АНОД ДЛЯ РЕАКЦИЙ С ВЫДЕЛЕНИЕМ ГАЗА Российский патент 2010 года по МПК C25B11/02 C25B1/46 

Уровень техники

В настоящее время получение хлора и каустической соды является одним из важнейших промышленных электрохимических процессов и осуществляется на заводах на основе трех различных технологий, а именно мембранной, с ртутным катодом и диафрагменной. Мембранная технология характеризуется низким потреблением электрической энергии и отсутствием экологических проблем. Две оставшихся технологии, с ртутным катодом и диафрагменная, которые стали широко распространенными за годы после Второй Мировой войны, первоначально характеризовались высоким потреблением электрической энергии и серьезными проблемами экологического характера в то время, когда имела место коммерциализация мембранной технологии на заводах. Тем не менее, обе технологии оказались в состоянии выжить и в настоящее время все еще применяются на заводах, продукция которых составляет 60-70% от общего мирового производства. Такая «живучесть» была обеспечена как техническими причинами, позволившими достигнуть существенного уменьшения потребления энергии и снизить или даже устранить экологические проблемы (в частности, существенно уменьшить выбросы ртути и заменить асбестовые волокна на волокна альтернативных экологически благоприятных составов при изготовлении диафрагмы), так и финансовыми причинами, в основном связанными с капитальными затратами, очевидно меньшими в случае уже в большой степени окупившихся заводов.

Что касается сокращения потребления энергии, то диафрагменная технология претерпела внедрение ряда новшеств, относящихся, в частности, хотя и не только, к природе и структуре анода. Первоначальные аноды, состоявшие из графитовых пластин, были фактически заменены анодами, образованными крупноячеистыми титановыми сетками, сконфигурированными так, что получилась своего рода уплощенная коробка (откуда и принятое в настоящее время использование технического термина «коробчатые аноды»), снабженная поверхностным каталитическим покрытием, подходящим для способствования реакции выделения хлора (к примеру, покрытие из смешанных оксидов рутения и титана, см. патент США 3591483). Но на напряжении электролизера, хотя оно и значительно снизилось, все еще отрицательно сказывался значительный зазор, ориентировочно в 6-8 мм, существующий между поверхностями анодов и обращенными к ним диафрагмами. По этой причине коробчатый анод заменили на расширяющиеся аноды, по-прежнему характеризующиеся уплощенной коробчатой формой, но с тем отличием, что две основные поверхности, по-прежнему состоящие из снабженной каталитическим покрытием крупноячеистой титановой сетки, прикрепляются к центральному токоприемному стержню упругими листами, известными в данной области техники как «расширители», способные к одновременному обеспечению передачи электрического тока наряду с определенной подвижностью (см. патент США 3674676). С таким типом конструкции зазор между поверхностями анода и диафрагмы мог быть уменьшен до примерно 2-3 мм с являющимся следствием этого уменьшением напряжения электролизера и за счет этого потребления энергии.

Дальнейшие усовершенствования, сделанные в конструкции расширяющегося анода, состоят в устройствах, направленных на достижение лучшей циркуляции рассола, с двойной целью поддержания высокой концентрации хлорида на поверхности каталитического покрытия и быстрого удаления пузырьков хлора и предотвращения их прилипания к диафрагме, за счет чего гарантируется дальнейшее уменьшение напряжения электролизера. Устройства циркуляции рассола, к примеру, представлены расширителями, которым придана подходящая форма (см. патент США 5593555), дефлекторами потока, установленными в верхней части анодов (см. патенты США 3790465 и 5066378), и заменой крупноячеистой сетки на вертикальные пластины, закрепленные, к примеру, на плоском несущем листе, при этом вершины пластин поддерживаются в любом случае на расстоянии 1,5-3 мм от поверхности диафрагмы (см. патент США 4013525). В соответствии с подобным устройством пластины устанавливают на вершинах сгибов, образованных посредством придания необходимой формы несущему листу (см. патент EP 0203224).

Зазор между поверхностями анода и диафрагмы окончательно устранили с дальнейшим выигрышем по энергии посредством использования специальных расширяющихся анодов, снабженных как дополнительными сжимающими упругими элементами, способными надежно поддерживать подвижные поверхности анодов в контакте с по существу всей поверхностью диафрагмы, так и выправленной мелкоячеистой сеткой, наложенной на ранее применявшуюся крупноячеистую сетку (см. патент США 5534122). Назначением мелкоячеистой сетки является предотвращение повреждения диафрагмы с течением времени неровностями поверхности крупноячеистой сетки с обусловленным этим падением выхода по току и опасностями короткого замыкания. Каталитическое покрытие наносят на обе сетки или, предпочтительно, с целью ограничения производственных затрат только на мелкоячеистую сетку.

Конструкцию анода согласно патенту США 5534122 далее модифицировали, сохранив мелкоячеистую сетку с каталитическим покрытием неизменной и заменив крупноячеистую сетку горизонтально или вертикально расположенными параллельными пластинами с целью улучшения циркуляции рассола (см. WO 2005/001163). Гидравлический режим, гарантируемый последним типом расширяющегося анода, и одновременное устранение зазора между поверхностями диафрагмы и анода позволяют получать более низкие напряжения электролизера и, следовательно, более низкое потребление электрической энергии на единицу продукта хлора, например 2300 кВт·ч на тонну.

Однако расширяющиеся аноды согласно WO 2005/001163 обладают некоторыми неудобствами: в частности, можно отметить, что после примерно 1000 часов работы напряжение электролизера имеет тенденцию увеличиваться с происходящим при этом уменьшением выхода по току, что сопровождается существенным увеличением содержания кислорода в хлоре. Как следствие, имеет место увеличение потребления электрической энергии и недопустимое ухудшение качества продукта хлора. Хотя конкретных доказательств не существует, причина такого ухудшения работы может быть связана с постепенным проникновением мелкоячеистой сетки в объем диафрагмы. Если вышеупомянутое предположение является правильным, то выделение хлора происходит по меньшей мере частично, в пределах поверхностных слоев диафрагмы, захватывающих по меньшей мере некоторую часть пузырьков, с возрастанием электрического сопротивления и, следовательно, напряжения электролизера. Кроме того, щелочность, несомненно присутствующая внутри диафрагмы, реагирует с захваченным хлором, образуя гипохлорит, что приводит к падению эффективности электролиза. Настоящее изобретение направлено на преодоление описанных выше недостатков предшествующего уровня техники посредством новой конструкции расширяющегося анода.

Краткое описание изобретения

Согласно первому аспекту изобретения расширяющийся анод снабжен подвижными поверхностями, предпочтительно подразделенными на четыре независимые секции, каждая из которых содержит сборочный узел, состоящий из сплошного несущего листа с вертикальными профилями, к примеру вертикальными пластинами, прикрепленными к его поверхности и снабженными каталитическим покрытием для выделения хлора, причем вершины этих профилей находятся в контакте с мелкоячеистой сеткой, не имеющей каталитической активности.

Согласно второму аспекту изобретения несущий лист и профили каждого сборочного узла выполнены из титана или его сплавов, причем лист имеет толщину в пределах между 0,5 и 2 миллиметрами.

Согласно третьему аспекту изобретения профили каждого сборочного узла отстоят друг от друга на равном расстоянии, и относительное расстояние находится в пределах между 2 и 5 миллиметрами.

Согласно четвертому аспекту изобретения профили каждого сборочного узла представляют собой пластины с толщиной и шириной, находящихся в пределах между 0,3 и 1 миллиметром и между 2 и 10 миллиметрами соответственно.

Согласно пятому аспекту изобретения мелкоячеистая сетка, контактирующая с вершинами пластин каждого сборочного узла, имеет число отверстий на квадратный сантиметр, находящееся в пределах между 4 и 100, предпочтительно между 6 и 9, и выполнена из титана или его сплавов без каталитического покрытия или из стойкого к хлору и щелочи полимерного материала, к примеру перфторированного полимера, с необязательно добавленными гидрофильными частицами или волокнами.

Согласно шестому аспекту изобретения несущий лист и профили каждого сборочного узла имеют одинаковую длину.

Согласно седьмому аспекту изобретения несущие листы каждого сборочного узла снабжены в своей верхней части дефлектором потока, представляющим собой продолжение тех же самых листов, согнутых так, чтобы образовать угол менее чем 90° с вертикалью, при этом продолжение необязательно снабжено вертикально ориентированной концевой частью.

Согласно восьмому аспекту анод по изобретению является ранее эксплуатировавшимся расширяющимся анодом согласно уровню техники, чьи четыре независимых секции, каждая из которых содержит один сборочный узел пластины - несущий лист, прикреплены к первоначальным подвижным поверхностям, заранее разделенным на секции вдоль вертикальной срединной оси.

Согласно девятому аспекту расширяющийся анод по изобретению является вновь изготовленным анодом, и четыре независимые секции, каждая из которых содержит один сборочный узел пластины - несущий лист, непосредственно прикреплены к расширителям токоприемного стержня.

Согласно десятому аспекту изобретения анод собирают посредством осуществления предварительного изготовления сборочных узлов пластины - несущий лист на первой стадии, и наложения получаемых в результате предварительно изготовленных деталей на второй стадии на ранее эксплуатировавшийся расширяющийся анод согласно уровню техники, чьи первоначальные подвижные поверхности были заранее разделены на секции вдоль вертикальной срединной оси, или в качестве альтернативы в случае вновь изготавливаемого анода непосредственно на расширители токоприемного стержня.

В еще одном аспекте расширяющийся анод в соответствии с изобретением устанавливается в хлорщелочных электролизерах размещенным между снабженными диафрагмой катодными элементами, при этом мелкоячеистая сетка поддерживается в контакте на одной стороне со сборочными узлами пластины - несущий лист, а на другой стороне с поверхностями диафрагмы, используя преимущества силы упругости расширителей, с образованием каналов, ограниченных поверхностями пластин, несущего листа каждого сборочного узла и диафрагм, с дефлекторами потока каждого сборочного узла, ограничивающими проход рассола и хлора.

В заключительном аспекте процесс хлорно-щелочного электролиза осуществляют в электролизерах, оборудованных анодами в соответствии с изобретением, размещенными между снабженными диафрагмой катодными элементами, подавая электрический ток на аноды и на катодные элементы, с получением хлора в форме пузырьков на поверхностях покрытых катализатором пластин и с образованием двухфазной смеси хлора и рассола, задавая восходящий поток, гомогенно распределенный в каналах, ограниченных поверхностями пластин, несущего листа сборочных узлов и диафрагм, со слиянием пузырьков хлора внутри проходов, ограниченных верхними дефлекторами каждого сборочного узла, с отделением пузырьков после слияния и с нисходящей рециркуляцией рассола в полом внутреннем пространстве каждого анода.

Описание чертежей

Настоящее изобретение будет далее описываться со ссылками на приведенные ниже чертежи.

Фиг.1 - продольное сечение диафрагменного хлорщелочного электролизера.

Фиг.2 - обычный расширяющийся анод.

Фиг.3 - катодный элемент, снабженный диафрагмой.

Фиг.4 - предпочтительный вариант реализации сборочного узла по изобретению, состоящего из несущего листа с прикрепленными к нему параллельными вертикальными пластинами, отстоящими на равные расстояния.

Фиг.5 - анод со сборочными узлами по Фиг.4, прикрепленными к подвижным поверхностям ранее эксплуатировавшегося анода.

Фиг.6 - анод со сборочными узлами по Фиг.4, прикрепленными к расширителям вновь изготовленного токоприемного стержня.

Фиг.7 - анод по изобретению в конфигурации нулевого зазора со снабженным диафрагмой катодным элементом, с проложенной между ними мелкоячеистой сеткой.

Фиг.8 - удлинение мелкоячеистой сетки, принимающее форму в соответствии с профилем верхней части катодного элемента.

Фиг.9 - дефлектор потока, образованный загибанием продолжения верхней части несущего элемента сборочного узла по изобретению.

Фиг.10 - фиксация гибких полос к смежным секциям подвижных поверхностей анода по изобретению.

Подробное описание изобретения

Основная цель изобретения заключается в обеспечении конструкции анода, подходящего для диафрагменных электролизеров, способных обеспечить производство хлора и каустика, минимизируя при этом потребление энергии, которое прямо зависит от напряжения электролизера и обратно пропорционально - от выхода по току.

На Фиг.1 показано продольное сечение диафрагменного хлорщелочного электролизера, где (1) обозначает катодное тело, (2) - катодный элемент, снабженный диафрагмой, (3) - выпускной патрубок продукта каустической соды, смешанной с остаточным рассолом, (4) - расширяющиеся аноды, прикрепленные через токоприемный стержень (5) к анодной плите (6) и размещенные между катодными элементами, (7) - крышку, снабженную соединительными патрубками (8) и (9) для выпуска хлора и впуска рассола, (10) - уровень рассола.

Для достижения цели по минимизации напряжения электролизера требуется, чтобы каждый анод относился к расширяющемуся типу и имел две свои основные поверхности в контакте с поверхностью диафрагм: на Фиг.2 изображена та разновидность расширяющегося анода, которая используется в уровне техники, где (11) обозначает две основные подвижные поверхности, соединенные с токоприемным стержнем (5) через четыре полосы (12), выполненные из титана или его сплавов, обладающие достаточной упругостью и известные как расширители.

Придаваемая расширителями подвижность позволяет основным поверхностям анода прийти в контакт с поверхностью обращенных к ним диафрагм, нанесенных на катодные элементы (конфигурация, известная в области техники как «нулевой зазор»). На Фиг.3 показано сечение катодного элемента, где (13) обозначает сетку из переплетенных проволок или перфорированный лист из углеродистой стали, (14) - диафрагму, осажденную на сетке или перфорированном листе и состоящую из волокон асбеста или другого стойкого к хлору материала, механически стабилизированного полимерным связующим, к примеру политетрафторэтиленом или другим фторированным полимером, (15) - внутренний объем, содержащий каустическую соду, смешанную с обедненным рассолом, связанный с выпускным патрубком (3) по Фиг.1.

Для обеспечения контакта по всей поверхности раздела с диафрагмами расширяющиеся аноды могут быть необязательно оснащены дополнительными средствами расширения, как это раскрыто в патенте США 5534122.

В настоящем изобретении представлена первая модификация структуры обычного расширяющегося анода, направленная на предотвращение падения выхода по току, «поражавшего» при длительной работе конструкцию с нулевым зазором согласно предшествующему уровню техники: такая модификация заключается во вставке на границе раздела диафрагма-анод мелкоячеистой сетки, выполненной либо из титана или его сплавов и не имеющей каталитического покрытия, либо из стойкого к хлору и щелочи полимерного материала, например фторированного полимера с необязательным добавлением гидрофильных частиц или волокон. Если используемый материал является титаном или его сплавом, мелкоячеистая сетка может быть прикреплена к подвижным поверхностям расширяющегося анода электросваркой, предпочтительно, контактного типа.

Мелкоячеистая сетка оказывается необходимой для того, чтобы свести к минимуму проникновение внутрь диафрагм, и по этой причине ее размеры, выраженные в виде числа ячеек, приходящихся на квадратный сантиметр, находятся в пределах между 4 и 100, предпочтительно между 6 и 9. Кроме того, сетка по изобретению, ориентировочно характеризуемая толщиной в пределах между 0,3 и 1 миллиметром, предпочтительно 0,3 и 0,5 миллиметра, должна быть не имеющей выступов для предотвращения создания повреждений при прямом контакте с диафрагмой, которые могли бы уменьшить выход по току и в чрезвычайных случаях вызвать наносящие вред короткие замыкания. В случае титановых мелкоячеистых сеток предпочтительно обратиться к выправленным растянутым листам.

Во всяком случае, титановая мелкоячеистая сетка не образует хлора внутри диафрагм, несмотря на то что в принципе ее частичное проникновение в сами диафрагмы не может быть исключено, поскольку будучи свободной от каталитического покрытия, она становится покрытой в ходе эксплуатации тонким слоем электрически непроводящего оксида. Даже более того, аналогичный результат получают, когда используют мелкоячеистую сетку, состоящую из полимерного материала.

Достижение стабильного во времени выхода по току также требует, чтобы рассол подвергался быстрой рециркуляции для поддержания более или менее постоянной концентрации хлорида на катализированных поверхностях. Рециркуляция рассола, кроме того, должна гарантировать, что пузырьки хлора, которые обладают некоторой тенденцией к прилипанию к поверхностям диафрагм, в частности к безасбестовым диафрагмам последнего поколения, удаляются для устранения любого возможного препятствия для беспрепятственного прохождения электрического тока: выполненные авторами настоящего изобретения испытательные работы показали, что для получения такого результата необходимо установить восходящий поток рассола вдоль поверхности диафрагмы, характеризующийся в каждой точке линейными скоростями в пределах между 0,1 и 0,3 метра в секунду. Скорости вне указанного диапазона оказались невыгодными, поскольку при менее чем 0,1 метра в секунду наблюдали чрезмерное прилипание пузырьков хлора, в то время как при скоростях свыше 0,3 метра в секунду имело место некоторое удаление волокон диафрагмы с являющимся следствием этого ее постепенным утонением, связанным с сильным падением выхода по току.

Было установлено, что оптимальный диапазон скорости циркуляции рассола достигается с анодом, подвижные поверхности которого содержат сборочные узлы, каждый из которых состоит из несущего листа, на котором закреплены параллельные вертикальные профили, предпочтительно, одинаковой длины, расположенные на одинаковом расстоянии. Кроме того, было определено, что эти сборочные узлы, чья поверхность находится в контакте с мелкоячеистой сеткой, должны поддерживаться в как можно более полном контакте с поверхностью диафрагмы: таким образом создается множество индивидуальных каналов, каждый из которых ограничен поверхностями пластин, несущих листов и диафрагмы. Если профили находятся на одинаковых расстояниях, то проходные сечения каналов являются эквивалентными, а при условии равной длины профиля и скорость восходящего рассола в различных каналах также является по существу одинаковой.

Было установлено, что для того чтобы достигнуть максимально возможного протяженного контакта между сборочным узлом и диафрагмой, подвижные поверхности анода по изобретению должны предпочтительно быть подразделены на четыре независимые секции, каждая из которых прикреплена к отдельному расширителю.

Кроме того, профили могут состоять из пластин, штампованных деталей с U-образным сечением, узоров, прутков с круглым или треугольным сечением. Для простоты описания в дальнейшем ссылка будет сделана на анодные структуры, содержащие четыре независимые секции, и на профили, имеющие форму пластин, что никоим образом не ограничивает тип анода в соответствии с изобретением, который может быть реализован на практике в промышленности.

На Фиг.4 показан сборочный узел по изобретению, где (16) обозначает несущий лист, (17) - параллельные вертикальные пластины, предпочтительно, находящиеся на одинаковых расстояниях.

На Фиг.5 представлен предпочтительный вариант реализации анода по изобретению, в котором четыре независимых секции, каждая из которых соединена с расширителем, содержат четыре сборочных узла, прикрепленных к первоначальным подвижным поверхностям ранее эксплуатировавшегося расширяющегося анода предшествующего уровня техники после разделения на секции указанных подвижных поверхностей вдоль вертикальной серединной оси (18).

На Фиг.6 представлен второй предпочтительный вариант реализации анода по изобретению, в котором четыре независимые части содержат четыре сборочных узла, непосредственно прикрепленных к расширителям, соединенным с вновь изготовленным токоприемным стержнем.

На Фиг.7 показан вид с частичным вырезом анода по изобретению, с нулевым зазором по отношению к снабженному диафрагмой катодному элементу, где (19) обозначает индивидуальные каналы, доступные для восходящего движения двухфазной смеси хлор-рассол, (20) - мелкоячеистая сетка, проложенная между сборочными узлами и катодным элементом, при этом другие конструктивные элементы, общие с приведенными на предыдущих чертежах, обозначены теми же самыми ссылочными позициями.

В частности, было установлено, что если пластины имеют толщину в пределах между 0,3 и 1,0 миллиметр, ширину 2-10 миллиметров, предпочтительно 3-5 миллиметров, и длину 600-800 миллиметров, то скорость восходящего рассола для каждого индивидуального канала попадает в оптимальный диапазон 0,1-0,3 метра в секунду с объемным содержанием газа порядка 15-30% при приложенной плотности тока 2000-3000 А/м².

Каталитическое покрытие для выделения хлора нанесено на пластины каждого сборочного узла и необязательно также на несущие листы, к лицевой поверхности которых прикреплены эти пластины. Хотя это и не является принципиальным для сохранения выхода по току, но предпочтительно, чтобы поверхности вершин пластин, контактирующие с мелкоячеистой сеткой, не имели каталитического покрытия, так как во время нанесения покрытия, которое выполняется, как известно в области техники, распылением, нанесением кистью или роликом, практически невозможно избежать отложения также на и этой поверхности, целесообразно, чтобы каждый сборочный узел пластины - несущий лист подвергался последующей абразивной обработке, позволяющей и удалять каталитическое покрытие с вершин пластин, и получать высокую степень плоскостности, которая является предпочтительной для достижения по возможности самой широкой и наиболее равномерной поверхности раздела диафрагма-анод.

Изобретение может быть далее дополнено, как приведено ниже:

- мелкоячеистая сетка может быть преимущественно удлинена за пределы края пластин, как показано на Фиг.8, причем этому удлинению (21) придается такая форма, чтобы она соответствовала верхнему профилю несущих диафрагму катодных элементов, где особенно существенны эрозионные явления, как это известно специалистам в области техники. Такое расположение мелкоячеистой сетки содействует защите волокон диафрагмы от турбулентного потока двухфазной смеси хлор-рассол, тем самым в существенной степени замедляется их износ. Альтернативно защита от эрозии может быть также достигнута при помощи использования отдельного куска мелкоячеистой сетки, сформованного указанным образом и подходящего для того, чтобы быть упруго вставленным в верхнюю часть катодных элементов. Материалом для этого куска сетки, помимо титана или его сплавов, может быть стойкий к хлору и щелочи полимер необязательно с добавленными гидрофильными частицами или волокнами;

- дефлекторы потока могут быть получены механической обработкой подходящего продолжения несущих листов или отдельных кусков сплошного листа. Каждому продолжению несущего листа или отдельного куска листа придается такая форма, чтобы получить первый изгиб с углом α по отношению к вертикали, меньшим чем 90°, предпочтительно в пределах между 30 и 60°, и необязательно второй изгиб, подходящий для образования конечной части, имеющий вертикальную ориентацию. На Фиг.9 показан дефлектор (22), полученный приданием соответствующей формы продолжению несущего листа сборочного узла, где (24) и (25) соответственно обозначают первый и второй изгиб, а (26) - конечную часть с вертикальной ориентацией. В случае дефлекторов, полученных формовкой отдельных кусков листа, последние могут быть выполнены либо из титана или его сплавов, либо из стойкого к хлору и щелочи полимерного материала, и индивидуальные дефлекторы механически вставляют в сборочные узлы пластины - несущий лист;

- две смежные секции каждой подвижной поверхности анода по изобретению предпочтительно связаны друг с другом через полосы листового титана, обладающие высокой гибкостью, которая достижима, к примеру, для полосы толщиной 0,5 мм, скрепленные, например, точечной сваркой с двумя обращенными друг к другу кромками каждой пары секций, как показано на фронтальной проекции на Фиг.10, где (27) и (28) обозначают две смежные секции одной подвижной поверхности, (29) - пустой промежуток, существующий между двумя кромками двух смежных секций, и (30) - гибкую полосу, прикрепленную к указанным кромкам. Благодаря такой конфигурации аноду придается более высокая конструктивная устойчивость, однако без уменьшения в существенной степени приспосабливаемости этих двух секций каждой подвижной поверхности к поверхности диафрагмы. Полоса предпочтительно снабжена каталитическим покрытием с целью поддержания равномерного протекания электрического тока также в соответствии с этим пустым промежутком, обязательно имеющимся между двумя обращенными друг к другу кромками каждой пары смежных секций. Однородность распределения электрического тока по всей поверхности диафрагм имеет в действительности существенное значение для сохранения высокого выхода по току. В качестве альтернативы гибкой полосе обращенные друг к другу кромки каждой пары смежных секций подвижных поверхностей анода могут выступать вбок за самую внешнюю пластину, однако не будучи при этом механически связанными. Если эти выступающие части снабжены каталитическим покрытием, то необходимая однородность распределения тока также достигается и в этом случае, хотя отсутствие упругой соединяющей полосы требует большей осторожности на стадиях установки всей анодной структуры, чтобы избежать повреждения диафрагм.

Анод по изобретению собирают, выполняя в качестве первой стадии предварительное изготовление сборочных узлов пластины - несущий лист и осуществляя на второй стадии наложение предварительно изготовленных сборочных узлов либо на ранее эксплуатировавшийся расширяющийся анод согласно уровню техники, к примеру в соответствии с обработкой повторным нанесением покрытия, когда каталитическая активность истощенного каталитического покрытия должна быть восстановлена, либо на расширители токоприемного стержня в случае вновь изготавливаемых анодов.

Наиболее важными стадиями являются следующие:

- вырезание по размерам четырех несущих листов из титана или его сплавов.

- Образование дефлектора потока путем формования каждого несущего листа. Альтернативно дефлектор потока может быть отдельной от несущего листа деталью, полученной с помощью вырезания по размерам подходящего листа из титана или его сплавов или из полимерного материала, с последующим формованием.

- Вырезание пластин из титана или его сплавов.

- Расположение пластин и соответствующих несущих листов по шаблону.

- Фиксация пластин к соответствующим несущим листам сваркой непрерывным швом, предпочтительно контактной электросваркой, с образованием четырех сборочных узлов пластины - несущий лист.

- Нанесение каталитического покрытия для выделения хлора на каждый из четырех сборочных узлов.

- Удаление каталитического покрытия только с вершин пластин каждого сборочного узла шлифованием.

- Подготовка ранее эксплуатировавшегося расширяющегося анода согласно уровню техники разрезанием вдоль вертикальной срединной оси каждой из первоначальных подвижных поверхностей с образованием четырех независимых секций. В случае изготовления новых анодов - подготовка токоприемного стержня с четырьмя прикрепленными к нему расширителями.

- Образование четырех независимых секций подвижных поверхностей анода с помощью фиксации каждого из четырех сборочных узлов пластины - несущий лист к подвижным поверхностям ранее эксплуатировавшегося анода, разрезанным вдоль вертикальной срединной оси контактной электросваркой, электродуговой сваркой или, предпочтительно, лазерной сваркой. В качестве альтернативы в случае изготовления нового анода образование четырех независимых секций подвижных поверхностей анода с помощью фиксации каждого из четырех сборочных узлов пластины - несущий лист к четырем расширителям токоприемного стержня сваркой, предпочтительно лазерной сваркой. Необязательное наложение гибкой полосы, снабженной каталитическим покрытием, посредством последующей точечной сварки или сварки непрерывным швом с обращенными друг к другу кромками каждой пары смежных секций.

- Вырезание по размерам четырех мелкоячеистых сеток без покрытия из титана или его сплавов или из стойкого к хлору и щелочи полимерного материала необязательно с добавленными гидрофильными частицами или волокнами.

- Формование необязательного продолжения каждой из четырех мелкоячеистых сеток с целью воспроизведения профиля верхней части катодного элемента. Альтернативно стадия формования может быть осуществлена на отдельных кусках мелкоячеистой сетки, подходящих для того, чтобы быть упруго посаженными на катодные элементы.

- Необязательная фиксация четырех мелкоячеистых сеток на вершинах пластин каждого из четырех сборочных узлов сваркой, предпочтительно контактной электросваркой, в случае секций, выполненных из титана или его сплавов.

Анод вышеописанного типа установили в лабораторном диафрагменном электролизере, имеющем активную поверхность 800 мм высотой и 250 мм шириной, оборудованном расширяющимся анодом по изобретению, расположенным между парой катодных элементов, состоящих из переплетенных проволок из углеродистой стали и снабженных диафрагмами на основе асбестовых волокон, стабилизированных политетрафторэтиленом. Электролизер эксплуатировали при плотности тока 2500 А/м², при 90-95°C, с подаваемым очищенным рассолом, содержавшим 315 г/л хлорида натрия и 0,5 мг/л кальция + магния, при этом выходящий раствор содержал в среднем 130 г/л каустической соды и 185 г/л остаточного хлорида натрия.

В частности, анод обладал следующими конструктивными особенностями:

- титановым цилиндрическим токоприемным стержнем диаметром 10 мм, снабженным четырьмя расширителями, полученными из гибкого титанового листа толщиной 0,5 мм.

- Четырьмя титановыми несущими листами, каждый 1 мм толщиной и 120 мм шириной, прикрепленными к четырем расширителям при помощи лазерной сварки непрерывным швом, при этом верхний край каждого листа был снабжен формованным продолжением с основной его частью, составляющей угол 30° с вертикалью, и с концевой кромкой, ориентированной вертикально так, чтобы образовать проход в 5 мм для восходящей смеси хлор-рассол.

- Титановыми вертикальными параллельными пластинами, установленными с шагом 4 мм, при этом каждая пластина толщиной 0,5 мм, шириной 5 мм и высотой 800 мм, была прикреплена к каждому несущему листу при помощи контактной электросварки непрерывным швом с образованием четырех сборочных узлов.

- Каталитическим покрытием для выделения хлора, состоявшим из смешанного оксида рутения и титана, как известно в области техники, на поверхности каждого сборочного узла пластины - несущий лист, за исключением вершин пластин.

- Мелкоячеистой сеткой в виде титанового выправленного растянутого листа, не имевшего каталитического покрытия, толщиной 0,5 мм и с ромбовидными отверстиями, характеризующимися основной и побочной диагональю соответственно 3 и 2 миллиметра, точечно приваренной к вершинам пластин каждого сборочного узла, например, контактной электросваркой.

Рабочие характеристики электролизера сравнивали с рабочими характеристиками эквивалентного контрольного электролизера, который отличался от электролизера по изобретению тем, что был оборудован анодом, раскрытым в патенте США 5534122, с двумя подвижными поверхностями, состоящими из растянутых титановых листов без каталитического покрытия, полученных из листа толщиной 1 мм с ромбовидными отверстиями, имеющими основную и побочную диагональ соответственно 15 и 10 мм, при этом каждый несущий лист был прикреплен к паре расширителей при помощи лазерной сварки вместе с двумя снабженными каталитическим покрытием мелкоячеистыми титановыми выправленными растянутыми листами, полученными из листа толщиной 0,5 мм, с ромбовидными отверстиями, характеризующимися основной и побочной диагональю соответственно 3 и 2 миллиметра, прикрепленными к несущим листам контактной электросваркой.

Подвижные поверхности как анода по изобретению, так и контрольного анода поддерживались в контакте с диафрагмами за счет силы упругости расширителей.

Функционирование этих двух электролизеров охарактеризовали следующими параметрами.

Электролизер, оборудованный анодом по изобретению:

- напряжение 3,1 вольта, стабильное до конца испытания на протяжении 3500 часов электролиза;

- начальный выход по току 97%, стабилизировавшийся на 95% после примерно 1500 часов, что соответствует потреблению электрической энергии 2416 и 2467 кВт·ч на тонну хлора соответственно;

- содержание кислорода в хлоре, первоначально равное 1%, со стабилизацией на 2% после примерно 1500 часов;

- pH анолита в пределах между 3,3 и 3,5.

Электролизер, оборудованный контрольным анодом:

- начальное напряжение 3,3 вольта, стабилизировавшееся на 3,4 вольта после 150 часов работы вплоть до конца испытания на протяжении 3400 часов;

- начальный выход по току 95%, с постепенным уменьшением до 93% в ходе испытания, с потреблением электрической энергии соответственно 2626 и 2764 кВт·ч на тонну хлора;

- содержание кислорода в хлоре, первоначально равное 2%, с увеличением до 3% в ходе испытания;

- pH анолита в пределах между 3,5 и 4,0.

Как без труда будет признано любым специалистом в данной области техники, могут быть предусмотрены несколько вариантов и модификаций описанных вариантов реализации без отклонения от объема изобретения; поэтому следует понимать, что в пределах объема прилагаемой формулы изобретения настоящее изобретение может быть осуществлено на практике иным образом, отличным от конкретно рассмотренного в описании.

Везде в описании и формуле изобретения настоящей заявки термин «содержать» и его варианты, такие как «содержащий» и «содержит», не предназначены исключать наличие других элементов или добавок.

Изобретение относится к аноду расширяющегося типа, пригодному для установки в хлорщелочных электролизерах, к способам изготовления данного анода, к хлорщелочному электролизеру, содержащему данный анод, и к процессу хлорно-щелочного электролиза в данном электролизере. Сущность изобретения заключается в том, что анод расширяющегося типа, размещенный между снабженными диафрагмой катодными элементами, содержит токоприемный стержень с присоединенным к нему множеством упругих расширителей и две основные подвижные поверхности, прикрепленные к указанным упругим расширителям. При этом указанные подвижные поверхности содержат сборочные узлы, состоящие из несущего листа, параллельных вертикальных профилей, прикрепленных к указанному несущему листу, снабженных каталитическим покрытием для выделения хлора, и мелкоячеистую сетку, не имеющую каталитического покрытия, в контакте с вершинами указанных параллельных вертикальных профилей. Технический результат заключается в снижении потребления электрической энергии и улучшении качества получаемого хлора. 5 н. и 25 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Анод расширяющегося типа, пригодный для установки в хлорщелочных электролизерах, размещенный между снабженными диафрагмой катодными элементами, содержащий токоприемный стержень с присоединенным к нему множеством упругих расширителей и две основные подвижные поверхности, прикрепленные к указанным упругим расширителям, причем указанные подвижные поверхности содержат сборочные узлы, состоящие из несущего листа, параллельных вертикальных профилей, прикрепленных к указанному несущему листу, снабженных каталитическим покрытием для выделения хлора, и мелкоячеистую сетку, не имеющую каталитического покрытия, в контакте с вершинами указанных параллельных вертикальных профилей.

2. Анод по п.1, в котором указанные подвижные поверхности разделены на секции вдоль вертикальной срединной оси анода с образованием множества независимых секций, причем каждая секция содержит один из указанных сборочных узлов.

3. Анод по п.2, в котором указанное множество независимых секций состоит из четырех секций.

4. Анод по п.1, в котором указанные сборочные узлы выполнены из титана или его сплавов.

5. Анод по п.1, в котором указанные параллельные вертикальные профили расположены на одинаковых расстояниях.

6. Анод по любому из предыдущих пунктов, в котором указанные профили представляют собой пластины, штампованные детали с U-образным сечением или прутки, необязательно имеющие круглое или треугольное сечение.

7. Анод по п.6, в котором указанные пластины имеют толщину в пределах между 0,3 и 1 мм, ширину от 2 до 10 мм и длину от 600 до 800 мм, причем пластины отстоят друг от друга на равном расстоянии с шагом в пределах между 2 и 5 мм.

8. Анод по п.1, в котором указанная мелкоячеистая сетка состоит из стойкого к хлору и щелочи полимерного материала с добавленными гидрофильными частицами или волокнами.

9. Анод по п.1, в котором указанная мелкоячеистая сетка представляет собой выправленный растянутый лист из титана или его сплавов без каталитического покрытия.

10. Анод по п.1, в котором указанная мелкоячеистая сетка имеет число ячеек на квадратный сантиметр, находящееся в пределах между 4 и 100.

11. Анод по п.10, в котором указанная мелкоячеистая сетка имеет число ячеек на квадратный сантиметр, находящееся в пределах между 6 и 9.

12. Анод по п.9, в котором указанная мелкоячеистая сетка имеет толщину в пределах между 0,3 и 1 мм.

13. Анод по п.1, дополнительно содержащий элемент, формованный в соответствии с профилем верхней части катодных элементов и подходящий для того, чтобы быть упруго вставленным на них.

14. Анод по п.13, в котором указанный формованный элемент представляет собой продолжение верхнего края указанной мелкоячеистой сетки.

15. Анод по п.13, в котором указанный формованный элемент представляет собой отдельную деталь, состоящую из мелкоячеистой сетки.

16. Анод по п.15, в котором материал указанной отдельной детали выбран из группы, состоящей из титана, сплавов титана и стойких к хлору и щелочи полимеров с добавленными гидрофильными частицами или волокнами.

17. Анод по п.1, в котором указанные сборочные узлы содержат дефлекторы потока для способствования слиянию пузырьков хлора.

18. Анод по п.17, в котором указанные дефлекторы потока содержат лист с поверхностью, образующей с вертикалью угол менее чем 90°, и необязательно вертикальной концевой поверхностью.

19. Анод по п.18, в котором указанный лист является неотъемлемой частью несущего листа указанных сборочных узлов.

20. Анод по п.18, в котором указанный лист является отдельной деталью, подходящей для того, чтобы быть механически вставленной в указанные сборочные узлы.

21. Анод по п.20, в котором материал указанной отдельной детали выбран из группы, состоящей из титана, сплавов титана и стойких к хлору и щелочи полимеров с добавленными гидрофильными частицами или волокнами.

22. Анод по п.2, содержащий гибкую полосу из титана, снабженную каталитическим покрытием для выделения хлора, прикрепленную к кромкам каждой пары указанных смежных секций каждой из указанных подвижных поверхностей.

23. Анод по п.2, в котором обращенные друг к другу кромки каждой пары указанных смежных секций каждой из указанных подвижных поверхностей выступают вбок за самый внешний профиль и снабжены каталитическим покрытием для выделения хлора.

24. Анод по п.2, в котором указанные независимые секции прикреплены к подвижным поверхностям ранее эксплуатировавшегося анода, разделенным на секции вдоль вертикальной срединной оси.

25. Анод по п.2, в котором указанные независимые секции прикреплены к расширителям, соединенным с вновь изготовленными токоприемными стержнями.

26. Способ изготовления анода по любому из пп.1-23, содержащий стадии:
вырезание множества несущих листов, выполненных из титана или его сплавов;
необязательное формование верхней части указанных несущих листов с образованием дефлекторов потока;
вырезание множества профилей из титана или его сплавов;
предварительное изготовление сборочных узлов путем приваривания указанных профилей к указанным несущим листам по шаблону;
нанесение каталитического покрытия для выделения хлора на указанные сборочные узлы;
удаление каталитического покрытия на вершинах указанных профилей;
фиксация указанных предварительно изготовленных сборочных узлов на расширителях токоприемного стержня;
вырезание и фиксация мелкоячеистых сеток на указанных вершинах профилей указанных сборочных узлов.

27. Способ изготовления анода по любому из пп.2-23, содержащий стадии:
вырезание множества несущих листов, выполненных из титана или его сплавов;
необязательное формование верхней части указанных несущих листов с образованием дефлекторов потока;
вырезание множества профилей из титана или его сплавов;
предварительное изготовление сборочных узлов путем приваривания указанных профилей к указанным несущим листам по шаблону;
нанесение каталитического покрытия для выделения хлора на указанные сборочные узлы;
удаление каталитического покрытия на вершинах указанных профилей;
фиксация указанных предварительно изготовленных сборочных узлов на первоначальных подвижных поверхностях ранее эксплуатировавшегося анода, разрезанных вдоль вертикальной срединной оси анода с образованием множества независимых секций;
вырезание и фиксация мелкоячеистых сеток на указанных вершинах профилей указанных сборочных узлов.

28. Хлорщелочной электролизер, содержащий снабженные диафрагмами катодные элементы и размещенные между ними аноды по любому из пп.1-25.

29. Электролизер по п.28, в котором указанные подвижные поверхности, содержащие указанные сборочные узлы, находятся в контакте с указанными диафрагмами, образуя вертикальные каналы, ограниченные указанными профилями, указанным несущим листом каждого из указанных сборочных узлов и указанными диафрагмами.

30. Процесс хлорно-щелочного электролиза, осуществляемый в по меньшей мере одном электролизере, по п.29, в который подается рассол и который запитывается электрическим током, содержащий создание восходящего движения рассола в указанных каналах со скоростью в пределах между 0,1 и 0,3 м/с.