книги / Производство хлора, каустической соды и неорганических хлорпродуктов

рами с горизонтальным катодом. Электролизер типа Хонзберга состоял из набора металлических дисков, насаженных на вал и ча­ стично погруженных в ртутную ванну. При вращении вала диски смачивались ртутью и образовывали ртутный катод. Графитовые аноды были размещены в промежутках междзг дисками. О приме­ нении в промышленности других конструкций электролизеров с вертикальным ртутным катодом в литературе сообщений не было.

Электролизеры типа Р-101 (118, 125)

Электролизер Р-101 наиболее широко применяется в отечествен­ ной хлорной промышленности. Первоначально он был разработан на нагрузку 100 кА при плотности тока 5,35 кА/м2. Однако затем он был интенсифицирован, что обеспечивало возможность увеличе­ ния нагрузки за счет повышения плотности тока примерно до 8 кА/»Й •

Электролизер Р-101 — горизонтальный, рамного типа с голым незащищенным катодом, размером 13,18x1,42 м и площадью 18,7 м2, имеет верхний входной и нижний выходной карманы и горизонталь­ ный разлагатель амальгамы, расположенный рядом с электролизе­ ром. Циркуляция ртути осуществляется с помощью конусного ртутного насоса, размещенного в торце разлагателя. Электролизер устанавливается с уклоном 10 мм/м. Крышка электролизера сталь­ ная гуммированная. Подвод тока к анодам осуществляется частично через крышку, частично через специальные медные шины (чтобы, чрезмерно не утяжелять крышку, особенно при нагрузке 125— 150 кА). При работе крышка электролизера имеет анодный потен­ циал, что может усилить ее коррозионное разрушение при образова­ нии дефектов в защитной гуммировке.

Графитовые аноды , размером 340x175 x 90 мм расположены

вэлектролизере в четыре ряда. Подвод тока к плитам осуществляется через графитовые стержни и металлические шпильки, ввинчиваемые по оси стержней. Уплотнение токоподводящих графитовых стержней

вкрышке осуществляется с помощью сальников. Аноды снабжены индивидуальными приспособлениями для регулирования межэлек­

тродного расстояния по мере износа анодов в процессе работы. Схематически устройство электролизера Р-101 показано на рис. 3-20.

Верхний входной карман электролизера отделен от электролизера жидкостным затвором; подача рдссола з электролизер п р о и зводится

чепеэ входной карман для ртути. Благодаря этому входной карман хорошо промывается рассолом и всегда чист. Во входном кармане предусмотрено устройство для отделения ртути от воды, захватывае­ мой ртутью из насоса. Этим предотвращается попадание щелочной воды вместе с рассолом в электролизер, что могло бы привести к сни­ жению выхода по току и усиленному износу графитовых анодов.

Выходной карман расположен на 20—25 мм ниже уровня днища электролизера, поэтому амальгама свободно стекает в него из элек­ тролизера. Для лучшего отделения амальгамы от увлекаемого ею электролита помимо сифона для перетока ртути в разлагатель

171

в выходном кармане электролизера имеется ртутный затвор, в котором амальгама может дополнительно промываться водой. Устройство дополнительного ртутного затвора позволяет получать в разлагателе каустическую соду высокой степени чистоты с минимальным содер­ жанием хлор-иона. Хлор и обедненный анолит отводятся вместе через штуцер, расположенный в днище электролизера. Хлор отде­ ляется от анолита во внешнем сепараторе. Коробки верхнего и ниж­ него карманов закрыты крышками, полости карманов присоединены

Рис. 3-20. Поперечный разрез электролизера Р-101:

1 — токоподвод к аноду; г — сальник; з — крышка; 4 — рама; S — аноды; в — шунт; 7 — ртутный насос.

к линиям для отсоса газов с целью улучшения санитарных условий работы в цехе.

Разлагатель амальгамы электролизера Р-101 расположен рядом с электролизером. Корпус разлагателя— штампованный, выпол­ няется из одного листа с продольным сварным швом, расположен­ ным в верхней газовой зоне разлагателя. Разлагатель снабжен лю­ ками для загрузки и выгрузки насадки. К нижней части разлагателя присоединена коробка — приемная камера со свободным стоком в нее ртути из разлагателя, что способствует лучшему удалению загрязнений и амальгамного масла из зоны, заполненной насадкой. Из приемной камеры ртуть через ртутный затвор поступает к конус­ ному ртутному насосу и перекачивается в верхний входной карман электролизера. Вода, подаваемая на промывку ртутного насоса, переливается в приемную камеру разлагателя и далее поступает на разложение амальгамы. Для уменьшения загрузки ртути разлага­ тель располагают под уклоном 18—20 мм/м.

Тепло, выделяющееся при-разложении амальгамы, расходуется на нагрев реагирующих потоков и испарение воды. Только неболь­ шая его часть теряется через стенки разлагателя в окружающую среду. Тепловое равновесие устанавливается за счет испарения боль-

172

шего или меньшего количества воды и частично ртути. Распределе­ ние температуры в разлагателе по его длине определяется количе­ ством амальгамы, разлагающейся на единицу длины разлагателя и связанным с этим распределением по его длине концентрации ще­ лочи в растворе. Этим Определяется парциальное давление паров воды в водороде и устанавливающееся распределение температуры по длине разлагателя.

г

Температура водорода, выходящего из разлагателя электроли­ зера Р-101, зависит от нагрузки на электролизере, так при нагрузке около 100—125 кА она близка к 100 °С. При этой температуре с водо­ родом уносится значительное количество паров воды и ртути. Для стабилизации режима работы разлагателя и уменьшения уноса ртути с водородом над разлагателями электролизеров Р-101 установлены поверхностные кожухотрубчатые обратные холодильники для водо­ рода. Конденсирующиеся в холодильниках вода и ртуть Возвра­ щаются самотеком в разлагатель.

Разработан вариант электролизера Р-101 с эластичными резино­ выми крышками (рис. 3-21). По длине электролизера расположены четыре резиновые крышки, присоединяемые к раме электролизера с помощью накладок. В таком электролизере принято групповое регулирование межэлектродного расстояния. Каждая крышка имеет две .алюминиевые рамки для подвески анодов и подвода к ним тока: Рамки установлены на четырех опорах на раме электролизера таким образом, чтобы была возможность одновременного группового

173

регулирования всех анодов, закрепляемых на рамке. Помимо этого, положение каждого анода можно регулировать индивидуально. Такая система регулирования позволяет работать с минимальным напряжением на электролизере* Эластичная крышка электролизера позволяет устанавливать графитовые плиты размером 680Х175Х X90 мм с двумя токоподводящими стержнями на плиту.

Рассматривались варианты электролизера Р-101 с нижним распо­ ложением горизонтального разлагателя, а также с вертикальным скрубберным разлагателем, однако эти варианты не были исполь­ зованы, так как для вновь проектируемых заводов были разработаны усовершенствованные конструкции горизонтальных электролизеров на нагрузку 200 и 300 кА с вертикальным скрубберным разлагателем.

В электролизерах Р-101 графитовые аноды имеют специальную перфорацию, облегчающую выделение пузырьков хлора из зоны прохождения тока. Поэтому напряжение на этих электролизерах при работе в интенсифицированном режиме (при плотности тока в 8—10 А/м2) не превышает 4,5—4,7 В, При нормальном обслужива­ нии и регулировании межэлектродного расстояния электролизер -Р-101 на нагрузку 100 кА может работать при напряжении 4,3 В с выходом по току 96%, что соответствует расходу электроэнергии 8000 кВт*ч/т 100%-ного NaOH или 3385 кВт-ч/т хлора.

При работе с нагрузкой 100 кА и при концентрации щелочного металла в амальгаме 0,4—0,5% в электролизер загружают 1800 кг ртути; при концентрации щелочного металла к амальгаме 0,3% требуемая загрузка ртути возрастает до 2100 кг. При повышении нагрузки до 125 и 150 кА закладка ртути также несколько возрастает. Содержание водорода в хлоре зависит от качества рассола и попада­ ния амальгамных ядов в анолит. При нормальном составе рассола в хлоре содержится 0,3—0,6% Н 2.

Для оборудования сравнительно небольших цехов электролиза применяется аналогичный по конструкции, но меньший по мощности электролизер Р-30. Это горизонтальный рамный электролизер с го­ лым, незащищенным днищем, стальной крышкой и сальниковым уплотнением токоподводящих штырей в крышке. Электролизер имеет горизонтальный разлагатель, располагаемый обычно рядом

сэлектролизёром, и конусный ртутный насос. При нагрузке 30 кА

инормальном обслуживании электролизер работает с плотностью тока 5,3 кА/м2 при напряжении 4,3 В.

Электролизер допускает повышение нагрузки до 45 кА. При при­ менении анодов с интенсифицированной перфорацией плит напряже­

ние на электролизере при этой нагрузке может поддерживаться на уровне 4,4—4,5 В.

Электролизер Р-20 (118, 131)

Электролизер Р-20 также применяется в отечественной хлорной промышленности, но в значительно меньшем масштабе цо сравнению с электролизерами Р-101. Электролизер горизонтальный, рамного

174

типа, с голым незащищенным стальным дном и стальной гуммиро­ ванной крышкой. Уклон катода электролизера 10 мм/м. Общая пло­ щадь катода около 19,2 м2 при длине 17 и ширине 1,125 м. Ацоды расположены в три ряда по ширине крышки. Анодные стержни уплот­ няются с помощью сальников. Межэлектродное расстояние регули­ руется индивидуально стационарными устройствами.

Выходной карман электролизера имеет сложное устройство для обеспечения надежного отделения амальгамы, поступающей на раз­ ложение, от увлекаемых ею примесей электролита.

Рис. 3-22. Принципиальная схема устройства электро­ лизера Р-20:

I — входной карман электролизера; 2 — выходной карман; з — скрубберный разлагатель; 4 — центробежный ртутный насос и бу­

ферная емкость.

Электролизер снабжен вертикальным скрубберным разлагателем амальгамы с кусковой* графитовой насадкой, зажатой между двумя решетками. Предусмотрен постоянный поджим насадки, чтобы избе­ жать усиленного истирания насадки в процессе работы. Разлагатель диаметром около 0,5 м имеет общую высоту 4,2 м и высоту рабочего слоя насадки 2,5 м. Разлагатель обеспечивает полное разложение амальгамы, поэтому при работе практически не образуется легкое амальгамное масло, что облегчает обслуживание электролизера.

После разлагателя ртуть собирается в буферной емкости и с по­ мощью погружного центробежного насоса перекачивается в верхний карман электролизера. Высота подъема ртути составляет около 5 м.

Принципиальная схема устройства электролизера Р-20 Приведена на рис. 3-22. Электролизер первоначально был рассчитан на на­ грузку 100 кА, при которой плотность тока должна составлять около 5,0 кА/м2. При правильной эксплуатации электролизер может рабо­ тать со средним напряжением 4,3—4,4 В. Загрузка ртути составляет 2,6 т. При этом концентрация щелочного металла в амальгаме не превышает 0,4 вес. %.

Впоследствии, без существенных изменений конструкции элек­ тролизера и разлагателя, работа их была интенсифицирована и на­ грузка на электролизере увеличилась до 150 кА. Электролизер Р-20 был также испытан при нагрузке 200 кА. Показатели работы

175

электролизера Р-20 при различной нагрузке, полученные при испы­ тании в промышленных условиях, приведены ниже:

Для строительства новых хлорных цехов в нашей стране разра­ батываются более мощные конструкции электролизеров с ртутным катодом как с графитовыми, так и с малоизнашивающимися анодами. Электролизеры рассчитаны на нагрузки 200—300 и 500 кА. Это электролизеры рамного типа с голым незащищенным стальным дном с уклоном около 10 мм/м, со стальной гуммированной крышкой и груп­ повым регулированием положения анодов.

В электролизере с графитовыми анодами на нагрузку 200— 300 кА принята плотность тока около.8 кА/м2, в электролизерах на нагрузку 500 к А — около 10 кА/м2. За счет специальной формы перфораций анодов, напряжение и соответственно расход электро­ энергии невелики. Применение высокой плотности тока и значитель­ ных уклонов катода электролизера позволяют уменьшить загрузку ртути в электролизере. В электролизерах с малоизнашивающимися анодами принимается более высокая плотность тока.

Для разложения амальгамы применяются вертикальные скруб­ берные разлагатели с графитовой кусковой насадкой, расположенной между двумя решетками. Перекачивание ртути из разлагателя в верхнюю часть электролизера осуществляется центробежным ртутным насосом.

Ниже указаны основные конструктивные и технологические пока­ затели новых мощных отечественных электролизеров с графитовыми анодами:

Электролизеры фирмы „Кребоа"

На рис. 3-23 и 3-24 показан электролизер фирмы «Кребс» на на­ грузку 100 кА, установленный на одном из отечественных заводов.

Корпус электролизера корытного типа, штампованный из сравни­ тельно тонкой (7 мм) стали, целиком гуммирован изнутри. Подвод тока к ртутному катоду осуществляется с помощью 107 тарелочных

176

стальных контактов, расположенных в три ряда по длине электроли­ зера. Контакты утоплены на 2—3 мм ниже уровня гуммировки днища, корпус электролизера установлен с уклоном 6—7 мм/м. Корпус электролизера имеет малую жесткость, поэтому равномер­ ность уклона днища и горизонтальность его установки в поперечном направлении достигается с помощью большого числа регулируемых опор.

Крышка электролизера стальная (толщина б мм) гуммированная, для подвода тока к анодам не используется. Графитовые аноды раз­ мером 700 x 230 x 80 мм закрепляются на графитовых стержнях, уплотняемых в крышке резиновыми кольцами — пробками. Регу­ лирование межэлектродного расстояния — индивидуальное с по­ мощью переносного устройства. Токоподводящие стержни, пропи­ таны рафинированным горным воском, что обеспечивает хорощее скольжение стержней в резиновой пробке при регулировании поло­ жения анодов.

Отвод хлора и обедненного анолита осуществляется через днище электролизера по двум штуцерам. При этом входной карман закрыт, по всей ширине выходного кармана имеется ртутный затвор, однако он недостаточен для полного отделения амальгамы от увлекаемого «ею анолита.

Горизонтальней разлагатель расположен под электролизером в нижнем этаже с уклоном 15 мм/м. Насадка из перфорированных

плуатации позволяет получать хлор, содержащий 0,2—0,4% водорода.

Электролизеры фирмы «Кребс» выпускают в настоящее время [40, 120] для работы при более высоких плотностях тока — до 8—10 кА/м2 и для более высоких нагрузок — 150—200 кА.

Выпускают также электролизеры, на токовую нагрузку 200 кА с незащищенным стальным днищем для работы с графитовыми ано­ дами при плотности тока около 8 кА/м2.

Электролизеры фирмы „Сольве*' (124, 132)

Старые конструкции электролизеров фирмы «Сольве» были ши­ роко распространены и подробно описаны. При разработке новых конструкций были предложены интересные и оригинальные техни­ ческие решения.

Электролизер Сольве горизонтального типа с голым стальным дном и горизонтальным разлагателем, расположенным под электро­ лизером, как это показано на рис. 3-25.

Конструкция электролизера рассчитана на замену графитовых анодов и насадки разлагателя во время работы электролизера без его выключения, поэтому исключена необходимость устройства дорогостоящих шунтирующих приспособлений.

478

Электролизер закрыт крышками небольшого размера, которые уплотняются с помощью надувного резинового шланга. Крышки могут передвигаться вдоль электролизера. Крышки с отработанными электродами могут быть удалены и заменены новыми без отключения электролизера.

зера; Ю — анодный токоподвод; 11 — медная шайба; 12 — графитовая втулка.

Направляющие движения крышки установлены с уклоном с тем, чтобы последний компенсировал износ анодов в процессе работы электролизера. При передвижении элементов крышки вдоль электро­ лизера одновременно регулируется межэлектродное расстояние. В новейших моделях электролизера предусмотрена также возмож­ ность индивидуального регулирования положения каждого анода при сохранении указанного ранее принципа.

Пакеты графитовой насадки разлагателя также могут передви­ гаться по длине разлагателя, замена насадки возможна во время работы электролизера.

Электролизеры могут располагаться впритык друг к другу без проходов в здании из нескольких этажей.

Подвод тока к графитовому стержню и уплотнение осуществляется ■с помощью графитовой муфты (рис. 3-26).

Электролизер V-200 на нагрузку 160—190 кА имеет катод" дли­ ной 23,26 м и шириной 1,29 м, загрузка ртути 3,3 т. При нагрузке 190 кА плотность тока равна 6,33 кА/м2 и среднее напряжение 4,56 В.

Электролизеры фирмы «Де Нера»

Электролизеры фирмы «Де Нора» горизонтальные с эластичной резиновой крышкой или крышкой из полимерных материалов и вер­ тикальным скрубберным разлагателем. Длительное время стенки

и днища электролизеров выпускали с> футеровкой изнутри сиени­ том. Подвод тока к ртутному катоду осуществлялся через стальные полосы, уложенные вдоль электролизера несколько ниже отметки футеровки днища. Схема устройства такого электролизера дана на ^)ис. 3-27.

Рис. 3-27. Поперечный разрез электролизера Де Нора:

1 — рама подвески анодов; г — гибкая шина; 3 — резиновая крышка; 4 — ре­ гулировочный винт; s — анод; 6 — корпус электролизера; 7 — шунт.

В последнее время эти электролизеры выпускают с незащищен­ ным стальным днищем [40, 53, 54, 124, 125]. Применение эластичной резиновой крышки облегчает групповое регулирование анодов.

За последние 15—20 лет значительно выросла мощность электро­ лизеров этой конструкции. С 1956 по 1970 г. их геометрические раз­ меры мало изменились, площадь катода для наиболее мощного электролизера возросла с 30,5 до 34,2 м2. Плотность тока повышена от 3,93 до 8,77 кА/м2, что соответствует увеличению максимальной нагрузки от 120 до 300 кА. При применении металлических анодов плотность тока увеличивается до 13,2 кА/м2, а максимальная на­ грузка — до 450 кА [121].

При плотности тока 8 кА/м2 удельная загрузка ртути в электро­ лизер составляет 10,5 кг/кА. За счет использования новых метал­ лических анодов предполагается в дальнейшем повысить плотность тока и уменьшить необходимую загрузку ртути [53—54].

Разработана также конструкция электролизера Де Нора с вер­ тикальным ртутным катодом на нагрузку 40 кА с катодом в виде проволочной сетки, орошаемой слабой амальгамой, и тканевой диа­ фрагмой. Однако в литературе не было сообщений, что эта кон­ струкция получила применение в промышленности.

180