Автореферат (Комплексное оборудование и технологические процессы промышленного производства анолита и феррата), страница 4

Сепараторы дляотделения газообразных хлора и водорода от раствора электролита выполнены из оргстекла10и имеют прозрачные корпуса, что обеспечивает возможность визуального контроля зауровнем электролита в электролизере. Для обеспечения избыточного давления со стороныанолита анолитный сепаратор устанавливается выше католитного (рисунок 2, а).Опорная конструкция служит для установки и сжатия блока электродных элементов,крепления системы циркуляции анолита и католита и сепараторов. В состав опорнойконструкции входят: рама опорная, рама прижимная, стяжные шпильки, опорныекронштейны, изоляторы (рисунок 2, а, б).Слева от электролизеров на специальной подставке установлены полипропиленовыебаки для солевого раствора (желтые), воды (синие) и щелочи (красные) (V=1000 л) соткидными крышками (рисунок 2, г).

В баки с солевым раствором и водой через стенки потрубопроводу сверху поступает умягченная вода, заданный уровень которой поддерживаетсяс помощью поплавкового датчика, а снизу из баков по трубопроводам раствор NaCl насосомподается в анодную камеру, а вода – в катодную камеру хлоратора. В накопительныйполипропиленовый бак поступает образовавшаяся в хлораторе щелочь – 20%-ная NaOH.Источник постоянного тока (рисунок 2, а,) подключен к токосъемам на аноде и катодетоковедущими шинами, он имеет вход для удаленного управления подачей токовой нагрузкина электроды хлоратора и регулирования его производительности.В хлораторе под действием постоянного электрического тока образуется анолит ванодной камере, электролитическая щелочь и водород в катодной камере.

Электролитические ячейки работают в проточном режиме: в электролизер непрерывно подаются солевойраствор и вода и отводятся анолит и щелочь. Эжектором осуществляется подача анолита втрубопровод хлорной воды. Электролитическая щелочь (NaOH) с концентрацией 20%, образующаяся в процессе электролиза, из сепаратора католита самотеком отводится в емкостьнакопитель щелочи. Водород из сепаратора католита отводится по трубопроводу в атмосферу за пределы здания.Рабочая температура в электролизере находится в пределах 40–60°С. Рабочий диапазонтоков – до 960А на ячейку, плотность тока на мембране – до 1600 А/м2, напряжение до 3,8 V.Сила тока подбирается из условия обеспечения запланированного количества хлора в час иэнергопотребления не более 3,0 кВт∙ч и 3 кг соли на 1 кг продукта с учетом выхода по токуне менее 83%.Контроль за процессом электролиза в хлораторах и управление токовой нагрузкойосуществляется системой автоматического управления (САУ), включающей модульный контроллер Siemens и панель управления оператора (рисунок 2, д).

Операторский интерфейсСАУ хлораторов отражает состояние датчиков контроля наличия и уровня концентрации Cl2и H2, уровня рабочих растворов в сепараторах, давления в системе вакуумпрерывателя и отведения водорода, температуры в хлораторе, показания датчика остаточного хора в воде. Вполуавтоматическом режиме работы САУ хлораторов в интерфейсном окне на контурахпервичного и вторичного хлорирования задается сила тока, определяемая производительностью по хлору, скорость работы насосов для дозирования раствора соли и воды для поддержания концентрации и производительности на заданном уровне, контролируется напряжениена электролизере и температура католита.В автоматическом режиме работы САУ хлоропотребление контролируется датчикомостаточного хлора в воде после первичного и вторичного хлорирования, по уставке адаптивно изменяется сила тока и производительность по хлору при суточных изменениях водопотребления и хлоропотребления.Сырьем для получения феррата являются нарабатываемая в хлораторах электролизнаящелочь и стальной расходуемый анод.

Модуль для получения феррата натрия (ферратор)состоит из корпуса, блока электродных элементов, системы циркуляции электролита иопорной конструкции (рисунок 3, а, б).Корпус ферратора, состоящий из электродных камер прямоугольной формы, выполнениз полипропилена толщиной 15 мм (рисунок 3, в). Рамки из полипропилена толщиной 5 мм сзажатой между ними мембраной вставляются в пазы в стенках электролизера глубиной 5 мм11на границах анодной и катодной камер (рисунок 3, в). Аноды и катоды зафиксированывнутри камер электролизера при помощи держателей из полипропилена.абвгРисунок 3 – Конструктивные модули и операторский интерфейс ферратораКрышка ферратора из полипропилена через резиновую прокладку фиксируется кверхнему фланцу стальными шпильками.

В крышке расположены выводы для газообразныхпродуктов (кислорода и водорода) из анодных и катодных камер, выполненные из Х-ПВХ,снабженные запорными вентилями (рисунок 3, а). В днище расположены выводы для сливапродуктов из анодных и катодных камер, выполненные из Х-ПВХ, на каждом из которыхимеются запорные вентили (рисунок 3, а).Блок электродных элементов состоит из 10 пар «монополяр-катод - монополяр-анод»,разделенных ионообменными мембранами (рис.

3, в). Монополяры-аноды помещены в пятьанодных камер, а монополяры-катоды в шесть катодных камер. Нерасходуемые катодывыполнены из нержавеющей стали. Между электродными элементами устанавливаютсяионообменные сульфокатионитные мембраны марки Флемион 811 или Nafeon-324,разделяющие катодные и анодные камеры.

Поверхность каждого электрода параллельнаповерхности мембраны. Размеры анодов определяются расчетной плотностью тока на аноде,равной 500 А/м2, обеспечивающей необходимый выход по току феррата и энергопотребление.Габаритные размеры анодов, используемых в ферраторе, составляют 0,35х0,45 м, эффективная12поверхность анода соответствует площади мембраны и составляет 0,15 м2. Габаритныеразмеры катодов аналогичны.Система циркуляции анолита и католита аналогичны по конструкции и служат дляподачи и распределения по ячейкам электролита и вывода продуктов электролиза. Каждая изциркуляционных систем состоит из насоса мембранного типа, обеспечивающего подачуэлектролита в соответствующую камеру, и рециркуляционного контура, выполненного из ХПВХ (рис.

3, а и б).На опорной конструкции установлен ферратор, а на обратной ее стороне закрепленыдва насоса для подачи и вывода из ферратора растворов NaOH и Na2FeO4 (рисунок 3, а, б).Над ферратором установлены трубопроводы для отвода водорода и кислородасоответственно из катодных и анодных камер. Из ферратора по трубопроводу растворферрата натрия поступает на обеззараживание (рисунок 3, а).Источник постоянного тока подключен к токосъемным разъемам на анодах и катодахпитающими кабелями, он имеет вход для удаленного управления подачей токовой нагрузкина электроды ферратора и регулирования его производительности.Для полной автономности работы хлорных и ферратного модулей и удобства рециркуляции в последнем использовался дополнительный промежуточный бак со щелочью (красного цвета, рисунок 3, а), в который раствор с концентрацией около 20% подавался из баканакопителя электролизной щелочи хлораторов.В ферраторе под действием постоянного электрического тока в результате разложениястального анода в щелочном растворе происходит образование феррата натрия (в аноднойкамере), побочными продуктами реакции являются кислород (в анодной) и водород (в катодной камере).

Газообразные продукты раздельно отводятся за пределы здания. Камеры электролизера работают в проточном режиме. Катодные и анодные камеры одновременно заполняются раствором 20%-ной электролизной щелочи из промежуточного бака-накопителя. Привключении режима рециркуляции из анодных камер образовавшийся в процессе электролизараствор феррата натрия самотеком выводится в проточный фотоколориметрический датчикконтроля концентрации феррата, г/л.

Из фотоколориметра феррат поступает в промежуточную емкость для накопления феррата, откуда дозируется на обеззараживание. Из промежуточного бака анодные камеры пополняются свежей щелочью, подаваемой анолитным насосом. Из катодных камер электролизера щелочь самотеком отводится на вход католитногонасоса, который возвращает ее в промежуточный бак. Такой режим рециркуляции позволяетподдерживать концентрацию щелочи в катодных и анодных камерах постоянной и выводитьрастворенный в католите газообразный водород.Температура щелочного электролита находится в диапазоне 20–40°C, расстояниемежду электродами и мембраной составляет 8 мм.

Рабочий диапазон токов до 75А на паруэлектродов, плотность тока на анодах, катодах и мембране до 500 А/м2, напряжение от 3 до3,4 В. Размер электродов выбирается из расчета обеспечения плотности тока до 500 А/м2.Сила тока подбирается из условия обеспечения запланированного количества феррата в час иэнергопотребления не более 6 кВт∙ч/кг продукта с учетом планируемого выхода по току неменее 54%.Контроль за процессом электролиза и управление токовой нагрузкой в ферратореосуществляется САУ, включающей модульный контроллер NI CompactRIO и панельуправления оператора (рис. 3, г).

Операторский интерфейс САУ ферратора отражаетсостояние датчиков контроля наличия и уровня концентрации H2, уровня рабочих растворовв анодных и катодных камерах, давления в системе отведения водорода, температуры вферраторе, показания датчика концентрации феррата в растворе. В полуавтоматическомрежиме работы САУ ферратора в интерфейсном окне задается сила тока, определяемаяпроизводительностью по феррату, скорость работы насосов для дозирования щелочи вкатодные и анодные камеры для поддержания концентрации и производительности назаданном уровне, контролируется напряжение на электролизере и температура католита. Вавтоматическом режиме работы САУ выработка феррата контролируется по уставке, по13которой адаптивно изменяется сила тока и концентрация феррата в растворе при суточныхизменениях водоотведения. Полученный феррат натрия неустойчив, в нем идет реакцияразложения с выделением кислорода.