Электролизер для разделения электрически нейтральных газообразных химических соединений Советский патент 1988 года по МПК C25B9/00 

САЭ

сл

Од О) СП

Изобретение относится к химии и может быть использовано для разделения электрически нейтральных химических соединений, находящихся в га- зовой фазе, с целью их регенерации из отходов производства, а также для разделения.

Целью изобретения является повышение степени разделения.10

На фиг. 1 представлен электролизер ,для разделения ионов, общий вид; на фиг. 2 - график зависимости степени разделения ионов от диаметра трубок.15

Предлагаемый электролизер для разделения ионов содержит ванну 1, выполненную в виде цилиндрической оболочки 2, заполненной герметично при- легагоп;нми друг к другу коррозионно- 20 стойкими горизонтальными расположенными трубками 3 с диаметром отверстий 100-1000 мк (трубки одного и того же диаметра в одной упаковке), зазоры между трубками заполнены заполимери- 25 зованпым эпоксидным или другим стой- ким клеем , сетчатый анод 4 из тугоплавкого металла, например тантала или вольфрама, катод 5$ образованньй предварительно металлизированным и 30 контактирующими друг с другом концами рабочих трубок, соединенных токо- подводом . с катодом высоко вольтного источника постоянного тока 6 с напряжением 1200-1500 В, стартовую камеру , .jг 7, торцовая поверхность 8 которой выполнена из оптически прозрачного материала, снабженную сжимающимся,металлическим сильфоном 9, Стартовая камера соединена с баллоном Ш, из которого в нее подают разделяемую смесь, электрически нейтральных химических соединений, с вакуумным насосом 11, обеспечивающим вакуум порядка 1 мм рт.ст., и снабжена датчиком 12 и иононепрони- 45 цаемой вьдвижной диэлектрической заслонкой 13 Оптически прозрачный торец стартовой камеры 7 примыкает к источнику когерентного светового излучения (ИКСИ) 14, соединенному с лам- 50 пой 15 накачки.

Устройство также включает электрическую цепь, включенную помимо источника 6 тока и электродов также ампер- метр 16 и вольтметр 17, взаимозаменяемые камеры-приемники 18 для изоляции в них с помощью задвижек 19 и 20 (или щторок) целевых продуктов, перед которыми расположен датчик 21, причем торец камер-приемников 18 выполнен также из оптически прозрачного материала и примыкает к светопоглощающему экрану 22.

Электролизер поддается полной автоматизации.

Предлагаемый электролизер работает следующим образом.

Включают, насос 11 и откачивают до остаточного давления I мм рт. ст. воздух из ванны 1, выключают насос и впускают из баллона 10 в стартовую камеру 7 при вдвинутой до упора заслонке 13 исходную разделяемую смесь электрически нейтральных химических соединений. Закрьшают кран баллона 10, включают электроды и ИКСИ 14 и одновременно выдвигают наружу до отказа заслонку 13 и сжимают сильфон 9. При этом разделяемая смесь химических соединений полностью переходит из стартовой камеры в головную часть рабочих трубок, попадая в сферу действия высоковольтного электрического поля, Сильфон при этом самопроизвольно возвращается в разжатое состояние.

Вследствие ионизирующего воздействия мощного светового пучка ИКСИ, проходящего через оптически прозрачный торец 8 и стартовую камеру, происходит отрыв отдельных электронов с внешних орбит газообразных электрически нейтральных молекул разделяемых химических соединений, после чего они превращаются в положительно заряженные катионы, которые в электрическом поле высокого напряжения быстро движутся к катоду 5, размещенному на другом конце ванны в камере-приемнике 18. При этом, благодаря непрерывному ионизирующему воздействию пучка ИКСИ на разделяемую смесь хи- .мических соединений, движущихся в виде катионов в процессе разделения к катоду в электрическом поле высоког напряжения внутри рабочих трубок, и огромному световому давлению, оказьша емому на них пучками ИКСИ, действующему в одинаковом направлении с направлением передвижения молекул-катионов (при этом катионы получают дополнительное ускорение, обратно пропор- циональное их массам), происходит ускоренное по сравнению с известным электролизером разделение смеси молекул-катионов на фракции отдельных

314

компонентов. Перед камерой-приемником смесь катионов оказывается полностью разделенной на чистые фракции. При этом в рабочих трубках в течение все- гО процесса разделения в течение тысячных долей секунды под действием пучка ИКСИ происходит непрерьгоно- повторяющийся трехступенчатый процесс: превращение электрически нейтральной молекулы в молекулярный катион-воз

врат , в электрически нейтральное состояние, в молекулу-катион и т.д. Такая флюктуация электрических состояний молекулы обеспечивает ее непре- рывное, быстрое перемещение к катоду в электрическом поле высокого напряжения.

Затем по сигналу датчика 21 (электрохимического, радиационного и т.п.)20 фронта ионов и обеспечивает их быстделяют ионы, образующиеся из электрически нейтральных газообразных химических соединений под воздействием высокоэнергетического ионизирующего пучка ИКСИ, срывающе1 о электроны с внешних орбит молекул химических соединений, благодаря чему молекула приобретает флюктуирующий положительный заряд. Наличие такого заряда обеспечивает ускоренное разделение образо- вавщихся молекул-катионов в электрическом поле высокого напряжения.

Малый диаметр рабочих трубок 100- 1000 мк позволяет свести к минимуму размьшание фронта движущихся в электрическом поле газообразных катионов вследствие теплового движения катионов,, что стабилизирует геометрию

Изобретение относится к области химии и позволяет повысить степень разделения электрически нейтральных газообразных химических соединений. Изобретение касается электролизера, включающего корпус, электроды, камеры-приемники, вакуумную установку и источники когерентного светового излучения, причем корпус вьшолнен цилиндрическим j внутри которого между электродами установлены горизонтальные прилегающие друг к другу корро- зионностойкие трубки с диаметром отверстий 100-1000 мкм, 2 ил.

определяют моменты вхождения головы и хвоста первой фракции молекул-катионов в камеру-приемник, После прохождения в нее хвоста фракции выключают ИКСИ и электрический ток, 25 вдвигают внутрь задвижки 19 и 20 и автоматически отсоединяют кассетную взаимозаменяемую камеру-приемник 18 с первой фракцией в ней на другую аналогичную камеру-приемник. После ЗО этого открывают заслонки 19 и 20 и одновременно .включают электрический ток и ИКСИ, благодаря чему вторая фракция катионов, оставшаяся в рабочих трубках ванны 1, попадает во вто-, рую вставленную камеру-приемник 18 и изолируется в ней аналогично описанному. После этого в стартовую камеру вводят вторую загрузку разделяемой смеси химических соединений и Q повторяют вьшеприведенный цикл её разделения и т.д.

После изоляции в камерах-приемниках и выключения ИКСИ молекулы-катионы моментально превращаются снова в -jj электрически нейтральные химические соединения,-изолированные в виде чистых фракций, не содержащих посторонних примесей. В определенных случаях процесс разделения можно не доводить до полного разделения компонентов, если, например, целью разделения является обогащение изотопов,

Таким образом, в предлагаемом электролизере осуществляют разделение не смесей ионов, образовавшихся в результате диссоциации молекул ионогенных соединений в водной фазе, а раэ50

5 О Q

j

0

рое и эффективное разделение на чистые фракции.

Применение в ванне рабочих трубок с диаметро менее 100 мк резко уменьшает величину разовой загрузки разделяемых химических соединений, так как уменьшается поперечное сечение трубки и увеличивается пристеночное турбулентное перемешивание разделяемой смеси газов вследствие трения газов о стенки трубок, что усиливает размывание геометрии фронта ионов .и уменьшает степень разделения ионов и пропускную способность ванны. При диаметре отверстий рабочих трубок ванны более 1000 мк резко усиливается размывание геометрии фронта разделяемых ионов вследствие их теплового конвекционного движения (фиг. 2, кривая зависимости степени разделения ионов от диаметра отверстий рабочих трубок). Поэтому оптимальный диаметр рабочих трубок составляет от 100 до 1000 мк, .что подтверждается данными графика.

Оптимальные параметры электролизера: расстояние между электродами 140- 150 см в зависимости от сложности состава разделяемой смеси химических соединений; размеры стартовой камеры и камер-приемников - диаметр 3 см, дпина 4 см; дпина электролизера 145- 155 см; диаметр поперечного сечения ванны 3 см;.оптимальное напряжение 1200-1500 В, величина тока 0,05- 0,10 А; диаметр рабочих трубок 100- 1000 мк; диаметр сетчатого анода из нержавеющей стали или тантала 3 см.

Промышленньш электролизеры могут иметь значительно большие габариты и

величины применяемых токов и большие загрузки разделяемых химических сое-, динений.

Для иониза1 31и разделяемых химичес- кик соединенш дрименен ИКСИ на основе искусственного рубинового монокристалла с диаметром поперечного сечения 3 см, длиной 4 см с энергией пучка на выходе 5,0-7,0 кДж/моль при длине вол ны 0,7 мк и частоте импульсов 5- 6 имп/мин. Работа ЖСИ обеспечивается лампой накачки.

При мер. Загрузка исходной разделяемой смеси химических соедине- НИИ в первом варианте опыта содержитj г: углекислый газ 0,05, бромистьи водород 0,05. Во втором варианте опыта загрузка состоит из тех же количеств этана и этилена в объемном соотноше- НИИ 95:5, Габариты электролизера и режим его работы идентичны приведенным оптимальным параметрам, В качестве рабочих трубок служат стеклянные трубки с диаметром отверстий около

100, мк, выполненные из кварца,, с металлизированными концами, выходящими

fв стартовую камеру, соединенные элекI трически плотной упаковкой друг с

1 другом и токоподводом с катодом двух

отечественных источников тока высоко: го напряжения типа соединенных

I последовательно,

Для полного разделения смеси угj лекислого газа и бромистого водорода

; на отдельные компоненты в предлагаемом электролизере требуется 25 мин ; а для разделения этана и этилена 30 мин. Причем соединения выделены с

; 97-98%-ным выходом по веществу,

В изестном электролизере типа : МС-ЗЗр1 разделение углекислого газа и бромистого водорода (их смеси) потребовало 6 ч времени. Таким образом, в предлагаемом электролизере скорость разделения газообразных соединений в 12 раз больше, чем в известном, за счет лучшей технологии процесса раз- делания ь Разделения смеси этана и этилена в известном электролизере про извести не удалось,

.- П р и м е р 2, Загрузка исходной разделяемой смеси электрически нейтральных газообразных соединений в пер

вом варианте опыта, г: хлористьй во- З отверстий 100--1000 кк,

дород 0505j йодистый водород 0,05. Во втором варианте опыта взяты те же количества пропана и бутана в объемном соотношении 95:5.

Б качестве рабочих трубок применены стеклянные кварцевые трубки с диаметром отверстий iOGO мк с металли- зирован1а.1ми концами, выходящргми в стартовую камеру (по аналогии с примером 1), Все остальные условия проведения опытов были такие же как в примере 1S

В предлагаемом электролизере на полное разделение ка компоненты хлористого водорода и йодистого водорода потребовалось 20 мин а пропана и бутана - 25 мин при 97-98%-ном выходе по веществу, В известном электролизере удалось разделить только смесь хлористого водорода и йодистого водорода за 6 ч.

Таким образом, скорость разделтения в предлагаемом электролизере в 14,4

раза больше, чем в известном,

Повышение скорости разделения в предлагаемом электролизере в 12-14 раз по сравнению со скоростью разделения в известном достигнута б.т;агодаря лучшей технологичности процесса раз- дел(2ния газообразных химических соеди ненийэ т.е. за счет выполнения з нем емкости для разделения ионов з виде цилиндрической оболочки из герметич - но прилегающих друг к другу коррози- онностойких горизонтально распложенных трубок с диаметром отверстий от 00 до 1000 мк.

Формула изобретения

Электролизер для разделения электрически нейтральных газообразных хи- мическии соединений; включающий корпус g электроды, камеры-приемники, вакуумную установку и источник когерентного светового излучения 5 о т л и- чающийся тем, что„ с целью повьшшния степени разделения,, Kopiryc выполнен ц:илинд,рическим S внутри него между электродаг-ет устаноБлекы горизонтальные прилегающие друг к другу коррозионно стойкие трубки с диамет™

15

/

/J

фиг, 1

т.

4

I

(U

I 25 jCs

100 тmo1500

Внутренний диаметр трубок, микрон . Фиг. 2

в

27

5 22 /

20

ЛL