一種用于輕水電解法制取超輕水的設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于輕水電解法制取超輕水的設(shè)備，包括低溫?zé)o隔膜減容電解槽和氫氧催化合成反應(yīng)器，其特征是由電解槽箱體和列管式冷凝器組成，無隔膜電解槽為箱式結(jié)構(gòu)，分為上中下三段，下段為電解槽體，槽內(nèi)電極板為板狀結(jié)構(gòu)；陰陽極均為鍍鎳鐵板；電解槽箱體四周為冷卻水套，電解槽極板上方為中段冷卻箱體；電解槽頂部接有列管式冷凝器為圓拄型；氫氧催化合成反應(yīng)器，其為圓柱形結(jié)構(gòu)；反應(yīng)器底部裝有噴嘴，噴嘴由內(nèi)外噴嘴組成，噴嘴上方為氣體擴散區(qū)、阻火區(qū)、催化合成區(qū)、合成區(qū)；反應(yīng)器外裝有冷卻水套，反應(yīng)器上方裝有銅制防爆膜法蘭；內(nèi)噴嘴為氕氧混合氣流道，外噴嘴為空氣流道。本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理，實用性強，是理解的輕水電解法制取超輕水的設(shè)備。
【專利說明】—種用于輕水電解法制取超輕水的設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及水處理【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種用于輕水電解法制取超輕水的設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，超輕水(氘含量=125PPm)作為一種防癌保健的功能性飲用水，已進(jìn)入歐洲、美國和日本高端市場，電解法制取超輕水是一種先進(jìn)的方法。2005年美國專利(US2005/0109604 Al)公開了 Zlotopolskt ''以海水為原料生產(chǎn)貧氘水的設(shè)備"的發(fā)明，該專利采用工業(yè)電解槽電解產(chǎn)生的氫和氧分別送入作為合成反應(yīng)器的燃料電池，氫和氧在燃料電池內(nèi)化合產(chǎn)生超輕水，合成反應(yīng)器采用了燃料電池，技術(shù)雖然先進(jìn)但其設(shè)備復(fù)雜，成本高，投資較大，目前還難以產(chǎn)業(yè)化。目前制氫的方法很多，工業(yè)電解水是以堿液為介質(zhì)，采用加壓，高溫方法電解制取氫氣，是發(fā)展比較成熟的一種操作簡單的方法，電解水制氫存在的最大的問題是槽電壓過高，導(dǎo)至電能消耗增大，進(jìn)而導(dǎo)至成本增加。
[0003]另一種電解槽是用于重水濃縮的無隔膜電解槽，源于《反應(yīng)堆重水在濃縮的工業(yè)方法》，該文獻(xiàn)發(fā)表于“原子能科學(xué)技術(shù)” 1.14 (1976)，該電解槽選用了無隔膜圓拄型結(jié)構(gòu)，高度為1770mm，容量為135.8升，每次運行可裝了 120升，分離系數(shù)為10.6-10.8，陽極高1500mm,外徑400mm,材質(zhì)為10號鋼鍍鎳,外陰極為碳鋼，陰陽極間距為6mm,內(nèi)陰極高500mm,陰極外面裝一水套，內(nèi)陰極也為一冷卻水套，以降低電解液溫度，該電解槽的結(jié)構(gòu)使陰、陽極在電解過程中始中曝露在氕氧混合氣中，一旦電路出問題易發(fā).生爆炸，非常不安全。
[0004]工業(yè)制氫電解槽設(shè)計時并沒有考慮氕氘分離的問題，電解氫對氘的含量是沒有要求的，工業(yè)制氫是在高溫或加壓下運行，電解液循環(huán)使用，氕氘分離系數(shù)很低，電解氫中氘的含量大約在IOOppm以上，工業(yè)電解槽的結(jié)構(gòu)已不能滿足對氕氘分離有特殊要求的領(lǐng)域，
[0005]減容電解法生產(chǎn)的氕和氧很容易爆炸，現(xiàn)有技術(shù)難以保證超輕水水產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)以及安全方面的需要。因此研制一種結(jié)構(gòu)合理，`安全可靠的水無隔膜減容電解槽和氫氧催化合成反應(yīng)器是必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目地是提供一種安全，可靠，用于超輕水生產(chǎn)的低溫?zé)o隔膜減容電解槽和氫氧催化合成反應(yīng)器主要設(shè)備。
[0007]—種用于輕水電解法制取超輕水的設(shè)備，包括低溫?zé)o隔膜減容電解槽和氫氧催化合成反應(yīng)器。其中，在低溫下運行的低溫?zé)o隔膜減容電解槽，由電解槽箱體和列管式冷凝器組成，無隔膜電解槽為箱式結(jié)構(gòu)，長寬高為650X 550X 210mm分為上中下三段，三段高度均為700_，段與段之間用方形法蘭連接。下段為電解槽體，槽內(nèi)電極板為板狀結(jié)構(gòu)，陰陽極各48片，電解槽中并列的電解小池兩端用上中下三行共9根長羅桿通過端板緊固連接，陰陽極段板焊有截面積45 X 55mm軟鐵引出電極，并由直徑30mm的紫銅棒通過電解槽箱體引出，并由壓帽和聚四氟乙烯墊圈密封。陰陽極之間由聚四氟乙烯墊圈隔開，形一個個電解小池，有48個小池組成雙極性無隔膜電解槽，陰陽極間距為5mm，陰陽極板厚為3mm，面積為350 X 460mm,為增加電解效率，采用打孔平板電極，陰陽極板鉆18 X 24個孔，孔徑為5_。陰陽極均為鍍鎳鐵板，陰極經(jīng)過鍍鎳活化處理后可降低電解小室的電解電壓，陽極鍍鎳可增加析氧的效果，電解槽供電電壓為100V，電流為125A直流電。電解槽箱體四周為冷卻水套，電解槽極板上方為中段冷卻箱體，為列管式冷凝器，內(nèi)有15X21根列管，管徑為25mmX2mm，上段裝有防泡沫篩網(wǎng)，頂部設(shè)出氣口和進(jìn)料口，頂部裝有橡膠膜防爆法蘭和
0.1MPa槽壓力表或壓力傳感器，電解槽裝有翻拄式磁浮子液面計監(jiān)測槽液水位。電解槽頂部接有列管式冷凝器為圓拄型、直徑160mm、高600mm。內(nèi)裝13根直徑25mm列管。電解槽箱體冷卻水套，列管冷凝器箱體，頂部列管冷凝器由冰機制冷。電解槽內(nèi)電解液的溫度控制在6-18°C之間。
[0008]所述的氫氧催化合成反應(yīng)器,其為圓柱形結(jié)構(gòu),直徑為150mm,高度為1850mm。反應(yīng)器底部裝有噴嘴，噴嘴由內(nèi)外噴嘴組成，噴嘴上方為氣體擴散區(qū)、阻火區(qū)、催化合成區(qū)、合成區(qū)內(nèi)裝有合成催化劑。各區(qū)高度依次為300mm、750mm、800mm，反應(yīng)器直徑為150mm。反應(yīng)器外裝有冷卻水套，反應(yīng)器上方裝有銅制防爆膜法蘭。內(nèi)噴嘴為氕氧混合氣流道，外噴嘴為空氣流道，在合成反應(yīng)時補充空氣，控制空氣流速在8-15立方米/時、以稀釋氕氧混合氣，并使氕氣、氧氣與空氣混合氣體在反應(yīng)器內(nèi)保持足夠線速度、防止反應(yīng)高溫區(qū)下移產(chǎn)生回火爆炸。氕氣在富氧狀態(tài)下經(jīng)催化反應(yīng)生成的水蒸氣經(jīng)過冷凝后生成超輕水。
[0009]合成反應(yīng)所用催化劑為親水型氫氧合成催化劑，載體為直徑為2-4毫米的球型顆粒，，催化劑活性組分鈀含量為0.2-0.4%，催化劑的堆積密度為0.43-0.48?；钚越M分浸潰在小球上，并深入小球內(nèi)部。該催化劑活性高、合成反應(yīng)起始溫度低。
[0010]合成反應(yīng)器阻火層由花板支撐高750mm，它里面裝有細(xì)粒的阻火填料，粒度是 0.8-1.6毫米的石英砂，阻火層的厚度為合成反應(yīng)器直徑的5-7倍。
[0011]反應(yīng)器底部裝有噴嘴，噴嘴由內(nèi)外噴嘴組成，噴嘴上方為氣體擴散區(qū)、阻火區(qū)、催化合成區(qū)、合成區(qū)，內(nèi)裝有合成催化劑。
[0012]合成反應(yīng)器阻火區(qū)內(nèi)裝有填料，填料顆粒度是0.8-1.6 mm石英砂。合成區(qū)內(nèi)裝有自行研制的氫氧合成親水型催化劑、直徑2-4毫米球型顆粒。電解槽電解生成的氧、氕(氘)混合氣經(jīng)干燥，阻火器送入合成反應(yīng)器，在合成反應(yīng)器中經(jīng)催化合成水。
[0013]本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下特點:
[0014]1、采用自行設(shè)計的低溫減容電解槽，采用箱式結(jié)構(gòu)，分為上中下三段，下段為電解室，中段為列管式冷卻箱體，上段提供了足夠的緩沖空間，在電解槽上方增加了一箱體使在電解過程中極板始終保持在電解液中、電解槽頂部按有防泡沫篩網(wǎng)。
[0015]2、電解槽下段裝有冷卻水套，中段為列管式冷凝器，電解溫度控制在6-18度之間，故增加了冷卻系統(tǒng)，由冰機制冷載冷劑循環(huán)冷卻電解槽電解液，確保電解槽在低溫下運行。
[0016]3、槽內(nèi)電極板為板狀結(jié)構(gòu)，陰陽極各48片，陰陽極之間由聚四氟乙烯墊圈隔開，形一個個電解小池，共有48個小池組成成雙極性無隔膜減容電解槽。
[0017]4、采用打孔平板電極，陰陽極板鉆18 X 24共432個孔，孔徑為5mm。陰陽極均為鍍鎳鐵板，陰極經(jīng)過鍍鎳活化處理后可降低電解小池的電解電壓，陽極鍍鎳可增加析氧的效
果O[0018]5、為保證電解安全，在電解槽上方裝有橡膠膜防爆法蘭。
[0019]6、電解槽上方裝有避免水汽帶出電解槽的列管式回流式冷凝器。
[0020]7、采用了自行設(shè)計的催化合成反應(yīng)器、反應(yīng)器底部裝有噴嘴，噴嘴由內(nèi)外噴嘴組成，噴嘴上方為氣體擴散區(qū)、阻火區(qū)、催化合成區(qū)、合成區(qū)內(nèi)裝有合成催化劑。各區(qū)高度依次為 300mm、750mm、800mm,反應(yīng)器直徑為 150mm。
[0021]8、反應(yīng)器外裝有冷卻水套，反應(yīng)器上方裝有銅制防爆膜法蘭。
[0022]9、內(nèi)噴嘴為氕氧混合氣流道，外噴嘴為空氣流道，在合成反應(yīng)時補充干燥空氣，控制空氣流速在8-15立方米/時、以稀釋氕氧混合氣，并使氕氣、氧氣與空氣混合氣體在反應(yīng)器內(nèi)保持足夠線速度、防止反應(yīng)高溫區(qū)下移產(chǎn)生回火爆炸。氕氣在富氧狀態(tài)下經(jīng)催化反應(yīng)生成超輕水、
[0023]10、合成反應(yīng)所用催化劑為親水型氫氧合成催化劑，載體為直徑為2-4毫米的球型顆粒，，催化劑活性組分鈀的含量為0.2-0.4%，催化劑的堆積密度為0.43-0.48?；钚越M分浸潰在小球上，并深入小球內(nèi)部。該催化劑活性高、合成反應(yīng)起始溫度低。
[0024]11、合成反應(yīng)器阻火層由花板支撐高750_，它里面裝有細(xì)粒的阻火填料，粒度是
0.8-1.6毫米石英砂，阻火層的厚度為合成反應(yīng)器直徑的5-7倍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是低溫?zé)o隔膜減容電解槽結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖2是氫氧催化合成反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖中:A-電解槽體，A-1-電解槽極板，A-2-極板緊固螺栓，A_3_電極引出端，A-4-電解槽冷卻水套，A-5-冷卻水入口，A-6-放料口，A-7-冷卻水出口，B-列管冷凝器，B-1-冷卻水出口，B-箱體連接法蘭，B-3-冷卻水入口，C-上段緩沖箱體，C-1-測溫點，C-2-壓力表，C-3-防泡沫篩網(wǎng)，C-4-加料口，C-5-列管冷凝器接口，C-6-橡膠膜防爆法蘭。
[0028]D-噴嘴，D-1-內(nèi)噴嘴，D-2-外噴嘴，E-氣體擴散區(qū)，F(xiàn)-阻火區(qū)，F(xiàn)-1-阻火區(qū)熱電偶，G-冷卻水套，G-1-冷卻水入口，G-2-冷卻水出口，H-反應(yīng)區(qū)，H-1-反應(yīng)區(qū)中部測溫?zé)犭娕?，H-2-反應(yīng)區(qū)上部測溫?zé)犭娕迹?-1-汽相測溫?zé)犭娕迹?-2-冷凝器接口，1-3-反應(yīng)器銅箔防爆法蘭。
【具體實施方式】
[0029]如圖1、2所示，本發(fā)明提供的催化合成反應(yīng)器是圓柱形結(jié)構(gòu)，直徑為150mm，高度為1850mm。全部為304#不銹鋼制造。反應(yīng)器底部裝有噴嘴，噴嘴由內(nèi)外噴嘴組成，噴嘴上方為氣體擴散區(qū)、阻火區(qū)、催化合成區(qū)、合成區(qū)內(nèi)裝有合成催化劑。各區(qū)高度依次為300mm、750mm、800mm，反應(yīng)器的催化合成區(qū)外裝有冷卻水套，高度為900mm，。合成反應(yīng)器阻火區(qū)內(nèi)裝有填料，填料顆粒度是0.8-1.6 mm石英砂。合成區(qū)內(nèi)裝有氫氧合成親水型催化劑、直徑2-4毫米球型顆粒，，催化劑活性組分為鈀含量為0.2-0.4%，催化劑的堆積密度為
0.43-0.48。反應(yīng)器上方裝有銅質(zhì)防爆膜法蘭，反應(yīng)器出口裝有冷凝器、內(nèi)噴嘴為氕氧混合氣流道，外噴嘴為空氣流道，在合成反應(yīng)時補充干燥空氣，控制空氣流速在8-15立方米/時、以稀釋氕氧混合氣，并使氕氧混合氣與空氣混合氣體在反應(yīng)器內(nèi)保持足夠線速度、防止反應(yīng)高溫區(qū)下移產(chǎn)生回火爆炸。氕氣在富氧狀態(tài)下經(jīng)催化反應(yīng)生成水蒸氣。[0030]電解槽由電解槽箱體和列管式冷凝器2部分組成，全套裝置為不銹鋼制造。無隔膜電解槽為箱式結(jié)構(gòu)，長寬高為650 X 550 X 210mm分為上中下三段，三段高度均為700mm，段與段之間用方形法蘭連接。下段為電解槽體，槽內(nèi)電極板為板狀結(jié)構(gòu)，陰陽極各48片，電解槽中并列的電解小池兩端用上中下三行共9根長羅桿通過端板緊固連接，陰陽極段板焊有截面積45 X 55mm軟鐵引出電極，直徑30mm的紫銅棒通過電解槽箱體引出，并由壓帽和聚四氟乙烯墊圈密封。各個電解小池陰陽極之間由聚四氟乙烯墊圈隔開，電解液和密封墊組成一個電解小池，共有48個小池組成雙極性無隔膜電解槽，陰陽極間距為5mm，陰陽極板厚為3mm，面積為350 X 460mm，電流設(shè)計密度為lOOOA/cm2，為增加電解效率，采用打孔平板電極，每片陰陽極板各鉆18X24共432個孔，孔徑為5_。陰陽極均為鍍鎳鐵板，陰極經(jīng)過鍍鎳活化處理后可降低電解小池的電解電壓，陽極鍍鎳可增加析氧的效果，電解槽供電電壓為100V，電流為125A直流電，由開關(guān)電源提供，每個電解小池的電解電壓約為兩伏。電解槽箱體四周為冷卻水套，電解槽極板上方為中段冷卻箱體，為列管式冷凝器，內(nèi)有15X21共315根列管，管徑為25mmX2mm，上段裝有防泡沫篩網(wǎng)，頂部設(shè)出氣口和進(jìn)料口，頂部裝有橡膠膜防爆法蘭和0.1MPa槽壓力表或壓力傳感器，電解槽裝有翻拄式磁浮子液面計監(jiān)測槽液水位。電解槽頂部接有列管式冷凝器為圓拄型、直徑160mm、高600mm。內(nèi)裝13根直徑25_列管。電解槽箱體冷卻水套，列管冷凝器箱體，頂部列管冷凝器均由冰機制冷。電解槽內(nèi)電解液的溫度控制在6-18°C之間。電解槽可裝電解液體積360L，電解液濃度為7%，含氫氧化鉀25kg，一小時電解水2kg，產(chǎn)氕氣2.位方米，其中氘的含量約為20-25ppm，氧氣為
1.2立方米。電解產(chǎn)生的低氘氕氣和氧由列管冷凝器輸出到氫氧合成反應(yīng)器合成超輕水。
[0031]催化合成反應(yīng)器為圓柱形結(jié)構(gòu)，直徑為150mm,高度為1850mm。全部為304#不銹鋼制造。本反應(yīng)器催化合成水的設(shè)計能力為每小時合成2.位方米的氫氣和1.2立方米的氧，產(chǎn)水2個立升。反應(yīng)器底部裝有噴嘴，噴嘴由內(nèi)外噴嘴組成，噴嘴上方為氣體擴散區(qū)、阻火區(qū)、催化合成區(qū)、合成 區(qū)內(nèi)裝有合成催化劑。各區(qū)高度依次為300mm、750mm、800mm,反應(yīng)器外裝有冷卻水套，合成反應(yīng)器阻火區(qū)內(nèi)裝有填料，填料顆粒度是0.8-1.6 mm石英砂。合成區(qū)內(nèi)裝有自行研制的氫氧合成親水型催化劑、直徑2-4毫米球型顆粒，，催化劑活性組分鈀含量為0.2-0.4%，催化劑的堆積密度為0.43-0.48。反應(yīng)器上方裝有銅質(zhì)防爆膜法蘭，反應(yīng)器出口裝有冷凝器、內(nèi)噴嘴為氕氧氣混合氣流道，噴嘴氕氧氣混合氣流速為30-35米/秒，氣體流速過大會增加氣流阻力。外噴嘴為空氣流道，在合成反應(yīng)時補充干燥空氣，控制空氣流速在8-15立方米/時、以稀釋氕氧混合氣，并使氕氧混合氣與空氣混合氣體在反應(yīng)器內(nèi)保持足夠線速度、防止反應(yīng)高溫區(qū)下移產(chǎn)生回火爆炸。過量的空氣可使氕氧反應(yīng)完全。尾氣氕氣含量可控制在IOOppm以下，合成反應(yīng)器工作期間合成反應(yīng)器的出口溫度在200°C -250°C,合成區(qū)溫度在400°C _600°C，阻火區(qū)、混合區(qū)溫度在25V -40°C.合成反應(yīng)器的出口壓力在
0.01-0.02MPa。氕氣在富氧狀態(tài)下經(jīng)催化反應(yīng)生成超超輕水。
【權(quán)利要求】
1.一種用于輕水電解法制取超輕水的設(shè)備，包括低溫?zé)o隔膜減容電解槽和氫氧催化合成反應(yīng)器，其特征在于， 在低溫下運行的低溫?zé)o隔膜減容電解槽，由電解槽箱體和列管式冷凝器2部分組成，無隔膜電解槽為箱式結(jié)構(gòu)，分為上中下三段，段與段之間用方形法蘭連接；下段為電解槽體，槽內(nèi)電極板為板狀結(jié)構(gòu)，電解槽中并列的電解小池兩端用上中下三行共9根長羅桿通過端板緊固連接，陰陽極段板焊有截面積45X55mm軟鐵引出電極，并由直徑30mm的紫銅棒通過電解槽箱體引出，并由壓帽和聚四氟乙烯墊圈密封；陰陽極之間由聚四氟乙烯墊圈隔開，形成電解小池；采用打孔平板電極；陰陽極均為鍍鎳鐵板；電解槽箱體四周為冷卻水套，電解槽極板上方為中段冷卻箱體，為列管式冷凝器，上段裝有防泡沫篩網(wǎng)，頂部設(shè)出氣口和進(jìn)料口，頂部裝有橡膠膜防爆法蘭和0.1MPa槽壓力表或壓力傳感器，電解槽裝有翻拄式磁浮子液面計監(jiān)測槽液水位；電解槽頂部接有列管式冷凝器為圓拄型；電解槽箱體冷卻水套，列管冷凝器箱體，頂部列管冷凝器由冰機制冷； 所述的氫氧催化合成反應(yīng)器，其為圓柱形結(jié)構(gòu)；反應(yīng)器底部裝有噴嘴，噴嘴由內(nèi)外噴嘴組成，噴嘴上方為氣體擴散區(qū)、阻火區(qū)、催化合成區(qū)、合成區(qū)內(nèi)裝有合成催化劑；反應(yīng)器外裝有冷卻水套，反應(yīng)器上方裝有銅制防爆膜法蘭；內(nèi)噴嘴為氕氧混合氣流道，外噴嘴為空氣流道； 合成反應(yīng)器阻火層由花板支撐高750mm，阻火層的厚度為合成反應(yīng)器直徑的5_7倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于輕水電解法制取超輕水的設(shè)備，其特征在于， 無隔膜電解槽為箱式結(jié)構(gòu)，長寬高為650X550X210mm;分為上中下三段，三段高度均為 700mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的一種用于輕水電解法制取超輕水的設(shè)備，其特征在于， 槽內(nèi)電極板為板狀結(jié)構(gòu)，陰陽極各48片，形成48個小池組成雙極性無隔膜電解槽，陰 陽極間距為5mm,陰陽極板厚為3mm,面積為350X460mm ;采用打孔平板電極，陰陽極板鉆18X24個孔，孔徑為5mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于輕水電解法制取超輕水的設(shè)備，其特征在于，圓柱形結(jié)構(gòu)，直徑為150mm,高度為1850mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于輕水電解法制取超輕水的設(shè)備，其特征在于，噴嘴上方為氣體擴散區(qū)、阻火區(qū)、催化合成區(qū)、合成區(qū)內(nèi)裝有合成催化劑；各區(qū)高度依次為300mm、750mm、800mm,反應(yīng)器直徑為 150mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求3述的一種用于輕水電解法制取超輕水的設(shè)備，其特征在于，圓柱形結(jié)構(gòu)，直徑為150mm,高度為1850mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求3述的一種用于輕水電解法制取超輕水的設(shè)備，其特征在于，噴嘴上方為氣體擴散區(qū)、阻火區(qū)、催化合成區(qū)、合成區(qū)內(nèi)裝有合成催化劑；各區(qū)高度依次為300mm、750mm、800mm,反應(yīng)器直徑為150mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求4述的一種用于輕水電解法制取超輕水的設(shè)備，其特征在于，噴嘴上方為氣體擴散區(qū)、阻火區(qū)、催化合成區(qū)、合成區(qū)內(nèi)裝有合成催化劑；各區(qū)高度依次為300mm、750mm、800mm,反應(yīng)器直徑為150mm。
【文檔編號】C25B1/04GK103849884SQ201210496800
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月28日
【發(fā)明者】柯香文 申請人:柯香文