корпус, крышку, газоразделительное устройство, углеграфитовые аноды с токопроводящими штоками, катоды и систему теплообмена, предлагается электролизер для промышленного получения фтора, обеспечивающий увеличение удельной производительности в 3 и более раза за счет увеличения анодной плотности тока, полного использования поверхности анодного материала и повышения выхода по току.

В предлагаемой конструкции электролизера по поверхности углеграфитового анода нанесены продольные каналы, развивающие поверхность анода. Каналы выполнены с постоянным равномерным увеличением его глубины значения в нижней части анода до 0,8-1,0% от высоты анода в верхней его части при ширине канала равной 1/3 его максимальной глубины (например, для анода высотой 500 мм максимальная глубина канала равна 4-5 мм).

Защитные коррозионно стойкие втулки, предохраняющие медные токопроводящие штоки от коррозии, выполнены с внутренним диаметром, превышающим диаметр токопроводящего штока, при этом втулка выполнена с кольцевым зазором относительно штока, который заполнен порошком плавикового шпата с подпрессовкой. Торцевые сопряжения втулки и анодной пластины герметизированы эпоксидной композицией.

Жалюзи катодной жалюзийной коробки установлены под углом 20 25 градусов к вертикали.

Торцевые кромки каждой жалюзийной пластины, обращенные к аноду, срезаны под углом 25-30 градусов.

Каждая жалюзийная коробка в придонной ее части снабжена фиксирующей гребенкой, центрирующей анодную пластину относительно катода при сборке ванны.

Внутренняя часть днища электролизера покрыта электроизоляционным покрытием, например, фторорганической эпоксидной композицией.

Крышка электролизера выполнена из четырех объединенных агрегатов, каждый из которых включает в себя анодных комплект на 5 кА с токопроводами и газоразделительное устройство, электроизолированное от анодов и катодов.

Наличие вертикальных каналов с изменением их глубины при высоте анода предопределяет равномерное токораспределение по поверхности анода, обуславливая струйное движение фтора вверх по каналу, исключая хаотичное образование крупных газовых пузырей по поверхности анода, снижая вероятность отрыва их в межэлектродное пространство и проникновение анодного газа в зону катода. Указанная форма исполнения каналов (в сравнении с анодными каналами одинаковой глубины по всей поверхности) снижает наполовину затраты на их изготовление не нарушая при этом процессов электролиза в анодной зоне.

При максимальной глубине канала меньше 0,8% от высоты анода повышается вероятность нарушения струйного течения анодного газа по поверхности анода, что ведет к ухудшению газоразделения и к снижению выхода фтора по току до 90%
Исполнение максимальной глубины канала больше 1,0% от высоты анода нецелесообразно из-за возможного нарушения механической и коррозионной стойкости анодной сборки.

Угол наклона жалюзи (20-25 градусов от вертикали) катодной коробки в сочетании с исполнением прианодной кромки каждой жалюзийной пластины (срез под углом 25-30 градусов) обеспечивают оптимальную скорость прохождения газоэлектродной эмульсии межжалюзийного пространства (зоны между двумя соседними жалюзийными пластинами), повышает скорость отвода водорода из межэлектродного пространства, улучшает газоразделение фтора и водорода. При значениях угла наклона жалюзийных пластин менее 20 градусов сопротивление потоку газоэлектролитной эмульсии увеличивается из-за уменьшения зазора между жалюзи. При увеличении угла наклона более 25 градусов скорость потока также уменьшается из-за налипания пузырьков на кромках жалюзи, что повышает вероятность поступления водородно-электролитной эмульсии в прианодную зону, способствует ухудшению газоразделения.

В целом, комбинация анода предлагаемого исполнения в совокупности с измененным катодом образует наиболее оптимальный вариант фторной электролитической ячейки, т. к. в данном случае условия электролиза идентичны на всех участках поверхности анода и катода. Кроме того, предлагаемый вариант исполнения электролизной ячейки позволяет уменьшить межэлектродное расстояние до 35 мм, что создает предпосылку к улучшению технико-экономических показателей процесса электролиза за счет снижения межэлектродного напряжения при высоком значении выхода фтора по току.

Предложенное исполнение защиты токоподводящего штока обеспечивает полную герметизацию медного штока в коррозионно устойчивой втулке, выполненной, например, из магния, что позволяет увеличить межремонтный ресурс анодного комплекта.

Наличие фиксирующих гребенок в основании катодов обеспечивает жесткость установочных размеров анодов относительно катодов, что в значительной степени определяет стабильность режима циркуляции газоэлектролитной эмульсии в электролизере.

Диэлектрическое покрытие донной части электролизера исключает вероятность побочных электродных процессов внутри ванны.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид электролизера предложенной конструкции, на фиг. 2 анод с токоподводящим штоком, на фиг. 3 изображен общий вид жалюзийного катода.

Предложенный электролизер (фиг. 1) содержит: корпус 1 с параллельно расположенными в нем электролизными ячейками 2, включающими аноды 3 с токоподводящими медными штоками 4 и защитными втулками 5; трубы системы охлаждения 6 и электроизоляционное покрытие 7 днища 8 в электролизере; жалюзийные коробчатые катоды 9, газоразделительное устройство 10, состоящее из крышки 11, съемных сборников анодного газа 12, которые на фланцах корпуса 13 закреплены между крышкой 11 и корпусом 1 через изоляционные прокладки, верхней 14 и нижней 15, струбцинами 16; анод снабжен каналами 17.

На фиг. 2 анод 3 снабжен каналами 17, выполненными на поверхности анода с равномерным увеличением его глубины с основания (нижняя его часть) вверх, 4 токоподводящий шток, 5 защитная магниевая втулка, 18 кольцевой зазор между втулкой и штоком, заполненный плавиковым шпатом 19. 20 торцевое сопряжение анода 3 с магниевой втулкой 5.

Фиг. 3 жалюзийный коробчатый катод 9 с жалюзями 21, установленными под углом 20-25 градусов к вертикали (поз. 23). Поз. 22 угол среза торца жалюзи, обращенного к аноду, равный 25-30 градусам, 24 фиксирующая гребенка положения анода относительно катодной коробки.

В процессе электролиза анодный газ (фтор) выделяется на аноде 3 и по его поверхности поднимается вверх в анодное пространство газоразделительного устройства 10. При повышенной анодной плотности тока вследствии интенсификации процесса на поверхности анода вероятно формирование крупных газовых образований, которые могут частично изолировать анод от электролита, нарушая процесс электролиза. При наличии каналов 17, в силу гидростатических явлений, выделившийся газ как бы вдавливается в каналы и транспортируется по ним вверх.

Предложенная форма исполнения канала равномерное увеличение его глубины снизу вверх снижает трудозатраты на его изготовление, обеспечивает транспортировку газа по руслу канала без его переполнения. Гребни каналов остаются свободными для осуществления электродных процессов и обеспечивают равномерное токораспределение по всей поверхности анода.

Выделившийся на катоде 9 газ, водород, в виде пузырьков отрывается с поверхности жалюзи 21. При этом в силу газлифтного эффекта между пластинами жалюзи 21 возникает направленный поток газоэлектролитной смеси на прикатодной зоны в закатодную. Скорость движения электролита между плоскостями жалюзи определяет полному газоотвода из зоны электролиза и в значительной степени влияет на параметры работы электролизера.

Указанные углы установки и среза жалюзийных пластин в катодной коробке определяют оптимальный режим потока электролита между жалюзийными пластинами и выбраны экспериментальным путем в процессе длительных испытаний.

Диэлектрическое покрытие 7 днища электролизера исключает побочные электродные процессы на нем, способствует увеличению межремонтного ресурса корпуса электролизера, предотвращает поступление пузырьков водорода со дна ванны в анодное пространство электролизера, приводит к повышению содержания фтора в анодном газе.

Опытный образец предложенного электролизера проходит в настоящее время промышленные испытания. Показатели его работы представлены в таблице.

Из таблицы видно, что предлагаемый электролизер относительно базового образца имеет существенное преимущество по таким показателям работы, как содержание фтора в анодном газе, выход фтора по току и межремонтный ресурс.

Изобретение относится к технике получения фтора, а именно к конструкции среднетемпературного фторного электролизера. Электролизер содержит корпус 1, крышку 11, газораспределительное устройство 12, углеграфитовые аноды 3, с токопроводящими штоками 4 и газоотводными каналами 17 на поверхности анодов, коробчатые жалюзийные катоды 9 и систему теплообмена. Токопроводящие штоки защищены от агрессивной среды магниевыми втулками 5 и набивкой из порошка плавикового шпата 19, которая размещена в кольцевом зазоре 18 между втулкой и токопроводящим штоком. Торцевые сопряжения втулки и анодной пластины 20 герметизированы эпоксидной композицией. Каналы на поверхности анода 17 выполнены с равномерным увеличением глубины канала от нулевого значения в нижней части анода до 0,8^oC1,0% от его высоты в верхней части. Жалюзи катодной жалюзийной коробки 9 установлены под углом 20-25 градусов к вертикали. Торцевые кромки жалюзийных пластин, обращенные к аноду срезаны под углом 25-30 градусов. Жалюзийные коробки в их придонной части снабжены фиксирующими гребенками 24. Газоразделительное устройство 12 установлено на флангах и токоизолировано от крышки и корпуса диэлектрическими прокладками. Днище корпуса покрыто электроизоляционной композицией 7. В сравнении с известными вариантами фторных электролизеров предложенная конструкция улучшает состав анодного газа, повышает выход фтора по тому, повышает межремонтный ресурс, снижает трудозатраты по изготовлению анодного комплекта 2 з.п. ф-лы, 1 табл. , 3 ил.

1. Электролизер для промышленного получения фтора, содержащий корпус, крышку, газоразделительное устройство, углеграфитовые аноды с токоподводящими штоками, катоды и систему теплообмена, отличающийся тем, что на поверхности анодов выполнены каналы переменной глубины от нулевого значения в нижней части до значения, равного 0,8 1% высоты анода, в верхней его части, токоподводящий шток к аноду снабжен коррозионностойкой втулкой, установленной на штоке с кольцевым зазором, который с подпрессовкой заполнен коррозионностойким порошком, соединение торцевой части анода с втулкой герметизировано защитной композицией, катоды выполнены коробчатыми и жалюзиобразными, жалюзи катода закреплены в коробчатом катоде под углом 20 - 25^o к вертикали, а торцы жалюзи, обращенные к аноду, срезаны под углом 25 30^o, при этом коробчатые жалюзийные катоды снабжены фиксирующим устройством, определяющим межэлектродное пространство. 2. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что в качестве коррозионностойкого порошка используют плавиковый шпат. 3. Электролизер по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что дно корпуса снабжено электроизоляционным покрытием.