Электролизер для электролиза под давлением Советский патент 1990 года по МПК C25B9/00 C25B1/12 

Изобретение относится к электрохимической промышленности, а именно к конструкциям электролизеров, используемых в электрохимических производствах водорода, кислорода, хлора и щелочей, и может найти применение в области производства водорода и кислорода в термоэлектрохимических комбинированных циклах разложения воды, а также в транспортных передвижных установках.

Целью изобретения является снижение энергетических затрат, массогаба- ритных характеристик и уменьшение пенообразования .

На фиг. 1 изображен электролизер., продольный разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Электрблизер включает корпус 1 с направляющими пазами 2, окруженный рубашкой теплообменника 3, электролизную камеру 4 с наружными горизонтальными перегородками 5, отверстиями перфорации 6 и продольными щелями 7, графитовый анод 8, полукольцевые и кольцевые катодные элементы 9 и 10, соединенные несущими токоиодводящими шпильками 11, фланцы 12-1 А, конические кольцевые прокладки 15, полукольцевые 1 в и кольцевые 17 прокладки П и Г-образных профилей, прокладки 18 20, пружины 21 сжатия, вводные 22 и выводные 23 штуцера, газоотводящие штуцера 24.

Наружные горизонтальные перегородки 5 электролизной камеры 4 установлены в направляющие пазы 2 корпуса 1 и уплотнены с помощью прокладки 16, а на его торцах - кольцевые прокладки 17, на которые установлены катодные элементы 9 и 10. Электродную сборку размещают в электролизной камере 4 асимметрично и смещают к коллектору ввода. Конические концевые части аноды уплотнены с помощью кольцевых прокладок 15 посредством фланцев 12 с использованием пружин 21 сжатия.

Устройство работает следующим образом.

5

5

0

5

0

5

0

5

Уплотнение электролизной камеры 4 и корпуса 1 обеспечивают фланцы 12 и 13 через уплотняющие прокладки 18 и 19, при этом фланцы 12 снабжены -, вводными для электролита штуцерами 22 и газоотводящими штуцерами 24. Выводные по электролиту штуцера 23 выполнены в корпусе 1.

По коллекторам ввода и вывода, образованным трубчатым корпусом электролизной камеры 4, корпусом 1 и горизонтальными перегородками 5, через отверстия перфорации 6 и продольные щели электролит вводят и выводят в межэлектродное пространство параллельно электродным поверхностям.

Образующийся при электролизе газ через отверстия перфорации 6 поступает в свободный объем коллектора вывода и далее через штуцера 24 отводится к потребителю.

Электролизер был изготовлен и испытан в лабораторных условиях. С целью визуального наблюдения за процессом корпус 1 электролизера и электролизную камеру 4 изготовляли из органического стекла, при этом корпус не окружали рубашкой теплообменника. Фланцы 12-14 и соответствующие им штуцера, несущие токоподводящие шпильки 11, штуцера 23 выполняли из стали марки Х18Н10Т, Анод изготовляли из графита МПГ-50, катодные эле« менты из пористого (35-40%) никеля, а полукольцевые и кольцевые прокладки 1 6 и 1 7 и уплотняющие прокладки 18-20 - из фторопласта-4.

В лабораторных условиях испытан аппарат, габаритные размеры основных узлов которого приведены в табл.1. В скобках даны размеры узлов второго варианта изготовления.

Конструкция установки испытана в четырех вариантах компоновки.

Первый вариант: диаметр камеры 120 мм; цилиндра 38,3 мм.

Второй вариант: диаметр камеры 120 мм; цилиндра 25,0 мм.

Третий вариант: диаметр камеры 140 мм; цилиндра 38,3 мм.

51

Четвертый вариант: диаметр камеры 140 мм; цилиндра 25,0 мм.

В эксперименте исследовали процесс электрохимического окисления йодида калия в электролите состава: KI - - К„Сга07 - КОН - Н20. Состав изменял 290-300 г/л;

ся в пределах С,- Скгсг,о, 2-3 г/л; РН 13,8-14,0. Температуру процесса поддерживали постоянной и равной 70fO,5°C, средняя плотность тока на графитовом аноде составляла 1000 А/см видимой рабочей поверхности электрода. Давление в аппарате равнялось 202,6 кПа. Расход электролита через аппарат поддерживали постоянным и равным 4,2 л/мин При этом во всех четырех вариантах компоновки предлагаемой конструкции использовали корпус аппарата, изготов ленный из органического стекла, внутренним диаметром 190 мм. В эксперименте определена величина снижения напряжения электролиза (при прочих равных условиях) в зависимости от величины относительного смещения электродной сборки в электролизной камере к коллектору ввода электролита при сохранении постоянным объема газового пространства аппарата, т.е.- при сохранении постоянным уровня электролита в аппарате во всех четырех вариантах компоновки конструкции. Для первого варианта компоновки асимметричная установка сборки в камере обеспечила понижение напряжения электролиза с 1,7 до 1,65 В. Для остальных трех вариантов компоновки изменение величины рабочего напряжения На электролизере от величины относительного смещения сборки в камере имело менее выраженный интервал изменения. Обеспечение асимметричной установки сборки в камере и смещение ее к коллектору ввода снижает, как показал эксперимент, на 2-3% энергетические затра- ты при электролизе.

Проведенные испытания, включающие визуальные наблюдения за зоной пено- образования в газовой области аппарата, показали, что степень пенообразо- вания, характеризующая отношение объема газового пространства, заполненного пеной (т.е. объема, занятого пеной

0

0

780

от зоны барботажа до зоны брызг), к общему объему газового пространства аппарата (составляющему порядка 13,7% от объема аппарата), снижается при смещении электродной сборки к коллектору ввода электролита (см.табл.2).

При сохранении технологических параметров аналога(прототипа) это позволяет уменьшить габаритные размеры газовой области аппарата и всего аппарата в целом. При этом при выполнении технологического условия лишь полного погружения элементов электрод- 5 ной сборки в электролит по сравнению с прототипом в предлагаемой конструкции (при наличии асимметричной установки сборки в камере) обеспечена возможность снижение уровня электролита в аппарате, что (при прочих равных условиях) обеспечивает значительное снижение как габаритных, так и массовых характеристик аппарата.

5 Формула изобретения

Электролизер для электролиза под давлением, включающий корпус цилиндрической формы, фланцы, электролизную камеру с перфорированной боковой поверхностью и двумя горизонтальными перегородками, размещенными между корпусом и камерой и делящими пространство на два коллектора, один из которых служит коллектором ввода, а другой - коллектором вывода, и электродную сборку с монополярным графитовым анодом, выполненным в виде цилиндра с коническими концевыми частями и дисками, отличающийся тем, что, с целью снижения энергетических затрат, массогабаритных харак- теристик и уменьшения пенообразования, электродная сборка установлена в электролизной камере асимметрично, при этом ось сборки смещена к коллектору ввода так, чтобы выполнять соотношение

0,3 :

х

- г,

0,8 ,

где

k с

-абсолютное смещение сборки;

-радиус камеры;

гс - радиус сборки.

Таблица 1

Изобретение относится к электрохимической промышленности, а именно к конструкциям электролизеров и может найти применение в области производства водорода и кислорода в термоэлектрохимических комбинированных циклах разложения воды. Цель изобретения - снижение энергетических затрат, массо-габаритных характеристик и уменьшение пенообразования. Электролизер включает корпус 1 с направляющими пазами 2, окруженный рубашкой теплообменника 3, электролизную камеру 4 с наружными горизонтальными перегородками 5, отверстиями перфорации 6 и продольными щелями 7, графитовый анод 8, катодные элементы 9, соединенные несущими токоподводящими шпильками 11, полукольцевые и кольцевые прокладки 16 П-образных профилей, прокладки 20, вводные и выводные штуцеры 22 и 23, газоотводящие штуцеры 24. Предлагаемое устройство за счет асимметричной установки электродной сборки в электролизной камере при выполнении соотношения 0,3≤X/R кR с≤0,8, где X - абсолютное смещение сборки, R к - радиус камеры, R с - радиус сборки, обеспечивает снижение энергетических затрат, массогабаритных характеристик электролизера и понижение степени пенообразования. 2 ил., 1 табл.

Наружный диаметр 100 мм. Диаметр граф.цилиндра с учетом изоляц.втулки 25(38,3) мм. Толщина элемента 10 мм. Расстояние между элементами гребенки 10 мм. Число элементов 6 шт.

Наружный диаметр 103 мм. Внутренний диаметр полуколец 23 (36) мм. Внутренний диаметр колец катодной сборки 34 мм. Толщина полуколец и колец 2 мм.

Таблица2

Фиг. Г

13