Диссертация (Комплексное оборудование и технологические процессы промышленного производства анолита и феррата), страница 11

Продуктыэлектролиза подают в блок отделения газообразной фазы (водорода), снабженный обратнымклапаном и контроллерами температуры ведения процесса. Параметры подаваемых в блокхлорирования продуктов электролиза контролируются датчиками хлора, с возможностьюотключения установки при аварийных ситуациях, связанных с выбросом продуктов электролиза(хлора и водорода), посредством системы автоматической сигнализации. Образующуюся впроцессе электролиза хлорную воду выводят из электролизного контура через эжектор,создающий в нем определенное разрежение, смешивают с водой из водопровода и подают наобеззараживание.

Образующуюся в процессе электролиза щелочь (гидроксид натрия) подают вбак-накопитель щелочи, контролируя датчиками уровня и дыхательными клапанами уровеньотбора готового раствора щелочи. Затем щелочь удаляют для использования в целяхводоподготовки (подщелачивания воды), хозяйственно-бытовых или других целей.Внешний вид электролизеров производительностью 75 кг/ч хлора каждый (3 ячейки по25кг/ч хлора), станции обеззараживания приведен на рисунке 1.7.Рисунок 1.7. Внешний вид станции обеззараживанияпроизводительностью 75 кг/ч хлора45Ближайшим аналогом (прототипом) модуля для производства феррата является патентCN102925919 [70]. Для электрохимического производства раствора феррата в режиме онлайниспользуется две анодных камеры, между которыми находится катодная камера меньшегообъема.

В катодной камере установлено по две катодных железных пластины толщиной 1-2 мм,разнесенных по сторонам катодной камеры вдоль катионообменных мембран, разделяющихкатодную и анодную камеры. Анодная пластина состоит из нескольких (от 1 до 6) разнесенныхпластин из вспененного железа толщиной 0,5-1 мм, расстояние между слоями 3-6 мм.Расстояние между катионообменной мембраной и катодной пластиной составляет 1,6-2,2 мм,между катодной и анодной пластиной находится в интервале 4,5-8 мм, расстояние между двумяразнесенными катодными пластинами составляет 45-60 мм.

Анодная ластина находится нарасстоянии 180-230 мм от корпуса электролитической ячейки.В качестве электролита использовался 15-20 М раствор NaOH, катодные пластиныподключались проводами к отрицательному источнику питания, аноды подсоединялись кположительному источнику питания, открывали смеситель жидкости, которая перемешиваласьмешалкой со скоростью 160- 200 р/мин. Мощность постоянного тока поддерживается такой,чтобы плотность анодного тока составляла 35 мА/см2 - 40 мА/см2, напряжение питаниясоставляло 1,5-2,5 В, температура электролита 20-30°С, длительность электролиза 1,5-2,5 часа,чтобы получить раствор феррата с концентрацией раствора 15 мг/л, выход по току достигал58%.1.7.1 Выбор прототипа промышленного агрегата для производстваанолита и феррата натрия на водоканалеТаким образом, наиболее перспективным реагентом для обеззараживания воды накоммунальных водопроводах является обладающий пролонгированным действием анолит(раствор хлора в воде), получаемый электролизом насыщенного раствора поваренной соли вводе, а для очистки стоков на станциях по обработке технических и сточных водперспективным продуктом является феррат натрия Na2FeO4, получаемый на местеиспользования электрохимическим растворением стального анода в растворе щелочи NaOH,нарабатываемой в качестве побочного продукта электролиза в процессе выработки анолита.Технология, разработанная при участии автора и позволяющая получать анолит и ферратнатрия в едином комплексном электролизном агрегате [20-23, 86, 123], не имеет отечественныхи зарубежных аналогов и защищена четырьмя патентами РФ [124-127] (Приложение 2).46Прототипомразрабатываемогопромышленногоэлектролизногоагрегатадляпроизводства анолита и феррата натрия является разработанная с участием автораэкспериментальная установка, описанная в [20-23, 86, 123].

Данная экспериментальнаяустановка имеет производительность по анолиту в пересчете на хлор не менее 65 г/ч (1,56кг/сут) при энергопотреблении не более 3,5 кВтч и 3 кг соли на 1 кг продукта с учетомпланируемого выхода по току не менее 85%. Производительность по феррату в пересчете насухое вещество составляет до 25 г/ч (до 600 г/сут) при энергопотреблении не более 6 кВтч/кгпродукта с учетом планируемого выхода по току (не менее 54%).В состав экспериментальной установки входят модуль для производства анолита (М1) иферратов (М2) с системами газоотведения и рециркуляции анолита и католита иавтоматизированная система управления установкой (рисунок 1.8).Система автоматизированного управления установкой осуществляет в автоматическомрежиме пуск, остановку (в том числе и аварийную), поддержание выбранных режимов работы,сбор и хранение данных эксперимента.

В ее состав входят блоки управления модулями дляпроизводства анолита и феррата, обеспечивающие функционирование модулей как поотдельности (контроль параметров процесса, дозирование реагентов и др.), так и ихфункциональное взаимодействие в составе комплексного электролизного агрегата. Основнымиуправляемыми параметрами процессов получения анолита и ферратов выбраны сила тока,плотностьтока,напряжение,температура,времяобработки,производительность,энергопотребление.Рисунок 1.8 – Конструктивно-компоновочная схема экспериментальногокомплексного электролизного агрегата47Анолит получают на месте применения методом мембранного электролиза солевогонасыщенного раствора NaCl в воде под действием постоянного тока.

Исходными материаламидля производства анолита являются вода и хлорид натрия. Для приготовления исходногосолевого раствора может использоваться вода дистиллированная (ГОСТ 6709-72), водапитьевая водопроводная (ГОСТ Р 51232-98 и СанПиН 2.1.4.559-96), а также хлорид натриямарок «ХЧ» или «Ч» по ГОСТ 4233-77, или соль пищевая по ГОСТ 13830-84. Для питаниякатодной камеры электролизера используется очищенная от примесей и умягченная вода.

Ванодную камеру подается насыщенный солевой раствор с концентрацией не менее 300–330 г/лс температурой не менее 5°С.В электролизере для производства анолита (хлора) блок электродных элементов состоитиз двух монополярных (анод и катод) элементов, разделенных ионообменной сульфокатионитной мембраной (рисунок 1.9). Катодный элемент выполнен из перфорированнойнержавеющей стали и приварен к токоведущим ребрам катодной камеры. Анодный элементвыполнен из перфорированного листа титана, покрытого оксидами рутения, и приварен ктоковедущим ребрам анодной камеры. Между электродными элементами установленакатионообменная сульфокатионитная мембрана Flemion 811 или Nafeon-424.

Анодная икатодная камеры снабжены штуцерами для подсоединения циркуляционных трубок. Вводрастворов осуществляют через нижние штуцеры, а вывод продуктов электролиза – черезверхние.Системы циркуляции анолита и католита служат для подачи и распределения по ячейкамраствора поваренной соли и умягченной воды и вывода продуктов электролиза. В мембранномэлектролизере под действием постоянного электрического тока образуется хлорная вода (ванодной камере), электролитическая щелочь и водород (в катодной камере). Электролитическиеячейки могут работать в периодическом или проточном режиме. В последнем случае анолит икатолит непрерывно циркулируют между электролизной ячейкой и внешними емкостямихранения раствора.

Эжектором осуществляется подача анолита в трубопровод хлорной воды.Электролитическая щелочь (NaOH) с концентрацией до 35%, образующаяся в процессеэлектролиза, из сепаратора католита самотеком отводится в емкость-накопитель щелочи.Водород от сепаратора католита отводится трубой в атмосферу за пределы здания.48Рисунок 1.9 – Разнесенная 3D-модель («взрыв-схема») хлоратора в составе КЭАТемпература в электролизере 60–90°С. Рабочий диапазон токов от 0,1 до 60А на ячейку,плотность тока на мембране до 1,6 кА/м2, напряжение от 2,5 до 4V. В зависимости отрасстояния между электродами (0,15–1,5 мм) изменяется напряжение на электролизной ячейке,которое должно находиться в интервале 2,5–4 В.

Размер электродов выбирается из расчетаобеспечения плотности тока в интервале 1000–1600 А/м2. Сила тока подбирается из условияобеспечения запланированного количества хлора в час (не менее 65 г/ч) и энергопотребления неболее 3,5 кВтч и 3 кг соли на 1 кг продукта с учетом планируемого выхода по току не менее85%.Основными достоинствами мембранного электролиза анолита являются: экологическаячистота, экономия энергозатрат и расходных материалов, высокая чистота получаемых хлора,щелочииводорода,удобствоэксплуатациииобслуживанияпроизводств,малыепроизводственные площади. Суммарные энергозатраты при мембранном электролизе анолитана 25–40% ниже, а удельный расход соли в 2,5–3 раза меньше, чем в бездиафрагменных(неразделенных)электролизерах,производящихгипохлоритнаместеприменения.Отличительной особенностью мембранного процесса от бездиафрагменного метода получениягипохлорита является возможность изменения токовой нагрузки на электролизѐрах безнарушения процесса.

Это позволяет с целью снижения себестоимости продукции регулироватьтоковую нагрузку на электролизеры в течение суток в зависимости от требуемойпроизводительности.Производствоанолита(хлора)сиспользованиемегонаместеобеспечиваетресурсосбережение и безопасность его применения по сравнению с получением хлора (в49емкостях) и гипохлорита, требующих транспортировки с соблюдением мер безопасности.Технология производства анолита (хлора) мембранным электролизом менее энергозатратна посравнению с производством гипохлорита на месте потребления.Раствор феррата получают электрохимическим растворением железного анода врастворе щелочи.