ITMI980915A1 - Elettrolizzatore bipolare a membrana a scambio ionico - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DI INVENZIONE INDUSTRIAI

La produzione di cloro e soda caustica viene oggi effettuata industrialmente con impianti basati sulle tecnologie a catodo di mercurio, a diaframma ed a membrana a scambio ionico. Mentre le prime due tecnologie sono considerate ormai mature e sono prevedibili miglioramenti soltanto marginali, la terza, assai più recente, è quella unicamente utilizzata per la costruzione di nuovi impianti ed è oggi in piena evoluzione. Le modifiche apportate negli ultimi tempi sono dirette sostanzialmente a realizzare minori consumi di energia, minori investimenti ed a risolvere certi problemi caratteristici della tecnologia. In particolare:

• il brevetto U.S. A. N. 4,340,452 descrive una struttura interna degli elettrolizzatori nota come "zero gap", poiché gli anodi ed i catodi, separati da una membrana interposta, sono pressati gli uni contro gli altri. In questo modo la distanza anodo-catodo, da cui dipende il consumo energetico, è rappresentata dal solo spessore della membrana. Questo risultato è però ottenuto utilizzando una struttura elettrodica (rete flessibile e materasso metallico elastico) piuttosto costosa.

• Il brevetto U.S. A. N. 4,655,886 descrive una membrana, le cui due facce sono dotate di un film microporoso idrofilico. Lo scopo del film è di impedire che le bolle di gas (idrogeno lato catodo e cloro lato anodo) rimangano aderenti alla membrana. In questo modo tutta la superficie della membrana risulta bagnata dagli elettroliti e si evitano dannose concentrazioni di corrente che provocano aumenti dei consumi di energia.

• Il brevetto U.S.A. 4,448,946 descrive una struttura degli elementi fomiti di proiezioni ottenute per stampaggio. Su tali proiezioni sono fissati gli elettrodi senza che sia necessario previamente dotare di distanziatori la parete di ciascun elemento. L'uso di distanziatori, descritto ad esempio nel brevetto U.S.A. 4,111,779 comporta una fase di lavorazione addizionale complessa e quindi costosa. L'idea del brevetto U.S.A. 4,448,946 di eliminare i distanziatori è ripresa anche nel brevetto U.S.A. 5,314,591.

• La struttura descritta nei brevetti U.S.A. N. 4,448,946 e N. 5,314,591 comporta tuttavia la possibilità che gli elettrodi fissati alle proiezioni delle pareti degli elementi creino delle zone occluse nelle quali si possono accumulare sacche di gas che impediscono il successivo passaggio della corrente elettrica e possono anche danneggiare le membrane. Inoltre le pareti di elementi fornite di proiezioni come descritto nel brevetto U.S.A. N.

4,448,946 e 5,314,591 ostacolano il movimento degli elettroliti ed in particolare ne impediscono il rimescolamento interno.

Il primo problema è stato affrontato in vario modo. Ad esempio :

• il brevetto U.S.A. N. 4,294,671 descrive un elettrodo in forma di rete a spessore sostanziale ed a maglia larga stampata in modo da creare bugnature. Le bugnature sono i punti attraverso i quali la rete viene fissata alle proiezioni. Successivamente a tale rete viene fissata una seconda rete fine provvista di film elettrocatalitico che rappresenta l'elettrodo vero e proprio. Tutto il processo di costruzione, stampaggio e fissaggio, è automatizzato sicché il maggior costo è in pratica solo rappresentato dalla seconda rete fine addizionale.

• Il brevetto U.S.A. N. 53372,692 suggerisce di introdurre dei distanziatori da fissare sulla parte superiore delle proiezioni delle pareti degli elementi.

Questa procedura, in quanto automatizzabile, è meno costosa di quella prevista dalla tecnologia convenzionale descritta nel brevetto U.S.A. N.

4,111 ,779 ma tuttavia resta sempre complessa e delicata per le necessità di corretto posizionamento di un numero elevato di distanziatori, sui quali viene successivamente fissato l’elettrodo.

• Il secondo problema, quello del rimescolamento interno degli elettroliti, è risolto come descritto nel brevetto U.S.A. N. 5,314,591 con l'introduzione di un distributore inferiore, di un collettore superiore e con una posizione sfalsata delle varie proiezioni. Questa soluzione è certamente molto delicata in quanto l'occlusione di anche pochi fori dei distributori e collettori porterebbe a importanti variazioni di concentrazione degli elettroliti, che, anche se localizzate, certamente danneggerebbero le membrane a scambio ionico. Inoltre, la soluzione descritta nel brevetto U.S.A. N.

5,314,591 è in grado al massimo di assicurare l'omogeneità orizzontale delle concentrazioni degli elettroliti (cioè lungo un piano perpendicolare alla direzione del movimento degli elettroliti stessi che avviene dal basso verso l'alto), ma certamente nulla può fare per quanto concerne la variazione di concentrazione in senso verticale. Per mantenere tale variazione entro limiti accettabili per le membrane è necessario produrre flussi elevati di elettroliti, il che comporta pompe di circolazione esterne di grosse dimensioni, con i relativi consumi di energia. E' da notare che le stesse considerazioni valgono per le temperature. Queste considerazioni relative ai gradienti di concentrazione e di temperatura sono oggi molto più importanti che nel passato, poiché esistono sul mercato moderne membrane caratterizzate da basse cadute ohmiche, in grado perciò di diminuire la tensione operativa degli elettrolizzatori e quindi il consumo specifico di energia. Queste membrane sono particolarmente sensibili ad anomalie di processo come la presenza di certe impurezze negli elettroliti ed appunto i gradienti di concentrazione e temperatura. Sotto questo punto di vista, in conclusione, i dispositivi descritti nel brevetto U.S.A N. 5,314,591 non si possono ritenere particolarmente efficaci.

• Un modo alternativo di affrontare il problema è di garantire una velocità di flusso degli elettroliti estremamente elevata tramite un sistema di degasatori situati sopra l'elettrolizzatore e collegati all'entrata dell'elettrolita mediante tubi di discesa ("Modern Chlor-Alkali Technology”, Voi. 5, Society of Chemical Industry, Elsevier 1992, pag. 93).

Il sistema è certamente molto efficace ma comporta elevati costi aggiuntivi ed in particolare comporta dimensioni elevate dell'insieme elettrolizzatoredegasatori-tubi di discesa, tali da essere talora incompatibili con gli spazi disponibili per l'installazione.

• Un sistema alternativo è quello illustrato nel brevetto U.S.A. N. 4,557,816 in cui gli elementi sono dotati di un tubo interno discendente collegato ad un distributore inferiore. Questo dispositivo rappresenta una parziale soluzione al problema della omogeneizzazione degli elettroliti, poiché la modesta sezione di passaggio per il liquido degasato non consente alte velocità di ricircolazione.

• Un ulteriore problema da affrontare con attenzione è rappresentato dallo scarico della miscela gas prodotti-elettrolita dagli elementi di un elettrolizzatore. Una geometria dello scarico non corretta causa pulsazioni di pressione tali da provocare vibrazione e quindi abrasione delle delicate membrane. Il brevetto U.S. A. N. 5,242,564 risolve il problema con un doppio condotto di scarico che consente, se ben calcolato, di allontanare dall'elettrolizzatore i gas e gli elettroliti come fasi separate. Questa soluzione comporta evidentemente maggiori costi di produzione ed un aumento di parti delicate, sedi di possibili difetti, come sono le saldature elementi/condotti di scarico.

Il brevetto U.S. A. 4,839,012 non si pone l'obiettivo di risolvere il problema della pulsazione di pressione generata in un unico condotto di uscita situato nella parte superiore degli elementi ma piuttosto quello di smorzarne la trasmissione all'interno degli elementi, sulle membrane. Questo risultato è ottenuto tramite l'installazione all’interno degli elementi di un tubo perforato; i veri fori, quando abbiano opportuno diametro, funzionano appunto come smorzatori delle variazioni di pressione generate nelle zone del condotto di uscita.

Un ulteriore modo di scarico è quello noto come scarico discendente, descritto in "Modem Chlor-Alkali Technology", Voi. 4, Society of Chemical Industry, Elsevier 1990, pag. 171. In questo caso un unico condoto discendente, esterno o interno rispetto agii elementi, convoglia contemporaneamente gas ed elettroliti senza però generare fluttuazioni di pressione. Mancando infatti un percorso in salita verticale non si formano bolle separate di gas nell'elettrolita, variabili come dimensioni e numero nel tempo (causa prima del problema) ma piuttosto un movimento discendente del liquido lungo le pareti ed un flusso non disturbato di gas nella sezione centrale del tubo non occupato da liquido. Questi dispositivi, tuttavia, funzionano correttamente solo quando la parte superiore del tubo discendente è alimentata in modo uniforme nel tempo d <$>a elettrolita sostanzialmente esente da bolle di gas e da gas, che trascini poche gocce di liquido. Si richiede perciò che la miscela gas-elettrolita prodotta sugli elettrodi degli elementi venga efficacemente separata nella parte superiore degli elementi prima di essere alimentata ai tubi discendenti.

La presente invenzione intende proporre un disegno di elementi per elettrolizzatori a membrana, adatto in particolare per l'elettrolisi di salamoie per la produzione di cloro, idrogeno e soda caustica, in cui vengono risolti i problemi sia della minimizzazione dei gradienti di concentrazione degli elettroliti e di temperatura, sia della fluttuazione della pressione ricorrendo a pezzi ottenibili con lavorazioni automatiche facili da installare. Nel testo che segue si farà riferimento ad elementi adatti ad essere assemblati in un elettrolizzatore bipolare, del tipo descritto nel brevetto U.S.A n. 4,488,946. Tuttavia, con le modifiche descritte nel brevetto U.S.A. n. 4,602,984, gli stessi elementi sono ugualmente utilizzabili per ottenere elettrolizzatori di tipo monopolare.

Il disegno della presente invenzione, che permette di garantire le condizioni ottimali di concentrazione degli elettroliti e di temperatura delle membrane, è stato ottenuto assimilando gli elementi dell'elettro! izzatore a reattori perfettamente agitati noti nella tecnica come CSTR. Questa condizione, se realizzata, comporta una pressoché totale uniformità, in direzione verticale e laterale, della concentrazione e della temperatura della massa degli elettroliti. Perchè questa uniformità si mantenga anche all'interfaccia della membrana è necessario che la geometria degli elettrodi assicuri una energica ricircolazione locale, quale può essere indotta dallo sviluppo dei gas prodotti, rispettivamente idrogeno sulla faccia catodica e cloro sulla faccia anodica di ciascun elemento dell'elettrolizzatore. Inoltre, l'omogeneità di concentrazione e temperatura all'interfaccia della membrana ha come ulteriore condizione che la distribuzione di corrente sia uniforme, il che a sua volta richiede una opportuna distanza dei punti di contatto fra gli elettrodi e struttura degli elementi ed una sufficiente conducibilità elettrica trasversale degli elettrodi. Quest'ultimo parametro è funzione dello spessore dell'elettrodo stesso e del rapporto vuoto/pieno definito dalla grandezza delle maglie.

La struttura di una delle due facce dell'elemento 1 dell'invenzione è data in fìg.

1 , in cui, per semplificare il disegno, gli elettrodi sono stati omessi. Le due facce sono costituite da due lamiere stampate in modo da formare le proiezioni 2 e la flangia periferica 3 che permette dì assicurare la tenuta verso l'esterno grazie ad una opportuna guarnizione. Nel caso dell'elettrolisi cloro-soda, assunta come esempio esplicativo nel seguito, le lamiere sono in titanio e nichel. Le proiezioni hanno preferibilmente una forma tronco-conica e sono preferibilmente disposte secondo un disegno esagonale centrato. Come mostrato in fig. 2, questa geometria consente di aumentare il grado di miscelamento trasversale degli elettroliti grazie alla deviazione 4 e incrocio dei flussi locali 5. L'elettrolita è immesso nell'elemento tramite un distributore 6 forato, omesso in fig. 1 ma rappresentato in fig. 3, in cui è riprodotto un dettaglio della parte inferiore dell'elemento 1. Il distributore 6 è alloggiato nella parte inferiore lungo il bordo interno della flangia 3. La miscela di elettrolita e gas prodotto dall'elettrodo viene accelerata nella parte superiore dell'elemento grazie ad un deflettore inclinato 7 che consente di far collassare le bolle di gas. Le frecce di fig. 3 indicano che l'elettrolita alimentato è efficacemente miscelato con il liquido proveniente dai canali discendenti 9 descritti nel seg 1uito. La fig. 4 schematizza con frecce come la miscela elettrolita/gas in bolle di grosse dimensioni trabocchi attraverso lo spazio compreso fra bordo superiore del deflettore e bordo inferiore della flangia dietro il deflettore stesso, dove avviene rapidamente la smiscelazione delle fasi liquide e gas. Con questo tipo di circolazione, si ottiene anche l'ulteriore importante risultato di far giungere l'elettrolita, sia pure contenente gas, fino al bordo della flangia. Questo consente di mantenere la membrana sostanzialmente in contatto con il liquido, evitando la presenza di sacche fisse di gas. Le sacche di gas sono in grado di provocare infragilimenti delle membrane, cui consegue nel tempo la rottura. Come mostrato in fig. 5 con frecce, l’elettrolita che si raccoglie nella canala 8, costituita dal deflettore e dalla parete dell'elemento, viene in grande parte inviato in canali discendenti 9 formati da depressioni 10 ricavate nella lamiera al momento dello stampaggio delle proiezioni 2. Le depressioni 10 sono coperte da tegoli 11 in modo da formare i canali discendenti 9. I tegoli 11 sono rappresentati con una linea tratteggiata per facilitare la comprensione del disegno. Il deflettore 7 è opportunamente provvisto di fori 12 che coincidono con la sezione superiore dei canali discendenti 9. In questo modo si stabilisce una efficacissima ricircolazione interna fra miscela elettrolita-gas in salita nello spazio compreso fra elettrodi e lamiera stampata ed elettrolita privo di gas in discesa nei canali 9, come schematizzato con frecce in fig. 1. Poiché i canali 9 possono essere in numero certamente superiore ad uno, la sezione disponibile per la discesa dell'elettrolita privo di gas può essere fatta grande quanto necessario ed il conseguente flusso di elettrolita privo di gas è elevato. L’energia necessaria per il mantenimento della circolazione è fornita dal differenziale di peso fra le due colonne di fluido, rispettivamente elettrolita con gas ed elettrolita privo di gas. E' da notare che tutte le parti necessarie per la costruzione del sistema di circolazione descritto, lamiera stampata con proiezioni 2 e depressioni 10, tegoli 11, deflettore 7, sono ottenute per stampaggio e sono facilmente assemblate per incastro, eventualmente con punti di fissaggio, ad esempio punti di saldatura. L'elettrolita privo di gas, raccolto nella canala 8 e non ricircolato attraverso i canali discendenti 9, viene estratto dall'elemento tramite il tubo interno di scarico 13 che attraversa la flangia inferiore ed è connesso con un opportuno raccordo flessibile ad un collettore situato sotto l'elettrolizzatore. Il tubo 13, omesso in fig. 1, è mostrato nel dettaglio della fig. 6. Le frecce intendono schematizzare come con un opportuno dimensionamento del tubo 13 come diametro e come forma della sezione di imbocco, l'uscita dell'elettrolita e del gas possa avvenire con regolarità senza fluttuazioni di pressione. La condizione che assicura stabilità di scarico è quella che permette al liquido di defluire senza mai occludere la totalità della sezione interna del tubo 13. In questo modo è sempre disponibile una certa porzione della sezione interna del tubo 13 per il continuo, ininterrotto scarico del gas. Come detto inizialmente, la fig. 1 rappresenta sia la faccia anodica che quella catodica di ogni elemento. Le due facce tuttavia si differenziano per la diversa struttura dei rispettivi elettrodi. In figura 7 è rappresentata una sezione trasversale orizzontale di un elemento. In particolare, la faccia anodica è dotata di una rete piana espansa di titanio 14 spianata solo per quanto è necessario ad eliminare le asperità taglienti tipiche del procedimento di espansione. La rete è provvista di rivestimento elettrocatalitico per l'evoluzione del cloro, costituito come noto nella tecnologia corrente da una miscela di ossidi di metalli del gruppo del platino e di ossidi dei cosiddetti metalli valvola. La rete è fissata alla parte superiore piana delle proiezioni tronco-coniche 2 mediante punti di saldatura ad arco elettrico o a resistenza elettrica. Per evitare che le aree di sovrapposizione fra la rete anodica e la parte piana delle proiezioni tronco-coniche diventi un'area di occlusione di gas stagnante con conseguente danno per la membrana prospiciente, è opportuno che la parte piana delle proiezioni tronco-coniche 2 sia limitata all'estensione strettamente necessaria per effettuare una affidabile saldatura. In alternativa, la rete anodica può essere dotata di scanalature 15 sulla faccia prospiciente la membrana o alternativamente sulla faccia in contatto con la parte piana delle proiezioni tronco-coniche. Le scanalature, disposte verticalmente, consentono al gas di essere scaricato verso l'alto e con ciò prevengono la formazione di sacche fisse. La faccia catodica degli elementi è dotata di una rete di nichel 16 provvista di un rivestimento elettrocatalitico per l'evoluzione di idrogeno del tipo convenzionale e costituito da una miscela di ossido di metallo del gruppo del platino e ossido di nichel. In considerazione della elevata conducibilità elettrica dei nichel, la rete catodica è considerevolmente più sottile di quella anodica. Questo minore spessore consente alla rete di essere sufficientemente flessibile ed elastica. La rete di nichel, prima di essere rivestita con il materiale elettrocatalitico e di essere fissata alle proiezioni tronco-coniche, viene stampata in modo da formare su di essa delle bugnature 17 piuttosto larghe e poco alte, simili a delle calotte sferiche. Maggiore dettaglio è dato in fig. 8, dove in A) è rappresentata una vista frontale della rete catodica ed in B) una sua sezione trasversale. La rete, provvista di rivestimento elettrocatalitico, è fissata sulle proiezioni troncoconiche in corrispondenza degli interspazi fra le varie bugnature. Ne consegue che la superficie dell'elettrodo catodico non è piana come quella dell'elettrodo anodico. Il suo profilo è sporgente, grazie alle bugne, rispetto al piano definito dalle aree piane delle proiezioni tronco-coniche. Quando gli elementi vengono pressati gli uni contro gli altri, con interposte le membrane e le guarnizioni periferiche, a formare un elettrolizzatore, le bugnature risultano compresse contro membrana e rete anodica e si deformano, grazie alla loro elasticità. Ne consegue una disposizione anodo/membrana/catodo di tipo zero-gap per la grande maggioranza, almeno il 90%, della superficie attiva. Viene perciò utilizzata una struttura intrinsecamente poco costosa, essendo costituita da una rete di nichel sottile, le cui bugne sono ottenute per stampaggio ed il cui fissaggio è ottenuto per semplice saldatura delle zone di sovrapposizione fra parte rimasta piana delle reti e area piana delle proiezioni tronco-coniche 2. Vengono così eliminati tutti i costosi e complessi dispositivi elastici, come molle e materassini utilizzati per creare le strutture zero-gap note nella tecnica.

Dalla figura 7 appare chiaro che il collegamento fra le aree piane delle proiezioni tronco-coniche 2 è realizzato con un inserto 18, ad esempio un cilindretto di materiale conduttivo, che può essere l'economico acciaio al carbonio. Il fissaggio dell'inserto 18 è effettuato per saldatura, ad esempio saldatura a resistenza elettrica, direttamente sul lato della lamiera catodica costituita da nichel e interponendo preventivamente un materiale compatibilizzante 19 sul lato della lamiera anodica costituita da titanio. Questo materiale può essere nel caso più semplice un bimetallo titanio/acciaio al carbonio ottenuto ad esempio per colaminazione ad esplosione ed ha la forma di un dischetto. Per facilitare le operazioni di costruzione, gli inserti 18 sono previamente fissati ad una lamiera di sostegno 20 che è col legata ad una cornice esterna interposta fra le cornici 3 delle due lamiere che costituiscono le due facce di ogni elemento 1. Assemblando a questa struttura le lamiere stampate anodiche e catodiche, si ottiene il facile collegamento di ogni proiezione 2 anodica alla corrispondente proiezione 2 catodica, ed il supporto delle flange 3 da parte della cornice. Il collegamento elettrico fra le opposte proiezioni anodiche e catodiche può anche essere ottenuto interponendo fra le due lamiere stampate un inserto costituito da una terza lamiera in materiale altamente conduttivo, preferibilmente rame, previamente stampata con proiezioni tronco-coniche aventi dimensioni tali da permettere il perfetto accoppiamento con la lamiera stampata anodica in titanio. Le procedure di fissaggio delle tre lamiere titanio/rame/nichel sono analoghe a quelle già indicate per i cilindretti in acciaio al carbonio. In questo caso, la corrente elettrica fluisce dalla rete anodica 14 alla proiezione tronco-conica 2 della lamiera di titanio e alla lamiera in rame; percorrendo la lamiera in rame la corrente giunge fino alla contrapposta proiezione tronco-conica 2 della lamiera in nichel e da questa alla rete catodica bugnata e flessibile 16. Gli elementi dell'invenzione sono assiemati a costituire un elettrolizzatore come mostrato in fig. 9, in cui si identificano con 21 e 22 le strutture che permettono di comprimere gli elementi 1 l'uno contro gli altri, con 23 e 24 rispettivamente i collettori di alimentazione e di scarico, con 25 e 26 rispettivamente i tubi di collegamento fra gli elementi 1 ed i collettori 23 e 24.

Una ulteriore realizzazione della presente invenzione è diretta a fornire una soluzione alternativa al problema rappresentato dall’area di sovrapposizione fra rete anodica e superficie piana delle proiezioni tronco-coniche sopra discusso. Per evitare che questa area diventi un’area di occlusione di gas, si può anche introdurre fra superficie piana e rete anodica un supporto di varia forma, ad esempio con sezione ad U come mostrato dal riferimento 27 di fig.

10. Il supporto 27 è prima fissato alla superficie piana delle proiezioni troncoconiche e ad esso è quindi collegata la rete anodica.

Nella fig. 10 è anche illustrato un dettaglio preferito della struttura del supporto ad U che è piegato nella parte a contatto con la rete anodica in modo da formare due superfici piane 28 che facilitano il fissaggio della rete, ad esempio mediante punti di saldatura. Le due superfici 28, per quanto di dimensione ridotta e quindi relativamente immuni al problema della occlusione di gas, possono essere per maggior sicurezza fornite di aperture, ad esempio le forature 29 di fig. 11.

Il supporto 27 consente anche di ottenere i seguenti vantaggi:

• allontanamento della membrana dalla superficie piana delle proiezioni tronco-coniche. Ne consegue che eventuali difetti delle membrane, con passaggio di soda caustica dal comparto catodico, non provocano corrosione e quindi forature della lamiera anodica con conseguente perdita verso l’esterno.

• Allontanamento della membrana dalla saldatura di fissaggio sulla superficie piana delle proiezioni tronco-coniche. Queste saldature, dovendo essere sufficientemente robuste e ampie per garantire un facile passaggio della corrente elettrica, possono presentare sbavature pericolose per l'integrità della membrana. Possono perciò essere eliminati i controlli di qualità postsaldatura che sono necessari se la rete anodica è direttamente fissata sulla superficie piana delle proiezioni tronco-coniche.

• Poiché la profondità del comparto anodico non viene modificata, l’uso dei supporti 27 consente di ottenere proiezioni tronco-coniche meno profonde con tecnologie di stampo a freddo meno critiche.

Poiché le due lamiere, catodica e anodica, provviste entrambe di proiezioni tronco-coniche, sono preferibilmente ottenute con un unico stampo, ne consegue che anche le proiezioni tronco-coniche della lamiera catodica devono essere caratterizzate da ridotta altezza. Pertanto, dovendo mantenere anche per il comparto catodico una profondità invariata, supporti analoghi a quelli descritti per la faccia anodica dell'elemento devono essere utilizzati per la faccia catodica.

Come ulteriore realizzazione si possono eliminare del tutto le proiezioni troncoconiche sia catodiche sia anodiche dimensionando opportunamente l'altezza dei supporti come mostrato in fig. 12 in una vista parziale di un elemento di elettrolizzatore. In questo caso i supporti devono essere provvisti di adeguati deflettori laterali 30 che contribuiscono come mostrato nella fig. 12 a mantenere invariato il miscelamento laterale degli elettroliti, già assicurato dalle proiezioni tronco-coniche.

Il collegamento fra le due lamiere anodica e catodica di ciascun elemento può essere assicurato nello stesso modo precedentemente illustrato nella fig. 7. In alternativa, in considerazione della mancanza delle proiezioni tronco-coniche e della ridotta distanza fra le lamiere stesse, il collegamento può essere ottenuto interponendo fra le lamiere stesse il solo materiale compatibilizzante, costituito preferibilmente da un bimetallo titanio/nickel ottenuto per colaminazione o eventualmente un bimetallo titanio/nickel ottenuto applicando il nickel per spruzzatura a fiamma o a plasma. Il bimetallo può essere introdotto come quadrato o dischetto, come nel caso illustrato in fig. 7, o anche come strisce continue. In quest’ultimo caso la saldatura può essere a punti, ad esempio con saldatura elettrica a resistenza, o continua, ottenuta ad esempio con procedura TIG o laser.

Anche con queste alternative di proiezioni tronco-coniche o di eliminazione delle proiezioni tronco-coniche, rimane comunque invariato il sistema interno di ricircolazione basato sull'uso del deflettore superiore e dei canali discendenti, precedentemente descritto.

L'invenzione verrà ora ulteriormente descritta facendo riferimento ad un esempio che non deve tuttavia intendersi come una limitazione della stessa.

ESEMPIO

Tre elementi del tipo descritto in fig. 1 e due elementi terminali, uno anodico ed uno catodico, sono stati assemblati a costituire un elettrolizzatore bipolare pilota comprendente 4 celle elementari. L'area attiva degli elementi aveva un'altezza pari a 140 cm ed una lunghezza pari a 240 cm, per un totale di 3,4 m<2 >per ciascuna faccia.

Ogni faccia degli elementi era costituita da una lamiera stampata, fatta di titanio per quella anodica e nichel per quella catodica, con proiezioni troncoconiche aventi diametro di base uguale a 10 cm, diametro della parte piana uguale a 2 cm ed altezza pari a 2,5 cm. La distanza fra i centri delle proiezioni tronco-coniche, disposte secondo una maglia esagonale centrata, era di 11 cm. Gli inserti conduttivi saldati alle proiezioni tronco-coniche erano costituiti da cilindretti in acciaio al carbonio.

Ogni lamiera stampata comprendeva anche cinque depressioni, di cui due posizionate in prossimità dei due bordi verticali, aventi 5 cm di larghezza. Ogni depressione era coperta da un tegolo di uguale larghezza in modo da creare un canale discendente. In uno dei canali discendenti laterali era posizionato un tubo di scarico avente diametro di 3 cm, destinato a permettere l'uscita delle fasi liquida e gassosa (rispettivamente soda caustica e idrogeno per la faccia catodica e salamoia diluita e cloro per la faccia anodica di ogni elemento). Le due facce degli elementi comprendevano inoltre un deflettore situato lungo il bordo della flangia perimetrale superiore avente lunghezza uguale a quella dell'elemento e altezza uguale a 10 cm. Lo spazio disponibile per il passaggio della miscela liquido-gas fra bordo superiore del deflettore e bordo della flangia era di 1 cm. La faccia anodica degli elementi era dotata di una lamiera di titanio espansa a formare una rete a maglie esagonali spesse 0,1 cm, ciascuna maglia avente altezza uguale a 0,3 cm e lunghezza di 0,6 cm. La rete era provvista di un film elettrocatalitico per l'evoluzione di cloro, costituito da un ossido misto di titanio, iridio, rutenio, applicato secondo le indicazioni del brevetto U.S.A. 3,948,751, Esempio 3.

Alla faccia catodica degli elementi era fissata una lamiera espansa di nichel avente spessore di 0,05 cm, con maglie a forma romboidale con lunghezza e altezza pari a 0,6 e 0,3 cm rispettivamente. La rete espansa era sagomata per pressatura a freddo in modo da formare bugnature con diametro di 10 cm e altezza 0,2 cm. La lamiera espansa era inoltre provvista di un film elettrocatalitico per l'evoluzione di idrogeno costituito da una miscela di ossidi di nichel e rutenio applicati come descritto nel brevetto U.S. 4,970,094, Esempio 1. La rete era fissata alla faccia catodica saldando le parti piane comprese fra le bugnature alla superficie piana delle proiezioni tronco-coniche. L'elettrolizzatore costituito assemblando gli elementi è stato fatto funzionare ottenendo i seguenti risultati:

• portata di riciclo dell'anolita attraverso i cinque canali discendenti ricavati sulle facce anodiche : 2,3 e 2,8 m<3>/ora/m<2 >di membrana, rispettivamente a 5 e 8 kA/m<2>.

• portata di riciclo del catolita attraverso i cinque canali discendenti ricavati sulle facce catodiche : 2 e 2,4 m<3>/ora/m<z >di membrana, rispettivamente a 5 e 8 kA/m<2>.

• deviazione della concentrazione dell'anolita rispetto al valore medio di 210 grammi per litro (gpl) : ± 3 gpl. Questi dati erano ottenuti prelevando quantità di liquido attraverso opportune prese campioni di cui gli elementi erano dotati.

• deviazioni della concentrazione della soda caustica rispetto al valore medio di 32% : ± 0,2%.

• deviazione della temperatura rispetto al valore medio di 90°C : 1 , -2°C. • consumi energetici : 2080 e 2280 kWh/ton di soda caustica prodotta, rispettivamente a 4 e 6 kA/m<2>. Questi consumi derivano da tensioni per celle elementari pari rispettivamente a 3,00 e 3,28 Volt, con rendimenti faradici di 96,5.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1. Elettrolizzatore a membrana a scambio ionico per l’elettrolisi di soluzioni acquose di elettroliti, costituito da una pluralità di celle elementari, ciascuna cella elementare essendo delimitata da una coppia di elementi e da una coppia di guarnizioni periferiche con interposta una membrana a scambio ionico, ciascuno di detti elementi comprendente: • una coppia di lamiere provviste di flangia periferica adatta ad alloggiare le guarnizioni periferiche • una cornice di sostegno interposta fra le flange delle due lamiere • inserti conduttivi per il collegamento elettrico fra ciascuna proiezione di una lamiera e la corrispondente proiezione dell'altra lamiera • tegoli a formare canali discendenti • un deflettore disposto nella parte superiore di ciascuna lamiera in prossimità ma non in contatto con il bordo interno della flangia perimetrale e provvisto di fori di collegamento con ciascuna depressione provvista di tegolo • un distributore per l'alimentazione delle soluzioni acquose di elettroliti disposto nella parte inferiore di ciascuna lamiera lungo il bordo interno della flangia perimetrale • un tubo discendente verticale di scarico delle soluzioni acquose esauste di elettroliti e dei prodotti di elettrolisi • una rete espansa provvista di un film elettrocatalitico per le reazioni elettrochimiche. ciascuno di detti elementi caratterizzato dal fatto di comprendere supporti inseriti fra detta coppia di lamiere e dette reti espanse.
2. 2. L'elettrolizzatore della rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che la coppia di lamiere è provvista di una molteplicità di proiezioni aventi una superficie piana come sommità e che detti supporti sono fissati su detta superficie piana.
3. 3. L’elettrolizzatore della rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detti supporti hanno la forma di U e sono provvisti di superficie per il fissaggio di dette reti espanse.
4. 4. L’elettrolizzatore della rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto che dette superfici per il fissaggio sono provviste di fori.
5. 5. L'elettrolizzatore della rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detti supporti sono disposti secondo una maglia esagonale.
6. 6. L’elettrolizzatore delle rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che dette proiezioni hanno forma tronco-conica.