EA028920B1

EA028920B1 - Способ модифицирования электролитических ячеек с конечным зазором

Info

Publication number: EA028920B1
Application number: EA201591914A
Authority: EA
Inventors: Федерико ФУЛЬВИО; Дмитрий Донст; Петер ВОЛЬТЕРИНГ; Дирк ХООРМАНН; Филипп ХОФФМАНН; Микеле Перего; Алессандро Фьоруччи; Кристоф Хоенбергер
Original assignee: Тиссенкрупп Уде Клорин Энджинирз (Италия) С.Р.Л.
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2014-04-10
Publication date: 2018-01-31
Also published as: PL2984208T3; WO2014167048A1; KR20150140347A; CA2900436C; BR112015025751B1; US20160032468A1; ITMI20130563A1; CN105209665A; JP2016518522A; CN203904468U; BR112015025751A2; EP2984208B1; US9797051B2; EP2984208A1; JP6423856B2; KR102274662B1; EA201591914A1; CA2900436A1; CN105209665B

Abstract

Изобретение касается способа модифицирования мембранной электролизной ячейки, при котором осуществляют формообразование жесткого катода пластической деформацией его областей в совмещении с катодными опорами; на упомянутый жесткий катод накладывают предварительно отформованную проводящую упругую деталь, имеющую сжатые области в совмещении с упомянутыми катодными опорами; на упомянутую проводящую упругую деталь накладывают гибкий плоский катод, снабженный каталитическим покрытием. Изобретение касается также модифицированной соответствующим образом электролизной ячейки.

Description

Изобретение относится к способу модифицирования мембранных электролизных ячеек, смонтированных с конечным межэлектродным зазором.

Предпосылки изобретения

Промышленные электролитические процессы, например электролиз щелочных рассолов, в особенности рассола хлорида натрия, предназначенного для получения хлора, каустической соды и водорода, обычно проводят в электролизерах, состоящих из множества электролитических ячеек, разделенных сепаратором, например ионообменной мембраной, на два отделения, анодное и катодное, каждое из которых содержит электрод.

В обычно используемой основной конструкции предусматривается, что анодное отделение содержит жесткий анод, обычно состоящий из перфорированной пластины, или растянутого листа, или металлической сетки, покрытых внешней электрокаталитической пленкой, содержащей оксиды благородных металлов. Конструкция катодного отделения может предусматривать разные типы механического устройства. Более конкретно, установка катодов в катодном отделении может выполняться согласно двум основным механическим вариантам конструкции. Первый вариант предусматривает катод в непосредственном контакте с мембраной (этот вариант известен среди специалистов в данной области техники как "нулевой зазор"), а катод, отстоящий от мембраны с зазорами 1-3 мм (этот вариант известен среди специалистов в данной области техники как "конечный зазор"). В этом втором технологическом варианте необходимость поддерживать определенное расстояние между анодной и катодной поверхностями, приблизительно 2-3 мм, означает, что напряжение на ячейке ухудшается из-за составляющей, связанной с его омическим падением, создаваемым переносом тока в жидкой фазе между катодом и мембраной, поскольку напряжение на ячейке прямо пропорционально потребляемой энергии, обычно выражаемой в киловатт-часах (кВт-ч) на тонну хлора или каустической соды, а отсюда вытекает экономическая неэффективность такого процесса. Чтобы преодолеть эту проблему, устройство мембранных электролитических ячеек, особенно для хлорщелочного электролиза, со временем претерпело основные изменения, которые привели к катодным конструкциям, позволяющим приводить поверхность катода в контакт с мембраной, и этот результат обозначается вышеупомянутым определением "нулевой зазор". Ввиду всевозрастающей стоимости энергии, неблагоприятной экономичности и выполнимости, приведших к полному изъятию и замене ячеек с "конечным зазором", возникла очевидная необходимость в технологии, позволяющей преобразовывать такие ячейки в существующих электролитических установках в более эффективные по технологии "нулевого зазора" с сохранением преимуществ существующих материалов и конструкции ячейки.

Сущность изобретения

Различные аспекты изобретения излагаются в прилагаемой формуле изобретения.

Согласно одному аспекту изобретение относится к способу модифицирования (переоснащения) электролизной ячейки, включающей ограниченное задней стенкой катодное отделение и анодное отделение, разделенные ионообменной мембраной, причем катодное отделение содержит жесткий катод плоской геометрии, прикрепленный к катодным опорам, и этот плоский жесткий катод поддерживается с зазором 1-3 мм от ионообменной мембраны, анодное отделение содержит анод в контакте с ионообменной мембраной, при этом способ включает одновременные или последовательные этапы:

формообразование упомянутого жесткого катода пластической деформацией областей, находящихся между поверхностями контакта с упомянутыми катодными опорами;

наложение на упомянутый жесткий катод предварительно отформованной проводящей упругой детали со сжатыми областями в совмещении с поверхностями контакта упомянутых катодных опор с упомянутым катодом;

наложение гибкого плоского катода, снабженного каталитическим покрытием, на упомянутую проводящую упругую деталь.

Вышеуказанный способ дает преимущественную возможность преобразовывать электролитическую ячейку технологического варианта с "конечным зазором" в электролитическую ячейку по технологии с "нулевым зазором" без отходов материала. Фактически такое преобразование не только дает преимущество более равномерного распределения тока при работе, а следовательно, с минимизацией напряжений индивидуальных ячеек, от чего зависит потребление энергии, но и позволяет повторно использовать катод в качестве токоотвода. Таким образом, появляется возможность избежать размонтирования катода с являющейся следствием этого необходимостью снабжать каждую ячейку новым катодным токоотводом.

Термин "формообразование пластической деформацией" используется здесь для обозначения такой деформации, при которой жесткий катод изгибают постоянно (навсегда) для того, чтобы создать объем, способный принять предварительно отформованную соответствующим образом проводящую упругую деталь.

Способ по изобретению может быть применен к электролитическим ячейкам, содержащим жесткие плоские катоды, например, в виде никелевого перфорированного металлического листа или сетки толщиной между 0,4 и 4 мм.

- 1 028920

Г ибкий плоский катод может быть в виде тонкого никелевого перфорированного листа или гибкой плоской сетки толщиной между 0,2 и 0,5 мм, снабженной электрокаталитической пленкой.

В одном варианте осуществления, когда в подлежащих модификации ячейках присутствует анод с так называемой геометрией "жалюзи", способ согласно изобретению включает дополнительный этап наложения и фиксирования плоской анодной сетки, снабженной каталитическим покрытием, на анод в форме жалюзи.

Термин "геометрия жалюзи" используется здесь для обозначения геометрии, получаемой путем произведения надрезов подходящей длины горизонтальными параллельными и расположенными в шахматном порядке рядами на металлическом листе с последующей деформацией листа в соответствии с надрезами таким образом, чтобы образовать множество плиток, например, как описывается в ЕР 1641962.

Наложение и фиксирование, например, сваркой, анодной сетки с плоской геометрией к аноду типа жалюзи позволяет мембране, прижатой на катодной стороне по технологии "нулевого зазора", установить адекватный контакт с анодом без всякого повреждения.

В одном варианте осуществления способ согласно изобретению предусматривает, что жесткий плоский катод подвергают формообразованию пластической деформацией областей, находящихся между поверхностями контакта с катодными опорами, в диапазоне от 1 до 5 мм.

В еще одном варианте осуществления предварительно отформованная проводящая упругая деталь имеет сжатые области в совмещении с поверхностями контакта жесткого катода с катодными опорами толщиной менее 1 мм.

Катодные опоры могут быть в виде параллельных ребер, фиксирующих расстояние между жестким катодом и катодной задней стенкой.

Катодные опоры и анодные опоры могут быть выполнены соответственно из никеля и титана.

Проводящая упругая деталь может быть получена, например, путем наложения друг на друга с совмещением двух или более проводящих полотен из гофрированного металла, либо из "матраца", образованного взаимопроникающими витками, полученными из одной или более металлических проволок, выполненных из никеля, обычно имеющих общую толщину от 2,5 до 5 мм.

Наносимая на катоды и аноды каталитическая пленка представляет собой каталитические пленки с известными в данной области техники составами для выделения водорода на катодной стороне и хлора на анодной стороне, когда модифицированная ячейка является ячейкой для хлорщелочного электролиза.

Согласно следующему аспекту изобретение относится к электролизной ячейке, включающей ограниченное катодной задней стенкой катодное отделение и анодное отделение, разделенные ионообменной мембраной, причем катодное отделение содержит катодные опоры, жесткий распределитель тока, имеющий находящиеся между поверхностями контакта с упомянутыми катодными опорами области, пластически деформированные вдоль вертикальной оси на 1-5 мм, проводящую упругую деталь с областями толщиной в диапазоне от 0,1 до 1 мм в совмещении с поверхностями контакта жесткого распределителя тока с катодными опорами, гибкий катод, состоящий из перфорированного листа или сетки толщиной в диапазоне от 0,2 до 0,5 мм, в равномерном контакте с проводящей упругой деталью на одной стороне и с ионообменной мембраной на другой стороне, причем анодное отделение содержит анод в равномерном контакте с ионообменной мембраной.

В одном варианте воплощения электролизной ячейки анод выполнен из основания в форме жалюзи с плоским перфорированным листом или сеткой толщиной в диапазоне от 0,3 до 1 мм и снабжен зафиксированной на нем электрокаталитической пленкой.

В соответствии со следующим аспектом изобретение относится к электролизеру, состоящему из модульной конструкции из множества элементарных ячеек, полученных вышеописанным способом согласно изобретению.

Далее будут описаны некоторые конкретные варианты реализации, поясняющие примеры способа модифицирования по изобретению со ссылкой на приложенные чертежи, которые имеют своей единственной целью проиллюстрировать соответствующее взаимное расположение различных деталей согласно упомянутым конкретным вариантам реализации изобретения; в частности, чертежи не обязательно выполнены в масштабе.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана сборка секции ячейки, находящейся между двумя катодными опорами, согласно механическому варианту в соответствии с технологией, известной как "конечный зазор".

На фиг. 2 показана сборка секции ячейки, находящейся между двумя катодными опорами, после модифицирования в соответствии со способом по изобретению.

На фиг. 3 показана целая ячейка в сборе после модифицирования в соответствии с изобретением. Подробное описание чертежей

На фиг. 1 показан вид спереди секции ячейки, находящейся между двумя катодными опорами 4 и двумя анодными опорами 11, согласно механическому варианту в соответствии с технологией, известной как "конечный зазор", жесткий распределитель тока с плоской геометрией, действующий как катод 1, обращенный к ионообменной мембране 2 при конечном зазоре 10. Мембрана 2, в свою очередь, покрыта

- 2 028920

и контактирует с анодом, имеющим геометрию жалюзи 3.

На фиг. 2 показан детальный вид фиг. 3. Более конкретно, здесь показан вид спереди секции ячейки, находящейся между двумя катодными опорами 4 и двумя анодными опорами 11, в соответствии с изобретением. Распределитель 1 тока получен путем изгиба катода 1 по фиг. 1 в областях 12 в совмещении с упомянутыми катодными опорами 4. Предварительно отформованная проводящая упругая деталь 5 находится в контакте с распределителем 1 тока на одной стороне и гибким катодом 6 на другой, при этом последний находится в тесном контакте с ионообменной мембраной 2. Ниже ионообменной мембраны 2 изображен анод, состоящий из имеющей каталитическое покрытие плоской сетки 7, приваренной на участок металлического листа с геометрией жалюзи 3.

Фиг. 3 иллюстрирует вид спереди электролитической ячейки согласно изобретению, где показаны две оболочки, катодная и анодная, обозначенные соответственно 8 и 9, распределитель 1 катодного тока, катодные и анодные опоры, соответственно обозначенные 4 и 11, анод, состоящий из листа жалюзи 3, приваренного к плоской катализированной анодной сетке 7, и гибкий катод 6.

Пример 1.

Электролитическую ячейку собирали согласно способу по изобретению с результатом, который проиллюстрирован схемой на фиг. 3. Начиная с конструктивных элементов ячейки, собранной по схеме "конечный зазор", осуществляли следующие операции.

Жесткий катод в виде листа толщиной 1 мм согнули в областях между поверхностями контакта с катодными опорами на площади примерно 2,5 мм. Проводящую упругую деталь, образованную взаимопроникающими витками двойных никелевых проволок диаметром примерно 0,2 мм, отформовали прокаткой так, чтобы получить сжатые области в совмещении с областями жесткого катода, контактирующими с катодными опорами. Затем наложили гибкую катодную сетку толщиной 0,3 мм, снабженную каталитическим слоем, в тесном контакте с проводящей упругой деталью. В анодном отделении ячейки на уже имеющийся анод-жалюзи приварили плоскую титановую сетку толщиной 0,5 мм, покрытую каталитическим слоем смешанных оксидов металлов платиновой группы. Затем все вышеупомянутые конструктивные элементы собрали с получением конструкции ячейки согласно фиг. 3.

Пример 2.

Эффективность устранения зазора между катодом и мембраной с помощью модифицирования катода ячейки, первоначально имевшей внутреннюю геометрию типа "конечный зазор", и установки нового катода в сочетании со сжимающейся упругой деталью, как описано в примере 1, проверяли на пилотном электролизере, используемом для хлорщелочного мембранного электролиза. Электролизер был оборудован восемью моноячейками. Электролизера эксплуатировали с 32 мас.% каустической соды, рассолом хлорида натрия с выходной концентрацией 210 г/л при 90°С и при плотности тока 5 кА/м². После периода стабилизации около 1 недели ячейки характеризовались средним напряжением в 2,90 В, которое оставалось, по существу, неизменным после 6 месяцев работы, когда электролиз прервали и две моноячейки сняли с опор, открыли и подвергли визуальному осмотру конструктивных элементов. Осмотр не выявил каких-либо изменений, достойных упоминания, и, в частности, поверхность двух мембран была преимущественно без засечек или каких-либо других следов, возникающих при ненормальном сжатии катода. В качестве сравнения вышеописанный электролизер продемонстрировал энергосбережение примерно 150 кВт-ч на тонну продукта каустической соды по отношению к электролизеру, оборудованному первоначальными ячейками перед модифицированием, характеризовавшимися зазором мембрана-катод в 1,5 мм.

Приведенное выше описание не следует понимать как ограничивающее изобретение, которое может быть реализовано на практике в соответствии с различными вариантами без отступления от объема изобретения, границы которого определяются только прилагаемой формулой изобретения.

В описании и формуле настоящей заявки термины "содержать", "включать" и их варианты, такие как "включающая", "содержащий" и "содержит", не подразумевают исключения присутствия других деталей, компонентов или дополнительных этапов процесса.

Обсуждение документов, законов, материалов, устройств, изделий и т.п. включено в это описание только с целью предоставления контекста для данного изобретения. Не предполагается и не допускается, что любой или все эти объекты составляли часть базового уровня техники или были общеизвестными знаниями в той области, к которой относится настоящее изобретение, до даты приоритета каждого пункта формулы данной заявки.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ модифицирования электролизной ячейки, включающей ограниченное катодной задней стенкой катодное отделение и анодное отделение, разделенные ионообменной мембраной, причем упомянутое катодное отделение содержит жесткий плоский катод, прикрепленный к катодным опорам, упомянутый жесткий плоский катод находится на расстоянии от 0,4 до 4 мм от упомянутой ионообменной мембраны, упомянутое анодное отделение содержит анод в контакте с упомянутой ионообменной мембраной, а способ включает одновременные или последовательные этапы:

- 3 028920

формование упомянутого жесткого катода пластической деформацией областей, совпадающих с упомянутыми катодными опорами;

наложение на упомянутый жесткий катод предварительно отформованной проводящей упругой детали, имеющей сжатые области, совпадающие с упомянутыми катодными опорами;

наложение гибкого плоского катода, снабженного каталитическим покрытием, на упомянутую проводящую упругую деталь.
2. Способ по п.1, в котором упомянутый анод в контакте с упомянутой ионообменной мембраной представляет собой анод в форме жалюзи, при этом способ включает дополнительный этап наложения и фиксации плоской анодной сетки, снабженной каталитическим покрытием, на упомянутый анод в форме жалюзи.
3. Способ по любому из пп.1 или 2, в котором упомянутый плоский жесткий катод подвергают формованию пластической деформацией областей, совпадающих с упомянутыми катодными опорами в диапазоне от 1 до 5 мм.
4. Способ по любому из пп.1, 2 или 3, в котором упомянутая предварительно отформованная проводящая упругая деталь имеет сжатые области, совпадающие с упомянутыми катодными опорами с толщиной менее 1 мм.
5. Способ по любому из пп.1, 2, 3 или 4, в котором упомянутый плоский жесткий катод состоит из перфорированного или растянутого листа или сетки, выполненных из никеля и снабженных электрокаталитической пленкой для выделения водорода.
6. Способ по п.2, в котором упомянутая плоская анодная сетка выполнена из титана и снабжена электрокаталитической пленкой для выделения хлора.
7. Способ по любому из пп.1-6, в котором упомянутые катодные опоры состоят из параллельных ребер, задающих расстояние между жестким катодом и катодной задней стенкой.
8. Электролизная ячейка, модифицированная способом по любому из пп.1-7, включающая ограниченное катодной задней стенкой катодное отделение и анодное отделение, разделенные ионообменной мембраной, причем упомянутое катодное отделение содержит жесткий плоский катод, прикрепленный к катодным опорам, упомянутое анодное отделение содержит анод в равномерном контакте с упомянутой ионообменной мембраной, при этом жесткий плоский катод имеет находящиеся между упомянутыми катодными опорами области, пластически деформированные вдоль вертикальной оси на 1-5 мм, с проводящей упругой деталью с областями толщиной в диапазоне от 0,1 до 1 мм, совпадающими с упомянутыми катодными опорами и с гибким катодом, состоящим из перфорированного листа или сетки толщиной в диапазоне от 0,2 до 0,5 мм, в равномерном контакте с упомянутой проводящей упругой деталью на одной стороне и с упомянутой ионообменной мембраной на другой стороне.
9. Электролизная ячейка по п.8, в которой упомянутый анод выполнен из основания в форме жалюзи с плоским перфорированным листом или сеткой толщиной в диапазоне от 0,3 до 1 мм и снабжен зафиксированной на нем электрокаталитической пленкой.
10. Электролизер, состоящий из модульной конструкции из множества элементарных ячеек по любому из пп.8 или 9.

- 4 028920