EE202100019A - Elektrolüüser katolüüdi tootmiseks - Google Patents

Abstract

Elektrolüüser katolüüdi tootmiseks sisaldab sisemist õõnsat silindrilist anoodi, välist silindrilist katoodi, diafragmat, mis on paigutatud anoodi ja katoodi vahele, kusjuures anoodi töötava osa pikkus on suurem anoodi välisest diameetrist mitte rohkem kui 2-6 korda. Sisemine õõnes anood on valmistatud ühe või kahe sektsiooniga ja sisemise õõnsa anoodi sektsioonid on ühendatud omavahel läbivoolu dielektrilise silindrilise muhviga, mille diameeter ei ole suurem anoodi välisest diameetrist. Sisemisel õõnsal anoodil on avaused vee sisenemiseks anoodi sisemisse õõnsusesse ja avaused vee väljumiseks, mis on paigutatud anoodi kaane diameetrite vastandotstele. Elektrolüüser katolüüdi tootmiseks töötab horisontaalses asendis seetõttu, et anoodi kaanest vee väljumise avaus on paigutatud anoodi kaane diameetri sellesse otsa, mis on elektrolüüseri kaane elektrolüüdi väljumise avause lähedal ja elektrolüüdi väljumise avaused on suunatud vertikaalselt ülespoole.

Description

 Tehnikavaldkond

Leiutis kuulub keemilise tehnoloogia valdkonda, täpsemalt käsitleb leiutis seadmeid elektrolüütide lahuste töötlemiseks ja on ette nähtud peamiselt katolüüdi tootmiseks, mida kasutatakse pesemisainena, ekstraheeriva ainena, bioloogiliselt aktiivse ainena.

Tehnika tase

Käesoleval ajal katolüüdi kasutamine suureneb, eriti tehnoloogiliste seadmete pesemiseks toiduainetetööstuses, kuid olemasolevad elektrolüüserid on ette nähtud anolüüdi tootmiseks, katolüüt on nende jaoks kõrvalprodukt, selle tootmise maht ühe elektrolüüseriga on väike ja selle elektrolüüseriga toodetud katolüüdi osa üldises katolüüdi ja anolüüdi mahus on väike, näiteks NaOH kontsentratsiooni 6000 ppm puhul katolüüdis on analoogides katolüüdi osa väiksem kui 20%.

Tuntud on seade vee desinfitseerimiseks ja puhastamiseks RU2040477C1, milles vee töötlemine toimub järjestikku, alguses anoodkambris, seejärel katoodkambris, mille tulemusena väljub seadmest 100% aine, millel on katolüüdi tunnused. Selle elektrolüüseri puudus on see, et katolüüdil ei ole pH ja ORP osas kõrgeid tulemusi seetõttu, et katoodkambris ei töödelda neutraalset elektrolüüti, vaid happelist anolüüti, mille pH on 2,5-3 ja ORP on kuni +1100, ja tulemuseks on katolüüdil pH ainult -7,5 ja ORP +100 mV, kusjuures tehnoloogilisest seisukohast vajalikud suurused on pH suurem kui 11 ja ORP väiksem kui -800mV.

Tuntud on seade vesilahuste eletroaktiveerimiseks RU2297980C1, selle seadme puuduseks on, et katolüüdi osa üldises katolüüdi ja anolüüdi mahus on madal ja moodustab 42-48,5%.

Tuntud seadmetes desinfitseerivate lahuste saamiseks (RU2208589C2, US2014/029116A1) on katolüüdi osa veelgi väiksem, 5% kuni 11 %, ja see on mainitud elektrolüüserite puhul normaalne, sest katolüüt on nendes analoogides kõrvalprodukt.

Tuntud on seade katolüüdi saamiseks JP2013028822A, kus tulemuse saamiseks eemaldatakse elektrolüüdist gaasimullid. Selle lahenduse puudus on see, et katolüüdi

osa on väike ja moodustab ligikaudu 50% katolüüdi ja anolüüdi mahtude summast.

Tuntud on seade kõrge NaOH sisaldusega katolüüdi saamiseks - CN104176793A, mis kasutab elektrolüüdi tsirkulatsiooni anoodkambris, kus välise pumba abil jahutatakse ringlevat anolüüti kogumispaagis. Selle seadme puuduseks on seadme keerukus, sest vaja on valmistada paagiga väline jahutussüsteem.

Lähimaks analoogiks on võetud elektrolüüser RU2350692C1, millel on ühised olulised tunnused esitatud elektrolüüseriga, niisiis on selle sisemine elektrood anoodiks, mis on valmistatud torukujulisest toorikust ja millel on sisemine õõnsus, mis on kaantega kahelt poolt suletud, kusjuures kaantel on avaused vee sisenemiseks ja väljumiseks. RU2350692C1 elektrolüüseri puudus on selle madal tootlikkus -katolüüdi ja anolüüdi summaarne maht on ligikaudu 40 liitrit tunnis, NaOH kogusega katolüüdis ligikaudu 10 grammi tunnis, sest selle elektrolüüseri tootlikkus on piiratud etteantud suhtega anoodkambri töötava osa pikkuse ja anoodi diameetri vahel, kusjuures anoodkambri töötava osa pikkus peab olema anoodi diameetrist suurem 15-25 korda. Kuna katolüüdi tootmiseks NaOH-ga, isegi väikeses koguses 80 grammi tunnis, on vaja elekrivoolu ligikaudu 100 amprit, mis nõuab anoodi tööpinna pindala vähemalt 4 ruutdetsimeetrit, st anoodi diameetri 22-24 mm puhul peab etteantud suhte täitmiseks selle pikkus olema 580 kuni 530 mm, vastava keraamilise diafragma diameeter peab olema ligikaudu 30 mm ja pikkus ligikaudu 60 mm, mida käesoleval ajal on keeruline täita. Teine selle elektrolüüseri puudus on aeglane anoodkambri täitumine elektrolüüdi filtraadiga läbi diafragma seina, sest katoodkambris on kõrgendatud rõhk. Peale selle ei näe selle elektrolüüseri konstruktsioon ette kasutamist horisontaalses asendis, sest sisemise elektroodi kaante sisenemise ja väljumise avaused on paigutatud tsentrisse, mis elektrolüüseri horisontaalse asendi puhul tekitab gaasimulle sisemise elektroodi õõnsuses ja seega halvendab sisemise elektroodi jahutamist.

Leiutise olemus

Ülesanded, mille lahendamisele on esitatud leiutis suunatud, seisnevad elektrolüüseri tootlikkuse tõstmises katolüüdi suhtes, ümberarvestatult NaOH-ks kuni 1200 grammi tunnis, seejuures katolüüdi osa üldises katolüüdi ja anolüüdi mahus peab moodustama rohkem kui 92,0% NaOH kontsentratsiooni puhul katolüüdis kuni 1000 ppm ja

rohkem kui 70,0% NaOH kontsentratsiooni puhul kuni 6000 ppm, ja võimaluse loomises kasutada elektrolüüserit horisontaalses asendis. Ülesannete lahendamisel võeti arvesse piirangud, mis mõjutavad nende täitmist - need on diafragmade tootmise masinate tehnilised võimalused ja ahjude gabariidid aktiivse kattekihi moodustamiseks anoodil. Tehnilise kättesaadavuse ja majandusliku otstarbekuse tõttu kasutasid autorid praktikas anoode või nende sektsioone pikkusega kuni 580 mm, diameetriga kuni 219 mm ja diafragmat või selle osasid pikkusega kuni 1000 mm, diameetriga kuni 235 mm.

Püsitatud ülesanne lahendatakse tänu sellele, et esitatud elektrolüüseris on ette nähtud erinevused: kambri töötava osa pikkus, st anoodkambri töötava osa pikkus on anoodi välisest diameetrist 2-6 korda suurem; anood on seest õõnes; peate selle on anoodi konstruktsioonis ette nähtud võimalus pikendada anoodi, kui selle monteerimisel kasutada kahte sektsiooni, ühendades neid muhvi abil, kus muhvi väline diameeter on väiksem anoodi välisest diameetrist; elektrolüüseri kaanel on avaus anoodkambrisse sisenemiseks, et täita anoodkamber elektrolüüdiga väljastpoolt; sisemise elektroodi sisenemise ja väljumise avaused teineteise vastas asuvates sisemise elektroodi kaantes on paigutatud kaante diameetrite vastandotstesse.

Esitatud elektrolüüseri oluliste tunnuste kogumi ja saavutatud tehnilise tulemuse vahel on põhjuse ja tagajärje seos, nimelt:

- Selleks, et saavutada elektrolüüseri tootlikkust üle 1200 grammi NaOH tunnis katolüüdis elektrolüüdist NaCl lahuse näol, vähendatakse anoodkambri töötava osa pikkuse ja anoodi diameetri vahelist suhet, aga samuti pikendatakse anoodi muhvi abil, mis ühendab anoodi sektsioone. Selleks, et sünteesida 1200 grammi NaOH tunnis, on küllaldane kasutada elektrivoolu tugevusega 1550 amprit, milleks peab anoodi tööpind, selle aktiivse katte tööle vastupidavuse seisukohast, olema 62 ruutdetsimeetrit, aga anoodi (ja anoodkambri) töötava osa pikkus selle diameetri 219 mm puhul peab praktikas olema 902 mm, st et anoodkambri töötava osa pikkus on anoodi diameetrist 4,1 korda suurem, kusjuures konstruktiivselt on üldine anoodi pikkus koos klemmidega 1150 mm, mis saadakse kahe anoodi sektsiooni, igaüks pikkusega 575 mm, ühendamisel muhvi abil.

- Selleks, et suurendada katolüüdi osa üldises katolüüdi ja anolüüdi mahus,

vähendatakse toodetava anolüüdi mahtu sellise koguseni, mis on veel võimeline lahustama kõiki aktiivse kloori ioone, et vältida gaasilise kloori tekkimist anoodkambris, kusjuures anolüüdi ja katolüüdi kuumenemine ei ületaks 30 kraadi. Elektrivool tugevusega 1550 amprit sünteesib NaCl sisaldavast elektrolüüdist aktiivset kloori ligikaudu 1550 grammi tunnis ja selle lahustamiseks on küllaldane 50 liitrit vett tunnis, kuid kindluse mõttes viiakse anoodkambrisse läbi elektrolüüseri kaane avause 80 liitrit vett tunnis. NaOH tootlikkusega 1200 grammi tunnis katolüüdi kontsentratsiooniga 1000 ppm on katolüüdi maht 1200 liitrit tunnis ja 6000 ppm katolüüdi kontsentratsiooni korral on katolüüdi maht 200 liitrit tunnis. Katolüüdi suhe üldisesse katolüüdi ja anolüüdi mahtu esimesel juhul moodustab 93,75%, teisel juhul 71,4%.Katolüüdi ja anolüüdi kuumenemine esimesel juhul on ligikaudu 4,4 kraadi, teisel juhul ligikaudu 28,3 kraadi.

- Elektrolüüseri töökorras olek horisontaalses asendis, ilma et katolüüdi ja anolüüdi kuumenemine suureneks, on kindlustatud elektrolüüseri anoodi kaanest vee väljumise avause paigutamisega anoodi kaane diameetri sellesse otsa, mis on lähemal elektrolüüseri kaanel asuva elektrolüüdi väljumise avausele ja elektrolüüdi väljumise avaus on suunatud vertikaalselt üles, mis võimaldab täita anoodi sisemist õõnsust täielikult veega, gaasimullideta, ja efektiivselt jahutada elektrolüüti anoodkambris.

Leiutis võimaldab toota katolüüti tööstuslikes kogustes kõrgete tehniliste omadustega NaOH, pH, ORP kontsentratsioone, vähendades tunduvalt vee kasutamist kaasneva anolüüdi valmistamiseks, samal ajal, olenevalt tehnilistest tingimustest, paigutada seadmes elektrolüüserid nii vertikaalselt kui ka horisontaalselt.

Jooniste loetelu

Esitatud seadme tehnilist olemust ja tööpõhimõtet selgitatakse joonistega, kus:

joonisel fig 1 on ühe sektsiooniga anood, mis on suletud ühest otsast kaanega, millel on avaus vee sisenemiseks anoodi sisemisse õõnsusesse, aga teisest otsast on suletud kaanega, millel on avaus vee väljumiseks anoodi sisemisest õõnsusest;

joonisel fig 2 on kahe sektsiooniga anood, milles igal anoodi sektsioonil on ühes otsas kaas avausega kaane diameetri otstes, sektsiooni teises otsas on keere muhviga

ühendamiseks ja kooniline tasapind sektsiooni ja muhvi ühenduse hüdrauliliseks tihendamiseks, seejuures anoodi kaks sektsiooni on ühendatud selliselt, et avaus sisenemiseks anoodi sisemisse õõnsusesse ja avaus sellest väljumiseks asuvad diameetrite vastandotstel;

joonisel fig 3 on kujutatud elektrolüüserit horisontaalses asendis.

Leiutise teostamise näide

Esitatud leiutise teostamise võimalus on toodud näidetena tulemuste tabelis erinevat tüüpi elektrolüüserite jaoks katolüüdi tootmiseks, mis on valmistatud vastavalt käesolevale taotlusele. Katolüüdi tootmiseks ette nähtud elektrolüüseri ekspluatatsiooni tulemused kinnitavad tootlikkuse saavutamist ümberarvestuses NaOH-le (tabeliselektrolüüser CG-3400ANE, kahe sektsiooniga), deklareeritud katolüüdi osa saavutamine üldises katolüüdi ja anolüüdi mahus (tabelis veerud 6 ja 7), elektrolüüseri konstruktsioonis suhte rakendamine anoodkambri töötava osa pikkuse ja anoodi diameetri vahel vahemikus 2,0 kuni 5,5 (veerg 4). Elektrolüüseri konstruktsioon katolüüdi tootmiseks on toodud joonisel fig 3.

Esitatud silindrilise diafragmaga läbivooluelektrolüüser sisaldab silindrilist anoodi 1, katoodi 2, diafragmat 3. Elektrolüüseril on kaas 4 avaustega 5 ja 6 elektrolüüdi

sisenemiseks ja kaas 7 avaustega 8 ja 9 elektrolüüdi väljumiseks.

Ühe sektsiooniga anoodil (joonis fig 1) on vee sisenemiseks avausega 11 kaas 10, kus avaus 11 on paigutatud kaane diameetri otsa, ja samasugune avausega 13 kaas 12 vee väljumiseks, kus avaus 13 on paigutatud kaane diameetri vastasotsa. Anoodil on klemm, mis joonisel on märgitud (+) märgiga.

Kahe sektsiooniga anood (joonis fig 2) koosneb kahest ühesugusest sektsioonist 14 ja 15, igal sektsioonil on ühes otsas avausega kaas, sektsiooni teises otsas on keere 16 sektsioonide ühendamiseks muhvi 18 abil ja kooniline tasapind 17 sektsioonide ja muhvi ühenduse hüdrauliliseks tihendamiseks, kusjuures sektsioonide ühendamine toimub selliselt, et anoodi kaane avaused 11 ja 13 on paigutatud anoodi kaante diameetri vastandotstesse. Igal anoodi sektsioonil on klemmid, mis joonisel on märgitud (+) märgiga. Ühendav muhv 18 on valmistatud elektriisoleermaterjalist.

Kokku monteeritud elektrolüüseri (joonis fig 3) siseruumil on katoodi 2 ja diafragma 3 vahel avausest 6 kuni avauseni 8 katoodkamber 19 ja elektrolüüseri siseruumil on anoodi 1 ja diafragma 3 vahel avausest 5 kuni avauseni 9 anoodkamber 20. Osa anoodkambrist 20, mis on paigutatud katoodi 2 vastu, nimetame anoodkambri töötavaks osaks. Osa anoodist 1, mis on paigutatud katoodi 2 vastu, nimetame anoodi töötavaks osaks.

Ülalkirjeldatud elektrolüüser katolüüdi tootmiseks töötab järgmiselt: magevesi juhitakse anoodi 1 sisemisesse õõnsusesse anoodi kaanes 10 asuva avause 11 kaudu, mis on ette nähtud vee sisestamiseks, vesi jahutab anoodi 1, vesi juhitakse anoodi sisemisest õõnsusest välja kaane 12 avause 13 kaudu ja suunatakse elektrolüüseri kaane 4 avausse 6, mille kaudu vesi jõuab katoodkambrisse 19, kus vesi elektrokeemiliselt muudetakse katolüüdiks ja katolüüt juhitakse kaane 7 avause 8 kaudu välja. Selleks, et muuta katolüüdi ja kaasneva anolüüdi omadusi, viiakse NaCl, NaHCO3 jt anoodkambrisse. Samal ajal magevee juhtimisega anoodi 1 sisemisse õõnsusesse juhitakse kaane 4 avause 5 kaudu anoodkambrisse 20 elektrolüüt (olenevalt tootmise tingimustest võib see olla NaCl, NaHCO3), anoodkambris muudetakse elektrolüüt anolüüdiks ja anolüüt juhitakse kaane 7 avause 9 kaudu elektrolüüserist välja. Pärast anoodkambri ja katoodkambri täitumist antakse anoodile ja katoodile klemmide (+) ja (-) kaudu alalist elektripinget.

Claims (5)

1. 1. Elektrolüüser katolüüdi tootmiseks, mis sisaldab sisemist õõnsat silindrilist anoodi, välimist silindrilist katoodi, diafragmat, mis on paigaldatud anoodi ja katoodi vahele, mis erineb selle poolest, et anoodi töötava osa pikkus on anoodi sisemisest diameetrist suurem mitte rohkem kui 2-6 korda.
2. 2. Elektrolüüser katolüüdi tootmiseks vastavalt nõudluspunktile 1, mis erineb selle poolest, et sisemine õõnes anood on valmistatud ühest või kahest sektsioonist.
3. 3. Elektrolüüser katolüüdi tootmiseks vastavalt nõudluspunktile 2, mis erineb selle poolest, et sisemise õõnsa anoodi ühe otsa kaanel on avaus vee sisenemiseks anoodi sisemisse õõnsusse ja sisemise õõnsa anoodi teise otsa kaanel on avaus vee väljumiseks anoodi sisemisest õõnsusest, kusjuures avaused on paigutatud anoodi kaante diameetrite vastandotstele.
4. 4. Elektrolüüser katolüüdi tootmiseks vastavalt nõudluspunktile 2, mis erineb selle poolest, et sisemise õõnsa anoodi kaks sektsiooni on omavahel ühendatud läbivoolu dielektrilise silindrilise muhviga, mille väline diameeter on väiksem anoodi välimisest diameetrist.
5. 5. Elektrolüüser katolüüdi tootmiseks vastavalt nõudluspunktidele 1 kuni 4, mis erineb selle poolest, et elektrolüüseri toimimine horisontaalses asendis on kindlustatud seetõttu, et elektrolüüseri vee väljumise avaus anoodi kaanes on paigutatud anoodi kaane diameetri sellesse otsa, mis on lähemal elektrolüüseri kaanel asuva elektrolüüdi väljumise avausele ja elektrolüüdi väljumise avaused on suunatud vertikaalselt ülespoole.