книги из ГПНТБ / Иоффе, Вениамин Борисович. Основы производства водорода

б) должно быть предусмотрено хорошее разделение выделяю­ щихся газов, т. е. должна быть обеспечена высокая чистота полу­ чаемых газов;

в) электролизный агрегат должен быть компактным, т. е. на единицу производительности по водороду занимать минимальную площадь;

г) электролизер должен быть надежным в работе; д) материалы, расходуемые на сооружение электролизера

должны быть доступными и недорогими, а стоимость электроли­ зера — Невысокой.

Выше упоминалось, что напряжение на ванне, зависящее в значительной степени от перенапряжения на электродах и со­ противления электролита, может быть снижено путем специаль­ ной обработки материала электрода и соответствующим конструк­ тивным его оформлением.

Напряжение на ванне может быть также уменьшено сокраще­ нием расстояния между электродами и интенсивной циркуляцией электролита. Сокращение расстояния между электродами не только приводит к уменьшению омического сопротивления элек­ тролита, но делает электролизер более компактным. Необхо­ димо еще раз подчеркнуть, что при небольшом расстоянии между электродами, конструкция электролизера, во избежание умень­ шения сечения электролита и повышения таким образом внутрен­ него сопротивления ванны, должна предусматривать эффектив­ ный отвод выделяющихся газов.

По характеру включения электродов в электрическую цепь электролизные ванны могут быть монополярными и биполяр­ ными.

В монополярных ваннах все катоды соединены с отрицатель­ ной шиной электрической цепи, а все аноды — с положитель­ ной. При этом' электроды оказываются включенными в электри­ ческую цепь параллельно. Напряжение на монополярнойванне представляет собой разность потенциалов между анодом и катодом в любой паре электродов. Плотность тока при данной силе тока определяется поверхностью всех электродов одноименной поляр­ ности.

В биполярных ваннах только крайние электроды — катод и анод — соединены с шинами. Остальные, промежуточные элек­ троды при прохождении электрического тока являются биполяр­ ными, т. е. одна сторона их служит катодом, а другая — анодом. В биполярных ваннах имеет место последовательное включение электродов в электрическую цепь. При последовательном вклю­ чении электродов величина напряжения на ванне (FK) представвляет произведение разности потенциалов между двумя ближай­ шими электродами (F0) на число пар катодов и анодов‘(ячеек) — п. Плотность тока в биполярных ваннах (при данной силе тока)

определяется поверхностью только одного крайнего электрода

ине зависит от числа промежуточных электродов.

Кдостоинствам монополярных ванн следует отнести неслож­

ность их конструкции, а также хорошее разделение газов (в связи с большим расстоянием между электродами), обеспечивающее высокую чистоту получаемого водорода.

Вместе с тем работа йа монополярных ваннах связана с по­ вышенным удельным расходом электроэнергии и низким напряже­ нием электрического тока. Потребляемая мощность одной монополярной ванны практически ограничивается 40—50 кет, по­ этому, производительность отдельной ванны незначительна. На электролизных установках большой производительности прихо­ дится предусматривать батареи, состоящие из нескольких сот монополярных ванн, занимающих значительную площадь и тре­ бующих больших затрат на токоподводящие устройства.

Биполярные ванны по сравнению с монополярными более компактны и обладают значительно большей производительностью (имеются биполярные ванны мощностью до 3000 кет и более, производительностью 600 м3 и выше водорода в час). При уста­ новке биполярных ванн существенно снижаются удельные за­ траты металла, а также потребность в площади и кубатуре, при­ ходящихся на единицу производительности по водороду. Коэф­ фициент использования тока при биполярных ваннах выше, а затраты на токоподводящие устройства во много раз меньше, чем при монополярных, так как в первом случае ток подводится только к крайним электродам.

В силу вышеизложенного за последнее время новые элетролизные установки промышленного типа оснащаются почти исклю­ чительно биполярными ваннами.

Наиболее распространенными являются биполярные ванны фильтрпрессного типа. Одним из преимуществ биполярных ванн фильтрпрессного типа является минимальное расстояние между электродами, что делает данный электролизер весьма компактным и уменьшает омическое сопротивление электролита. Однако при близком расположении электродов друг от друга возникают труд­ ности для четкого разделения выделяющихся газов и увеличи­ вается скопление газовых пузырьков в электролите.

К недостаткам ванн фильтрпрессного типа следует также отнести возможные утечки электрического тока за счет вторичного электролиза щелочного раствора, проходящего по каналу электро­ лизера. Утечки тем больше, чем выше напряжение на ванне.

Для разделения анодного пространства от катодного в ваннах фильтрпрессного типа применяются специальные перегородки — диафрагмы, которые являются неотъемлемой составной частью таких электролизеров. К диафрагмам предъявляются следующие требования:

а) диафрагмы должны быть проницаемыми для электролита, но не допускать смешения газов, выделяющихся на аноде, с газами, выделяющимися на катоде;

б) сопротивление диафрагм электрическому току должно быть минимальным;

в) диафрагмы должны быть химически устойчивыми по отно­ шению к электролитам и к образующимся газам;

г) диафрагмы должны обладать достаточной механической прочностью.

Обычно в качестве диафрагмы служит плотная асбестовая ткань, которая вырабатывается из чистого длинноволокнистого асбеста. В исходном асбесте по возможности не должно быть инородных включений. Из них особенно нежелательны органи­ ческие соединения, переходящие в раствор и могущие быть причи­ ной вспенивания последнего.

Электрический ток проходит через диафрагмы с помощью электролита, заполняющего поры асбестовой ткани. Сопротивле­ ние асбестовой ткани, погруженной в электролит, незначительно и практически может не приниматься во внимание х).

Так как прочность асбестовой ткани недостаточна, особенно в условиях горячих растворов едких щелочей, для увеличения жесткости диафрагмы можно: а) армировать асбестовую диафрагму металлической сеткой; б) использовать в качестве диафрагмы прессованный асбестовый картон, защищенный с обеих сторон металлической сеткой; в) прикреплять асбестовую диафрагму к электродам из перфорированного металла.

Небольшие электродные пространства в электролизерах фильтрпрессного типа приводят к тому, что образующиеся газы уносят с собой значительное количество электролита. В целях выделения электролита водород и кислород по выходе из электролизера пропускаются через специальные ловушки и промыватели. В по­ следних аппаратах газы обычно барботируют через слой дистил­ лированной воды, поступающей затем на растворение щелочи. Электролит из ловушек на линиях водорода и кислорода возвра­ щается обратно в электролизер. Таким образом, осуществляется внешняя циркуляция электролита. Внешняя циркуляция элек­ тролита, уменьшая скопление газовых пузырьков, содействует быстрому отводу газов из электролизера. Кроме того, внешняя циркуляция электролита позволяет сравнительно легко регули­ ровать его концентрацию, а также температуру процесса электро­ лиза.)*

*) П ри нормальной работе электролизеров диафрагмы долж ны быть погруж ены в электроли т. Обнаженные стенки диафрагмы, даже если они

242 Глава X

Для отвода выделяющегося при электролизе тепла и регули­ рования температуры процесса в составе электролизного агрегата предусматриваются охлаждающие устройства, состоящие из труб­ чатых или змеевиковых холодильников, через которые обычно пропускается оборотная вода. В зависимости от конструкции н производительности электролизного агрегата холодильники или конденсаторы размещаются в различных местах: в самом электро­ лизере (его средней камере), в ловушках, в промывателях, или выполняются в качестве самостоятельных аппаратов.

Для успешного проведения электролиза воды существенное значение имеет выравнивание давления между катодным и анод­ ным пространством системы. Неравенство давлений в газовых пространствах может привести к обнажению диафрагмы и, как следствие, к смешению газов и образованию гремучей смеси. Кроме того, частые колебания давления, сопровождающиеся гидравлическими толчками, неблагоприятно сказываются на ме­ ханической прочности диафрагм, содействуя их преждевременному износу. Разность в давлениях водорода и кислорода вызывается неодинаковым сопротивлением в линиях этих газов, что может иметь место как по причине частичной закупорки трубопроводов и аппаратов, так и вследствие прекращения или неравномерного отбора газов. Для выравнивания давления в обоих газовых про­ странствах электролизера обычно используется принцип гидра­ влического регулирования.

§ 4. Электролиз воды под давлением

Электролиз воды под давлением представляет интерес в тех случаях, когда получаемые газы по условиям их дальнейшей обработки или последующего применения должны находиться в сжатом состоянии. При электролизе под давлением предста­ вляется возможным получать водород и кислород в сжатом виде непосредственно на выходе из ванны. В этом случае не только отпадает надобность в машинах для компримирования газа, но и экономится электроэнергия, необходимая для его сжатия.

Следует отметить, что при электролизе воды под повышенным давлением напряжение разложения при одинаковой силе тока не больше, чем при электролизе под атмосферным давлением. В от­ дельных случаях при электролизе воды под давлением может иметь место даже некоторое уменьшение напряжения на ванне,

электролизе под давлением иногда объясняют тем, что при повы­ шенном давлении газовые пузырьки в электролите занимают меньший объем, чем при разложении воды под атмосферным да­

п— число ячеек электролизера.

§6 . Устройства для преобразования электрического тока

Преобразование переменного тока в постоянный (необходи­ мый для питания элетролизеров) в принципе может производиться при помощи двигателя-генератора, одноякорного преобразо­ вателя, ртутных выпрямителей, механических выпрямителей и по­ лупроводниковых выпрямителей. Применение тех или'иных преоб­ разовательных устройств для получения постоянного тока опреде­ ляется технико-экономическими соображениями, исходя из условий проведенияпроцесса электролиза (рабочего напряжения, силы тока, расстояния от первичного источника тока и др.) и с учетом к. п. д. преобразователя в каждом конкретном случае. Большое значение при электролизе имеет возможность легкого регулирования рабо­ чего напряжения на ванне, что также должно приниматься во внимание при выборе устройств для преобразования тока.

§7. Конструкции промышленных электролизеров

иих технические характеристики

Для небольших промышленных установок в Советском Союзе получили распространение электролизеры фильтрпрессного типа ЭФ 24/12-12 и ЭФ 12/6-12. Оба типа -электролизеров по кон­ струкции аналогичны и отличаются только числом диафрагменных рам. Техническая характеристика электролизеров типа ЭФ

24/12-12 и ЭФ 12/6-12 приведена в табл. 59.

Электролизер ЭФ представляет собой ряд стальных рам круг­ лого сечения с диафрагмами и электродами. Каждая ячейка электролизера (рис. 56) состоит из рамы с асбестовой диафрагмой, одного основного и двух выносных электродов, расположенных по обе стороны диафрагмы. Диафрагмы прикреплены к рамам на заклепках. Основной электрод, служащий разделительной стен­ кой ячейки, выполнен из сплошного стального листа ( 6 = 3 мм), выносные электроды — из перфорированных листов (6 = 2 мм). В одной ячейке основной электрод служит анодом, в другой — катодом. Выносной катод размещен на большем расстоянии от

•основного электрода, чем выносной анод, что находится в соотлетствии с большим объемом газа, выделяющимся на катоде.

--------------------------------------------5 Ш

Рис. 58а. Электролизер ФВ-500. Продольный вид.

/ — ячейки; г — концевые плиты; з — ловушки; / — конденсатор; 5 — газосборник; 6 — фонари на линчи водорода; 7 — фонари на линии кислорода; 8 — средняя камера; S — фильтр для электролита; J0 — изоляторы: 1 1 — охлаждение,