Электролизер фильтр-прессного типа Советский патент 1992 года по МПК C25B9/00 C25B1/02 

Изобретение относится к электролизеру и к конструкции его элементарных электролитических ячеек, в частности к конструкции электролизера, которая легко собирается и разбирается. Описываемые электролитические ячейки предназначены для электролиза не только хлоридов щелочного металла с целью образования хлора и окисей щелочного металла, но и также для электролизера других соединений, например для электролиза воды.

Цель изобретения - упрощение монтажа электролизера.

На фиг. 1 показан вертикальный разрез собранной элементарной ячейки (предпочтительный вариант изобретения), состоящей из анодных и катодных камер, и образуют электролизер; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - конструкция под- донообразных корпусов элементарной

ячейки, которые образуют анодные и катодные камеры соответственно; на фиг. 4 - крю- кообразный фланец, который используется в элементарной ячейке; на фиг. 5 и б - процесс изготовления поддонообразного корпуса; на фиг. 7 - блок биполярного электролизера предпочтительного варианта изобретения, состоящий из многих элементарных ячеек.

Электролизер содержит штангообраз- ную деталь 1, поддонорбразный корпус 2, ребро 3 для образования электрического соединения, электрод 4, отверстие 5, контактную деталь 6, крюкообразный фланец 7, стенку рамки 8, разделяющую перегородку 9, электронную камеру 10, усиливающее ребро 11, впускное сопло 12, выпускное сопло 13, угловую часть 14, катионообменную мембрану 15, прокладки 16, 17, анодную камеру. 18, катодную камеру 19, боковую

N1

8

I

Ы

штангу 20, соединительную часть 21 или деталь, терминальную пластинку 22, пластинку 23, обеспечивающую соединение с помощью взрыва, биполярную элементарную ячейку 24, из которых и образуется электролизер.

Поставленная цель достигается за счет использования элементарной ячейки, выполненной из поддонообраэного корпуса на стороне анода и поддонообразного кор- пуса на стороне катода, причем каждый из этих корпусов состоит из кркжообразнрго фланца, стенки рамки и разделительной перегородки, а сами корпуса располагаются затылок в затылок; и из штангообразных рамок, установленных между крюкообраз- ным фланцем и стенкой рамки в каждом корпусе. Следовательно, предлагаемый биполярный электролизере диафрагмой в виде ионообменной мембраны состоит из большого количества биполярных элементарных или электролитных ячеек, каждая из которых образована поддонообразным корпусом на стороне анода и поддонообраз- ным корпусом на стороне катода, причем каждый из этих корпусов состоит из крюко- образного фланца, стенки рамки разделительной перегородки, а сами корпуса располагаются затылок в затылок; штанго- образными деталями, установленными между крюкообразным фланцем и стенкой рамки в каждом корпусе; анодом и катодом, которые через электропроводимые ребра соединяются методом сварки с разделительной перегородкой, и катионообменной мембраной, установленной между корпусом на стороне анода и корпусом на стороне катода другой элементарной ячейки, смежной упомянутому аноду, таким образом, чтобы не имеющие электродов стороны двух корпусов были обращены друг к другу, а также двух противоположных торцовых полуячеек, содержащих в себе соответственно анод и катод; двух электрических терминальных пластинок, жестко прикрепленных к противоположным торцовым полуячейкам; из большого количества упомянутых элементарных (электролитических) ячеек, расположенных последовательно.

Известно, что электролиз воды может происходить без использования ионнооб- менной мембраны.

Основными блоками упомянутого биополя электролизера являются биполярные элементарные ячейки, образованные из поддонообразного корпуса на стороне анода и поддонообразного корпуса на стороне катода,каждый из которых состоит ид крю- кообразного фланца, стенки рамки и разделительной перегородки, причем эти корпуса

располагаются затылок в затылок; из штангообразных деталей, каждая из которых вставляется в канавку, образованную в интервале между крюкообразным фланцем и стенкой рамки в каждом корпусе, причем как верхняя, так и нижняя штангообразные горизонтальные детали снабжены двумя отверстиями, расположенными на противоположных концах этой детали. Упомянутая элементарная ячейка отличается исключительно легкостью ее сборки.

Поддонообразный корпус, выполненный из одного листа или пластины, имеет неоспоримые преимущества перед поддо- нообразными корпусами, выполненными из нескольких листов или пластин, не только в плане легкости его обработки, но и также в плане довольно значительного уменьшения вероятности утечки электролита, так как в данном случае можно будет значительно сократить количество свариваемых элементов. Кроме того, образование элементарной ячейки отличается исключительной простотой. Для этого нужно лишь расположить две штангообразные детали затылок в затылок и установить между крюкообразным фланцем и смежной стенкой рамки штангообразные детали.

Для облегчения процедуры установки штангообразных деталей рекомендуется выполнять эти детали более короткими по сравнению с высотой самой элементарной ячейки. Они должны выполняться короче высоты элементарной ячейки на толщину штангообразных горизонтальных деталей. Штангообразные детали устанавливаются вертикально, после чего устанавливаются горизонтально те штангообразные детали, длина которых будет равна ширине элементарной ячейки. Рекомендуется также поочередно устанавливать штангообразные детали, длина которых будет короче на толщину рамки по сравнению с шириной и высотой соответствующей элементарной ячейки, в результате чего будет образовываться двухмерная решетчатоподобная конструкция. Эта конструкция несомненно является более эффективной как в плане ее прочности, так и в плане сборки.

Прочие устройства или элементы образования элементарной ячейки будут идентичны тем, которые используются для образования обычных или уже известных элементарных ячеек. В данном случае имеются в виду прежде всего такие элементы ячейки, как ионообменная мембрана, прокладки и т.д.

Среди хлоридов щелочных металлов, которые можно обрабатывать в предлагаемом электролизере, прежде всего следует

упомянуть хлористый натрий, хлористый калий и хлористый литий. Вполне понятно, что наиболее важным для промышленности является хлористый натрий.

Предлагаемый электролизер можно также использовать и для электролиза воды.

Элементарная ячейка предлагаемого электролизера отличается исключительной простотой сборки и разборки, так как ее можно изготовить в результате простого расположения двух поддонообразных корпусов, в которых содержатся соответственно анод и катод, затылок в затылок с последующей установкой между крюкооб- разным фланцем и стенкой рамки штанго- образных деталей или элементов в каждом из упомянутых корпусов. Кроме того, каждый поддонообразный корпус можно изготовить из одного цельного листа или пластины, благодаря чему сводится к минимуму количество сварных элементов корпуса, что в свою очередь дает возможность свести к минимуму вероятность утечки электролита и остаточную деформацию, которая может возникнуть в процессе изготовления элементарной ячейки. При этом сооружение элементарной ячейки обходится очень дешево.

Ребра 3 для образования электрическо- го соединения (ниже будем просто называть электропроводимые ребра) привариваются к поддонообразному корпусу 2, а электрод 4 приваривается к противоположным сторонам ребер 3.

Поддонообразный корпус 2 образован крюкообразным фланцем 7 (фиг. 4), стенкой рамки 8 и разделительной перегородкой 9. Окруженное стенкой рамки 8 и разделительной перегородкой 9 пространство-вы- полняет функцию анодной или катодной камеры. Анодные и катодные камеры герметизируются с помощью соответствующих прокладок. Наиболее подходящим материалом для изготовления прокладок являются этилен-пропиленовый каучук, полидетраф- торэтилен и т.д. Желательно, чтобы ширина каждой прокладки для анодной или катодной камер была равна ширине уплотнения. Толщина прокладок для анодной и катодной камер обычно колеблется от 1,0 до 3,0 мм.

Каждая штангообразная деталь 1 вводится или вставляется в пространство, образуемое каждым крюкообразным фланцем 7 и смежной стенкой рамки 8, которые в данном случае соединяются между собой затылок в затылок. В каждой штангообраз- ной детали 1 образована канавка, -которая обеспечивает прочное соединение верхней части каждого кркжообразного фланца с

штангообразной деталью. Сам крюк каждого крюкообразного фланца 7 может иметь такую длину, чтобы после установки в канавке, образованной на каждой штангообразной детали, он не выдавался за пределы этой канавки. Крюк также может иметь длину, которая будет необходимой для выполнения какой-то операции изгибания. Рекомендуется иметь длину крюка в пределах от 2 до 20, а лучше от 5 до 10 мм.

Длина в направлении прохождения электрического тока от стенки рамки 8 соответствует толщине анодной или катодной камеры и обычно находится в пределах от 10 до 100мм.

Высота разделительной перегородки соответствует высоте анодной камеры, а также и высоте катодной камеры.

Эта высота обычно находится в пределах от 50 до 200 см. Поперечная ширина разделительной перегородки соответствует поперечной ширине анодной камеры, а также поперечной ширине катодной камеры. Поперечная ширина обычно находится в пределах от 20 до 400 см. Толщина поддо- нообразного корпуса 2 может выполняться такой, чтобы можно было выполнять необходимое изгибание исходного листового материала (пластинки) этого корпуса, чтобы сам корпус легко выдерживал внутреннее давление и чтобы электропроводящие ребра можно было свободно приваривать к корпусу, т.е. желательно, чтобы эта толщина колебалась в пределах от примерно 1 до примерно 3 мм.

Электропроводящие ребра 3 привариваются к поддонообразному корпусу 2. Каждое из этих ребер имеет пять отверстий. через которые проходит электролит и конечный продукт электролиза. Толщина электропроводящих ребер выбирается такой,чтобы зазор между ионообменной мембраной и каждым электродом был равен нулю или почти нулю. При выборе толщины электропроводящих ребер необходимо также учитывать длину стенки рамки 8, толщину уплотняющих или герметизирующих прокладок 16 и 17 и толщину каждого электрода 4.

Если необходимо еще больше упрочить каждую электродную камеру, тогда рекомендуется закреплять усиливающие ребра или просто ребра жесткости в центральной части упомянутых камер. В качестве исходного материала изготовления ребер жесткости для катодной камеры используется тот же материал, что и для изготовления поддо- нообразного корпуса на стороне катода, т.е. железо, никель, нержавеющая сталь или сплав этих металлов. В качестве исходного

материала изготовления ребер жесткости для анодной камеры используется тот же материал, что и для изготовления поддоно- образного корпуса на стороне анода, т.е. титан или титановый сплав. В целях усиления всей конструкции желательно, чтобы две пластины, имеющие ту же форму, что и электропроводящие ребра, соединялись вместе во многих точках соединения. Является также желательным, чтобы любой элемент усиления или упрочения тесно контактировал со стенкой рамки и штанго- образными деталями. Как и электропроводящие ребра жесткости или упрочения имеют по пять отверстий, через которые свободно проходят электролит и конечный продукт электролиза.

Для электродов 4 можно использовать металлические элементы практически любой формы, но с обязательным условием, чтобы они имели несколько отверстий. В качестве исходного металлического листового материала изготовления электродов могут, например, выступать расширенные при застывании металлы, металлические листы в виде перфорированной плоской пластины, комбинированные прутки или проволочная металлическая сетка.

Что касается штангообразных деталей 1, то для каждой элементарной ячейки требуются две горизонтальные и две вертикальные штангообразные детали. Каждая горизонтальная штангообразная деталь имеет отверстие для сопла. Сам крюк каждого крюкообразного фланца 7 устанавливается в канавке. Длина каждой верхней и нижней штангообразных деталей 1 соответствует сумме поперечной ширины разделительной перегородки 9 и половине ширины лицевой стороны уплотнения крюкообразного фланца 7. Длина каждой вертикальной штангообразной детали 1 соответствует сумме высоты разделительной перегородки 9 и половины ширины лицевой стороны уплотнения крюкообразного фланца 7.

Форма поперечного сечения каждой штангообразной детали 1 идентична поперечному сечению пространства, образованному каждым крюкообразным фланцем 7 и смежной стенкой рамки 8. Желательно защитить поверхность штангообразных деталей 1 резиновой облицовкой, покрытием из эпоксидной смолы или другими подобными материалами, чтобы гарантировать образование хорошей электрической изоляции и предохранить поверхность от коррозии.

Исходными материалами изготовления лоддонообраэных корпусов 2 и электропроводящих ребер 3 могут быть металлы или сплавы, которые будут антикоррозионными

в условиях электролиза. Например, титан и титановые сплавы можно использовать для образования поддонообразного корпуса на стороне анода, а железо, никель и нержавеющую сталь и сплавы этих металлов можно использовать для изготовления поддонообразного корпуса на стороне катода.

В качестве исходного материала анода можно использовать любой из трех материалов, которые используются для обычного электролиза водных растворов хлорида щелочных металлов, т.е. анод образуется в результате обработки таких исходных металлов, как титан, цирконий, тантал, ниобий или любой сплав этих металлов с последующим покрытием исходного материала, которому уже придана нужная форма анода, анодно-активным материалом, состоящим главным образом из металлической окиси

платиновой группы, например из окими рутения.

Для образования катода можно использовать фасонное железо, никель или любой сплав этих металлов, причем эти металлы

используются в своем первоначальном виде или предварительно покрываются катодно- активным материалом, например скелетным никелевым катализатором гидрирования, родан-никелем или окисью

никеля.

Для изготовления штангообразных деталей 1 можно использовать практически без ограничения такие металлы, как железо, нержавеющую сталь и прочие им подобные

металлы, а также такие пластические материалы, как полиэтилен, полипропилен, пол- ивинилхлорид и т.д. Однако предпочтение в данном случае отдается металлам, так как с их помощью обеспечивается необходимая

прочность конструкции электролизера. При этом эти детали можно изготавливать как сплошными, так и полыми, однако с точки зрения прочности конструкции предпочтение отдается сплошным деталям.

Поддонообраэный корпус 2 изготавливается, например, следующим образом. Предварительно изогнутая на всех четырех углах пластинка (фиг. 5} обрезается таким образом, чтобы она получила форму поддонообразного корпуса. Крюкообразный фланец 7 и стенка рамки 8 изгибаются вдоль пунктирных и сплошных линий с конечным образованием нужной формы. Следовательно, в данном случае сварочные операции

будут необходимы только на четырех углах этой конструкции. Благодаря этому значительно сокращается количество сварных деталей и элементов, а также намного уменьшается и остаточная деформация,

Кроме того, в соответствии с изобретением точки крепления электродов на электропроводящих ребрах, а также лицевые поверхности уплотнения крюкообразных фланцев, которые в соответствии с известным уровнем техники необходимо было подвергать механической обработке, чтобы устранить образованную в результате сварочных работ и прочих операций по сборке и монтажу остаточную деформацию, можно обрабатывать с высокой степенью точности без возникновения в них остаточной деформации и очень простой операцией.

При этом изобретение исключает необходимость механической обработки упомянутых точек крепления и лицевых поверхностей уплотнения, что значительно сокращает себестоимость изготовления всей конструкции.

В соответствии с изобретением элементарная ячейка образуется .следующим образом. Устанавливают затылок в затылок предварительно изготовленные поддонооб- разные корпуса для анодной и катодной камер. Эти корпуса можно соединить вместе с помощью сварки, например, в точках соединения, а можно и не соединять. Однако рекомендуется соединять эти корпуса, так как в данном случае будет более низким электрическое сопротивление. Этого можно добиться путем прямого ультразвукового сваривания корпусов или с помощью точечной их сварки, для чего предварительно нужно установить между корпусами титано- железную пластинку, причем два этих металла пластинки соединяются между собой путем взрыва.

Затем вставляют штангообразные детали 1 в пространство, образованное между крюкообразным фланцем 7 и стенкой рамки 8, чтобы можно было прикрепить к корпусу верхнюю, правую, нижнюю и левую рамки. Далее вставляют в верхнее отверстие для сопла 25 и в нижнее отверстие для сопла 25, которые выполнены в штангообразных деталях, соответственно сопло 12 для впуска электролита и сопло 13 для выпуска электролита и герметизируют зазор между впускным соплом и отверстием 26, которое просверлено через нижнюю стенку рамки 8, а также герметизируют зазор между выпускным соплом и отверстием 26, просверленным через верхнюю стенку рамки 8.

Согласно изобретению не существует каких-то специфических ограничений относительно типа используемой в данном случае катионообменной мембраны. В данном случае можно использовать любую мембрану, которая обычно используется для электролиза водного раствора хлорида щелочных 5 металлов.

Наиболее подходящими смолами для изготовления катионообменных мембран являются смолы на основе сульфокислоты. карбоновой кислоты, полисульфамида и на

0 основе различных комбинаций карбоновой и сульфокислоты. В данном случае предпочтение отдается несомненно смоле на основе карбоновой кислоты - сульфокислоты, так как эта смола обеспечивает большой пере.5 нос и передачу ионов щелочного металла. Если катионообменная мембрана изготовлена из смолы комбинированного типа, тогда настоятельно рекомендуется устанавливать ее между анодом и катодом

0 таким образом, чтобы анод был обращен в сторону, где присутствуют группы сульфокислоты упомянутой катионообменной мембраны, а катод будет обращен в сторону, где присутствуют группы карбоновой кислоты

5 этой же мембраны.

Что касается эффективности отвержда- ющегося связующего вещества катионообменной мембраны, то с точки зрения стойкости по отношению к хлору предпочте0 ние следует отдать фтороуглеродным полимерам. С целью повышения механической прочности мембран их можно усилить (армировать) тканью, сеткой и т.д.

Предлагаемое техническое решение по5 зволяет упростить монтаж по сравнению с известным.

Формула изобретения Электролизер фильтр-прессного типа, включающий монополярные электроды,

0 между которыми размещены биполярные электроды, анодные и катодные части, выполненные в виде электропроводных ребер, соединены с распределительной перегородкой, рамки с биполярными электродами

5 образуют множество элементарных электрохимических ячеек, отличающийся тем, что, с целью упрощения монтажа электролизера, распределительная перегородка выполнена в виде двух листов, торцы кото0 рых выполнены крюкообразными и загнутыми внутрь с образованием полости элементарной электрохимической ячейки, листы соединены между собой сторонами, противоположными загнутым торцам, и в

5 пространстве между крюкообразными частями листов установлена рамка.

Фиг.1

Фиг. 2.

Изобретение относится к электрохимическому производству и позволяет упростить монтаж электролизера. Электролизер биполярного типа состоит из поддонооб- разного корпуса на стороне анода и из под- донообразного корпуса на стороне катода, каждый из которых, в свою очередь, состоит из крюкообразного фланца, стенки рамки и разделительной перегородки и которые устанавливаются затылок в затылок; из штан- гообразных деталей, установленных в каждом корпусе в интервале между крюко- образным фланцем и стенкой рамки и из электролизера биполярного типа, в котором большое количество упомянутых элементарных ячеек располагается последовательно. 7 ил.

7-е

8

-9

10

-3 4

-5

Фиг.З

Фиг. 4

Фи&5

1У

7

Фиг. 6

2

i9 . чз

22ftfU&t