книги / Производство хлора, каустической соды и неорганических хлорпродуктов

лишь около 300 мм. Затем она возросла до 450 и позднее до 600 мм. При этом выход по току не снизился, а несколько возрос. Увеличе­ нию выхода по току от 94 до 97% способствовало повышение элек­ тродной плотности тока и рабочей температуры электролиза. При­ менение в электролизерах Хукер в качестве анодов графитовых плит толщиной 32 мм ограничивает оптимальную высоту электродов в связи с большими потерями напряжения на преодоление омиче­ ского сопротивления графитового анода.

На рис. 3-10 схематично показан электролизер типа Хукер. По форме он приближается к кубу со стороной около 1 ,5 м. Электро­ лизер состоит из трех основных частей: анодного комплекта, катод­ ного блока и крышки. В бетонное днище электролизера, имеющее форму прямоугольного корыта, устанавливают параллельно в 30 ря­ дов графитовые плиты анодов толщиной 32 мм, шириной 150 мм и высотой 450 мм по 3 анода в ряду. Расстояние между плитами при новых анодах 44 мм. Нижние концы графитовых анодов и медную шину для подвода тока к анодам заливают слоем свинца толщиной 35—40 мм, обеспечивающим контакт между шиной и анодами.

Поверхность свинца защищена от воздействия анолита слоем эластичной хлоростойкой массы, составляемой на основе природных битумов. По периметру бетонного днища имеются бортики для установления катода. Катодный блок состоит из стального корпуса и связанного с ним металлического каркаса, на котором располо­ жены два параллельных ряда'пальцеобразных катодов из стальной или медной сетки, покрытых осажденной асбестовой диафрагмой. Один ряд катодных пальцев сдвинут относительно другого на поло­ вину шага. При установке катодного блока на днище электролизера пальцеобразные элементы катодов попадают в промежутки между графитовыми анодами. Ток к катодному блоку подводится с помощью шины, приваренной или прикрепленной к корпусу катода. Расстоя­

для отвода хлора, подвода рассола и установления указателя уровня рассола.

Уплотнение между анодным и катодным блоками и между катод­ ным блоком и крышкой электролизера осуществляется с помощью эластичных прокладок из хлоростойких материалов и замазби. Уплотнение достигается под действием силы тяжести крышки и ка­ тодного блока. Такая система уплотнения для обеспечения герметич­ ности выдвигает высокие требования к эластичным прокладкам и подготовке поверхности деталей под уплотнение.

Электролизер работает с заполненным катодным пространством. Щелочь из электролизера отводится по сифонной трубе, поворотом которой можно регулировать высоту католита в ванне. Водород выводится по трубе из верхней части катодного блока. Соблюдение постоянной подачи рассола и нагрузки по току обеспечивает получе­ ние электролитических щелоков, содержащих до 130г—140 г/л ще­ лочи при выходе по току 94—96%.

141

Таблица 3-5. Примерные технологические показатели электролизеров типа Хукер [18, 30]

, * Примерный состав хлоргаза [18]: 97,5% С1*; 0,2-0,4% Н*; 1,0 СО*; 0,5% О*.

Рис. 3-11. Электролизер Хукер S-3A СО снятой крышкой, установленный в серин.

142

Таблица 3-6. Характеристика новых мощных электролизеров типа Хукер

* Высота электродных элементов в электролизере Хукер Б-4Д увеличена.

В зависимости от плотности тока, при которой работает электро­ лизер, за период работы графитовых анодов диафрагму меняют от 2 до 4 раз. Наиболее часто производят трехкратную замену диафрагмы. Срок работы первой диафрагмы несколько короче за счет загрязне­ ния диафрагмы продуктами хлорирования материалов, применяемых для пропитки анодов.

Показатели работы электролизеров зависят от условий их экс­ плуатации: концентрации и чистоты рассола, плотности тока, тем­ пературы подогрева питающего рассола, своевременной замены диа­ фрагмы по мере снижения ее протекаемости. Примерные показатели работы электролизеров Хукер S, S-3A, S-3B и S-3C при питании их рассолом (около 318 г/л NaCl), подогретым до 65—70 °С, приведены в табл. 3-5.

Характеристика электролизеров типа Хукер новейших кон­ струкций приведена в табл. 3-6 [39—411.

На рис. 3-11 показан электролизер Хукер S-3A, установленный в серии, со снятой крышкой.

По мере старения диафрагмы и увеличения ее сопротивления протеканию рассола уровень анолита в электролизере автомати­ чески повышается от 125 до 400—430 мм над верхним краем катода

143

(насколько это позволяет высота крышки). При дальнейшем увели­ чении уровня анолита нужно менять диафрагму.

Зависимость напряжения на электролизере Хукер S-3A от плот­ ности тока приведена на рис. 3-12. Там же даны значения отдельных составляющих общего напряжения на электролизере при различной плотности тока.

зера Хукер, позволяющая рассчитывать на ЭВМ напряжение на элек­ тролизере, материальный и тепловой баланс в зависимости от срока службы, износа электродов, газонаполнения и других факторов [42].

Выход по току на электролизерах типа Хукер возрастает с повы­ шением плотности тока и, при соотношении хлорида к гидроокиси

144

в электролитических щелоках, равном 1,4, значения выхода по току при различных плотностях тока приведены на рис. 3-14.

В литературе описано большое количество разнообразных ва­ риантов как конструкций электролизера типа Хукер в целом, так и отдельных его деталей. Например, были запатентованы электро­ лизеры большой длины с установкой катодных пальцев в один ряд, электролизеры со стальными гуммированными крышками, различные варианты днищ электролизера, уплотнений между днищем и катод­ ным корпусом, типы катодных пальцев с установленными внутри пружинами, предотвращающими сжатие катодных пальцев в ва­ кууме в процессе осаждения диафрагмы и др. Запатентован также электролизер, аналогичный конструкции Хукер, но с верхним под­ водом тока к анодам. Однако все эти варианты не нашли практи­ ческого применения.

Электролизеры типа Даймонд

Электролизеры типа Даймонд [30] применяются за рубежом наряду с электролизерами Хукер.

Вначале в электролизерах этого типа применялась листовая

чена мощность электролизера и использована осажденная диа­ фрагма [44, 45]. Последний вариант конструкции электролизера типа Даймонд [46], получивший применение в хлорной промышлен­ ности, имеет много общего с описанными ранее конструкциями электролизеров с осажденной диафрагмой. Электролизеры типа Даймонд выпускаются двух моделей на номинальную нагрузку 20 и 30 кА. Электролизеры имеют прямоугольную форму и размеры 1,524x1,092x1,219 м при нагрузке 20 кА и 2,134x1,092x1,737 м при нагрузке 30 кА. Электролизер состоит из трех основных частей: анодного блока, катода и бетонной крышки.

Анодный блок имеет форму неглубокой чугунной чаши. Аноды из графитовых пластин высотой около 750 мм устанавливаются

ванодной чаше в вертикальном положении рядами. Подвод тока

канодам осуществляется с помощью медных шин, вставляемых в виде решетки в нижнюю часть анодной чаши между головками графито­ вых анодов и имеющих выводы для присоединения к шинам от катода соседнего электролизера. Нижняя часть графитовых анодов *—их головки и токоподводящие медные шины — заливаются расплавлен­ ным свинцом, что обеспечивает электрический контакт к анодам.

Катодный комплект, аналогично электролизеру Хукер, пред­ ставляет собой прямоугольный стальной сварной корпус. Внутри корпуса расположены катодные пальцы из металлической сетки, на ее поверхности осаждается асбестовая диафрагма. Катодный корпус снабжен штуцерами для отвода водорода и электролитиче­ ской щелочи.

При установке катода на анодный блок катодные пальцы распо­ лагаются между графитовыми анодами. Внутренний объем катодных элементов образует катодное пространство электролизера, наруж­ ный — анодное. На катодном корпусе установлена крышка из бе­ тона с отверстиями для отвода хлора и подачи рассола в электро­ лизер.

В одном из патентов фирмы «Даймонд» [46] описан электролизер, катодные пальцы которого Изготовлены из стальной сетки или, сталь­ ного перфорированное листа, расположены в один ряд и проходят от одной внутренней катодной сетки электролизера к другой у про­

отверстия в крышке, причем трубка, через которую подводится рас­ сол, опускается почти до дна электролизера, тогда свежий рассол поступает в нижнюю часть электролизера. ;

Поверхность катода покрывается диафрагмой, а прилегающие к ней внутренние поверхности корпуса электролизера, соприкаса­ ющиеся с анолитом, защищены от коррозии материалом (например, бетоном), стойким к действию хлора и анолита.

Схема устройства электролизера Даймонд Д-3 на нагрузку 30 кА приведена на рис. 3-15. Масса такого электролизера без жидкости составляет около 5 т, а в рабочем состоянии с электролитом — около 7 т. Электролизеры этого типа обладают достоинствами, характер­ ными для электролизеров с нижним подводом тока к анодам и оса­ жденной диафрагмой. Электролизеры приспособлены для работы с заполненным катодным пространством при постоянных нагрузке и питании рассолом. Детали конструкции электролизера Даймонд до настоящего времени мало освещены в литературе.

446

Таблица 3-7. Технологические показатели, электролизеров типа Даймонд [30]

Технологические показатели электролизеров типа Даймонд при­ ведены в табл. 3-7.

Электролизеры Даймонд работают при высокой плотности тока и отличаются сравнительно высоким удельным расходом электро­ энергии. Эти электролизеры на номинальную нагрузку 30 кА успешно

Рис. 3-16. Серия электролизеров Даймонд на нагрузку 30 кА.

работали при нагрузке 34 кА. Возможно также повышение нагрузки на электролизер до 36 кА без значительного снижения выхода по току по сравнению с выходом при нормальной нагрузке, равным 96,5% .

При нагрузке на электролизер 33 кА производительностью 1 т/сут хлора требуется (включая помещение для ремонта электролизеров) 11,26 м2 производственной площади по сравнению с 17,4 м2, необхо­ димыми для оборудования цеха электролизерами при нагрузке 20 кА.

На рис. 3-16 показана серия электролизеров типа Даймонд на нагрузку 30 кА.

Электролизеры с биполярным включением электродов

Биполярное включение электродов открывает большие возмож­ ности при конструировании мощных электролизеров. Было пред­ принято много попыток создать конструкцию такого электролизера, однако трудности обеспечения надежной защиты от коррозии устройств для электрического соединения между графитовой анод­ ной стороной биполярного электрода и катодной его стороной за­ держивали создание пригодных для промышленного использования конструкций.

Несмотря, на многочисленные попытки создать конструкции би­ полярных электролизеров для получения хлора и каустической соды по методу электролиза с твердым катодом и диафрагмой [47—481 до промышленного использования доведены лишь немногие.

Необходимо учитывать, что по условиям работы с проточной диафрагмой катодное пространство электролитической ячейки необ­ ходимо располагать с обратной стороны катода. Это усложняет кон­ струкцию по сравнению с электролизерами для разложения соляной кислоты или воды, где катодное пространство заключено между диафрагмой и катодом.

Электролизер типа Дау является единственной конструкцией биполярного аппарата, о промышленном использовании которой имеются данные. Этот электролизер состоит из большого количества ячеек, стянутых болтами аналогично секциям фильтр-пресса. Все электроды, кроме двух крайних, работают биполярно. Ток подво­ дится к первому электроду и отводится от последнего. Аноды из графитовых плит, графитовые стержни, подводящие к аноду ток, и катодная сетка вместе с устройством для электрического контакта катодной сетки с графитовыми стержнями, составляют сложный биполярно работающий электрод. В современных конструкциях электролизера Дау катод и анод со стороны, обращенной друг к другу, имеют перемежающиеся выступы прямоугольной формы и одинако­ вой высоты, расположенные таким образом, что выступы одного электрода входят во впадины другого. Это позволяет увеличить работающую электродную поверхность и нагрузку на электро­ лизер.

Гребенчатый катод состоит из ряда катодных пальцев, изгото­ вленных из перфорированного листа или проволочной сетки с листо­ вой или осажденной асбестовой диафрагмой. Электрический контакт между катодной и анодной сторонами биполярного электрода осу­ ществляется с помощью графитового стержня и медных токопод­

148

водов, конструкция которых допускает небольшие перекосы при сборке ячеек.

Коллекторы для хлора и водорода проходят вдоль электролизера, их составляют из элементов бетонных рам при сборке электроли­ зера. Стыки между отдельными ячейками заливаются уплотняющим составом.

Электролизер сложен в изготовлении, сборке, перемонтаже и ре­ монте. Из-за трудности уплотнения электролизера его герметич­ ность достигается не всегда. Значительные недостатки этой кон­ струкции обусловили ее неконкурентоспособность по сравнению

6

Рис. 3-17. Типы устройств биполярного электродного элемента:

1 — разделительная плита из токопроводящего материала; 2 — стальная полоса, образу­ ющая раму биполярного электрода; 3 — катодная сетка; 4 — катодные кольца; 5 — стержни, крепящие катодные пальцы к разделительной плите; б — графитовые аноды; 7 — медные желоба; 8. — графитовые плиты; Р — медная токораспределительная шина; Ю — хлоро­ стойкая масса; 11 — защитное покрытие.

с современными конструкциями электролизеров с осажденной диа­ фрагмой типа Б ГК или Хукер.

В электролизере4фильтр-црессного типа Хантер-Отис-Блю [181 к опорной электродной плите с анодной стороны прикрепляются графитовые аноды, с катодной — с помощью медных контактов — катоды, изготовленные из стальной сетки в виде катодных пальцев. При сборке отдельных рам в фильтр-пресс катодные пальцы поме­ щаются в зазорах между анодами. Подача рассола и отвод продуктов

50 ячеек, а серия из четырех электролизеров — 200 ячеек. Сообще­ ний о промышленном использовании такой конструкции в литера­ туре нет.

В последнее время проводились работы по усовершенствованию конструкции биполярных электролизеров с целью увеличения их мощности и улучшения конструкции [491. Имеются сообщения [501 о конструкции электролизера, в котором биполярные электродные элементы, составляющие ряд последовательно включенных ячеек, размещаются в общем бетонном корпусе электролизера.

Варианты устройства биполярного электродного элемента пока­ заны на рис. 3-17.

149

Биполярный электрод монтируется на разделительной плите, изготовленной' из стали или другого токопроводящего материала. По периметру плиты приварена полоса, образующая раму биполяр­ ного электрода, вставляемую в вертикальные пазы стенки корпуса при сборке электролизера. К краям рамы прикреплена катодная сетка, в свою очередь к сетке присоединены катодные плоские пальцы,

На поверхность катодных пальцев и катодной сетки насасывается диафрагма из взвеси асбестового волокна в соляно-щелочном рас­ творе. Анодная сторона разделительной плиты, анодные контакты и поверхность рамы защищены хлоростойкой массой и слоем защит­ ного покрытия, например гуммировкой.

Внутренние полости катодных пальцев биполярного электрод­ ного элемента соединены с пространством между разделительной плитой и катодной сеткой и составляют катодное пространство ячейки.

Водород и электролитическая щелочь выводятся через отверстия в раме биполярного электрода.

Концевые монополярцые электроды имеют аналогичное устрой­ ство. Концевой монополярный анод выполняется так же, как и анод­ ная сторона биполярного электродного элемента; концевой монололярный катод аналогичен катодной стороне биполярного электрода.

150