BRPI0608770A2 - dedo catódico para célula a diafragma - Google Patents

Abstract

DEDO CATóDICO PARA CéLULA A DIAFRAGMA. A presente invenção refere-se a uma estrutura de dedo catódico para célula de eletrólise a diafragma constituído por uma rede externa e por uma estrutura interna de reforço e distribuição da corrente, dotada de protuberâncias aptas a maximizar os pontos de contato com a rede externa.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "DETO CA-TÓDICO PARA CÉLULA A DIAFRAGMA".

ESTADO DA ARTE

A produção de cloro através de eletrólises de soluções de hálide alcalóide, em particular soluções de cloreto de sódio, é ainda hoje de granderelevância industrial: isso pode ser realizado recorrendo às tecnologias deeletrólise a membrana, de eletrólises a diafragma e de eletrólises a cátodode mercúrio.

As sucessivas evoluções das plantas a diafragma conduziram à introdução dos diafragmas poliméricos hidrofilizados com vários aditivos, porexemplo fibras ou partículas de oxido de zircônio, no lugar daqueles tradicio-nais de amianto, superando o maior inconveniente desta tecnologia dc pontede vista ambiental; mesmo do ponto de vista de consumo energético, diver-sas melhorias que retardaram o abandono das células a diafragma a favor da tecnologia a membrana, que parecia em um primeiro momento inevitável.No início os convencionais ânodos expandíveis de titânio ativado com óxidosde metais nobres foram melhorados substancialmente graças à uma versãoassim chamada zero-gap, que é dotada de dispositivos capazes de exercitaruma pressão elástica e de levar a superfície móvel do ânodo em contato di- reto e prolongado com o diafragma como descrito em US 5,534,122; estesânodos foram dotados sucessivamente de expansores duplos, entendendocom este termo as conexões que permitem a passagem da corrente elétricadas superfícies móveis dos ândos para as barras porta corrente, com umasensível redução da queda ôhmica relativa, como ilustrado em US 5,993,620.

Além disso, nos ânodos podem ser vantajosamente instalados dispositivosque permitem o aumento em modo significativo da circulação interna dasalmoura com uma conseqüente vantagem em termos de menor tensão e demenor liberação de oxigênio, ambos os elementos juntamente permitem adiminuição de consumo energético por tonelada de cloro produzido: este último aprimoramento é descrito em US 5,066,378.

Finalmente, a substituição dos revestimentos em borracha comfolhas de titânio para proteger as bases de cobre onde os ândos são fixadose a adoção de novos tipos de vedações elásticas entre o corpo do cátodo ea base de suporte dos ânodos e entre cada ânodo e a base de suporte comoindicado em WO 01/34878 permitiu o aumento notável do tempo de vida dassingulares células que constituem uma planta de eletrólise, da qual resultauma ulterior diminuição dos custos de manutenção e uma maior capacidadeprodutiva para um desenho de célula dado.

Uma descrição do funcionamento das células cloro - soda a diafragma é fornecida em modo muito claro em Ullmann's Encyclopedia ofChemical Technology, 5a Ed., Vol. A6, pag. 424 - 437, VCH, enquanto detalhes da estrutura interna de tais células são ilustrados exaustivamente nasfiguras de US 5,066,378.

Somente depois de numerosas modificações feitas aos diafrag-mas e aos ânodos com o relativo modo de fixação à base de suporte, a atenção foi recentemente focalizada nos cátodos, entendendo com este termoseja o corpo com relativas conexões elétricas seja a estrutura da área ativacatódica que é o sito da reação de liberação de oxigênio e de formação desoda cáustica. Em particular considerando o segundo elemento, que é a área ativa catódica, esta é constituída de uma rede de fios entrelaçados ou deuma lâmina perfurada ambas feitas em material condutor, geralmente aço decarbono, modelado para então formar estruturas similares a prismas comuma seção retangular de preferência achatada, fixadas por soldagem à umacâmara perimetral, também construída com fios entrelaçados ou lâmina perfurada, conectada às paredes laterais do corpo catódico e dotada de ao menos um bocal na parte inferior para a saída da solução que contém a sodacáustica gerada e o cloreto de sódio resíduo e de ao menos um bocal naparte superior para a descarga do hidrogênio. Nestas estruturas, conhecidasentre os técnicos do setor como dedos (expressão que será utilizada a seguir), o diafragma é depositado por meio de aspiração à vácuo de uma suspensão aquosa contendo as fibras e as partículas de polímero que como ditoprecendemente constituem o próprio diafragma. Na estrutura da célula a diafragma os dedos, recobertos pelo diafragma, são intercalados com os ânodos, cuja superfície pode tanto estar em contato com aquela dos diafragmascomo também estar distanciada de poucos milímetros. Em ambos os casosé necessário que os dedos não experimentem deflexões que poderiam cau-sar abrasões no diafragma com conseqüente danificação do mesmo. Alémdisso durante a operação a corrente deve ser transmitida do modo mais uni- forme possível para a inteira superfície dos dedos: uma distribuição não uni-forme causaria um aumento da tensão da célula e uma diminuição da efici-ência na formação da soda cáustica com um simultâneo maior conteúdo deoxigênio no cloro. É observado que para um melhor resultado, os dedos de-vem ser dotados de adequada rigidez e ao mesmo tempo com elevada con- dutividade elétrica.

De acordo com US 4,138,295 e WO 00/06798 os dedos são do-tados de uma chapa interna em aço de carbono ou em cobre corrugada lon-gitudinalmente: a rede de fios entrelaçados ou a lâmina perfurada é fixada,preferivelmente por soldagem, aos vértices das corrugações, resolvendo oportunamente o problema da distribuição homogênea da corrente e de en-rigecimento. Todavia as corrugações formadas, como visto acima, em sensolongitudinal não permitem às bolhas de hidrogênio de subir livremente nadireção vertical, de reunir-se ao longo da generatrix superior dos dedos edali penetrar na câmara perimetral, dotada como mencionado, com ao me- nos um bocal de descarga de gás. A chapa corrugada longitudinalmente o-briga o hidrogênio a recolher-se sob cada uma das corrugações e a fluir lon-gitudinalmente ao longo de cada corrugação até descarregar-se através deadequadas perfurações na câmara perimetral: visto que este fluxo é dificil-mente equalizado, observa-se que a quantidade de hidrogênio presente sob cada corrugação é variável e obstrói em modo diferente a fração de cobertu-ra do diafragma. Em uma última análise pode-se dizer que a chapa internacorrugada longitudinalmente determina um inevitável desequilíbrio da distri-buição de corrente elétrica. Tal desequilíbrio por sua vez conduz a uma dife-renciação da concentração de soda cáustica com um resultado negativo na eficiência farádica de produção e no conteúdo de oxigênio no cloro.

US 4,049,495 descreve também o uso de placas internas corru-gadas, mas com as corrugações dispostas verticalmente: neste caso é evi-dente que o hidrogênio pode reunir-se livremente na parte superior dos de-dos, de qualquer modo o seu fluxo em direção à câmara perimetral é impe-dido pela parte superior das corrugações. Além disso, para uma distribuiçãoda corrente elétrica dada, o efeito de enrigecimento das corrugações verti- ' cais pode ser insatisfatório.

US 3,988,220 e US 3,910,827 descrevem desenhos para o ele-mento interno dos dedos equivalentes àqueles recém vistos, respectivamen-te tiras de placas horizontais perfuradas e barras condutivas longitudinaisdotadas de tiras de placas verticais soldadas à essas. Mesmo assegurando

uma adequada rigidez, esta última solução é afetada pelo problema da difi-cultosa descarga de hidrogênio discutido no exemplo de US 4,049,495.

O desenho de US 3,988,220 representa reciprocamente umaresposta satisfatória às necessidades de rigidez, de homogênea distribuiçãode corrente e de livre descarga do hidrogênio mas somente graças à uma

estrutura complexa, de difícil realização e portanto excessivamente cara.Além disso a estrutura de US 3,988,220 não permite que o movimento as-cendente das bolhas de hidrogênio estabeleçam ao interno dos dedos umaadequada recirculação da soda cáustica produzida: como conseqüênciadessa ausência de recirculação, podem-se formar bolsas de soda cáustica

de maior concentração em particular no caso de anomalias na distribuiçãoda corrente elétrica e na porosidade dos diafragmas, com conseqüênciasnegativas em relação à eficiência farádica de eletrólises e o conteúdo deoxigênio no cloro.

Uma solução mais avançada, que resolve em grande parte os

inconvenientes das placas internas dos dedos catódicos acima ilustrados, foiproposta em WO 2004/007803; a placa ao interno dos dedos catódicos édotada de protuberâncias, por exemplo de calotas esféricas, dispostas quin-cuncialmente ou de acordo com outros desenhos que favoreçam a livre cir-culação do eletrólito embora realizando uma conexão elétrica dos caminhos

ôhmicos bem distribuídos.

WO 2004/007803 descreve o uso desta placa para os dedos ob-tidas seja das redes de fios entrelaçados, seja das lâminas perfuradas. Narealidade, se neste último caso a solução proposta aparenta ser inteiramenteoptimal, no primeiro caso o acoplamento entre rede e lâmina com protube-râncias é em muitos casos insatisfatória. Nem todos os fios da rede conse-guem de fato interceptar corretamente as várias protuberâncias, e estatisti-5 camente muitos desses não podem transportar a corrente em modo eficaz,do momento em que o relativo caminho ôhmico resulta excessivamente lon-go. Foi então identificada a específica necessidade de encontrar um dese-nho melhorado de estrutura interna de reforço e de distribuição da correnteelétrica para dedos catódicos de células a diafragma constituídas por redes condutivas, por exemplo de redes de fios entrelaçados.OBJETIVO DA INVENÇÃO

Sob um primeiro aspecto, a invenção é direcionada a uma estru-tura de dedo catódico para células de eletrolise a diafragma depositado narede condutiva e compreendendo uma lâmina interna de reforço e de distri-

buição da corrente elétrica isenta dos inconvenientes da técnica prévia.

Sob um segundo aspecto, a invenção é direcionada a uma célu-la de eletrolise a diafragma que compreende dedos catódicos obtidos dasredes condutivas e dotados de lâminas internas de reforço e de distribuiçãoda corrente elétrica de desempenhos melhorados.

Sob um ulterior aspecto, a invenção é direcionada a um proces-

so de eletrolise cloro-soda em células a diafragma de eficência melhorada.A INVENÇÃO

Sob um aspecto, a invenção consiste em um dedo catódico paracélulas de eletrolise a diafragma, delimitado por uma rede condutiva externa

recoberta com um diafragma poroso quimicamente inerte agindo como umseparador e cujo volume interno, no qual ocorre a produção de soda cáusti-ca, é dividido por ao menos uma placa dotada de uma série de protuberân-cias principais alongadas, cujo lado curto é aberto para a passagem dos fluí-dos e cuja superfície é dotada de uma série de protuberâncias menores sol-

dadas diretamente à dita rede condutiva.

Em uma realização preferida, as protuberâncias principais alon-gadas compreendem de 3 a 6 protuberâncias menores, que podem apresèn-tar por exemplo uma forma similar a uma calota esférica. Em uma realizaçãopreferida, as protuberâncias principais alongadas são dispostas ao longo dasfilas paralelas reciprocamente equiparadas, para então interceptar de modomais eficaz os vários fios que constituem a rede externa. Por exemplo, em redes constituídas por estruturas combinadas de fios de trama e contorcidos,os fios contorcidos são soldados às; protuberâncias menores, e uma estrutu-ra equiparada, dimensionada de modo adequado, é a mais adapta para in-terceptar ditos fios em um modo útil, minimizando o caminho da correnteelétrica ao longo dos mesmos. De acordo com uma forma de realização pre- ferida, a rede catódica ao qual é fixado o diafragma é modelada em forma decaixa com as extremidades abertas, através das quais estende-se em partea estrutura interna de reforço da invenção; esta parte que estende-se às du-as extremidades da rede pode ser vantajosamente soldada ou se não fixadaà câmara perimetral catódica, à fim de desempenhar de maneira eficaz a função de distribuidor da corrente elétrica.

Sob um outro aspecto, a invenção é direcionada a uma célula deeletrólise a diafragma que compreende dois compartimentos, anódico e ca-tódico, onde o compartimento catódico é constituído por uma câmara peri-metral dotada de um bocal para a descarga de eletrólitos na parte inferior e de um bocal para a descarga de gás na parte superior, e por uma multiplici-dade de dedos catódicos de acordo com a invenção.

Sob um outro aspecto, a inveção é direcionada a um processode eletrólise de cloretos alcalinos, por exemplo eletrólise cloro-soda, condu-zido por meio da alimentação de uma solução salina, por exemplo salmoura de cloreto de sódio ao compartimento anódico de uma célula de eletrólise adiafragma que compreende o dedo catódico da invenção, e pela aplicaçãoda corrente elétrica contínua descarregando através disso uma soluçãocáustica, por exemplo soda cáustica contendo cloreto de sódio resíduo dovolume interno de cada dedo catódico, e uma corrente de hidrogênio do bo- cal de saída catódico, enquanto no ânodo ocorre a simultânea formação decloro.

DESCRIÇÃO BREVE DAS FIGURASA invenção será descrita fazendo referência às seguintes figu-ras, que tem um propósito meramente exemplificativo e não limitante da in-venção:

A figura 1 mostra um corte e uma correspondente vista late- ral de um dedo catódico para células de eletrólise a diafragma com estruturainterna de reforço dotada de protuberâncias de acordo com a invenção.

A figura 2 mostra a vista do alto e a seção longitudinal deuma protuberancia da estrutura interna de reforço de acordo com uma reali-zação preferida da invenção. - A figura 3 mostra uma conexão dos dedos catódicos da in-

venção ao corpo catódico da célula.DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FIGURAS

A figura 1 mostra um corte e uma correspondente vista lateral dodedo catódico, no qual o elemento central é constituído de duas placas con- dutivas de reforço (100), cada uma delas dotada por uma série de protube-râncias alongadas (200) nas quais são fixadas duas redes condutivas exter-nas (300) recobertas com um diafragma poroso (não mostrado). No casoparticular das figuras, as protuberâncias principais (200) são vantajosamentedispostas nas filas equiparadas, e as extremidades (110) das placas condu- tivas (100) estendem-se parcialmente além das regiões das redes (300) àela soldadas.

A figura 2 mostra uma realização preferida das protuberânciasprincipais alongadas (200) de acordo com a invenção. Na parte superior dafigura, é mostrada a vista do alto de uma protuberancia principal (200) por sua vez dotada de uma série de protuberâncias menores (210) em forma decalota esférica. Na parte inferior, é mostrada uma seção longitudinal corres-pondente à mesma parte, na qual é evidenciada a posição equiparada deuma protuberancia principal (200) com as relativas protuberâncias menores(210) em relação àquela adjacente (200') com as relativas protuberâncias menores (210'). É também evidenciado como o lado curto (201) da protube-rancia principal (200) é aberto para a livre passagem dos fluídos, à fim depermitir uma recirculação mais efetiva.A figura 3 mostra como as extremidades (110) das placas con-dutivas de reforço (100) dos vários dedos catódicos são conectadas, emuma realização preferida da invenção, ao corpo catódico da célula (120). Amesma figura mostra como os vários dedos catódicos são intercalados à uma série de ânodos (400) como conhecido na técnica.EXEMPLO

Para permitir uma avaliação comparativa da validadde do que foiencontrado na presente invenção, foram montadas duas célula cloro-soda adiafragma de dimensões industriais, para serem alimentadas com uma den-

sidade de corrente de 100 kA. As células em questão eram dotadas de corpocatódico compreendendo dedos constituídos por uma rede de fios entrelaça-dos em aço ao carbono nos quais era depositado um diafragma poroso po-limérico adicionado com partículas de oxido de zircônio, como conhecido natécnica. Uma célula foi equipada no seu interno com uma placa dotada de

protuberâncias de acordo com WO 2004/007803, enquanto a primeira célulaera dotada de placas condutivas de reforço de acordo com a invenção, comprotuberâncias principais retangulares, cada uma das quais dotada de qua-tro protuberâncias menores em forma de calota esférica nas quais eram sol-dadas diretamente as redes, como mostrado nas figuras. Ambas placas ha-

viam uma espessura de 6 milímetros.

Depois de algumas semanas de funcionamento, consideradasnecessárias para a estabilização dos vários componentes e em particulardos diafragmas, foram registradas as tensões da célula, a eficiência farádicade produção da soda cáustica e o conteúdo de oxigênio no cloro produzido,

com os seguintes resultados:

- célula de acordo com WO 2004/007803: tensão 3.5 volts,eficiência farádica 95%, conteúdo de oxigêncio no cloro 2.3%

célula de acordo com a invenção: tensão 3.35 volts, eficiên-cia farádica 96%, conteúdo de oxigênio no cloro 2.3%

A precedente descrição não pretende limitar a invenção, a qual

pode ser utilizada de acordo com diversas formas de realização sem fugirdos objetivos, e cuja extensão é univocamente definida pelas reivindicaçõesem anexo.

Durante a descrição e nas reivindicações da presente aplicação,o termo "compreender" e as suas variações tais como "compreendendo" e"compreende" não são entendidos para excluir a presença de outros elemen- tos ou componentes adicionais.

Claims (10)

REIVINDICAÇÕES

1. Dedo catódico para célula de eletrólise a diafragma, dotado devolume interno e compreendendo ao menos uma rede condutiva externarecoberta com um diafragma poroso quimicamente inerte, e uma estrutura ' interna de reforço e de distribuição da corrente elétrica constituída de aomenos uma chapa dotada de uma série de protuberancias principais alonga-das cujo lado curto é aberto para a passagem dos fluídos e cuja superfície édotada de uma série de protuberancias menores diretamente soldadas à ditarede condutiva.

2. Dedo catódico da reivindicação 1 onde cada uma das ditasprotuberancias principais alongadas compreende de 3 a 6 de ditas protube-rancias menores.

3. Dedo catódico da reivindicação 1 onde ditas protuberanciasmenores tem uma forma similar à uma calota esférica.

4. Dedo catódico de qualquer uma das reivindicações preceden-tes onde ditas protuberancias principais alongadas são dispostas em filasequiparadas.

5. Dedo catódico de qualquer uma das reivindicações preceden-tes onde dita rede é constituída por uma estrutura entrelaçada de fios de trama e contorcidos, e ditos fios contorcidos são soldados às ditas protube-rancias menores.

6. Dedo catódico de qualquer, uma das reivindicações preceden-tes onde dita rede é modelada em forma de caixa com as extremidades a-bertas das quais estende-se uma porção da dita estrutura interna de reforço.

7. Dedo catódico da reivindicação 6 onde dita porção de dita es-trutura interna de reforço que estende-se ao longo da dita rede modelada emforma de caixa é fixada ao corpo catódico da célula de eletrólise a diafrag-ma, opcionalmente por meio de soldagem.

8. Célula de eletrólise compreendendo um compartimento anódi- co e um compartimento catódico separados por um diafragma poroso inerte,dito compartimento catódico constituído por um corpo catódico, por uma câ-mara perimetral dotada de ao menos um bocal para a descarga de eletrólitosna parte inferior e de ao menos um bocal para a descarga de gás na partesuperior, e por uma multiplicidade de dedos catódicos de qualquer uma dasreivindicações precedentes eletricamente conectados ao dito corpo catódico.

9. Processo de eletrólise cloro-soda que compreende a alimen- taçao de uma solução de cloreto de sódio ao compartimento anódico da cé-lula da reivindicação 8, aplicando uma corrente elétrica e descarregandouma solução de soda cáustica e cloreto de sódio resíduo gerada no dito vo-lume interno de dita multiplicidade de dedos catódicos através do dito bocalpara a descarga de eletrólitos e uma corrente de hidrogênio através do dito bocal para a descarga de gás.

10. Dedo catódico para células de eletrólise a diafragma com-preendendo os elementos distintivos da descrição e das figuras.