BRPI0512202B1 - elemento tipo célula singular para um dispositivo de eletrólise. - Google Patents

Abstract

célula de eletrólise. a presente invenção refere-se a uma célula de eletrólise na forma construtiva de elementos singulares, direcionada, por exemplo, para a produção de cloro, hidrogênio e/ou soda cáustica e desenhada em tal modo que a porção de superfície da membrana inativa seja minimizada graças a um tipo de flange otimizado em modo que a relação entre a superfície do flange de uma semicarcaça e a superfície da membrana ativa seja fixada em menos de 0,045, nem as semicarcaças nem a membrana sendo dotadas de furos ou recessos para acomodar os membros de retenção.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ELEMENTO DO TIPO CÉLULA SINGULAR PARA UM DISPOSITIVO DE ELETRÓLISE". A presente invenção refere-se a um elemento do tipo célula sin- gular para um dispositivo de eletrólise, ditas células sendo utilizadas, por exemplo, na produção de cloro, hidrogênio e/ou soda cáustica, etc., e proje- tadas de tal maneira que a porção da superfície inativa da membrana seja minimizada com a ajuda de uma construção de flange otimizada de modo que a relação entre a superfície do flange da semicarcaça e a superfície da membrana ativa seja ajustável a < 0,045 e nem a membrana nem a semi- carcaça sejam dotadas de furos ou recessos para a passagem dos meios de compressão.

As células de eletrólise para a produção de cloro elementar, hi- drogênio e/ou solução de soda cáustica são bem conhecidas e o seu projeto do estado da técnica foi descrito suficientemente. Na tecnologia convencio- nal do estado da técnica, é difundido o uso de dois tipos de células para aplicação industrial: um com desenho a filtro-pressão e o outro com ditos “elementos de célula singular” conectados eletricamente em série.

Estas células de eletrólise descritas em DE 196 41 125, DE 197 40 637 ou DE 196 41 125 consistem entre outras coisas em uma semicarcaça anódica e uma catódica que contém o ânodo ou o cátodo, res- pectivamente, cada uma delas tendo uma superfície com estrutura diferen- te. A membrana de troca iônica é posicionada entre os eletrodos e se esten- de além dos flanges das semicarcaças. Os ditos flanges das semicarcaças são dimensionados para garantir uma adequada pressão na superfície, a fim de evitar danos à membrana de troca iônica.

De acordo com o estado da técnica convencional, os flanges das semicarcaças e a membrana situada entre as mesmas são dotados de furos ou aberturas para posicionar e fixar de modo seguro a membrana de modo que para cada furo ou abertura seja provido um membro de retenção apara- fusado. A pressão isolante que age nas semicarcaças por meio do aparafu- samento é transferida através de elementos isolantes do tipo argola coloca- dos em um dos lados do flange da semicarcaça.

De acordo com o estado da técnica conhecido, uma multiplicida- de de tais membros de retenção são colocados na circunferência do flange de uma célula singular a fim de garantir a firmeza da célula e uma quase uniforme pressão isolante na membrana. A maior desvantagem deste sistema de eletrólise da técnica an- terior é o fato que mais de 10% da membrana de troca iônica é inativa e não participa do processo de eletrólise dado que a membrana é fechada no flan- ge ou se estende também além do flange para facilitar a montagem e por- que este material muito oneroso é mera mente utilizado para posicionar o dito item durante a montagem da célula singular e aumentar a estabilidade mecânica durante a operação. O objetivo da presente invenção é eliminar ou minimizar o incon- veniente acima descrito e fornecer uma otimização da área de superfície utilizada da membrana. O objetivo da invenção é alcançado reduzindo as dimensões do flange inteiro da menor célula de eletrólise inteira, omitindo os furos e os re- cessos normalmente requeridos para a passagem do aparafusamento, a relação entre a área da superfície do flange da semicarcaça sobrepondo a membrana e a área da superfície da membrana ativa sendo inferior a 0,09 ou preferivelmente inferior a 0,07 ou em uma concretização ideal inferior a 0,045.

De acordo com uma concretização ideal da célula de eletrólise como especificado nessa invenção, a membrana é formada de tal maneira que nem apresente furos nem recessos que normalmente servem para po- sicioná-la em uma ou em ambas semicarcaças ou para fazer passar os membros de retenção. O dito dispositivo prevê também membros de retenção aplicados na lateral externa do flange ou deslizados na mesma e que servem para re- ter e selar as semicarcaças anódicas e catódicas para formar um elemento singular.

Em uma concretização vantajosa da invenção, os ditos membros de retenção são elementos aparafusados individualmente. Uma variante i- deal é usar chavetas do tipo retenção ou aparafusadas para fixar as semi- carcaças, os ditos elementos sendo disponíveis no mercado como elemen- tos pré-fabricados. Outras formas dos ditos elementos são adequadas para este propósito fornecido, elas devem ter ao menos dois elementos isolantes paralelos e opostos que são prensados contra os flanges das semicarcaças, Além disso, a célula de eletrólise descrita nessa invenção com- preende um dispositivo que permite que somente uma parte dos elementos isolantes dispostos no lado que está diante do flange da semicarcaça seja diretamente suportada pelo dito flange, uma parte das áreas de superfície que se salientam do flange. Ao menos um espaçador é posicionado entre as faces dos elementos isolantes que não são sustentados ou também um ou ambos elementos isolantes são formados de modo tal que o mesmo espa- çador sozinho ou em combinação com os outros membros isolantes preen- cham o espaço existente na área acima do flange. Um corpo isolante feito desta maneira é fornecido, por exemplo, com partes salientes ou em balan- ço na área de superfície que está diante do flange.

Uma concretização vantajosa da invenção prevê um espaçador com uma seção mais fina e uma mais grossa, e depois da montagem a par- te mais grossa projeta-se do flange e a parte mais fina é comprimida junto com a membrana entre o flange das semicarcaças. Uma concretização da variante descrita acima compreende para um espaçador a projeção da se- ção, a qual apresenta furos ou aberturas que possam acomodar parafusos ou grampos. Neste caso, a espessura da seção do espaçador que projeta- se do flange corresponde aproximadamente à espessura do flange depois da montagem, isto é, a espessura dos componentes inseridos para a opera- ção é incluída. A vantagem essencial, então, é a substancial redução da área de superfície da membrana inativa enquanto permanece invariada a dimen- são da área da membrana ativa.

Uma outra importante vantagem em adição à aumentada pro- porção de membrana ativa é o fato que a área total de superfície da mem- brana torna-se menor e a embalagem da membrana é facilitada. É imperati- vo que qualquer furo ou abertura na membrana seja feito antes da monta- gem. As membranas do tipo furado deveríam ser dotadas de furos antes da montagem, uma etapa que agora é eliminada. Esta fase representou sempre um perigo para as membranas porque não era possível excluir completa- mente um dano ou poluição do revestimento ou do material de base da membrana. A redução da dimensão do flange permite também que as semi- carcaças sejam fabricadas com produtos semi-acabados, tais como bobinas que podem ser adquiridas no mercado mundial em formato padrão, um pro- cedimento que não era possível até então. Sendo assim, podem ser reali- zados dois efeitos substanciais e positivos no que diz respeito aos custos de material das semicarcaças, ou seja, uma obtenção simplificada e uma di- mensão reduzida.

Incluída à presente são uma Figura que ilustra um "elemento de célula singular" do típico presente estado da técnica e duas Figuras que mostram um dispositivo de eletrólise de acordo com a invenção, sendo de qualquer modo possíveis outras concretizações ou variantes. A vista em seção da Figura 1 mostra um segmento da célula de eletrólise de acordo com o presente estado da técnica. A dita vista ilustra claramente a semicarcaça anódica 1 e a semicarcaça catódica 2, oposta, o ânodo 3 e o cátodo 4. As semicarcaças 1 e 2 mostram duas seções, uma parede 9 e um flange circunferencial 8. O flange 8 apresenta furos para fixar o elemento de retenção 10, através dos quais é inserido o parafuso 10.1. O dito elemento de retenção compreende também uma arruela de pressão 10.2, que mantém a pressão de selagem constante, um detalhe requerido para compensar a variação das características do material devido às dife- rentes condições de expansão da membrana. Dois elementos anulares de isolamento 10.3 estão em contato direto com a superfície metálica do flange 8 e, então, com as semicarcaças; os ditos elementos servem para transferir as forças. Além disso, o parafuso 10.1 é localizado na área do pescoço do flange é inserido na mangueira isolante 10.4. A membrana 5 é disposta en- tre o ânodo 3 eo cátodo 4. A Figura ilustra que a membrana 5 é dimensionada de modo tal que se estenda além da seção que contém os furos para os elementos de retenção. Em uma maneira similar àquela dos flanges, a membrana tam- bém é dotada de aberturas nesta seção. O flange 8 é dotado de um espa- çador plano e de um elemento isolante 6 que constitui uma estrutura e da mesma forma dotada de furos correlacionados com os furos do flange 8.

Dois cabos isolantes circunferenciais 11, posicionados entre as semicarca- ças na área 8, asseguram a tensão das semicarcaças. Os elementos inter- nos 7 mostrados nas Figuras 1, 2 e 3 servem para assegurar um fluxo cal- mo na parte superior da célula. A Figura 2 mostra a célula de eletrólise da invenção sem o dis- positivo de retenção. O flange 8 é de dimensões consideravelmente inferio- res e não apresenta nem furos e nem perfurações. O espaçador alternativo 6 mostrado aqui projeta-se fora do flange 8 e a parte superior que se es- tende além da estrutura do flange 6.1 é dotada de furos 6.2 nos quais são inseridos os parafusos 10.1 de um elemento de retenção. As partes internas do espaçador 6, isto é a área de retenção 6.3, é posicionada entre as partes do flange das semicarcaças 1 e 2. Neste caso, a mangueira isolante 10.4 que protege os parafusos 10.1, como mostrado na Figura 1, pode ser omiti- da porque o parafuso não pode entrar em contato com o flange. A Figura 3 mostra a célula de eletrólise da invenção com o membro de retenção e selagem 10 fixados, a estrutura 6.1 e a área de re- tenção 6.3 do espaçador 6 consistindo em duas peças separadas que não são estável mente unidas uma à outra.

Como uma alternativa é possível variar a forma de um ou ambos elementos de isolamento em tal modo que tenham uma parte saliente ou em balanço à prateleira e a parte saliente posicionada na parte superior for- ma o mesmo espaçador. Esta alternativa, todavia, não é mostrada nas figu- ras.

Torna-se evidente que o dispositivo de acordo com a invenção permite não somente a área de superfície da membrana reduzida, que au- menta a porção de superfície da membrana ativa, mas também um certo degrau de liberdade no desenho do dispositivo de retenção e seus elemen- tos combinados graças à omissão dos furos.

Duas células de eletrólise como especificado na invenção foram testadas em um banco de teste sob condições genuínas de produção por um período de 5,000 horas de operação. Duas células de eletrólise industrial tinham uma área da superfície da membrana ativa de 2,72 m2 cada, e uma largura do flange 15,5 mm e então, dita área da superfície era mais de 60% inferior àquela da célula de eletrólise do estado da técnica. A voltagem da célula aplicada durante todo período de teste foi de aproximadamente 3,2 V a uma densidade de corrente de aproximadamente 6 kA/m2 e a uma tempe- ratura de célula de aproximadamente 90°C. A alimentação era de 300 g por litro de uma solução de NaCI. A solução de soda cáustica tem uma concentração média na descarga de 32% com uma concentração residual de NaCI de < 20 ppm.

Além disso, foram produzidos (¾ e H2 gasosos, com um consumo de ener- gia médio de aproximadamente 2.200 kWh por tonelada de NaOH.

Durante todo período de teste foi possível obter outras taxas de conversão elevadas, qualidade do produto, etc., por meio das células singu- lares de acordo com a presente invenção, isto é, as Figuras eram iguais à- quelas das células singulares amplas e mais onerosas do estado da técnica sem nenhuma desvantagem no que diz respeito à segurança, tensão ou manutenção.

As características de desenho descritas nesta invenção permiti- ram a redução da porção de área da superfície anterior da membrana inativa de 11% obtida com a tecnologia da técnica anterior a menos de 4,2 %. O objetivo destas séries de teste era de observar 0 comporta- mento e a deterioração da membrana, assim como a tensão da célula singu- lar, porque a membrana é submetida a stress mecânico gerado pela vibra- ção e expansão ou encolhimento. Não foram detectadas anomalias no que diz respeito à tensão da célula e posicionamento estável da membrana. Durante todo período de tes- te não foram encontrados problemas operacionais ou de escapamentos e nenhum ajuste ou correção da membrana ou de outros componentes foi ne- cessário para evitar problemas.

Foi descoberto surpreendentemente que a manutenção da célu- la foi facilitada e que a possibilidade de reutilizar uma membrana já explora- da no processo era substancialmente melhorada. Isto é devido ao fato que uma vez aberta a célula singular, inicia um processo de encolhimento da membrana, isto é, um critério que anteriormente causava freqüentemente um rasgo no material da membrana nas seções deterioradas próximo aos furos, e sendo assim impedia a reutilização da membrana. Como a célula de eletrólise de acordo com a invenção é colocada em uma posição horizon- tal antes de ser aberta, a membrana se torna livre imediatamente quando uma semicarcaça é removida (sem fixação) de modo que um sucessivo en- colhimento uniforme não possa causar deformações ou danos.

Foi também observado que o tempo requerido para montar as células singulares podería ser reduzido porque o ajuste da membrana é a- gora facilitado por não ser necessária a compatibilidade com os furos, e, as extremidades da membrana devem ser somente compatíveis com as bordas do ftange. Este alinhamento é consideravelmente menos importante porque qualquer desvio do paralelismo com as bordas é insignificante.

Claims (9)

1. Elemento do tipo célula singular para um dispositivo de eletró- lise delimitado por duas semicarcaças (1, 2) cada uma dotada de uma pare- de posterior (9) e de um flange periférico (8), o elemento caracterizado pelo fato de que elementos de isolamento (10.3) são posicionados e retidos por elementos de retenção (10) posicionados na área do flange (8), compreen- dendo dois eletrodos (3, 4) com uma membrana (5) situada entre eles, as semicarcaças (1, 2) sendo isentas de furos ou recessos para acomodar os parafusos (10.1) dos elementos de retenção (10) e a relação entre a superfí- cie do flange (8) sobreposta à membrana (5) e à superfície da membrana (5) ativa sendo inferior a 0,09.

2. Elemento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita relação entre a superfície do flange (8) e a superfície da membrana (5) ativa é inferior a 0,045.

3. Elemento de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a dita membrana (5) é isenta de furos ou aberturas para posicioná-la na semicarcaça (1, 2) ou para acomodar os parafusos (10.1) dos elementos de retenção (10).

4. Elemento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que os elementos de retenção (10) são desli- zados no flange (8) ou aplicados no mesmo.

5. Elemento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que os elementos de retenção (10) são dese- nhados como elementos singulares aparafusados, chavetas do tipo-retenção ou aparafusadas ou de qualquer outra forma ou tipo, os ditos elementos tendo ao menos dois elementos isolantes (10.3) paralelos e opostos que são prensados contra os flanges (8) das semicarcaças (1,2).

6. Elemento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que somente uma parte dos elementos isolan- tes (10.3) posicionados no lado que está de frente à superfície do flange (8) é diretamente sustentado pelo dito flange, ao menos um espaçador (6) sen- do inserido entre as faces do elemento isolante (10.3) que não são susten- tadas ou um ou ambos corpos isolantes sendo formados em tal maneira que sejam dotados com uma seção saliente ou em balanço à prateleira, de modo que o espaço encontrado além do flange, seja ao menos parcialmente pre- enchido.

7. Elemento de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o dito ao menos um espaçador (6) tem uma seção mais fina e uma seção mais grossa, a seção mais grossa salienta-se além do flange (8), a seção mais fina sendo comprimida entre os flanges das duas semi- carca- ças (1,2) juntamente com a dita membrana.

8. Elemento de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a dita seção do espaçador (6) saliente do flange (8) é dotada de furos ou aberturas.

9. Elemento de acordo com qualquer uma das reivindicações de 6 a 8, caracterizado pelo fato de que a espessura do dito espaçador (6) sali- ente do flange (8) ou das ditas seções de salientes ou em balanço do ele- mento isolante (6) corresponde aproximadamente à espessura do flange (8) no estado montado, compreensiva à espessura do elemento inserido.