ES2384576T3 - Celda electrolítica con superficie de membrana activa agrandada - Google Patents

Celda electrolítica con superficie de membrana activa agrandada Download PDF

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Abstract

Una celda electrolítica delimitada por dos semicubiertas, cada una fijada a un electrodo por medio de unamultiplicidad de bandas conductoras, los electrodos consisten de un ánodo y de un cátodo que tienen una superficieprincipal separada por una membrana, la membrana y el ánodo tienen una primera multiplicidad de elementosespaciadores dispuestos entre ellos, la membrana y el cátodo tienen una segunda multiplicidad de elementosespaciadores dispuestos entre ellos dispuestos en pares opuestos con dicha primera multiplicidad de elementosespaciadores, dichos pares opuestos definiendo un área de contacto sobre la superficie de la membrana y fijando lamembrana en posición, caracterizada porque al menos uno de dichas primero y segundo multiplicidad deelementos espaciadores están hechos de un material eléctricamente conductor y resistente a la corrosión, y porquela otra de dichas primera y segunda multiplicidad de elementos espaciadores consiste de una multiplicidad deelementos espaciadores eléctricamente aislantes que tienen un diámetro no superior a 5 mm, y/oel espesor de la membrana se incrementa en al menos un 10% en correspondencia con al área de contacto condicha multiplicidad de elementos espaciadores elaborados de un material eléctricamente conductor y resistente a lacorrosión, otanto la primera como la segunda multiplicidad de elementos espaciadores son metálicos y eléctricamenteconductores, al menos una de la primera y segunda multiplicidad de elementos espaciadores estando recubierta conel mismo material de la membrana o con un material de propiedades equivalentes.

Description

Celda electrolitica con superficie de membrana activa agrandada
La invencion se relaciona con una celda electrolitica para la produccion de cloro a partir de una solucion acuosa de
5 haluro alcalino, dicha celda compuesta principalmente por dos semicubiertas, un anodo, un catodo y una membrana de intercambio ionico (en lo sucesivo denominada "membrana"). El lado interior de cada semicubierta esta equipado con bandas hechas de material conductor, que soportan el electrodo respectivo y que transfieren las fuerzas de sujecion que actuan desde el lado exterior y elementos espaciadores dispuestos entre la membrana de intercambio ionico y los electrodos para fijar la membrana en su posicion y distribuir las fuerzas mecanicas. Los espaciadores se
10 colocan por lo menos en un lado de la membrana de intercambio ionico y estan hechos de material electricamente conductor y resistente a la corrosion. Los dispositivos electroliticos del tipo de una sola celda para la produccion de gases de halogeno son conocidos en la tecnica. En una construccion del tipo de una sola celda, hasta de 40 celdas individuales estan suspendidas en
15 paralelo sobre una estanteria y las paredes respectivas de los pares adyacentes de las celdas estan conectadas electricamente entre si, por ejemplo por medio de bandas de contacto adecuadas. De esta forma la membrana de intercambio ionico esta sometida a altas cargas mecanicas originadas por la fuerza de sujecion aplicada externamente, que debe ser transferida a traves de este elemento.
20 Se sabe en el estado actual de la tecnologia soldar los electrodos a las respectivas semicubiertas sobre bandas colocadas perpendicularmente al electrodo y a la pared posterior de la semicubierta, y por lo tanto alineadas en la direccion de la fuerza de sujecion. Se colocan una multiplicidad de espaciadores en el espacio entre la membrana y los electrodos de tal manera que la membrana sometida a las fuerzas mecanicas externas es sujetada por dichos espaciadores y fijada por tanto en posicion. Los espaciadores estan dispuestos en pares opuestos que definen un
25 area de contacto, y las bandas se colocan en el lado opuesto del electrodo en correspondencia con dicha area de contacto. Celdas electroliticas de este tipo son divulgadas en los documentos DE 41 196 125 y EP 0 189 535. Como se describe en el documento DE 25 38 414, los elementos separadores estan hechos de material electricamente
30 aislante. EP 1 073 780 y EP 0 189 535 tambien ensefan que los separadores no consisten de componentes metalicos y conductores de la electricidad. Esto se deriva del hecho de que los pares de separadores opuestos logran una reduccion del espesor de la membrana en el area de contacto pertinente. Si los elementos espaciadores fueran elaborados de material electricamente conductor, podrian originarse cortocircuitos en la membrana bajo el efecto de la carga mecanica y del reducido espesor de la membrana.
35 Las areas de la membrana protegidas por los elementos espaciadores se vuelven inactivas desde el punto de vista de la transmision de corriente. Durante el montaje de la celda es virtualmente imposible garantizar que se pueda lograr en la practica un emparejamiento perfecto de los pares de espaciadores. La superficie de la membrana resultante es por lo tanto algo mas grande que la superficie teorica especificada de conformidad con el disefo de la
40 construccion. Uno de los objetos de la presente invencion es proporcionar un disefo de una celda electrolitica que supere las deficiencias anteriormente ilustradas, en particular, permitiendo una mejor utilizacion del area de la superficie activa de la membrana.
45 El objetivo expuesto anteriormente, asi como otros objetos y ventajas de la presente invencion se consiguen proporcionando una celda electrolitica para la produccion de cloro a partir de una solucion acuosa de haluro alcalino, que comprende dos semicubiertas, y dos electrodos, un anodo y un catodo, con una membrana de intercambio ionico dispuestas entre ellos de acuerdo con la reivindicacion 1. El lado interior de cada semicubierta esta equipado
50 con dispositivos alargados electricamente conductores que soportan al electrodo respectivo y transfieren las fuerzas de sujecion que actuan desde el lado externo. Ademas, los elementos espaciadores estan dispuestos entre la membrana de intercambio ionico y los electrodos con el fin de fijar la membrana en su posicion y distribuir las fuerzas mecanicas, en donde en un solo lado de la membrana de intercambio ionico dichos elementos espaciadores estan hechos de material conductor de la electricidad y resistente a la corrosion.
55 En una realizacion preferida de la invencion, los elementos espaciadores en el lado de la admision de corriente electrica, que corresponde al lado del anodo de la membrana, estan hechos de material electricamente conductor y resistente a la corrosion, mientras que los elementos espaciadores estan hechos de material electricamente aislante e instalados en el lado del catodo.
60 En una realizacion particularmente preferida, el diametro de las superficies del elemento espaciador en contacto con la membrana y que consiste de material electricamente aislante es inferior a 6 mm, mas preferiblemente inferior a 5 mm. Los inventores han observado sorprendentemente que el uso de elementos espaciadores con un diametro inferior a 6 mm o menos no afecta en absoluto las propiedades de transmision de la corriente de la membrana.
Como se menciono anteriormente, con las celdas del estado el arte era muy dificil asegurar un emparejamiento perfecto de los pares de elementos espaciadores opuestos durante el montaje de la celda; la presente invencion ofrece una ayuda sustancial a este respecto ya que es posible acoplar un primer espaciador estrecho opuesto a un segundo espaciador ligeramente mas ancho, siendo este ultimo elaborado de un material conductor y por lo tanto no capaz de inactivar el area de la membrana correspondiente. Alternativamente, tambien es posible usar elementos espaciadores anchos con una estructura abierta adecuada, siempre y cuando el diametro de las superficies opuestas efectivamente en contacto permanezcan muy por debajo de 6 mm. De este modo se simplifica sustancialmente el montaje de las celdas.
Puede lograrse una mejora adicional dando forma adecuada al electrodo en el area de contacto de la banda para formar un elemento espaciador integral en el lado de la membrana, lo que permite evitar el uso de un elemento espaciador separado.
De acuerdo con una realizacion preferida de la invencion, el material electricamente conductor y resistente a la corrosion utilizado para los componentes espaciadores de las celdas electroliticas de la invencion se selecciona del grupo que consiste de titanio y sus aleaciones, de niquel y sus aleaciones, de materiales revestidos con titanio y revestidos con niquel.
En otra realizacion preferida de la invencion, el espesor de la membrana se incrementa por lo menos en un 10% en correspondencia con el area de contacto con los elementos espaciadores electricamente conductores, siendo dicho aumento de espesor obtenido por medio de la aplicacion de un revestimiento adicional en un lado de la membrana, preferiblemente el lado del catodo. Este refuerzo de la membrana permite una compensacion local de la carga mecanica impartida por la pequefa area de seccion transversal del elemento espaciador sin tener que aumentar la resistencia de toda la membrana.
En una realizacion alternativa de la invencion, ambos elementos espaciadores opuestos son metalicos y electricamente conductores y el espesor de la membrana se incrementa por lo menos en un 10% en correspondencia con el area de contacto con el mismo. El aumento en el espesor de la membrana de intercambio ionico preferiblemente no supera el doble del espesor de la membrana original.
De acuerdo con otra realizacion de la invencion, el espesor de la membrana es uniforme a lo largo de toda la superficie, los elementos espaciadores metalicos y electricamente conductores estan instalados en ambos lados, al menos uno entre la primera y la segunda multiplicidad de elementos espaciadores, preferiblemente estando todos los espaciadores recubiertos con un material que tiene sustancialmente las mismas propiedades o propiedades equivalentes con respecto a la membrana de intercambio ionico en correspondencia con el area de contacto.
A continuacion se describe la invencion con la ayuda de los dibujos adjuntos que se proporcionan a modo de ejemplo y no se pretende que se constituyan en una limitacion del alcance de la misma, donde la fig. 1 es una vista en perspectiva de la celda electrolitica de la invencion, la fig. 2a muestra la distribucion de la fuerza de sujecion en una celda del estado del arte, la fig. 2b muestra la distribucion de las lineas de corriente en una realizacion preferida de la celda de la invencion, la fig. 3 muestra los elementos espaciadores de acuerdo con una realizacion de la invencion.
La fig. 1 muestra los componentes internos en una vista en perspectiva de la celda electrolitica de la invencion. La membrana 1 se sujeta entre los espaciadores 2 y 3 que estan en contacto directo con la misma. El anodo 4 se presiona contra el elemento espaciador 2, cuya parte posterior se suelda a la banda 6. Esta banda se suelda a su vez a la pared de la semicubierta 8. En la pared de la semicubierta 8, la banda de contacto 10 se coloca a lo largo de la altura de la banda 6, que en este caso tiene la forma de una ranura y acomoda las bandas de contacto de la celda adyacente (no mostrada en la figura).
La construccion del lado del catodo es analoga a fin de que el catodo 5 este en contacto directo con el elemento espaciador 3 que esta soldado a la banda 7 en la parte posterior. El elemento espaciador 3 esta provista de aberturas como se representa en detalle en la fig. 3. La banda 7 se suelda a su vez a la pared de la semicubierta 8.
La figura. 2a ilustra una seccion de una celda del estado del arte, en donde el espesor de la membrana esta exagerado para facilitar la ilustracion de la misma. Las dos flechas 9 indican la direccion de la fuerza externa de compresion transmitida a traves de las celdas adyacentes.
La membrana 1 tiene una zona de alta resistencia 1a en el lado del catodo y una zona 1b de baja resistencia en el lado del anodo, en correspondencia con la admision de corriente electrica. Esta estratificacion de la membrana ayuda para la distribucion uniforme de corriente dentro de la membrana. Debido a que la membrana esta siendo protegida por elementos espaciadores aislantes 2 y 3, como se muestra en la fig. 2a, las lineas de flujo de corriente se desvian sustancialmente en la vecindad de la misma, y se forman secciones de la membrana no atravesadas por el flujo de corriente electrica en la zona circundante. Esta seccion se identifica por medio de una region punteada. Debido a estas secciones inactivas, se incrementa la caida de voltaje dentro de la membrana y la densidad de corriente en las secciones activas.
La fig. 2b muestra el patron de las lineas de corriente en la membrana con relacion a una realizacion de la celda electrolitica de la invencion. El elemento espaciador 2 en el lado del anodo que esta hecho de metal forma una pieza
5 integral con el anodo, de modo que las lineas de corriente puede entrar en la zona 1b de baja resistencia de la membrana 1 en paralelo sin ser desviadas. Este paralelismo se mantiene derecho a traves de la zona 1a de alta resistencia dentro del area del elemento espaciador 3 en el lado del catodo, de modo que no hay lugar a la formacion de zonas ciegas no atravesadas por lineas de corriente.
10 La fig. 3 ilustra la estructura de una realizacion preferida de los elementos espaciadores. La pieza espaciadora tipo barra 2 en el lado del anodo tiene una superficie perfilada en el lado en contacto con la membrana, que en el ejemplo ilustrado tiene protuberancias 11 y depresiones 12 rombicas. La pieza espaciadora 3 que consiste de material aislante en el lado del catodo cuenta con una multiplicidad de cavidades superficiales de modo que despues de la instalacion de los elementos espaciadores 2 y 3 no cubren ningun area de la superficie de la membrana que
15 tenga un diametro superior a 5 mm.
La densidad de corriente de los elementos espaciadores de la invencion fue investigada en una celda de ensayo. En una celda electrolitica, se instalan diecisiete filas de cuatro espaciadores que tienen cada uno un ancho de 8 mm y una longitud de 295 mm. Estos elementos espaciadores contaban con aberturas como se muestra en la fig. 3 a fin
20 de obtener un diametro de max. 5 mm para la superficie de contacto. Las cavidades determinaron una relacion abierta total de la superficie del elemento espaciador, que se define como la relacion de la superficie abierta con respecto a la superficie total, de aproximadamente 50%.
De este modo se obtuvo un aumento de la superficie de la membrana activa de aproximadamente 0,08 m2 (de 2,72 25 m2 a 2,80 m2). Por lo tanto, la densidad de corriente disminuyo un 2,9%.
De esta manera, el voltaje de funcionamiento de la celda electrolitica equipada con una membrana estandar N982 de carga alta, que muestra un factor k de 80 mVl(kAlm2), se redujo en 2,3 mVl(kAlm2) lo que conduce a una reduccion del voltaje de 14 mV con una densidad de corriente de 6 kAlm2. Esto corresponde a un ahorro de energia
30 de 10 kWh por tonelada del producto NaOH.
Si se disefa el espaciador con el fin de aprovechar el area completa de la superficie de la membrana, la reduccion del voltaje se duplica a 28 mV,que corresponde a un ahorrode 20 kWh por tonelada del producto NaOH.

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    Una celda electrolitica delimitada por dos semicubiertas, cada una fijada a un electrodo por medio de una multiplicidad de bandas conductoras, los electrodos consisten de un anodo y de un catodo que tienen una superficie principal separada por una membrana, la membrana y el anodo tienen una primera multiplicidad de elementos espaciadores dispuestos entre ellos, la membrana y el catodo tienen una segunda multiplicidad de elementos espaciadores dispuestos entre ellos dispuestos en pares opuestos con dicha primera multiplicidad de elementos espaciadores, dichos pares opuestos definiendo un area de contacto sobre la superficie de la membrana y fijando la membrana en posicion, caracterizada porque al menos uno de dichas primero y segundo multiplicidad de elementos espaciadores estan hechos de un material electricamente conductor y resistente a la corrosion, y porque la otra de dichas primera y segunda multiplicidad de elementos espaciadores consiste de una multiplicidad de elementos espaciadores electricamente aislantes que tienen un diametro no superior a 5 mm, ylo el espesor de la membrana se incrementa en al menos un 10% en correspondencia con al area de contacto con dicha multiplicidad de elementos espaciadores elaborados de un material electricamente conductor y resistente a la corrosion, o tanto la primera como la segunda multiplicidad de elementos espaciadores son metalicos y electricamente conductores, al menos una de la primera y segunda multiplicidad de elementos espaciadores estando recubierta con el mismo material de la membrana o con un material de propiedades equivalentes.
  2. 2.
    Una celda electrolitica de acuerdo con la reivindicacion 1 caracterizada porque dicha multiplicidad de elementos espaciadores elaborados de un material electricamente conductor y resistente a la corrosion constituye dicha primera multiplicidad de elementos espaciadores.
  3. 3.
    Una celda electrolitica de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2 caracterizada porque al menos uno de los electrodos forma una pieza integral con dicha multiplicidad de elementos espaciadores en el area que hace contacto con la membrana.
  4. 4.
    Una celda electrolitica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque dicho material electricamente conductor y resistente a la corrosion se selecciona del grupo que consiste de titanio y sus aleaciones, niquel y sus aleaciones, materiales recubiertos de titanio y recubiertos de niquel.
  5. 5.
    Una celda electrolitica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque dicho incremento en el espesor de la membrana se obtiene por medio de la aplicacion de un recubrimiento adicional a un lado de la membrana.
  6. 6.
    Una celda electrolitica de acuerdo con la reivindicacion 5 caracterizada porque dicho recubrimiento adicional se aplica sobre el lado del anodo de la membrana.
  7. 7.
    Una celda electrolitica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque tanto la primera como la segunda multiplicidad de elementos espaciadores son metalicos y electricamente conductores y el espesor de la membrana se incrementa al menos en un 10% en correspondencia con el area de contacto definida por dichos pares opuestos de elementos espaciadores.
  8. 8.
    Una celda electrolitica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque dicho espesor de la membrana se incrementa hasta un espesor final que no excede el doble del espesor original.
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