ES2880528T3 - Dispositivo electroquímico provisto de cámara de estancamiento - Google Patents

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ES2880528T3 ES18738319T ES18738319T ES2880528T3 ES 2880528 T3 ES2880528 T3 ES 2880528T3 ES 18738319 T ES18738319 T ES 18738319T ES 18738319 T ES18738319 T ES 18738319T ES 2880528 T3 ES2880528 T3 ES 2880528T3
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Abstract

Un dispositivo (1) electroquímico que comprende dos electrodos, un primer electrodo (2) con forma tubular y sección circular (cátodo) y un segundo electrodo (3) con forma tubular y sección circular (ánodo) colocados dentro del primer electrodo (2) y coaxial al mismo, para formar un espacio estando los dos electrodos divididos en dos cámaras por una pared (4) de membrana concéntrica al primer electrodo, en la que una cámara (5) del cátodo está dispuesta entre el primer electrodo (2) y la pared (4) de membrana y una cámara (6) del ánodo está dispuesto entre el segundo electrodo (3) y la pared (4) de membrana y dos casquillos de sellado, un casquillo (7) superior y un casquillo (8) inferior dispuestos en los extremos de los dos electrodos (2) y (3), donde el casquillo (8) inferior tiene un canal de entrada de los electrolitos a la cámara (9) del cátodo y un canal de entrada de los electrolitos a la cámara (10) del ánodo y el casquillo (7) superior tiene un canal de salida del electrolitos de la cámara (11) del ánodo y un canal de salida de los electrolitos de la cámara (12) del cátodo, en el que 65 Dd/Ds <= K/ln (L) <= 25 Db/Ds 0,6 <= Ss/Sb <= 1,9 siendo Db la medida del diámetro interno del segundo electrodo con forma tubular y sección circular (ánodo), siendo Db de 0,1 Ds a 0,7 Ds, siendo Ds la medida del diámetro interno del primer electrodo con forma tubular y sección circular (cátodo), Dd siendo la medida del diámetro interno de la pared de la membrana, siendo Dd de 0,15 Ds a 0,8 Ds, siendo K la medida de la distancia entre los electrodos, siendo L la medida de la distancia entre los canales de entrada y salida de los electrodos, siendo Ss la medida del área de la sección transversal de la cámara del cátodo, siendo Sb la medida del área de la sección transversal de la cámara del ánodo; una cámara (13) de estancamiento con forma esferoidal abierta a la cámara (5) del cátodo y colocada en la intersección entre la cámara (5) del cátodo y el canal de salida de los electrolitos de la cámara (12) del cátodo, y conectada con el canal de salida de los electrolitos de la cámara (12) del cátodo por un tubo (14) conector en el que r < D < 3r y d < r < 3d, siendo D la medida del diámetro del colector de salida de la cámara del cátodo, siendo r la medida del radio de la cámara de estancamiento, siendo d la medida del diámetro del tubo conector.

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo electroquímico provisto de cámara de estancamiento
Antecedentes de la invención
La presente invención se refiere al campo de la tecnología química y más en particular al campo de los procesos electroquímicos en lo que se refiere a una celda electrolítica de membrana particular caracterizada por la presencia de una cámara de estancamiento. El dispositivo se utiliza en la preparación, a partir de soluciones acuosas con bajas concentraciones de sales disueltas, sustancias metaestables, oxidantes o reductoras, para ser utilizado en procesos tecnológicos como reemplazo de reactivos químicamente estables.
Estado de la técnica
La solicitud de patente japonesa n.° JPS57194273 describe un electrodo para producir hidrógeno, con baja tensión, mediante la disposición de una membrana de intercambio catiónico entre el ánodo y el cátodo de una celda electrolítica que también incluye septos porosos sin actividad electrolítica que no están en contacto directo con los electrodos.
La solicitud de patente alemana n.° DE102011053142 describe una celda electrolítica para producir hidrógeno y oxígeno a partir de la descomposición electrolítica del agua que comprende una carcasa, electrodos, conectados en los polos a una fuente de corriente y separados entre sí por una membrana que divide en dos la celda electrolítica, por encima de la celda electrolítica celda hay una cámara de separación de gas, que es útil para separar oxígeno e hidrógeno de la mezcla gas-líquido, y otra cámara que incluye un separador de gotas encima de la cámara de separación de gas para la purificación adicional de agua u oxígeno. Las diferentes cámaras están dispuestas verticalmente y separadas por tabiques horizontales que tienen poros que permiten el paso de la mezcla líquido-gas y el goteo del líquido. Las rutas de salida de los gases de hidrógeno y oxígeno puros producidos se encuentran en la cubierta superior, por el contrario, las rutas de entrada y salida para el agua y el líquido de electrólisis se encuentran en la pared inferior de la celda. Incluso podría estar presente un separador de gotas adicional, que contenga material catalítico para una purificación adicional de agua u oxígeno, fluyendo verticalmente. En la carcasa, la membrana está dispuesta a una altura para obtener una distancia definida entre la porción superior de las cámaras de electrólisis y el electrodo, e incluso las cámaras de electrólisis están separadas por paredes de membrana. El separador de gotas puede incluir como material catalítico fibras o alambres de níquel u otros soportes catalizadores tales como fibras o cuerpos porosos cerámicos. En un lado del ánodo y/o del cátodo se coloca una placa perforada con aberturas, que tiene un cursor de bloqueo, también perforado y móvil con respecto a la placa perforada. Se aplica una capa aislante y/o un elemento calefactor de superficie al electrodo al nivel de los orificios pasantes. Se coloca un filtro de membrana en los orificios de entrada de la mezcla líquido-gas y la membrana permite el paso del oxígeno e hidrógeno gaseosos producidos y mantiene la porción líquida de la mezcla.
La solicitud de patente europea n.° EP0922788 describe un dispositivo electroquímico para la producción de gas a partir de soluciones acuosas, constituido por dos electrodos cilíndricos verticales y coaxiales dispuestos entre los dos casquillos caracterizados por una estructura y una disposición que permite un movimiento helicoidal de los electrolitos dentro de las cámaras electrolíticas. Esto está determinado por la presencia de canales inclinados y elementos de guía helicoidales en los casquillos. En particular, la solución de partida entra por el lado inferior ya través de los elementos de guiado helicoidales se mueve en las cámaras electrolíticas hacia la porción superior donde los productos salen a través de los canales inclinados del casquillo superior. De esta forma se facilita la expulsión de los productos líquidos y gaseosos y se evita que se forme una zona de parada de gas en las cámaras electrolíticas.
Los dispositivos aquí descritos conocidos en la técnica están ideados con el propósito de purificar y recolectar los productos gaseosos, hidrógeno y/u oxígeno, obtenidos mediante los dispositivos electroquímicos a partir de mezclas líquido-gas.
En los dispositivos conocidos en la técnica, en la porción superior de la cámara catódica zonas gaseosas, principalmente de H2 , se forman, que, si no se eliminan a tiempo, conducen a pérdidas de energía considerables y determinan una disminución en el rendimiento del proceso.
Con el propósito de solucionar el problema técnico mencionado anteriormente se desarrolló un dispositivo electrolítico, para la preparación de sustancia metaestable, oxidante o reductora, a partir de soluciones acuosas con bajas concentraciones de sales disueltas, que evita estancamientos gaseosos para determinar buenos rendimientos del proceso. y un alto ahorro energético.
Objeto de la invención
El problema técnico mencionado anteriormente se resuelve proporcionando el dispositivo electroquímico de la presente invención que comprende dos electrodos, un primer electrodo con forma tubular y sección circular, que es el cátodo, y un segundo electrodo con forma tubular y sección circular también, que actúa como ánodo, este último está dispuesto en el interior del cátodo y es coaxial al mismo. Los dos electrodos limitan un espacio dividido en dos cámaras por una pared de membrana concéntrica al primer electrodo, las dos cámaras son la cámara del cátodo, entre el primer electrodo y la membrana, y la cámara del ánodo, entre el segundo electrodo y la pared de la membrana. El dispositivo tiene entonces dos casquillos de sellado, dispuestos en los extremos de los dos electrodos, donde el casquillo inferior tiene canales de entrada de los electrolitos tanto a la cámara del cátodo como a la cámara del ánodo, mientras que el casquillo superior tiene los canales de salida de los electrolitos de estas cámaras. Dicho dispositivo en la intersección entre la cámara del cátodo y el canal de salida de los electrolitos de la cámara del cátodo tiene una cámara de estancamiento con forma esferoidal abierta a la cámara del cátodo y conectada al canal de salida de los electrolitos de la cámara del cátodo por un tubo conector. Los elementos que constituyen el dispositivo tienen tamaños geométricos particulares.
Las características adicionales de la invención se explicarán mediante la siguiente descripción detallada con referencia a los ejemplos experimentales y mediante las figuras adjuntas.
Breve descripción de las figuras
La figura 1 muestra una sección longitudinal del dispositivo.
La figura 2 muestra una sección longitudinal del detalle de la cámara de estancamiento.
La figura 3 muestra una representación tridimensional del dispositivo.
Descripción detallada de la invención
Con referencia a la figura 1, se describe el dispositivo 1 electroquímico de la presente invención, que comprende: dos electrodos, un primer electrodo 2 con forma tubular y sección circular (cátodo) y un segundo electrodo 3 con forma tubular y sección circular (ánodo), dispuestos dentro del primer electrodo 2 y coaxial al mismo, para formar un espacio entre los dos electrodos siendo dividida en dos cámaras por una pared 4 de membrana concéntrica al primer electrodo, en la que una cámara 5 del cátodo está dispuesta entre el primer electrodo 2 y la pared 4 de membrana y una cámara 6 del ánodo está dispuesta entre el segundo electrodo 3 y la pared 4 de membrana y dos casquillos de sellado, un casquillo 7 superior y un casquillo 8 inferior dispuestos en los extremos de los dos electrodos 2 y 3, donde el casquillo 8 inferior tiene un canal de entrada de los electrolitos a la cámara 9 del cátodo y un canal de entrada de los electrolitos a la cámara 10 del ánodo y el casquillo 7 superior tiene un canal de salida de los electrolitos de la cámara 11 del ánodo y un canal de salida de los electrolitos de la cámara 12 del cátodo, en el que
0,65 Dd/Ds < K/ln (L) < 25 Db/Ds
0,6 < Ss/Sb < 1,9
siendo Db la medida del diámetro interno del segundo electrodo con forma tubular y sección circular (ánodo), siendo Db de 0,1 Ds a 0,7 Ds,
siendo Ds la medida del diámetro interno del primer electrodo con forma tubular con sección circular (cátodo) siendo Dd la medida del diámetro interno de la pared de la membrana, siendo Dd de 0,15 Ds a 0,8 Ds; siendo K la medida de la distancia entre los electrodos;
siendo L la medida de la distancia entre los canales de entrada y salida de los electrodos;
siendo Ss la medida del área de la sección transversal de la cámara del cátodo;
siendo Sb la medida del área de la sección transversal de la cámara del ánodo;
una cámara 13 de estancamiento con forma esferoidal abierta a la cámara 5 del cátodo y colocada en la intersección entre la cámara 5 del cátodo y el canal de salida de los electrolitos de la cámara 12 del cátodo, y conectado con el canal de salida de los electrolitos de la cámara 12 del cátodo por un tubo 14 conector en el que
r < D < 3r;
d < r < 3d.
siendo D la medida del diámetro del colector de salida de la cámara del cátodo;
siendo r la medida del radio de la cámara de estancamiento;
siendo d la medida del diámetro del tubo conector.
Durante el proceso de activación electroquímica, que se realiza en el dispositivo al que se refiere la presente invención, los electrolitos del canal de entrada en el casquillo inferior entran en la parte inferior de la cámara del cátodo (exterior) delimitada por la pared del electrodo con forma cilíndrica y por la membrana de intercambio iónico; desde este punto se mueven a través de la cámara catódica hacia el casquillo superior en donde se dirigen hacia el canal de salida de los productos de electrólisis, atravesando la zona de estancamiento que caracteriza la presente invención.
Por el contrario, desde el canal de entrada los electrolitos se mueven a través de la cámara interior del ánodo hasta el canal de salida existente en el casquillo superior.
El dispositivo se utiliza para la preparación de ácido hipocloroso (HOCl) a partir de agua y sales de cloruro.
La presencia de un área de estancamiento permite la separación entre la fase gaseosa y electrolítica y luego evita la formación en la porción superior de la cámara del cátodo, en el buje superior, de áreas gaseosas, por ejemplo, de H2 , que determinan un mayor consumo de energía eléctrica.
En el caso específico, el gas, por ejemplo, H2 , que se forma en la cámara 13 de estancamiento se retira de la cámara 5 del cátodo, por el tubo 14 conector.
De esta manera, sin embargo, la solución propuesta no determina una simple remoción del área gaseosa que se ha formado, pero permite incluso mantener parcialmente disuelto el gas que se ha formado en el área gaseosa para reducir la fricción entre la solución electrolítica y el material que constituye el dispositivo, ya que el contacto entre la fase sólida y la fase gaseosa determina un menor rozamiento con respecto a la combinación fase líquida-fase sólida. La reducción de la fricción entre fases determina una reducción de las pérdidas de carga de la solución electrolítica y por tanto una reducción del desgaste del propio dispositivo.
Preferiblemente, la pared de la membrana es una membrana de intercambio iónico.
En una realización de la presente invención, los casquillos inferior y superior están sellados por medio de juntas de caucho colocadas debajo de la membrana de intercambio iónico y el electrodo en forma de cilindro, además del anillo de sellado que existe alrededor del electrodo en forma de barra.
En una realización de la presente invención la sección del electrodo en forma de barra es uniforme a la rosca superior e inferior del casquillo, el cual está provisto de una abertura coaxial para el electrodo en forma de barra, con dos cables de forma cilíndrica para colocar el membrana de intercambio iónico y el electrodo cilíndrico.
En una realización de la presente invención, el dispositivo electroquímico se caracteriza por los siguientes tamaños geométricos:
Db = 15,9 mm
Ds = 35,6 mm
Db/Ds = 0,4466
Dd = 23,2 mm
Dd/Ds = 0,65168
K = 9,85 mm
L = 260 mm
ln (L) = 5,56
K/ln (L) = 1,68
Ss = 401,4248 mm2
Sb = 224,176 mm2
Ss/Sb = 1,795
r = 3,75 mm
d = 2,1 mm
D = 6 mm
En la realización de la presente invención, el dispositivo electroquímico de la presente invención se usa para la preparación de ácido hipocloroso (HOCI) a partir de agua y cloruro de sodio (NaCI).

Claims (4)

REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo (1) electroquímico que comprende
dos electrodos, un primer electrodo (2) con forma tubular y sección circular (cátodo) y un segundo electrodo (3) con forma tubular y sección circular (ánodo) colocados dentro del primer electrodo (2) y coaxial al mismo, para formar un espacio estando los dos electrodos divididos en dos cámaras por una pared (4) de membrana concéntrica al primer electrodo, en la que una cámara (5) del cátodo está dispuesta entre el primer electrodo (2) y la pared (4) de membrana y una cámara (6) del ánodo está dispuesto entre el segundo electrodo (3) y la pared (4) de membrana y dos casquillos de sellado, un casquillo (7) superior y un casquillo (8) inferior dispuestos en los extremos de los dos electrodos (2) y (3), donde el casquillo (8) inferior tiene un canal de entrada de los electrolitos a la cámara (9) del cátodo y un canal de entrada de los electrolitos a la cámara (10) del ánodo y el casquillo (7) superior tiene un canal de salida del electrolitos de la cámara (11) del ánodo y un canal de salida de los electrolitos de la cámara (12) del cátodo, en el que
65 Dd/Ds < K/ln (L) < 25 Db/Ds
0,6 < Ss/Sb <1,9
siendo Db la medida del diámetro interno del segundo electrodo con forma tubular y sección circular (ánodo), siendo Db de 0,1 Ds a 0,7 Ds, siendo Ds la medida del diámetro interno del primer electrodo con forma tubular y sección circular (cátodo), Dd siendo la medida del diámetro interno de la pared de la membrana, siendo Dd de 0,15 Ds a 0,8 Ds, siendo K la medida de la distancia entre los electrodos, siendo L la medida de la distancia entre los canales de entrada y salida de los electrodos, siendo Ss la medida del área de la sección transversal de la cámara del cátodo, siendo Sb la medida del área de la sección transversal de la cámara del ánodo; una cámara (13) de estancamiento con forma esferoidal abierta a la cámara (5) del cátodo y colocada en la intersección entre la cámara (5) del cátodo y el canal de salida de los electrolitos de la cámara (12) del cátodo, y conectada con el canal de salida de los electrolitos de la cámara (12) del cátodo por un tubo (14) conector en el que r < D < 3r y d < r < 3d, siendo D la medida del diámetro del colector de salida de la cámara del cátodo, siendo r la medida del radio de la cámara de estancamiento, siendo d la medida del diámetro del tubo conector.
2. El dispositivo electroquímico de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la pared (4) de membrana es una membrana de intercambio iónico.
3. El dispositivo electroquímico de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la sección del segundo electrodo con forma tubular y sección circular (ánodo) es uniforme a la rosca superior e inferior del casquillo, que está provisto de una abertura coaxial para el segundo electrodo con forma tubular y sección circular (ánodo), dos cables con forma cilindrica para colocar la pared de la membrana y el primer electrodo con forma tubular y sección circular (cátodo).
4. Un uso del dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores para la preparación de ácido hipocloroso (HOCl) a partir de agua y sales de cloruro.
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