BRPI0717252A2 - Célula de eletrólise - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CÉLULA DE ELETRÓLISE".

A presente invenção refere-se a uma célula de eletrólise do tipo elemento singular para eletrolisadores cloro alcalino essencialmente com- preendidos de um compartimento anodo e um compartimento catodo, cada um dos dois compartimentos sendo equipado com o correspondente eletro- do e cada eletrodo sendo conectado à parede traseira do respectivo compar- timento por meio de barras paralelas. Os eletrodos são então subdivididos pelas ditas barras em várias seções. Os eletrolisadores cloro alcalino do tipo elemento singular são

bem conhecidos da técnica e foram amplamente usados para uma variedade de aplicações industriais. Eletrolisadores deste tipo são descritos por exem- plo em DE 198 16 334A1 , DE 44 14 146 A1 ou EP O 095 039 A1.

Como descrito em DE 10 2005 003527 A1 ou DE 10 2005 006555 A1 , foram feitas tentativas de posicionar os eletrodos o mais próxi- mo possível em uma configuração plana-paralela com margens de tolerância sempre mais limitadas. Se tornou óbvio que houveram limites ao dito posi- cionamento plano-paralelo considerando a espessura reduzida requerida para as lâminas do eletrodo. No caso dos eletrodos serem posicionados com uma desviação oposta ao plano paralelo, picos de voltagem localizados são inevitáveis, influenciando negativamente a eficiência do dispositivo. É evi- dente que a soma de uma multiplicidade de pequenas desviações eventual- mente conduza a um desfavorável balanço econômico.

Um intervalo intereletródico muito reduzido confere o problema adicional de uma formação de gás na periferia do ânodo, como descrito em detalhe em DE 10 2005 006555 A1. A formação de gás provoca um entupi- mento do espaço entre o eletrodo e a membrana sendo assim, o renova- mento do eletrólito é prejudicado. Neste caso particular, foram desenvolvidos perfis para eletrodos a alto rendimento dotados de microestruturas que toda- via não resolveram o problema da tolerância construtiva muito limitada re- querida do ponto de vista macroscópico.

É um objetivo da presente invenção superar os limites da técnica anterior, em particular fornecendo um eletrolisador economicamente vanta- joso adequado a minimizar as penalizações da tensão derivantes das tole- râncias construtivas. Este e outros objetivos serão esclarecidos pela seguin- te descrição, que não deve ser entendida como Iimitante à invenção, cuja extensão é definida exclusivamente pelas reivindicações anexas.

Os objetivos da invenção são alcançados por meio do eletrolisa- dor como reivindicado na reivindicação 1. O eletrolisador de acordo com a invenção compreende um compartimento anodo e um compartimento cato- do, cada compartimento delimitado por uma parede traseira dotada de uma borda periférica e de uma flange periférica tendo um eletrodo posicionado sobre a mesma, precisamente um ânodo posicionado no compartimento a- nodo e um cátodo no compartimento catodo. Ambos os eletrodos são dota- dos de uma multiplicidade de aberturas e conectados por meio de barras paralelas à respectiva parede traseira do respectivo compartimento, deste modo subdividindo os eletrodos e os seus respectivos espaços traseiros em várias seções. De acordo com a invenção, cada seção de ao menos um dos dois eletrodos apresenta uma porção curvada saliente do plano principal do eletrodo em direção ao eletrodo oposto, referido à macroestrutura de cada seção do eletrodo. Pode então ocorrer uma extensiva pressão da membrana entre os dois eletrodos.

Em conjunção com a presente invenção, o termo porção curvada é entendido para referir uma estrutura ou forma macroscópica da inteira por- ção, em contraste com a tecnologia da técnica anterior onde a forma do ele- trodo pode apresentar deformações em forma microscópica, como descrito em DE 10 2005 006555 A1. Como plano principal do eletrodo é aqui enten- dido o plano ideal, paralelo à parede traseira e contendo os pontos da super- fície do eletrodo posicionado a uma distância mínima da mesma.

Em uma modalidade preferida, as porções curvadas do eletrodo são posicionadas em modo a comprimir a membrana interposta contra o ele- trodo oposto através de uma vasta área localizada nos dois lados do vértice da porção curvada, a largura da superfície comprimida formando ao menos 20% da largura da seção correspondente. Foi surpreendentemente observa- do que distanciando os eletrodos um do outro não é mais necessário se a pressão da superfície de contato é limitada em modo a prevenir danos da membrana. Desengrenando a pressão de contato da membrana entre os eletrodos da força de compressão exercida através das células paralelas individuais por meio das barras, é possível abandonar a bem conhecida con- figuração do eletrodo em plano paralelo.

Em uma modalidade preferida da célula de eletrólise da inven- ção, ao menos um eletrodo é dotado de uma multiplicidade de porções cur- vadas paralelas entre elas e projectadas na mesma direção, cujo número corresponde ao número de seções. As porções curvadas referidas neste contexto deveriam cobrir ao menos 90% da altura total do eletrodo, mais pre- ferivelmente a altura completa do eletrodo, mais preferivelmente a altura in- tegral do eletrodo.

Em uma modalidade, as porções curvas do eletrodo definem as linhas vértices salientes por aproximadamente 0,4 a 1,0 mm do plano princi- pal do eletrodo em condição não-montada.

De acordo com uma modalidade da invenção, a forma das por- ções curvadas do eletrodo é obtida por meio de ao menos uma mola posi- cionada de modo que seja aplicada uma força nas partes posteriores do ele- trodo. Por parte posterior se entende o lado do eletrodo oposto àquele que reveste a membrana.

Em uma modalidade, uma multiplicidade de molas a duplo bra- ço, opcionalmente consistidas em molas na forma de U ou V, é montada na área das barras. As molas são montadas em modo que os dois braços se- jam posicionados nos lados opostos de uma barra, agindo então no respec- tivo eletrodo de modo que cada seção deste último seja curvada na direção do eletrodo oposto. Desta maneira o próprio eletrodo age como uma mola análoga a uma mola folha. Tal configuração apresenta o benefício adicional que os braços individuais da mola aos quais o eletrodo é fixado, podem sub- meter-se a um deslocamento lateral cada vez que a pressão de contato faz com que as bordas longitudinais se mova em direção ao lado externo.

Em uma outra modalidade, uma ou mais molas exercem uma pressão no centro da parte posterior do eletrodo, curvando assim cada se- ção na direção do eletrodo oposto. Um desenho adequado neste caso é, por exemplo, uma mola folha ou mola em forma de L comprimida entre as duas barras ou entre a borda da concha e uma barra.

Em uma outra modalidade, ao menos um elemento de distribui-

ção de carga é posicionado na seção respectiva do lado traseiro do respecti- vo eletrodo que deve ser curvado, o dito elemento tendo a forma de uma vara ou trilho e sendo situado paralelo às barras no centro da respectiva se- ção, com uma ou mais molas que exercem pressão no mesmo. Este dese- nho apresenta a vantagem que os ditos elementos de distribuição possam ser utilizados em muitos eletrolisadores da técnica anterior sem modifica- ções substanciais. Preferivelmente, ao menos uma parte dos elementos de distribuição da carga são ao menos parcialmente feitos de um material plás- tico não-condutivo. As molas apresentam preferivelmente um perfil aberto de maneira que afetem o menos possível a circulação vertical do eletrodo.

Em uma outra modalidade, o eletrodo não consiste em uma par- te singular, mas é subdividido em uma multiplicidade de segmentos eletródi- cos individuais, fixados por meio das molas e não através das barras. Estas últimas, neste caso são meramente usadas para transferir o peso da com- pressão através das células de eletrólise dispostas em paralelo.

A seguir, as modalidades preferidas da célula de eletrólise da invenção são descritas com referência aos desenhos anexos. Nos dese- nhos:

figurai mostra uma primeira modalidade da célula de eletrólise de acordo com a invenção,

figura 2 mostra uma variante da célula da figura 1, figura 3 mostra um diafragma que ilustra os resultados dos tes- tes da célula da figura 1,

figura 4 mostra ainda uma modalidade da célula de eletrólise de acordo com a invenção,

figura 5 mostra una variante da célula da figura 4. A figura 1 mostra uma primeira modalidade da célula da inven- ção. Na vista em seção da célula de eletrólise (1 ) são mostradas as paredes traseiras (2) do compartimento catodo dotado de barras (6) para fixar o cáto- do (3). O compartimento anodo apresenta um desenho similar: uma multipli- cidade de barras (7) fixadas às correspondentes paredes traseiras (5) é usa- da para fixar o ânodo (4). A membrana (10) é posicionada entre os dois ele- trodos, cátodo (3) e ânodo (4). As barras (6) e (7) também garantem uma transmissão propícia da força de compressão uma vez que numerosas célu- las de eletrólise são montadas em paralelo, montadas sobre uma moldura não mostrada no desenho e colocada em contato uma com a outra. A figura 1 mostra como as barras (6) e (7) subdividem o respec-

tivo compartimento e o respectivo eletrodo nas seções (8) e (9). Como men- cionado acima, a presente modalidade da célula de eletrólise de acordo com a invenção mostra um dos eletrodos, neste caso o ânodo (4), já pré-formado em forma de curva durante o processo de produção. Na configuração do conjunto mostrada no desenho, o ânodo (4) pressiona a membrana (10) con- tra o cátodo (3), onde a largura (11 ) da área comprimida é indicada por uma cinta. O eletrodo é pressionado em um modo similar em cada uma das se- ções paralelas (9).

É também mostrado que espaçadores (12) são fornecidos na área entre as barras opostas (6) e (7) como conhecido na técnica a fim de restringir o grau de deformação do ânodo (4) durante a montagem.

A figura 2 mostra a vista em seção de uma típica célula de ele- trólise (1 ) onde o ânodo (4) é curvado de modo a prevenir uma pressão me- cânica da membrana (10) contra o cátodo (3) uma vez instalado. A posição da linha de vértice ao nível da planta do desenho e perpendicular ao mesmo é indicada por uma linha tracejada (13). Para fins de melhorar o entendimen- to do desenho, a seção oposta do compartimento catodo, substancialmente equivalente àquela descrita na figura 1, não é mostrada neste caso.

Uma célula de eletrólise do tipo mostrado na figura 1 foi subme- tida a uma série de testes e catacterizações e comparada com uma célula da técnica anterior. As duas células eram idênticas no lado catodo e os cá- todos consistiam essencialmente de lâminas planas de metal expandido. Os ânodos da célula de eletrólise de acordo com a invenção, e da célula compa- rativa de acordo com a técnica anterior geralmente consistiam de uma estru- tura lamelosa. A célula da invenção foi equipada com um conjunto anodo do tipo mostrado na figura 1 , com o ânodo curvado em direção ao cátodo em modo que uma vasta área da membrana foi pressionada entre o ânodo e o cátodo. Uma densidade de corrente de 5 kA/m2 foi aplicada à ambas as cé- lulas. A figura 3 é um diafragma que mostra os resultados do teste durante 45 dias de funcionamento. A célula de eletrólise de acordo com a invenção indicava, uma voltagem de aproximadamente 0,05 V inferior em relação à- quela da célula comparativa durante todo o período de funcionamento.

A figura 4 mostra ainda modalidade da célula de eletrólise da invenção. Em particular, figura 4 mostra uma vista em seção horizontal do compartimento catodo (21 ) de uma célula de eletrólise (20), compreendendo uma parede traseira (22), uma borda periférica ou uma parede lateral (23) e uma flange periférica adjacente (24). Barras (25), que transferem a carga de compressão através das células individuais dispostas em paralelo durante o funcionamento, subdividem o compartimento em seções verticais (26). O compartimento catodo, não mostrado nos desenhos, pode ter um desenho substancialmente equivalente. O segmento catodo (29) é fixado a uma mola em forma de U (27) e uma mola em forma de Z (28). A mola em forma de Z (28) é posicionada somente ao longo da parede lateral (23), enquanto os segmentos catodos (29) são fixados a duas molas idênticas do tipo a U (27) dentro do compartimento catodo. O compartimento catodo é mostrado antes da montagem e a figura mostra claramente a máxima curvatura do segmento catodo (29). A linha tracejada (30) indica a posição zero na ausência de cur- vatura, enquanto a linha tracejada (31 ) indica a altura do vértice com distân- cia (32) da posição zero (30).

A figura 5 mostra uma vista em seção de uma outra modalidade da célula de eletrólise (20) de acordo com a invenção. O compartimento ca- todo é similar àquele da modalidade mostrada na figura 4, mas os segmen- tos catodos (29), fixados às duas barras adjacentes (25), são curvados por meio de uma mola (33) posicionada no centro da seção (26). A mola (33) neste caso é ilustrada como uma mola a espiral (33), mas outras soluções equivalentes podem ser fornecidas, como será evidente a uma pessoa ver- sada na técnica. A mola espiral (33) é pressionada entre a superfície de a- poio inferior (34) e a superior (35) para garantir uma transferência de forças uniforme.

A descrição anterior não deve ser entendida como Iimitante à invenção que pode ser colocada em prática de acordo com diversas modali- dades sem fugir do objetivo da mesma, e cuja extensão é definida unica- mente pelas reivindicações anexas. Na descrição e nas reivindicações da presente invenção, o ter-

mo "compreende" e suas variações tais como "compreendendo" e "compre- endido" não são entendidas à excluir a presença de outros elementos ou aditivos.

A discussão dos documentos, atos, materiais, dispositivos, arti- gos e similares é incluída nesta especificação somente com o objetivo de fornecer um contexto para a presente invenção. Não é sugerido ou declara- do que algum ou todos esses materiais formam parte da técnica anterior de base ou são de comum conhecimento geral no campo relativo a presente invenção antes da data de prioridade de cada reivindicação desta aplicação.

Claims (16)

1. Célula de eletrólise de projeto de tipo de elemento singular para eletrólise de cloro alcalino, compreendendo um compartimento de ano- do e um compartimento de catodo, cada um delimitado por uma parede tra- seira, cada um dos referidos dois compartimentos tendo um eletrodo corres- pondente disposto ali, consistindo em um anodo que é disposto no referido compartimento de anodo e um catodo que é disposto no referido comparti- mento de catodo, cada um dos referidos eletrodos sendo conectado à pare- de traseira do respectivo compartimento por meio de barras paralelas, as referidas barras subdividindo o eletrodo correspondente em múltiplas se- ções, as referidas seções de pelo menos dois dos referidos eletrodos tendo uma porção curvada que se projeta na direção do eletrodo oposto, em que o perfil das referidas porções curvadas de pelo menos um referido eletrodo definem uma linha de vértice e as referidas porções curvadas são dispostas de uma maneira a pressionarem em uma área da membrana localizada nos dois lados da referida linha de vértice contra o eletrodo oposto, a largura da referida área pressionada sendo de pelo menos 20% da largura das referi- das seções.

2. Eletrodo para instalação em uma célula de eletrólise, de acor- do com a reivindicação 1, compreendendo uma multiplicidade de porções curvadas paralelas a cada outra e se projetando na mesma direção.

3. Eletrodo de acordo com a reivindicação 2, em que o número das referidas porções curvadas coincide com o número total de seções do compartimento de célula correspondente.

4. Eletrodo de acordo com a reivindicação 2 ou 3, em que as referidas porções curvadas cobrem pelo menos 90% da altura do eletrodo total.

5. Eletrodo como definido na reivindicação 1, em que as linhas de vértice das referidas porções curvadas se projetam em torno de cerca de 0,4 a 1,0 mm a partir do plano de eletrodo principal na condição não- montada.

6. Célula de eletrólise como definida em qualquer uma das rei- vindicações 1 a 5, em que o formato curvado da referida porção curvada é obtido por meio de pelo menos uma mola atuando sobre o lado traseiro de eletrodo.

7. Célula de eletrodo de acordo com a reivindicação 6, em que pelo menos uma referida mola é provida com dois braços, os dois referidos braços estando localizados em lados opostos de uma das referidas barras paralelas.

8. Célula de eletrodo, de acordo com a reivindicação 7, em que a referida mola é em formato de U ou em formato de V.

9. Célula de eletrodo, de acordo com a reivindicação 6, em que pelo menos uma referida mola exerce uma pressão no centro de pelo menos uma das referidas seções de eletrodo.

10. Célula de eletrodo, de acordo com a reivindicação 9, em que as referidas molas são molas de lâmina ou molas em formato de L grampe- adas entre duas das referidas barras paralelas ou entre a borda periférica e uma das referidas barras paralelas.

11. Célula de eletrodo, de acordo com qualquer uma das reivin- dicações 6 a 10, em que pelo menos um elemento de distribuição de carga é disposto em cada uma das referidas seções de eletrodo, o referido elemento sendo conformado como uma haste ou um trilho e sendo posicionado para- lelo às barras no centro da seção de eletrodo correspondente, com pelo me- nos uma mola exercendo pressão sobre ele.

12. Célula de eletrodo, de acordo com a reivindicação 11, em que pelo menos um referido elemento de distribuição de carga é feito pelo menos parcialmente de um material não-condutivo.

13. Célula de eletrodo, de acordo com qualquer uma das reivin- dicações 6 a 12 em que a referida mola é aberta para o fluxo de eletrólito vertical.

14. Célula de eletrodo, de acordo com qualquer uma das reivin- dicações 6 a 13, em que pelo menos um referido eletrodo consiste em uma multiplicidade de segmentos individuais presos por meio de molas e não fi- xados às referidas barras paralelas.

15. Célula de eletrodo, de acordo com a reivindicação 14, em que um dos referidos segmentos de eletrodo está localizado em cada uma das referidas seções de eletrodo.

16. Célula de eletrólise, substancialmente conforme descrito aqui anteriormente com referência aos desenhos.