РЕАКТОР ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТИ Российский патент 2000 года по МПК C02F1/461 

Область применения
Изобретение относится к области электрохимических технологий, использующих электрохимическую обработку жидкости, в частности воды и/или водных растворов для изменения их физико-химических свойств, и может быть использовано в различных областях техники, как для получения продуктов непосредственно с использованием электролиза, так и для подготовки к использованию воды и/или водных растворов.

Предшествующий уровень техники
В прикладной электрохимии известны устройства, использующие электрохимические реакторы, представляющие собой электролизеры различной конструкции или серию электрохимических ячеек одной конструкции, обеспечивающих обработку жидкостей при сохранении требуемой производительности.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является установка для электролитической обработки воды [1], содержащая реактор, который может включать несколько компактных диафрагменных электрохимических ячеек, представляющих собой проточные электрохимические модули, каждый из которых выполнен из вертикальных коаксиально установленных цилиндрического и стержневого электродов, керамической диафрагмы, нижнего и верхнего диэлектрического узла для коаксиальной установки и крепления электродов и диафрагмы. Диафрагма разделяет межэлектродное пространство на электродные камеры. Узлы установки и крепления электродов и диафрагмы выполнены в виде диэлектрических втулок и головок, в которых выполнены каналы для подачи (нижний узел) и вывода (верхний узел) обрабатываемой среды в электродные камеры. Модули с помощью коллекторов специальной конструкции соединены в серии. Каналы втулок и головок модульных ячеек снабжены штуцерами, которые соединены с коллекторами для подвода и отвода обрабатываемой среды.

Недостатком известного решения является сравнительная сложность монтажа и демонтажа реактора. Известный реактор также имеет предел производительности, так как соединение в нем более четырех модулей приводит к возникновению значительных различий в гидравлических сопротивлениях отдельных модульных ячеек и, как следствие, к неравномерности в работе отдельных модулей. Кроме того, известный реактор не позволяет организовать процесс обработки жидкости с использованием циркуляции электролита в ячейках за счет газлифта.

Раскрытие изобретения
Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения является упрощение реактора, снижение трудозатрат на его монтаж и демонтаж, обеспечение возможности проведения процесса электрообработки с использованием циркуляции электролита в ячейке за счет выделяющихся газов и повышение производительности реактора за счет обеспечения возможности подключения большого числа модулей без снижения их гидравлического сопротивления.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в реакторе, содержащем более одного проточного электрохимического модуля - компактной диафрагменной электрохимической ячейки - выполненного из вертикальных цилиндрического внешнего и внутреннего электродов, керамической диафрагмы, размещенной между электродами и разделяющей межэлектродное пространство на электродные камеры, нижнего и верхнего узлов для коаксиальной установки и крепления электродов и диафрагмы, из которых нижний узел выполнен с возможностью подачи жидкости в электродные камеры и имеет два штуцера подачи, расположенные один над другим в одной плоскости, а верхний узел выполнен с возможностью вывода обработанной жидкости из электродных камер и имеет два штуцера вывода, расположенные один под другим в той же плоскости, и узлы соединены с приспособлениями для подачи и отвода жидкости в электродные камеры ячеек реактора, число модулей составляет не менее двух и является четным.

Приспособления для подвода и отвода обрабатываемой жидкости в электродные камеры ячеек реактора выполнены в виде двух коллекторов для подвода жидкости в электродные камеры и двух коллекторов для отвода, соединенных с обвязывающими трубопроводами, причем каждый коллектор выполнен составным из однотипных коллекторных секций из диэлектрического материала. Каждая секция выполнена в виде двух, взаимопроникающих отрезков полых цилиндров разных размеров, большого и малого. Отрезки цилиндров выполнены соответственно с большими и меньшими наружными и внутренними диаметрами. Полости большого и малого цилиндров сообщаются, причем оси цилиндров перпендикулярны, но не пересекаются и ось цилиндра меньшего диаметра расположена по касательной к полости поперечного сечения цилиндра большего диаметра. Отверстия в торцах цилиндра меньшего диаметра выполнены в виде гнезд для закрепления штуцеров подачи или вывода узлов для крепления электродов и диафрагм электрохимических модулей. В цилиндре большего диаметра один из торцов выполнен в виде наружного патрубка ниппельного соединения, а другой торец - в виде внутреннего патрубка ниппельного соединения. Проточные электрохимические модульные элементы расположены в установке симметрично относительно коллекторов, и каждая пара модулей соединена с четырьмя коллекторными секциями.

Такое выполнение позволяет быстро и просто соединить необходимое число коллекторных секций в зависимости от требуемой производительности реактора, а применив герметизирующую смазку или клей обеспечить надежную герметизацию соединений. Кроме того, при использовании коллекторных секций со сравнительно большим диаметром внутреннего ниппельного соединения (которое и является внутренним диаметром коллектора в собранном виде и определяется в зависимости от требуемой производительности и условий циркуляции электролита) обеспечить эффективную циркуляцию электролита в проточных электрохимических модулях за счет газлифта.

На поверхности цилиндра большего диаметра могут быть расположены фиксирующие элементы, например выступы, а на торце, выполненном в виде наружного патрубка ниппельного соединения - выемки, конфигурация которых соответствует конфигурации фиксирующих элементов. Такое выполнение позволяет обеспечить одинаковое положение секций при сборке и не допустить перекосов в креплении модулей. Предпочтительно в качестве фиксирующих элементов использовать геометрические формы, образованные за счет сопряжения наружных поверхностей цилиндров большего и меньшего диаметров.

Узлы для установки и крепления электродов и диафрагмы выполнены в виде нижней и верхней диэлектрических втулок, имеющих соответственно каналы для подачи и вывода жидкости в камеру внешнего электрода и установленные на втулках нижнюю и верхнюю диэлектрические коллекторные головки, причем головки установлены на втулках с возможностью поворота, и выполнены соответственно с каналами подачи и вывода жидкости в камеру внутреннего электрода, при этом каналы втулок и головок снабжены штуцерами с быстроразъемными соединениями с замками и уплотнительными кольцами.

Такое выполнение позволяет ускорить сборку установки, обеспечить быстрое и надежное соединение модулей с коллекторами.

Штуцера во втулках и головках могут быть размещены так, что обеспечивается тангенциальная подача жидкости в электродные камеры и/или вывод жидкости из этих камер, что позволяет оптимизировать гидравлический режим в камерах и снизить вероятность возникновения застойных зон. Реактор выполненный в соответствии с изобретением, обозначен авторами как "Проточный электрохимический реактор "РПЭ-С".

Краткое описание фигур чертежей
На фиг. 1 представлен общий вид реактора из четырех модульных элементов в сборе; на фиг. 2 - вид спереди реактора, разрез.

На фиг. 3 - 4 представлены коллекторные секции с указанием последовательности сборки.

Реактор (фиг. 1) содержит две пары проточных электрохимических модуля, каждый из которых выполнен из внешнего электрода 1, внутреннего электрода 2 и диафрагмы 3. Каждый модуль имеет нижний и верхний узел для коаксиальной установки и крепления электродов и диафрагмы.

Узлы выполнены в виде нижней 4 и верхней 5 диэлектрических втулок. В нижней втулке 4 выполнен канал, снабженный штуцером 6, для подачи обрабатываемой жидкости в камеру внешнего электрода. В верхней втулке 5 выполнен канал для вывода обрабатываемой жидкости из камеры внешнего электрода, снабженный штуцером 7. На втулках 4 и 5 установлены нижняя 8 и верхняя 9 диэлектрические коллекторные головки, причем головки установлены на втулках с возможностью поворота. Головка 8 выполнена с каналом подачи жидкости в камеру внутреннего электрода, снабженного штуцером 10, а головка 9 выполнена с каналом вывода жидкости из камеры внутреннего электрода, снабженном штуцером 11. Штуцеры 6, 7, 10 и 11 выполнены в виде быстроразъемных соединений с замками и уплотнительными кольцами.

Штуцера втулок 6 и 7 соединены с однотипными коллекторными секциями 12 и 13, а штуцера головок 10 и 11 - соответственно с однотипными секциями 14 и 15. Каждая секция (фиг. 2, 3, 4) выполнена в виде двух, взаимопроникающих отрезков полых цилиндров разных размеров, большого 16 и малого 17. Отрезки цилиндров 16 и 17 выполнены соответственно с большими и меньшими наружными и внутренними диаметрами, причем оси цилиндров перпендикулярны, но не пересекаются и ось цилиндра 17 диаметра расположена по касательной к полости поперечного сечения цилиндра 16 большего диаметра. Полости большого и малого цилиндров сообщаются, и сопряжение внутренних поверхностей цилиндров 16 и 17 образует отверстие 18 (фиг. 4). Отверстия в торцах цилиндра 17 меньшего диаметра выполнены в виде гнезд 19 для закрепления штуцеров 6, 10 подачи или 7, 11 вывода втулок 4, 5 и головок 8, 9 для крепления электродов и диафрагм электрохимических модулей. В цилиндре 16 большего диаметра один из торцов 20 выполнен в виде наружного патрубка ниппельного соединения, а другой торец 21 - в виде внутреннего патрубка ниппельного соединения.

На поверхности цилиндра 16 расположен фиксирующий элемент 22, а на торце 20 выемка 23, конфигурация которой соответствует конфигурации фиксирующего элемента 22. На торце 20 также выполнены выемки 24, обеспечивающие дополнительную фиксацию соединения коллекторных секций за счет геометрической формы 25, образованной сопряжением наружных поверхностей цилиндров 16 и 17.

Реактор работает следующим образом. Обрабатываемая жидкость через гидравлическую обвязку (на фиг. не показано) поступает в коллекторные секции подвода 12 и 14 и раздельными потоками по быстроразъемным соединениям в отверстиях 19 через штуцера 6 втулок 4 и штуцера 10 головок 8 подается в электродные камеры электрохимических модулей. После заполнения модулей на электроды 1 и 2 подается напряжение.

В зависимости от требований к обработанной среде определяется скорость ее протока через электродные камеры. Изменение свойств обрабатываемой среды происходит за счет протока ее через электрохимический модуль снизу вверх. Обработанная жидкость выводится из ячеек реактора через каналы и штуцера 7 во втулках 5 и штуцера 11 в головках 9 и через коллекторные секции 13 и 15 отводится из реактора.

В зависимости от условий решаемых задач в разноименные электродные камеры ячеек реактора может подводиться один или разные электролиты, также электродные камеры ячеек могут работать в циркуляционном или непроточном режиме. Эти вопросы решаются за счет специального выбора гидравлической обвязки и не требуют внесения изменений в конструкцию реактора.

Промышленная применимость
Данное изобретение более просто в сравнении с известным при монтаже и демонтаже реактора и установок с его использованием, более надежно, так как не требует большого количества уплотнительных соединений и фиксации электрохимических ячеек в реакторе. Гидравлическая схема реактора является более эффективной и позволяет осуществлять обработку жидкости в модульных элементах в циркуляционном режиме. Кроме того, она обеспечивает равномерное распределение жидкости для большего числа модулей, что позволяет увеличить производительность реактора при уменьшении его объема и материалоемкости. Изобретение обеспечивает возможность быстрого адаптирования к различным системам и технологиям.

Источники информации
1. Патент РФ N 2078737, C 02 F 1/461, прототип.

Изобретение предназначено для электролиза жидкостей для получения воды и/или водных растворов с направленно измененными электрохимической обработкой физико-химическими свойствами. Проточный реактор содержит четное количество диафрагменных электрохимических модульных ячеек, соединенных с коллекторами для подвода и отвода обрабатываемой жидкости. Каждый коллектор выполнен составным из однотипных коллекторных секций из диэлектрического материала, а каждая секция выполнена в виде двух взаимопроникающих отрезков цилиндров с большим и меньшим наружным и внутренним диаметром, внутренние полости в которых сообщаются, причем оси цилиндров перпендикулярны, но не пересекаются. Отверстия в торцах цилиндра меньшего диаметра выполнены в виде гнезд для закрепления штуцеров электрохимических ячеек. Секции соединяются друг с другом, образуя ниппельные соединения. Предусмотрены приспособления для фиксации секций друг относительно друга. Технический результат - упрощение реактора, снижение трудозатрат на его монтаж и демонтаж, повышение производительности. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Реактор для электрохимической обработки жидкости, содержащий более одной проточной электрохимической модульной ячейки, выполненной из вертикальных цилиндрического внешнего и внутреннего электродов, керамической диафрагмы, размещенной между электродами и разделяющей межэлектродное пространство на электродные камеры, нижний и верхний узлы коаксиальной установки и крепления электродов и диафрагмы, причем нижний узел выполнен с возможностью подачи жидкости в электродные камеры и имеет два штуцера подачи, расположенные один над другим в одной плоскости, а верхний узел выполнен с возможностью вывода обработанной жидкости из электродных камер и имеет два штуцера вывода, расположенные один под другим в той же плоскости, и узлы соединены с приспособлениями для подвода жидкости в электродные камеры ячеек реактора и приспособлениями для отвода жидкости из электродных камер ячеек реактора, отличающийся тем, что реактор содержит четное количество модульных ячеек, приспособления для подвода и отвода обрабатываемой жидкости в электродные камеры ячеек реактора выполнены в виде двух коллекторов для подвода жидкости в электродные камеры и двух коллекторов для отвода, причем каждый коллектор выполнен составным из однотипных коллекторных секций из диэлектрического материала, и каждая секция выполнена в виде двух взаимопроникающих отрезков полых цилиндров с большими и меньшими наружными и внутренними диаметрами, причем их оси перпендикулярны, но не пересекаются, и полости отрезков цилиндров сообщаются, отверстия в торцах отрезка цилиндра меньшего диаметра выполнены в виде гнезд для закрепления штуцеров подачи нижнего узла или штуцеров вывода верхнего узла для крепления электродов и диафрагм электрохимических ячеек, один из торцов отрезка цилиндра большего диаметра выполнен в виде наружного патрубка ниппельного соединения, а другой его торец - в виде внутреннего патрубка ниппельного соединения, модульные ячейки расположены в установке симметрично относительно коллекторов, а каждая пара ячеек соединена с четырьмя коллекторными секциями. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что на поверхности отрезка цилиндра большего диаметра расположены фиксирующие элементы, например, выступы, а на торце, выполненном в виде наружного патрубка ниппельного соединения, выемки, конфигурация которых соответствует конфигурации фиксирующих элементов. 3. Реактор по п.2, отличающийся тем, что в качестве фиксирующих элементов используют геометрические формы, образованные за счет сопряжения наружных поверхностей отрезков цилиндров большего и меньшего диаметров. 4. Реактор по п.1, отличающийся тем, что узлы для установки и крепления электродов и диафрагмы выполнены в виде нижней и верхней диэлектрических втулок, имеющих соответственно каналы для подачи жидкости в камеру внешнего электрода и вывода жидкости из нее и установленных на втулках нижней и верхней диэлектрических коллекторных головок, причем головки установлены на втулках с возможностью поворота и выполнены соответственно с каналами подачи жидкости в камеру внутреннего электрода и вывода жидкости из нее, при этом каналы втулок и головок снабжены штуцерами с быстроразъемными соединениями с замками и уплотнительными кольцами. 5. Реактор по пп.3 и 4, отличающийся тем, что штуцера во втулках или во втулках и головках размещены таким образом, чтобы обеспечить тангенциальный ввод жидкости в электродные камеры и/или вывод из них.