Електролізна установка для одержання водню і кисню високого тиску

Електролізна установка для одержання водню та кисню високого тиску, яка містить електролізну комірку, водневий і кисневий газорідинні сепаратори, оснащені датчиками рівня, електромагнітні клапани, джерело струму, живильний насос, яка 3 36714 розміщення електролізера призводить до утворення застійних зон і потребує наявності додаткового насоса для забезпечення циркуляції електроліту, що також збільшує енерговитрати та знижує експлуатаційну надійність пристрою. Крім того, розміщення вхідних штуцерів на газорідинних сепараторах вище рівня рідини може призводити до піноутворення, що також знижує надійність роботи пристрою. В основу корисної моделі поставлено задачу створення електролізної установки для одержання водню та кисню заданого високого тиску з незалежним відбором газів, шляхом оптимального схемного рішення і конструктивного виконання пристрою з набором електродних пакетів, у кожному з яких реалізовано тимчасове оборотне зв'язування (поглинання) робочою речовиною активного електрода одного з газів у момент відбору іншого з наступним відновленням первісного стану робочої речовини електрода, завдяки чому, за рахунок оптимізації конструктивного, виконання та зниження сукупних енерговитрат пристрою і збільшення питомої продуктивності по газах при високих заданих тисках (до 75МПа), досягнуте підвищення експлуатаційної надійності та ефективності процесу. Поставлена задача досягається тим, що електролізна установка для одержання водню й кисню високого тиску, що містить електролізну комірку, водневий і кисневий газорідинні сепаратори, оснащені датчиками рівня, електромагнітні клапани, джерело струму, живильний насос, згідно корисної моделі, містить перемикач полярності потенціалів, з'єднаний із джерелом струму, компаратором, встановленими в електролізній комірці пасивними і активними електродами, блок керування, пов'язаний з вихідними електромагнітними клапанами, живильним насосом, датчиками рівня рідини в сепараторах, таймер, з'єднаний з електромагнітним перемикачем газорідинних потоків і перемикачем полярності, при цьому електролізна комірка розташована вертикально, вхідним штуцером з'єднана з газорідинними сепараторами знизу, а верхнім вихідним штуцером з'єднана із входом електромагнітного перемикача потоків, водневий і кисневий канали якого з'єднані відповідно з кисневим і водневим сепараторами, вхідні штуцери яких розміщені нижче датчиків рівня рідини. Установка містить перемикач полярності потенціалів, з'єднаний із джерелом струму, компаратором і електродами, що забезпечує можливість проведення процесу з роздільним у часі циклічним одержанням водню та кисню із заданим високим (до 75МПа) тиском. Це дозволяє вести процес при більш низьких напругах на електродах і забезпечує зниження енерговитрат і підвищення ефективності процесу. Наявність блока керування, пов'язаного з вихідними електромагнітними клапанами, живильним насосом, датчиками рівня рідини в сепараторах, дозволяє з високою надійністю підтримувати технологічні режими і параметри видачі газів споживачам, своєчасної подачі живильної води в електролізну комірку при постійному контролі рівнів 4 рідини в сепараторах, що підви щує експлуатаційну надійність установки. З'єднання блока керування через таймер з перемикачем газорідинних потоків забезпечує дотримання технологічної циклограми процесів виділення газів і часу дегазації між ними, що усуває вірогідності утворення вибухонебезпечної газової суміші та підвищує експлуатаційну надійність. Вертикальне розміщення електролізної комірки, а також з'єднання сепараторів з коміркою електролізера в нижніх частинах забезпечує оборотну газ-ліфтову циркуляцію електроліту в газорідинній системі, не вимагає додаткового нагнітача потоку, що знижує енерговитрати, підвищує експлуатаційну надійність та ефективність процесу. З'єднання вихідних водневого та кисневого каналів перемикача потоків із вхідними штуцерами сепараторів, розташованих нижче датчиків рівня, запобігає піноутворенню в сепараторах, що забезпечує високу точність і надійність додержання рівнів рідини в сепараторах, дотримання технологічної циклограми процесу, що підвищує експлуатаційну надійність установки та ефективність процесу. На Фіг.1 подана конструктивна схема електролізної установки, на Фіг.2 - циклограми робочого процесу пристрою. Електролізна установка містить розташовану вертикально електролізну комірку 1 з пасивними й активними електродами з'єднаними через перемикач полярності 2 із джерелом 3 струму і через компаратор 4 і таймер 5 - із блоком керування 6. Таймер 5 підключений до перемикача 2 полярності і електромагнітного перемикача 7 газорідинних потоків. Блок 6 керування через канали 8, 9 з'єднано з верхніми точками водневого та кисневого сепараторів 10, 11, відповідно, при тому водневий і кисневий канали перемикача 7 сполучені відповідно з вихідними штуцерами (на фіг. не позначені) водневого 10 і кисневого 11 сепараторів. Водневий і кисневий сепаратори 10 і 11 обладнані датчиками рівнів рідини ДУ 1', ДУ 2', ДУ 3' і ДУ 1, ДУ 2, ДУ 3, з'єднаними із блоком 6 керування, відповідно. Сепаратори 10 і 11 у нижніх точках сполучені з електролізною коміркою 1 і живильним насосом 12, що з'єднаний з блоком 6 керування. Вихідні штуцери (на Фіг. не показані) сепараторів 10 і 11 через електромагнітні клапани 8, 9 відповідно з'єднані з водневою й кисневою лініями. Для технологічного скидання газів в атмосферу, наприклад для продувки, передбачені електромагнітні клапани 13 і 14, які установлені у водневій і кисневій лініях та лінії з'єднання сепараторів у верхніх точках і підключені до блоку керування 6. Між точкою з'єднання сепараторів 10 і 11 та електролізної комірки з живильним насосом 12 встановлений зворотний клапан 15. Робота електролізної установки для одержання водню та кисню високого тиску здійснюється за циклограмою, наведеною на Фіг.2. Спочатку електролізна комірка 1 з водневим і кисневим сепараторами 10 і 11, відповідно, заповнюються електролітом через нижні штуцери (на Фіг. не показані) за допомогою живильного насоса 12. При цьому по команді блока керування 6, у момент відкриття 5 36714 зворотного клапана 15, клапани 13 і 14, що з'єднують сепаратори 10 і 11 з атмосферою відкриті, а клапани 8 і 9 на лініях подачі водню та кисню закриті. Живильний насос 12 подає в систему робочий розчин електроліту, заповнюючи її до рівня, при якому спрацьовують датчики рівня ДУ 2 і ДУ 2'. По сигналу цих датчиків блок керування 6 відключає живильний насос 12, при цьому зворотний клапан 15 закритий. Установка готова до роботи. Як випливає із циклограми Фіг.2, водневий і кисневий цикли змінюють один інший, а в проміжках між циклами відбувається тимчасова витримка tг при знеструмлених електродах для повної дегазації електроліту від залишків газу, що генерувався у попередньому циклі. Після цього установка перемикається на роботу з проведення, наприклад, водневого циклу. При цьому таймер 5 переводить перемикач 2 потоку у положення з'єднання водневого сепаратора 10 з електролізною коміркою 1 і переводить перемикач 7 полярності у положення відповідне виділенню водню, тобто на пасивні електроди комірки 1 подається негативний потенціал і вони стають катодами, а на активні позитивний потенціал, і вони стають анодами. При цьому на катодах виділяється водень, що надходить через перемикач 2 потоку у водневий сепаратор 10 і далі через відкритий електромагнітний клапан 8 у водневу лінію - споживачеві. У той же час кисень, що виділяється на анодах (активних електродах), поглинається й хімічно зв'язується активною масою електродів. Виділення водню tв в триває доти, поки не окиснеться вся активна маса. При цьому водневий цикл супроводжується підвищенням напруги на електродах, що відстежується компаратором 4 та підтримується в межах 0,30,5В. Як тільки напруга досягне величини, що відповідає виробленій електрохімічній ємності активного електрода (0,5В), компаратор 4 видає команду на таймер 5, який переводить перемикач 2 полярності у знеструмлений стан на час дегазації електроліту tг, при цьому перемикач 2 потоку залишається в стані підключення комірки 1 до водневого сепаратора 10. По закінченні часу дегазації tг таймер 5 переводить перемикач 7 потоків у положення підключення комірки до кисневого сепаратора 6, а перемикач 2 полярності - на протилежну полярність, що відповідає початку наступного кисневого циклу tк . При цьому на пасивні електроди комірки 1 подається позитивний потенціал, а на активні - негативний, тобто пасивні електроди стають анодами і на них відбувається виділення кисню, що через перемикач 2 потоків подається в кисневий сепаратор 11 і далі через відкритий електромагнітний клапан 9 - у кисневу лінію споживачеві. У цей же час на активних електродах комірки відбувається регенерація (відновлення) окисненої активної маси. Процес виділення кисню tк триває доти, поки не закінчиться електрохімічна регенерація активної маси. Процеси виділення кисню та електрохімічної регенерації (відновлення) активної маси супроводжується спаданням напруги на електродах від 1,5В до 1,4В, яке відслідковує компаратор 5 під контролем блока 6 керування, і при досягненні величини 1,4В через таймер 5, останній переводить перемикач 2 полярності у знестру 6 млений стан на час дегазації tг, протягом якого перемикач 7 потоків залишається в положенні кисневого циклу tк , що оцінюється таймером 5. Далі процес зміни циклів триває в такому ж порядку. При здійсненні водневого і кисневого циклів відбувається газ-ліфтова циркуляція електроліту між електролізною коміркою 1 і сепараторами 10 і 11. Наприклад, при генерації водню пухирці газу, що виділяються, захоплюють електроліт, газорідинна суміш залишає електролізну комірку 1 і через вихідний патрубок подається в перемикач 7 потоків, водневий канал якого в цей момент сполучається з вихідним патрубком водневого сепаратора 10. Після відділення водню електроліт через ниж ній вихідний штуцер надходить у нижній загальний штуцер комірки 1. Аналогічним чином, газ-ліфтова циркуляція електроліту протікає й у кисневому циклі. Ефективність газ-ліфтової циркуляції забезпечується вертикальним розташуванням електролізної комірки 1, розташуванням загального вхідного штуцера комірки 1 у нижній її частині, а також розміщенням вихідних штуцерів сепараторів 10 і 11 у їхніх нижніх частинах. При цьому не потрібне використання примусової циркуляції електроліту, що знижує енерговитрати та підвищує експлуатаційну надійність установки. Розташування вхідних штуцерів сепараторів 10 і 11 нижче рівня установки датчиків і рівня електроліту виключає його спінення і підвищує надійність роботи системи керування установкою. У процесі роботи установки відбувається зменшення об’єму електроліту на величину витраченої води, що приводить до зниження рівнів рідини в обох сепараторах 10, 11. Блок керування 6 аналізує сигнали всієї групи датчиків під час роботи установки. Коли одночасно обидва датчики ДУ 2 і ДУ 2' покажуть відсутність зниження рівня рідини при зменшенні об'єму електроліту, блок 6 керування переводить перемикач 2 полярності у відключений стан, електромагнітні клапани 8, 9, 13, 14 закриваються, включається живильний насос 12, що подає дистильовану воду в гідравлічну систему установки до спрацьовування датчиків ДУ 2 і ДУ 2'. По закінченні заправлення установки водою, блок 6 керування повертає установку в той робочий цикл, на якому був перерваний технологічний процес для проведення заправлення водою. При роботі установки в штатному режимі датчики рівнів ДУ 1, ДУ 1', ДУ 3, ДУ 3' не подають сигналів у блок 6 керування. Спрацьовування датчиків ДУ 1 і ДУ 1' указує на ви хід з робочого стану електромагнітних клапанів установки, спрацьовування датчиків ДУ 3 і ДУ 3' свідчить про припинення подачі живильної води в систему чи виток електроліту з системи. В усіх випадках спрацьовування зазначених датчиків рівня, блок керування припиняє роботу установки та подає аварійний сигнал. Приклад конкретного виконання. Електролізна установка для одержання водню та кисню високого тиску (габаритами 500x640x2500мм, масою - 200кг) з вертикальним розташуванням електролізної комірки, об'ємом реакційної камери 40л, довжиною литого корпусу 1050мм, діаметром 219мм. В комірці встановлювалися три пакети електродів. Як активна маса 7 газопоглинальних електродів використовувалося губчасте залізо. Ємність реакційної камери заповнювалася 20% розчином лугу густиною 1,21мг/л. Продуктивність установки по водню становила 0,5м 3/год, по кисню - 0,25м 3/год. Робочий тиск газів, що генеруються становив від 0,1 до 15МПа. Циклічний процес роздільного в часі генерування газів здійснювався автоматично регулюванням системою керування електроживлення, з підтримкою режимних параметрів при безперервній роботі установки. Установка включала джерело постійного струму 2,5кВт/год, електронний перемикач полярності електродного потенціалу, електронний компаратор контролю робочого діапазону напруг на електродах, електронний таймер контролю ча 36714 8 су дегазації, блок керування і контролю пристроями та механізмами дотримання штатних режимів роботи установки. Система монтувалася у відсіку силової електроніки корпуса електролізної установки. Запропонована електролізна установка дозволяє здійснювати роздільне циклічне одержання водню й кисню високого тиску (до 75МПа) без додаткового компримування вихідних газів. Установка забезпечує автономний режим безперервної роботи з одержанням промислового водню та кисню відповідно до вимог ДСТ. При цьому установка дозволяє одержувати гази при порівняно низьких енерговитратах з високою експлуатаційною надійністю. 9 Комп’ютерна в ерстка Л. Купенко 36714 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601