BR112021016298A2

BR112021016298A2 - Sistema e método para controlar uma célula eletroquímica multiestado

Info

Publication number: BR112021016298A2
Application number: BR112021016298-4A
Authority: BR
Inventors: Deóis Chiaráin Mac Séamuis Ua Cearnaigh
Original assignee: Achínibahjeechin Intellectual Property, LLC
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2020-02-14
Publication date: 2021-10-13
Also published as: US20220243346A1; CA3129931A1; PE20212099A1; CL2021002194A1; WO2020172066A1; KR20210128447A; CN113710832A; US11339488B2; MX2021009985A; JP2022521727A; EP3927866A1; US20240191374A1; SG11202108663TA; MX2024004399A; US11926908B2; JP7558182B2; AU2020225222A1; US20200263310A1

Abstract

sistema e método para controlar uma célulaeletroquímica multiestado. trata-se de um sistema para controlar um processo de produção eletroquímica que inclui um circuito de alimentação controlável variável e uma célula eletrolítica. a célula inclui dois elétrodos e opera em diferentes estados possíveis dependendo da diferença de potencial através dos elétrodos. o sistema inclui um controlador de circuito de alimentação que faz com que o circuito de alimentação aplique dada diferença de potencial através dos elétrodos para dar início à operação da célula no estado associado à dada diferença de potencial. os possíveis estados incluem um estado produtivo associado a uma primeira diferença de potencial diferente de zero, no qual um produto de interesse é produzido, e um estado ocioso associado a uma segunda diferença de potencial diferente de zero, no qual o produto de interesse não é produzido. um subsistema de monitoramento e controle mantém um conjunto predefinido de condições de processo de produção, inclusive uma faixa de temperatura operacional predefinida, enquanto a célula opera seja no estado produtivo seja no estado ocioso.

Description

"SISTEMA E MÉTODO PARA CONTROLAR UMA CÉLULA ELETROQUÍMICA MULTIESTADO"

ANTECEDENTES Campo da Invenção

[001] A presente invenção refere-se a processos de produção eletroquímicos e, mais especificamente, a sistemas e métodos para controlar um processo de produção eletroquímico em uma célula eletrolítica que opera tanto em estado produtivo quanto em estado ocioso sob um conjunto predefinido de condições de processo de produção. Descrição da Técnica Relacionada

[002] A eletrólise é usada em muitos setores para a produção de vários metais e não metais. Por exemplo, sódio, cloro, magnésio, flúor e alumínio são produzidos comercialmente usando a eletrólise. Nas células eletrolíticas existentes, as condições de processo de produção, como temperatura, pressão, pH ou concentração da espécie ativa, mudam na medida em que a diferença de potencial entre os elétrodos diminui. Com essas células eletrolíticas existentes, há uma faixa limitada de valores de corrente e tensão elétrica sob os quais as células produzem o produto de interesse. Por exemplo, se a corrente nessas células eletrolíticas cai abaixo de um ponto crítico, o gradiente iônico da célula eletrolítica diminui, fazendo, com o tempo, com que a camada de carga parta-se e, em última análise, colapse, causando dano irreversível à célula.

SUMÁRIO

[003] Em um aspecto, um sistema revelado inclui um circuito de alimentação controlável variável e uma célula eletrolítica ligada ao circuito de alimentação controlável variável e incluindo um ânodo e um cátodo. A célula eletrolítica é configurada para operar em diferentes estados operacionais de vários estados operacionais em respectivos momentos diferentes dependendo de uma diferença de potencial entre o ânodo e o cátodo. O sistema inclui ainda um controlador do circuito de alimentação que faz com que o circuito de alimentação controlável variável aplique dada diferença de potencial através do ânodo e cátodo para iniciar a operação da célula eletrolítica em um estado específico dos vários estados operacionais associado à dada diferença de potencial. Os vários estados operacionais incluem um estado produtivo associado a uma primeira diferença de potencial diferente de zero, no qual pela célula eletrolítica produz um produto de interesse, e um estado ocioso associado a uma segunda diferença de potencial diferente de zero, no qual a célula eletrolítica não produz o produto de interesse.

[004] Em qualquer uma das modalidades reveladas, o sistema pode incluir ainda um subsistema de monitoramento e controle configurado para manter um conjunto predefinido de condições de processo de produção para a célula eletrolítica enquanto ela opera no estado produtivo e enquanto ela opera no estado ocioso. O conjunto predefinido de condições de processo de produção pode incluir uma faixa de temperatura operacional predefinida.

[005] Em outro aspecto, um método revelado inclui configurar um circuito de alimentação controlável variável para que aplique uma primeira diferença de potencial diferente de zero através de um ânodo e cátodo de uma célula eletrolítica para iniciar a operação da célula eletrolítica em um estado produtivo associado à primeira diferença de potencial diferente de zero no qual a célula eletrolítica de estado produz um produto de interesse, iniciar a produção do produto de interesse e, subsequentemente a iniciar a produção do produto de interesse, configurar o circuito de alimentação controlável variável para que aplique uma segunda diferença de potencial diferente de zero através do ânodo e cátodo da célula eletrolítica para iniciar a operação da célula eletrolítica em um estado ocioso associado à segunda diferença de potencial diferente de zero no qual a célula eletrolítica não produz o produto de interesse.

[006] Em qualquer uma das modalidades reveladas, o método pode incluir ainda, antes da aplicação da primeira diferença de potencial diferente de zero através do ânodo e cátodo da célula eletrolítica, configurar a célula eletrolítica para que opere sob um conjunto predefinido de condições de processo de produção compreendendo uma faixa de temperatura operacional predefinida. O método pode incluir ainda manter o conjunto predefinido de condições de processo de produção enquanto a célula eletrolítica opera no estado produtivo e manter o conjunto predefinido de condições de processo de produção enquanto a célula eletrolítica opera no estado ocioso.

[007] Em qualquer uma das modalidades reveladas, a célula eletrolítica pode incluir dois ou mais tanques, cada um dos quais compreendendo uma matéria-prima para um processo eletroquímico, e uma via de condição iônica entre os tanques.

[008] Em qualquer uma das modalidades reveladas, a célula eletrolítica pode ser uma de várias células eletrolíticas multiestado, cada uma delas compreendendo um respectivo ânodo e um respectivo cátodo. As diferenças de potencial através dos ânodos e cátodos nas células eletrolíticas multiestado podem ser coletivamente controláveis.

[009] Em qualquer uma das modalidades reveladas, a célula eletrolítica pode ser uma de várias células eletrolíticas multiestado, cada uma delas compreendendo um respectivo ânodo e um respectivo cátodo. Respectivas diferenças de potencial através dos ânodos e cátodos em cada uma das células eletrolíticas multiestado podem ser individualmente controláveis.

[010] Em qualquer uma das modalidades reveladas, o circuito de controle de alimentação variável pode receber energia de uma fonte de alimentação não agendável.

[011] Em qualquer uma das modalidades reveladas, o circuito de controle de alimentação variável pode incluir um retificador de polarização que impõe um limite inferior à dada diferença de potencial aplicada através do ânodo e cátodo pelo circuito de alimentação controlável variável.

[012] Em qualquer uma das modalidades reveladas, o circuito de controle de alimentação variável pode ser controlável para selecionar uma fonte de alimentação para aplicar a dada diferença de potencial através do ânodo e cátodo dentre duas ou mais fontes de energia.

[013] Em qualquer uma das modalidades reveladas, o subsistema de monitoramento e controle pode receber de um sensor dados que representam uma medida de uma condição atual na célula eletrolítica multiestado.

[014] Em qualquer uma das modalidades reveladas, manter o conjunto predefinido de condições de processo de produção pode incluir ativar um elemento calefator ou arrefecedor para retornar a temperatura da célula eletrolítica multiestado a um valor dentro de uma faixa de temperatura predefinida em resposta ao recebimento de uma indicação de que a temperatura da célula eletrolítica multiestado está fora da faixa de temperatura predefinida.

[015] Em qualquer uma das modalidades reveladas, manter o conjunto predefinido de condições de processo de produção pode incluir aplicar contrapressão ou reduzir a contrapressão sobre um gás de topo dentro da célula eletrolítica multiestado para retornar a pressão do gás de topo dentro da célula eletrolítica multiestado a um valor dentro de uma faixa de pressão predefinida em resposta ao recebimento de uma indicação de que a pressão do gás de topo dentro da célula eletrolítica multiestado está fora da faixa de pressão predefinida.

[016] Em qualquer uma das modalidades reveladas, manter o conjunto predefinido de condições de processo de produção pode incluir aumentar ou reduzir a concentração de uma espécie ativa dentro de uma matéria-prima da célula eletrolítica multiestado para retornar a concentração da espécie ativa dentro da matéria-prima a um valor dentro de uma faixa de concentração predefinida em resposta ao recebimento de uma indicação de que a concentração da espécie ativa dentro da matéria-prima está fora da faixa de concentração predefinida.

[017] Em qualquer uma das modalidades reveladas, manter o conjunto predefinido de condições de processo de produção pode incluir adicionar um ácido ou base a um eletrólito para retornar o pH da célula eletrolítica multiestado a um valor dentro de uma faixa de pH predefinida em resposta ao recebimento de uma indicação de que o pH da célula eletrolítica multiestado está fora da faixa de pH predefinida.

[018] Em qualquer uma das modalidades reveladas, a célula eletrolítica pode incluir um loop de recirculação através do qual uma saída do processo eletroquímico é retornada à célula eletrolítica multiestado como um insumo.

[019] Em qualquer uma das modalidades reveladas, a célula eletrolítica pode ser configurada para produzir um segundo produto de interesse enquanto opera no estado produtivo.

[020] Em qualquer uma das modalidades reveladas, o estado produtivo pode ser um de vários estados produtivos em que a célula eletrolítica multiestado é configurada para operar, e a taxa a que a célula eletrolítica multiestado produz o produto de interesse ou a taxa a que a célula eletrolítica multiestado consome recursos de insumo podem depender do estado produtivo em que a célula eletrolítica multiestado está operando.

[021] Em qualquer uma das modalidades reveladas, o estado produtivo pode ser um de vários estados produtivos em que a célula eletrolítica multiestado é configurada para operar, a célula eletrolítica pode ser configurada para produzir vários produtos de interesse, e as quantidades relativas dos vários produtos de interesse produzidos pela célula eletrolítica multiestado podem depender do estados produtivo em que a célula eletrolítica multiestado está operando.

[022] Em qualquer uma das modalidades reveladas, o produto de interesse pode ser ou incluir um gás.

[023] Em qualquer uma das modalidades reveladas, o produto de interesse pode ser, incluir ou tornar-se um sólido.

[024] Em qualquer uma das modalidades reveladas, o produto de interesse pode ser, incluir ou tornar-se um líquido.

[025] Em qualquer uma das modalidades reveladas, o produto de interesse pode ser ou incluir uma matéria-prima purificada ou modificada.

[026] Em qualquer uma das modalidades reveladas, a célula eletrolítica pode ser configurada para produzir o produto de interesse usando a eletrólise de uma solução aquosa.

[027] Em qualquer uma das modalidades reveladas, a célula eletrolítica pode ser configurada para produzir o produto de interesse usando a eletrólise de uma solução não aquosa.

[028] Em qualquer uma das modalidades reveladas, a célula eletrolítica pode ser configurada para um processo de produção de cloro-álcali e, quando da operação no estado produtivo, pode produzir cloro, um álcali e hidrogênio como produtos de interesse.

[029] Em qualquer uma das modalidades reveladas, a célula eletrolítica pode ser configurada para extrair um metal como produto de interesse usando a eletrólise de um sal fundido.

[030] Em qualquer uma das modalidades reveladas, a célula eletrolítica pode ser configurada para produzir o produto de interesse usando um processo de eletrogalvanização.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[031] Visando a um entendimento mais completo da presente invenção e de seus traços e vantagens, far-se-á referência agora à descrição a seguir, tida em conjunto com os desenhos concomitantes, dentre os quais:

a FIG. 1 é um diagrama em blocos ilustrando elementos selecionados de um sistema para produzir um produto de interesse usando uma célula eletrolítica multiestado, de acordo com algumas modalidades da presente invenção; a FIG. 2 é um diagrama em blocos ilustrando elementos selecionados de um sistema de célula eletrolítica multiestado, de acordo com algumas modalidades da presente invenção; a FIG. 3 ilustra uma curva de produção para um processo eletroquímico usando uma célula eletrolítica multiestado, de acordo com algumas modalidades da presente invenção; as FIGs. 4A a 4D são diagramas em blocos ilustrando elementos selecionados de um sistema de célula eletrolítica multiestado 400 para um processo de cloro-álcali, de acordo com algumas modalidades da presente invenção; a FIG. 5 é um diagrama em blocos ilustrando elementos selecionados de uma montagem de células eletrolíticas que inclui três células eletrolíticas multiestado, de acordo com algumas modalidades da presente invenção; a FIG. 6 é um diagrama em blocos ilustrando elementos selecionados de uma macrocélula que inclui três células eletrolíticas multiestado, de acordo com algumas modalidades da presente invenção; a FIG. 7 é um diagrama em blocos ilustrando elementos selecionados de um sistema de célula eletrolítica multiestado para um processo de produção de alumínio em alta temperatura, de acordo com algumas modalidades da presente invenção; a FIG. 8 é um diagrama em blocos ilustrando elementos selecionados de um sistema de célula eletrolítica multiestado, de acordo com algumas modalidades da presente invenção; a FIG. 9 é um diagrama em blocos ilustrando elementos selecionados de um sistema de célula eletrolítica multiestado 900 para um processo de eletrogalvanização, de acordo com algumas modalidades da presente invenção;

a FIG. 10 ilustra uma curva de produção para um processo de eletrogalvanização usando uma célula eletrolítica multiestado, de acordo com algumas modalidades da presente invenção; a FIG. 11 é um fluxograma ilustrando elementos selecionados de um método para controlar um processo eletroquímico usando uma célula eletrolítica multiestado, de acordo com algumas modalidades da presente invenção; a FIG. 12 é um fluxograma ilustrando elementos selecionados de um método para manter um conjunto de condições de processo de produção de uma célula eletrolítica multiestado, de acordo com algumas modalidades da presente invenção; e a FIG. 13 é um diagrama em blocos ilustrando elementos selecionados de um subsistema de monitoramento e controle em tempo real para uma célula eletrolítica multiestado, de acordo com algumas modalidades da presente invenção. DESCRIÇÃO DE MODALIDADE(S) ESPECÍFICA(S)

[032] Na descrição a seguir, estabelecem-se detalhes, à guisa de exemplo, para facilitar a discussão da matéria inventiva revelada. Transparecerá aos versados na técnica, contudo, que as modalidades reveladas são exemplificativas e não exaustivas de todas as modalidades possíveis.

[033] A eletroquímica é usada em muitos setores para a produção de vários metais e não metais, incluindo hidróxido de sódio e potássio, cloro, flúor, ácido sulfúrico, magnésio e alumínio. Em um exemplo, uma célula eletrolítica pode ser configurada para produzir um produto de interesse usando a eletrólise de uma solução aquosa, tal como em um processo de produção de cloro-álcali. Em outro exemplo, uma célula eletrolítica pode ser configurada para extrair um metal como um produto de interesse usando a eletrólise de um sal fundido. Em ainda outro exemplo, uma célula eletrolítica pode ser configurada para produzir um produto de interesse usando um processo de eletrogalvanização. Nesses e em outros tipos de processo eletroquímico, uma diferença de potencial de ao menos uma quantia predefinida, por vezes chamada de tensão elétrica de ativação, pode ser aplicada através dos elétrodos de uma célula eletrolítica para iniciar a produção de um ou mais produtos de interesse.

[034] Em células eletrolíticas existentes, há uma faixa limitada de valores de corrente e tensão elétrica sob os quais as células produzem um produto de interesse sem causar dano, problemas de segurança ou outras questões. Se a corrente nessas células eletrolíticas cai abaixo de um ponto crítico, o gradiente iônico, ou camada de carga, da célula eletrolítica falha, causando dano irreversível à célula. Para interromper a produção dessas células existentes, a diferença de potencial através dos elétrodos é reduzida a zero, após o quê reiniciar a produção é uma operação custosa e demorada. Logo, a fim de evitar interrupções não planejadas, as usinas eletroquímicas que utilizam essas células eletrolíticas existentes devem contar com a capacidade de controlar por inteiro a eletricidade alimentada às células eletrolíticas.

[035] À diferença dessas usinas eletroquímicas existentes, os sistemas descritos neste documento são capazes de manter as células eletrolíticas multiestado em uma condição pronta para produzir mesmo quando a diferença de potencial através dos elétrodos for insuficiente para a produção do produto ou produtos de interesse. Por exemplo, esses sistemas podem incluir subsistemas de monitoramento e controle para detectar se um conjunto predefinido de condições de processo de produção, como temperatura, pressão, pH, força iônica, turvação ou concentração da espécie ativa, está sendo cumprido e, se não, iniciar uma medida corretiva para retornar as células eletrolíticas multiestado ao conjunto predefinido de condições de processo de produção. O conjunto predefinido de condições de processo de produção pode ser mantido enquanto as células eletrolíticas multiestado operam em um estado produtivo associado a um primeiro valor de diferença de potencial diferente de zero no qual um ou mais produtos de interesse são produzidos e enquanto as células eletrolíticas multiestado operam em um estado ocioso seguro associado a um segundo valor de diferença de potencial diferente de zero mais baixo no qual o produto ou produtos de interesse não são produzidos.

[036] Como as células eletrolíticas multiestado são mantidas em uma condição pronta para produzir enquanto operam no estado ocioso, a produção pode ser rapidamente reiniciada a qualquer momento, permitindo que esses sistemas alternem entre o estado ocioso e o estado produtivo repetida e frequentemente sem danificar os produtos de interesse que são produzidos ou as próprias células eletrolíticas. O resultado é um processo reversível que é totalmente restringível e despachável. A possibilidade de alternar repetida e frequentemente entre os estados ocioso e produtivo sem danificar os produtos sendo produzidos ou as células eletrolíticas multiestado permite que uma usina eletroquímica reaja dinamicamente a mudanças na disponibilidade ou preço da eletricidade alimentada a ela sem arruinar os produtos de interesse sendo produzidos ou danificar equipamentos frágeis e onerosos, inclusive grandes números de células eletrolíticas. Por exemplo, em algumas modalidades, uma usina eletroquímica pode reagir dinamicamente a mudanças na disponibilidade ou preço da eletricidade alimentada a ela por uma fonte de alimentação não agendável.

[037] A FIG. 1 é um diagrama em blocos ilustrando elementos selecionados de um sistema 100 para produzir um produto de interesse usando uma célula eletrolítica multiestado, de acordo com algumas modalidades. Conforme ilustra a FIG. 1, o sistema 100 pode incluir uma usina eletroquímica 110 que produz um produto de interesse 140 usando uma célula eletrolítica multiestado 112. Por exemplo, a usina eletroquímica 110 pode produzir um produto de interesse usando a eletrólise de uma solução aquosa, a eletrólise de um sal fundido, um processo de eletrogalvanização ou outro processo eletroquímico que possua uma tensão elétrica de ativação. A célula eletrolítica multiestado 112 pode, em momentos diferentes, operar em um estado produtivo, no qual o produto de interesse 140 é produzido, e em um estado ocioso seguro, no qual o produto de interesse 140 não é produzido mas as características do processo de produção da célula eletrolítica multiestado 112 são mantidas. Por exemplo, um conjunto predefinido de condições de processo de produção que inclui, entre outras, uma faixa de temperatura, uma faixa de pressões do gás de topo, uma faixa de pH, uma faixa de valores representando a força iônica ou uma faixa de concentração da espécie ativa adequadas para a produção do produto de interesse 140 enquanto a célula eletrolítica multiestado opera no estado produtivo também pode ser mantido enquanto a célula eletrolítica multiestado opera no estado ocioso. Isso permite que a produção do produto de interesse 140 na usina eletroquímica 110 para reinicie rapidamente quando da passagem do estado ocioso para o estado produtivo.

[038] Conforme ilustra a FIG. 1, o sistema 100 pode incluir uma fonte de alimentação não agendável 120 e uma via de transmissão de energia 122 incluindo uma chave 125 para ligar e desligar a fonte de alimentação não agendável 120 da usina eletroquímica 110. Na modalidade ilustrada, a fonte de alimentação não agendável é representada por uma fazenda eólica compreendendo várias turbinas eólicas. Em outras modalidades, a fonte de alimentação não agendável pode ser ou incluir um sistema de energia solar concentrada, um sistema de energia fotovoltaica ou outro tipo de fonte de alimentação não agendável. O sistema 100 também pode incluir uma rede elétrica 130 e uma via de transmissão de energia 135 incluindo uma chave 132 para ligar e desligar a rede elétrica 130 da usina eletroquímica 110. Em algumas modalidades, a rede elétrica 130 pode ser limitada em capacidade de receber energia. Em algumas modalidades, o sistema 100 também pode incluir uma via de transmissão de energia 114 incluindo uma chave 115 para ligar e desligar a fonte de alimentação não agendável 120 da rede elétrica 130.

[039] Em algumas modalidades, a fonte de alimentação não agendável 120 pode alimentar eletricidade à rede elétrica 130, e a usina eletroquímica 110 pode receber eletricidade da rede elétrica 130, cuja quantidade ou preço baseiam-se na disponibilidade e demanda por eletricidade alimentada à rede elétrica 130 pela fonte de alimentação não agendável 120. A capacidade de rapidamente reiniciar a produção do produto de interesse 140 na usina eletroquímica 110 ao passar do estado ocioso para o estado produtivo também permite que a usina eletroquímica 110 tire proveito de variações na disponibilidade e demanda por eletricidade para minimizar o custo de produção do produto de interesse. Por exemplo, a usina eletroquímica 110 pode operar em um estado produtivo e receber eletricidade alimentada pela rede elétrica 130 quando a demanda e o preço correspondente da eletricidade alimentada pela rede elétrica 130 forem baixos, e pode passar a um estado ocioso em que o produto de interesse não é produzido quando a demanda e preço correspondente da eletricidade alimentada pela rede elétrica 130 forem altos. Em outro exemplo, a usina eletroquímica 110 pode operar em um estado produtivo e receber eletricidade alimentada direta ou indiretamente pela fonte de alimentação não agendável 120 quando a demanda e o preço da eletricidade gerada pela fonte de alimentação não agendável 120 forem baixos, pode passar a um estado ocioso em que o produto de interesse não é produzido quando a demanda e o preço correspondente da eletricidade gerada pela fonte de alimentação não agendável 120 forem altos, e pode voltar a um estado produtivo e receber eletricidade alimentada direta ou indiretamente pela fonte de alimentação não agendável 120 quando a demanda e o preço da eletricidade gerada pela fonte de alimentação não agendável 120 caírem novamente.

[040] O sistema 100 pode incluir uma tubulação de recursos de insumo 152, que inclui uma válvula 155 para prover seletivamente insumos de processo 150 à usina eletroquímica 110. A tubulação de recursos de insumo 152 pode ser um de vários canos, portais ou outros mecanismos de transporte através dos quais respectivos insumos de processo são alimentados à usina eletroquímica 110. Os insumos de processo 150 podem incluir todo ou qualquer recurso necessário para produzir o produto de interesse 140 ou para manter um conjunto predefinido de condições de processo de produção, incluindo, entre outros, uma fonte de calor, uma fonte de arrefecimento, salmoura ou outro tipo de matéria-prima, uma espécie ativa para reabastecer o eletrólito dentro da célula eletrolítica multiestado 112, aditivos tais como um ácido ou base, saídas recicladas do processo eletroquímico, ou gases recuperados do processo eletroquímico.

[041] O sistema 100 pode incluir uma tubulação de saída de produto 142, que inclui uma válvula 145 para fornecer seletivamente o produto de interesse 140 produzido pela usina eletroquímica 110. Em algumas modalidades, pode haver mais de um produto de interesse produzido pelo processo eletroquímico. Nessas modalidades, a tubulação de recursos de saída 142 pode ser um de vários canos, portais ou outros mecanismos de transporte através dos quais respectivos produtos do processo eletroquímico são fornecidos pela usina eletroquímica 110. Em várias modalidades, um produto de interesse pode ser ou incluir um sólido, um líquido ou um gás. Exemplos de sistemas nos quais um ou mais produtos de interesse são produzidos por uma célula eletrolítica multiestado que opera sob um conjunto predefinido de condições de processo de produção enquanto em um estado produtivo e enquanto em um estado ocioso são ilustrados nas FIGs. 2, 4A, 4B, 5, 6, 7, 8, 9 e descritos abaixo.

[042] Assim como muitas células eletrolíticas existentes, as células eletrolíticas multiestado descritas neste documento podem incluir dois tanques, cada um contendo uma solução eletrolítica, dois elétrodos que ligam-se a uma fonte de alimentação de corrente contínua (CC) fora do tanque, e uma via ionicamente condutora entre os dois tanques. Quando uma diferença de potencial através dos elétrodos é adequada para a produção de um produto de interesse por uma célula eletrolítica multiestado, elétrodos são transferidos através da via ionicamente condutora. De acordo com uma reação de oxirredução, um produto reduzido é produzido no lado da via ionicamente condutora que ganha elétrons e um produto oxidado é produzido no lado da via ionicamente condutora que perde elétrons. Os produtos produzidos pelas células eletrolíticas multiestado descritas neste documento podem ser pós-processados para distribuição como produtos de interesse comercial. Por exemplo, eles podem ser destilados, filtrados, limpos, separados, comprimidos, aquecidos, resfriados, reagidos com outras matérias- primas, ou processados de alguma outra forma para distribuição, em diferentes modalidades.

[043] A FIG. 2 é um diagrama em blocos ilustrando elementos selecionados de um sistema de célula eletrolítica multiestado 200, de acordo com algumas modalidades. Conforme ilustra a FIG. 1, o sistema de célula eletrolítica multiestado 200 pode incluir uma célula eletrolítica multiestado 202 para produzir um ou mais produtos de interesse através de um processo eletroquímico que é totalmente restringível e despachável, um circuito de alimentação controlável variável 218 e um circuito de sangria 216. A célula eletrolítica multiestado 202 também inclui dois elétrodos, ilustrados como um cátodo 212 e um ânodo 214, e uma via iônica 210 entre os eletrólitos em ambos os lados da via iônica 210 através da qual alguns íons podem passar mas, outros íons e elétrodos, não. Nas modalidades ilustradas, a via iônica 210 é uma membrana. Em outras modalidades, a via iônica 210 pode ser uma ponte salina, um tubo vítreo ou qualquer outro mecanismo de equilíbrio de carga adequado.

[044] O circuito de alimentação controlável variável 218 pode ser configurado para aplicar diferentes diferenças de potencial através do cátodo 212 e ânodo 214 em diferentes momentos, cada uma associada a um respectivo estado dos vários estados operacionais da célula eletrolítica multiestado 202. Em certas modalidades, ou em certos momentos, o circuito de alimentação controlável variável 218 pode ser alimentado com eletricidade advinda de uma rede elétrica, tal como a rede elétrica 130 ilustrada na FIG. 1. Em certas modalidades, ou em certos momentos, o circuito de alimentação controlável variável 218 pode ser alimentado com eletricidade gerada por uma fonte de alimentação não agendável, tal como a fonte de alimentação não agendável 120 ilustrada na FIG. 1 e descrita acima.

Em algumas modalidades, ou em certos momentos, o circuito de alimentação controlável variável 218 pode ser alimentado com eletricidade advinda de várias fontes de energia disponíveis e pode selecionar uma das fontes de alimentação para a aplicação de dada diferença de potencial através dos elétrodos para dar início à operação da célula eletrolítica multiestado 202 em um estado operacional específico.

O circuito de alimentação controlável variável 218 pode incluir qualquer tecnologia personalizada ou disponível na praça adequada para controlar a diferença de potencial aplicada através do cátodo 212 e ânodo 214, além da fonte da eletricidade.

Por exemplo, a tensão ou corrente elétrica de saída pode ser programada usando meios mecânicos, tais como botões giratórios ou outros elementos de chaveamento mecânicos, ou usando um ou mais sinais de controle.

À semelhança, a fonte da eletricidade pode ser selecionada usando meios mecânicos, tais como botões giratórios ou outros elementos de chaveamento mecânicos, ou usando um ou mais sinais de controle.

A diferença de potencial aplicada através do cátodo 212 e ânodo 214 pelo circuito de alimentação controlável variável, bem como pela fonte da eletricidade, pode ser controlada localmente, tal como por um controlador de circuito de alimentação dentro do circuito de alimentação controlável variável 218, ou pode ser controlada por sinais de controle digitais ou analógicos recebidos no circuito de alimentação controlável variável 218 a partir de outro componente do sistema de célula eletrolítica multiestado 200 ou de um componente remoto, em diferentes modalidades.

[045] Em algumas modalidades, o circuito de alimentação controlável variável 218 pode incluir um monitor de estado configurado para determinar em qual dos vários estados operacionais a célula eletrolítica multiestado 202 está operando. Em algumas modalidades, o monitor de estado pode ser um elemento de um controlador de circuito de alimentação elétrica dentro de 218. Em outras modalidades, o monitor de estado pode ser um elemento de um subsistema de monitoramento e controle em tempo real em outra parte do sistema de célula eletrolítica multiestado 200. Em algumas modalidades, o monitor de estado pode fornecer uma indicação do estado operacional da célula eletrolítica multiestado 202 a um ou mais subsistemas de monitoramento e controle em tempo real ou a outro componente do sistema de célula eletrolítica multiestado 200.

[046] Os estados operacionais da célula eletrolítica multiestado 202 podem incluir um ou mais estados produtivos, nos quais um produto de interesse é produzido e um conjunto predefinido de condições de processo de produção da célula eletrolítica multiestado 202 é mantido. Por exemplo, durante a operação da célula eletrolítica multiestado 202 em cada um dos um ou mais estados produtivos, todo ou qualquer um dentre a temperatura, a pressão do gás de topo, o pH, a força iônica, a turvação e a concentração da espécie ativa pode ser mantido dentro de faixas predefinidas adequadas à produção do produto de interesse. Os estados operacionais também podem incluir um estado ocioso, no qual o produto de interesse não é produzido mas o conjunto predefinido de condições de processo de produção da célula eletrolítica multiestado 202 é mantido. Por exemplo, a temperatura, a pressão do gás de topo, o pH, a força iônica e a concentração da espécie ativa podem ser mantidos dentro das mesmas faixas predefinidas que quando a célula eletrolítica multiestado opera em qualquer um dos estados produtivos. Quando uma primeira diferença de potencial diferente de zero é aplicada através do cátodo 212 e ânodo 214, a produção de um produto de interesse em um estado produtivo específico tem início. Quando uma segunda diferença de potencial diferente de zero menor que a primeira diferença de potencial diferente de zero é aplicada através do cátodo 212 e ânodo 214, uma operação no estado ocioso tem início. Em algumas modalidades, os elétrodos podem ser elétrodos polarizáveis projetados para minimizar o potencial de ativação, ou o sobrepotencial. Em algumas modalidades, a célula eletrolítica multiestado 202 pode incluir três ou mais elétrodos.

[047] A célula eletrolítica multiestado 202 pode incluir um ou mais tanques, cada um contendo uma matéria-prima 220, tal como uma espécie ativa em uma solução eletrolítica aquosa ou fundida. Por exemplo, se a célula eletrolítica multiestado 202 for configurada para um processo de eletrogalvanização, ela pode incluir um único tanque. Por outro lado, se a célula eletrolítica multiestado 202 for configurada para qualquer um de uma variedade de processos eletroquímicos baseados em sal aquoso ou fundido, ela pode incluir dois ou mais tanques. Por exemplo, quando configurada para a BPMED (EletroDiálise com Membrana BiPolar), a célula eletrolítica multiestado 202 pode incluir três tanques. Em outras modalidades, a célula eletrolítica multiestado 202 pode incluir mais de três tanques. Em algumas modalidades nas quais há dois ou mais tanques ou domínios, os tanques podem conter inicialmente a mesma matéria-prima, embora a composição da matéria-prima nos dois tanques possa mudar durante a produção do produto de interesse de modo a subsequentemente tornarem-se diferentes. Em algumas modalidades nas quais há dois ou mais tanques, os tanques podem conter inicialmente matérias-primas diferentes. Em algumas modalidades, a célula eletrolítica multiestado 202 pode incluir um eletrólito gasoso. Em algumas modalidades, a célula eletrolítica multiestado 202 pode incluir um eletrólito sólido, tal como em uma Célula Eletroquímica de Óxido Sólido.

[048] Conforme ilustra a FIG. 2, o sistema de célula eletrolítica multiestado 200 pode incluir um circuito de sangria 216 acoplado ao cátodo 212 e em paralelo à saída do circuito de alimentação controlável variável 218. Em ao menos algumas modalidades, quando a célula eletrolítica multiestado 202 opera no estado ocioso, onde a diferença de potencial através do cátodo 212 e ânodo 214 é abaixo do potencial de meia-célula, a diferença de potencial ainda é suficiente para fazer com que uma carga acumule-se no invólucro, parafusos ou outros componentes metálicos da célula eletrolítica multiestado 202. O circuito de sangria 216, que inclui elementos capacitivos e resistivos, permite que a carga acumule-se enquanto a célula eletrolítica multiestado 202 opera no estado ocioso para descarregá-la no terra. Em algumas modalidades, o sistema de célula eletrolítica multiestado 200 pode ser configurado para capturar o calor gerado pelo circuito de sangria 216 para aquecer a si próprio.

[049] A FIG. 3 ilustra uma curva de produção 300 para um processo eletroquímico usando uma célula eletrolítica multiestado, de acordo com algumas modalidades. Mais especificamente, a curva de produção 300 mapeia a corrente (i) que flui na célula eletrolítica multiestado para a diferença de potencial correspondente (V) entre o ânodo e o cátodo da célula eletrolítica multiestado. Pontos específicos ao longo da curva de produção representam respectivos estados operacionais da célula eletrolítica multiestado.

[050] Na FIG. 3, um valor de corrente indicado por 302 no eixo y representa um limite de corrente máximo para a célula. O ponto 308 na curva de produção representa um ponto no qual tanto a diferença de potencial entre o ânodo e o cátodo quanto a corrente que flui em uma célula eletrolítica multiestado, conforme descrita neste documento, são iguais a zero. Um valor de tensão elétrica indicado por 312 no eixo x representa o potencial de meia-célula, ou E1/2, para a célula eletrolítica multiestado. Em algumas modalidades, isso corresponde à diferença de potencial na qual a célula eletrolítica multiestado começa a produzir um produto de interesse com qualidade razoável.

[051] O ponto 324 na curva de produção representa um primeiro estado produtivo indicado, no qual um produto de interesse é produzido pela célula eletrolítica multiestado. A diferença de potencial nesse ponto é representada por 314 no eixo x. À semelhança, o ponto 326 representa um segundo estado produtivo indicado associado a uma diferença de potencial representada por 316 no eixo x, o ponto 328 representa um terceiro estado produtivo indicado associado a uma diferença de potencial representada por 318 no eixo x, o ponto 330 representa um quarto estado produtivo indicado associado a uma diferença de potencial representada por 320 no eixo x, e o ponto 332 representa um quinto estado produtivo indicado associado a uma diferença de potencial representada por 334 no eixo x. Em todos os estados produtivos de 324 a 332, a célula eletrolítica multiestado pode operar sob as mesmas condições processo de produção predefinidas para produzir o produto de interesse. No entanto, a taxa de produção do produto de interesse e a taxa a que recursos de processo são consumidos podem diferir em diferentes estados produtivos dos estados produtivos de 324 a 332. Em algumas modalidades, para operar a uma diferença de potencial mais baixa, é necessário tomar uma ou mais medidas para manter as condições de processo de produção predefinidas, inclusive, entre outras, aumentar a taxa de sangria, aumentar as cargas parasíticas, gerar e aplicar contrapressão, equilibrar o pH, ajustar a concentração da espécie ativa, ou ativar um elemento calefator ou arrefecedor. Logo, o consumo de vários recursos mudará. Em um exemplo que envolve um processo de cloro-álcali, a fim de manter a taxa de fluxo a uma produção de cloro, iodo, flúor ou outro produto reduzido mais baixa, pode ser que a salmoura precise ser acidulada a uma velocidade mais alta.

[052] Em algumas modalidades, o ponto 332 corresponde a um estado produtivo no qual a taxa de produção do produto de interesse é maximizada. Em modalidades nas quais dois ou mais produtos de interesse são produzidos, a célula eletrolítica multiestado pode produzir uma mistura de produto levemente diferente em cada um dos diferentes estados produtivos. Por exemplo, se o eletrólito for uma solução complexa com várias espécies ativas e a célula eletrolítica multiestado operar a uma diferença de potencial alta, a célula eletrolítica multiestado pode produzir uma mescla de produtos que inclui certas porcentagens e quantidades relativas de cada produto. No entanto, quando a diferença de potencial é mais baixa, a célula eletrolítica multiestado pode produzir uma mescla diferente de produtos ou uma mescla de produtos que inclui diferentes porcentagens ou quantidades relativas de cada produto que seria produzido à diferença de potencial mais alta. Em algumas modalidades, ao lidar com um eletrólito multiquímica, tal como águas servidas incluindo qualquer número de compostos, pode ser que não haja um estado "ideal". Para dada diferença de potencial, a célula pode produzir muitos produtos a uma razão que depende da diferença de potencial.

[053] Na FIG. 3, o ponto 322 na curva de produção 300 representa um estado ocioso no qual nenhum produto de interesse é produzido, embora as condições de processo sob as quais a célula eletrolítica multiestado opera no estado ocioso sejam as mesmas que as condições de processo de produção predefinidas sob as quais a célula eletrolítica multiestado opera nos estados produtivos. Por exemplo, a temperatura, o pH, a concentração da espécie ativa, a força iônica e a pressão do gás de topo podem ser mantidos às mesmas faixas predefinidas que quando a célula eletrolítica multiestado opera em qualquer um dos estados produtivos de 324 a 332. Conforme ilustra a FIG. 3, a diferença de potencial quando a célula eletrolítica multiestado opera no estado ocioso (no ponto 322) pode ser bem abaixo do ponto E1/2 (312). A corrente que flui através da célula eletrolítica multiestado no estado ocioso é representada pelo valor de corrente 306 no eixo y. A diferença de potencial correspondente no estado ocioso é representada pela diferença de potencial 310 no eixo x.

[054] Para algumas células eletrolíticas existentes, há uma faixa limitada de valores de corrente e tensão elétrica sob os quais as células produzem um produto de interesse. Com essas células eletrolíticas existentes, as condições de processo de produção mudam à medida que a diferença de potencial entre os elétrodos diminui. Por exemplo, um valor de corrente indicado por 304 no eixo y na FIG. 3 pode representar uma corrente abaixo da qual, em células eletrolíticas existentes, o gradiente iônico da célula eletrolítica, por vezes chamado de camada de carga, parte-se e começa a falhar. Uma vez extinta a camada de carga, sucede-se uma cascata de mudanças, a qual causa danos irreversíveis à célula, incluindo uma mudança na concentração da espécie ativa para os elétrodos, uma mudança no pH do eletrólito, uma mudança na osmolaridade da solução eletrolítica, uma mudança no potencial de redução, e uma mudança nas atividades químicas que começa a corroer os elétrodos. Com o tempo, poderá haver espécies ativas em excesso no eletrólito, de modo que intermediários ativos comecem a inverter a corrente. A relação entre o limite de corrente máximo e a corrente à qual a camada de carga parte-se nas células eletrolíticas existentes depende da química específica da célula eletrolítica. Por exemplo, para células eletrolíticas existentes configuradas para um processo de cloro-álcali, a corrente no ponto onde a camada de carga parte-se pode ser de cerca de 20% o limite de corrente máximo. Por exemplo, para células eletrolíticas existentes com outras substâncias químicas, a corrente no ponto onde a camada de carga parte-se pode ser maior ou menor que 20% o limite de corrente máximo.

[055] Nas células eletrolíticas multiestado descritas neste documento, contudo, as condições de processo de produção, como temperatura, pH, concentração da espécie ativa, força iônica e pressão do gás de topo, mantêm-se uniformes à medida que a diferença de potencial entre os elétrodos diminui significativamente e a corrente cai abaixo do que, em outros contextos, seria o ponto onde a camada de carga parte-se em uma célula eletrolítica de uma química específica. O resultado é um processo reversível que é plenamente restringível e despachável onde a diferença de potencial entre os elétrodos da célula eletrolítica multiestado pode ser rapidamente reduzida até um estado ocioso no qual nenhum produto de interesse é produzido e rapidamente elevada a um estado no qual a produção do produto de interesse é retomada. Em algumas modalidades, as células eletrolíticas multiestado descritas neste documento podem passar de um estado produtivo ao estado ocioso ou do estado ocioso a um estado produtivo em questão de minutos, em vez de levar horas ou dias como ocorre com as células eletrolíticas existentes, e esse ciclo pode ser repetido muitas vezes em um mesmo dia. Por exemplo, uma célula eletrolítica multiestado para a produção de cloro-álcali, como as células eletrolíticas multiestado ilustradas nas FIGs. 4A e 4B e descritas abaixo, pode passar de um estado produtivo máximo para o estado ocioso em menos de cinco minutos, ou com uma única execução do SCED, sujeita a limitações além do limite da bateria.

[056] A curva de produção 300 pode representar o comportamento de qualquer um de uma variedade de processos eletroquímicos que podem se beneficiar da capacidade de manter um conjunto predeterminado de condições de processo de produção enquanto move-se entre estados produtivos ou enquanto move-se entre um estado produtivo e um estado ocioso, incluindo, entre outros, eletrólise de uma solução aquosa, eletrólise de um sal fundido, processos de eletrogalvanização, ou qualquer processo eletroquímico que possua uma tensão elétrica de ativação. Um exemplo desses processos é um processo de cloro-álcali, que utiliza a eletrólise de uma solução aquosa para produzir cloro. Em média, uma diferença de potencial entre os elétrodos de uma célula eletrolítica multiestado de cerca de 3,2 volts pode ser adequada à produção comercial dos produtos de interesse no caso de um processo de cloro-álcali, embora isso varie de um modelo de célula para outro. Em média, uma diferença de potencial entre os elétrodos de uma célula eletrolítica multiestado de cerca de 1,36 volts pode representar a tensão elétrica de ativação abaixo da qual a produção de cloro cessa, embora isso varie de um modelo de célula para outro. Em modalidades nas quais o estado produtivo associa-se a uma diferença de potencial de 3,2 volts e a tensão elétrica de ativação é de 1,36 volts, uma diferença de potencial de cerca de 1,29 volts pode ser a tensão elétrica alvo associada ao estado ocioso. Conforme descrito em mais detalhes abaixo, um circuito de alimentação controlável variável no sistema de célula eletrolítica multiestado pode impedir que a diferença de potencial caia abaixo da tensão elétrica do estado ocioso alvo para evitar induzir correntes reversas, danificar a célula eletrolícita multiestado ou tornar os recursos de insumo do processo de cloro-álcali inadequados para produzir os produtos de interesse quando da retomada da produção.

[057] Em uma célula eletrolítica multiestado configurada para um processo de cloro-álcali, a matéria-prima pode ser salmoura:cloreto de sódio saturado em água, com entre 23% e 25% de cloreto de sódio. Nesse exemplo, o material dos elétrodos pode só ser estável a um pH baixo. Além disso, o produto de interesse primário, que é o cloro em estado gasoso, é estável a um pH de cerca de 3, com reações colaterais indesejadas ocorrendo se o pH for acima de 4. Logo, a matéria- prima pode ser acidulada pela adição gota a gota de ácido clorídrico até atingir uma molaridade ou atividade dos prótons apropriada para proporcionar o controle do pH. Outros insumos do processo de cloro-álcali podem incluir uma solução de hidróxido de sódio em água a 30%.

[058] Uma saída adicional do processo de cloro-álcali pode ser uma solução de hidróxido de sódio em água a 32%. Em algumas modalidades, os 2% adicionais de hidróxido de sódio podem ser extraídos e separados em uma solução de hidróxido de sódio a 50% e hidróxido de sódio a 30%, sendo o hidróxido de sódio a 30% reciclado como um insumo do processo de cloro-álcali. A solução de hidróxido de sódio a 50% é um produto químico com valor agregado que pode ser distribuído como líquido ou adicionalmente processado em soda cáustica em escamas ou lixívia, que é um sólido. Em algumas modalidades, o cloro produzido pelo processo de cloro-álcali pode ser pós-processado usando um processo de secagem e também pode ser refinado antes da distribuição comercial. O hidrogênio produzido pelo processo de cloro-álcali pode ser usado tal qual, pode ser ventilado, pode ser queimado, ou pode ser recombinado para produzir ácido clorídrico ou combinado a outras matérias-primas para distribuição comercial.

[059] A fim de passar o estado operacional de uma célula eletrolítico multiestado configurada para um processo de cloro-álcali do estado produtivo para o estado ocioso, a diferença de potencial através dos elétrodos pode ser reduzida de uma maneira controlada, de tal modo que as condições de processo de produção mantenham-se uniformes dentro da célula eletrolítica multiestado à medida que as espécies carregadas deixam de mover-se através da via ionicamente condutora. As primeiras etapas para passar ao estado ocioso, que, em algumas modalidades, podem ser realizadas substancialmente em paralelo, consistem em derrubar a diferença de potencial através dos elétrodos de um valor de cerca de 3,2 volts para um valor de cerca de 1,29 volts, por exemplo, e começar a alimentar nitrogênio (ou qualquer gás inerte) à célula eletrolítica multiestado a fim de expurgar o cloro na célula, protegendo assim os elétrodos. Em algumas modalidades, a diferença de potencial pode ser reduzida usando um padrão de decaimento que não é linear, tal como uma função logarítmica de um grande capacitor. Em algumas modalidades, um gás inerte, tal como nitrogênio, pode ser injetado na célula eletrolítica multiestado (por exemplo, por baixo) em qualquer dos lados da via ionicamente condutora, adicionando-se gás suplementar que expurgará o cloro e que também ajudará a manter a contrapressão do gás de topo, apesar de quaisquer pequenos vazamentos por todo o sistema. Por exemplo, o nitrogênio pode entrar na célula eletrolítica multiestado na forma de bolhas que deslocam-se fisicamente através do sistema e borbulham ao gás de topo. Ao longo do caminho, elas podem remover o cloro do eletrólito de modo que, quando a diferença de potencial entre os elétrodos chegar à diferença de potencial associada ao estado ocioso, não haja mais cloro no elétrodo. Em uma modalidade exemplificativa na qual a diferença de potencial é reduzida substancialmente em paralelo ao expurgo com nitrogênio (ou com outro gás inerte), pode levar cerca de 18 segundos para essas duas etapas concluírem. Em algumas modalidades, o expurgo com nitrogênio pode ser iniciado antes de começar a derrubar a diferença de potencial através dos elétrodos, de modo que as primeiras bolhas de nitrogênio cheguem à placa de carga à medida que a queda na diferença de potencial tem início. Em algumas modalidades, em vez de expurgar o cloro usando nitrogênio, o cloro pode ser expurgado usando outro gás inerte, tal como argônio ou criptônio.

[060] Medidas adicionais a ser tomadas ao passar do estado produtivo para o estado ocioso em uma célula eletrolítica multiestado configurada para um processo de cloro-álcali podem incluir ajustar uma bomba de contrapressão controlável ou válvula de retenção para que mantenham a pressão de topo na mesma faixa de pressão de quando a célula operava no estado produtivo, e adicionar ácido fresco, tal como ácido clorídrico, para manter o pH na mesma faixa de quando a célula operava no estado produtivo. No caso de uma célula eletrolítica multiestado configurada para um processo que não um processo de cloro-álcali, um ácido ou base podem ser adicionados para manter o pH dentro de condições de processo de produção predefinidas para o processo específico.

[061] As FIGs. 4A a 4D são diagramas em blocos ilustrando elementos selecionados de um sistema de célula eletrolítica multiestado para um processo de cloro-álcali, de acordo com algumas modalidades. Na FIG. 4, um sistema de célula eletrolítica multiestado 400 inclui uma célula eletrolítica multiestado 450, um circuito de alimentação controlável variável 420 e um circuito calefator 430. Quando a célula eletrolítica multiestado 450 está em um estado produtivo, ela opera sob um conjunto predefinido de condições de processo de produção e produz cloro, um álcali, tal como hidróxido de sódio, e hidrogênio, conforme descrito acima.

[062] A célula eletrolítica multiestado 450 inclui um cátodo 424, um ânodo 422 e uma via iônica 412 entre o lado do cátodo e o lado do ânodo da célula eletrolítica 450. No exemplo ilustrado, a via iônica 412 é uma membrana, tal como uma membrana de polímero plástico com alta rejeição a ânions, que íons positivos podem atravessar, mas íons negativos não. Em outras modalidades, a via iônica 412 pode ser ou incluir um tubo vítreo ou outro elemento adequado, ou uma membrana feita de outro tipo de plástico ou outro material. Conforme ilustra a FIG. 4A, a célula eletrolítica multiestado 450 inclui uma matéria-prima 444 que contém uma espécie ativa para a produção dos produtos de interesse, mais especificamente salmoura.

[063] Conforme ilustra a FIG. 4A, a célula eletrolítica multiestado 450 pode incluir uma tubulação de entrada 436 para receber salmoura 402, ácido clorídrico 404 e, em algumas modalidades, salmoura reciclada. Em algumas modalidades, salmoura previamente acidulada pode ser introduzida na célula eletrolítica multiestado através da tubulação de entrada 436. A célula eletrolítica multiestado 450 também pode incluir uma tubulação de saída 438, através da qual o cloro 406 produzido pela célula 450 é distribuído como um produto do processo de cloro-álcali, e uma tubulação de saída 440, através da qual o hidrogênio 408 produzido pela célula 450 é distribuído como um produto do processo eletroquímico. A célula eletrolítica multiestado 450 também pode incluir uma tubulação de saída 432 para reciclar a salmoura depletada 426 à tubulação de entrada 436 como um insumo do processo eletroquímico. Esse loop de reciclagem pode incluir um elemento de processamento 425, onde a salmoura reciclada é limpa, aquecida, resfriada, enriquecida, acidulada ou tratada de alguma outra forma antes de ser reintroduzida na célula eletrolítica multiestado 450 através da tubulação de entrada 436.

[064] Na modalidade ilustrada, a célula eletrolítica multiestado 450 inclui uma tubulação de entrada 442, através da qual um álcali 410, tal como hidróxido de sódio ou soda cáustica, e um álcali reciclado 428, tal como um hidróxido de sódio débil ou soda cáustica débil, podem ser introduzidos na célula. A célula eletrolítica multiestado 450 também pode incluir uma tubulação de saída 434 para fornecer um álcali 456, tal como soda cáustica, como um produto do processo eletroquímico e para reciclar um álcali 428, tal como soda cáustica débil, à tubulação de entrada 442 como um insumo do processo eletroquímico. Esse loop de reciclagem pode incluir um elemento de processamento 455 onde o álcali reciclado é limpo, aquecido, resfriado, enriquecido, acidulado ou tratado de alguma outra forma antes de ser reintroduzido na célula eletrolítica multiestado 450 através da tubulação de entrada

442.

[065] Conforme FIG. 4A, a célula eletrolítica multiestado 450 pode incluir uma tubulação de entrada 446 para receber um gás inerte 452, tal como nitrogênio, argônio ou criptônio, no lado do ânodo da célula e uma tubulação de entrada 448 para receber um gás inerte 454, tal como nitrogênio, argônio ou criptônio, no lado do cátodo da célula a fim de expurgar o cloro quando a célula eletrolítica multiestado 450 entrar ou estiver operando no estado ocioso. Os gases de topo na célula eletrolítica multiestado 450 são ilustrados como gases de topo 414. A tubulação de saída 438 pode incluir uma bomba de contrapressão 416 para manter uma pressão do gás de topo específica no lado do ânodo da célula. À semelhança, a tubulação de saída 440 pode incluir uma bomba de contrapressão 418 para manter uma pressão do gás de topo específica no lado do cátodo da célula.

[066] Na FIG. 4A, um loop de recirculação de salmoura para a salmoura depletada 426 da tubulação de saída 432 à tubulação de entrada 436 pode ser configurado para reconcentrar a salmoura depletada antes de reintroduzi-la na célula eletrolítica multiestado 450. Por exemplo, a salmoura depletada pode incluir entre 15% e 20% de cloreto de sódio, que pode ser reconcentrado a entre 23% e 25% de cloreto de sódio antes de bombeá-la de volta à célula através da tubulação de entrada 436, sendo o excedente de água removido como subproduto do processo (não ilustrado).

[067] Um circuito calefator 430 é ilustrado na linha de recirculação para a salmoura reciclada 426, onde pode aquecer a salmoura reciclada antes de sua reintrodução na célula eletrolítica multiestado 450. Nessa posição, ou em outra posição no sistema de célula eletrolítica multiestado 400, o circuito calefator 430 pode aquecer esses ou outros recursos de insumo, ou a célula eletrolítica multiestado 450 como um todo, para manter a temperatura da célula em consonância com o conjunto predefinido de condições de processo de produção. Em algumas modalidades, o sistema de célula eletrolítica multiestado 400 pode incluir um elemento calefator/arrefecedor combinado, ou elementos calefator e arrefecedor distintos, em vez de um circuito somente calefator. Em algumas modalidades, pode haver mais de um circuito calefator, ou elemento calefator/arrefecedor, por célula. Por exemplo, além do circuito calefator 430 na linha de recirculação para a salmoura 426, pode haver um circuito calefator auxiliar, ou um elemento calefator/arrefecedor auxiliar, no lado oposto da célula, tal como na linha de recirculação para o álcali 428. Embora o circuito calefator 430 proporcione aquecimento elétrico, outros elementos calefatores/arrefecedores no sistema de célula eletrolítica multiestado 400 podem proporcionar outros tipos de calefação ou arrefecimento para manter a temperatura da célula em consonância com o conjunto predefinido de condições de processo de produção quando da alternância entre estados produtivos ou quando da alternância entre um estado produtivo e um estado ocioso. Por exemplo, quanto mais rapidamente a produção cresce, mais calor é gerado, o que pode resultar na necessidade de arrefecimento para manter a temperatura dentro da faixa predefinida. Em algumas modalidades, o circuito calefator 430, ou um calefator auxiliar, não precisa consumir energia, mas pode ser ou incluir um reservatório de calor, tal como um reservatório de sal fundido ou outro reservatório de armazenamento de energia. Em algumas modalidades, um reservatório de calor pode ser bombeado por armazenamento solar, ou outro mecanismo que seja circulado para manter a temperatura da célula eletrolítica multiestado 450. Em algumas modalidades, um sinal de controle 435 pode ser provido ao circuito calefator 430 a partir de um controlador local ou remoto, tal como um dos subsistemas de monitoramento e controle descritos neste documento, para ativar ou desativar as funções de calefação e arrefecimento do circuito calefator 430.

[068] Na modalidade ilustrada, o circuito de alimentação controlável variável 420 é configurado para aplicar diferentes diferenças de potencial através do cátodo 424 e ânodo 422 em diferentes momentos, colocando a célula eletrolítica multiestado 450 em diferentes estados operacionais. Em alguns casos, ou em certos momentos, a variação na diferença de potencial deve-se a uma variação na eletricidade recebida de uma fonte de alimentação de CC, tal como quando a eletricidade é alimentada por uma fonte de alimentação não agendável. Em algumas modalidades, ou em certos momentos, a variação na diferença de potencial é controlada localmente por um sistema de circuitos dentro do circuito de alimentação controlável variável 420 a fim de controlar a tensão e corrente elétricas no nível da célula. Em outras modalidades, ou em certos momentos, a variação na diferença de potencial é controlada coletivamente para um grupo de células eletrolíticas multiestado, tal como uma pilha ou bastidor de células eletrolíticas multiestado 450. O circuito de alimentação controlável variável 420 pode incluir qualquer fonte de alimentação controlável variável personalizada ou disponível na praça adequada para manipular a diferença de potencial através do cátodo 424 e ânodo 422 a fim de praticar uma mudança no estado operacional da célula eletrolítica multiestado 450.

[069] Como mencionado acima, quando a célula eletrolítica multiestado 450 está em um estado produtivo, ela opera sob um conjunto predefinido de condições de processo de produção e produz cloro, um álcali e hidrogênio. Quando a célula eletrolítica multiestado 450 opera em um estado ocioso associado a uma segunda diferença de potencial diferente de zero mais baixa, nenhum produto é produzido. Por exemplo, a célula eletrolítica multiestado 450 pode ser configurada para operar em um estado produtivo, no qual cloro, álcali e hidrogênio são produzidos, quando a diferença de potencial entre os elétrodos for superior a 1,36 volts, ou, de preferência, de cerca de 3,2 volts, e em um estado ocioso, no qual nenhum desses produtos é produzido, quando a diferença de potencial entre os elétrodos for inferior a 1,36 volts, ou, de preferência, de cerca de 1,29 volts. No entanto, um conjunto predefinido de condições de processo de produção pode ser mantido na célula eletrolítica multiestado independentemente de se a célula opera em qualquer um dos um ou mais estados produtivos ou se opera no estado ocioso. A taxa de produção dos produtos de interesse pode ser mais alta quando a diferença de potencial estiver na extremidade superior da faixa de tensão elétrica de produção do que quando a diferença de potencial estiver na extremidade inferior da faixa de tensão elétrica de produção. Em algumas modalidades, a taxa a que recursos de insumo para o processo de cloro-álcali são consumidos pode ser mais alta quando a taxa de produção for mais alta e pode ser mais baixa quando a taxa de produção for mais baixa Em algumas modalidades, a célula eletrolítica multiestado 450 pode produzir cloro, um álcali e hidrogênio em quantidades levemente diferentes ou em proporções relativas dependendo do estado produtivo específico em que a célula opera.

[070] A FIG. 4B ilustra elementos selecionados de um sistema de célula eletrolítica multiestado 455 para um processo de cloro-álcali, de acordo com algumas modalidades. O sistema de célula eletrolítica multiestado 455 pode incluir um ou mais elementos ilustrados em 400 na FIG. 4A que não são ilustrados na FIg. 4B para fins de simplificação. Os elementos ilustrados na FIG. 4B e com os mesmos números de referência que os elementos correspondentes ilustrados na FIG. 4A podem ser substancialmente similares. Na FIG. 4B, um sistema de célula eletrolítica multiestado 455 inclui uma célula eletrolítica multiestado 458, um elemento de expurgo 460 e um tanque de armazenamento 478. Em algumas modalidades, um sistema de célula eletrolítica multiestado 455 também pode incluir um circuito de alimentação controlável variável, tal como o circuito de alimentação controlável variável 420 ilustrado na FIG. 4A, e um circuito calefator, tal como um circuito calefator 430 ilustrado na FIG. 4A (não ilustrados na FIG. 4B). Quando a célula eletrolítica multiestado 458 opera em um estado produtivo associado a uma primeira diferença de potencial diferente de zero através dos elétrodos, a célula pode operar sob um conjunto predefinido de condições de processo de produção para produzir cloro, hidróxido de sódio e hidrogênio, conforme descrito acima. Conforme ilustra a FIG. 4B, durante a produção de cloro-álcali, cátions 476, representados por M+, podem cruzar a via iônica 412 enquanto a célula eletrolítica multiestado 458 opera em um estado produtivo. No entanto, quando a célula eletrolítica multiestado 458 opera em um estado ocioso associado a uma segunda diferença de potencial diferente de zero mais baixa, a migração de cátions 476 pode cessar de todo ou pode diminuir a uma quantidade que seja insuficiente para produzir cloro, hidróxido de sódio ou hidrogênio.

[071] Conforme ilustra a FIG. 4B, uma das portas de saída da célula eletrolítica multiestado 438 pode incluir uma válvula de quatro vias 462 para manusear o cloro produzido pela célula 458. A válvula de quatro vias 462 é ilustrada mais a fundo na FIG. 4C e descrita abaixo. Conforme ilustra a FIG. 4B, uma das portas de saída da célula eletrolítica multiestado 440 pode incluir uma válvula de duas vias 464 para manusear o hidrogênio produzido pela célula 458. A válvula de duas vias 464 é ilustrada mais a fundo na FIG. 4D e descrita abaixo. Na modalidade ilustrada, a célula eletrolítica multiestado 458 inclui uma bomba de contrapressão 466 para manter uma pressão do gás de topo apropriada para o gás de topo 472 no lado do ânodo da célula e uma bomba de contrapressão 468 para manter uma pressão do gás de topo apropriada para o gás de topo 474 no lado do cátodo da célula.

[072] Conforme ilustra a FIG. 4B, o sistema de célula eletrolítica multiestado 455 pode incluir um tanque de armazenamento 478, que alimenta um gás inerte 452, por exemplo, nitrogênio, ao lado do cátodo da célula 458 através da tubulação de entrada 446. Em algumas modalidades, o tanque de armazenamento 478 também alimenta gás inerte 452 à célula 458 através de uma tubulação de entrada no lado do ânodo da célula, tal como a tubulação de entrada 448 ilustrada na FIG. 4A (não ilustrada na FIG. 4B). No exemplo ilustrado, os insumos para o elemento de expurgo 460 na linha de recirculação de salmoura incluem Cl2 + NaOH (484), salmoura depletada (426) e gás inerte (482) oriundo do tanque de armazenamento 478. As saídas do elemento de expurgo 460 incluem gás inerte 485. Em outras modalidades, outros insumos para o elemento de expurgo 460, tais como um gás inerte que não o nitrogênio, podem ser usados para expurgar cloro do sistema de célula eletrolítica multiestado 455 quando a célula eletrolítica multiestado 458 estiver operando no estado ocioso. A retomada da produção a partir do estado ocioso pode incluir subir gradativamente a diferença de potencial através dos elétrodos a uma diferença de potencial associada a um estado produtivo, por exemplo. Em algumas modalidades, o retorno a um estado produtivo pode ser acelerado para que seja efetivamente instantâneo ao adicionar os intermediários necessários à produção de cloro ao eletrólito, resultando assim em um tempo de resposta muito mais rápido.

[073] A FIG. 4C ilustra as configurações na válvula de quatro vias 462, de acordo com algumas modalidades.

No exemplo ilustrado, as configurações incluem uma configuração de produção 488, uma configuração de recuperação 490, uma configuração "limpeza de refugos" 494 e uma configuração "desligada" 494. Colocar a válvula 462 na configuração de produção 488 causa a saída de cloro como um produto de interesse produzido pela célula.

Colocar a válvula 462 na configuração de recuperação 490 faz com que o cloro seja encaminhado a um compressor de recuperação (não ilustrado). Colocar a válvula 462 na configuração “depuração de refugos” 492 faz com que o gás de saída na válvula seja encaminhado a outro componente do sistema (não ilustrado) para depurar os refugos.

Para depurar os refugos, um gás inerte pode ser borbulhado através do gás de saída no espaço de topo a fim de remover o cloro.

Inicialmente, o cloro pode ser distribuído na concentração de produção alvo no gás de saída.

No entanto, em algum ponto, a concentração de cloro cairá.

Uma vez que a concentração de cloro atinge certo ponto, tal como entre 90% de cloro e 10% de cloro, por exemplo, esse pode representar uma quantidade recuperável, e o gás de saída pode ser encaminhado a um compressor de recuperação.

O compressor de recuperação pode ser um compressor de cloro que comprime a mistura gasosa de tal modo que o cloro liquefaça-se mas o nitrogênio não.

Nesse caso, o cloro líquido é um produto recuperado.

Com o tempo, a concentração de cloro no gás de saída cairá abaixo de um limite recuperável, ponto esse em que ele pode ser neutralizado diluindo-o através de água ou depurando-o com hidróxido de sódio, por exemplo.

A válvula 462 pode ser definida na configuração “desligada” 494 uma vez que não haja cloro presente no gás de saída.

Embora uma válvula de quatro vias seja ilustrada na FIG. 4C, em outras modalidades, a válvula 462 pode ter mais configurações, menos configurações ou configurações diferentes.

Por exemplo, em algumas modalidades, todo o gás de saída pode ser encaminhado a um compressor de recuperação, após o quê os materiais não condensáveis podem ser encaminhados a outro elemento a fim de depurar os refugos. Nesse exemplo, o compressor de recuperação forneceria cloro produzível, por exemplo, e refugos a ser depurados.

[074] A FIG. 4D ilustra as configurações na válvula de duas vias 464, de acordo com algumas modalidades. No exemplo ilustrado, as configurações incluem uma configuração de produção 496 e uma configuração "desligada" 498. Colocar a válvula 464 na configuração de produção 496 causa a saída de hidrogênio como um produto de interesse produzido pela célula. A válvula 464 pode ser definida na configuração “desligada” 498 uma vez que não haja hidrogênio no gás de saída na válvula 464. Embora uma válvula de duas vias seja ilustrada na FIG. 4D, em outras modalidades, a válvula 464 pode ter mais de duas configurações, inclusive, por exemplo, uma configuração para encaminhar ao menos parte do hidrogênio produzido pela célula a outro componente no sistema para outra finalidade. Em algumas modalidades, células eletrolíticas multiestado com substâncias químicas semelhantes ou diferentes das usadas em um processo de cloro-álcali podem incluir válvulas para controlar o encaminhamento e a distribuição dos produtos do processo eletroquímico específico em diferentes momentos e sob condições específicas, algumas das quais podem ser semelhantes às ilustradas nas FIGs. 4C e 4D.

[075] Embora as FIGs. 4A a 4D ilustrem modalidades exemplificativas de células eletrolíticas multiestado e sistemas configurados para um processo de cloro- álcali, em outras modalidades, células eletrolíticas multiestado e sistemas configurados para um processo de cloro-álcali podem incluir mais elementos, menos elementos ou elementos diferentes dos ilustrados nas FIGs. 4A a 4D, ou podem incluir quaisquer dos elementos ilustrados nas FIGs. 4A a 4D em combinações diferentes das ilustradas nas FIGs. 4A a 4D. À semelhança, células eletrolíticas multiestado com substâncias químicas semelhantes ou diferentes das usadas em um processo de cloro-álcali podem incluir quaisquer dos elementos ilustrados nas

FIGs. 4A a 4D em combinações iguais ou diferentes das ilustradas nas FIGs. 4A a 4D.

[076] Em algumas modalidades, uma célula eletrolítica multiestado pode incluir uma membrana bipolar que oferece várias vias ionicamente condutoras, permitindo assim que íons de uma solução eletrolítica em água oriundos do centro da célula cruzem uma respectiva membrana das membranas em um dos lados da célula eletrolítica multiestado. Em uma modalidade desse tipo, o processo eletroquímico realizado pela célula multiestado pode envolver a remoção de espécies da solução eletrolítica e o produto de interesse pode ser água purificada. Em termos gerais, uma célula eletrolítica multiestado configurada para um processo de eletrodiálise pode produzir uma matéria-prima modificada ou purificada como o produto de interesse.

[077] Em uma típica usina eletroquímica, um grande número de células eletrolíticas pode ser montado para que atuem juntas na produção de grandes quantidades de um produto de interesse. Por exemplo, a usina eletroquímica pode incluir um grande arranjo de montagens, cada uma delas incluindo várias células eletrolíticas. A FIG. 5 é um diagrama em blocos ilustrando elementos selecionados de uma montagem de células eletrolíticas 500 para um processo de cloro-álcali que inclui três células eletrolíticas multiestado, de acordo com algumas modalidades. Essa montagem pode ser chamada, por vezes, de "bastidor" ou "pilha" de células eletrolíticas multiestado. Cada uma das células eletrolíticas multiestado inclui um respectivo cátodo, representado por 502a a 502c, uma respectiva membrana, representada por 504a a 504c, e um respectivo ânodo, representado por 506a a 506c. Na modalidade ilustrada, as células eletrolíticas multiestado são configuradas para um processo de cloro-álcali, a largura de cada uma das células é da ordem de 1 a 5 centímetros, e há um separador de placas plástico não condutor entre as células na montagem de células eletrolíticas 500. Em outras modalidades, um bastidor de células eletrolíticas multiestado pode incluir um número de células diferente de três.

[078] Na modalidade ilustrada, as células eletrolíticas multiestado são posicionadas lado a lado, com vários recursos de insumo e produtos do processo de cloro-álcali fluindo de uma célula a outra através de uma coletânea de canos. Por exemplo, a montagem de células eletrolíticas 500 inclui um cano de entrada 512 através do qual a salmoura entra na montagem de células eletrolíticas 500, um cano de entrada 542 através do qual hidróxido de sódio 528 entra na montagem de células eletrolíticas 500, canos de salmoura 516a e 516b através dos quais salmoura depletada flui de uma célula a sua célula vizinha e canos de soda cáustica 514a e 514b através dos quais soda cáustica débil flui de uma célula a sua célula vizinha. Localizações adicionais ao longo dos canos de soda cáustica 514a e 514b onde hidróxido de sódio pode ser adicionado para manter as condições de processo de produção são representadas por 544a e 544b, respectivamente. A montagem de células eletrolíticas 500 também inclui um cano de saída 518 para distribuir soda cáustica 520 como um produto das células coletivas da montagem de células eletrolíticas 500 e um cano de saída 522 para distribuir ou reciclar salmoura depletada 524. Conforme ilustrado em 526, cloreto de hidrogênio pode ser introduzido na primeira célula na montagem de células eletrolíticas 500 de acordo com o necessário para manter o pH da primeira célula ou da montagem de células eletrolíticas 500 como um todo dentro de uma faixa predefinida permissível, tal como uma faixa definida para o conjunto predefinido de condições de processo de produção. Localizações adicionais ao longo dos canos de salmoura 516a e 516b onde ácido clorídrico pode ser adicionado para manter o pH das condições de processo de produção são representadas por 540a e 540b, respectivamente. Não são ilustrados na FIG. 5 canos de saída para o cloro e o hidrogênio produzidos pelas células eletrolíticas multiestado da montagem de células eletrolíticas 500, que podem ser semelhantes aos ilustrados nas FIGs. 4A e 4B mas omitidos da FIG. 5 para fins de clareza. Na modalidade ilustrada na FIG. 5, esses canos de saída podem ser situados no lado superior da montagem de células eletrolíticas 500.

[079] Conforme ilustra a FIG. 5, a montagem de células eletrolíticas 500 pode incluir um elemento calefator/arrefecedor 534 para manter a temperatura da montagem de células eletrolíticas 500, ou de partes específicas dela, dentro de uma faixa permissível predefinida. Por exemplo, o elemento calefator/arrefecedor 534 pode, em vários momentos, ser configurados para aquecer ou resfriar os recursos de insumo para a montagem de células eletrolíticas 500, tais como salmoura, para aquecer ou resfriar uma célula individual ou para aquecer ou resfriar um bastidor inteiro. Embora o elemento calefator/arrefecedor 534 seja ilustrado acoplado ao cano de salmoura 516b na FIG. 5, um ou mais elementos calefatores/arrefecedores podem ser situados em outras partes dentro da montagem de células eletrolíticas 500 no lugar do elemento calefator/arrefecedor 534 ou em aditamento ao mesmo. Por exemplo, em algumas modalidades, a montagem de células eletrolíticas 500 pode incluir um respectivo elemento calefator/arrefecedor para cada célula eletrolítica. Em outras modalidades, a montagem de células eletrolíticas 500 pode incluir um elemento calefator/arrefecedor para várias células eletrolíticas ou um único elemento calefator/arrefecedor para todo um bastidor de células eletrolíticas na montagem de células eletrolíticas 500.

[080] No exemplo ilustrado, a montagem de células eletrolíticas 500 inclui um loop de recirculação 536 onde o nitrogênio ou cloro podem ser usados para operações de expurgo, como as descritas neste documento. A montagem de células eletrolíticas 500 também pode incluir um ou mais tanques de armazenamento 538 para suprir nitrogênio ou cloro para operações de expurgo. Em modalidades nas quais o expurgo com nitrogênio é implementado, o nitrogênio pode ser introduzido em ambos os lados da montagem de células eletrolíticas 500 para que toda a montagem de células eletrolíticas 500 seja expurgada simultaneamente, evitando assim gradientes ou outras condições indesejadas. Também são ilustradas na FIG. 5 uma saída de eletricidade 530 e uma saída de eletricidade 532, cada uma das quais liga-se ao sistema de circuitos (não ilustrado) na usina eletroquímica onde a montagem de células eletrolíticas 500 opera. Em algumas modalidades, o sistema de circuitos de alimentação ao qual as saídas de eletricidade 530 e 532 ligam-se pode ser ou incluir um circuito de alimentação controlável variável, tal como o circuito de alimentação controlável variável 218 ilustrado na FIG. 2 ou o circuito de alimentação controlável variável 420 ilustrado na FIG. 4.

[081] Embora não ilustrado expressamente na FIG. 5, as células eletrolíticas multiestado da montagem de células eletrolíticas 500 podem incluir quaisquer dos ou todos os elementos de qualquer uma das células eletrolíticas multiestado descritas neste documento em várias combinações. Em algumas modalidades, mais elementos, menos elementos ou elementos diferentes dos ilustrados na FIG. 5 podem ser incluídos na montagem de células eletrolíticas 500 para manter as respectivas condições de processo de produção. Por exemplo, cada uma das células eletrolíticas multiestado da montagem de células eletrolíticas 500 pode incluir um ou mais subsistemas de monitoramento e controle e elementos corretivos utilizáveis para manter um conjunto predefinido de condições de processo de produção em todos os estados produtivos e no estado ocioso para a célula em questão. Em modalidades nas quais as células eletrolíticas multiestado na montagem de células eletrolíticas 500 possuem substâncias químicas adequadas para processos eletroquímicos diferentes de um processo de cloro-álcali, os conjuntos predefinidos específicos de condições de processo de produção e os elementos de sistema necessários para manter essas condições podem depender das substâncias químicas das células eletrolíticas multiestado na montagem de células eletrolíticas 500.

[082] Em algumas modalidades, um bastidor ou pilha de células eletrolíticas multiestado, tal como as três células eletrolíticas multiestado da montagem de células eletrolíticas 500 ilustradas na FIG. 5, podem ser tratados como uma única "macrocélula" para certas finalidades. A FIG. 6 é um diagrama em blocos ilustrando elementos selecionados de uma montagem de células eletrolíticas 600 que inclui uma macrocélula 614, de acordo com algumas modalidades. Na modalidade ilustrada, a macrocélula 614 inclui três células eletrolíticas multiestado. Mais especificamente, a macrocélula 614 inclui três células eletrolíticas multiestado ilustradas como as células 606, 608 e 610. Em outras modalidades, a macrocélula 614 inclui duas células eletrolíticas multiestado ou mais de três células eletrolíticas multiestado.

[083] Conforme ilustra a FIG. 6, as três células eletrolíticas multiestado 606, 608 e 610 podem ser representadas como respectivos elementos resistivos que podem ser seletivamente configuradas em série ou em paralelo. No exemplo ilustrado, a macrocélula 614 inclui as chaves 604 e 612 para configurar seletivamente as três células eletrolíticas dentro da macrocélula 614 em série ou em paralelo. Quando a chave 604 e a chave 612 fecham-se, as três células eletrolíticas dentro da macrocélula 614 são configuradas como três elementos resistidos em paralelo. Inversamente, quando a chave 604 e a chave 612 abrem-se, as três células eletrolíticas dentro da macrocélula 614 são configuradas como três elementos resistidos em série.

[084] Em algumas modalidades, as chaves 604 e 612 podem ser controladas por sinais digitais, ou coletiva ou individualmente, através de um subsistema de monitoramento e controle em tempo real na macrocélula 614 ou em outras partes na usina eletroquímica onde a macrocélula 614 reside. Em algumas modalidades, ao controlar uma série de chaves na macrocélula 614 e em macrocélulas similares adicionais, diferentes coletâneas de células podem ser alternadas entre as configurações em paralelo e em série. Dessa forma, a resistência através do bastidor pode ser alterada, o que também pode mudar as diferenças de potencial através dos elétrodos em várias das células em cada uma das macrocélulas 614. Em algumas modalidades, essa abordagem pode ser usada para alternar entre estados produtivos ou entre um estado produtivo e um estado ocioso. Outros métodos para mudar as diferenças de potencial através dos elétrodos em várias das células na macrocélula podem ser implementados em outras modalidades.

[085] Em algumas modalidades, uma célula eletrolítica multiestado pode ser configurada para extrair um metal, tal como alumínio, como um produto de interesse usando a eletrólise de um sal fundido. A FIG. 7 é um diagrama em blocos ilustrando elementos selecionados de um sistema de célula eletrolítica multiestado 700 para um processo de produção de alumínio em alta temperatura, de acordo com algumas modalidades.

[086] Na modalidade ilustrada, o sistema de célula eletrolítica multiestado 700 inclui um cátodo 710 e um ânodo 716. Em algumas modalidades, um ou ambos desses elétrodos podem ser feitos de aço. O sistema de célula eletrolítica multiestado 700 inclui um tanque de eletrólito 722 no lado do cátodo contendo um eletrólito fundido 720. Nesse exemplo, o eletrólito fundido 720 pode ser ou incluir um óxido de alumínio em criolita, ou Na3AlF6. O sistema de célula eletrolítica multiestado 700 também inclui um tanque de eletrólito 732 no lado do ânodo contendo um eletrólito 730. Em algumas modalidades, o eletrólito 730 pode ser ou incluir iodeto de sódio, cloreto de sódio, ou outro composto de haleto de sódio.

[087] Conforme ilustra a FIG. 7, o sistema de célula eletrolítica multiestado 700 pode incluir uma ponte salina 714 que atua como uma via iônica entre os eletrólitos 720 e 730 nos tanques 722 e 732, respectivamente. O sistema de célula eletrolítica multiestado 700 também pode incluir um circuito de alimentação controlável variável 740 configurado para aplicar um potencial específico através dos elétrodos a fim de comutar entre estados produtivos ou entre um estado produtivo e um estado ocioso. Quando o sistema de célula eletrolítica multiestado 700 opera em um estado produtivo associado a uma primeira diferença de potencial diferente de zero através dos elétrodos, ele opera sob um conjunto predefinido de condições de processo de produção. Por exemplo, os circuitos calefatores 724 e 734 podem ser ativados ou desativados, de acordo com o necessário, por sinais de controle 726 e 736, respectivamente, para manter a temperatura do sistema de célula eletrolítica multiestado 700 dentro de uma faixa de temperatura definida como parte do conjunto predefinido de condições do processo de produção enquanto a célula opera no estado produtivo. Um ou ambos os circuitos calefatores 724 e 734 podem ser ou incluir elementos calefatores/arrefecedores combinados, em várias modalidades. Outros elementos corretivos para manter o conjunto predefinido de condições de processo de produção podem se fazer presentes no sistema de célula eletrolítica multiestado 700 (não ilustrado) e podem ser ativados, desativados ou ajustados, de acordo com o necessário, enquanto a célula opera no estado produtivo. Quando operando em um estado produtivo, a célula produz alumínio fundido 725, que acumula-se no fundo do tanque 722, e água 718 como produtos de interesse que deixam o sistema de célula eletrolítica multiestado 700.

[088] No exemplo ilustrado, o sistema de células eletrolíticos multiestado 700 inclui uma porta de saída 735 através da qual o alumínio fundido 725 pode ser removido como um produto de interesse para distribuição comercial. O processo eletroquímico com sal fundido que produz alumínio fundido 725 também produz escória 712 próximo ao topo do tanque 722. Quando o sistema de célula eletrolítica multiestado 700 opera em um estado ocioso associado a uma segunda diferença de potencial diferente de zero mais baixa, nenhum produto é produzido, embora o conjunto predefinido de condições de processo de produção mantenha-se. Por exemplo, os circuitos calefatores 724 e 734 podem ser ativados ou desativados, de acordo com o necessário, por sinais de controle 726 e 736, respectivamente, para manter a temperatura do sistema de célula eletrolítica multiestado 700 dentro de uma faixa de temperatura definida como parte do conjunto predefinido de condições do processo de produção enquanto a célula opera no estado ocioso. Outros elementos corretivos para manter o conjunto predefinido de condições de processo de produção podem se fazer presentes no sistema de célula eletrolítica multiestado 700 (não ilustrado) e podem ser ativados, desativados ou ajustados, de acordo com o necessário, enquanto a célula opera no estado ocioso.

[089] Em várias modalidades, quaisquer das ou todas as células eletrolíticas multiestado descritas neste documento podem incluir um ou mais subsistemas de monitoramento e controle em tempo real para manter um conjunto predefinido de condições de processo de produção. A FIG. 8 é um diagrama em blocos ilustrando elementos selecionados de um sistema de célula eletrolítica multiestado 800 que inclui vários subsistemas de monitoramento e controle em tempo real para manter um conjunto predefinido de parâmetros de processo de produção quando as células eletrolíticas multiestado desses sistemas operarem em um estado produtivo associado a uma primeira diferença de potencial diferente de zero através dos elétrodos, ou uma primeira faixa de diferenças de potencial diferentes de zero, e quando elas operarem em um estado ocioso associado a uma segunda diferença de potencial diferente de zero através dos elétrodos, ou uma segunda faixa de diferença de potencial diferente de zero, no qual nenhum produto de interesse é produzido.

[090] Na modalidade ilustrada, o sistema de célula eletrolítica multiestado 800 inclui um ânodo 820 e um cátodo 840. O sistema de célula eletrolítica multiestado 800 também inclui um tanque de eletrólito 838 no lado do ânodo contendo um eletrólito 834 e um tanque de eletrólito 858 no lado do cátodo contendo um eletrólito 836. Em algumas modalidades, o tanque de eletrólito 838 e o tanque de eletrólito 858 podem representar porções de um mesmo tanque no lado do ânodo e no lado do cátodo de uma via iônica, respectivamente. Conforme ilustra a FIG. 8, o sistema de célula eletrolítica multiestado 800 pode incluir uma ou mais vias iônicas 814, 816 ou 818 entre os eletrólitos 834 e 836. Por exemplo, cada uma das vias iônicas 814, 816 ou 818 pode ser ou incluir uma membrana, uma ponte salina, um tubo vítreo ou outro tipo de via ionicamente condutora, em qualquer combinação.

[091] Na modalidade ilustrada, o sistema de célula eletrolítica multiestado 800 inclui portais de saída 802 e 808 para distribuir produtos do processo eletroquímico praticado pelo sistema de célula eletrolítica multiestado 800. O sistema de célula eletrolítica multiestado 800 também inclui portais de saída 826 e 832 para reciclar recursos usados ou produzidos pelo processo eletroquímico, e portais de entrada 824 e 848 para a reintrodução de recursos reciclados no sistema. Também são ilustrados na FIG. 8 gases de topo 830a e 830b sobre os eletrólitos 834 e 836, respectivamente. Em algumas modalidades, o gás de topo 830a pode ser produzido como resultado de uma porção de oxidação de um processo eletroquímico, e o gás de topo 830b pode ser produzido como resultado de uma porção de redução correspondente do processo eletroquímico.

[092] Conforme ilustra a FIG. 8, o sistema de célula eletrolítica multiestado 800 pode incluir um circuito de alimentação controlável variável 850, incluindo uma fonte de alimentação de CC variável 852, um retificador de polarização 854 e um controlador do circuito de alimentação 856, para aplicar seletivamente uma diferença de potencial adequada através dos elétrodos quando a célula estiver em um estado produtivo específico ou no estado ocioso. Por exemplo, uma diferença de potencial diferente de zero associada a um estado produtivo pode ser aplicada através dos elétrodos pelo circuito de alimentação controlável variável 850 para iniciar a produção de um produto de interesse sob um conjunto predefinido de condições de processo de produção. Em outro exemplo, uma diferença de potencial diferente de zero associada a um estado ocioso pode ser aplicada através dos elétrodos pelo circuito de alimentação controlável variável 850 para restringir a produção do produto de interesse enquanto mantém-se o conjunto predefinido de condições de processo de produção. Em algumas modalidades, a fonte de alimentação de CC variável 852 e o retificador de polarização 854 podem ser controlados pelo controlador do circuito de alimentação 856 para que apliquem uma diferença de potencial adequada através dos elétrodos a fim de dar início à operação do sistema de célula eletrolítica multiestado 800 em um estado produtivo específico ou no estado ocioso. Em algumas modalidades, o circuito de alimentação controlável variável 850 pode ser capaz de reagir dinamicamente a mudanças na disponibilidade ou preço da eletricidade alimentada por uma rede elétrica, tal como a rede elétrica 130 ilustrada na FIG. 1, ou da eletricidade alimentada direta ou indiretamente por uma fonte de alimentação não agendável, tal como a fonte de alimentação não agendável 120 ilustrada na FIG. 1. Por exemplo, o controlador do circuito de alimentação 856 do circuito de alimentação controlável variável 850 pode ser capaz de fazer com que a energia excedente sangre ou retorne à rede elétrica, enquanto aplica uma diferença de potencial através dos elétrodos que seja adequada à produção do produto ou produtos de interesse. Inversamente, o controlador do circuito de alimentação 856 do circuito de alimentação controlável variável 850 pode ser configurado para impedir que a diferença de potencial através dos elétrodos caia a zero quando a eletricidade alimentada pela rede elétrica ou por uma fonte de alimentação não agendável cair abaixo da tensão elétrica de ativação para a célula eletrolítica multiestado 858 usando, por exemplo, um retificador de polarização 854.

[093] Na modalidade exemplificativa ilustrada na FIG. 8, os portais de saída 802 e 808 incluem respectivos subsistemas de monitoramento e controle 806 e 810 para manter um conjunto predefinido de condições de processo de produção, tal como para manter uma contrapressão do gás de topo apropriada ou para equilibrar o pH. Em algumas modalidades, os subsistemas de monitoramento e controle 806 e 810 podem incluir sensores ou outros dispositivos de medição dentro dos portais de saída onde residem que forneçam dados indicativos das condições atuais dentro do sistema de célula eletrolítica multiestado 800. Em outras modalidades, os subsistemas de monitoramento e controle 806 e 810 podem receber informações de vários sensores ou de outros dispositivos de medição em outra parte no sistema de célula eletrolítica multiestado 800 indicando as condições atuais dentro do sistema.

[094] Se as condições no sistema de célula eletrolítica multiestado 800 não condisserem com o conjunto predefinido de condições de processo de produção, elementos de sistema adicionais podem ser ativados pelos subsistemas de monitoramento e controle 806 e 810 para colocar ou retornar o sistema ao conjunto predefinido de condições de processo de produção. Por exemplo, os portais de saída 802 e 808 podem incluir respectivas bombas de contrapressão 804 e 810 que sejam ativadas pelo respectivo subsistema de monitoramento e controle 806 ou 810 se a pressão do gás de topo no lado do ânodo ou no lado do cátodo da célula eletrolítica multiestado cair abaixo de um limite de pressão do gás de topo predefinido para retorná-la a um valor condizente com o conjunto predefinido de condições de processo de produção, tal como a faixa permissível definida para valores de pressão do gás de topo.

[095] Conforme ilustra a FIG. 8, o sistema de célula eletrolítica multiestado 800 pode incluir um subsistema de monitoramento e controle 828 em uma linha de recirculação no lado do ânodo do sistema, tal como a linha de recirculação 822, para manter um conjunto predefinido de condições de processo de produção através da concentração da espécie ativa, de expurgo ou de outros métodos. Se, com base no monitoramento do recurso reciclado na linha de recirculação 822, ficar determinado que a concentração da espécie ativa ou outra característica do recurso reciclado não condizem com o conjunto predefinido de condições de processo de produção, o subsistema de monitoramento e controle 828 pode iniciar uma medida corretiva, tal como a introdução de um aditivo, a diluição de uma solução eletrolítica ou o expurgo de um elemento indesejado, para retornar o sistema de célula eletrolítica multiestado 800 ao conjunto predefinido de condições de processo de produção. Por exemplo, o subsistema de monitoramento e controle 828 pode emitir um sinal de controle para ativar um elemento de expurgo, tal como 460 ilustrado na FIG. 4B, para iniciar a adição de ácido, tal como o ácido 404 ilustrado nas FIGs. 4A e 4B, para modificar a quantidade de insumo de uma espécie ativa ou para introduzir mais ou menos de um recurso reciclado no sistema.

[096] Em algumas modalidades, o sistema de célula eletrolítica multiestado 800 pode incluir um subsistema de monitoramento e controle 844 em uma linha de recirculação no lado do cátodo do sistema para controlar ou manter condições de processo de produção tais como temperatura, concentração da espécie ativa, força iônica ou pH. Por exemplo, o subsistema de monitoramento e controle 844 pode receber dados de medição de um ou mais sensores de temperatura, sensores de pH ou outros dispositivos de entrada/saída indicativos das condições no sistema de célula eletrolítica multiestado 800. Além de executar quaisquer das ou todas as funções de monitoramento e controle descritas em alusão ao subsistema de monitoramento e controle 828, o subsistema de monitoramento e controle 844 pode ativar um ou mais elementos calefatores/arrefecedores 846 para retornar a temperatura de um recurso de insumo, de uma porção do sistema de célula eletrolítica multiestado 800 ou do sistema de célula eletrolítica multiestado 800 como um todo a um valor dentro da faixa permissível especificada para as condições de processo de produção.

[097] Embora subsistemas de monitoramento e controle específicos e elementos corretivos sejam ilustrados em localizações específicas dentro do sistema de célula eletrolítica multiestado na FIG. 8, em outras modalidades, mais, menos ou diferentes subsistemas de monitoramento e controle e elementos corretivos podem ocorrer em diferentes combinações e podem residir em outras localizações dentro do sistema de célula eletrolítica multiestado. Em algumas modalidades, um subsistema de monitoramento e controle único e centralizado pode receber entradas de vários sensores ou dispositivos de medição distribuídos e emitir sinais de controle a vários elementos corretivos para retornar a célula ao conjunto predefinido de condições de processo de produção.

[098] Elementos de monitoramento e controle em tempo real similares aos ilustrados na FIG. 8 e descritos acima podem ser implementados em outros sistemas de células eletrolíticas multiestado incluindo, entre outros, os ilustrados nas FIGs. 2, 4A, 4B, 7 e 9, para manter um conjunto predefinido de parâmetros de processo de produção quando as células eletrolíticas multiestado nesses sistemas operarem em um estado produtivo associado a uma primeira diferença de potencial diferente de zero através dos elétrodos e quando operarem em um estado ocioso associado a uma segunda diferença de potencial diferente de zero através dos elétrodos no qual nenhum produto de interesse é produzido.

[099] Outro tipo de processo eletroquímico que pode ser implementado usando as células eletrolíticas multiestado descritas neste documento são processos de eletrogalvanização, tais como um processo de galvanização em prata. Em algumas modalidades, um processo de eletrogalvanização também pode beneficiar- se da possibilidade de manter um conjunto predefinido de condições de processo de produção enquanto alterna-se entre os estados produtivos ou enquanto alterna-se entre um estado produtivo e um estado ocioso, conforme descrito neste documento. Processos de eletrogalvanização podem ser descritos usando uma curva de produção um pouco diferente da curva de produção ilustrada na FIG. 3 e descrita acima. Uma curva de produção exemplificativa para um processo de eletrogalvanização é ilustrada na FIG. 10 e descrita abaixo.

[0100] A FIG. 9 é um diagrama em blocos ilustrando elementos selecionados de um sistema de célula eletrolítica multiestado 900 para o processo de eletrogalvanização, de acordo com algumas modalidades. Mais especificamente, o sistema de célula eletrolítica multiestado 900 é configurado para eletrogalvanizar prata sobre múltiplos alvos 914. Na modalidade ilustrada, o sistema de célula eletrolítica multiestado 900 inclui um ânodo 910 e um cátodo 912, que ligam-se a um circuito de sangria 936. O sistema de célula eletrolítica multiestado 900 também inclui um único tanque 924 contendo uma solução de cianeto de prata 918.

[0101] Conforme ilustra a FIG. 9, o sistema de célula eletrolítica multiestado 900 pode incluir um retificador de polarização 926, uma fonte de alimentação de CC controlável variável 928 e uma chave 934 para ligar seletivamente a fonte de alimentação de CC controlável variável aos elétrodos a fim de aplicar uma diferença de potencial específica através do ânodo e cátodo, conforme descrito neste documento. A diferença de potencial aplicada através dos elétrodos pode corresponder a um estado produtivo, no qual a eletrogalvanização acontece, ou a um estado ocioso, no qual a eletrogalvanização não acontece. Em algumas modalidades, pode haver mais de um estado produtivo no qual a eletrogalvanização é possível com qualidade razoável. Quando o sistema de célula eletrolítica multiestado 900 opera em um estado produtivo e os alvos 914 são descidos na solução de cianeto de prata 918, os alvos a ser galvanizados atuam como um terceiro elétrodo no sistema de célula eletrolítica multiestado 900 e a reação de eletrogalvanização tem início.

[0102] Na modalidade ilustrada, o sistema de célula eletrolítica multiestado 900 inclui uma porta de saída 920 para distribuir produtos do processo de eletrogalvanização, tais como nitrogênio. A porta de saída 920 pode incluir um subsistema de monitoramento e controle em tempo real 922 para manter um conjunto predefinido de condições de processo de produção, tais como a pressão sobre os gases de topo produzidos pelo processo, que, nesse caso, são ilustrados como nitrogênio 916, a concentração da espécie ativa, a temperatura ou outras condições.

[0103] Também é ilustrado na FIG. 9 um mecanismo de recirculação 930 para reciclar recursos no sistema de célula eletrolítica multiestado 900. Em algumas modalidades, o sistema de célula eletrolítica multiestado 900 pode incluir um subsistema de monitoramento e controle em tempo real 932 para controlar ou manter um conjunto predefinido de condições de processo de produção, tais como pressão, concentração da espécie ativa, temperatura ou outras condições.

[0104] Em algumas modalidades, a capacidade de passar de um estado produtivo para um estado ocioso ao controlar a diferença de potencial através dos elétrodos do sistema de célula eletrolítica multiestado 900 permite que os alvos 914 da operação de eletrogalvanização sejam limpos ou passivados antes das ou entre as operações para depositar várias camadas de prata sobre os alvos 914 enquanto opera-se em um estado ocioso. Por exemplo, antes de depositar uma primeira camada, a diferença de potencial associada ao estado ocioso pode ser aplicada através dos elétrodos. Enquanto a célula opera no estado ocioso, os alvos podem ser limpos. Subsequentemente, uma diferença de potencial associada a um estado produtivo pode ser aplicada através dos elétrodos. Nesse estado, uma primeira camada pode ser depositada sobre os alvos 914. Depois de depositar a primeira camada, a diferença de potencial associada ao estado ocioso pode ser novamente aplicada através dos elétrodos. Enquanto a célula opera no estado ocioso, os alvos podem ser limpos ou passivados antes que uma diferença de potencial associada ao estado produtivo seja novamente aplicada através do elétrodo a fim de depositar uma segunda camada, e assim por diante.

[0105] A FIG. 10 ilustra uma curva de produção 1000 para um processo de eletrogalvanização usando uma célula eletrolítica multiestado, de acordo com algumas modalidades. Mais especificamente, a curva de produção 1000 mapeia a corrente (i) que flui na célula eletrolítica multiestado para a diferença de potencial correspondente (V) entre o ânodo e o cátodo da célula eletrolítica multiestado. Pontos específicos ao longo da curva de produção representam respectivos estados da célula eletrolítica multiestado. Na FIG. 10, um valor de corrente indicado por 1012 no eixo y representa uma corrente negativa quando a diferença de potencial entre os elétrodos é igual a zero. Um valor de tensão elétrica indicado por 1016 representa o potencial de meia-célula, ou E½, correspondente a uma tensão elétrica de ativação à qual a galvanização ocorre mas é de baixa qualidade. O ponto 1018 na curva de produção 1000 representa um ponto de produção alvo para uma galvanização de boa qualidade.

[0106] Na FIG. 10, o ponto 1014 na curva de produção 1000 representa um estado ocioso no qual nenhum produto de interesse é produzido e nenhuma galvanização ocorre, embora as condições de processo sob as quais a célula eletrolítica multiestado opera no estado ocioso sejam as mesmas que as condições de processo de produção predefinidas sob as quais a célula eletrolítica multiestado opera nos estados produtivos. Também são ilustradas na FIG. 10 uma região de deposição subpotencial 1015 e uma região de corrente inversa, representada por

1010.

[0107] A FIG. 11 é um fluxograma ilustrando elementos selecionados de um método 1100 para controlar um processo eletroquímico que usa uma célula eletrolítica multiestado, de acordo com algumas modalidades.

[0108] Em 1102, o método 1100 inclui configurar uma célula eletrolítica multiestado para que opere sob um conjunto predefinido de condições de processo de produção associado a um estado produtivo no qual a célula eletrolítica multiestado produz o produto de interesse. Por exemplo, insumos de processo de produção, inclusive, entre outros, uma solução eletrolítica com uma concentração de uma espécie ativa adequada à produção ou vários aditivos necessários para obter um pH adequado à produção, podem ser introduzidos na célula eletrolítica multiestado. Além disso, um ou mais componentes, tais como um elemento calefator, um elemento arrefecedor, uma bomba de contrapressão ou uma chave, podem ser ativados para fazer com que a célula eletrolítica multiestado chegue ao conjunto predefinido de condições de processo de produção.

[0109] Em 1104, o método inclui configurar um circuito de alimentação controlável variável para que aplique uma primeira diferença de potencial diferente de zero através do ânodo e cátodo da célula eletrolítica multiestado, a primeira diferença de potencial diferente de zero sendo associada ao estado produtivo. Em um exemplo, um operador pode controlar a seleção de uma fonte de alimentação elétrica ou a mudança da diferença de potencial através dos elétrodos. Em outro exemplo, a seleção de uma fonte de alimentação elétrica ou a mudança da diferença de potencial através dos elétrodos podem ser controladas automaticamente com base na disponibilidade de eletricidade de várias fontes, algumas das quais podem ser fontes de energia não agendáveis, e nas condições atuais no sistema de célula eletrolítica multiestado.

[0110] Em 1106, o método 1100 inclui começar a produção do produto de interesse sob o conjunto predefinido de condições de processo de produção.

[0111] Em 1108, o método inclui, subsequentemente a começar a produção do produto de interesse, configurar o circuito de alimentação controlável variável para que aplique uma segunda diferença de potencial diferente de zero através do ânodo e cátodo da célula eletrolítica multiestado, a segunda diferença de potencial diferente de zero sendo associada a um estado ocioso no qual o conjunto predefinido de condições de processo de produção é mantido na célula eletrolítica multiestado mas o produto de interesse não é produzido. Em algumas modalidades nas quais a célula de eletrólitos multiestado produz mais de um produto de interesse quando opera em um estado produtivo, nenhum dos produtos de interesse é produzido enquanto no estado ocioso.

[0112] Em 1110, subsequentemente à célula eletrolítica multiestado assumir o estado ocioso, o método 1100 inclui configurar o circuito de alimentação controlável variável para que aplique a primeira diferença de potencial diferente de zero através do ânodo e cátodo para retomar a produção do produto ou produtos de interesse. Em algumas modalidades, as operações ilustradas em 1108 e 1110 podem ser repetidas de maneira alternada por qualquer número de vezes para responder a mudanças na disponibilidade ou preço da eletricidade, ou por outros motivos.

[0113] A FIG. 12 é um fluxograma ilustrando elementos selecionados de um método 1200 para manter um conjunto de condições de processo de produção em uma célula eletrolítica multiestado, de acordo com algumas modalidades. Em várias modalidades, cada uma das operações ilustradas na FIG. 12 pode ser realizada por um respectivo subsistema de monitoramento e controle da célula eletrolítica multiestado. Em algumas modalidades, várias operações ilustradas na FIG. 12 podem ser realizadas por um único subsistema de monitoramento e controle, ou todas as operações ilustradas na FIG. 12 podem ser realizada por um único subsistema de monitoramento e controle central.

[0114] Em 1202, o método 1200 inclui configurar uma célula eletrolítica multiestado para que opere sob um conjunto predefinido de condições de processo de produção, conforme descrito acima em alusão à FIG. 11. Em 1204, o método inclui começar a monitorar as condições sob as quais a célula eletrolítica multiestado está operando.

[0115] Se, em 1206, ficar determinado que a célula eletrolítica multiestado não mais opera sob o conjunto predefinido de condições de processo de produção, o método 1200 avança para 1208. Caso contrário, o método 1200 pode voltar para 1206 até ou a não ser que a célula eletrolítica multiestado deixe de operar sob o conjunto predefinido de condições de processo de produção.

[0116] Se, em 1208, ficar determinado que a célula eletrolítica multiestado está operando fora de uma faixa de temperatura permissível predefinida, tal como uma faixa de temperatura definida como parte do conjunto predefinido de condições de processo de produção, o método avança para 1210. Caso contrário, o método continua em 1212.

[0117] Em 1210, o método 1200 inclui ativar um elemento calefator ou arrefecedor para retornar a temperatura da célula eletrolítica multiestado, ou de um componente da mesma, à faixa de temperatura permissível predefinida. Por exemplo, o sistema pode incluir um respectivo elemento calefator ou arrefecedor por célula ou por bastidor para aquecer ou resfriar a célula, insumos à célula ou elementos do sistema próximos à célula, em diferentes modalidades.

[0118] Se, em 1212, ficar determinado que a célula eletrolítica multiestado está operando com uma pressão do gás de topo fora de uma faixa de pressão do gás de topo permissível predefinida, tal como uma faixa de pressão do gás de topo definida como parte do conjunto predefinido de condições de processo de produção, o método avança para 1214. Caso contrário, o método continua em 1216.

[0119] Em 1214, o método 1200 inclui aplicar ou reduzir a aplicação de contrapressão em uma parte da célula eletrolítica multiestado para retornar a pressão do gás de topo à faixa de pressão do gás de topo permissível predefinida para essa parte da célula. Por exemplo, o método pode incluir ativar uma bomba de contrapressão, ou girar uma válvula para aumentar ou diminuir a pressão do gás de topo na parte afetada da célula.

[0120] Se, em 1216, ficar determinado que a célula eletrolítica multiestado está operando com um pH fora de uma faixa de pH permissível predefinida, tal como uma faixa de pH definida como parte do conjunto predefinido de condições de processo de produção, o método avança para 1218. Caso contrário, o método continua em 1220.

[0121] Em 1218, o método 1200 inclui introduzir um ácido ou base na célula eletrolítica multiestado para retornar o pH à faixa de pH permissível predefinida.

[0122] Se, em 1220, ficar determinado que a célula eletrolítica multiestado está operando com uma quantidade ou porcentagem de uma espécie ativa em um eletrólito fora de uma faixa permissível predefinida, tal como uma faixa definida como parte do conjunto predefinido de condições de processo de produção, o método avança para 1222. Caso contrário, o método continua em 1224.

[0123] Em 1222, o método 1200 inclui começar uma adição ou redução na quantidade ou porcentagem da espécie ativa no eletrólito para retornar à faixa permissível predefinida. Por exemplo, recursos de processo frescos ou reciclados ou outros aditivos podem ser introduzidos no eletrólito por uma tubulação ou portal de entrada, ou água ou outra substância podem ser adicionadas ao eletrólito para diluir a concentração da espécie ativa.

[0124] Se, em 1224, ficar determinado que a célula eletrolítica multiestado foi reconfigurada para operar sob um conjunto predefinido de condições de processo de produção diferente, o método 1200 pode incluir voltar para 1206 e repetir uma ou mais das operações representadas de 1208 a 1224, conforme apropriado. Caso contrário, o método 1200 pode voltar para 1204 e repetir uma ou mais das operações representadas de 1206 a 1224, conforme apropriado. Note-se que o conjunto predefinido de condições de processo de produção pode especificar valores ou faixas de valores aceitáveis para condições que não as ilustradas na FIG. 12 ou discutidas neste documento. Essas condições adicionais também podem ser monitoradas e podem disparar medidas corretivas quando percebidas fora das condições de processo de produção predefinidas.

[0125] A FIG. 13 é um diagrama em blocos ilustrando elementos selecionados de um subsistema de monitoramento e controle 1300 para um sistema de célula eletrolítica multiestado, de acordo com algumas modalidades. Por exemplo, o subsistema de monitoramento e controle 1300 pode representar qualquer um dos vários subsistemas de monitoramento e controle descritos neste documento, incluindo os subsistemas de monitoramento e controle 806, 810, 828 ou 844 ilustrados na FIG. 8, os subsistemas de monitoramento e controle 922 ou 932 ilustrados na FIG. 9, ou um subsistema de monitoramento e controle associado a um circuito de alimentação controlável variável, tal como o controlador do circuito de alimentação 856 ilustrado na FIG. 8. Em algumas modalidades, o subsistema de monitoramento e controle 1300 pode ser um subsistema de monitoramento e controle em tempo real que responde em tempo real a mudanças nas condições em um sistema de célula eletrolítica multiestado, ou em qualquer uma das células eletrolíticas multiestado do mesmo, e toma medidas corretivas para retornar o sistema a um conjunto predefinido de condições de processo de produção. Em algumas modalidades, o subsistema de monitoramento e controle 1300 pode ser configurado para controlar a seleção de uma de várias fontes de eletricidade disponíveis ou para controlar a diferença de potencial aplicada através dos elétrodos de uma célula eletrolítica multiestado para dar início à operação da célula em um estado produtivo específico no qual um ou mais produtos são produzidos ou em um estado ocioso no qual nenhum produto é produzido.

[0126] Conforme ilustra a FIG. 13, o subsistema de monitoramento e controle 1300 pode incluir um ou mais processadores 1310 e uma memória 1320, que inclui dados 1322 e instruções 1324 executáveis pelos processadores 1310. O subsistema de monitoramento e controle 1300 também pode incluir uma ou mais interfaces de entrada/saída 1330, através das quais o subsistema de monitoramento e controle 1300 comunica-se para trocar dados, comandos ou sinais de controle com vários dispositivos de entrada/saída 350 a fim de executar os métodos descritos neste documento. Os dispositivos de entrada/saída podem incluir, por exemplo, qualquer um de uma variedade de sensores, teclados ou outros dispositivos de entrada do usuário, tela, dispositivos de toque, chaves, atuadores, elementos calefatores ou arrefecedores, bombas de contrapressão ou quaisquer componentes mecânicos ou elétricos do sistema que propiciem entradas podem ser controlados pelo subsistema de monitoramento e controle 1300 para controlar um processo de produção eletroquímica em uma célula eletrolítica multiestado. O subsistema de monitoramento e controle 1300 também pode incluir uma ou mais interfaces de rede 1340, através das quais o subsistema de monitoramento e controle 1300 comunica- se para trocar dados, comandos ou sinais de controle com vários dispositivos remotos 1365 em uma rede 1360 a fim de executar os métodos descritos neste documento. Por exemplo, em algumas modalidades, entradas ou comandos podem ser recebidos no subsistema de monitoramento e controle 1300 advindos de um sistema remoto, tal como um sistema de controle central para uma usina eletroquímica situado fora da própria usina. Os processadores 1310, memória 1320, interfaces de entrada/saída 1330 e interfaces de rede 1340 podem ser ligados uns aos outros através de uma interconexão 1302.

[0127] Em várias modalidades, entradas podem ser alimentadas ao subsistema de monitoramento e controle 1300 por um operador, um administrador ou outro usuário usando um teclado e um mouse ou usando um dispositivo de toque (não ilustrado). Em algumas modalidades, ao menos algumas das operações do subsistema de monitoramento e controle 1300 podem ser totalmente automatizadas. Em algumas modalidades, ao menos algumas das operações do subsistema de monitoramento e controle 1300 podem ser automatizadas, com opções para que um operador ou administrador substitua os recursos automatizados se necessário, tal como por motivos de segurança ou em resposta a condições inesperadas no sistema de célula eletrolítica multiestado.

[0128] As interfaces de entrada/saída 1330 podem representar, por exemplo, uma variedade de interfaces de comunicação, interfaces gráficas, interfaces de vídeo, interfaces de entrada do usuário e/ou interfaces periféricas. Em algumas modalidades, um operador ou administrador pode definir as condições de processo de produção que serão mantidas tanto nos estados produtivos quanto no estado ocioso através de uma interface do usuário, ou um operador ou administrador pode selecionar a diferença de potencial que será aplicada através dos elétrodos da célula eletrolítica multiestado para colocar a célula eletrolítica multiestado em um estado produtivo específico ou no estado ocioso. Em algumas modalidades, o subsistema de monitoramento e controle 1300 pode ser configurado para receber automaticamente, através das interfaces de entrada/saída 1330, dados de vários sensores indicando as condições atuais da célula eletrolítica multiestado, para detectar uma mudança nas condições atuais ou uma mudança na disponibilidade de eletricidade recebida e para determinar quando e se mudar a diferença de potencial através dos elétrodos ou ativar um elemento corretivo para retornar a célula a um conjunto predefinido de condições de processo de produção. Por exemplo, em resposta a determinar que a diferença de potencial através dos elétrodos deve ser alterada para colocar a célula em um estado diferente ou que um elemento corretivo deve ser ativado para retornar a célula ao conjunto predefinido de condições de processo de produção, o subsistema de monitoramento e controle 1300 pode ser configurado para transmitir um sinal de controle a uma bomba de contrapressão, um atuador, uma chave, um elemento calefator ou arrefecedor, ou quaisquer outros componentes mecânicos ou elétricos do sistema para efetuar a mudança determinada.

[0129] A interconexão 1302 pode representar uma variedade de tipos adequados de estruturas de barramento, por exemplo, um barramento de memória,

um barramento periférico ou um barramento local usando várias arquiteturas de barramento em modalidades selecionadas. Por exemplo, essas arquiteturas podem incluir, entre outras, um barramento de Micro Channel Architecture (MCA), um barramento Industry Standard Architecture (ISA), um barramento Enhanced ISA (EISA), um barramento Peripheral Component Interconnect (PCI), um barramento PCI-Express, um barramento HyperTransport (HT) e um barramento local Video Electronics Standards Association (VESA).

[0130] Na FIG. 13, uma interface de rede 1340 pode ser um sistema, aparelho ou dispositivo adequado operável para atuar como uma interface entre o subsistema de monitoramento e controle 1300 e uma rede 1360. A interface de rede 1340 pode permitir que o subsistema de monitoramento e controle 1300 se comunique através da rede usando um protocolo e/ou padrão de transmissão adequado, incluindo, entre outros, protocolos e/ou padrões de transmissão, em diferentes modalidades. Em algumas modalidades, a interface de rede 1340 pode ligar-se comunicativamente através da rede 1360 a vários dispositivos remotos

1365. A rede 1360 pode ser implementada como, ou parte de, uma rede de área de armazenamento (SAN), uma rede de área pessoal (PAN), uma rede de área local (LAN), uma rede de área metropolitana (MAN), uma rede de longa distância (WAN), uma rede de área local sem fio (WLAN), uma rede privada virtual (VPN), uma intranet, a Internet ou outra arquitetura ou sistema apropriado que facilite a comunicação de sinais, dados e/ou mensagens (chamados genericamente de dados). A rede 1360 pode transmitir dados usando um protocolo de armazenamento e/ou comunicação desejado, incluindo, entre outros, Fibre Channel, Frame Relay, Asynchronous Transfer Mode (ATM), protocolo Internet (IP), outro protocolo baseado em pacotes, uma pequena interface de sistema de computador (SCSI), SCSI de Internet (iSCSI), SCSI Ligada Serial (SAS) ou outro transporte que opere com o protocolo SCSI, ligação de tecnologia avançada (ATA), ATA serial (SATA), interface de pacotes de ligação de tecnologia avançada (ATAPI), arquitetura de armazenamento serial (SSA), eletrônica de acionamento integrado (IDE), e/ou qualquer combinação desses. A rede 1360 e/ou vários componentes associados a ela podem ser implementados usando hardware, software ou qualquer combinação desses.

[0131] Conforme ilustra a FIG. 13, um processador 1310 pode compreender um sistema, dispositivo ou aparelho operável para interpretar e/ou executar instruções de programa e/ou dados de processo, e pode incluir um microprocessador, microcontrolador, processador de sinais digitais (DSP), circuito integrado de aplicação específica (ASIC), ou outro sistema de circuitos digitais ou analógicos configurado para interpretar e/ou executar instruções de programa e/ou dados de processo. Em algumas modalidades, o processador 1310 pode interpretar e/ou executar instruções de programa e/ou dados de processo armazenados localmente (por exemplo, na memória 1320). Em algumas modalidades, o processador 1310 pode interpretar e/ou executar instruções de programa e/ou dados de processo armazenados remotamente (por exemplo, em um recurso de armazenamento em rede na rede 1360, não ilustrado).

[0132] A memória 1320 pode compreender um sistema, dispositivo ou aparelho operável para reter e/ou recuperar instruções e/ou dados de programa por um período de tempo (por exemplo, mídia legível por computador). A memória 1320 pode compreender memória de acesso aleatório (RAM), memória somente para leitura programável eletricamente apagável (EEPROM), uma placa PCMCIA, memória flash, armazenamento magnético, armazenamento optomagnético, um disco rígido, um disquete, um CD-ROM ou outro tipo de mídia de armazenamento giratória ou mídia de armazenamento em estado sólido, ou uma seleção ou arranjo adequado de memória volátil ou não volátil que retenha os dados mesmo após a energia para o sistema de monitoramento e controle 1300 desligar.

[0133] Em várias modalidades, qualquer exemplo específico de subsistema de monitoramento e controle 1300 pode incluir mais componentes, menos componentes ou componentes diferentes dos ilustrados na FIG. 13, como for apropriado para o contexto no qual o exemplo de subsistema de monitoramento e controle 1300 operar.

[0134] A matéria inventiva acima deve ser considerada ilustrativa, não restritiva, e as reivindicações apensas visam a cobrir todas as modificações, melhorias e outras modalidades que enquadrem-se no verdadeiro âmbito e essência da presente invenção. Sendo assim, na extensão máxima permitida pela lei, o âmbito da presente invenção será determinado pela interpretação mais amplamente permissível das reivindicações a seguir e de seus equivalentes, e não deve ser restringido ou limitado pela descrição detalhada precedente.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema CARACTERIZADO por compreender: um circuito de alimentação controlável variável; uma célula eletrolítica ligada ao circuito de alimentação controlável variável e compreendendo um ânodo e um cátodo, a célula eletrolítica sendo configurada para operar em diferentes estados de vários estados operacionais em diferentes momentos dependendo de uma diferença de potencial entre o ânodo e o cátodo; um controlador de circuito de alimentação que faz com que o circuito de alimentação controlável variável aplique dada diferença de potencial através do ânodo e cátodo para iniciar a operação da célula eletrolítica em um estado específico dos vários estados operacionais associado à dada diferença de potencial, os vários estados operacionais compreendendo: um estado produtivo associado a uma primeira diferença de potencial diferente de zero no qual um produto de interesse é produzido pela célula eletrolítica; e um estado ocioso associado a uma segunda diferença de potencial diferente de zero que não basta para sustentar a produção do produto de interesse pela célula eletrolítica; e um subsistema de monitoramento e controle configurado para manter um conjunto predefinido de condições de processo de produção para a célula eletrolítica enquanto a célula eletrolítica opera no estado produtivo e enquanto a célula eletrolítica opera no estado ocioso, o conjunto predefinido de condições de processo de produção compreendendo uma faixa de temperatura operacional predefinida.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a célula eletrolítica compreende dois ou mais tanques, cada um dos quais compreendendo uma matéria-prima para um processo eletroquímico, e uma via de condição iônica entre os tanques.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que: a célula eletrolítica é uma de uma pluralidade de células eletrolíticas multiestado, cada uma delas compreendendo um respectivo ânodo e um respectivo cátodo; e as diferenças de potencial através dos ânodos e cátodos nas células eletrolíticas multiestado são coletivamente controláveis.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que: a célula eletrolítica é uma de uma pluralidade de células eletrolíticas multiestado, cada uma delas compreendendo um respectivo ânodo e um respectivo cátodo; e as respectivas diferenças de potencial através dos ânodos e cátodos em cada uma das células eletrolíticas multiestado são individualmente controláveis.

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o circuito de controle de alimentação variável é configurado para receber energia de uma fonte de alimentação não agendável.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o circuito de controle de alimentação variável é controlável para selecionar uma fonte de alimentação para aplicar a dada diferença de potencial através do ânodo e cátodo dentre duas ou mais fontes de alimentação.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o subsistema de monitoramento e controle é configurado para receber de um sensor dados que representem uma medida de uma condição atual na célula eletrolítica.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a célula eletrolítica compreende um loop de recirculação através do qual uma saída do processo eletroquímico é retornada à célula eletrolítica como um insumo.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a célula eletrolítica é configurada para produzir um segundo produto de interesse enquanto opera no estado produtivo.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que: o estado produtivo é um de uma pluralidade de estados produtivos nos quais a célula eletrolítica é configurada para operar; e ao menos uma dentre a taxa a que a célula eletrolítica produz o produto de interesse e a taxa a que a célula eletrolítica consome recursos de insumo depende do estado produtivo no qual a célula eletrolítica está operando.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que: o estado produtivo é um de uma pluralidade de estados produtivos nos quais a célula eletrolítica é configurada para operar; a célula eletrolítica é configurada para produzir uma pluralidade de produtos de interesse; e as quantidades relativas da pluralidade de produtos de interesse produzidos pela célula eletrolítica depende do estado produtivo no qual a célula eletrolítica está operando.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o conjunto predefinido de condições de processo de produção compreende ainda ao menos uma de: uma faixa de pressão predefinida para a contrapressão sobre o gás de topo dentro da célula eletrolítica; e uma faixa de concentração predefinida para a concentração de uma espécie ativa dentro de uma matéria-prima da célula eletrolítica.

13. Método CARACTERIZADO por compreender: configurar um circuito de alimentação controlável variável para que aplique uma primeira diferença de potencial diferente de zero através de um ânodo e cátodo de uma célula eletrolítica para iniciar a operação da célula eletrolítica em um estado produtivo associado à primeira diferença de potencial diferente de zero no qual um produto de interesse é produzido pela célula eletrolítica; operar a célula eletrolítica no estado produtivo para produzir o produto de interesse; enquanto a célula eletrolítica opera no estado produtivo, configurar o circuito de alimentação controlável variável para que aplique uma segunda diferença de potencial diferente de zero através do ânodo e cátodo da célula eletrolítica para iniciar a operação da célula eletrolítica em um estado ocioso associado à segunda diferença de potencial diferente de zero, a segunda diferença de potencial diferente de zero não bastando para sustentar a produção do produto de interesse pela célula eletrolítica; e enquanto a célula eletrolítica opera no estado ocioso, configurar o circuito de alimentação controlável variável para que reaplique a primeira diferença de potencial diferente de zero através do ânodo e cátodo da célula eletrolítica para retornar a célula eletrolítica ao estado produtivo.

14. Método, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADO por compreender ainda, antes da aplicação da primeira diferença de potencial diferente de zero através do ânodo e cátodo da célula eletrolítica, configurar a célula eletrolítica para operar sob um conjunto predefinido de condições de processo de produção que compreende uma faixa de temperatura operacional predefinida.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO por compreender ainda: manter o conjunto predefinido de condições de processo de produção enquanto a célula eletrolítica opera no estado produtivo; e manter o conjunto predefinido de condições de processo de produção enquanto a célula eletrolítica opera no estado ocioso.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que manter o conjunto predefinido de condições de processo de produção compreende ativar um elemento calefator ou arrefecedor para retornar a temperatura da célula eletrolítica a um valor dentro de uma faixa de temperatura operacional predefinida em resposta ao recebimento de uma indicação de que a temperatura está fora da faixa de temperatura operacional predefinida.

17. Método, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que manter o conjunto predefinido de condições de processo de produção compreende aplicar contrapressão ou reduzir a contrapressão sobre um gás de topo dentro da célula eletrolítica para retornar a contrapressão sobre o gás de topo a um valor dentro de uma faixa de pressão predefinida em resposta ao recebimento de uma indicação de que a contrapressão sobre o gás de topo está fora da faixa de pressão predefinida.

18. Método, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que manter o conjunto predefinido de condições de processo de produção compreende aumentar ou reduzir a concentração de uma espécie ativa dentro de uma matéria-prima da célula eletrolítica para retornar a concentração da espécie ativa dentro da matéria-prima a um valor dentro de uma faixa de concentração predefinida em resposta ao recebimento de uma indicação de que a concentração da espécie ativa dentro da matéria-prima está fora da faixa de concentração predefinida.

19. Método, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADO pelo fato de que: a célula eletrolítica é uma de uma pluralidade de células eletrolíticas multiestado, cada uma delas compreendendo um respectivo ânodo e um respectivo cátodo; e configurar o circuito de alimentação controlável variável para que aplique a primeira diferença de potencial diferente de zero através do ânodo e cátodo da célula eletrolítica compreende controlar coletivamente respectivas diferenças de potencial através dos ânodos e cátodos de cada uma da pluralidade de células eletrolíticas multiestado.

20. Método, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADO pelo fato de que: a célula eletrolítica é uma de uma pluralidade de células eletrolíticas multiestado, cada uma delas compreendendo um respectivo ânodo e um respectivo cátodo; e configurar o circuito de alimentação controlável variável para que aplique a primeira diferença de potencial diferente de zero através do ânodo e cátodo da célula eletrolítica compreende controlar individualmente respectivas diferenças de potencial através dos ânodos e cátodos de cada uma da pluralidade de células eletrolíticas multiestado.

MEMÓRIA

REDE