Конструкции электролизеров для электролиза воды

Конструкции электролизеров для электролиза воды

Для электролиза воды существует множество  конструкций электролизе-ров. Они различаются включением электродов, устройством корпуса, разде-лением газов, давлением, устройством электродов.

Все электролизеры, применяемые в  электрохимических производ-ствах, делятся на ящичные и фильтр-прессные.

Ящичные электролизеры могут быть цилиндрическими и прямоуголь-ными. Обычно отношение площади электродов к объему раствора, нахо-дящегося в ящичном электролизере, невелико.

Монополярные или биполярные электроды помещают в один корпус ящичного электролизера.

При монополярной схеме все электроды одного знака присоединены к шине, идущей от соответствующего полюса источника постоянного тока. Ток, проходящий через один электрод, в соответствии с законом парал-лельного соединения проводников равен общей силе тока, деленной на число электродов. Напряжение, возникающее между парой электродов противо-положного знака, равно общему напряжению на электролизере.

При биполярной схеме включения  электродов ток от источника тока подводится лишь к крайним электродам, являющимся монополярными, все остальные электроды, расположенные между крайними монополярными элек-тродами, токоподводов не имеют и работают как биполярные - одна сторона электрода является катодом, а другая - анодом.

Через каждую ячейку биполярного электролизера  проходит весь ток, поступающий от внешнего источника тока, а общее напряжение равно произведению напряжения на одной  ячейке на число ячеек.

Монополярные электролизеры рассчитаны на большой ток и малые напряжения, биполярные - на сравнительно небольшой ток и высокие напряжения.

Фильтр-прессные электролизеры состоят  из отдельных рам, которые стягиваются  в единую конструкцию с помощью  винтового или гидравли-ческого устройства. Уплотнение между отдельными рамами достигается с помощью эластичных прокладок, которые плотно прижимаются к рамам при их стягивании. Отношение площади электродов к объему раствора в фильтр-прессных электролизерах выше, чем в ящичных. Скорость процесса разложения исходного вещества в электролизерах этого типа также боль-ше, чем в ящичных.

Поэтому для поддержания оптимального состава раствора путем его коррекции  вне электролизера, а также для  сохранения теплового режима при  эксплуатации предусматривается система  интенсивной циркуляции.

В фильтр-прессных электролизерах обычно применяют биполярное включение  электродов.

Недостатком электролизеров фильтр-прессного  типа является наличие большого числа  разъемных деталей, что требует  особенно тщательного уплотнения с  целью герметизации конструкции. Кроме  того, монтаж и ре-монт этих электролизеров связан с большими трудностями, чем электроли-зеров ящичного типа. Однако, несмотря на это, фильтр-прессные электро-лизеры завоевывают все большее признание при проведении различных процессов электролиза.

По способу разделения газов  электролизеры разделяют на колоколь-ные и диафрагменные. У первых – каждый электрод имеет колокол для сбора выделившегося на нем газа; у вторых электролитическая ячейка разделена пористой перегородкой - диафрагмой – на анодное и катодное пространство с соответствующими электродами.

По давлению продуцируемых газов  различают электролизеры, пред-назначенные для работы при давлении, близком к атмосферному, и элек-тролизеры, рассчитанные на работу при 1*106 – 4*106 Па.

Электролизер СЭУ-20 представляют собой  горизонтальный сборный аппарат  фильтр-прессного типа, работающий под давлением до 1 МПа.

Он состоит из двух монополярных электродов, расположенных на изолированных от земли концевых плитах, и 50 биполярных электродов,

сжатых между собой концевыми  плитами и отделенных один от другого  уплотняющими и изолирующими прокладками  и диафрагменными рамами.

При прохождении через электролизер постоянного тока на одной сто-роне биполярного электрода (катоде) выделяется водород, а на другой (аноде) - кислород.

Выделяющиеся на электродах газы разделены  асбестовой диафрагмой, прикрепленной  к диафрагменным рамам.

Электролизер имеет три коллектора: верхние предназначены для от-вода газов и электролита, нижний – для возврата в ячейки охлажденного электролита. Все элементы электролизера соединены в общий пакет и стя-нуты четырьмя стяжными болтами.

Для компенсации температурных  удлинений аппарата на концах бол-тов установлены тарельчатые пружины. Стяжные болты изолированы от концевых плит с помощью специальных втулок.

Уплотняющие прокладки электролизера  обматываются изоляционной пленкой  из фторопласта - 4.

Разделительные колонки предназначены  для отделения газов от элек-тролита и охлаждения электролита.

Промыватели газов предназначены для промывки газов от щелочного тумана и для охлаждения газов.

Регуляторы давления предназначены  для поддержания равенства дав-ления водорода и кислорода в аппаратах независимо от того, при каком давлении используется каждый газ. Они снабжены поплавками и регули-рующими клапанами. Поплавки могут перемещаться по вертикали, закры-вая и открывая клапана для впуска газов.

Электрохимическим путем водород  получают в процессе электролиза  воды, т.е. при ее разложении постоянным электрическим током:

2H2O → 2H2 + O2.

Водород, полученный этим путем, содержит лишь незначительную примесь кислорода  и при необходимости может  быть от нее очищен.

В настоящее время степень чистоты  электролитического водорода достигает 99,5-100 %.

Вредных и трудноустраняемых примесей в нем нет даже следов.

Существенное его преимущество – низкие затраты на капитальное  строительство по сравнению с  другими методами и небольшая потреб-ность в обслуживающем персонале.

Недостаток метода – повышенный расход электроэнергии.

При электролизе воды на катоде выделяется водород по реакции:

2Н+ + 2е → Н2,

а на аноде кислород 20Н- - 2е → 1/2О2 + Н2О.

Для производства водорода широко используют электролизеры фильтр-прессного  типа с биполярными электродами (рис. 3.12. и 3.18).

Электродами служат стальные листы, к  которым с одной стороны крепят катод, с другой - анод. Асбестовые диафрагмы  отделяют катодные продукты электролиза  от анодных.

Поры асбестовой ткани заполнены  электролитом, что обеспечивает про-хождение электрического тока через диафрагмы. Для уплотнения и изоляции применяют прокладки из паронита. Число отдельных ячеек (секций) колеблется от нескольких десятков до сотен.

Основные характеристики электролизеров [8]: напряжение 1,8-2,3 В, си-ла тока 1000-15000 А, температура процесса 333-353 К, расход воды и электро-энергии на получение 1 м3 водорода 9•10~4 м3 и 15,4-16,2 МДж соответственно. В получаемом продукте содержится 99,7-99,9 % водорода.

Наряду с этим получают также  кислород с содержанием основного  ком-понента 99,6±1 % (об.).

Несмотря на высокую энергоемкость  этого процесса, он широко приме-няется в системе газоснабжения производства полупроводникового кремния, так как при этом получается весьма чистый продукт.

Получаемый электролизом воды водород  содержит 5•10~3-2,5-10-2 кг/м3 водяных паров, которые необходимо удалять. Чаще всего  удаление влаги 43

из водорода проводят адсорбционными методами, которые основаны на спо-собности сорбироваться (поглощаться) паров или газов на поверхности раздела фаз или в объеме пор твердого тела. 

Рис. 3.12. Схема электролизера  для получения водорода:

1 - корпус; 2 - диафрагма; 3 - биполярные  электроды; 4 - изолирующие 

и уплотняющие прокладки