NO303232B1 - Rammeenhet for elektrolyseapparat, samt elektrolyseapparat omfattende slike rammeenheter - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår elektrolyseapparater av filtrerpresse-typen, og mer spesielt rammeenheter som utgjør en del av konstruksjonen i slike elektrolyseapparater.

Elektrolyseapparater av filtrerpresse-typen består generelt av en stabel vertikale rammeenheter som danner elektrolysekammere i hvilke elektrodene er anordnet vertikalt. Membraner med selektiv permeabilitet eller diafragmaer som er gjennomtrengelige for elektrolytter kan settes mellom rammeenhetene, for å skille dem i elektrolysekammeret.

I dokumentet US-A-4, 069.129 (Asahi Glass Company) er det beskrevet elektrolyseapparater av filtrerpressetypen, i hvilke rammeenhetene er rammer laget av en sammensetning av rør som brukes for sirkulering av elektrolytter og elektrolyseprodukter. Elektrodene er perforerte metallplater som er festet til rammene langs periferien. I disse kjente elektrolyseapparater må rørene som utgjør rammen være av et materiale som motstår de kjemiske og termiske forhold som hersker i elektrolyseapparatet; de er i alminnelighet laget av titan eller nikkel, avhengig av hvorvidt de~er i et anodekammer eller i et katodekammer i en membrancelle som brukes for elektrolyse av en vannoppløsning av natriumklorid. Titan og nikkel har imidlertid den ulempen at de har høy elektrisk resistans, sammenlignet med slike materialer som stål, kobber eller aluminium, slik at disse elektrolyseapparatene har dår-lig energieffektivitet.

Dokumentene EP-A-185.271 (Oronzio de Nora) og WO 86/3.787 (Dow Chemical) beskriver elektrolyseapparater av filtrerpressetypen, hvor rammeenhetene omfatter en vertikal plate av valset metall og en perifer ramme, mens det hele er dekket av en presset metallplate. Det valsede metall brukes til å lede elektrisk strøm mot elektrodene, og er derfor i alminnelighet laget av stål, kobber eller aluminium. Den pressede platen brukes til å isolere den valsede platen og rammen fra det korroderende kjemiske miljø i elektrolyseapparatet. Den er laget av titan eller nikkel, avhengig av hvorvidt den er plassert i et anodekammer eller et katodekammer i en membrancelle for elektrolyse av vannoppløsninger av natriumklorid. I disse kjente elektrolyseapparater har rammeenheten lav resistans mot elektrisk strøm, og dette er fordel. Disse rammeenhetene har imidlertid den ulempen at deres ramme ikke kan brukes for sirkulering av elektrolytter og elektrolyseprodukter, på grunn av det faktum at de er helt dekket av den pressede metallplaten.

Den foreliggende oppfinnelse tar sikte på å frembringe en rammeenhet for et elektrolyseapparat av filtrerpresse-typen, som kombinerer de tilsvarende fordeler med de kjente elektrolyseapparater beskrevet ovenfor, samtidig som den unn-går deres ulemper. Den tar spesielt sikte på å frembringe en rammeenhet som har lav total resistans mot elektrisk strøm, og hvor en del av rammen kan benyttes for sirkulering av elektrolytter og elektrolyseprodukter.

Oppfinnelsen angår derfor en rammeenhet for et elektrolyseapparat av filtrerpresse-typen, omfattende av en vertikal valset metallplate omgitt av et metallblikk, og en perifer ramme bestående av to vertikalt stående deler og to horisontalt langsgående deler. Rammeenheten kjennetegnes ved at de to stående deler er festet til platen og er dekket med metallblikket, og ved at de to langsgående delene er laget av samme materiale som blikket, er innsatt mellom de stående delene og festet til blikket.

I rammeenheten ifølge oppfinnelsen er rammens funksjon å definere et elektrolysekammer for elektrolyseapparatet, hvor kammeret er tenkt å inneholde en vertikal elektrode.

Funksjonen for den valsede metallplaten er å stive opp rammeenheten og understøtte rammen og å lede elektrisk strøm gjennom elektrolyseapparatet. Materialet i den valsede metallplaten er ikke kritisk, forutsatt at det er elektrisk ledende. Det er imidlertid anbefalt å lage det av et metall eller metallegering som er en god leder for elektrisk strøm; stål, kobber og aluminium er foretrukket.

Materialet som benyttes i de stående delene på sidene av rammen er ikke kritisk.

Funksjonen for metallblikket er å isolere den valsede platen og de stående delene av rammen mot det korroderende kjemiske miljø i elektrolyseapparatet. Det må derfor være laget av et materiale som er ugjennomtrengelig for de korroderende bestanddeler i dette miljø, og inert overfor disse. Som et eksempel, i tilfelle med et membran-elektrolyseapparat for produksjon av klor og av vannoppløsninger av natriumhydroksid, kan et materiale valgt av titan, tantal, niob, zirkonium, wolfram og legeringer av disse bli benyttet når rammeenheten skal danne et anodekammer i elektrolyseapparatet . Når rammeenheten skal danne et katodekammer i elektrolyseapparatet, skal materialet i metallblikket med fordel velges av nikkel og nikkellegeringer. Metallblikket må dessuten være profilert slik at det hviler på den valsede metallplaten mellom de vertikale delene, og skrever over de vertikale delene. Blikkets profil avhenger således av dimen-sjonene og formen av de langsgående delene, og kan oppnås ved pressing eller folding. Blikkets tykkelse må være tilstrekkelig til å motstå de mekaniske påkjenninger det blir utsatt for når elektrolyseapparatet er i drift. Uansett disse forhold, er det en fordel å benytte et blikk som er så tynt som mulig, slik at dets elektriske resistans på tvers av overflaten er så lav som mulig. Den optimale tykkelse kan lett bestemmes såsnart som de øvrige dimensjoner, material-typen det skal lages av og driftsforholdene i elektrolyseapparatet er fastsatt.

De horisontale langsgående delene i rammen må være laget av et materiale som kan motstå det korroderende kjemiske miljø i elektrolyseapparatet. De bør fortrinnsvis lages av samme materiale som metallblikket. Dessuten må de være godt festet til metallblikket på tilstrekkelig lekkasjesikker måte for å isolere den valsede metallplaten og de stående delene i rammen mot det korroderende miljø i elektrolyseapparatet. Festingen av de langsgående delene til metallblikket blir vanligvis utført ved sveising.

Rammeenheten ifølge oppfinnelsen er ment for å forbindes med lignende rammeenheter for å danne et elektrolyseapparat av filtrerpresse-typen. I sistnevnte skal rammeenheten ifølge oppfinnelsen brukes til å definere et elektrolysekammer inneholdende en vertikal elektrode. Elektroden er i alminnelighet laget av metall, og kan forbindes med metallblikket ved hjelp av elektrisk ledende kontakter. Disse kan f.eks. være metalltapper eller bjelker sveiset til elektroden og til metallblikket. Det er anbefalt at metallblikket sveises til den valsede platen, under kontaktene, for å redu-sere enhetens elektriske resistans.

Ifølge en spesiell utførelse av oppfinnelsen, omfatter rammeenheten, for det første et metallblikk og en perifer ramme på hver side av den valsede platen, og for det andre to vertikale elektroder anordnet på begge sider av platen og forbundet med metallblikket ved elektrisk ledende kontakter. Den valsede platen er forbundet respektivt med metallblikket med elektrisk ledende kontakter. I tilfelle med en ramme som tenkes brukt for et enpolet elektrolyseapparat, er de to elektrodene to anoder eller to katoder. De to metallblikkene kan da være laget av samme materiale, og metallplaten må ut-vides med en metallstrimmel som strekker seg utenfor rammen, for å tilkobles en kilde for elektrisk strøm. I det tilfellet hvor rammen skal benyttes for et elektrolyseapparat av topolet type, er den ene elektroden en anode og den andre elektroden en katode, og den valsede metallplaten blir da brukt til å overføre elektrisk strøm fra katoden mot anoden når elektrolyseapparatet er i drift.

I rammeenheten ifølge oppfinnelsen, kan de stående og langsgående delene i rammen ha hvilket som helst tverrsnitt som passer sammen med konstruksjonen av elektrolyseapparatet. Det er foretrukket å gi dem et flerkantet, generelt kvadra-tisk, rektangulært eller trapesformet tverrsnitt.

I en fordelaktig utførelse av rammeenheten ifølge oppfinnelsen, er de langsgående delene profilert slik at de danner, langs blikket, to langsgående kanaler som er gjennomhullet med åpninger på de sideveggene som vender mot hverandre. En av kanalene er dessuten forbundet med et elektrolytt -inngangsrør, mens den andre kanalen er forbundet med et rør for uttømming av elektrolyseproduktene. I denne ut-førelsen av oppfinnelsen blir kanalene i de langsgående delene brukt til å fordele elektrolytten i elektrolysekammeret som er definert ved rammen, og å fjerne produktene som resulterer av elektrolysen.

Som forklart ovenfor kan rammeenheten ifølge oppfinnelsen bli innrettet for konstruksjon av enpolede elektrolyseapparater eller topolede elektrolyseapparater. Oppfinnelsen angår således også elektrolyseapparater av enpolet eller topolet filtrerpressetype, bestående av en stabel rammeenheter som danner elektrolysekammere inneholdende vertikale elektroder, hvilke elektrolyseapparater kjennetegnes ved at de omfatter rammeenheter av den mest generelle type som er definert ovenfor. I elektrolyseapparater av denne typen er elektrolysekamrene adskilt av ion-gjennomtrengelige skillevegger. Skilleveggene er flater som settes mellom de etterfølgende rammeenheter i stabelen, og er laget av et materiale gjennom hvilket en ionestrøm kan passere når elektrolyseapparatet er i drift. De kan være diafragmaer som er gjennomtrengelige for vannholdige elektrolytter eller selektivt gjennomtrengelige membraner, idet forskjellen er uten betydning.

Eksempler på diafragmaer som kan brukes i elektrolyseapparatene ifølge oppfinnelsen er asbest-diafragmaer som beskrevet i patent US-A-1.855.497 (Stuart) og i patentene FR-A-2.400.569; EP-A-1.644 og EP-A-18.034 (Solvay & Cie.) og diafragmaer laget av organiske polymerer, som beskrevet i patentene FR-A-2.170.247 (Imperial Chemical Industries PLC) og i patentene EP-A-7.674 og EP-A-37.140 (Solvay & Cie).

Selektivt gjennomtrengelige membraner betyr tynne, ikke-porøse membraner som omfatter en ion-utvekslingssubstans. Valget av materialet som danner membranene og ion-utvekslingssubstansen vil avhenge av typen av elektrolytt som utsettes for elektrolyse, og av produktene som skal produseres. Som en generell regel vil materialet i membranene bli valgt av materialer som kan motstå de termiske og kjemiske tilstander som normalt hersker i elektrolyseapparatet under elektrolyse, og ion-utvekslingssubstansen velges av anion-utvekslingssubstanser eller kation-utvekslingssubstanser, avhengig av de elektrolyseoperasjoner apparatet er bestemt for.

For eksempel, i tilfelle med elektrolyseapparater som skal brukes for elektrolyse av vannoppløst natriumklorid for produksjon av klor, vannoppløsninger av hydrogen og natriumhydroksid, er passende membraner kationmembraner laget av fluorinerte, fortrinnsvis perfluorinerte polymerer som inne-holder kationiske funksjonsgrupper utledet fra sulfonsyre, fra karboksylsyre eller fra fosfonsyre eller blandinger av slike funksjonsgrupper. Eksempler på membraner av denne typen er beskrevet i patentene GB-A-1.497.748 og GB-A-1.497.749 (Asahi Kasey Kogyo K.K.), GB-A-1.518.387, GB-A-1.522.877 og US-A-4.126.588 (Asahi Glass Company Ltd) og GB-A-1.402.920 (Diamond Shamrock corporation). Membraner som er spesielt egnet for denne anvendelse av cellen ifølge oppfinnelsen er de som er kjent under navnene "Nafion" (Du Pont de Nemours & Co) og "Flemion" (Asahi Glass Company Ltd).

Elektrolyseapparater ifølge oppfinnelsen er spesielt fordelaktige for produksjon av klor og vannholdige natrium-hydroksidoppløsninger ved elektrolyse av vannoppløsninger av natriumklorid.

Spesielle trekk og detaljer ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskrivelse, under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et oppriss, delvis med et utsnitt, av en utførelse av rammeenheten ifølge oppfinnelsen;

fig. 2 viser et grunnriss, delvis med et utsnitt, av rammeenheten på fig. 1;

fig. 3 viser et vertikalt snitt langs planet III-III på fig. 1 og 2;

fig. 4 viser en alternativ utførelse av en detalj på fig. 3;

fig. 5 er et grunnriss i likhet med fig. 2, med delvis utsnitt, av en annen utførelse av rammeenheten ifølge oppfinnelsen;

fig. 6 viser et snitt langs planet VI-VI på fig. 5;

fig. 7 viser, i vertikalt snitt, et enpolet elektrolyseapparat av filtrerpresse-typen, ifølge oppfinnelsen;

fig. 8 viser, i vertikalt snitt, et topolet elektrolyseapparat av filtrerpresse-typen, ifølge oppfinnelsen.

På disse figurene er de samme henvisningstall brukt til å betegne de samme komponenter.

I den følgende beskrivelse er oppfinnelsen spesielt an-vendt på elektrolyseapparater av filtrerpressetypen med kationmembraner, for produksjon av klor og vannoppløst natriumhydroksid ved elektrolyse av vannoppløsninger av natriumklorid.

Rammeenheten ifølge oppfinnelsen, vist på fig. 1 til 3, er konstruert til å utforme to like anodekammere i et enpolet elektrolyseapparat. Det omfatter en vertikal plate 1 laget av kobber og to perifere rammer anordnet på begge sidene av platen 1. Rammene har rektangelformet tverrsnitt. Hver omfatter to vertikale stående deler 2 og 3, laget av kobber eller stål, som er sveiset til platen 1, og to langsgående deler 4 og 5 laget av titan. Platen 1 er omgitt av to titanblikk 6, foldet i form av en U, slik at de går over platen 1 under de horisontale delene 4 og 5, og skrever over de stående delene 2 og 3. Titanblikkene 6 er sveiset på de langsgående delene 4 og 5 ved hjelp av en kontinuerlig sveiseforbindelse, slik at det danner lekkasjesikker enhet. To vertikale anoder 7 (som kan sees på fig. 1 og 3) er anordnet respektivt inne i rammene. Hver består av en vertikal perforert titanplate som er påført et ledende belegg med lav overspenning for elektrokjemisk oksydering av kloridioner. Slike belegg er vel kjent i elektrolyseteknologien. Hver plate 7 er festet til blikket 6 ved hjelp av vertikale titan-bjelker 8. Platen 1 er utvidet utenfor rammeenheten i form av en marginal strimmel 9 for tilkobling til den positive pol av en likestrømskilde. Den elektriske forbindelsen mellom strømkilden (ikke vist) og anodeplatene 7 er laget via den marginale strimmelen 9, kobberplaten 1, titanblikkene 6 og bjelkene 8. Den elektriske forbindelsen mellom platen 1 og blikkene 6 kan oppnås gjennom virkningen av det hydro-statiske trykk fra elektrolytten når elektrolyseapparatet er i drift. Alternativt kan blikkene 6 punktsveises på platen 1 under bjelkene 8.

De rørformede langsgående delene 4 og 5 er rør med rek-tangelf ormet tverrsnitt, slik at de danner fire langsgående kanaler 23. Endene er hermetisk sveiset til blikket 6. Videre er de gjennomhullet med jevnt adskilte åpninger 10 i de veggene som vender mot hverandre. De nedre rørformede langsgående delene 5 er utstyrt med et rør 11 for innføring av en vannoppløsning av natriumklorid som skal elektrolyse-behandles i de respektive kanaler 23. På lignende måte er de øvre langsgående delene 4 utstyrt med et rør 12 for uttømming av elektrolyseproduktene, i dette tilfellet klor og en uttynnet natriumkloridoppløsning.

I den alternative utførelse vist på fig. 4, er hver av de langsgående delene 4 og 5 laget av en titanplate som er foldet til en stor U-form og sveiset til titanblikket 6 slik at det danner kanalen 23.

I tilfelle med en rammeenhet som skal danne to like katodekammere i elektrolyseapparatet, er de horisontale langsgående delene 4 og 5, blikket 6, bjelkene 8 og platene 7 (som utgjør katodene) laget av nikkel. Nikkelplatene 7 kan med fordel være påført et ledende belegg med lav overspenning for elektrokjemisk reduksjon av protoner. Slike belegg er vel kjent i elektrolyseteknologien.

De rammeenheter ifølge oppfinnelsen som er vist på fig.

5 og 6, er konstruert for å danne to like kammere, henholdsvis anodekammer 13 og katodekammer 14, i et topolet elektrolyseapparat. For dette formål har den det samme romutforming som rammeenhetene på fig. 1 til 3, og den omfatter også en vertikal plate 1 laget av kobber, og på hver side av sistnevnte, to vertikale stående deler 2 og 3, laget av kobber eller stål, som er sveiset til platen 1. Anodekammeret 13 er anordnet lik hver av de like anodekamrene i rammeenhetene på fig. 1 til 3. De omfatter et titanblikk 6 som dekker platen 1 og de to stående delene 2 og 3, to langsgående deler 4 og 5 av titan, perforert med en linje åpninger i de veggene som vender mot hverandre motsatt titanblikket 6, og en titan-anode (påført et aktivt belegg for elektrokjemisk oksydering av kloridioner) som er festet til blikket 6 ved titanbjeikene 8. I katodekammeret 14 er platen 1 og de to vertikale stående delene 2 og 3 dekket med et nikkelblikk 6'. De to

rørformede, langsgående delene 4' og 5' (som er perforert med en rekke åpninger 10' i de veggene som vender mot hverandre), platen 7' og bjelkene 8' er laget av nikkel. Nikkel-katode-platen 7' er fortrinnsvis utstyrt med et aktivt belegg for elektrokjemisk reduksjon av protoner. Røret 11' brukes for innføring av vann eller en uttynnet vannoppløsning av natriumhydroksid i kanalen 23', som definert ved den nedre langsgående del 5', og røret 12' brukes til å fjerne elektrolyseproduktene (i dette tilfelle hydrogen og en konsentrert

vannoppløsning av natriumhydroksid) ut av kanalen 23' som definert i den øvre rørformede langsgående del 4'.

Elektrolyseapparatet vist på fig. 7 er av enpolet type.

Det er laget av en stabel vertikale, alternativt anodiske 15

og katodiske 15', rammeenheter. Anode-rammeenhetene 15 er lik de som er beskrevet ovenfor under henvisning til fig. 1

til 3. Katode-rammeenhetene 15 ' er lik anode-rammeenhetene 15 i hvilke komponentene laget av titan er erstattet med lignende komponenter laget av nikkel. Disse nikkelkomponen-tene i rammeenheten 15' bærer de samme henvisningstall som de tilsvarende deler i rammeenheten 15, men er merket. På hver ende ender elektrolyseapparatet i en katode-halvrammeenhet 15'. Rammeenhetene 15 og 15 ' er adskilt ved kationmembraner 16, som således definerer alternativt anodiske og katodiske elektrolysekammere. Stabelen av rammeenheter 15 og 15' og av membranene 16 blir holdt mellom endeflensene 17 og 18 som er forbundet med forbindelsesstaver, ikke vist. Platene 24,

laget av et ikke-ledende materiale, gir elektrisk isolering mellom flensene 17 og 18 og halvrammeenhetene 15' i elektrolyseapparatet . Den marginale strimmelen 9 (fig. 2) av platen 1 i anode-rammeenheten 15 er tilkoblet en samleskinne forbundet med den negative pol på likestrømskilden. Rørene 11

og 12 på anode-rammeenheten 15 fører henholdsvis inn i en felles inngangsmanifold 19 for en vannoppløsning av natriumklorid og inn i en manifold 2 0 som brukes til uttømming av en emulsjon av klor i en uttynnet vannoppløsning av natriumklorid. På samme måte fører rørene 11' og 12' på katode-rammeenheten 15' henholdsvis inn i to manifolder 19' og 20'. Manifold 19' blir brukt for innføring av vann eller en tynn natriumhydroksid-oppløsning inn i katodekamrene, og manifold 2 0 ' blir brukt for fjerning av hydrogen som produseres under elektrolysen og av en konsentrert natriumhydroksid-oppløs-ning .

Elektrolyseapparatet på fig. 8 er av topolet type. Det

er utformet av en stabel rammeenheter i henhold til de som er vist på fig. 5 og 6 og av kationmembraner 16, for å definere alternativt anodiske 13 og katodiske 14 elektrolysekammere.

På endene ender elektrolyseapparatet i to halvrammeenheter, henholdsvis anodisk 21 og katodisk 22. Platen 1 i den anodiske halvrammeenhet 21 er forbundet med den positive pol på en likestrømskilde, ikke vist, og platen 1 i den katodiske halvrammeenhet er forbundet med den negative pol på like-strømskilden.

Claims (10)

1. Rammeenhet for et elektrolyseapparat av filtrerpresse-typen, omfattende en vertikal metallplate (1) omgitt av et metallblikk (6), og en perifer ramme bestående av to vertikalt stående deler (2, 3) og to horisontalt langsgående deler (4, 5), karakterisert vedat de to stående deler (2, 3) er festet til platen (1) og er dekket med metallblikket (6), og ved at de to langsgående delene (4, 5) er laget av samme materiale som blikket (6), er innsatt mellom de stående delene (2, 3) og er festet til blikket (6).

2. Rammeenhet ifølge krav 1, karakterisert vedat de langsgående delene (2, 3) er profilert slik at de langs blikket (6) danner langsgående kanaler (23) som er gjennomhullet med åpninger (10) på de veggene som vender mot hverandre, hvor kanalene (23) er i forbindelse med rør (11, 12) for innføring og ut-tømming av en elektrolytt.

3. Rammeenhet ifølge krav 2, karakterisert vedat de langsgående delene (2, 3) er plater som er brettet til en U-form og sveiset til blikket (6) for sammen med sistnevnte å utforme kanalene (23) .

4. Rammeenhet ifølge ett eller flere av kravene 1 til 3,karakterisert vedat de stående delene (2,

3) og de langsgående delene (4, 5) har kvadratiske, rektangelformede eller trapesformede tverrsnitt.

5. Rammeenhet ifølge ett eller flere av kravene 1 til 4,karakterisert vedat metallplaten (1) er laget av stål, kobber eller aluminium, og at metallblikket (6) er laget av titan eller nikkel.

6. Rammeenhet ifølge ett eller flere av kravene 1 til 5,karakterisert vedat den omfatter, for det første et metallblikk (6, 6') og en perifer ramme på hver side av metallplaten (1), og for det annet, to vertikale elektroder (7, 7') som er anordnet respektivt på begge sider av platen (1) og er forbundet respektivt med blikkene (6, 6') ved elektrisk ledende kontakter (8, 8').

7. Rammeenhet ifølge krav 6, karakterisert vedat platen (1) er utvidet utenfor rammen ved en metallstrimmel (9) som danner en leder for tilkobling til en strømkilde.

8. Elektrolyseapparat av enpolet filtrerpresse-type, bestående av en stabel rammeenheter som danner elektrolysekammere inneholdende vertikale elektroder,karakterisert vedat den omfatter rammeenheter (15, 15') ifølge krav 7.

9. Elektrolyseapparat av topolet filtrerpresse-type, bestående av en stabel rammeenheter som danner elektrolysekammere inneholdende vertikale elektroder,karakterisert vedat den omfatter rammeenheter ifølge krav 6.

10. Elektrolyseapparat ifølge krav 8 eller krav 9,karakterisert vedat det omfatter selektivt gjennomtrengelige membraner (16) vekselvis med rammeenhetene.