4.4. Электролизеры с ртутным катодом

4.4.1.Классификация электролизеров

При всем разнообразии конструкций хлорных электролизеров с ртутным катодом, они представляют собой агрегат, включающий собственно электролизер, разлагатель амальгамы и насос для циркуляции ртути (см. схему на рис. 4.1).

К настоящему времени разработано большое количество различных конструкций электролизеров, которые по их признакам можно разделить на следующие группы.

1. Электролизеры с горизонтальными электродами и горизонтальным разлагателем амальгамы (Киев, завод химикатов).

2. Электролизеры с горизонтальными электродами и вертикальным разлагателем амальгамы.

3. Электролизеры с вертикальными электродами.

4. Электролизеры с сильно наклонными электродами.

5. Электролизеры с анодами, погруженными в ртутный катод.

Наибольшее распространение получили электролизеры, входящие в первую и вторую группы. Ко второй группе относятся все современные мощные электролизеры. Конструкции остальных обусловлены попытками уменьшить затраты производственных площадей. До серийного применения они не доведены и рассматриваться в данном курсе они не будут.

Требования к электролизерам

1. Исключение выделения ртути из электролизера и защита от ртути окружающей среды.

2. Минимальная закладка ртути в электролизер.

3. Минимальный внутренний объем газа в электролизере.

4. Наличие системы регулировки положения анодов.

5. Параллельность всей рабочей поверхности электродов.

6. Равномерность распределения тока по всем электродам.

7. Легкость разборки и сборки электролизера.

8. Исключение загрязнения ртути конструкционными материалами, предотвращение попадания NaCl в разлагатель.

9. Полнота разложения амальгамы в разлагателе.

10. Технологичность изготовления.

11. Большая мощность (токовая нагрузка).

12. Плотность тока около 15 кА/м².

4.4.2. Конструкция электролизера

Все электролизеры, в принципе, имеют одно и то же устройство, отличающееся в деталях. Собственно электролизер имеет днище, состоящее из двух частей, укрепленное ребрами жесткости (рис.4.14).

Рис.4.14. Схема электролизера с ртутным катодом.

1-днище, 2 - аноды, 3 - рама, 4, 5 - входной и выходной карманы,

6- группа анодов, 7-токоподводы к анодам, 8- механизм

перемещения группы анодов.

Днище является токоподводом к катоду - слою ртути. Кроме того, на днище монтируют боковые стенки из гумированных стальных балок. К корпусу электролизера присоединяют выходной и входной карманы, образующие катод и ванну электролизера с выходными и входным устройствами для ввода и вывода продуктов. Электролизер сверху закрывают гибкой резиновой или стальной гумированной крышками, через которые герметично проходят токоподводы анодов. Аноды собраны в группы и секции, каждая из которых опирается на регулируемые стойки и имеет привод для перемещения группы анодов в вертикальном направлении. На этих же устройствах крепятся медные шины, подводящие ток к анодам.

Одним из важнейших элементов электролизера является днище. Поверхность дна электролизера, по которой протекает ртуть, должна быть ровной, плоской и не деформироваться при сборке. Положение дна тщательно выверяется и выравнивается. Это связано с тем, что работоспособность электролизера и применимость метода в целом определяется протеканием только одного процесса - образования амальгамы. Обычно этот процесс обеспечивается тем, что перенапряжение выделения водорода на ртути значительно больше, чем натрия. Но при обнажении участка днища, на нем начинается интенсивный процесс выделения водорода, так как перенапряжение выделения водорода на стали невелико. Обнажение днища из-под слоя ртути возможно по следующим причинам:

-малая толщина слоя ртути;

-неровности днища;

-установка днища с перекосом;

-большая скорость течения ртути, при которой в слое ртути возникают вихри, волны и впадины.

В принципе, эти опасности можно избежать, увеличив загрузку ртути в электролизер. Но это противоречит п.2 требований, увеличивает массу электролизера и экологическую опасность при его аварии.

Большое значение имеет правильный выбор соотношения габаритов днища, поскольку это оказывает влияние на количество ртути в электролизере и устойчивость работы электролизера. Концентрация амальгамы натрия, получаемой в электролизере, определяется двумя требованиями. С одной стороны, для повышения эффективности аппарата концентрация амальгамы должна быть, по возможности большой, в другой - увеличение концентрации натрия в ртути приводит к увеличению температуры плавления и повышению вязкости амальгамы. Оптимумом, удовлетворяющим этим требованиям, является С=0,25-0,3% масс.

Массу выделившегося натрия определяем по закону Фарадея

m_Na = kI= kiBL

где В - ширина днища, L - длина, L/w - время электролиза,

w- скорость течения ртути, определяемая углом наклона днища.

m_Hg=VBl

где толщина слоя ртути, -плотность ртути.

Отсюда

То есть, чем больше длина электролизера при одинаковой ширине и наклоне, тем толще должен быть слой ртути.

При узком длинном днище поток ртути будет удлиняться и должен быть утолщен (недостаток), однако толстый слой ртути может выровнять неровности дна (достоинства).

В широких и коротких электролизерах толщину слоя ртути можно уменьшить. Уменьшение толщины слоя ртути может привести к разрыву потока ртути, обнажению дна и возникновению турбулентностей в потоке. Кроме того, трудно обеспечить равномерность распределения ртути по ширине (недостаток). Как достоинство, в этом случае можно отметить сокращение длинны коммуникаций подачи ртути в электролизер.

Оптимум соотношения длины и ширины электролизера составляет B:L = 1:8-9. Оптимальный вертикальный уклон 10-15 мм/м. Больший уклон, кроме турбулезации потока ртути, приводит к увеличению высоты рамы электролизера и его массы. Поэтому увеличение уклона свыше 15 мм нецелесообразно.

Для нормальной работы электролизера, в него необходимо подавать ртуть с объемной скоростью (удельным орошением q) 0,3-0,5 [л/с на 1 м ширины катода], что обеспечивает концентрацию амальгамы на выходе 0,25-0,35 % (масс). Удельная закладка ртути составляет 10-13 кг/кА нагрузки.

Концентрацию амальгамы на выходе, в зависимости от длины электролизера (L), плотности тока (i) и удельного орошения (q), можно определить из закона Фарадея

где j - объемная скорость подачи ртути в электролизер, л/с; k=А/F (А- атомная масса щелочного металла),

j = qB

C учетом того, что

I = iS, S = BL, получаем

[% масс]

Используя полученное соотношение, можно производить простейшие конструктивные и материальные расчеты электролизера с ртутным катодом.

Для отделения рассола от амальгамы при ее переходе из электролизера в разлагатель и отделения щелочи от ртути при ее подаче в ртутный насос и ванну, входной и выходной карманы присоединяются к ванне с образованием так называемых гидрозатворов. Схема гидрозатвора на выходном кармане показана на рис.4.15.

Рис.4.15. Схема гидрозатвора.

1-днище ванны, 2- амальгама, 3- штуцер слива анолита, 4-штуцер слива амальгамы в разлагатель.

Из выходного кармана электролизера выводится:

-обедненный по содержанию хлорида натрия анолит;

-амальгама натрия.

Анолит направляется на донасыщение перколяционным способом, поэтому нельзя допустить уноса по трубе газообразного хлора. Для отделения газообразного хлора от рассола используется гидрозатвор. Он представляет собой пластину, герметично укрепленную на крышке электролизера, перегораживающую электролизер по всей ширине и опущенную в раствор почти до самого дна.

Хлор может выйти из газового пространства электролизера только в том случае, если давление в нем превысит атмосферное на величину гидростатического давления:

где h_p - высота погруженной в электролит части перегораживающей пластины, _p - плотность рассола.

Поскольку давление в хлорной магистрали (и в электролизере) поддерживается на несколько сантиметров водяного столба меньше, чем в атмосфере, выход хлор-газа с рассолом практически невозможен.

На аналогичном принципе работает гидрозатвор для отделения рассола от амальгамы при ее выходе в разлагатель. Только в этом случае погружение пластины в амальгаму выбирается с учетом гидростатического давления столба рассола:

где _a- плотность амальгамы.

Аноды

Возможные конструкции анодов показаны на рис. 4.16.

Рис. 4.16. Модификации анодов ОРТА.

Для уменьшения газонаполнения электролита и снижения энергозатрат на процесс электролиза, конструкция анодов должна обеспечить немедленное удаление пузырьков хлора с электродной поверхности и межэлектродного пространства.

Чаще всего аноды ОРТА изготавливаются в виде титанового коробка, к которому с одной стороны приварен токоподвод, а с другой- прутки из титана, покрытого активным слоем TiO₂+RuO₂

Аноды собраны в группы на устройствах подвески анодов, имеющих устройства для вертикального перемещения.