CS223889B2 - Bipolar electrolyser with diaphragm or membrane - Google Patents

Description

^Vyn^ález ' se ’ týká Mpotarního elektoolyzéru s diafragmou nebo membránou toořeteho pláštěm, obsahujícím ^; koncový anodový ^prve^k, ^koncový ^katodový ^prve^k ' a řadu Ыpolárních prvků, jejichž hlavní rozměry leží v podstatě ve svislé rovině a které jsou tvořeny bipolární stěnou, oddělující anodové oddělení a katodové oddělení, a svislými děrovanými elektrodami, uspořádanými rovnoběžně v určité vzdálenosti od bipolární stěn^{y di}a^fra^gmamⁱ ne^bo membránami oddě lujícími anody a katody.

Chlor a ^hydrox^idy alkalic^kýc^h tovů ja^ko je hydroxid sodný a draselný, jsou ve ’ značném rozsa^hu u^žívan^{é p}rodu^kty v každ^é prm myslové zemi, přičemž ' se téměř výlučně zfekteají elektrolýzou vo^dnýc^h roztoků chloridů alkalických kovů a značná část výroby probíhá v zařízeních, vybavených elektrolyzéry s diafragmou nebo membránou. S příchodem rozměrově stabilních konstrukčních materiálů se pro elektrolyzéry s diafragmou nebo membránou stalo nejvýhodnější tak zvané kalolisové provedení.

Elektrolyzér tohoto druhu obsahuje řadu svislých bipolárních prvků, tvořených ‘ ’ bipolárrn odděovam s^těnou^, nesoucí na ^své jedné straně katodovou konstrukci a na druhé straně anodovou konstrukci s membránami nebo diafragmami, umístěnými- mezi anodovou ' konstrukci jednoho bipolárního prvku a katodovou konstrukci v řadě sousedního ' bipolárního prvku. Elektrolyzér rovněž obsahuje anodovou a katodovou koncovou desku na obou koncích řady, které jsou spojeny s o^ovMajírími poty soudového zdroje.

Bipolární ^deska nebo stena plní . několik funkcí. Ve své podstatě působí jako koncová deska příslušného elektrodového oddělení a elektricky spojuje katodu na jedné straně bipolárního prvku s anodou na jeho druhé straně, a rámeček, často jednodílný s bipolárrn st^ěnou^, vytomí těsním ^ploc^hy okolo elektrodových oddělení. Elektrody jsou obecně tvořeny síťkami ' nebo mřížovými deskami nebo ' jinak děrovanými plechy, ^po^dpíranými ^žebr^y ne^bo s^poj^kami na od^povídajících plochách bipolární stěny rovnoběžně a odděleně vzhledem k této stěně. Elektrody jsou často zhotoveny koplanární s těsnicími plochami rámečku a s mezerou mezi elektrodami, přičemž vzdálenost elektrod od diafragmy, uspořádané mezi nimi, je často určena vloženými těsnicími vložkamⁱ vho^dn^{é tl}^ou^šťky mezi tesnimmi ^plochami rámečku a diafragmou.

Rámeček každého bipolárního prvku je ^opat^řen ^pot^řebnýmⁱ vs^tu^pnímⁱ a výstu^pn^ími otvory pro elektrolyt a produkty elketrolý223889 zy, takže přivádění elektrolytu jakož i odvádění produktů je prováděno individuálně do a z každého elektrodového oddělení, to jest paralelně pomocí rozdělovačů a sběračů, které mohou být umístěny vně elektrolyzéru nebo jimi mohou být vnitřní kanály, zhotovené vyvrtáním koaxiálních otvorů v tloušťce rámečku.

Úvahy z technického a ekonomického hlediska potvrdily vhodnost elektrolyzérů, vyznačujících se velkými povrchovými plochami elektrod s minimální šířkou elektrodových oddělení s jejich paralelním napájením prostřednictvím rozdělovačů a sběračů jak interního, tak externího typu. První technická úvaha se týká zdroje energie bipolárních elektrolyzérů, které jsou tvořeny velkým počtem jednotlivých buněk v řadě, a proto vyžadují na svých svorkách napětí napájecího zdroje řádově několik set voltů. Uvažují-li se meze závěrného napětí moderních křemíkových usměrňovačů, lze říci, že jeden usměrňovači obvod nemůže napájet více než určitý počet elektrolyzérů v sérii. Je proto žádoucí, aby byly plochy elektrod co možná největší, aby se dosáhlo únosného poměru mezi náklady na usměrňovači obvod a výrobní kapacitou elektrolyzérů.

Na druhé straně, úvahy týkající se kompaktnosti a potřeby úspory nákladných konstrukčních materiálů vyžadují, aby byly bipolární prvky co možná nejtenčí za účelem snížení tloušťky nebo šířky elektrodových oddělení na minimum. Proto se moderní elektrolyzéry vyrábějí s plochami elektrod většími, než 2 m² a s hloubkou elektrodových oddělení řádově několika cm.

Tyto geometrické rozměry elektrolyzérů, 1 když jsou z různých hledisek optimální, jsou příčinou problému s rovnoměrností činnosti po celé ploše elektrolyzérů a tento problém se stává ještě mnohem vážnější vzhledem к potřebě provádění elektrolýzy při větších hustotách proudu, to jest ekonomických důvodů. Například při elektrolýze roztoku chloridu sodného v elektrolyzéru výše uvedeného typu, vybaveného polopropustnou diafragmou, jako je kationická membrána, je téměř nasycený solný roztok veden do každého anodového oddělení vstupním otvorem, ležícím v blízkosti dna oddělení. Vyčerpaný solný roztok opouští společně s plynným chlorem, vyvíjejícím se na anodě, elektrolyzér výstupním otvorem poblíže horní části anodového oddělení, a shromažďuje se v potrubí, jímž je po oddělení chloru buď veden zpět do saturačního a čisticího stupně, nebo parciálně recyklován do anodového oddělení společně s čerstvým nasyceným solným roztokem ze saturačního a čisticího stupně.

Sodíkové ionty prostupují membránou do katodového oddělení, kde na katodě nastává vyvíjení vodíku a vznik hydroxidu sodného. Do katodového oddělení se přivádí voda nebo zředěný roztok hydroxidu sodného, zatímco plynný vodík a koncentrovaný hydroxid sodný jsou odváděny. Dobře známé kinetické problémy s dlfúzním transportem chloridových iontů do aktivního povrchu anody skrze anodickou dvojitou vrstvu, by normálně byly příčinou vysoké koncentrace chloridových iontů v anolytu a vysoké turbulenci, to jest vysoké rychlosti dopadu anolytu na plochu anody za účelem snížení vedlejšího vývoje kyslíku jako výsledku přímé elektrolýzy vody. Avšak vzhledem ke značné rozloze povrchu anody vzhledem к hloubce anodových oddělení je obtížné a nákladné v pojmech čerpací kapacity, dosáhnout tak vysoké a rovnoměrné rychlosti cirkulace anolytu, který je v praxi v anodovém oddělení nehybný. Pro částečné překonání nedostatečné rychlosti cirkulace je vhodné udržovat vysokou koncentraci chloridových iontů v anolytu buď plynulou resaturací vyčerpaného solného roztoku, odváděného z anodového oddělení, nebo přidáváním kyseliny chlorovodíkové.

V praxi však toto opatření nezajišťuje dokonalou jednotnost podmínek na povrchu anody, a dále má za následek vyšší náklady z důvodu vyššího sycení solného roztoku a obtížného čištění. Vzhledem ke gradientům koncentrace v anolytu je stále pravděpodobný vznik kyslíku, zejména v oblastech, kde je anolyt více zbaven chloridových iontů. Taková vedlejší reakce kromě toho, že způsobuje snížení proudové účinnosti, působí škodlivě na aktivní životnost anod, které v případě vzniku kyslíku rychle ztrácejí svou katalytickou aktivitu. Na druhé straně jsou membrány pro výměnu katlontů a 1 když v menší míře, tradiční pórovité diafragmy, obzvláště citlivé na koncentraci hydroxidu sodného na straně katody. Z tohoto důvodu je tedy vhodné udržovat koncentraci hydroxidu sodného, který je ve styku s diafragmou, v rámci přesně stanovených mezí a především zabránit vzniku gradientů koncentrace v celém rozsahu plochy diafragmy na straně katody.

Uvedené nedostatky známých bipolárních elektrolyzérů odstraňuje bipolární elektrolyzér podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že po celé výšce prostoru a mezi anodou a katodou je uspořádána řada přepážek, které probíhají od bipolární stěny к anodě a katodě a tvoří řady svislých anodových kanálů a katodových kanálů, probíhajících podél bipolární stěny, přičemž přepážky jsou střídavě nakloněny jedním a druhým směrem, vzhledem ke svislé rovině, kolmé к rovině bipolární stěny, uspořádány s odstupy a poměr plochy anody nebo katody omezené hranami dvou přepážek nebo přepážek bočně vymezujících svislý anodový kanál nebo katodový kanál к jeho průtočnému průřezu je odlišný od poměru plochy anody nebo katody mezi sousedními anodovými kanály nebo katodovými kanály к průtočnému průřezu prostoru mezi sousední223889 mi anodovými kanály nebo katodovými kanály.

Anodové kanály a katodové kanály mají s výhodou konstantní příčný průřez, přepážky jsou střídavě podélně nakloněny v jednom směru a směru opačném vzhledem ke svislé rovině, kolmé к bipolární stěně a tvoří ve svislém směru střídavě se rozbíhající a zužující anodové kanály a katodové kanály.

Přepážky jsou z kovu a elektricky spojeny s anodou a katodou, a s bipolární stěnou a anodové kanály a katodové kanály přiléhají к bipolární stěně svou užší základnou.

Anodové kanály a katodové kanály mají trojúhelníkový průřez a přepážky jsou svými hranami spojeny s bipolární stěnou, přičemž přepážky jsou tvořeny kovovými žebry, kolmými к rovině bipolární stěny a střídavě podélně nakloněnými v jednom směru a směru opačném vzhledem ke svislé rovině, kolmé к rovině bipolární stěny.

Anoda a přepážky anodových kanálů jsou z netečného kovu a anoda je děrovaná.

Nový a vyšší účinek vynálezu spočívá v tom, že uspořádáním řady přepážek, probíhajících v podstatě v celé výšce oddělení s elektrodami o šířce, která je v podstatě rovna jeho hloubce, jež odpovídá vzdálenosti mezi bipolárním separátorem a kovovým sítkem elektrody, a tím, že jsou přepážky střídavě skloněny jedním a druhým směrem vzhledem ke svislé rovině, kolmé к ploše separátoru a elektrody, je celý průtočný průřez oddělení rozdělen do řady svisle orientovaných průtočných kanálů a hrany přepážek v blízkosti elektrody ohraničují nebo dělí celou plochu elektrody do řady oblastí, přičemž tím, že poměr mezi plochou povrchu elektrody, omezenou dvěma sousedními přepážkami a průtočným průřezem odpovídajícího svislého kanálu je odlišný od poměru mezi plochou elektrody, omezenou jednou ze dvou přepážek a jinou přepážkou, s ní sousedící, a průtočným průřezem odpovídajícího svislého kanálu, sousedícího s kanálem výše uvedeným, dochází ke složitým recirkulačním pohybům elektrolytu, které účinně ovlivňují veškerý elektrolyt v oddělení, ať je již jakkoli široké. Ve skutečnosti, kdykoli dojde к uvolnění plynu na povrchu elektrody, dotýkající se diafragmy nebo membrány, uvolňují se bubliny plynu oky elektrod a stoupají elektrolytem. Přepážky zajišťují směrování proudu bublin, vznikajících na povrchu elektrody, omezeném hranami dvou přepážek, nahoru elektrolytem nacházejícím se ve svislém kanálu, bočně omezeném uvedenými přepážkami.

Jestliže velká část omezené plochy elektrody odpovídá střídavě malému průtočnému průřezu a naopak pro kanál, sousední v řadě, je hustota plynových bublin v prvním kanálu vysoká, zatímco v sousedním druhém kanálu je hustota plynových bublin podstatně nižší. Působení rozdílu velikosti vzájemných sil viskozity mezi stoupajícími plynovými bublinami a kapalinou proto vyvolává pohyb elektrolytu v prvním kanálu směrem vzhůru, který je příčinou pohybu elektrolytu, nacházejícího se v sousedním kanálu, směrem dolů. Tak lze tedy vyvolat neomezenou řadu recirkulačních pohybů, rovnoměrnou podél celé plochy elektrody, které uvedou do pohybu veškerý elektrolyt v oddělení.

Přepážky mohou být zhotoveny z jakéhokoliv netečného materiálu, odolávajícího působení elektrolytu a produktů elektrolýzy, je však vhodnější, působí-li zároveň jako vodiče elektrického proudu a opěry pro elektrody.

Některá výhodná provedení vynálezu jsou v následujícím textu popsána s odkazem na přiložené výkresy, které znázorňují:

— obr. 1 půdorys dvou bipolárních prvků bipolárního elektrolyzéru s diafragmou podle vynálezu, — obr. 2 zvětšenou část obr. 1, — obr. 3 dílčí půdorys bipolárního prvku bipolárního elektrolyzéru s diafragmou podle jiného provedení vynálezu, — obr. 4 řez v rovině 4 — 4 z obr. 1 — obr. 5 zvětšený detail půdorysu bipolárního prvku, charakterizující bipolární elektrolyzér s diafragmou podle dalšího výhodného provedení vynálezu, — obr. 6A а 6B perspektivní potňedy na anodové strany bipolárního prvku bipolárního elektrolyzéru podle vynálezu, a — obr. 7 bokorys sestaveného bipolárního elektrolyzéru podle vynálezu.

Obr. 1 znázorňuje dva bipolární prvky, představující řadu prvků, tvořících bipolární elektrolyzér s diafragmou, vhodný pro elektrolýzu roztoku chloridu sodného a obr.

jejich zvětšený detail, přičemž každý bipolární prvek je tvořen bipolární stěnou 1, zhotovenou z dvojkovu, získaného spojením výbuchem a/nebo laminací. Dvojkov sestává z desky z oceli nebo jiného vhodného katodového materiálu, která tvoří katodovou stěnu 101, o tloušťce 7 až 15 mm a válcovaným plechem z titanu nebo jiného materiálu, který tvoří krycí vrstvu 102 o tloušťce cca 1 až 2,5 mm. Obdélníkový rám je zhotoven ze svařených ocelových nosníků 2 o tloušťce 15 až 30 mm. Plochy rámu, tvořící anodové oddělení, jsou plátovány titanovým nebo jiným krycím plechem 22, těsně svařeným s krycí vrstvou 102 bipolární stěny 1.

Lichoběžníkové anodové kanály 3 z titanového plechu o tloušťce v rozmezí 1,5 až mm, jsou s výhodou svařeny v místech štěrbin nebo otvorů, vyražených ve dně anodových kanálů 3 na krycí vrstvě 102. Anodové kanály 3 probíhají svisle po téměř celé výšce anodového oddělení a končí v určité vzdálenosti, řádově několik centimetrů, s výhodou alespoň 3 cm, od vnitřní plochy rámu. Anodové kanály 3 jsou rovnoměrně s odstupy rozmístěny v celé šířce anodového oddělení.

Anoda 4 je tvořena sítkem nebo mřížovým plechem z titanu nebo jiného kovu, povlečeného vrstvou odolného nepasivovatelného materiálu, jaký je například popsán v patentových spisech Sp. st. am. č. 3 711 385 a číslo 3 778 307. Vhodné anodové povlaky mohou být tvořeny kysličníky kovů platinové skupiny, vodivými smíšenými kysličníky neušlechtilých kovů, jako například perovskity, spinely a podobně. Sítko nebo mřížový plech může být přivařen k hranám anodových kanálů 3, které jsou koplanární, avšak, jak biude patrné z následujícího textu, rovněž k nim být přivařeny nemusí.

V závislosti na ' hloubce anodového oddělení 61 jsou sklony přepážek . 31, 32 lichoběžníkových anodových kanálů 3 a vzdálenost 62 mezi anodovými kanály 3 takové, aby se poměr šířky 63 části plochy anody 4 omezené dvěma hranami přepážek 31, 32 anodového kanálu 3 a šířky průtočného průřezu anodového kanálu 3 lišil od poměru mezi šířkou 64 plochy anody 4 omezené dvěma přepážkami 31, 32 dvou sousedních anodových kanálů 3 a průtočného průřezu, definovaným týmiž dvěma přepážkami 31, 32 dvou sousedních anodových kanálů 3.

Není důležité, který z uvedených dvou poměrů je větší, avšak je důležité, aby se vzájemně lišily. Pro toto provedení může být jeden z poměrů 1,5- až 8krát větší, než druhý, například v případě výšky anodového kanálu 3 1 m je výhodné, je-li jeden poměr 3- . až 5krát větší než druhý. Podle provedení, znázorněného na obr. 1 -a 2, je poměr plochy anody 4 ku ploše průtočného průřezu anodového kanálu 3 třikrát větší než poměr mezi plochou anody 4 a plochou průtočného průřezu mezi dvěma sousedními anodovými kanály 3.

Jak bylo popsáno pro případ anodové strany bipolárního prvku, jsou i lichoběžníkové katodové kanály 5 z ocelového, niklového nebo jiného plechu o tloušťce 1,5 — 3 mm, odolávajícího působení hydroxidu sodného a vodíku, přivařeny ke katodové stěně 101 bipolárního prvku, s výhodou přímo proti odpovídajícím anodovým kanálům 3. I v tomto případě probíhají lichoběžníkové katodové kanály 5, vytvořené z přepážek 51 52, svisle téměř v celé výšce katodového oddělení a končí ve vzdálenosti 3 cm od vnitřní plochy rámu. Katoda 6 je tvořena sítkem nebo mřížovým plechem z oceli, niklu nebo jiného materiálu, odolávajícího působení hydroxidu sodného a vodíku. Katoda 6, tvořená sítkem nebo mřížovým plechem, může být . přivařena, i když to není nutné, ke koplanárním hranám skloněných stran lichoběžníkových katodových kanálů 5.

Poměry mezi částmi rozdělené katodové plochy a odpovídajícími průtočnými průřezy se mohou měnit, jak bylo popsáno pro anodovou stranu, v rozsahu mezi 1,5 a 8. Například pro výšku katodového oddělení cca 1 m je tento poměr s výhodou mezi 3 a 5,

Bipolární prvky jsou pomocí táhel nebo hydraulických nebo pneumatických sklíčidel staženy mezi dva monopolární koncové anodové a katodové prvky, čímž vznikne bipolární elektrolyzér o velké kapacitě.

Jak je znázorněno na obr. 1, je mezi anodou 4 bipolárního prvku a katodou 6 sousedního bipolárního prvku v řadě uspořádána diafragma 7, kterou tvoří membrána, propouštějící kationty, v podstatě nepropouštějící plyn a kapalinu. Jeden typ vhodné membrány je tvořen tenkým filmem kopolymeru tetrafluoretylénu a perfluorsulfonyletoxyvinyléteru o tloušťce několika desetin mm. Mezi těsnicími plochami ocelových nosníků 2 rámu a diafragmou 7 jsou vložena těsnění 8.

Po sestavení bipolárního elektrolyzéru se jak anoda 4, tak i katoda 6 téměř dotýkají diafragmy 7, avšak mohou být umístěny i v určité vzdálenosti od povrchu diafragmy 7, která není obecně větší než 2 mm. Jak anoda 4, tak i katoda 6 mohou být tvořeny pórovitými vrstvami elektrovodivého, elektrochemicky odolného materiálu, přilepeného a zalitého na jednotlivých stranách diafragmy 7, například pomocí nalisování za tepla. V tomto případě slouží anoda 4 a katoda 6 jako rozdělovač proudu a sběrač pro elektrody, přilepené na plochách . diafragmy 7. Elektrický kontakt mezi elektrodami a odpovídajícími rozdělovači a sběrači je zajišťován a udržován mechanickým tlakem, kdy anoda 4 a katoda 6 působí tlakem v rozmezí 10 — 100 kPa na plochu diafragmy 7 nesoucí přilepené elektrody. Dojde-li při montáži bipolárního elektrolyzéru k přitlačení anody 4 a katody 6 na diafragmu 7, není zapotřebí svářet tyto elektrody s koplanárními hranami anodového kanálu 3 a katodového kanálu 5, nýbrž elektrody mohou s ' výhodou na těchto hranách pouze spočívat. Tlak sevření je postačující pro zajištění dobrého elektrického kontaktu mezi hranami kanálů 3, 5 a elektrodami. Dále bodové svary neomezují šikmé strany kanálů 3, 5, - a proto se konstrukce vyznačuje určitou elasticitou, pročež se mohou šikmé strany mírně ohýbat a tím· v rámci určitých mezí kompenzovat malé odchylky rovinnosti a rovnoběžností mezi anodou 4 a katodou 6. Přepážky 31, 32 anodových kanálů 3 a přepážky 51, 52, tvořící šikmé strany katodových kanálů 5 kromě toho, že působí jako hydrodynamické ústrojí, působí také jako zařízení pro rozvádění proudu k elektrodám bipolárního elektrolyzéru, vzniklého sestavením potřebného počtu bipolárních prvků.

Obr. 3 znázorňuje jiné provedení bipolárního elektrolyzéru podle vynálezu, ve kterém jsou části, vykonávající stejnou funkci, označeny stejnými vztahovými značkami jako na obr. 1 a 2. U tohoto. provedení jsou kanály 3, 5 tvořeny svařením řady kanálů 3, 5 o průřezu ve tvaru V na dvou stranách bipolární stěny 1 a na rozdíl od obr. 1 a 2 dochází к elektrickému kontaktu s anodou 4 a katodou 6 na vrcholu kanálů 3, 5. Pevnost kontaktních bodů, tvořených kanály 3, 5, svařenými podél jejich odpovídajících volných hran s plochou bipolární stěny 1 činí elektrické svařování anody 4 a katody 6 s vrcholy kanálů 3, 5 snadnějším a tato konstrukce může být považována za výhodnější v případě, mají-4i být elektrody vzdáleny od diafragmy 7 a musí být svařeny s kanály 3, 5.

I v tomto případě se liší poměr mezi částí povrchu elektrody, omezenou dvěma hranami ^kanáhi ³, 5 a je^ho průtočným ^průiřezem, od poměru mezi části povrchu elektrody mezi dvěma sousedními kanály 3, 5 a průtočným průřezem mezi nimi. V tomto zvláštním případě je část povrchu elektrody omezena ^dvěma hranam:l ^kaná^lů 3 5, v podstatě rovna nule, a proto je splněn důležitý požadavek, aby se oba poměry lišily. Jak je zřejmé z obr. 3, mohou být kanály 3, 5 vytvořeny svařováním a místo řady individuálních kanálů 3, 5 přivařením vhodně zvlněného plechu na povrch bipolární stěny 1.

Obr. 4 je bokorys bipolárních prvků podle obr. 1 uvažovaný v linii řezu 4 — 4. Na dně anodových oddělení je vytvořen přívod 9 anolytu, zatímco odvod 10 anolytu a anodic^kého ^plynu je u^praven na horrn stran^ě rámu. Podobně jsou i katodová oddělení opatřena přívody 11 vody nebo zředěného hydroxidu sodného a odvody 12 hydroxidu sodného a vodíku.

^{V p}růb^ěhu mnnosti ^bipo^lárn^ího elektrolyzéru prochází elektrolytický proud celou řadou elementárních buněk od koncového anodového prvku každým bipolárním prvkem od katody elementární buňky katodovými žebry, bipolárním separátorem, anodovými ' žebry a anodou sousední elementární buňky a tak dále ke katodovému koncovému prvku. Plynný chlor vzniká na anodě 4 ve formě drobných bublinek, procházejících oky anody 4 a stoupajících směrem vzhůru solným roztokem v anodovém oddělení. Solvatované sodíkové ionty prostupují diafragmou 7 a dostávají se na povrch katody 6, kde se slučují a vzniká hydroxid sodný.

Vodík, vznikající na katodě 6 ve formě drobných bublinek, prochází oky katody 6 a stoupá vzhůru katolytem v katodovém oddělení.

Jak je patrné z obr. 1 a 2, stoupá množství chloru, vznikajícího na povrchu anody 4, odpovídající šířce 64, průřezem anodového kanálu 3, definovaného přepážkami 31, 32 dvou sousedních anodových kanálů 3. Jelikož jsou v obou případech poměry mezi množstvím chloru, to jest, části povrchu anody 3, a průtočným průřezem odlišné, zejména, jelikož je první mnohem větší než druhý, je anoiyt v anodovém kanálu 3 tlačen vzliůru vzhledem ^k v^ět^ší hustoto ^bubhn ^pl^ynu a tento poh^yb směrem vzMru v^yvo lává pohyb elektrolytu vně anodového kanálu 3 směrem dolů, kde je hustota bublin plynu mnohem nižší. Proto dochází po celé šířce anodového oddělení 61 ke vzniku složitých recirkulačních pohybů, což vyvolává plynulý oběh celého objemu anolytu. Poté dochází k bezprostřední cirkulaci koncentrovaného solného roztoku, přiváděného v dolní části anodového oddělení SI vtokovým přívodem 9 anolytu, čímž je zabráněno vzniku gradientů koncentrace a je zajištěna rovnoměrnější činnost po celém povrchu anody 4.

Většina bublin plynného chloru opouští oddělení výstupním odvodem 10 anolytu v jeho horní části — viz. obr. 4 — spolu s vyčerpaným anolytem, odpovídajícím objemu koncentrovaného solného roztoku, přiváděného v dolní části anodového oddělení 61. Vodíkové bubliny působí v podstatě stejným účinkem v katolytu. Voda nebo zředěný hydroxid sodný, přiváděný na základě katodového oddělení přívodem 11 vody podléhá bezprostřední cirkulaci, což zamezuje tvorbu gradientů koncentrace a zajišťuje vhodnou koncentraci hydroxidu sodného po celém povrchu katody 6. Vysoká rychlost katolytu podél katody 6 vyvolává rychlejší ředění silně alkalického filmu, vytvářeného na povrchu katody 6.

^Obr. 5 zn^omuje v^yívo^ření elektric^kého spojení mezi katodou 6 a anodou 4 každého bipolárního prvku prostřednictvím krycí vrstvy 102 a přepážek 31, 32, nakloněných vzhledem ke kolmé rovině. Obr. 5 je zvětšený detail rovinného řezu bipolárním prvkem podle vynálezu, zhotoveného následujícím způsobem.

V bipolární stěně 1 z oceli nebo jiného vhodného katodického materiálu je zhotovena řada krážek 103, uspořádaných rovnoběžně ve stejné vzájemné vzdálenosti, probíhajících téměř přes celou výšku bipolární stěny 1, a končících několik centimetrů od její horní a dolní hrany. Z dvojkovové desky —- vrstva titanu o tloušťce 1 až 2 ' mm, vrstva mědi nebo jiného, vysoce vodivého kovu, odolného proti migraci vodíku o tloušťce 4 až 10 mm — jsou nařezány pásky 104 o šířce 1 až 3 cm a délce, odpovídající přibližně délce drážek 103. K měděná sírane pásků 104 je v rovnoměrných vzdálenostech připájen jeden nebo více šroubů 105, zhotovených s výhodou z mědi.

Pásky 104 jsou pak zasunuty do drážek 103 a měděné šrouby 105 procházejí otvory 106, vyvrtanými ve dně drážek 103. Na měděné šrouby 105 jsou našroubovány víčkové matice 107 z oceli nebo jiného vhodného katodového materiálu. Hydraulické utěsnění zaj^išťuje tosněm ne^bo s výho^b ja^k je zn^ázorněno na obr. 5, svár 108. Na povrchu katodové stěny 101 je uložena tenká krycí vrstva 102 z titanu nebo jiného kovu.

Titanový plech je s výhodou opatřen řadou otvor^ů nebo ^štěr^bin, v rnc^hž jsou za223889 chyceny pásky 104, a anodové kanály 3 jsou opatřeny štěrbinami nebo otvor^y, toaxtalrnmi se ^štěr^binamⁱ ne^bo otvory ptechu ^krym vrstvy 102.

Z^působem o^ovídajímm otvorům ne^bo štěrbinám pro svařování, jsou jak anodové kanály 3, tak i krycí vrstva 102 svařeny v rámci jediné operace . s titanovou stranou ^pásk^{ů 104}. Na ^katodov^é st:ran^ě jsou botové kanály 5 svařeny s víčkovými maticemi 107. Bipolární prvek může být nakonec doplněn rámem, opatřeným potřebnými vtokovými a výtokovými otvory, dále titanovým krycím plechem 22 svařeným s tianovou krycí vrstvou 102 a anodou 4 a katodou 6.

Elektrický proud prochází od katody 6, na^klon^ěným^{i k}atodovým^{i k}an^{ály 5}, víovými matⁱcem^{i 107,} m^ěděnými šrouby ¹⁰⁵ a je rozváděn měděnou tyčí pásku 104 k nakloněným anodovým kanálům 3. Soustava, znázorněná na obr. 5, skýtá výše uvedené výhody zásluhou použití nákladných dvojkovových desek, zhotovených z příslušného kovu a oceli.

Používá se minimální potřebné množství dvojkovu, což přináší značnou úsporu nákladů. Dále lze jako krycí vrstvy 102 pro plátování anody 4 používat velmi tenké plechy z titanu nebo jiného kovu o tloušťce menší než 1 mm, protože svařování anodovýc^{h k}aná^{lů 3} se ^prov^ádí na straně ^pás^ků 104, pokrytých tímto kovem. Je-li užito dvojkovových desek, musí být tloušťka vrstvy titanu nebo jiného kovu postačující k tomu, aby umožnila svaření anodového kanálu 3 bez poškození plátovacího kovu, a proto musí tato tíou^a činit nejmén^{ě 1} mm^, a s vý^ho^dou ne m^éně než ^1,5 mm. Vý^ho^dnos^t ře^šení podle vynálezu vyplývá z použití menšího množství ventilového kovu.

^Dal^ší významn^á vý^ho^da spo^čívá v . tom^, že elektrický proud je v podstatě veden mědí přes vrstvu 102, takže ohmické ztráty, vznikající tímto průchodem proudu, jsou minimální. Měď rovněž působí jako materiál bariéry proti pronikání atomárního vodíku z povrchů katody 6 z oceli, vynikajícího materiálu, propouštějícího atomární vodík, k titanu, tvořícímu . plátování anody 4 a anodové . kanály 3. Tloušťka měděné bariéry je více než dostatečná k praktickému zadržení migrace vodíku k titanu nebo jinému kovu v ^bo^dovýc^h svarec^h ano^dových ^kan^ál^{ů 3} na stran^ě to^hoto ^kovu u ^pás^ků ^4, čtaž je zabráněno zkřehnutí, vyvolanému působením atomárního vodíku na uvedený kov.

Případně mohou být pásky 104 průběžně pájeny do drážek . 103, k čemuž se používá m^ěděnýc^h tymne^ ^proc^házejícíc^h ocelovou deskou. V tomto případě je proud veden vysoce vodivými dvojkovovými pásky 104 k ocelové desce a katodová žebra mohou pak být svařena přímo s katodovou stranou ocelov^{é d}esky^, jak je znázorn^ěno na obr. ¹ až 4.

Obr. 6A je perspektivní pohled na bipolární prvek podle vynálezu z anodové strany.

I na tomto výkrese označují stejně vztahové zna^čky stojn^{é p}rv^ky, ja^ko v pře^dchozíc^h výtoesecto Ano^dov^é o^ddělení^, vymezené vnitřním^{i pl}oc^hamⁱ ocelovýc^h nosnftů ², ^ploc^hou^, opatrénou ^kovovým ^pláštěm a konstrukci anody 4, je dokonale odděleno od katodového oddělení na druhé straně krycí vrstvy ¹⁰2. Anodov^{é př}e^páž^{ky 31, 32} Odstavované nakloněnými stěnami anodových kanálů 3, dělí anodové oddělení v řadu svislých anodových kanálů 3, v nichž v důsledku . střídavě rozdílného množství uzavřeného plynu, stoupajícího jednotlivými anodovými kanály 3, dochází k oběhu, schematicky znázorněnému šipkami.

Obr. 6B je perspektivní pohled ze strany anody 4 na bipolární prvek dalšího provedení . vynálezu, u něhož mohou být přepážky navoněny střtoavě jedním a ^druhým smírem vzhledem ke svislé rovině, kolmé k ploše krycí vrstvy 102, v jiném směru, to jest podélně místo příčně. Jinými slovy mohou probíhat od povrchu krycí vrstvy 102 kolmo k tomuto povrchu, i když jsou střídavě nakloněny jedním a druhým směrem, vzhledem ke svislé rovině, kolmé k povrchu krycí vrstvy 102. Tímto způsobem se svislé průtočné kanály obrací, takže mají obdélníkový průřez, který se směrem vzhůru střídavě zvětšuje a zmenšuje. I v tomto případě proch^ází ^plyto omezený jře^žlíam^ ^bo^čně definující ano^dový kan^ái ³, ^pr^ůto^čnou Sochou, která se liší od průtočné plochy sousedního anodového kanálu 3, čímž dochází ve dvou sousedních anodových kanálech 3 ^k výsk^ytu r^ůzn^é hustot^y bublmek pl^ynu. ^To v^yvo^lává ^po^hyb elektrotytu směrem vzhůru v anodovém kanálu 3 s vyšší hustotou bublinek plynu a současně pohyb elelktrolytu směrem dolů v sousedním anodovém kanálu 3.

^pre^pážky ano^dov^ého ^kanálu ³ probíhaj^í od krycí vrstvy 102 k anodě 4 směrem, kolmým k uvedeným dvěma plochám a jsou střídavě nakloněny jedním a druhým směrem, podélně vzhledem ke svislé rovině, kolmé k těmto plochám. Proto je podél celé šířk^y o^ddělen^í v^ytvo^řena řa^da svisech průtočných ^kan^álů s ^pг^ůгezem^, ktorý se směrem vzh^ůru stn^dav^ě . zmenšuje a zvětéuje. NapříMad svteté ^kan^ál^y 65, 66 maj^í průřez^y, ^které se sm^ěrem vzhíiru zmenšují, zatímco sousední svislý kanál má průřez, který se směrem vzhiůru zvětéuje. ^pl^yto vznikající na anod^{ě 4}, prou^dí ok^y ano^dy · ⁴ a je na své dráze směrem vzhůru zachycován přepážkami anodových kanálů 3. Uvažujeme-Ii jednotlivé průtočné průřezy dvou anodových ^kan^{álů 3} v uréité vý^šce^, existuje veteá ^hustota . bublmek v elektrotytu ve svistych ^kan^álec^{h 65, 66,} zatímco mnohem mž^{ší h}ustotu lze pozorovat v sousedním kanálu, jelikož jeho plocha anody 4, to jest množství uzavřeného plynu, je mnohem menší než v p^řípa^dě svistych kanálů ^65, 66. Elektrolyt ve svislém kanálu 65 je proto proháněn směrem vzMr^ zatímco odjpovídapm o^bjem e223889 lektrolytu v sousedním svislém kanálu je tlačen směrem dolů. Tímto způsobem jsou vyvolávány recirkulační pohyby, schematicky znázorněné šipkami.

Obir. 7 je schematický bokorys bipolárního elektrolyzéru podle vynálezu, který je tvořen koncovým anodovým prvkem 13, spojeným s ^kla^dným potem ^prou^dov^ého zdroje, přičemž koncový anodový prvek 13 je tvořen pouze anodovým oddělením a vlastní anodou 4, podobnou anodě 4 bipolárních prvků, popsaných v souvislosti s předchozími výkresy. Určitý počet bipolárních prvků 14, podobných výše popsaným prvkům, tvoří jednotky bipolárního elektrolyzéru, elektricky spojené do série, a bipolární ' etoktrolyzér je pak doplněn koncovým katodovým ^prv^kem ^15, spojeným se záporným polem proudového zdroje. Koncový katodový ^prvek ¹⁵ je ^tvo^řen jemným katodovým oddělením a katodou 6 spolupracující s anodou 4 posledního bipolárního prvku 14. Bipolární elektrolyzér může být stažen dvěma svěrnými deskami 16, pomocí táhel 17 nebo, . jak je znázorněno na výkrese, pomocí hydraulických nebo pneumatických napínáků.

V následujících příkladech jsou popsána různá výhodná provedení vynálezu. Rozumí se však, že vynález není omezen na tato určitá provedení.

Příklad 1

Bipolární elektrolyzér podle vynálezu s konstrukcí podle obr. 1 měl následující geometrické parametry:

— hloubka anodového oddělení2 cm — hloubka katodového oddělení2 cm — výška oddělení 100 cm — šířka oddělení 150 cm — svislá délka kanálů90 cm — poměr jednotlivých poměrů mezi omezenou plochou elektrody a plochou průtočného průřezu dvou sousedních průtočných ^kaná^{lů 3,5}

Dva bipolární prvky byly vsunuty mezi anodový a katodový koncový prvek v soustavě, tvořeto ^třemⁱ elemeiitrnmnm eleJktrolyzéry. Diafragma byla tvořena katlontovou membránou. Solný roztok o^bsahujím ³°0 g/1 chloridu sodného, okyselený kyselinou solnou na hodnotu pH 3,5, byl přiváděn do spodní části anodových oddělení bez vyvolání recirkulace anolytu z vnějšku. Mezitím byla přiváděna voda do dolní části katodových oddělení. Provozní podmínky byly následující:

— teplota 00 °C — proudov^á hustoto 2⁵⁰⁰ A/m² — koncentrace anolytu na výstupu anodových o^ddělení °60 g° — koncentrace katolytu na výstupu ^kato^dovýc^h o^ddělern ²⁰ %

Napětí elementárního bipolárního elektrolyzéru činilo 3,0 V a katodová proudová ú^činnos^{t b}yla ⁰³ %.

Příklad 2

Jako referenční bipolární elektrolyzér byl použit bipolární elektrolyzér stejných geometrických rozměrů jako bipolární elektrolyzér podle příkladu 1 s tou výjimkou, že místo svislých kanálů bylo uspořádáno několik svislých žeber, kolmých k rovině krycí vrstvy, jejichž tloušťka činila dvojnásobek ^tloušť^ky plechu, tvonctoo ^kanál^y poďle příkladu 1. I v . tomto případě byla mezi bipoterrn prv^ky umístěna ^katⁱontov^á membrána tvořící diafragmu.

Za stejných provozních podmínek činilo napětí elementárního bipolárního elektrolyzéru 4,1 V, zatímco katodová proudová ú^činnost b^yla pouze 88 %.

Poté byla zvýšena rychlost toku koncentrovaného solného roztoku, přiváděného do anodových oddělení, za účelem dosažení vysoké koncentrace anolytu, opouštějícího anodová oddělení, ve snaze opakovat napětí a proudovou účinnost příkladu 1. Výsledky jsou uvedeny v následující tabulce:

223889 .....
15	16 Katodová proudová · činnost %
Koncentrace anolytu . mimo anodová oddělení g/1	Napětí elementárního elektrolyzéru V
220	4,1	88
250	4,0	89
280	3,9	91

Poté byla ' při ' udržování ' rychlosti toku tak, ' aby koncentrace vyčerpaného anolytu ^byla 280 g/1, _ část tototy^ od^čer^paná z ^katodových oddělení, plynule vracena do spodní části oddělení prostřednictvím · recirkulační trubky, což udržuje koncentraci kato lytu, ’'plynule odváděného ze systému, . na instantní todnoté, to ' jest ²⁰ % ^: hmotnostních NaOH. Rychlost recirkulace byla postupn^ě zv^yšována zm^ěnou vý^konu recir^ku^la^čn^ího ^čerpadla. Výsle^{dky :} jsou uve^den^y v následující tabulce:

Rychlost recirkulace katolytu elementárním ^{: :} Kato^dov^{á p}rou^dová‘ účinnost elektrotyzéru %

V .

Ze srovnání provozních údajů příkladů 1 a 2 jsou zřejmé výhody vynálezu. Výsledků, podobných výsledkům podle vynálezu, lze jinak . dosáhnout pouze použitím pomocných zařízení, které je však spojeno s nadměrně vysokými náklady, vyplývajícími z použití čerpacích zařízení a především větších kapacit zařízení pro resaturaci a čištění solného roztoku.

Zlepšený způsob elektrolýzy roztoku chloridu sodn^ého v ^bipo^lárn^ím ele]ktro^lyzéru^, opatřeném diafragmou a vybaveném elektrodami spočívá v provádění elektrolýzy v odděleních s elektrodami, . naplněných elektrolytem, v rozdělení oddělení v řadu svislých ^pr^ůtočných ^kan^álů, probtoapcmh po téměř celé výšce oddělení s řadou přepážek o šířce, odpovídající hloubce oddělení . a . střídavě nakloněných v jednom a druhém směru, vzhledem k svislé rovině, kolmé k rovině oddělupm stén^y _: a vz^ájemn^ě odřených tak že poměr . mezi plochou elektrody, to jest množstvím plynu, omezenou hranami dvou přepá^k definujmmh svislý průtočný ^kaa jeho ^průto^čným ^prů^řezem se ^liší od poměru mezi plochou elektrody, to jest množstvím plynu, omezenou hranou jedné ze dvou výše uvedených přepážek a přepážkou sousední v řadě a průtočným průřezem

3,991

3,992

3,992 kanálu, sousedního v řadě s výše uvedeným kanálem, dále v přivádění koncentrovaného solného roztoku v dolní části anodových odd&em a vo^dy neho zře^děného to/droxtéu sodného s výhodou v dolní .části . katodových oddělení, čímž se vyvolají složité '' . . recirkulační pohyby v celém . objemu elektrolytu, nacházejícím se v odděleních, přičemž recir^ačrn po^hyby jsou v ^důsl'e^dku různ^é hustoty plynových bublin v sousedních kanálech rozloženy po celé šiřce oddělení.

Způsob podle . vynálezu, při kterém se vyvolávají recirkulační pohyby v odděleních s ele^ktrodamⁱ bipolárntéh elelrirotyz^ů opatřených diafragmou a vybavených svislými elektrodami, bude užitečný i pro jiné elektrolytické procesy, při kterých dochází k uvolňování plynu, jako je například elektrolýza vody, kyseliny solné, chloridu lithia a/nebo draselného. Pře^pá^žky mohou. být rovněž zhotoveny . z ^plastic^ké hmoty a mohou být upevněny do existujících elektrolyzérů, ve kterých se rozvádění proudu k . elektrodám ^prov^ádí pomorn svistych. ^kovovýc^h žeber, kolmých k rovině elektrody, nebo pomocí rozdělovačů různého tvaru.

V rámci vynálezu lze provést četné další modifikace zařízení podle vynálezu.

; 2 : 3 ^-8 8 9

Claims (8)

1. PŘEDMĚT

   1. Bipolární elektrolyzér s diafragmou nebo membránou, který je sestaven z pláště, ve kterém je uspořádán koncový anodový prvek, koncový katodový prvek a řada bi^pol^árních ^prv^k^ jejichž hlavtó rozmě-r^y leží v podstatě ' ve svislé rovině, a které jsou tvo^řen^y bipolární sténo^ oddělující anodové oddělení a katodové oddělení, svislými děrovanými elektrodami, uspořádanými rovnoběžně v určité vzdálenosti od ' bipolární stěny a diafragmaml oddělujícími od sebe anody a katody, vyznačující se tím, že po celé výšce prostoru a mezi anodou (4) a katodou (6) je uspořádána řada přepážek (31, 32, 51, 52), které probíhají od bipolární stěny (1) k anodě (4) a katodě (6) a tvoří řady svislých anodových kanálů (3) a ^katodovýc^{h k}aná^lů (5^ proMtojm^ podél bipolární stěny (1), přičemž ' přepážky (31 32, 51, ⁵²) jsou stMavě na^klon^ěn^y jedmm a ^dru^hým směrem vzlete ^ke svteté rovině, kolmé k rovině bipolární stěny (1), uspořádány s odstupy (62) a poměr plochy anody (4) nebo katody (6) omezené hranami dvou přepážek (31, 32) nebo přepážek (51, 52) bočně vymezujících svislý anodový kanál (3) nebo katodový kanál (5) k jeho průtočnému průřezu je odlišný od poměru plochy anody (4) nebo katody (6) mezi sousedními anodovými kanály (3) nebo katodovými kanály (5) k průtočnému průřezu prostoru mezi sousedními anodovými kanály (3) nebo katodovými kanály (5).
2. 2. Bipolární elektrolyzér podle bodu 1, vyznačující se tím, že anodové kanály (3) vynalezu a katodové kanály (5) mají konstantní příčný průřez.
3. 3. Bipolární elektrolyzér podle bodu 1, vyznačující se tím, že přepážky (31, 32, 51 52) jsou stndav^{ě p}o^déki^ě na^kloněn^y v je^dnom směru a směru opačném vzhledem ke svislé rovině, kolmé k - bipolární stěně (1) a tvoří ve ' svislém ' směru střídavě se rozbíhající a zužující anodové - kanály (3) a katodové kanály (5).
4. 4. Bipolární elektrolyzér podle bodů 1, 2 a 3, vyznačující __ se - tím, že přepážky (31, 32, 51, 52) jsou z kovu a elektricky spojeny s anodou (4) a katodou (6), a s bipolární stěnou (1).
5. 5. Bipolární elektrolyzér - podle bodu 2, vyznačující se tím, že anodové kanály (3) a ka^tO^dov^é kanáty (⁵) ^př^iléhaj^í к bipolární stěně (1) - svou užší základnou.
6. 6. Bipolární elektrolyzér podle bodu 2, vyznačující se tím, že anodové kanály (3) a katodové kanály (5)- mají trojúhelníkový průřez a přepážky (31, . 32, 51, 52) jsou svými hranami spojeny s bipolární stěnou (1).
7. 7. Bipolární - elektrolyzér podle bodu 3, vyznačující se tím, že přepážky (31, 32, 51, 52) jsou tvořeny kovovými žebry, kolmými k rovině bipolární stěny (1) a střídavě podélně nakloněnými ' v jednom směru a směru opačném vzhledem ke - ' svislé rovině, kolmé k rovině bipolární stěny (1).
8. 8. Bipolární elektrolyzér podle bodu 1, vyznačující se - tím, ' že anoda (4) a přepážky (31, 32) anodových kanálů (3) jsou z netečného kovu, přičemž anoda (4) je děro^vaná.