NO753405L - - Google Patents

Description

Strømkrets for elektrolyseceller.

Foreliggende oppfinnelse angår en strømkrets for elektrolyseceller, utstyrt med vertikale elektroder for elektrolyse av vandige løsninger. Særlig gjelder oppfinnelsen en strømkrets av elektrolyseceller innrettet for elektrolyse av vandige løsninger av alkali-metallklorider.

Elektrolyseceller anordnet i en strømkrets har vært anvendt i

stor utstrekning i mange år for fremstilling av klor, klorater, klorider, natriumhydroksyd, hydrogen og lignende kjemikalier.

Etter hvert har sådanne cellekretser blitt utviklet i sådan grad

at høyt driftsutbytte er oppnådd i forhold til den anvendte elektriske energi. Driftseffektiviteten omfatter strøm, spenning og effekt. De seneste utviklingsarbeider i forbindelse med elektrolysecellekretser har gått ut på forbedringer med henblikk på å øke produksjonsevnen for de enkelte celler med bibeholdt driftsvirkningsgrad. Dette har i stor utstrekning vært utført ved forandringer eller nykonstruksjoner i de enkelte celler samt økning av strømkapasiteten for hver enkelt celle. En sådan øket produksjonsevne for hver enkelt celle som arbeider med øket strømstyrke frembringer høyere produksjonstakt for en viss gulv-

flate i elektrolysehallen og nedsetter de nødvendige kapital-investeringer samt driftsomkostninger.

En krets av elektrolyseceller omfatter et antall celler som er elektrisk seriekoblet med en likestrømkilde, og som er anordnet i en eller flere rekker samt er utstyrt med minst en forflyttbar forbikoblingsbryter.

I sin alminnelighet har den siste tids utviklingsarbeider i forbindelse med kretser for elektrolyseceller vært rettet mot større celler med høy produksjonsevne og som er konstruert for drift ved høye strømstyrker, samtidig som høy driftsvirkningsgrad opprettholdes. Innenfor visse driftsparametre gjelder det at jo høyere strømstyrke en celle er beregnet for jo høyere vil cellens produksjonsevne være. Ettersom en celles beregnede strømføringsevne øker, er det imidlertid viktig at høy driftsvirkningsgrad bibeholdes. Bare skalaforstørrelse av komponentene i en celle beregnet på å arbeide ved lave strømstyrker vil ikke frembringe en celle som kan drives med høy strømstyrke og likevel bibeholde høy driftsvirkningsgrad. Tallrike konstruksjoneforbedringer må inngå i en elektrolysecelle for høy strømstyrke for at høy driftsvirkningsgrad skal kunne bibeholdes og den ønskede høye produksjonsevne kan oppnås.

Kretser for elektrolyseceller innrettet for fremstilling av klor og natriumhydroksyd er av særlig viktighet og vil her bli anvendt som et utførelseseksempel for å anskueliggjøre foreliggende oppfinnelse. Følgende tabell I viser utviklingen.

I den tidligst kjente teknikk ble kretser for klor/alkali-membranceller konstruert for å arbeide ved de ovenfor angitte strøm-styrker og med angitt produksjonsevne.

Konvensjonelle kretser for elektrolyseceller utgjøres av et antall

seriekoblede celler som normalt er anordnet i to eller flere rekker. Cellene er beregnet for strømstyrker opp til 150.000 amp. Den begrensede levetid for visse celledeler, som f.eks. anoder, separatorer og membraner, gjør det påkrevet å fjerne hver celle fra sin plass i rekken fra tid til annen samt å transportere denne celle til et verksted for utskiftning av ødelagte eller forbrukte celledeler. Normalt er sådanne cellekretser utstyrt med en eller flere forflyttbare forbikoblingsbrytere for føring av elektrisk strøm forbi hver celle som ikke er driftsdyktig, og mellom de to tilstøtende celler, således at kontinuerlig drift av cellekretsen kan finne sted uten avbrytelsen på grunn av en sviktende celle."

I konvensjonelle forbiføringskretser er bryteren anbragt i en driftskorridor rett ut for den sviktende celle, hvoretter bryterens

to sider ved hjelp av skinner eller kabler forbindes henhv.

til katode- og anodesiden for de inntilliggende celler. Det er nødvendig å utstyre hver celle med spesielle organer for forbindelse med bryteren. Ved plassering av bryteren ved siden av cellerekken vil imidlertid strømfordelingen i de inntilliggende celler bli forstyrret.

Som vist i fig. 2, vil de celledeler som ligger nærmest drifts-korridoren hvor bryteren er plassert, bli sterkere elektrisk belastet enn normalt, mens strømmen nedsettes i celledelene på

den motsatte side. Denne ujevne strømfordeling medfører større varmeutvikling i de overbelastede celledeler, høyere effektforbruk samt lavere strømvirkningsgrad. På grunn av denne ujevne strøm-fordeling for de bryter-tilsluttede celler vil lengdeutstrekningen for cellene i konvensjonelle kretser være meget begrenset. I sådanne vanlige strømkretser for celler med vertikale elektroder vil forholdet mellom cellelengde og cellebredde være omkring 2 eller mindre. Med cellelengde menes i denne forbindelse den horisontale utstrekning av cellens élektrolyttiske kammer vinkel-rett på cellerekken, mens cellebredden angir den horisontale utstrekning av cellens elektrolysekammer i retning av cellerekken.

Ved konvensjonelle kretser for elektroder med vertikale celler er forbikoblingsbryteren plassert på samme nivå som cellene. For transport av den sviktende celle til verkstedet, må cellen således løftés av en kran over bryteren eller eventuelt over de tilstøtende celler, hvilket medfører en høyere konstruksjonshøyde i elektrolysehallen for å få plass til kranen.

Den ovenfor angitte beskrivelse av kjent teknikk viser således utviklingen av klor/alkali-membrancellekretser konstruert for drift ved høye strømstyrker og tilsvarende høy produksjonsevne. Kretser for klor/alkali-membranceller har nå blitt utviklet for drift ved så høye strømstyrker som omkring 150.000 amper og oppover til omkring 200.000 amper. Med tilsvarende høyere produksjonsevne, samtidig som høy driftsvirkningsgrad bibeholdes.

Sådanne kjente kretser for elektrolyseceller har imidlertid fremdeles visse ulemper som påvirker driftsvirkningsgraden, driftsomkostningene og den nødvendige kapitalinvestering og derved hindrer ytterligere økning av cellestrømmen og produksjonstakten.

Foreliggende oppfinnelse har som formål å unngå de ulemper som foreligger ved konvensjonelle elektrolysecellekretser på grunn av forbikoblingsbryterens plassering ved siden av cellerekkene i betjeningskorridoren, samt videre å muliggjøre større eelleomfang og derved cellebelastninger samt øket produksjonsevne ved økning av forholdet mellom cellebredde og cellelengde helt opp til 8 eller mer, samtidig som det bibeholdes jevn strømfordeling i hver celle uavhengig om cellen er direkte tilkoblet den inntilliggende celle eller forbundet med forbikoblingsbryteren.

I henhold til foreliggende oppfinnelse.'; er det oppnådd en ny krets for elektrolyseceller. Denne nye krets omfatter elektrolyseceller konstruert etter nye prinsipper og utstyrt med innkommende anodesamleskinner og utgående katodesamleskinner anordnet på prinsippielt ny måte og fortrinnsvis jevnt fordelt langs hovedsakelig hele cellelengden. Cellekretsen omfatter også en ny forbikoblingsbryter samt et nytt arrangement av elektrolysecellene i forhold til bryteren.

Den nye cellekrets omfatter minst en rekke av et antall celler hvis lengdeutstrekning er minst dobbelt så stor som cellebredden. Disse celler er anordnet i rekke på sådan måte at de innkommende anodeledere og utgående katodeledere er fordelt langs lengdeutstrekningen av hver celle. Cellekretsen inneholder minst en bevegelig forbikoblingsbryter anordnet på undersiden av céllerekkene. Denne forflyttbare forbikoblingsbryter er utstyrt med anode- og katodeforbindelser ved innbyrdes motsatte ender av bryteren samt jevnt fordelt over bryterens lengdeutstrekning som hovedsakelig tilsvarer cellelengden. Den nye krets tillater at en celle tas ut av drift ved hjelp av forbikoblingsbryteren, uten at den kontinuerlige drift av de øvrige celler i kretsen avbrytes. Den forflyttbare forbikoblingsbryter som er plassert under cellerekken sikrer at den elektriske strøm flyter gjennom bryteren langs rettlinjede strømbaner mellom de celler som er forbundet med bryteren, når det hele betraktes fra cellerekkens overside.

Et vesentlig særtrekk ved foreliggende oppfinnelse er anordningen av en forflyttbar forbikoblingsbryter under en cellerekke langs dens midtlinje, slik det er vist i fig. 3. Tilpasning av bryterens lengdeutstrekning til cellelengden muliggjør kort og rettlinjet strømforbindelse mellom elektrodeel-ementene for den ene'celle som er tilsluttet bryteren, over et antall bryterforbindelse og et antall bryterkontakter til de tilsvarende elektrodeelementer for den annen celle som er tilsluttet bryteren. Sammenlignet med konvensjonelle cellekretser oppnås flere fordeler ved den nye kretsanordning i henhold til foreliggende oppfinnelse. På grunn av at forbikoblingsbryteren er plassert langs cellerekkens midtlinje og strekker seg over hele cellelengden, samt det forhold at det foreliggende antall bryterforbindelser og bryterkontakter er fordelt over hele cellens lengdeutstrekninger, unngås alle. forstyrrelser i strømbanene gjennom de celler som er forbundet med bryteren, således at unormale og uhensiktsmessige driftsforhold vanligvis ikke vil opptre i denne forbindelse. Virkningen av enhver ønsket forlengelse av vedkommende celler og forbikoblingsbryteren, muliggjør skalaforstørrelse av cellene og bryterne til

meget høye strømføringsemner, som f.eks. 300.000 eller 400.000 amper, V samt i ennå større grad tilsvarende høyere produksjonstakt for sådanne celler og besparelser med hensyn til kapitalinvestering.

Muligheten for sådan forlengelse av celler og brytere tillater videre konstruksjon av celler med liten breddeutstrekning og stor lengdeutstrekning, som fører til et stort lengde/bredde-forhold for cellen, samtidig som høy strømstyrke og høy produksjonstakt bibeholdes. Nedsetning av cellebredden samtidig som høy produksjonstakt bibeholdes er meget fordelaktig på grunn av den nedsatte strømbanelengde til hver celle og inne i hver celle, således at den totale strømbanelengde i kretsen nedsettes, slik det vil fremgå av fig. 6 og 7. Denne nedsetning av den totale strømbanelengde i en cellekrets medfører betraktelige besparelser med hensyn til konstruksjonsmaterial for elektrisk strømførende deler samt nedsetter det elektriske effekttap i kretsen.

Ytterligere fordeler ved foreliggende oppfinnelse er: god tilgjengelig-het til alle celler fra undersiden, god ventilasjon av cellerommet, utelatelse av vannkjølingsmidler for overbelastede celledeler i de brytertilsluttede celler, samt utelatelse av ytterligere strøm-skinner i hver celle for den ønskede bryterforbindelse.

Oppfinnelsens kretsanordning for elektrolyseceller utnytter

investert kapital på mest mulig økonomisk måte med hensyn til det sterkt ledende metall som anvendes i samleskinnene. Utformningen og de forskjellige relative dimensjoner for de innkommende og utgående samleskinner samt antallet av enkelte skinner nedsetter i vesentlig grad den nødvendige mengde ledende metall sammenlignet med tidligere kjente utførelser. De utgående samleskinner og antallet lederforbindelser mellom cellene er med hensyn til utformning og relative dimensjoner hensiktsmessig konstruert for å føre elektrisk strøm fra celle til celle såvel som fra celle til bryter uten ytterligere ledende material.

Den nye cellekrets i henhold til oppfinnelsen omfatter en krets av klor/alkali-elektrolyseceller hvori de innkommende anodeledere og de utgående katodeledere er utstyrt med adskilte elektriske kontaktområder for henhv. forbindelse mellom cellene og for forbindelse fra celle til forbiføringsbryter.

De innkommende anodeledere og utgående katodeledere er fortrinnsvis jevnt fordelt over hovedsakelig hele cellelengden.

Den nye cellekrets i henhold til foreliggende oppfinnelse kan anvendes for mange forskjellige elektrolyseprosesser. Elektrolyse av vandige alkalimetallkloridløsninger er av størst viktighet, og cellekretsen i henhold til foreliggende oppfinnelse vil bli nærmere beskrevet under henvisning til denne elektrolysetype.

Denne beskrivelse må imidlertid på ingen måte. anses som begrensende for anvendbarheten av oppfinnelsens elektrolysekrets, slik den er definert ved de etterfølgende patentkrav.

En nærmere beskrivelse av foreliggende oppfinnelse vil nå bli gitt under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå:

Fig. 1 viser en typisk cellekrets,

Fig. 2 og 3 anskueliggjør en sammenligning mellom et kjent cellearrangement og oppfinnelsens celleanordning (planskisse og vertikalt snitt), Fig. 4 viser et lengdesnitt gjennom forbindelsen mellom bryter og celle i henhold til foreliggende oppfinnelse, Fig. 5 viser et tverrsnitt gjennom forbindelsen mellom bryter og celle i henhold til oppfinnelsen, Fig. 6 og 7 gjelder en sammenligning mellom en kjent strømkrets og kretsen i henhold til foreliggende oppfinnelse, Fig. 8 og 9 gjelder en sammenligning mellom elektrolysehallens rørledningsføring i henhold til henhv. kjent teknikk og foreliggende oppfinnelse, og Fig. 10 og 11 gjelder en sammenligning av kryssende strømskinne-anordning henhv. i henhold til kjent teknikk og foreliggende oppfinnelse. Fig. 1 viser en kretsanordning for elektrolyseceller 1, som er elektrisk seriekoblet ved hjelp av samleskinner 3 mellom cellene, idet første og siste celle er elektrisk tilkoblet en likestrømskilde 2. Cellene er anordnet i rettlinjede rekker, og for elektrisk sammenkobling mellom rekkene er det anordnet kryssende samleskinner

4. Antallet cellerekker kan være forskjellig, f.eks. 2, 4 eller

6 rekker.

I fig. 2 er plasseringen av en forbikoblingsbryter 5 og dens tilslutningsledere 6 til cellene vist for en konvensjonell cellekrets. Det vil være åpenbart fra denne figur at strømfordelingen i de brytertilsluttede celler vil være ujevn, slik som det er angitt ved piler 7 i disse celler. Videre er det vist transport av en sviktende celle eller en celle som skal nyinnstalleres,

mellom cellerommet og verkstedet. Det vil være innlysende at kranen 8 må løfte cellen over oversiden av forbikoblingsbryteren 5

eller cellene i cellerekken.

For sammenligning med den viste kjente teknikk angir fig. 3 anordningen av forbikoblingsbryteren 5 i forhold til cellene i en cellekrets i henhold til foreliggende oppfinnelse. Den forflyttbare forbikoblingsbryter 5 kan forflyttes under en cellerekke nøyaktig langs rekkens midtlinje og kan plasseres under en hvilken som helst celle i rekken for elektrisk forbikobling av denne celle. Det vil være klart at strømfordelingen i de celler som er tilkoblet bryteren, vil være jevnt fordelt, slik det er anskueliggjort ved de rette pilretninger 7 i disse celler, således at enhver forstyrrelse av strømfordelingen og lignende ulemper unngås. Dette oppnås ved den beskrevede anordning av bryteren samt ved den spesielle bryterkonstruksjon, som går ut på tilpasning av bryterlengden til cellenes lengdeutstrekning samt anvendelse av et større antall bryterforbindelser 6 fordelt over henhv. bryteren og cellens lengdeutstrekning. Denne anordning av lederforbindelser mellom bryter og celler og cellenes innbyrdes sammenkobling i cellekretsen i henhold til foreliggende, oppfinnelse er nærmere vist i fig. 4 ved et lengdesnitt gjennom en cellerekke og bryteren montert under rekken. Den forflyttbare forbikoblingsbryter beveges under den celle som skal settes ut av drift. Kontaktene 9 befinner seg da i avbruddsstilling. Det foreliggende antall bryterforbindelser. 6 tilsluttes så kontakt-områdene 3a på katodesiden for en av nabocellene samt til kontakt-områdene 3b på anodesiden av den annen nabocelle. Ved hensiktsmessig automatisk utstyr,, f.eks. kontaktorer, vil bryterkontaktene 9 bli sluttet, således at den forbikoblede celle ikke lenger mottarcfen strøm som flyter i kretsen. Det foreliggende antall av fleksible samleskinner 3 mellom den sviktende celle og de inntilliggende celler kobles deretter ut således at den sviktende celle kan fjernes og en ny celle innstalleres uten noen som helst avbrytelse eller forstyrrelse i driften av de øvrige celler i kretsen. Det nødvendige innkoblingsarbeidet før den nye celle kan gjøres strømførende, utføres i motsatt rekkefølge som angitt ovenfor.

I fig. 5a er det vist et tverrsnitt gjennom en celle med en understøttelse og forbikoblingsbryteren plassert under denne celle.

I motsetning til forholdet ved konvensjonelle elektrolyseceller,

er bærekonstruksjonen for cellen i henhold til foreliggende oppfinnelse ikke anordnet under cellen, men på utsiden av celle-veggene. For dette formål er det anordnet isolerte og innstillbare understøttelsespunkter 10, idet disse punkter 10 bæres på søyler 11. Søylene 11 kan også anvendes for understøttelse av en gangbane 12 langs cellene. Søylene 11 er anordnet i tilstrekkelig høyde for å tillate de nødvendige arbeidsoperasjoner for bryteren under cellerekken. Det er videre vist at bryterens lengdeutstrekning er tilpasset lengden av cellen 1, samt videre at det foreliggende antall bryterforbindelser 6 er tilpasset antallet elektrodeelementer 13, således at det tillates rettlinjet strøm-føring mellom hvert elektrode-element og den tilsvarende bryterforbindelse.

Fig. 6 viser en krets av elektrolyseceller med vertikale elektroder med vanlig forhold mellom cellelengde og cellebredde. Fig. 7 viser en krets av elektrolyseceller med vertikale elektroder og utført i henhold til foreliggende oppfinnelse samt med samme antall celler, samme antall elektrodeelementer 13 pr. celle og samme strømstyrke som kretsen i fig. 6. Denne krets vil således representere samme produksjonstakt, men med øket forhold mellom cellelengde og cellebredde. Det vil imidlertid være åpenbart av det ved den foretatte forandring av celleformen oppnås at den totale strømbanelengde mellom utgangsklemmen for effektkilden 2 gjennom cellene og tilbake til effektkildens inngangsklemme, i vesentlig grad vil være nedsatt sammenlignet med den viste celleki<g>is i henhold til kjent teknikk. Den nye utforming av cellekretsen medfører betraktelige besparelser av strømførende iedermaterial så vel som elektrisk effekt, og i høyere grad jo høyere antall celler som foreligger. Fig. 8 viser et tverrsnitt gjennom et cellerom av konvensjonell utførelse og med celler montert på gulvet. De flytende celle-produkter strømmer under innflytelse av tyngdekraften fra cellene til en oppsamlingstank. På grunn av cellenes lave plassering må rørledningene 14 innstalleres i forsenkninger 15 hvis dybde av-henger av cellerekkens lengde, mens oppsamlingstanken 16 må plasseres

i en grøft 17.

For sammenligning med den kjente teknikk som er vist i fig. 8, angir fig. 9 rørledningsføringen for de væskeprodukter som avgis fra en cellekrets i henhold til foreliggende oppfinnelse.

På grunn av cellenes høye plassering i dette tilfelle, kan oppsamlingsrør og tank innstalleres over gulvhøyde, således at alle forsenkninger og grøfter unngås. All annen ledningsføring, f.eks. for produkter, forbruksvæsker, eller råmaterialer kan innstalleres under cellenes gulvnivå 1, således at ingen rørledning kan innvirke forstyrrende i celleoperatørenes eller kranens arbeidsområde.

Fig. 10 viser mulige plasseringer av kryssende samleskinner 4 for konvensjonelle cellekretser. I tilfelle overliggende innstallasjon vil de kryssende samleskinner påvirke'..kranområdet. Hvis det derimot anvendes innstallasjon under gulvet, må det anordnes betraktelige gulvuttagninger for plassering av de omfangsrike krysskoblinger.

Til sammenligning med den kjente teknikk som er angitt i fig. 2, viser fig. 11 en plassering av kryssende samleskinner som utnytter den høyere plassering av cellene i en cellekrets i henhold til foreliggende oppfinnelse. De kryssende samleskinner er i dette tilfelle plassert under nivået for celleoperatørenes gangbane 12, og forstyrrer hverken betjeningsområdet, klanområdet eller gulvområdet.

Den nye elektrolysecellekrets i henhold til ..foreliggende oppfinnelse har mange andre anvendeter. Alkalimetallklorater kan således fremstilles ved anvendelse av oppfinnelsens cellekrets ved å ytterligere frembringe reaksjon av det dannede natriumhydroksyd og klor utenfor kretsen av elektrolyseceller. I dette tilfelle kan løsninger av innhold av både alkalimetallklorat og alkalimetallklorid resirkuleres til elektrolysecellekretsen for ytterligere elektrolyse. Cellekretsen kan anvendes for elektrolyse av hydroklorsyre ved elektrolysebehandling av denne syre alene

eller i kombinasjon med et alkalimetallklorid. Den nye elektrolyse-sellekrets i henhold til foreliggende oppfinnelse er således i

høy grad anvendbar for de ovenfor" angitte og mange andre elektrolyseprosesser i vandige løsninger.

Claims (8)

1. Strømkrets for elektrolyseceller som er koblet i serie, karakterisert ved at cellene har vertikale elektroder og et forhold mellom cellelengde og cellebredde på minst 2:1, samt er anordnet i minst en rekke på sådan måte at de innkommende anodesamleskinner og utgående katodesamleskinner er fordelt langs cellens lengdeutstrekning, mens minst en forflyttbar forbikoblingsbryter er anordnet under en cellerekke for bevegelse langs cellerekkens senterlinje, idet bryteren er forsynt med celleledere på innbyrdes motstående sider og tillater at en celle settes ut av drift ved forbikobling av cellestrømmen gjennom bryteren, uten driftsavbrytelse for de øvrige celler i kretsen, således at det sikres at den elektriske strøm gjennom bryterens ledere, sett ovenfra, forløper i rett linje mellom de celler som er tilsluttet bryteren.

2. Strømkrets som angitt i krav 1, karakterisert ved at de innkommende anodestrøm-skinner og utgående katodestrømskinner er jevnt fordelt over hovedsakelig hele cellenes lengdeutstrekning.

3. Strømkrets som angitt i krav 1, karakterisert ved at de innkommende anodestrøm-skinner og de utgående katodestrømskinner er forsynt med innbyrdes \ i adskilte elektriske kontaktfalter for henhv. den innbyrdes celleforbindelse og for forbindelse mellom celle og bryter.

4. Strømkrets som angitt i krav 1, karakterisert ved at forbikoblingsbryteren omfatter et antall fleksible forbindelsesledere, et antall bryterkontakter jevnt fordelt langs bryterens hele lengdeutstrekning, som tilsvarer cellelengden.

5. Strømkrets som angitt i krav 1, karakterisert ved at cellenes bæreanordninger og den understøttende konstruksjon som bærer celtene er plassert på utsiden av bryterens arbeidsområde, hvilket tillater installasjon, bevegelse»og funksjonell anvendelse av den forflyttbare forbikoblingsbryter under cellerekken.

6. Strømkrets som angitt i krav 5, karakterisert ved at den understøttende konstruksjon som bærer cellene også anvendes for understøttelse av en gangbane langs cellene.

7. Strømkrets som angitt i krav 5, karakterisert ved at den understøttende struktur som bærer cellene også anvendes for å bære rørledninger i cellerommet.

8. Strømkrets som angitt i krav 1, karakterisert ved at også understøttelser for krysskoblingsskinner er anordnet under nivået for gangbanen langs cellene.