PL163158B1

PL163158B1 - Elektrolizer, zwlaszcza do elektrolizy chloro-alkalicznej PL PL PL PL PL PL

Info

Publication number: PL163158B1
Application number: PL90283772A
Authority: PL
Inventors: Giovanni Meneghini
Original assignee: Permelec Spa Nora
Priority date: 1989-02-13
Filing date: 1990-02-13
Publication date: 1994-02-28
Also published as: RU2051990C1; NO900611L; NO180170B; IL92972A0; IT8919423A0; DE69019192T2; BR9000632A; CN1046319C; DD298951A5; CA1338933C; IL92972A; NO180170C; EP0383243B1; US5066378A; CN1044831A; EP0383243A2; ZA90906B; IT1229874B; EP0383243A3; DE69019192D1

Abstract

1 . Elektrolizer, zwlaszcza do elektrolizy chlo ro-alkalicznej , z diafragma jednobiegunowa lub mam brana typu kieszonkowego do wymiany jonowej, zawierajacy komory katodowe i komory anodowe mieszczace w sobie odpowiednio katody, anody i przenosniki elektrolitu, przy czym anody maja ksztalt pudelek, sa stale i rozszerzalne, zaopatrzone w powie rzchnie z malymi otworami, posiadaja otwarta struktu re i sa wydluzone w kierunku pionowym, znamienny tym, ze przynajmniej czesc anod (B) jest wyposazo nych w górnej czesci w przegrody (D) zaopatrzone w górne krawedzie lub otwory przeplywowe umieszczo ne ponizej powierzchni cieczy anodowej, przy czym przegrody (D) sa wyposazone w przenosniki (E) ele ktrolitu, zamocowane do nich i umieszczone we wnatrz anod (B). Fi g. 6 PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest elektrolizer, zwłaszcza do elektrolizy chloro-alkalicznej.

,< znanych technologiach elektrolizy chloro-alkalicznej, wykorzystujących katodę rtęciową oraz elektrolizery dlafrg/mowe i membranowje, na przykład przy elektrolizie chlorku sodowego w elektrolizerach diafΓa/mowych, dąży się do zwiększenia gęstości prądu i zmnńejszenia odstępu anoda-diafaagma. Zastąpienie anod arafitowych przez stabilne ^^^^^niarono anody /tr^c^o^ιe oraz użycie dίafrg/m o podłożu airestowy/ i policzeecof loioree tylenwwym, wraz z katodami w nowych technikach, spowodoowac^· mros t gęstości prądu od około 1,5 kA/m do 2 około 2,7 kA/m oraz zmniejszenie odległości pomiędzy anodą i diafrg/mą od 7-10 mm do 1-2 mm Dzięki u trzymaniu dużego stężenia chlorku w mniejszym odstępie anoda-diafrg/ma uzyskuje się skuteczne przenikanie masy do powierzchni anody oraz imnieJSieiie do min/mum ilości pęcherzyków gazu osadzającego się na anodzie. .7 elektΓolizerach znajduję zastosowanie na przykład dlafra/r,y jednobżegunowe lub membrany typu kieszonkowego do wymiany jonowej.

Znany jest elektrolizer posiadajęcy podstawę, na której są zr/ocooanz stabilne wymiarowo anody. Liczba anod zależy od wymiarów elektrolizeTa. Katody są wykonane z bardzo drobnej siatki żelaznej i sę przyspawane do płyty rozdzielającej prąd. Na siatce katodowej

163 158

Jest osadzona diafragma azbestowa, a pokrywa elektrolizera Jest wykonana z poliestru lub innego mae^riLału odpornego na chlor. Komora katodowa Jest ograniczona przez diafrogmę i płytę rozdzielającą prąd a komara anodowa Jest utworzona przez pozostałą część elektrołizera. Jednak tego typu elektrolizer nie zapewnia dobrego przenikania masy.

Znanych Jest wiele elektrolieerów o poprawionym przenikaniu masy. posiadających albo specjalne struktury elektrod siatkowych. ułatwiające uwaanianie gazu. albo przegrody hydrodynammczne, zmniejszające ilość pęcherzyków gazu.

Znany jest z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ammryki nr 4 035 279, elektrolizer diafagmmowy, zw^iaszcza rtęciowy, wykorzys tu jący po^l^-y^e przegrody wspórpracujące z anodami grafioowymi. Jednak tego typu elektrolizer nie zapewnia skutecznych ruchów recyrkulacyjnych dla poprawy przenikania masy.

Stosowane w znanych elektrolzzerach anody metalowe o strukturze stabilnej wymiarowo mają kształt pudełek z cienkiej blachy. Użycie takich anod w elektrolizera z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ammeyki nr 4 035 279 pogorszyłoby recyrkulację, gdyż ruchy do góry koncentrowałyby się w pustej części anody, co zmnńejszałoby skuteczność elektrolizera.

Znany Jest z opisu patentowego francuskiego nr 2 162 240 elektrolizer posiodający anody w kształcie pudełek, z powierzchniami w postaci arkuszy lieego metalu oraz przegrody umirsiczonr na górnych krawędziach anod. Urządzenie to zapewnia ruch do góry mieszaniny solanka-chlor gazowy w odstępie pomiędzy diafagmmami i powierzchniami anod oraz ruch do dołu wolnej od gazu solanki w pustym wnętrzu anod. Ponieważ powierzchnia anod nie posiada otworów, pęcherzyki gazowego chloru nie mogą wnikać do wnętrza pustych anod, które pozostają całkowicie dostępne dla wolnej od gazu solanki i dlatego powierzchnia anody działa Jak wbudowany przenośnik. Wydajność tego elektrolizera znacznie mae^Je, gdy powierzchnie elektrod w kształcie pudełek posiadają małe otwory ummZlinlaJęce wnikanie pęcherzyków gazowego chloru do pustej przestrzeni wewnntrznej anod, co pogarsza bardzo wewnntrzną recyrkulację.

Znany jest z opisu patenoowego Stanów Zjednoczonych Ammeyki nr 4 138 295 elektrolizer posiadający puste anody w kształcie pudełek, zaopatrzone w powierzchnie z małymi otworami i przenośniki ustawione poprzecznie względem anod lub wewnitrz samych anod. Ruch do góry mieszaniny solanka-chlor gazowy występuje zarówno w odstępie diafaggmy-anoda Jak i weronną^ pustych anod, gdzie pę^lh^r^^-yk:! gazowego chloru mogą przenikać przez otwory w powierzchniach anod lub mogą być wytworzone bezpośrednio, gdy powłoka elektrokatalityczna Jest nakładana również na wβnnitriną stronę powierzchni anody. Ruch do dołu jest z^kaizo^a^ wewnntrz przenośników. Najlepszą wydajność recyrkulacji otrzymuje się tutaj optymaa^zując stosunek przekroju pustych anod, który pozostaje dostępny dla ruchu do góry, do przekroju przenośników dostępnych dla ruchu do dołu wolnej od gazu solanki. Jest to odwrotne niż według opisu patenot^wego francuskiego nr 2 162 248, gdzie użycie przegród jest wydajne w przypadku konstrukcji anod w kształcie pudełek z powierzchniami z liyych arkuszy metalowych, natomiast przekrój poprzeczny dostępny dla ruchu do góry mieszaniny solanki i pęcherzyków gazowego chlo ru Jest ograniczony do odstępu pomiędzy di^fagmami i anodai^m, a więc Jest znacznie mneijszy niż w opisie patenoowym Stanów Zjednoczonych Ammeyki nr 4 138 295. W wyniku tego znaczny ruch do góry wymaga koniecznie zastosowania większej energii, osiągalnej w wyniku działania przegród.

W elektrolizerze według wynalazku, przynajmniej część anod jest wyposażonych w górnej części w przegrody zaopatrzone w górne krawędzie lub otwory przeptywowe umgrszczoir poniżej powierzchni cieczy anodownr. Przegrody są wyposażone w przenośniki elektrolitu, zamocowane do nich i umieszczone wewnnąrz anod.

Korzystnie anody są wyposażone w aktywowaną, drobną siatkę.

W piewwezym przykładzie wykonania anody są oddalone od dlafrggmymmembrrit a dolna część anod jest zamknięta paskiem blachy lub drobnej siatki.

V.' drugim przykładzie wykonania anody są oddalone od diaf ragmy/membrany a dolna część anod jest zamknięta przez zagięte zakończenie paska aktywowanej drobnej siatki.

Korzystnie przegrody są zamocowane po dwie i każda para przegród jest przytwierdzona

163 15Θ machanlcznia do górnej części anod. Pochyła powierzchnie każdej pary przegród sę umieszczone symetrycznie względem środkowej płaszczyzny określonej przez powierzchnie anodowe.

Stosunek szerokości każdej pary przegród do odległości pomiędzy dwiema kolejnymi parami przegród jest równy co najmniej 1, przy czym szerokość i odległość sę mierzone względem krawędzi lub otworów przepływowych.

'•7 korzysmym przykładzie wykonania wszystkie anody sę wyposażone w przegrody.

W innym korzysmym przykładzie wykonania anody sę wyposażone naprzemiennie w przegrody.

Elektrolizer według wynalazku posiada trzy podstawowe cechy, które muszę występować równocześnie, a mianowicie anody w kształcie pudełek, zaopatrzone w powierzchnie z małymi otworami, przegrody umieszczone w górnej części anod i przenośniki elektrolitu, dzięki czemu umożżiwia się bardziej skuteczne wywoływanie ruchów recyrkulacyjnych do góry mieszaniny zawierajęcej solankę i pęcherzyki gazowego chloru, występujęce w odstępie pomiędzy diafragmę i powierzchnię anod oraz wewnętrz pustych anod w kształcie pudełek, a także ruch recyrkulacyjny do dołu wolnej od gazu solanki występujęcaj wewnęUz przenośników. W elektrolizerze według wynalazku im bardziej wydajny jest ruch recyrkulacyjny, tym mniejsze jest napięcie celek i tym większa jest uzyskiwana wydajność prędowa. Korzystniejsza wydajność uzyskiwana według wynalazku w porównaniu z dowolnym znanym elektrolieeeem jest iwięialn z większę wysokościę kolumny wolnej do gazu solanki, utworzonej wewn^rz anod i zapewniajęcej większę energię otizemywalę przy recyrkulaćji i^wn^^ celek elektrolizeTa.

Zaletę konstrukcji według wanalazku jest elektrolizer o zwiększonej wydajności dzięki lepszemu przenikaniu masy, przy zwiększonej gęstości prędu i zmniejszonym odstępie międzyclekerddowye. Uzyskuje się przy tym mniejsze zużycie energii i większę trwałość elektrolizerów, zwłaszcza przy elektrolizie chloro-alkalicznej, ale także w innych procesach elektrochemicznych, w których zwykle następuje zubożenie elektrolitu przy anodach, na przykład przy dektrolizi^e wodnej przy zastosowaniu elektrolitu alkalliznego.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1, 2, 3 przedstawiaję znany elektrolizer w przekrojach wzdłużnych i poprzecznych, fig. 4- strukturę stabinnych wymarowo anod, fig. 5, 6, 7 - elektrolizer według wynalazku w przekrojach wzdłużnych i poprzecznych, fig. 8 - różne kształty przegród, fig. 9 - dwie kolejne przegrody i fig. 10 - przykaadowy elektrolizer diaraammowy.

Elektrolizer pokazany na fig. 1, 2 i 3 posiada podstawę A, na której sę zamocowane stabilne wymiarowo anody 8. Katody C wykonane z drobnej siatki żelaznej sę przyspawane do rozdzielacza R /fig. 2/ prędu. Pokrywa G elektrolizera jest wykonana z poliestru lub innego materiału odpornego na chlor. Solanka stanowięca ciecz anodowę jest dostarczana przez wlot M /fig. 2/ do komory anodowej i jest poddawana elektrolizie przy anodach B, gdzie chlor jest wydzielany i uwalniany przez wylot H. Zubożona solanka płynie przez diafagmę do komory katodowej, gdzie jest poddawana elektrolizie przy katodach C /fig. 1/, wydzielajęc wodór, który jeet uwalniany przez wylot I. Poddana elektrolizie solanka, stanowięca ciecz katodowę, jest zbierana przez rurkę perkolacyjnę L, której zmiana wysokości reguluje szybkość przepływu cieczy anodowej z komory anodowej do komory katodowej. Przepływ solanki przez di^aragmę jest wywoływany przez wysokość hydraulicznę N /fig. 2/ pomiędzy cieczę anodowę i cieczę katodowę.

Figura 3 przedstawia elektrolizer, w którym para pochyłych przegród przecina drogę gazu, który jest przenoszony głównie w części Q elektrolizera, tworzęcej rodzaj komina, natomiast większa ilość elektrolitu przepływa przez część obwodowę T.

Figura 4 pokazuje strukturę stabilnych wymiarowo anod 2, którymi zastępiono anody grafitowe 1. Metalowe, stabilne wymiarowo anody 2 maję kształt pustych pudełek wykonanych przez złozemie gładkiej, cienkiej blachy. Takie anody sę bardzo skuteczne, gdyż ruchy do góry sę koncentrowane w pustej przestrzeni anody, gdzie spadki ciśnienia sę niższe.

Figury 5, 6 i 7 przedstawiaję elektrolizer według wynalazku, w którym szereg przegród D /fig. 5 i 6/ jest umieszczonych na elektrodach, równolegle lub prostopadle do powierzchni

163 158 anodowej. W pierwszym przypadku każda para przegród □ zamocowanych do anody ma krawędzie symetryczne względem płaszczyzny środkowee, określonej przez powierzchnię anodowy. Przegrody 0 przecinaję drogę i koncentruję w położeniach P podnoszące się do góry pęcherzyki gazu wydzielane przy powierzchni anodowy. W wyniku tego następuje ruch do góry meszaniny elektrolit/gaz, przenoszonej od podstawy A elektrolizera przez przestrzeń S /fig. 517/ pomiędzy diafaggmę F i anodę B w położeniach P, oraz następuje ruch do dołu elektrolitu wolnego od gazu, przenoszonego z przestrzeni określonej przez każdę parę przegród 0 do dołu przez przenośnikkΞ /fig. 6/ do podstaw anod B i podstawy a elektrolizera. Ruchy do góry i do dołu zachodzę tutaj w oddzielnych obszarach anod 1 nie oddziałuję na siebie.

Ruchy do góry mogę być skoncentrowane zasadniczo w przestrzeni S pomiędzy diafaggmę F i anodę B, gdy anody wykonane z cienkiej blachy w kształcie pudełek o prostoką^ym przekroju maję dolnę część zamknnętę paskiem Y /fig. 6/ blachy lub drobnej siatki.. Pasek Y może być zastępiony przez zagięty koniec aktywowanej drobnej siatki, która Jest przyspawana punktowo do powierzchni wyczerpanych anod podczas operacji udoskonnlania. Ciśnienie hydrauliczne zapewniane przez każdę parę przegród □ i reprezenoowane przez różnę gęstość w kolumnach lioszęcegn się płynu /solanki i gazu/ i opadającego płynu /solanki/, Jest nie tylko wykorzystane do wywooywanla recyrkulacji elektrolitu, lecz także do zwiększania szybkości usuwania pęcherzyków gazu, które wydzielaję się przy powierzchni anodowej i koncentrowałyby się w przestrzeni S. Recyrkulacji staje się bardziej Jednorodna i skuteczna.

Na figurze 8 sę przedstawione różne kształty 1-6 przegród wykonanych korzystnie z blachy tytanowej, dla przykładu o grubości 0,5 mm, przy czym można również zastosować inne materiały odporne na chlor. Różne zamocowanie przegród do anod pokazano na fig. B w postaci zespołów 7-10 a zamocowanie przegród do przenośników w postaci zespołów 11-17. Przeraźcnki E /fig. 6/ elektrolitu sę wykonane z materiału odpornego na chlor, może zmieniać się ich liczba, kształt i wymiary /rury w kształcie cylindrycznym, owalnym, prosieoką^ym ktd./, w zależności od własności anody. Przenośniki sę ustawiane pionowo w wewwitrznej części anody a ich długość Jest równa połowie wysokosci anod lub większa.

Pokazana na fig. 6 k 9 odległość U pomiędzy dwiema kolejnymi parami przegród może zmieniać się k być zawarta pomiędzy 10 mm k 100 mm, w zależności od gęstości prędu, wymiarów anod, odległości pomiędzy anodę k Ζίθί^^? oraz wymaganę szybkością przepływu Zo góry. Zalecany stosunek obszarów określonych przez długość przegród pomnożoną odpowiednio przez szerokość 17 pary przegród i odległość U par przegród Je3t równy lub większy niż 1. Wysokość V każdej przegrody może zmieniać się i zależy od poziomu solanki na anodzie. Wierzchołek przogróZ jest umieszczony zawsze pod pnznim^B solanki albo przegrody sę zaopatrzone w otwory przelewowe. Ustawienie przegród jest pokazane jako prostopadło /fig. 5/ do długości elektrolizera, a także jako równoległe /fig. 6/ Zo długości elektrolizera bez dostrzegalnych zmian wydajności pracy.

W następującym przykładzie jest opisanych kilka korzystnych przykaedów wykonania wynalazku.

Przykład.',¹/ elektrolizerze MOC 55, pokazanym na fig. 10, wyposażonym w anody stabilne wymiarowo, zostało iainstanrwanych 13 par przegród wykonanych z blachy tytanowej o grubości 0,5 mm. Pokazane na fig. 9 wysokość V przegród ί odstęp U pomiędzy kolejnymi parami przegród były równe odpowiednio 200 mm ί 30 mm. Kętye/· k y /fig- 9/ zatw^rta pomiędzy dwiema nachylonymi powierzchniami oraz odpowwednio styczną podstaw przegród i oską pkontawę był^y rówme 3⁰° i 70°. Elektrolit stanowiła solanka zawierająca ³1^{0 g}/cm³ chlorku sodowego a gęstość prądu była równa 2,5 kA/m w odniesieniu do powierzchni anoZowee. Dane ntrzyiaie po długim okresie pracy dwóch bliżnaaczych elektmlżzerów tego samego urządzenia, jednym wyposażonym w przegrody według wynalazku k drugim bez przegródkę przedstawione w następującej tablicy.

163 158

Tablica

'..artość średnia	Elektrolizer bez przegród	Elektrolizer z przegrodami
Napięcie elektrolizera	3,43 V	3,35 V
Stężenie solanki	310 ^g/cm³	310 ^g/c^m3
Temperatura solanki	88°C	88°C
Ciecz katodowa	¹9^{0 g}/cm³NaCl	180 ^g/c^m3NaCl
	120 ^g/cm³Na0H	135 ^g/c^m3Na0H
Zawartość 0% w chlorze	4 ,Β·	2.2o
Trwałość diafagmmy	360 dni /φ /	630 dni /♦-»/
wydajność faradyczna	θο,'υ	9i>o

// Elektrolizer odłączony i odmontowany w związku ze spadkiem wydajności faradycznej jak też wzrostem zawartości tl^enu w chlorze poza dopuszczalne granice /więcej niż 5%/.

Elektrolizer nadal pracuje w dacie składania pierwotnego zgłoszenia.

Porównanie danych roboczych wykazuje, że zastosowanie przegród hydrodynamicznych według wynalazku zapewnia zauważalny spadek napięcia elektrolizera, znaczne zmniejszenie iloś ci tlenu w chlorze przy uzyskiwanym wzroście wydajności faradycznej i w efekcie znaczny wzrost żywotności elektrolizera.

wynalazek znajduje zastosowanie we wszystkich tych procesach elektrochemicznych, w któ rych są ..ytwarzane gazowe produkty reakcji, na przykład w elektrolizie chloro-alkalicznej, elektrolizie wodnej przy zastosowaniu elektrolitu alkalćcznego.

163 158

Fig. 9

Fig.10

163 156

163 158

Fig. 6 !k‘ 'B Y

	H—
1
R—		t Γ .L
		Γ J.
cz=	CJ	1 J
1	- α
		i

Fig. 7

163 158

Fig. 5

163 158

Fig.3

163 158

Fig.1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 10 000 zł

Claims

Zas trzeżenia patentowe

1. Elektrolizer, zwłaszcza do elektrolizy chloro-alkalicznej z diafaagrnę jedntbieguntoą lub membraną typu kieszonkowego do wymiany jonowej, zawierający komory katodowe i komory anodowe mieszczące w sobie odpowiednio katody, anody i przenośniki elektrolitu, przy czym anody mają kształt pudełek, są stałe i rozszerzalne, zaopatrzone w powierzchnie z małymi otworami, posiadają otwartą strukturę i są wydłużone w kierunku pionowym, znamienny tym, że przynajmniej część anod /8/ jest wyposażonych w górnej części w przegrody /□/ zaopatrzone w górne krawędzie lub otwory przepłwwowe umieszczone poniżej powierzchni cieczy anodowej, przy czym przegrody /0/ są wyposażone w przenośniki /E/ elektrolitu, zamocowane do nich i umieszczone wewnątrz anod /B/.
2. Elektrolizer według zastrz. 1,znamienny tym, że anody /B/ są wyposażone w aktywowaną, drobną siatkę.
3. Elektrolizer według zastrz. 1, znamienny tym, że anody /B/ są oddalone od diafrggmy/membrany a dolna część anod /B/ Jest zamknięta paskiem /Y/ blachy lub drobnej siatki.
4. Elektrolizer według zastrz. 1,znamienny tym, że anody /B/ są oddalone od diaframmy/membrany a dolna część anod /B/ jest zamknięta przez zagięty koniec paska /Ύ/ aktywowanej drobnej siatki.
5. Elektrolizer według zastrz. 1,znamienny tym, że przegrody /□/ są zamocowane po dwie i każda para przegród /0/ jest przytwierdzona mechaaicznie do górnej części anod /B/, pochyłe powierzchnie każdej pary przegród /□/ są umieszczone symeeTycznie względem środkowej płaszczyzny określonej przez powierzchnie anodowe, stosunek szerokości /7/ każdej pary przegród do odległości /U/ pomiędzy dwiema kolejnymi parami przegród Jest równy co najmniej 1, przy czym szerokość /17/ i odległość /U/ są mierzone względem górnych krawtędzi lub otworków przeplwwowych przegród.
6. Elektrolizer vwedług zastrz. 1, znamienny wyposażone w przegrody /□/.
7. Elektrolizer według zastrz. 1, znamienny naprzemiennie w przegrody /0/.

t y m, ze w.szystkie anody /B/ są t y m, ze anody są wyposażone