В свое время с помощью электролиза из расплавов солей удалось впервые выделить чистые калий, натрий и многие другие металлы.

Сегодня этот процесс применяют и в быту – для «добычи» водорода из воды. Технология более чем доступна, ведь прибор для электролиза воды представляет собой всего лишь контейнер с раствором соды, в который погружены электроды.

Электродами служат небольшие квадратные листы, вырезанные из оцинкованной стали или, лучше, из нержавейки марки 03Х16Н15М3 (AISI 316L). Обычная сталь будет очень быстро «съедена» электрохимической коррозией.

Прорезав ножом отверстие в стенке контейнера, нужно установить на нем два фильтра грубой очистки – подойдут «грязевики» (второе название – косой фильтр) или фильтры от стиральных машин.

Следом устанавливаются плата толщиной 2,3 мм и барботажная трубка.

Завершается создание электролизера установкой форсунки с затвором, расположенным со стороны платы.

Устройство с верхним расположением контейнера

Электроды выполняются из нержавеющего листа размером 50х50 см, который нужно разрезать болгаркой на 16 равных квадратов. Один угол каждой пластины подрезается, а в противоположном выполняется отверстие под болт М6.

Один за другим электроды одеваются на болт, а изоляторы для них нарезаются из резиновой или силиконовой трубки. Как вариант, можно воспользоваться трубкой от водяного уровня.

Контейнер фиксируется при помощи штуцеров и только после этого устанавливаются барботажная трубка и электроды с клеммами.

Модель с нижним расположением контейнера

В этом варианте сборку прибора начинают с нержавеющего основания, размеры которого должны соответствовать размерам контейнера. Далее устанавливают плату и трубку. Монтаж фильтров в данной модификации не требуется.

Затем к нижней плате нужно прикрепить 6-миллиметровыми винтами затвор.

Установка форсунки осуществляется посредством штуцера. Если все же принято решение установить фильтры, то для их крепления следует использовать пластиковые зажимы на резиновых прокладках.

Готовое устройство

Толщина изоляторов между пластинами-электродами должна составлять 1 мм. При таком зазоре сила тока будет достаточной для качественного электролиза, в то же время пузырьки газа смогут легко оторваться от электродов.

К полюсам источника питания пластины подключаются поочередно, например, первая пластина – к «плюсу», вторая – к «минусу» и т.д.

Устройство с двумя клапанами

Процесс изготовления 2-клапанной модели электролизера не отличается особой сложностью. Как и в предыдущем варианте, сборку следует начинать с подготовки основания. Выполняется оно из стальной листовой заготовки, которую нужно подрезать в соответствии с размерами контейнера.

К основанию прочно крепится плата (применяем винты М6), после чего можно устанавливать трубку для барботажа диаметром не менее 33 мм. Подобрав к устройству затвор, можно приступать к монтажу клапанов.

Пластиковый контейнер

Первый устанавливается на основании трубы, для чего в этом месте необходимо закрепить штуцер. Соединение уплотняется зажимным кольцом, после чего устанавливается еще одна пластина – она понадобится для фиксации затвора.

Второй клапан следует монтировать на трубе с отступом от края в 20 мм.

С появлением водяной системы отопления, воздушная система незаслуженно потеряла свою популярность, но сейчас снова набирает обороты. – рекомендации по проектированию и монтажу.

Все об изготовлении и использовании чудо-печи о солярке вы узнаете .

А в этой теме разберем разновидности счетчиков тепла для квартиры. Классификация, конструктивные особенности, цены на приборы.

Модели на три клапана

Эта модификация отличается не только количеством клапанов, но также и тем, что основание для нее должно быть особенно прочным. Применяется все та же нержавеющая сталь, но большей толщины.

Место для установки клапана №1 нужно выбирать на входной трубе (она подсоединяется прямо к контейнеру). После этого следует закрепить верхнюю пластину и вторую трубку барботажного типа. Клапан №2 устанавливают на конце этой трубки.

Штуцер при установке второго клапана нужно крепить с достаточной жесткостью. Также потребуется зажимное кольцо.

Готовый вариант водородной горелки

Следующий этап – изготовление и установка затвора, после чего к трубе прикручивают клапан №3. При помощи шпилек он должен соединяться с форсункой, при этом посредством прокладок из резины должна быть обеспечена изоляция.

Вода в чистом виде (дистиллированная) является диэлектриком и чтобы электролизер работал с достаточной производительностью, ее следует превратить в раствор.

Наилучшие показатели демонстрируют не солевые, а щелочные растворы. Для их приготовления в воду можно добавить пищевую или каустическую соду. Также подойдут некоторые средства бытовой химии, например, «Мистер Мускул» или «Крот».

Устройство с оцинкованной платой

Очень распространенная версия электролизера, применяющаяся, главным образом, в системах отопления.

Подобрав основание и контейнер, соединяют винтами (их понадобится 4 шт.) платы. Затем сверху на приборе устанавливают изолирующую прокладку.

Стенки контейнера не должны обладать электропроводимостью, то есть быть изготовленными из металла. Если есть необходимость сделать емкость высокопрочной, нужно взять пластиковый контейнер, и поместить его в того же размера металлическую оболочку.

Остается прикрутить контейнер шпильками к основанию, и установить затвор с клеммами.

Модель с оргстеклом

Сборку электролизера с применением заготовок из органического стекла назвать простой задачей нельзя – данный материал достаточно сложен в обработке.

Трудности могут подстерегать и на этапе поиска контейнера подходящего размера.

В углах платы высверливают по одному отверстию, после чего приступают к монтажу пластин. Шаг между ними должен составлять 15 мм.

На следующем этапе переходят к установке затвора. Как и в других модификациях, следует применять прокладки из резины. Только нужно учесть, что в данной конструкции их толщина должна составлять не более 2-х мм.

Модель на электродах

Несмотря на слегка настораживающее название, эта модификация электролизера также вполне доступна для самостоятельного изготовления. В этот раз сборку прибора начинают снизу, укрепляя на прочном стальном основании затвор. Контейнер с электролитом, как и в одном из вышеописанных вариантов, расположим сверху.

После затвора приступают к монтажу трубки. Если размеры контейнера позволяют, ее можно оснастить двумя фильтрами.

• лист не касается контейнера;
• расстояние между ним (листом) и зажимными винтами должно составлять 20 мм.

При таком исполнении генератора водорода электроды следует крепить к затвору, размещая по другую сторону от него клеммы.

Применение пластиковых прокладок

Вариант изготовления электролизера с прокладками из полимеров позволяет применить алюминиевый контейнер вместо пластикового. Благодаря прокладкам, он будет надежно изолирован.

Вырезая прокладки из пластика (понадобится 4 шт.), необходимо придать им форму прямоугольников. Они укладываются по углам основания, обеспечивая зазор в 2 мм.

Теперь можно приступать к установке контейнера. Для этого понадобится еще один лист, в котором просверливают 4 отверстия. Их диаметр должен соответствовать наружному диаметру резьбы М6 – именно такими винтами будет прикручиваться контейнер.

Стенки у алюминиевого контейнера жестче, чем у пластикового, поэтому для более надежного крепления под головки винтов следует подложить шайбы из резины.

Остается заключительный этап – установка затвора и клемм.

Модель на две контактные клеммы

К основанию, выполненному из стального или алюминиевого листа, прикрепите при помощи цилиндров или винтов пластиковый контейнер. После этого нужно установить затвор.

В этой модификации применяется игольчатая форсунка диаметром в 3 мм или чуть больше. Ее нужно установить на свое место, подсоединив к контейнеру.

Теперь при помощи проводников нужно присоединить клеммы прямо к нижней плате.

Последним элементом монтируется трубка, причем место, в котором она присоединяется к контейнеру, должно быть уплотнено зажимным кольцом.

Фильтры можно позаимствовать в поломанных стиральных машинах либо установить обычные «грязевики».

Еще на шпинделе нужно будет закрепить два клапана.

Электрификация дома – важный этап в обустройстве нового здания. – рекомендации профессиональных электриков.

Как изготовить простой теплоаккумулятор своими руками, вы узнаете . А также обвязка и настройка системы.

Схематическое представление

Схематичное описание реакции электролиза займет не более двух строк: положительно заряженные ионы водорода устремляются к отрицательно заряженному электроду, а отрицательно заряженные ионы кислорода – к положительному. Для чего вместо чистой воды приходится применять электролитический раствор? Дело в том, что для разрыва молекулы воды требуется достаточно мощное электрическое поле.

Соль или щелочь выполняет значительную часть этой работы химическим путем: атом металла, имеющий положительный заряд, притягивает к себе отрицательно заряженные гидроксогруппы ОН, а щелочной или кислотный остаток, имеющий отрицательный заряд – положительные ионы водорода Н. Таким образом, электрическому полю остается только растащить ионы к электродам.

Схема электролизера

Наилучшим образом электролиз проходит в растворе соды, одна часть которой разбавляется в сорока частях воды.

Наилучшим материалом для электродов, как уже говорилось, является нержавеющая сталь, а вот для изготовления пластин лучше всего подходит золото. Чем большей будет их площадь и чем выше сила тока – тем в большем объеме будет выделяться газ.

Прокладки можно делать из различных токонепроводящих материалов, но лучше всего для этой роли подходит поливинилхлорид (ПВХ).

Заключение

Электролизер может эффективно применяться не только в промышленности, но и в обиходе.

Вырабатываемый им водород можно превратить в топливо для приготовления пищи, или обогащать им бензо-воздушную смесь, повышая мощность автомобильных двигателей.

Несмотря на простоту принципиального устройства прибора, умельцы научились изготавливать целый ряд его разновидностей: любую из них читатель сможет изготовить собственноручно.

Видео на тему

Электролиз - это расщипление или очищение веществ под воздействием электрического тока. Это окислительно-восстановительный процесс, на одном из электродов - аноде - происходит процесс окисления - он разрушается, а на катоде - процесс восстановления - к нему притягиваются положительные ионы - катионы. При электролизе проходит электролитическая диссоциация - распад электролита (токопроводящего вещества) на положительно и отрицательно заряженные ионы (выделяют несколько степеней диссоциации).При включении тока происходит движение электронов от анода к катоду, при этом раствор электролита может обедняться (если он учавствует в процессе), его нужно постоянно пополнять. Окисляющийся анод может также растворяться в растворе электролита - тогда его частицы приобретают положительный заряд и притягиваются к катоду.

Анод - положительно заряженный электрод - на нем идет окисление
Катод - отрицательно заряженный электрод - на нем идет восстановление
Исходя из принципа, что разноименые заряды притягиваются, вместе с этим идет разделение или очищение вещества.

Материал электродов может быть различным, в зависимости от проиходящего процесса. Масса вещества которое получается при электрохимическом взаимодействии, определяется законами Фарадея и зависит от заряда (произведение силы тока на время протекания тока), также зависит от концентрации электролита от активности материалов, из которых сделаны электроды. Аноды бывают инертные - нерастворимые, не вступают в реакции и активные - сами участвуют во взаимодействии (применяются гораздо реже).

Для изготовления анодов применяют графит, углеграфитовые материалы, платину и ее сплавы, свинец и его сплавы, окислы некоторых металлов; используются титановые аноды с активным покрытием из смеси окислов рутения и титана, а также платины и её сплавов.

Нерастворимые аноды - это композиции на основе тантала и титана специальные сорта графита, двуокись свинца, магнетит. Для катодов обычно используется сталь.

Для процесса могут быть использованы следующие типы электролитов: водные растворы солей, кислот, оснований; неводные растворы в органических и неорганических растворителях; расплавленные соли; твердые электролиты. Электролиты бывают различной степени концентрации.

В зависимости от целей электролитических реакций, используют различные сочетания типов анодов и катодов: горизонтальные с жидким ртутным катодом, с вертикальными катодами и фильтруюшей диафрагмой, с горизонтальной диафрагмой, с проточным электролитом, с движущимися электродами, с насыпными электродами и т.д. В большинстве процессов стремятся использовать вещества образующиеся и на аноде, и на катоде, однако обычно один из продуктов менее ценен.

Электролиз находит огромное применение в промышленности, также он используется в медицине и народном хозяйстве.

Основные применения электролиза:

• Чистка воды для использования в народном хозяйстве,
• Очистка сточных вод использованных вод с химических производств.

Для получения веществ и металлов без примесей:

• Металлургия, гидрометаллургия - для производства алюминия и многих других металлов - алюминия из расплава оксида алюминия в криолите, электролизом получают магний (из доломита и морской воды), натрий (из каменной соли), литий, бериллий, кальций (из хлорида кальция), щелочные и редкоземельных металлы.
• В химической промышленности электролизом получают такие важные продукты как хлораты и перхлораты, надсерную кислоту и персульфаты, перманганат калия,
• Электролитическое выделение металла - электроэкстракция. Руда или концентрат определенными реагентами переводится в раствор, который после очистки направляют на электролиз. Так получают цинк, медь, кадмий.
• Электролитическое рафинирование. Из металла изготавливают растворимые аноды, примеси, содержащиеся в черновом металле анода выпадают в виде анодного шлама (медь, никель, олово, свинец, серебро, золото), при электролизе, а чистый металл выделяется на катоде.
• В гальванотехники - гальваностегия - получение покрытий но металлах, улучшающие их эксплуатационные или декоративные свойства и гальванопластика - получение точных металлических копий любых предметов;
• Для получения оксидных защитных пленок на металлах (анодирование); также электрохимическая обработка используется для полировки поверхности изделий и окрашивания металлов,
• Существует электрохимическая заточка режущих инструментов, электрополирование, электрофрезирование,
• также электролиз широко применяется в радиотехнике.

Выделяют электролиз водных растворов и расплавленных сред, а также производство самих электрохимических источников тока - батарей, гальванических элементов, аккумуляторов работоспособность которых восстанавливается пропусканием тока в направлении, противоположном тому, в котором ток протекал при разрядке.

Основные типы электролизных установок:

• Установки для получения и рафинирования алюминия;
• Электролизные установки ферросправного производства;
• Электролизеры никель-кобальтового производства;
• Установки для электролиза магния;

• Установки электролиза (рафинирования) меди;
• Установки для нанесения гальванических покрытий;
• Электролизные установки получения хлора;

• Электролизеры для обеззараживания воды.
• Электролизеры, производящие водород для атомных станций.. и т.п.

Побочным продуктов многих окислительно-восстановительных реакций является кислород.

При электролизе регулируют силу тока, его частоту и напряжение, даже полярность, эти параметры управляют скоростью и направленностью процессов. Реакция электролиза всегда проводится при постоянном токе, так как здесь очень важно постояноство полюсов. В очень редких случаях, когда полярность не значима используется переменный ток (например, при электролизе газов).

Современные алюминиевые электролизеры по конструкции катодного устройства подразделяют на

• Электролизеры с днищем и без днища,
• С набивной и блочной подиной;
• по способу токоподвода: с односторонней и двусторонней схемой ошиновки;
• по способу улавливания газов: на электролизеры открытого типа, с колокольным газоотсосом и укрытого типа.

К неудовлетворительным свойствам всех существующих конструкций алюминиевых электролизеров следует отнести недостаточно высокий коэффициент использования электроэнергии, непродолжительный срок их службы и недостаточную эффективность улавливания отходящих газов. Дальнейшее совершенствование конструкции электролизеров должно идти по пути увеличения его единичной мощности, механизации и автоматизации всех операций обслуживания, полного улавливания всех отходящих газов с последующей регенерацией их ценных компонентов.

Промышленные электролизные установки имеют множество типов конструкции, основные это мембранные и диафрагменные. Также выделяют сухие, мокрые и проточные электролизные установки. В общем виде установка - это закрытая система, содержащая электроды, помещенные в состав электролита, к которой подводится электрический ток с определенными характеристиками. Электролизные ячейки могут быть объединены в батарею. Существуют также биполярные электролизеры - где каждый электрод, за исключением крайних работает с одной стороны как анод, с другой стороны как катод.

Данное оборудование работает при различном давлении, в зависимости от типа реакции. Для получения некоторых веществ - например, при получении газов требуется регулировка давления или особые условия. Также нужно следить за давлением газов, которые являются побочным продуктом электролитических реакций. Электролизные установки, которые используются для получения водородв и кислорода на электростанциях работают под избыточным давлением до 10 кгс/см2 (1 МПа).
Установки также отличаются своей производительностью.

В некоторых их них используются прямоходные электрические механизмы . Например, они применяются для перемещения электродов, регулирования уровня электролита, перемещения резервуаров, ванн с электролитом и т.п . Один из примеров такой конструкции приведен на чертеже.

Все электролизные установки должны быть заземлены. Для работы большого промышленного электролизера нужен выпрямительный агрегат или преобразовательная подстанция для преобразования переменного тока в постоянный. Стационарное местное освещение в цехах (корпусах, залах) электролиза обычно не требуется. Исключение - основные производственные помещения электролизных установок получения хлора.

Технологии промышленного электролиза подразделяются на несколько типов:

• PFPB - технология электролиза с использованием обожженных анодов и точечных питателей
• CWPB - электролиз с использованием обожженных анодов и балки продавливания по центру
• SWPB - периферийная обработка электролизеров с обожженными анодами
• VSS - технология Содерберга с верхним токоподводом
• HSS - технология Содерберга с боковым токоподводом

Наибольший объем удельных выбросов из электролизеров приходится на процессы электролиза, в основе которых лежит технология Содерберга. Данная технология получила наибольшее распространение на алюминиевых заводах России и Китая. Объем удельных выбросов из таких электролизерах значительно выше относительно других технологий. Количество выбросов фторуглеродов сокращают в том числе и изучая технологические параметры анодного эффекта, снижение которого также влияет на количество выбросов.

Модели промышленных электролизеров

У углеродных анодов (а графит - это аллотоп углерода) - есть существенный недостаток - при проведении реакции они выбрасывают в атмосферу углекислый газ, тем самым загрязняя ее. В настоящее время особенно актуальна технология инертного анода, сейчас данную технологию тестирует известный производитель алюминия. Суть ее в том, что для используется не вступающий в реакции безуглеродный анод, и как побочный продукт в атмосферу выделяется не углекислый газ, а чистый кислород.

Данная технология существенно повышает экологичность производства, но пока она находится на этапе тестирования.

Несмотря на большое разнообразие электролитов, электродов, электролизеров, имеются общие проблемы технического электролиза. К ним следует отнести перенос зарядов, тепла, массы, распределение электрических полей. Для ускорения процесса переноса целесообразно увеличивать скорости всех потоков и применять принудительную конвекцию. Электродные процессы могут контролироваться путем измерения предельных токов.

ЭЛЕКТРОСПЕЦ

ЭЛЕКТРОСПЕЦ

Электрохимические и электрофизические установки,электролизные установки

Электролиз - это явление выделения вещества на электродах при прохождении через электролит тока, процессы окисления и восстановления на электродах, сопровождающиеся приобретением или потерей частицами вещества электронов.
Электролизер - это ванна, в которой процесс идет с поглощением электрической энергии.
Принцип действия можно рассмотреть на схеме электролизера с анодным растворением и катодным осаждением (рис. 1.3-1) .

Основными элементами установки являются: электролит (1), электроды (2) и источник питания (3).
Напряжение на электролизной ванне (U) состоит из трех состааляющих:

Около поверхности электродов образуется двойной электрический слой, который противодействует подходу и выходу ионов. Для ослабления противодействия применяются:
- циркуляция электролита, для выравнивания температуры;
- вибрация электродов;
- импульсный источник питания.
В промышленности электролиз металлов и исходная среда определяются электрическим потенциалом выделяемого металла.
Металлы с положительным потенциалом выделяют из твердой черновой основы путем ее растворения (например, медь с потенциалом «+0,34 В»).
Металлы с отрицательным потенциалом больше выделяют из растворов их солей (например, цинк с потенциалом «-0,76 В»).
Металлы с отрицательным потенциалом меньше выделяют из расплавов их солей (например, алюминий с потенциалом «-1,43»).
Примечание - Потенциалы металлов определены по отношению к «водороду», у которого электрический потенциал равен «нулю».
Электролиз меди применяется для получения чистой электролитической меди из черновой (полученной после плавки в печах) и дли извлечения ценных металлов, находящихся в ней.
Процесс ведется в электролизных ваннах.
Анодом является литая черновая медь в виде плит толщиной 35...45 мм и массой около 300 кг.
Катодом является электролитическая (чистая) медь в виде пластин толщиной 0,6...0,7 мм, подвешенных на ушках между анодами. Расстояние междусоседними анодами и катодами 35...40 мм.
Электролитом, которым заполняется ванна, является водный раствор медного купороса (CuSO 4), подкисленный серной кислотой (H 2 S0 4) для уменьшения сопротивления.

В целях выравнивания концентрации ионов меди у электродов и обеспечения необходимой температуры применяется прямая циркуляция электролита, который подается снизу и сливается сверху ванны.
Электролиз цинка применяется для получения высококачественного цинка (Zn) из водных растворов его солей.
Катодом являются алюминиевые пластины толщиной 4 мм. Анодом являются свинцовые пластины толщиной 5... 8 мм, с добавкой 1 % серебра для снижения коррозии.
Электролитом является 5...6% водный раствор сернокислого цинка (ZnS0 4) и серной кислоты (H 2 S0 4). Во время электролиза на катоде осаждается металлический цинк (Zn), который периодически снимают.
На аноде выделяется газообразный водород (Н), а в растворе образуется серная кислота (H 2 S0 4).

Снятие цинка с катодов производится до 2 раз в сутки, затем его промывают, формуют в пакеты и переплавляют в печах.
В процессе электролиза износ катодов составляет около 1,5 кг/т цинка, а анодов - 0,8... 1,5 кг/т цинка.
Резкое повышение падения напряжения на ванне (до 3,3...3,6 В) указывает на необходимость очистки анодов от шлама.
Такая необходимость очистки анодов - один раз в 20.. .25 дней, а катодов - один раз в 10 дней.
Шлам удаляется через отверстие в дне ванны.
В электролизном цехе ванны устанавливают рядом длинными бортами по 20...30 штук и соединяют в один блок.
Для поддержания заданной температуры ванны охлаждаются водой, подаваемой по алюминиевым или углеродистым змеевикам.
Для снижения выделения водорода на катоде в раствор добавляют поверхностно-активные вещества.
Электролиз алюминия применяется для получения качественного алюминия (Аl ) из расплавленных солей путем электролиза.
Анодом является угольный электрод, который расходуется в процессе электролиза, так как находится в сильно агрессивной среде.
Анод подвешивается на подвижной раме, которая автоматически перемещается по металлоконструкциям печи. Управляющим сигналом является потеря напряжения в электролите.
Электролитом является раствор оксида алюминия (AI 2 O 3) в расплавленном криолите (Na 3 АlF 6). Присутствие фтора (F 6) придает среде высокую агрессивность.
Катодом являются подовые блоки печи.
Ток к ванне подводится с двух сторон.
К аноду - по пакетам алюминиевых шин, по гибким медным токопроводам, по стальным штырам.
К катоду - по специальным токопроводам (блюмсам).
Размеры анода определяются заданной мощностью ванны и допустимой плотностью тока.

Электролизеры объединяют в серию из 160... 170 шт., причем 4...5 из них являются резервными.
Выливают металл из ванны вакуум-ковшами
Вылитый из ванн алюминий поступает в миксеры литейного корпуса, где он после усреднения и отстаивания разливается в слитки.

В настоящее время в России все большее количество объектов водоснабжения и водоотведения, а также производств, отказываются от применения товарного жидкого хлора и гипохлоритов, делая выбор в пользу организации собственного синтеза необходимых реагентов непосредственно на объектах применения.

Для производства требуется хлорид натрия (соль), вода, электроэнергия.

Причины подобного отказа:

1. Жидкий хлор очень опасен .

Несмотря на невысокую стоимость хлора, мероприятия и затраты, связанные с его использованием, в значительной степени усложняют и удорожают весь производственный процесс.

2. Товарный гипохлорит натрия (ГПХН 19%) очень дорог .

Стоимость 1 т. ГПХН марки А не превышает 20-30 тыс. руб. Однако, количество гипохлорита натрия, эквивалентное 1 т. хлора, составляет уже 100-150 тыс. руб. (так как гипохлорит содержит всего 15-19% активного хлора и имеет тенденцию к дальнейшему разложению).

Преимущества электролизного оборудования:

• отказ от расходов на обеспечение безопасности при транспортировке и хранении;
• при работе электролизного оборудования невозможны аварии, связанные с утечкой большого количества реагента. Объекты эксплуатации электролизных установок для синтеза хлорреагентов не относятся к ОПО и не включаются в соответствующий реестр;
• независимость от поставщика – реагент производится в необходимом количестве, производительность регулируется, что повышает энергоэффективность объекта;
• дешевое сырье – для синтеза можно использовать самую дешевую техническую соль. Это потребует установки дополнительного оборудования для очистки солевого раствора, поступающего в электролизеры, однако, эти затраты окупаются менее чем за 1 год за счет значительной экономии на сырье;
• получаемый реагент дешевле товарного;
• для объектов водоснабжения, использующих в качестве основного метода обеззараживания УФ установки – при внедрении УФ оборудования невозможно полностью отказаться от использования хлорреагента, так как необходимо обеспечить санитарное состояние сооружений и сетей, а также безопасность транспортировки воды потребителю. Электролизные установки совместно с УФ оборудованием полностью удовлетворяют потребность в хлоре, объект при этом исключается из реестра ОПО.

Электролизные установки производят разные реагенты:

• хлор или хлорную воду (Аквахлор, Аквахлор-Бекхофф, Аквахлор-Мембрана/Диафрагма);
• комбинированный дезинфектант с повышенной эффективностью – раствор оксидантов, содержащий хлор, диоксид хлора, озон (Аквахлор, Аквахлор-Бекхофф);
• низкоконцентрированный ГПХН 0,8% (ЛЭТ-ЭПМ, Аквахлор, Аквахлор-Бекхофф);
• высококонцентрированный ГПХН 15-19% (Аквахлор-Мембрана/Диафрагма).

Для целей обеззараживания воды подходят все эти реагенты. Ограничением является только pH подвергаемой обеззараживанию воды в точке ввода реагента – для воды с pH выше 7,5 рекомендуется использовать хлорную воду вместо гипохлорита, который малоэффективен в щелочной среде.

Остановимся подробнее на каждом типе оборудования ООО «ЛЭТ»:

Аквахлор и Аквахлор-Бекхофф:

• получаемый реагент обладает повышенной эффективностью;
• отдельные модули имеют небольшую производительность. Что позволяет гибко реагировать на
• потребность в реагенте. Оптимальная производительность комплекса – до 250-500 кг активного хлора в сутки;
• периодичность замены реакторов – 1 раз в 3-5 лет;
• простота обслуживания.

ЛЭТ-ЭПМ:

• неограниченная производительность комплексов;
• простота эксплуатации и невысокие требования к качеству сырья;
• периодичность замены (перепокрытия) электродного блока – 1 раз в год;
• реагент подходит для большинства объектов.

Аквахлор-Диафрагма:

• возможность получения хлорной воды и концентрированного ГПХН 19%, а также одновременного получения этих реагентов;
• периодичность замены электродного покрытия и диафрагмы – не более 1 раза в 10 лет;
• высокие требования к качеству солевого раствора;
• возможность промывки диафрагмы и возвращения в работу в случае загрязнения солевым раствором несоответствующего качества;

Аквахлор-Мембрана:

• неограниченная производительность комплекса (но не менее 50-100 кг/сут.);
• возможность получения хлора и концентрированного ГПХН 19% высокой чистоты, пригодной для синтеза;
• периодичность замены электродного покрытия и мембраны – не более 1 раза в 10 лет;
• очень высокие требования к качеству солевого раствора;
• в случае загрязнения мембраны требуется ее замена на новую;
• обслуживание оборудования требует квалифицированного персонала.

Себестоимость конечного продукта (по возрастанию, от меньшей к большей):

• Аквахлор-Диафрагма
• Аквахдлор-Мембрана
• Аквахлор/Аквахлор-Бекхофф
• ЛЭТ-ЭПМ

Электролиз – это явление выделения вещества на электродах при прохождении через электролит тока, процессы окисления и восстановления на электродах, сопровождающиеся приобретением или потерей частицами вещества электронов.

Электролизёр – это ванна, в которой процесс идёт с поглощением электрической энергии.

Принцип действия:

Рис. 1.1.

Основными элементами установки являются: электролит 1, электроды 2 и источник питания 3.

Напряжение на электролизной ванне (U) состоит из трёх составляющих:

U = U1 + Uак + Uэ, (1.1)

Uак – приэлектродное напряжение;

Uэ – напряжение в электролите.

Мощность, выделяющаяся в электролизной ванне (Рэв), определяется выражением:

Рэв = I(U1 + Uа + Uк + Il/σ), (1.2)

где I – ток в ванне, А;

Uа,Uк – падение напряжения на аноде и катоде, В;

l – расстояние между электродами, м;

σ – удельная проводимость электролита, 1/(Ом·м).

Только часть этой мощности расходуется на разложение вещества. Остальная мощность идёт на нагрев электролита и транспортировку ионов через раствор. Эффективность электролизного процесса оценивается выходом по энергии (Аэ, %).

Аэ=α·(Ат/U)·10 2 , (1.3)

где α – электрохимический эквивалент вещества;

Ат – выход металла по току, г/Дж;

U – напряжение на электролизёре, В.

Выход металла по току – это количество металла (г), выделяемое на единицу затраченной энергии (Дж).

Интенсивность процесса определяется электродной плотностью тока

jэ = I/S, (1.4)

где I – ток, А;

S – площадь погружённой в электролит части электрода, м2.

Около поверхности электродов образуется двойной электрический слой, который противодействует подходу и выходу ионов. Для ослабления противодействия применяются:

Циркуляция электролита, для выравнивания температуры;

Вибрация электродов;

Импульсный источник питания.

Электролиз является одним из видов технологических процессов. Сущность его заключается в выделении из электролита при протекании по нему постоянного тока частиц вещества и в осаждении их на погружённых в электролит электродах (электроэкстракция) или переносе вещества с одного электрода через электролит на другой (электролитическое рафинирование).

Электролиз применяется:

В цветной металлургии для получения лёгких металлов (алюминия, магния, кадмия и др.) и рафинирования тяжёлых металлов (меди, серебра, золота, никеля, свинца и др.);

В электрохимии для получения хлора, водорода, тяжёлой воды,

кислорода, фтора, калия, натрия и др.;

В машиностроении для нанесения защитных и декоративных покрытий металлических и неметаллических изделий (цинкование, никелирование, кадмирование, свинцевание, меднение, хромирование, серебрение, оксидирование и др.);

В чёрной металлургии для лужения жести и электролитической очистки.

В металлургии используется две разновидности электролиза: электролиз водных растворов и электролиз расплавленных солей. Первый применяется для получения и электролитического рафинирования металлов с низким нормальным потенциалом (цинк, хром, олово, никель, свинец, серебро) и осуществляется при температуре не выше 100 С, второй – для получения металлов с высоким нормальным потенциалом (магний, алюминий, щелочноземельные металлы) при температуре около 1000 С.

Электролиз проводится в специально оборудованных ваннах - электролизёрах. Напряжение на ванне составляет несколько вольт, а токи достигают десятков и сотен тысяч ампер. В целях экономичной канализации больших токов одинаковые ванны соединяются в серии последовательно, соответственно напряжению преобразовательной установки.

Изменение электрического сопротивления ванн из-за нагрева электролита, изменения его химического состава, утечек тока, нарушений нормального режима эксплуатации, вывода из работы отдельных ванн серии, а также изменений напряжения питающей сети вызывает необходимость регулирования электрических параметров. Для обеспечения заданной производительности электролизной установки применяют автоматическое регулирование напряжения, мощности и силы тока серии. Наиболее распространённым способом регулирования является поддержание постоянства силы тока серии.

В цветной металлургии к наиболее мощным установкам электролиза относятся серии ванн для получения алюминия и магния. Для получения алюминия используют электролизёры напряжением 4–5 В и токами 100–150 кА, напряжения серий составляет 450–850 В. Режимы работы электролизных установок продолжительные и непрерывные. При выводе отдельных ванн в ремонт они шунтируются специальными шинами. По категории надёжности установки относятся к первой категории. Некоторые из них, например установки электролиза алюминия, благодаря большой теплоёмкости ванн, допускают кратковременные (на несколько минут) перерывы, но длительная остановка может привести к застыванию электролита и значительному расстройству технологического процесса, на восстановление которого может понадобиться до 10 суток.

В электрохимии используются электролизёры с напряжениями от 2 до 10–12 В, а в некоторых случаях до 10–220 В (установки для разложения воды, выполненные по принципу фильтр-пресса, в которых все электроды соединяют последовательно). Напряжения серий ванн принимаются 150–850 В. При электролизе хлора ток ванн составляет 100–190 кА. Режим работы установок электрохимии непрерывный. Установки электрохимии относятся к первой категории надёжности. Для установок хлора особенно опасны перерывы в электроснабжении в периоды пуска.

В установках металлопокрытий напряжение ванн колеблется от 3,5 до 9–10 В и максимально 25 В. Токи ванн меняются в пределах 0,1–5 кА и выше. В большинстве случаев требуется регулирование величины тока в широких пределах. Различие в режимах работы отдельных ванн не допускает последовательного их включения. Ванны чаще всего питаются от общих магистралей напряжением 6–12 В через индивидуальные регулировочные реостаты. Установки металлопокрытий, используемые в поточных автоматических линиях, относятся к приёмникам первой категории, отдельные ванны – ко второй категории. Суммарная мощность преобразовательных установок в цехах металлопокрытий составляет 50–200 кВт. Источником питания их являются цеховые сети напряжением 380 В. Режимы работы установок циклические, связанные с загрузкой изделий в ванны и их разгрузкой.

Для промышленного электролиза применяют постоянный ток. Наряду с традиционными методами ведения электролиза на постоянном токе, применяют режимы, связанные с использованием токов сложной формы, периодическими изменениями постоянного тока. Питание установок электролиза постоянным током производится от генераторов постоянного тока, в том числе и униполярных, и от статических полупроводниковых преобразовательных агрегатов.

Преобразовательный агрегат состоит из силового трансформатора, одного, двух или четырех выпрямительных блоков, а также коммутационной, управляющей и вспомогательной аппаратуры (защита, сигнализация). Агрегаты с выпрямленным током до 6,25 кА имеют вентильный трансформатор с одной вторичной обмоткой, при токе 12,5 кА – с двумя, при токе 25 кА – с четырьмя обмотками и соответственно с одним, двумя и четырьмя выпрямительными блоками (рис. 1.1).

Рис. 1.1.

Для преобразовательных агрегатов применяются шестифазная нулевая схема с соединением вторичных обмоток трансформатора по схеме «две обратные звезды с уравнительным реактором» (рис. 1.2 а) и трёхфазная мостовая схема (рис. 1.2 б). Преобразовательные агрегаты малой мощности собираются по трёхфазной нулевой схеме (рис. 1.2 в).

Рис. 1.2.

Большинство электролизных установок требуют регулирования напряжения выпрямленного тока. Необходимость изменения напряжения на зажимах электролизной серии в нормальном режиме ее работы определяется следующими причинами:

а) изменением напряжения в питающей сети переменного тока;

б) изменением количества ванн в электролизной серии вследствие вывода некоторого количества ванн в ремонт либо шунтирования по технологическим причинам;

в) изменением режима работы ванн, в частности, при изменении силы тока или межэлектродного пространства.

В пусковых режимах электролизных установок обычно требуется регулирование напряжения в широких пределах. Причинами этого являются, во-первых, то обстоятельство, что серия электролиза, как правило, пускается не целиком, а частями или даже отдельными ваннами. Во-вторых, пусковой режим работы ванны может существенно отличаться от нормального рабочего. Так, например, алюминиевые ванны перед пуском обжигаются (без электролита) и на них бывает пониженное напряжение, зато в первый период после пуска напряжение на ваннах держится более высоким, чем в нормальном режиме.

Поэтому регулирование напряжения осуществляется двумя способами:

1. ступенчато преобразовательным трансформатором (ТДНПВ – трёхфазный, Д – дутьевое охлаждение, Н – с РПН, ПВ – преобразователь вентильный; ТМНПУ-У – с уравнительным реактором);

2. плавное регулирование осуществляется дросселем насыщения (ДН–6300, предел регулирования 49 В).

В преобразовательных подстанциях каждый вентиль защищается быстродействующим предохранителем.

Быстродействующий предохранитель обладает токоограничивающей способностью, т. е. время плавления FU значительно меньше, чем время нарастания тока к. з. до максимального значения.

В составе преобразовательной подстанции имеются: РУ переменного тока, преобразовательные агрегаты и РУ выпрямленного тока. От РУ переменного тока, помимо агрегатов и трансформаторов собственных нужд преобразовательных подстанций, в ряде случаев питаются и другие потребители электроэнергии предприятия.

Для компенсации реактивной мощности, генерируемой преобразовательными установками, используются продольная емкостная компенсация, резонансные фильтры, многофазные схемы выпрямления и компенсационные выпрямительные агрегаты.

Преобразовательные подстанции, питающие электролизные установки по производству алюминия, магния и хлора характеризуются значительным количеством параллельно работающих выпрямительных агрегатов и большой мощностью.

Выпрямительный агрегат является источником высших гармоник тока и напряжения, вызывающих ухудшение коэффициентов мощности и дополнительные потери электроэнергии, а также помехи в каналах связи и телевидения. Степень влияния высших гармоник обратно пропорциональна числу фаз выпрямления. С ростом мощности агрегата влияние увеличивается.

Увеличение числа фаз выпрямления приводит к исчезновению гармонических составляющих порядка ниже – 1.

Увеличение числа фаз выпрямления достигается специальным выполнением обмоток либо созданием эквивалентного многофазного режима для групп агрегатов, каждый из которых работает в шестифазном режиме выпрямления. В качестве оптимальной принята двенадцатифазная схема выпрямления.

Для других производств, имеющих электролизеры на меньший ток, характерна работа одиночных агрегатов на каждую электролизную серию.

При небольшом количестве (2–4) агрегатов РУ переменного тока подстанции обычно имеет одиночную секционированную систему шин (рис. 1.3).

Рис. 1.3.

При большом числе преобразовательных агрегатов предпочтение отдается РУ с двойной системой шин (рис. 1.4).

Рис. 1.4.

Двойная система шин предпочтительна так же по условиям обеспечения пусковых режимов. Для большинства электролизных установок в пусковом режиме требуется регулирование выпрямленного напряжения в значительных пределах. Если выпрямительные агрегаты не могут обеспечить необходимого диапазона, то для дополнительного снижения напряжения временно, на пусковой период, устанавливают понижающий трансформатор. При двух системах сборных шин на одну из них через автотрансформатор подается пониженное напряжение, необходимое для преобразовательных агрегатов, а на другой системе шин поддерживается нормальное напряжение, необходимое для других потребителей электроэнергии.

Преобразовательные подстанции большой мощности обычно получают питание от понижающих трансформаторов 220/10 кВ мощностью 180–200 МВА, имеющих на стороне низшего напряжения расщепленные обмотки. Для уменьшения токов к. з. на шинах 10 кВ применяют раздельную работу расщепленных обмоток.

Высокие требования к бесперебойности питания электролизных установок вынуждают применять в системах их питания повышенное резервирование, которое достигается за счет секционирования всех звеньев системы электроснабжения, применения двойной системы сборных шин, установки секционных выключателей с устройством АВР.

Преобразовательные агрегаты мощных электролизных установок присоединяют к серии непосредственно без коммутационной аппаратуры. Установки сравнительно небольшой мощности подключают с использованием автоматических выключателей, являющихся одновременно и защитной аппаратурой агрегата. Сильноточная коммутационная аппаратура применяется так же при подпитке током серий или отдельных электролизеров, шунтировании ванн при гашении анодных вспышек, выводе их в ремонт и т. п.

Быстродействующие автоматические выключатели серии ВАБ и ВАТ используются для оперативных отключений без нагрузок и редких отключений под нагрузкой. Они состоят из унифицированных узлов-блоков, укомплектованы однотипными реле и блоками управления. Выключатели серии ВАТ отличаются от серии ВАБ наличием индукционно-динамического привода. Быстродействие привода обеспечивается тем, что удерживающий магнитный поток вытесняется в параллельный участок магнитной цепи.

К электролизным ваннам ток от источников питания подводится по специальным шинопроводам, состоящим из собранных в пакеты отдельных прямоугольных шин. Обычно шинопроводы выполняются из алюминиевых шин, медь применяется только там, где алюминий непригоден вследствие его малой антикоррозионной стойкости.

Сечения шинопроводов определяют, исходя из экономической плотности тока. Рассчитанное сечение шинопровода затем проверяют на допустимое значение потерь напряжения (не более 3 %), допустимый нагрев в установившемся режиме (не выше 343 К) и на механическую прочность.

Поскольку рабочие токи электролизных ванн достигают десятков и сотен килоампер, сечение шинопровода также получается большим – до 15 дм2.

Шинопроводы, подводящие электроэнергию от выпрямительной подстанций к электролизному цеху, монтируются на специальных эстакадах. Между отдельными электролизными ваннами внутри цеха шинопроводы прокладывают в специальных шинных каналах, закрытых железобетонными плитами.

Особенности преобразовательных подстанций:

1. Все преобразовательные агрегаты на подстанции работают параллельно на одну систему выпрямленных шин;

2. Количество трансформаторов на мощных преобразовательных подстанциях может достигать 10–11 штук;

3. Преобразовательные подстанции, располагаются в непосредственной близости от корпуса электролиза и выполняются в виде пристроенных или отдельностоящих.

Пристроенные подстанции:

«+» – малая длина токопровода со стороны выпрямленного тока (снижение потерь);

«–» – ухудшение условий охлаждения.

Отдельностоящие подстанции: всё наоборот.

Выводы: электролиз - физико-химический процесс, который возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита. Электролиз применяется в цветной и черной металлургии, в электрохимии и машиностроении