Пристрій для одержання водню і кисню високого тиску

Пристрій для одержання водню та кисню високого тиску, що містить корпус електролітичної комірки з кришкою, підвідним та відвідним патрубками, установлені в ньому електроди, водневий та кисневий сепаратори, з'єднані між собою і електролітичною коміркою системи трубопроводів та джерело живлення, який відрізняється тим, що корпус електролітичної комірки з фланцем виконаний у вигляді чаші з установленою в ньому системою постійних магнітів та фальшднищем, по якому 29852 домий пристрій для отримання газів робить неефективним. В основу винаходу поставлена задача створення пристрою для одержання водню та кисню високого тиску, в якому за рахунок циклічнозворотного зв'язування продуктів розкладу електроліту та здійснення незалежного відбору газів досягається підвищення ефективності роботи пристрою з роздільним відбором водню та кисню високого тиску при заданій різниці тисків отримуваних газів. Поставленої задачі досягають тим, що пристрій для одержання водню та кисню високого тиску містить корпус електролітичної комірки з кришкою, патрубки для підводу та відводу, установлені в ньому електроди, водневий та кисневий сепаратори, що з'єднані між собою та коміркою системою трубопроводів та джерело живлення, у відповідності до винаходу, корпус електролітичної комірки з фланцем виконаний у вигляді чаші, в якій встановлено систему постійних магнітів та фальшднище, по якому розташовано шар ртуті, у верхній частині корпусу горизонтально розташовано жалюзійний електрод, який щільно притиснутий конусоподібною кришкою через діелектричну втулку до фланцю корпуса так, що кришка та корпус утворюють робочу камеру, ізольовану від корпусу та заповнену електролітом, при цьому корпус та кришка з електродом підключені до протилежних полюсів джерела живлення, полярність якого змінюється у відповідності до блока керування, який в свою чергу зв'язаний з керованими клапанами та електрохімічним датчиком концентрації, який установлено на занурюваному в електроліт патрубку для підводу, з'єднаному через підводні водневі та кисневі клапани з нижніми патрубками сепараторів, рівні рідини в яких установлені вище рівня розташування всіх клапанів та електролітичної комірки, а відвідний патрубок з'єднаний з верхнім патрубком водневого та кисневого сепараторів через відвідні водневі та кисневі клапани. Виготовлення корпуса електролітичної комірки з фланцем у вигляді чаші дозволяє стаціонарно розмістити шар ртуті в контакті з електролітом та умовами безпечної роботи. Система постійних магнітів та фальш-днище встановлені для здійснення підводу електричного струму до шару ртуті, утворення вихрових струмів перемішування ртуті та електроліту, що підвищує провідність прилеглого до ртуті збідненого натрієм шару та інтенсифікує відвід амальгами натрію з поверхні в глибину шару ртуті. Розміщення жалюзійного електрода горизонтально у верхній частині корпуса дозволяє виконувати швидкий відвід газоподібної фази та забезпечує високу густину струму між електродами в реакційній зоні. Щільне притиснення жалюзійного електрода необхідне для утворення електричного контакту між ним та кришкою, а діелектрична втулка ізолює електрод і кришку від корпуса пристрою, тому як вони утворюють протилежні електроди. Кришка виготовлена конусоподібною, для того щоби виключити виникнення застійних зон в газовій фазі і, при відключенні напруги, утворити умови для повного вивільнення об'єму від газової фази попереднього циклу, включаючи клапани. Електроліт ізольовано від корпуса для створення можливості протікання процесу та виключення руйнування корпуса під дією агресивного середовища. Виконання джерела живлення зі змінною полярністю здійснено для створення можливості зміни циклів процесу виділення газів. Включення у систему керованих клапанів дозволяє здійснити циклічний відвід та розподіл газових потоків. Встановлення занурюваного в електроліт датчика концентрації дозволяє, в залежності від степені насичення електроліту натрієм, керувати, за допомогою блока керування, циклічним виділенням кожного із газів. З'єднання підвідних водневого та кисневого клапанів з нижніми патрубками сепараторів, рівні рідини яких установлені вище рівня розташування всіх клапанів та електролітичної комірки і відвідного патрубка з верхніми клапанами водневого та кисневого апаратів через відвідні водневі та кисневі клапани дозволяє повертати винесений разом з газом електроліт назад у комірку для відділення в сепараторі пристрою газової фази. На фіг. 1 представлена принципова схема установки для одержання водню та кисню, на фіг. 2 - конструкція електролітичної комірки. Пристрій для одержання водню та кисню містить електролітичну комірку (фіг. 1) з корпусом 1 (фіг. 2) у вигляді чаші з фланцем 2. На дні корпуса 1 установлена система 3 постійних магнітів, на якій розміщено металеве фальш-днище 4, що має контакт по протоку з корпусом 1. По фальшднищу 4 розташовано шар ртуті 5 завтовшки 36 мм. У верхній частині корпуса 1 горизонтально розташовано жалюзійний електрод 6, який являє собою металевий диск з отворами, для відводу газу та виготовленими на ньому ребрами, кінці яких розташовані на відстані не більше 2 мм над поверхнею ртуті 5 для утворення мінімального омічного опору в шарі електроліту, розташованого між ребрами електродів 6 та поверхнею ртуті 5, що необхідно для створення високої густини струму. Жалюзійний електрод 6 щільно притиснутий конусоподібною кришкою 7 до корпусу 1 через ізоляційну втулку 8, циліндрична частина якої притискує фальш-днище 4 до корпусу 1 і одночасно ізолює його від електроліту, що заповнює робочу камеру. У верхній частині кришки 7 виконано центральний та боковий отвір, що виходить у об'єм робочої 9 камери, в якій установлені підвідні та відвідні патрубки 10 та 11, відповідно. Підвідний патрубок 10 оснащено діелектричним відводом 12, який пропущено через отвір в жалюзійному електроді 6. На кінці патрубка 10 вільно посаджена та впливає на поверхні ртуті 5 чашечка датчика 13 концентрації, яка екранує розміщений всередині неї чутливий елемент. Корпус 1 (див. фіг. 1) підключено до одного з виводів джерела живлення 14 перемінної полярності, а кришка 7 з жалюзійним електродом 6 - до другого. Джерело 14 живлення підключено до блока 15 керування, виконаному за схемою мікропроцесора з аналоговими входами та транзисторними або тиристорними виконавчими ключами. Блок 15 керування зв'язаний з відвідними клапанами 16 і 17 2 29852 ряджається на ньому, а натрій, що виділяється з водою, - з утворенням водню. та з підвідними клапанами 18 і 19 кисневої та водневої ліній, відповідно, і електрохімічним датчиком 13 концентрації. Відвідний та підвідний кисневі клапани 16 і 18 зв'язані, відповідно, з верхнім та нижнім виводами кисневого сепаратора 20, а відвідний та підвідний водневі клапани 17 і 19 зв'язані, відповідно, з верхніми та нижніми виводами водневого апарата 21. У верхній частині сепараторів 20 і 21 установлені також патрубки відводу газів 22 і 23. Пристрій працює таким чином. В початковий момент джерелом 14 живлення, за сигналом з блока 15 керування, подається від'ємний потенціал на корпус 1 і на кришку 7 з електродом 6 - позитивний. Відкриваються підвідний клапан 16 і 18 кисневої лінії. На жалюзійному електроді 6 відбувається розряд гідроксил-іонів та виділення кисню за реакцією 2CH- - 2e ® H2 O + + Na + + e ® Na + H2O ® NaOH + 1 H2 ­ . 2 Таким чином, на цій стадії процесу на жалюзійному електроді відбувається виділення водню до тих пір, поки датчик 13 концентрації не зафіксує величину концентрації натрію в амальгамі нижче 0,5%. При цьому блок 15 керування вмикає джерело 14 живлення і через час, необхідний для вивільнення електроліту від залишків водню, аналогічно кисневій лінії, закриває клапани 17 і 19 водневої лінії, відкриває клапани 16 і 18 кисневої лінії та змінює полярність джерела 14 живлення. Процес циклічно повторюється. Гази, що виділяються, захоплюють собою електроліт у сепаратори 20 і 21, де він віддає надлишкове тепло і змішується з рідиною, що знаходиться в сепараторі, при цьому вирівнюється концентрація лугу в електроліті, того як під час виділення кисню відбувається постійне збіднення електроліту натрієм, а під час виділення водню навпаки - збагачення. Перемішування електроліту водневої та кисневої лінії відбувається в об'ємі електролітичної комірки, тому під час роботи циклів в комірці постійно існує середній градієнт концентрації лугу відносно градієнтів концентрацій в сепараторах водневої та кисневої ліній, котрі залежать від відношення об'ємів комірки та сепараторів. Приклад конкретного виконання Як пасивний електрод використовували жалюзійний нікелевий анод, активний електрод - катод уявляв собою ємність круглої форми, заповнену шаром ртуті в 3-5 мм, під днищем з немагнітної сталі якої для здійснення рівномірного перемішування електроліту та ртуті установлювали феритбарієвий магніт. Електроди розміщували в посудині високого тиску об'ємом 1500 мл, заповнену 20% розчином їдкого натрію, тиск в якому підтримувався на рівні 75 МПа. Густина струму на ртутному катоді досягала 5-6 А/см2, за умов зміни напруги на електродах від 0,6 до 3,5 В. У процесі поглинання та виділення натрію ртутним електродом, зміст його в електроліті циклічно змінювався. Для товщини шару ртуті в 6 мм, діаметра дзеркала 250 мм та величини струму 2300 А, наприклад, продуктивність комірки становила 1 н. м3/год водню. При цьому ємність ртутного катода дозволяла працювати з тривалістю циклу до 10-15 хв. Кисень, що виділявся при атмосферному тиску, скидали, а водень під тиском 7.5 МПа збирали в ресивер для подальшого використання. Використання запропонованого способу дозволить отримувати водень та кисень високого тиску розрізнені в часі з будь-якою заданою різницею тисків між ними, що викликає вірогідність їх змішування, підвищує вибухонебезпечність та чистоту отримуваних газів, тобто підвищує ефективність роботи пристрою. 1 O 2 ­. 2 Завдяки конусній поверхні кришки 7 та відсутності пустот, де міг би накопичуватись газ, а також розташуванню всієї конструкції пристрою нижче рівня рідини в сепараторах 20 і 21, весь газ, що виділяється через відвідний патрубок 11 та кисневий клапан 16 попадає в сепаратор 20. На поверхні ртуті 5 відбувається розряд іонів натрію з утворенням амальгами. Завдяки наявності магнітного поля, що створюється системою 3 постійних магнітів, при протіканні струму через електроліт від жалюзійного електрода 6 до поверхні ртуті 5 та через неї до поверхні фальш-днища 4, виникає вихровий рух електроліту та ртуті, що призводить до інтенсивного перемішування збідненого іонами високоомного шару електроліту біля поверхні ртуті, а це, в свою чергу, дозволяє підвищити граничну густину струму до 6-10 А/см2 та позбавитись утворення кірки натрію біля поверхні ртуті 5. Чутливий елемент електрохімічного датчика 13 конструкції реагує, на е. р. с, що виникає біля поверхні ртуті, і після досягнення порогового значення концентрації натрію 0,4...0,5%, коли амальгама ще не затверділа, компаратор блока 15 керування перекидається, що служить сигналом вимкнення джерела 14 живлення. Надходження струму в комірку припиняється на час, достатній для вивільнення електроліту від залишків кисню. Самотечією з сепаратора 20 кисневої лінії комірка повністю заповнюється рідиною. Після цього блок 15 керування виробляє сигнал перекидання полярності джерела 14 живлення на протилежну, закриває клапани 16 та 18 кисневої лінії, відкриваючи при цьому підвідний та відвідний клапани 17 та 19 водневої лінії. Так, у заповненій рідиною комірці стрибком досягає тиску у водневій лінії, бо рідина практично не стиснута, а жорсткість корпуса 1 досить висока. Напруга від'ємної полярності з джерела 14 живлення подається на жалюзійний електрод 6, а позитивної - на ртуть 5. Іони натрію (з ртутного 5 електрода) переносяться на жалюзійний електрод 6, який на цій стадії є катодом, роз 3 29852 Фіг. 1 Фіг. 2 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 35 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4