Электрическая цепь электролизера и способ уменьшения электромагнитных полей поблизости от электролизера

011017 Изобретение касается электролизеров, в частности, электропитания таких электролизеров. Более конкретно, изобретение относится к электрической цепи для подачи выпрямленного электрического тока на электролизер с биполярными электродами. В электрохимической промышленности обычно применяют электролизеры, питаемые постоянным током, в частности, с биполярными электродами. Такие электролизеры обычно применяют для проведения электролиза водных растворов хлорида натрия с целью получения хлора, водных растворов гидроксида натрия или водных растворов хлората натрия. Ввиду высоких плотностей тока, применяемых в электролизерах с биполярными электродами, выпрямленный переменный ток обычно заменяют постоянным током. Выпрямленный переменный ток нормально имеет фазы, частота и амплитуда которых зависят от используемого выпрямителя. К тому же известно, что сильные электромагнитные поля, особенно те, которые создаются выпрямленным переменным током, могут иметь вредные последствия для человеческого организма в экстремальных условиях из-за наведенных токов, которые они опасно генерируют в организме. Поэтому важно принимать меры по защите персонала поблизости от промышленных установок или уменьшению там напряженности электромагнитных полей. Кроме того, в этом отношении были выпущены стандарты,требующие, чтобы напряженность электромагнитных полей в производственных помещениях была уменьшена. Среди этих стандартов особенно строгим является Европейский стандарт 89/391/ЕЕС. Задача изобретения состоит в том, чтобы предложить электрическую цепь новой конструкции для обеспечения промышленного электролизера сильным электрическим током. В частности, задача изобретения состоит в том, чтобы предложить электрическую цепь, с помощью которой электромагнитное поле поблизости от электролизера уменьшается до достаточно низкой величины для того, чтобы соответствовать вышеупомянутому Европейскому стандарту. Более конкретно, задача изобретения состоит в том, чтобы уменьшить напряженность электромагнитного поля в проходах, идущих вдоль боковых стенок электролизеров с биполярными электродами. Следовательно, изобретение относится к электрической цепи для уменьшения электромагнитных полей поблизости от электролизера, содержащей первичную электрическую цепь, включающую в себя сам электролизер и электрическую линию, содержащую по меньшей мере одну шину для возврата тока,протекающего в электролизере, и вторичную электрическую цепь, по меньшей мере, частично расположенную поблизости от первичной цепи, для протекания тока в направлении, противоположном току,протекающему в основной цепи, для того, чтобы компенсировать электромагнитное поле, сгенерированное первичной цепью. Согласно изобретению вторичная электрическая цепь расположена поблизости от первичной цепи. Электрический ток в противоположном направлении во вторичной цепи предназначен вызывать магнитное поле, которое, по меньшей мере частично, нейтрализует поле, созданное электрическим током в первичной цепи. Поэтому вторичная цепь должна быть способной пропускать ток достаточной силы для получения желательной компенсации. Для того чтобы получить хорошую компенсацию этих полей, вторичная цепь должна быть расположена как можно ближе к первичной цепи. Рекомендовано, что одну часть вторичной цепи следует прикреплять к электролизеру, а другую часть следует предпочтительно прикреплять к шине или шинам для того, чтобы получить оптимальную компенсацию полей, принимая во внимание конструкционные требования, которые могут сделать необходимым разделить эти две цепи в определенных местах. Для того чтобы оптимизировать компенсацию, определенные сегменты вторичной цепи обычно распределяют по множеству проводников, соединенных параллельно. Возможно запитывать вторичную цепь, используя источник питания первичной цепи, через регулировочный резистор. Однако рекомендуется, чтобы, по меньшей мере, та часть вторичной цепи, которая лежит поблизости от обратной линии, запитывалась бы отдельно. Отдельное питание также имеет преимущество в том, что частота вторичного тока может быть адаптирована для того, чтобы преимущественно устранить определенные особенно проблематичные частоты магнитного поля, созданного электролизером. Вообще рекомендуется, чтобы та часть вторичной цепи, которая лежит поблизости от шины или шин, проводила бы более сильный ток (предпочтительно, в по меньшей мере 5 раз сильнее), чем тот, который протекает в части, прикрепленной к электролизеру, причем отношение токов является функцией расстояния между шиной и электролизером. Рекомендуется также, чтобы часть цепи, лежащая между выпрямителями и электролизными установками, была сконфигурирована для получения хорошей компенсации полей. Следует позаботиться,чтобы проводники подачи и возврата тока были близкими друг к другу. С этой целью рекомендуется,чтобы эти проводники были разветвлены на множество соединенных параллельно элементов таким образом, что эти проводники могут быть перемежающимися друг с другом, например, с пакетированными чередующимися слоями элементов каждого проводника. Изобретение применимо к электролизерам любого типа, таким как монополярный или биполярный ртутный, диафрагменный или мембранный электролизеры. Однако более конкретно оно применимо к электролизерам по существу с вертикальными биполярными электродами. Такие электролизеры хорошо известны в технике, где они широко применяются для проведения электролиза водных растворов галогенидов металлов, особенно хлорида натрия. Эти электроды обычно образованы последовательностью ме-1 011017 таллических каркасов, каждый из которых содержит биполярный электрод, причем эти каркасы налагают друг на друга по типу фильтр-пресса (Modern Chlor-alkali technology, Volume 3, SCI, 1986, chapter 13 "Operating experience gained with the bipolar Hoechst-Uhde membrane cell" - Приобретенный опыт эксплуатации биполярной мембранной ячейки Хехста-Уде; Modern Chlor-alkali technology, Volume 4, SCI, 1990,chapter 20 "Hoechst-Uhde single element membrane electrolyzer: concept-experiences-applications" Одноэлементный мембранный электролизер Хехста-Уде: концепция - опыты - применения). Каркасы обычно имеют такой квадратный или прямоугольный профиль, так что если они накладываются друг на друга по типу фильтр-пресса, то они образуют верхнюю стенку, нижнюю или донную стенку и две боковые стенки электролизера. Электролизер нормально питают постоянным током или, в более общем случае, выпрямленным переменным током. Постоянный или выпрямленный ток протекает от одной клеммы источника или выпрямителя постоянного тока через электроды, затем возвращается к другой клемме источника или выпрямителя постоянного тока посредством линии электрического тока, которая лежит вне электролизера. Электрическая цепь согласно изобретению преимущественно запитывается выпрямленным переменным током. Выпрямление трехфазного переменного тока обеспечивает ток, колебания которого имеют основную частоту в шесть раз выше частоты основной гармоники трехфазного тока (например, шесть раз по 50 Гц) и полный спектр гармоник. В одном рекомендованном варианте воплощения изобретения цепь включает в себя источник питания, использующий по меньшей мере два выпрямителя для того, чтобы выдавать токи, формы волн которых сдвинуты по фазе относительно друг друга. Электролизную электрическую цепь преимущественно запитывают трехфазным переменным током. Использование по меньшей мере двух выпрямителей с взаимным сдвигом фаз согласно этому варианту воплощения позволяет повысить частоту колебаний выпрямленного тока, питающего электролизер или электролизеры. При данных силе и конкретной компоновке токов, имеющих место в электролизере,цепь согласно изобретению позволяет существенно уменьшить электромагнитные поля, излучаемые поблизости от установки. В преимущественном подварианте этого варианта воплощения цепь включает в себя два выпрямителя, сдвиг фаз которых лежит между 29 и 31, предпочтительно близко к 30. В этом подварианте получают ток, формы волн которого имеют основную частоту в 12 раз выше, чем основная частота невыпрямленного трехфазного тока. В другом преимущественном подварианте этого варианта воплощения электрической цепи эта цепь дополнительно включает в себя по меньшей мере одну отводную катушку, связывающую выходы по меньшей мере двух выпрямителей. Отводная катушка предназначена для установления антипараллельного реактивного сопротивления между выходами выпрямителей. Катушку преимущественно образуют сборкой пластин и листов из железа так, чтобы ограничить тепловые потери. Выходы выпрямителей входят в нее в противоположных направлениях, так что возмущение тока, присутствующее в одном из выходов, вызывает за счет реактивного сопротивления обратное возмущение в токе, поступающем из другого выхода. Если два выхода накладываются соединением параллельно, то посредством этого получают менее возмущенный суммарный ток. В предпочтительном подварианте электрической цепи согласно изобретению обратная линия электрического тока включает в себя по меньшей мере одну шину, которая расположена над или под электролизером. Выбор расположения шины над или под электролизером диктуется соображениями, относящимися к конструкции электролизера и способам сборки биполярных пластин. Как вариант, вышеупомянутая линия электрического тока может включать в себя одну шину, расположенную под электролизером, и другую шину, которая расположена над электролизером. Согласно другому подварианту электролизер может также содержать множество шин под электролизером и/или множество шин над электролизером. На практике из соображений, относящихся к монтажу и техническому обслуживанию электролизера, обычно является предпочтительным, чтобы вышеупомянутая линия электрического тока не включала в себя шину над электролизером. Было обнаружено, что при прочих равных условиях электрическая цепь согласно изобретению существенно уменьшает электромагнитное поле поблизости от электролизера с биполярными электродами,главным образом вдоль его боковых стенок, особенно в проходах, которые обычно присутствуют вдоль этих боковых стенок и которые используются рабочим и обслуживающим персоналом. В электрической цепи согласно изобретению материал шины не является критичным для характеризации изобретения. Ее обычно делают из меди, алюминия или алюминиевого сплава. В электрической цепи согласно изобретению профиль поперечного сечения шины не является критичным для характеризации изобретения. Например, он может быть квадратным, прямоугольным, круглым или многоугольным. В первом конкретном варианте воплощения электрической цепи согласно изобретению шина имеет прямоугольный профиль, и она ориентирована таким образом, что ее большие стороны являются, по существу, горизонтальными. Было замечено, что при прочих равных условиях выбор шины прямоугольного сечения, расположенной горизонтально под и/или над электролизером, минимизирует величину элек-2 011017 тромагнитного поля поблизости от электролизера. Также было замечено, что уменьшение электромагнитного поля поблизости от электролизера соразмерно больше, когда соотношение между толщиной и шириной шины является небольшим. На практике, следовательно, является предпочтительным использовать в качестве шины металлическую пластину. Как вариант, может быть использовано множество металлических пластин, расположенных бок о бок под и/или над электролизером. К тому же, при прочих равных условиях было замечено, что величина электромагнитного поля поблизости от электролизера понижается, когда шина размещена близко к стенке электролизера. Во втором конкретном варианте воплощения электрической цепи согласно изобретению шину, следовательно, располагают в непосредственной близости к стенке электролизера. В этом варианте воплощения изобретения упомянутая стенка электролизера является нижней или донной стенкой электролизера или его верхней стенкой в зависимости от того, расположена ли шина под или над электролизером. В этом варианте воплощения изобретения выражение в непосредственной близости к стенке электролизера означает, что расстояние между этой стенкой и шиной является, самое большее, равным пяти (предпочтительно трем) толщинам шины. Предпочтительно это расстояние не превышает толщину шины. В предпочтительном подварианте вышеупомянутого второго варианта воплощения изобретения шину прикрепляют к упомянутой стенке электролизера. В этом предпочтительном альтернативном варианте воплощения изобретения шина преимущественно представляет собой металлическую пластину,одна из больших сторон которой прикреплена к упомянутой стенке, причем только толщина необходимых электрических изоляторов отделяет шину от стенки. Металлическая пластина может быть прикреплена к части площади поверхности упомянутой стенки. Предпочтительно, чтобы металлическая пластина была прикреплена по существу к всей площади поверхности упомянутой стенки. В третьем конкретном варианте воплощения изобретения вышеупомянутая электрическая линия к тому же включает в себя две дополнительные шины, которые соответственно располагаются в непосредственной близости к двум боковым стенкам электролизера. В этом варианте воплощения изобретения выражение в непосредственной близости соответствует определению, которое было дано для этого выражения во втором варианте воплощения, поясненном выше. Присутствие дополнительных шин при прочих равных условиях снижает величину электромагнитного поля поблизости от электролизера. В этом третьем варианте воплощения изобретения дополнительные шины могут иметь любую форму, совместимую с конструкцией электролизера. Например, они могут иметь квадратный, прямоугольный, многоугольный, овальный или круглый профиль. Более того, дополнительные шины могут иметь одинаковый профиль или разные профили, и они могут иметь одинаковые размеры или различные размеры. Однако на практике предпочтительно, чтобы дополнительные шины имели одинаковый профиль и одинаковые размеры. К тому же предпочтительно, чтобы дополнительные шины имели прямоугольный профиль, а также чтобы они соответственно были прикреплены своей большой стороной к двум боковым стенкам электролизера. В третьем варианте воплощения изобретения, который только что был описан, соответствующие размеры дополнительных шин и соответствующие размеры упомянутой или каждой шины, которая расположена под или над электролизером, определяются в зависимости от того, каким образом намереваются распределять электрический ток между этими шинами. В четвертом варианте воплощения изобретения, который особенно выгоден, обратную линию электрического тока электрической цепи размещают таким образом, чтобы генерировать электромагнитное поле, которое является, по существу, симметричным относительно вертикальной срединной плоскости электролизера. Цель этого варианта воплощения (генерирование электромагнитного поля, которое является, по существу, симметричным относительно вертикальной срединной плоскости электролизера) достигается соответствующим выбором размеров и расположения упомянутой или каждой шины. Выбор оптимальных размеров и оптимального положения определяется специалистами в данной области техники, в частности, в зависимости от формы и размеров электролизера. На практике этот результат обычно может быть получен с помощью расположения шины или шин симметрично относительно вертикальной срединной линии электролизера. Электрическая цепь согласно изобретению существенно уменьшает электромагнитное поле поблизости от электролизера с биполярными электродами. Следовательно, изобретение также относится к способу уменьшения электромагнитных полей поблизости от электрической цепи электролизера, содержащей первичную электрическую цепь, включающую в себя сам электролизер и электрическую линию, содержащую по меньшей мере одну шину для возврата тока, протекающего в электролизере, согласно которому электрический ток пропускают через вторичную электрическую цепь, расположенную поблизости от первичной цепи, в направлении, противоположном току, протекающему в первичной цепи. Согласно предпочтительному подварианту способа изобретения первичная цепь включает в себя источник питания, использующий два выпрямителя для того, чтобы выдавать токи, формы волн которых сдвинуты по фазе на 30 относительно друг друга. В преимущественном исполнении этого подварианта первичная цепь к тому же включает в себя от-3 011017 водную катушку, связывающую выходы двух выпрямителей. Электрическая цепь согласно изобретению применима главным образом к электролизерам для непрерывного электролиза воды или водных растворов, таких как водные растворы галогенида щелочного металла, особенно хлорида натрия. Следовательно, в предпочтительном варианте воплощения изобретения электролизер содержит канал для непрерывного подвода водного электролита и канал для непрерывного отвода водного электролита. Изобретение применимо, в частности, к электролизерам для производства хлората натрия путем проведения электролиза водных растворов хлорида натрия. Особенно хорошо изобретение применимо к электролизерам для производства хлора и водных растворов гидроксида натрия путем проведения электролиза водных растворов хлорида натрия, причем эти электролизеры включают в себя селективно проницаемые для катионов мембраны, которые проложены между биполярными электродами. Электрическая цепь согласно изобретению применима в любой электролизной установке, включающей в себя по меньшей мере один электролизер с вертикальными биполярными электродами. Следовательно, изобретение также относится к электролизной установке, включающей в себя по меньшей мере один электролизер с биполярными электродами, который присоединен к электрической цепи согласно изобретению. Установка согласно изобретению может включать в себя единственный электролизер или множество электролизеров, которые электрически соединены последовательно или параллельно. Изобретение относится, в частности, к применению этой установки для получения хлора и водных растворов гидроксида натрия. Признаки и подробности изобретения станут очевидными из нижеследующего описания прилагаемых чертежей, которые представляют несколько конкретных вариантов воплощения изобретения. Фиг. 1 показывает в плане принципиальную схему электролизной установки согласно конкретному варианту воплощения изобретения; фиг. 2 представляет собой схематичный вид в вертикальной проекции другого конкретного варианта воплощения электролизной установки согласно изобретению; фиг. 3 - вид вертикального сечения в плоскости Ш-Ш фиг. 2; фиг. 4 - вид, подобный фиг. 3, другого варианта воплощения установки согласно изобретению; фиг. 5 - предпочтительный вариант установки по фиг. 4; фиг. 6 и 7 являются подобными фиг. 4 и 5, но они также представляют вторичную цепь. На этих фигурах идентичные элементы обозначены одинаковыми ссылочными обозначениями. Электролизная установка, схематически представленная на фиг. 1, включает в себя три электролизера 1, 2 и 3, предназначенные для получения хлора, водорода и гидроксида натрия путем проведения электролиза водного раствора хлорида натрия. Электролизеры 1, 2 и 3 относятся к типу с вертикальными биполярными электродами. Они образованы наложением друг на друга вертикальных прямоугольных каркасов 4, каждый из которых содержит вертикальный биполярный электрод (не показан). Каркасы 4 наложены друг на друга по типу фильтр-пресса. Между каркасами 4 проложены мембраны, селективно проницаемые для катионов, для того, чтобы попеременно разграничивать анодную и катодную камеры. Анодные камеры электролизеров 1, 2 и 3 находятся в сообщении с каналом (не показан) для непрерывного подвода водного раствора хлорида натрия. Они к тому же находятся в сообщении с коллектором (не показан) для непрерывного отвода хлора. Катодные камеры электролизеров 1, 2 и 3 находятся в сообщении с двумя коллекторами (не показаны), которые соответственно используются для непрерывного извлечения водорода, с одной стороны, и водного раствора гидроксида натрия, с другой стороны. Электролизеры 1, 2 и 3 электрически соединены последовательно через отводную катушку 19 с двумя выпрямителями 5 а и 5b посредством электрической цепи, включающей в себя, с одной стороны,токопроводящие шины 6, установленные между электролизерами 1, 2 и 3, а, с другой стороны, обратную линию электрического тока, расположенную снаружи электролизеров 1, 2 и 3. К выпрямителям 5 а и 5b подводится электропитание с фазовым сдвигом в 30 от источника 18 переменного тока. В электролизной установке, схематически представленной на фиг. 1, каждый из трех электролизеров 1, 2 и 3 может содержать, например, от 30 до 40 элементарных электролизных ячеек, и источник электропитания включает в себя, например, выпрямитель постоянного тока на 520 В, способный выдавать ток от 8 до 20 кА. В зависимости от площади поверхности электродов, это может привести к плотности анодного тока от 2,5 до 6 кА/м 2 площади анода. Однако эти численные значения являются чисто показательными и не ограничивают объем изобретения и последующую формулу изобретения. Когда биполярный переключатель закрыт, выпрямленный электрический ток течет последовательно в электролизеры 1, 2 и 3 через их биполярные электроды и в обратную линию 7. Этот электрический ток генерирует электромагнитное поле вокруг установки. Согласно изобретению поблизости от электролизеров и обратной линии располагают вторичную цепь, содержащую сегменты 17 а и 17b. Электролизная установка, схематически представленная на фигурах 2 и 3, иллюстрирует конкретный вариант воплощения изобретения. Вторичная цепь на них не представлена. На этих фигурах был представлен только электролизер 3. В установке на фиг. 2 и 3 обратная линия 7 электрического тока-4 011017 включает в себя две шины 9 и 10, которые располагаются под нижней стенкой 11 электролизера 3. Шины 9 и 10 представляют собой призматические прутки из металла, который является хорошим проводником электричества (предпочтительно - меди или алюминия). Эти прутки располагаются симметрично на каждой стороне от вертикальной срединной плоскости X-X электролизера. Шины 9 и 10 располагаются к тому же поблизости от нижней стенки 11 электролизера 3. Эффект от расположения шин 9 и 10 таким образом, как схематически изображено на фигуре 3, является уменьшение величины электромагнитного поля в проходах 12, которые идут вдоль боковых стенок 13 электролизера 3 и которые предназначены для рабочего персонала по обслуживанию электролизера. Было замечено, что при прочих равных условиях интенсивность (напряженность) электромагнитного поля в проходах 12 соразмерно меньше, когда шины 9 и 10 находятся близко к срединной плоскостиX-X и нижней стенке 11. Было также замечено, что величина электромагнитного поля в проходах 12 уменьшается с понижением соотношения между толщиной и шириной шин 9 и 10. Поэтому в качестве шин 9 и 10 предпочтительно использовать горизонтальные пластины или листы. В варианте воплощения, схематически представленном на фиг. 4, на которой вторичная цепь также не представлена, обратная линия 7 электрического тока включает в себя металлическую пластину или лист 14, который(ая) прикреплен(а) к нижней стенке 11 электролизера и который(ая) по существу покрывает всю эту стенку. В установке по фиг. 5 линия 7 электрического тока включает в себя металлическую пластину 14,которая приделана к нижней стенке 11 электролизера 3, и две дополнительные шины 15 и 16, которые соответственно идут вдоль двух боковых стенок 13 электролизера 3. Эти две дополнительные шины 15 и 16 являются преимущественно металлическими пластинами или листами, которые прикреплены к боковым стенкам 13. В установках по фиг. 6 и 7, которые являются аналогичными фиг. 4 и 5, была представлена цепь 17 а, 17b. Ток течет в проводниках 17b в направлении, противоположном течению тока в пластине 14. То же самое справедливо для проводников 17 а и пластин 15 и 16. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Электрическая цепь электролизера (1, 2, 3), содержащая первичную электрическую цепь, включающую в себя сам электролизер и электрическую линию (7), содержащую по меньшей мере одну шину(9, 10, 14) для возврата тока, протекающего в электролизере, отличающаяся тем, что она содержит дополнительно вторичную электрическую цепь (17 а, 17b), по меньшей мере, частично расположенную поблизости от первичной цепи, для протекания тока в направлении, противоположном току, протекающему в основной цепи, для того, чтобы компенсировать электромагнитное поле, сгенерированное первичной цепью. 2. Цепь по п.1, отличающаяся тем, что шина (9, 10, 14) расположена под и/или над электролизером(3). 3. Цепь по п.1, отличающаяся тем, что шина (14) прикреплена к стенке (11) электролизера (3). 4. Цепь по предшествующему пункту, отличающаяся тем, что стенка является донной стенкой (11) электролизера. 5. Цепь по п.3 или 4, отличающаяся тем, что шина является металлической пластиной (14), одна из больших сторон которой прикреплена к стенке (11). 6. Цепь по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что электрическая линия (7) дополнительно содержит две дополнительные шины (15, 16), которые соответственно прикреплены к двум боковым стенкам (13) электролизера (3). 7. Цепь по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что электрическая линия (7) размещена так, чтобы генерировать электромагнитное поле, которое является, по существу, симметричным относительно вертикальной срединной плоскости (X-X) электролизера. 8. Цепь по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что электролизер содержит канал для непрерывного подвода водного электролита и канал для непрерывного отвода водного электролита. 9. Цепь по предшествующему пункту, отличающаяся тем, что электролизер содержит две селективно проницаемые для катионов мембраны, которые проложены между биполярными электродами. 10. Цепь по любому из предшествующих пунктов, в которой первичная цепь включает в себя источник электропитания, использующий два выпрямителя (5 а, 5b) для того, чтобы выдавать токи, формы волн которых сдвинуты по фазе относительно друг друга. 11. Цепь по предшествующему пункту, дополнительно содержащая отводную катушку (19), связывающую выходы двух выпрямителей. 12. Способ уменьшения электромагнитных полей поблизости от электрической цепи электролизера(1, 2, 3), содержащей первичную электрическую цепь, включающую в себя сам электролизер и электрическую линию (7), содержащую по меньшей мере одну шину для возврата тока, протекающего в электролизере, согласно которому электрический ток пропускают через вторичную электрическую цепь (17 а,-5 011017 17b), расположенную поблизости от первичной цепи, в направлении, противоположном току, протекающему в первичной цепи. 13. Способ по предыдущему пункту, в котором первичная цепь содержит источник электропитания,использующий два выпрямителя для того, чтобы выдавать токи, формы волн которых сдвинуты по фазе на 30 относительно друг друга. 14. Способ по предыдущему пункту, в котором первичная цепь дополнительно содержит отводную катушку (19), связывающую выходы двух выпрямителей.