BR112012030076B1 - Eletrodo de uma célula de eletrólise para processos eletroquímicos de produção de gás e método de eletrólise para a geração de gases de halogênio a partir de soluções de haleto alcalinas aquosas - Google Patents

Abstract

eletrodo de uma célula de eletrólise para processos eletroquímicos de produção de gás e método de eletrólise para a geração de gases de halogênio a partir de soluções de haleto alcalinas aquosas. trata-se de um eletrodo de célula de eletrólise para processos eletroquímicos de produção de gás que, mediante instalação, é localizado em paralelo a uma membrana de troca iônica face a face e compreende uma pluralidade de elementos lamelares horizontais que são de um projeto tridimensional e são dotados de uma pluralidade de orifícios atravessantes, sendo que os elementos lamelares têm uma área de superfície plana sem qualquer depressões e elevações de construção e sendo que a área de superfície plana está em contato direto com a membrana de troca iônica mediante instalação na célula de eletrólise.

Description

[0001] A invenção refere-se a um eletrodo e um método para processos eletroquímicos de produção de gás, sendo que o eletrodo instalado é localizado em paralelo a uma membrana de troca iônica face a face e consiste em uma pluralidade de elementos lamelares horizontais que, no projeto de um perfil em C plano, consistem em uma seção de “ventre” plana e uma ou mais partes de flanco, e uma ou mais seções de transição de formato aleatório que são dispostas entre a seção de ventre plana e as uma ou mais partes de flanco, sendo que os elementos lamelares são dotados de uma pluralidade de orifícios atravessantes.

[0002] O método para processos eletroquímicos de produção de gás é conhecido de acordo com a técnica anterior; o mesmo também se aplica a eletrodos adequados que são usados em eletrolisadores. Esses eletrodos são, entre outras coisas, descritos no documento DE 198 16 334 A1 de propriedade da requerente. A dita patente descreve um eletrolisador para a geração de gases de halogênio a partir de soluções de haleto alcalinas aquosas. Visto que as condições de fluxo durante a produção do gás de produto no eletrólito são expostas a efeitos prejudiciais na zona do eletrodo/membrana, o documento DE 198 16 334 A1 sugere instalar os elementos do tipo louvre individuais em posição inclinada em direção ao nível horizontal. Esse método produz um fluxo lateral na célula, pois as bolhas de gás que se reúnem sob os elementos lamelares individuais seguem a corrente ascendente através da abertura fornecida por esse projeto.

[0003] O documento DE 198 16 334 A1, entretanto, não sugere qualquer solução ao problema, isto é, uma quantidade de gás definida permanece sob os elementos do tipo louvre. Consequentemente, a decantação das bolhas causa uma redução do contato do eletrodo e uma porção considerável da área da superfície da membrana se torna "vazia". O esvaziamento é interpretado como se o fluido não pudesse fluir, o que impede a produção de gás nessa zona. Além disso, essa estagnação do gás contribui para o "esvaziamento" e causa um isolamento da membrana, o que inevitavelmente leva a um aumento em densidade de corrente nas outras seções da membrana de modo que a tensão celular suba e o consumo da corrente cresça.

[0004] A fim de eliminar o problema de "esvaziamento", o documento EP 0 095 039 revela o fornecimento de recessos transversais nos elementos lamelares do eletrodo. O documento DE 44 15 146 A1, entretanto, afirma que os ditos recessos são insuficientes para impedir o "esvaziamento".

[0005] O documento DE 44 15 146 A1 consequentemente sugere o fornecimento de orifícios ou furos na parte do elemento lamelar que aponta para baixo e portanto a intensificação do fluxo de descarga de gás. Não solucionado nesse contexto é o problema da porção de gás residual que permanece nas proximidades da área de contato e assim dificulta o fluxo de eletrólito.

[0006] Esse problema é aperfeiçoado pelo conteúdo no documento DE 10 2005 006 555 A1 através do qual tal efeito de "esvaziamento" é minimizado. Isso é alcançado através de um eletrodo de eletrólise de uma célula de eletrólise para processos eletroquímicos de produção de gás, sendo que o eletrodo instalado é localizado em paralelo a uma membrana de troca iônica face a face e que consiste em uma pluralidade de elementos lamelares horizontais, que são estruturados e de projeto tridimensional e que estão em conato direto com a membrana por meio de uma seção de superficie do elemento lamelar, sendo que os ditos elementos lamelares têm ranhuras e orifícios e a maioria dos orifícios são dispostos nas ranhuras, sendo que as áreas de superfície completas de tais orifícios ou parte das mesmas são localizadas nas ranhuras ou se estendem para dentro das ranhuras. Instalando-se eletrodos desse tipo foi possível alcançar uma diminuição significativa em tensão de mais de 50 mV com uma densidade de corrente de 6 kA/m2 em comparação com um eletrodo convencional de dimensões externas similares.

[0007] A desvantagem envolvida é que as ranhuras geram uma área de superfície que é caracterizada por depressões e elevações de construção, sendo essa a razão para estagnação do gás desvantajosa e, como consequência, distribuição de densidade de corrente não uniforme através da membrana de troca iônica.

[0008] O objetivo da presente invenção é solucionar esse problema. Isso deve ser alcançado fornecendo-se um eletrodo que não envolve as desvantagens supramencionadas, e um método para a operação do eletrodo de acordo com a invenção é para alcançar uma diminuição na tensão celular e uma demanda de energia elétrica reduzida correspondente.

[0009] De maneira surpreendente, esse objetivo é alcançado através de um projeto simplificado do tipo descrito no documento DE 10 2005 006 555 A1.

[00010] De acordo com a presente invenção, o objetivo é alcançado por meio do uso de um eletrodo de uma célula de eletrólise para processos eletroquímicos de produção de gás. O eletrodo instalado inclui uma pluralidade de elementos lamelares horizontais que, no projeto de um perfil em C plano, consistem em uma seção de ventre plana e uma ou mais partes de flanco, e uma ou mais seções de transição de formato aleatório que são dispostas entre a seção de ventre plana e as uma ou mais partes de flanco, sendo que os elementos lamelares são dotados de uma pluralidade de orifícios atravessantes e uma área de superfície plana sem depressões e elevações de construção, e a seção de ventre plana que tem uma pluralidade de orifícios atravessantes enfileirados e dispostos de maneira diagonal entre si.

[00011] A presente invenção difere de uma placa perfurada contínua como, por exemplo, sugerida pelos documentos DE 69600860 T2, DE 243256 A1 e DE 2630883 A1, visto que o eletrodo é composto de uma pluralidade de elementos lamelares de projeto tridimensional através de alongamento com trabalho a frio intencional. Tal flexão aumenta a estabilidade do eletrodo e aperfeiçoa a planaridade da área de superfície que está em contato com a membrana. Uma combinação de elementos únicos desse tipo é, conforme citado no início, o estado da técnica.

[00012] A disposição diagonal dos orifícios garante que a superfície da seção de ventre seja explorada a um grau ótimo a fim de fornecer o máximo possível de orifícios e dessa maneira alcançar uma redução adicional da estagnação do gás. Opcionalmente, as partes de flanco são dotadas, ainda, de orifícios atravessantes.

[00013] Em uma modalidade preferida da invenção, os orifícios atravessantes são dispostos na área de contato do respectivo elemento lamelar com a membrana de troca iônica se o eletrodo foi instalado em uma célula de eletrólise. Essa disposição serve o propósito de suprir um eletrólito à membrana de troca iônica durante operação da célula de eletrólise e garantir o fluxo de descarga de gás.

[00014] Em uma modalidade adicional da invenção, os orifícios atravessantes são orifícios perfurados. Esses orifícios podem ser de qualquer forma geométrica opcional, sendo dada preferência a orifícios de seções transversais redondas.

[00015] Vantajosamente, a espessura de folha dos elementos lamelares no caso de orifícios atravessantes redondos é menor que o diâmetro do orifício, e/ou a espessura de folha dos elementos lamelares no caso de orifícios atravessantes não redondos é menor que o corte transversal hidráulico.

[00016] Em uma modalidade particularmente vantajosa do eletrodo de acordo com a invenção, as uma ou mais partes de flanco são inclinadas a um ângulo de pelo menos 10 graus para fora da membrana mediante a instalação em uma célula de eletrólise. As seções de transição são vantajosamente formadas como bordas chanfradas.

[00017] O espaçamento entre os elementos lamelares únicos dispostos horizontalmente em perfil em C é preferencialmente de 0 a 5 mm, preferencialmente de 0 a 2 mm e de maneira particularmente preferencial 0 mm. Fornecendo-se o mínimo espaço possível entre os elementos lamelares únicos, o processo é otimizado, visto que aproximadamente 6 a 10 % da superfície da membrana são recuperados e podem ser usados para o processo de eletrólise real.

[00018] O método de eletrólise relacionado pela presente invenção é caracterizado pelo uso de um eletrodo plano conforme descrito acima. Para a produção de gás de halogênio é vantajoso usar eletrolisadores do tipo unicelular ou do projeto filtro-prensa.

[00019] A Figura 1 serve para descrever a invenção em mais detalhes abaixo. A Figura 1mostra: Vista superior de um elemento lamelar de acordo com a invenção em projeto de perfil em C

[00020] A Figura 1 mostra um elemento lamelar 1 em projeto de perfil em C plano. Os flancos 2 e 3 que são flexionados para trás são mantidos bem curtos em relação à seção de ventre plana 6, que é muitas vezes mais larga. Entre os flancos 2 e 3 e a seção de ventre 6, há seções de transição 4a e 4b. Na seção de ventre plana 6, o elemento lamelar 1 é dotado de orifícios 5 enfileirados, sendo que as fileiras dos orifícios são dispostas paralela entre si e os orifícios são dispostos diagonalmente de uma fileira de orifícios para a próxima. Essa é a maneira mais eficaz de utilizar a área de superfície disponível da seção de ventre 6 para eletrólise. Vantajosamente, há uma fileira adicional de orifícios nas seções de transição 4a ou 4b e/ou fileiras ainda mais adicionais de orifícios nos próprios flancos 2 e 3. Uma vantagem essencial desse projeto é a disposição plana-paralela da seção de ventre 6 para a membrana mediante instalação, em que a reação eletroquímica pode acontecer. Ao fazê-la, a membrana é suprida de cáustica ou salmoura através dos orifícios 5.

[00021] Além disso, a tensão celular de uma célula de eletrólise que usa um eletrodo que consiste em elementos lamelares de projeto de perfil em C de acordo com a presente invenção foi determinada. Em comparação, a tensão celular de uma célula de eletrólise que usa um eletrodo de projeto de perfil em C conforme revelado pelo documento DE 102005006555 A1 foi determinada, sendo que o eletrodo é diferente na medida em que os orifícios fornecidos são dispostos em ranhuras e a área de superfície dos elementos lamelares é assim caracterizada por depressões e elevações de construção. Além disso, os orifícios da seção de ventre plana não são dispostos diagonalmente entre si. Consequentemente, os projetos dos dois perfis em C usados diferem apenas na qualidade da superfície. Ambos os perfis em C usados no experimento tiveram orifícios de 11 x 62 que, no caso do projeto de acordo com a invenção, foram dispostos em fileiras de orifícios dispostos diagonalmente entre si. O diâmetro do orifício foi de 1,5 mm e a altura do perfil em C foi de 23 mm.

[00022] A descrição da invenção de acordo com o documento DE 10 2005 006 555 A1 enfatiza os efeitos vantajosos das ranhuras explicados pelo fato de que a seção com a densidade de corrente mais alta, isto é, a área de contato, é por um lado suprida de eduto de uma maneira ideal por meio das ranhuras pela corrente contínua de fluido desde abaixo, e por outro lado o gás de produto obtido e de uma volume múltiplo é transportado para cima por meio das ranhuras ou por meio dos orifícios para o lado traseiro do eletrodo de eletrólise. Por conta disso, o indivíduo versado na técnica observaria, primeiramente, e não se empenharia em qualquer modificação da construção dos elementos lamelares.

[00023] De maneira surpreendente, o experimento comparativo rendeu uma diminuição significativa em tensão de aproximadamente 60 mV (padronizada para 90°C, 32%, em peso, de NaOH e 6 kA/m2) se a estrutura de ranhura dos elementos lamelares é dispensada e os orifícios são dispostos diagonalmente entre si. Isso é atribuído a uma estagnação do gás dentro das ranhuras, o que não foi considerado pelo documento DE 10 2005 006 555 A1.

[00024] Vantagens criadas pela invenção:- Construção simplificada dos elementos lamelares do eletrodo- Diminuição significativa da tensão em comparação com o tipo de projeto de técnica anterior- Distribuição de corrente uniforme garantida através da membrana- Eliminação do problema de estagnação do gás nas ranhuras- Método custo-eficiente como resultado da diminuição significativa na tensão celular Lista números de referência e designações1 Elementos lamelares2 Flanco superior3 Flanco inferior4a, b Seção de transição flexionada5 Orifícios6 Seção de ventre

Claims (7)

1. ELETRODO DE UMA CÉLULA DE ELETRÓLISE PARA PROCESSOS ELETROQUÍMICOS DE PRODUÇÃO DE GÁS, caracterizado pelo fato de que compreende em uma pluralidade de elementos lamelares horizontais (1), os elementos lamelares (1) possuindo um perfil em C plano com a área de superfície plana sem elevações e depressões de construção, o perfil em C plano possuindo uma seção de ventre plana (6) na área central do perfil em C plano e duas partes de flanco (2,3) estendendo equidistantes da seção de ventre plana (6) para formar o perfil em C plano, a seção de ventre plana possuindo uma pluralidade de orifícios atravessantes ao longo de toda a seção de ventre plana (6), enfileirados e dispostos de maneira diagonal entre si, e uma seção de transição (4a,4b) de formato aleatório que são dispostas entre a seção de ventre plana (6) e cada uma das duas partes de flanco (2,3) e possuindo uma pluralidade de orifícios atravessantes, em que os orifícios atravessantes são orifícios perfurados.

2. ELETRODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado em que a espessura de folha dos elementos lamelares no caso de orifícios atravessantes redondos é menor que o diâmetro do orifício.

3. ELETRODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado em que o espaçamento entre os elementos lamelares únicos dispostos horizontal mente é de 0 a 5 mm.

4. MÉTODO DE ELETRÓLISE REALIZADO EM UMA CÉLULA DE ELETRÓLISE, caracterizado pelo fato de que compreende: introduzir uma solução de haleto alcalinas aquosas em uma célula de eletrólise; e gerar gases de halogênio utilizando um processo eletroquímico; em que a célula de eletrólise compreende o eletrodo conforme definido na reivindicação 1.

5. MÉTODO DE ELETRÓLISE, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado em que eletrolisadores do tipo unicelular ou de projeto filtro-prensa são usados para produção de gás de halogênio.

6. ELETRODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado em que o espaçamento entre os elementos lamelares únicos dispostos horizontal mente é de 0 a 2 mm.

7. ELETRODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado em que o espaçamento entre os elementos lamelares únicos dispostos horizontal mente é de 0 mm.

Images