ES2895114T3 - Aparato de electrólisis y método de electrólisis - Google Patents

Aparato de electrólisis y método de electrólisis Download PDF

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Abstract

Un aparato electrolítico (1, 101) que comprende: una cámara de ánodo (2) que aloja un ánodo y genera gas de ánodo; una cámara de cátodo (3) que aloja un cátodo y genera gas hidrógeno; un diafragma (4) que separa la cámara de ánodo y la cámara de cátodo una de otra; una línea de circulación de lado de ánodo que descarga una solución electrolítica de la cámara de ánodo (2) y devuelve la solución electrolítica a la cámara de ánodo (2), donde la línea de circulación de lado de ánodo incluye: una unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo (6) que separa el gas de ánodo de la solución electrolítica; una línea de descarga de lado de ánodo (7) que conecta la cámara de ánodo (2) a la unidad de separación de gas- líquido de lado de ánodo (6), descarga la solución electrolítica y el gas de ánodo de la cámara de ánodo (2), y alimenta la solución electrolítica y el gas de ánodo a la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo (6); y una línea de suministro de lado de ánodo (8) que conecta la cámara de ánodo (2) a la unidad de separación de gas- líquido de lado de ánodo (6), descarga la solución electrolítica de la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo (6) y alimenta la solución electrolítica a la cámara de ánodo (2), una línea de circulación de lado de cátodo que incluye: una unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo (9) que separa el gas hidrógeno de la solución electrolítica; una línea de descarga de lado de cátodo (10) que conecta la cámara de cátodo (3) con la unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo (9), descarga la solución electrolítica y el gas hidrógeno de la cámara de cátodo (3), y alimenta la solución electrolítica y el gas hidrógeno a la unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo (9); y una línea de suministro de lado de cátodo (11) que conecta la cámara de cátodo (3) a la unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo (9), descarga la solución electrolítica que contiene gas hidrógeno disuelto de la unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo (9), y alimenta la solución electrolítica a la cámara de cátodo (3), el aparato electrolítico comprende además una línea de alimentación de gas de ánodo (20) que conecta la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo (6) a una región de fase gaseosa (21) donde el gas de ánodo se mezcla con el gas hidrógeno derivado del gas hidrógeno disuelto y que existe como fase gaseosa; alimentando la línea de alimentación de gas de ánodo (20) al menos una parte del gas de ánodo a la región de fase gaseosa (21), y un depósito de circulación (12) que está dispuesto en medio de la línea de suministro de lado de ánodo (8) y de la línea de suministro de lado de cátodo (11), y que mezcla la solución electrolítica alimentada desde la línea de suministro de lado de ánodo (8) con la solución electrolítica alimentada desde la línea de suministro de lado de cátodo (11), donde el depósito de circulación (12) es común a la línea de suministro de lado de ánodo (8) y a la línea de suministro de lado de cátodo (11), y donde la región de fase gaseosa (21) se forma en el depósito de circulación de mezcla (12), y la línea de alimentación de gas de ánodo (20) está conectada a la región de fase gaseosa (21) del depósito de circulación (12), y un tubo de descarga de gas (22) está dispuesto en una parte superior del depósito de circulación (12), donde la concentración del gas hidrógeno en la región de fase gaseosa (21) es inferior a un valor límite inferior del límite de explosión, y donde el gas de ánodo es gas oxígeno.

Description

DESCRIPCIÓN
Aparato de electrólisis y método de electrólisis
Campo técnico
La presente invención se refiere a un aparato electrolítico y a un método electrolítico en el que se genera gas hidrógeno por electrólisis, en particular a un aparato electrolítico de agua alcalina y a un método electrolítico que utiliza el aparato.
Técnica anterior
En la electrólisis de agua alcalina, la electrólisis de agua pura, la electrólisis de agua no purificada, la electrólisis de salmuera, la electrólisis de una solución acuosa de cloruro, una solución acuosa de bromuro, una solución acuosa de ácido clorhídrico, o una solución acuosa de ácido sulfúrico, o similares, se genera gas hidrógeno por electrólisis. Un ejemplo de un aparato electrolítico y un método electrolítico donde se genera gas hidrógeno es un aparato electrolítico de agua alcalina y un método electrolítico de agua alcalina descritos en el Documento de Patente 1. En el aparato electrolítico y el método electrolítico del Documento de Patente 1, un líquido de ánodo y un líquido de cátodo hechos de un fluido gas-líquido mezclado y generados en una cámara de ánodo y una cámara de cátodo se recogen en un depósito de circulación común para ser mezclados en el depósito de circulación. A continuación, el líquido mezclado se hace circular y se suministra a ambas cámaras electrolíticas: la cámara de ánodo y la cámara de cátodo. La electrólisis se lleva a cabo de forma continua, mientras que las concentraciones de las soluciones electrolíticas suministradas a ambas cámaras electrolíticas son las mismas y se mantienen a una concentración constante todo el tiempo mediante la mezcla del líquido de ánodo y el líquido de cátodo en el depósito de circulación.
Lista de citas
Documento de Patente
Documento de Patente 1: JP 2015-029921 A (WO2015/014716 A1)
US 2010/264038 A1 describe una instalación de electrólisis para descomponer agua en hidrógeno y oxígeno, que comprende dos separadores de líquido-gas para cada uno de los productos gaseosos y un sistema de recirculación para el electrolito líquido.
Resumen de la invención
Problema técnico
En un aparato electrolítico y un método electrolítico donde se genera gas hidrógeno, el gas hidrógeno se mezcla con gas oxígeno, gas cloro, gas bromo o similares en algunos casos.
Por ejemplo, en el aparato y proceso electrolítico de agua alcalina descrito anteriormente, el líquido de ánodo y el líquido de cátodo generados en la cámara de ánodo y en la cámara de cátodo son transportados a un depósito de circulación después de ser sometidos a la separación de gas-líquido. El gas oxígeno y el gas hidrógeno se disuelven en el líquido de ánodo y en el líquido de cátodo después de la separación de gas-líquido. La cantidad de gas disuelto en la solución electrolítica cambia en función de la presión parcial del hidrógeno en la fase gaseosa o de la temperatura. Cuando la cantidad de gas disuelto en la solución electrolítica supera una cantidad de disolución de saturación, el gas disuelto existe como gas en una línea de circulación de la solución electrolítica, tal como una parte superior del depósito de circulación. La cantidad de gas hidrógeno vaporizado es originalmente muy pequeña. Sin embargo, el gas hidrógeno se acumula gradualmente en un espacio cerrado, tal como la parte superior del depósito de circulación o un tubo en forma de U invertida. No puede decirse que no haya posibilidad de alcanzar un límite de explosión de hidrógeno.
Cuando se forma de este modo una región de fase gaseosa donde se acumula gas hidrógeno, puede evitarse con seguridad el riesgo de explosión de hidrógeno diluyendo y reduciendo una concentración de hidrógeno en la región de fase gaseosa mediante el suministro continuo de gas inerte, tal como gas nitrógeno, aire o similar, a la región de fase gaseosa.
Sin embargo, cuando se utiliza el gas inerte, el coste de operación se incrementa debido al coste del gas inerte. Cuando se utiliza aire, el CO2 existente en el aire se convierte en un problema. En la electrólisis de agua alcalina, el CO2 del aire y un catión (Na+, K+ o similar) de la solución electrolítica reaccionan entre sí para generar un carbonato. El carbonato precipita en el tubo o similar después de una operación de larga duración. Por lo tanto, el tubo se bloquea, y no puede continuarse el proceso electrolítico.
Un objeto de la presente invención es proporcionar un aparato electrolítico y un método electrolítico que puedan eliminar la posibilidad de alcanzar un límite de explosión de hidrógeno por la acumulación gradual de una cantidad muy pequeña de gas en una línea de circulación de una solución electrolítica en el proceso electrolítico descrito anteriormente que genera hidrógeno.
Solución del problema
La presente invención se refiere a la materia de las reivindicaciones 1 a 10. Para lograr el objeto antes descrito, un primer aspecto de la presente invención se caracteriza por un aparato electrolítico según la reivindicación 1 que incluye una cámara de ánodo que aloja un ánodo y genera gas de ánodo;
una cámara de cátodo que aloja un cátodo y genera gas hidrógeno;
un diafragma que separa la cámara de ánodo y la cámara de cátodo una de otra; y
una línea de circulación de lado de ánodo que descarga una solución electrolítica de la cámara de ánodo y devuelve la solución electrolítica a la cámara de ánodo, donde la línea de circulación de lado de ánodo incluye: una unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo que separa el gas de ánodo de la solución electrolítica; una línea de descarga de lado de ánodo que conecta la cámara de ánodo a la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo, descarga la solución electrolítica y el gas de ánodo de la cámara de ánodo, y alimenta la solución electrolítica y el gas de ánodo a la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo; y una línea de suministro de lado de ánodo que conecta la cámara de ánodo con la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo, descarga la solución electrolítica de la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo y alimenta la solución electrolítica a la cámara de ánodo; el aparato electrolítico comprende además una línea de alimentación de gas de ánodo que conecta la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo con una región de fase gaseosa donde el gas de ánodo se mezcla con gas hidrógeno derivado del gas hidrógeno disuelto y que existe como fase gaseosa, alimentando la línea de alimentación de gas de ánodo al menos una parte del gas de ánodo a la región de fase gaseosa, y la concentración de gas hidrógeno en la región de fase gaseosa es inferior a un valor límite inferior del límite de explosión.
Más específicamente, el primer aspecto de la presente invención se caracteriza porque el aparato electrolítico incluye un aparato electrolítico de la técnica relacionada provisto de la línea de suministro de gas de ánodo que conecta la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo con la región de fase gaseosa para reducir la concentración de gas hidrógeno en la región de fase gaseosa alimentando al menos una parte del gas de ánodo a la región de fase gaseosa donde el gas hidrógeno derivado del gas hidrógeno disuelto puede existir como fase gaseosa y diluyendo el gas hidrógeno con el gas de ánodo.
En el primer aspecto, preferiblemente la concentración de gas hidrógeno en la región de fase gaseosa es inferior a 4% en volumen.
En el primer aspecto, en la electrólisis de agua, el gas de ánodo es gas oxígeno.
En el primer aspecto, el aparato electrolítico incluye además una línea de circulación de lado de cátodo que incluye: una unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo que separa el gas hidrógeno de la solución electrolítica; una línea de descarga de lado de cátodo que conecta la cámara de cátodo con la unidad de separación de gaslíquido de lado de cátodo, descarga la solución electrolítica y el gas hidrógeno de la cámara de cátodo, y alimenta la solución electrolítica y el gas hidrógeno a la unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo; y una línea de suministro de lado de cátodo que conecta la cámara de cátodo con la unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo, descarga la solución electrolítica que contiene gas hidrógeno disuelto de la unidad de separación de gaslíquido de lado de cátodo, y alimenta la solución electrolítica a la cámara de cátodo; y un depósito de circulación que está dispuesto en medio de la línea de suministro de lado de ánodo y la línea de suministro de lado de cátodo, y mezcla la solución electrolítica alimentada desde la línea de suministro de lado de ánodo con la solución electrolítica alimentada desde la línea de suministro de lado de cátodo, donde la región de fase gaseosa se forma en el depósito de circulación de mezcla, y la línea de alimentación de gas de ánodo está conectada a la región de fase gaseosa del depósito de circulación.
En este caso, la línea de alimentación de gas de ánodo está conectada preferentemente a la región de fase gaseosa formada en una parte superior en el depósito de circulación.
En el primer aspecto, la solución electrolítica puede ser una solución acuosa alcalina.
En el primer aspecto, la solución electrolítica puede ser agua pura o agua no purificada.
El segundo aspecto de la presente invención se caracteriza por un método electrolítico que electroliza una solución electrolítica según la reivindicación 6 utilizando un aparato electrolítico como el descrito anteriormente que incluye una cámara de ánodo que aloja un ánodo y genera gas de ánodo; una cámara de cátodo que aloja un cátodo y genera gas hidrógeno; un diafragma que separa la cámara de ánodo y la cámara de cátodo una de otra; y una línea de circulación de lado de ánodo que descarga la solución electrolítica de la cámara de ánodo y devuelve la solución electrolítica a la cámara de ánodo, comprendiendo el método: descargar la solución electrolítica y el gas de ánodo de la cámara de ánodo, separar el gas de ánodo de la solución electrolítica, y devolver la solución electrolítica de la que se ha separado el gas de ánodo a la cámara de ánodo y alimentar al menos una parte del gas de ánodo separado a una región de fase gaseosa donde el gas de ánodo se mezcla con gas hidrógeno derivado del gas hidrógeno disuelto y que existe como fase gaseosa, y diluir el gas hidrógeno en la región de fase gaseosa con el gas de ánodo alimentado de manera que la concentración de gas hidrógeno en la región de fase gaseosa sea inferior a un valor límite inferior del límite de explosión.
En el segundo aspecto, el gas hidrógeno en la región de fase gaseosa se diluye de manera que la concentración de gas hidrógeno en la región de fase gaseosa sea preferiblemente inferior a 4% en volumen.
En el segundo aspecto, la solución electrolítica puede ser una solución acuosa alcalina.
En el segundo aspecto, el aparato electrolítico incluye además: una línea de circulación de lado de cátodo que descarga la solución electrolítica de la cámara de cátodo y devuelve la solución electrolítica a la cámara de cátodo; y un depósito de circulación que está dispuesto en el medio de la línea de suministro de lado de ánodo, y el método puede incluir además: descargar la solución electrolítica y el gas hidrógeno de la cámara de cátodo, separar el gas hidrógeno de la solución electrolítica, y devolver la solución electrolítica que contiene el gas hidrógeno disuelto, de la que se ha separado el gas hidrógeno, a la cámara de cátodo; y mezclar la solución electrolítica de la que se ha separado el gas de ánodo y la solución electrolítica de la que se ha separado el gas hidrógeno en un depósito de circulación dispuesto en medio de la línea de circulación de lado de ánodo y la línea de circulación de lado de cátodo, donde la región de fase gaseosa se forma en el depósito de circulación.
En este caso, el gas de ánodo se alimenta preferiblemente directamente a la región de fase gaseosa formada en el depósito de circulación.
En el segundo aspecto, en la electrólisis de agua, el gas de ánodo es gas oxígeno.
En el segundo aspecto, la solución electrolítica puede ser agua pura o agua no purificada.
Efectos ventajosos de la invención
Según la presente invención, se puede prevenir con seguridad el riesgo de explosión de hidrógeno mediante un método sencillo de utilizar el gas de ánodo generado en un proceso electrolítico, tal como gas oxígeno, como gas de dilución. Es decir, en la presente invención, puede realizarse una operación con un proceso más seguro sin causar ningún problema al proceso de electrólisis introduciendo toda la cantidad o una parte del gas de ánodo generado en un ánodo a una parte donde existe gas hidrógeno como fase gaseosa en un sistema de proceso cerrado, diluyendo una concentración de hidrógeno en la fase gaseosa, y manteniendo la concentración dentro de una región de concentración ciertamente segura todo el tiempo. Según la presente invención, no es necesario utilizar adicionalmente aire, gas inerte o similares para diluir el gas hidrógeno en la región de fase gaseosa. Por lo tanto, es posible reducir el costo de operación. Además, no es necesario un aparato accesorio para suministrar el aire o el gas inerte. Por lo tanto, es posible reducir en gran medida el coste del equipo.
La presente invención es particularmente eficaz en el proceso de electrólisis de agua alcalina. En la electrólisis de agua alcalina, el gas hidrógeno existe como fase gaseosa en una parte superior de un depósito de circulación donde se mezclan el líquido de ánodo y el líquido de cátodo, o similar. Por lo tanto, el gas hidrógeno en la región de fase gaseosa puede diluirse por un simple medio de suministrar toda la cantidad o una parte de gas de ánodo (gas oxígeno) al depósito de circulación. Como resultado, el proceso electrolítico de agua alcalina puede ser operado de forma segura sin proporcionar un equipo especial para diluir la concentración de gas hidrógeno.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es un diagrama de flujo que ilustra un aparato electrolítico según una primera realización de la presente invención.
La figura 2 es un diagrama de flujo que ilustra otro ejemplo del aparato electrolítico según la primera realización de la presente invención.
La figura 3 es un diagrama de flujo que ilustra un aparato electrolítico según una segunda realización de la presente invención.
La figura 4 es un diagrama de flujo que ilustra otro ejemplo del aparato electrolítico según la segunda realización de la presente invención.
La figura 5 es un diagrama de flujo que ilustra un aparato electrolítico según una tercera realización (no según las reivindicaciones).
Descripción de realizaciones
<Primera realización>
La figura 1 es un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo de un aparato electrolítico según una primera realización de la presente invención.
En un aparato electrolítico (aparato electrolítico de agua alcalina) 1 de la figura 1, un signo de referencia 2 indica una cámara de ánodo, un signo de referencia 3 indica una cámara de cátodo, un signo de referencia 4 indica un diafragma, y un signo de referencia 5 indica un baño electrolítico (baño electrolítico de agua alcalina). La cámara de ánodo 2 aloja un ánodo y genera gas de ánodo. La cámara de cátodo 3 aloja un cátodo y genera gas hidrógeno. El diafragma 4 separa una de otra la cámara de ánodo 2 y la cámara de cátodo 3. El baño electrolítico 5 incluye la cámara de ánodo 2, la cámara de cátodo 3 y el diafragma 4. La cámara de ánodo 2 y la cámara de cátodo 3 alojan soluciones electrolíticas. En el aparato electrolítico de agua alcalina, la solución electrolítica es una solución acuosa alcalina (por ejemplo, una solución acuosa de un hidróxido de metal alcalino, específicamente una solución acuosa de KOH o una solución acuosa de NaOH). El gas de ánodo es gas oxígeno. En el aparato electrolítico de agua alcalina, el diafragma es una membrana de intercambio catiónico, una membrana de intercambio aniónico, una membrana compuesta que incluye una capa porosa de polímero y una tela no tejida, o similares.
El aparato electrolítico 1 incluye una línea de circulación de lado de ánodo y una línea de circulación de lado de cátodo. La línea de circulación de lado de ánodo descarga una solución electrolítica de la cámara de ánodo 2 y devuelve la solución electrolítica a la cámara de ánodo 2. La línea de circulación de lado de cátodo descarga una solución electrolítica de la cámara de cátodo 3 y devuelve la solución electrolítica a la cámara de cátodo 3.
La línea de circulación de lado de ánodo incluye una unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 6, una línea de descarga de lado de ánodo 7 y una línea de suministro de lado de ánodo 8. La línea de descarga de lado de ánodo 7 es un canal que conecta la cámara de ánodo 2 del baño electrolítico 5 con la unidad de separación de gaslíquido de lado de ánodo 6. La línea de descarga de lado de ánodo 7 suministra una solución electrolítica y un gas de ánodo generado en la cámara de ánodo 2 desde la cámara de ánodo 2 a la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 6. La unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 6 es específicamente un aparato de separación de gas-líquido, un tubo en forma de T, o análogos. La línea de suministro de lado de ánodo 8 es un canal que conecta la cámara de ánodo 2 con la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 6. Una bomba de circulación 13 está dispuesta en la línea de suministro de lado de ánodo 8.
La línea de circulación de lado de cátodo incluye una unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo 9, una línea de descarga de lado de cátodo 10 y una línea de suministro de lado de cátodo 11. La línea de descarga de lado de cátodo 10 es un canal que conecta la cámara de cátodo 3 del baño electrolítico 5 con la unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo 9. La unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo 9 es específicamente un aparato de separación de gas-líquido, un tubo en forma de T, o similar. La línea de suministro de lado de cátodo 11 es un canal que conecta la cámara de cátodo 3 con la unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo 9. Una bomba de circulación 14 está dispuesta en la línea de suministro de lado de cátodo 11.
La unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo 9 está conectada a un aparato de sellado de agua 16 a través de un tubo 15. El aparato de sellado de agua 16 aloja agua. Un extremo del tubo 15 entra en el agua en el aparato de sellado de agua 16.
En el aparato electrolítico 1, un depósito de circulación 12, que es un contenedor cerrado, está dispuesto en medio de la línea de suministro de lado de ánodo 8 y de la línea de suministro de lado de cátodo 11. El depósito de circulación 12 es común a la línea de suministro de lado de ánodo 8 y a la línea de suministro de lado de cátodo 11. En el depósito de circulación 12 se almacena una solución electrolítica. Una región de fase gaseosa 21 está por encima de la solución electrolítica (en una parte superior del depósito de circulación 12). Un tubo de descarga de gas 22 está dispuesto en una parte superior del depósito de circulación 12. La región de fase gaseosa puede formarse también en un espacio cerrado en una parte superior de un tubo con forma de protuberancia, como un tubo con forma de U invertida.
La figura 1 ilustra un ejemplo en el que un sistema de una línea dirigida a la cámara de ánodo 2 desde el depósito de circulación 12 es diferente de un sistema de una línea dirigida a la cámara de cátodo 3 desde el depósito de circulación 12, y la bomba de circulación 13 o 14 está dispuesta en cada uno de los sistemas. Sin embargo, la presente realización no se limita a ello. Por ejemplo, se puede utilizar una bomba de circulación. En este caso, la línea de suministro de lado de ánodo y la línea de suministro de lado de cátodo conectadas a la bomba de circulación se convierten en una línea común. La línea común se bifurca a la línea dirigida a la cámara de ánodo y a la línea dirigida a la cámara de cátodo en un lado situado hacia abajo de la bomba de circulación.
Un depósito de suministro de agua 18 está conectado al depósito de circulación 12 a través de un tubo 17. El depósito de suministro de agua 18 contiene agua. Una bomba 19 está dispuesta en el tubo 17.
En el aparato electrolítico 1, una línea de alimentación de gas de ánodo 20 está dispuesta entre la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 6 y el depósito de circulación 12. En la figura 1, la línea de alimentación de gas de ánodo 20 está conectada en una parte superior a la superficie líquida de la solución electrolítica contenida en el depósito de circulación 12. Sin embargo, la presente realización no se limita a ello, y la línea de alimentación de gas de ánodo 20 puede estar conectada en una parte más baja que la superficie líquida de la solución electrolítica en el depósito de circulación 12.
La figura 2 es un diagrama de flujo que ilustra otro ejemplo del aparato electrolítico según la primera realización. En la figura 2, el tubo de descarga de gas 22 está conectado a un aparato de sellado de agua 23. El aparato de sellado de agua 23 contiene agua. Un extremo del tubo de descarga de gas 22 entra en el agua en el aparato de sellado de agua 23.
A continuación se describirá un método para realizar una electrólisis de agua alcalina utilizando los aparatos electrolíticos 1 y 1' según la primera realización.
En la cámara de ánodo 2 se genera gas de ánodo (gas oxígeno) por electrólisis. Una solución electrolítica en la cámara de ánodo 2 se descarga junto con el gas oxígeno generado desde la cámara de ánodo 2 a través de la línea de descarga de lado de ánodo 7, y se transporta a la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 6. La unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 6 separa uno de otro la solución electrolítica y el gas de ánodo transportado desde la cámara de ánodo 2. El gas de ánodo separado se descarga de la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 6 a través de la línea de alimentación de gas de ánodo 20. Por otra parte, la solución electrolítica separada se descarga de la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 6 a través de la línea de suministro de lado de ánodo 8. La solución electrolítica se transporta al depósito de circulación 12 a través de la línea de suministro de lado de ánodo 8.
En la cámara de cátodo 3 se genera gas hidrógeno por electrólisis. Una solución electrolítica en la cámara de cátodo 3 se descarga junto con el gas hidrógeno generado desde la cámara de cátodo 3 a través de la línea de descarga de lado de cátodo 10, y se transporta a la unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo 9.
La unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo 9 separa uno de otro la solución electrolítica y el gas hidrógeno transportado desde la cámara de cátodo 3. El gas hidrógeno separado se transporta desde la unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo 9 al aparato de sellado de agua 16 a través del tubo 15, pasa por el aparato de sellado de agua 16 y luego se descarga del aparato electrolítico 1. El gas hidrógeno descargado se desecha o se recoge como material valioso.
Por otra parte, la solución electrolítica separada se descarga de la unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo 9 a través de la línea de suministro de lado de cátodo 11. La solución electrolítica se transporta al depósito de circulación 12 a través de la línea de suministro de lado de ánodo 11.
La solución electrolítica de lado de ánodo y la solución electrolítica de lado de cátodo, transportadas al depósito de circulación 12, se mezclan y almacenan en el depósito de circulación 12. La solución electrolítica en el depósito de circulación 12 se hace circular a la cámara de ánodo 2 a través de la línea de suministro de lado de ánodo 8 mediante el arranque de la bomba de circulación 13. La solución electrolítica del depósito de circulación 12 se hace circular a la cámara de cátodo 3 a través de la línea de suministro de lado de cátodo 11 mediante el arranque de la bomba de circulación 14. La electrólisis se realiza de forma continua en el estado en que las concentraciones de las soluciones electrolíticas que circulan y se suministran a la cámara de ánodo 2 y a la cámara de cátodo 3 se suponen sustancialmente uniformes mediante la mezcla de las soluciones electrolíticas en el depósito de circulación 12. La concentración de la solución electrolítica (concentración de electrolito) en el depósito de circulación 12 se mantiene constante todo el tiempo. Específicamente, cuando la concentración de la solución electrolítica en el depósito de circulación 12 se reduce, la bomba 19 se pone en marcha, y se suministra agua del depósito de suministro de agua 18 al depósito de circulación 12 a través del tubo 17.
Aquí, el gas oxígeno se disuelve en la solución electrolítica de la que el gas oxígeno ha sido separado por la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 6. El gas hidrógeno se disuelve en la solución electrolítica de la que el gas hidrógeno ha sido separado por la unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo 9. Por lo tanto, la solución electrolítica transportada al depósito de circulación 12 contiene gas oxígeno disuelto y gas hidrógeno disuelto. Cuando la cantidad de gas disuelto supera una cantidad de disolución de saturación debido a una condición de funcionamiento del proceso, el gas oxígeno disuelto y el gas hidrógeno disuelto se convierten en gas en la línea de suministro de lado de ánodo 8 y en la línea de suministro de lado de cátodo 11. Este gas (gas oxígeno y gas hidrógeno) se acumula en la región de fase gaseosa 21 en una parte superior del depósito de circulación 12.
La línea de alimentación de gas de ánodo 20 transporta toda la cantidad de gas oxígeno separada en la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 6 al depósito de circulación 12. El gas oxígeno transportado es llevado a la región de fase gaseosa 21, se mezcla con el gas oxígeno y el gas hidrógeno generados a partir de la solución electrolítica, y se acumula en la región de fase gaseosa 21.
El gas oxígeno y el gas hidrógeno acumulados en la región de fase gaseosa 21 se descargan del depósito de circulación 12 a través del tubo de descarga de gas 22. En el aparato electrolítico 1 de la figura 1, el gas oxígeno y el gas hidrógeno descargados se liberan fuera del sistema. En el aparato electrolítico 1' de la figura 2, el gas oxígeno e hidrógeno descargado se transporta al aparato de sellado de agua 23. El aparato de sellado de agua 23 elimina la humedad del gas oxígeno y del gas hidrógeno, y luego descarga el gas oxígeno y el gas hidrógeno fuera del sistema del aparato electrolítico 1'.
La cantidad de gas oxígeno y de gas hidrógeno liberada de la solución electrolítica a la región de fase gaseosa 21 es muy pequeña. Básicamente, no se puede considerar que la concentración de gas hidrógeno en la región de fase gaseosa llegue a ser una concentración tan alta como para superar el valor límite inferior del límite de explosión. La presente invención se ha logrado con el fin de mejorar la seguridad, aunque la preocupación es un pequeño pero posible riesgo causado en un caso de electrólisis continua o similar. Como se ha descrito anteriormente, la cantidad de gas hidrógeno liberado en la región de fase gaseosa 21 es muy pequeña. Mientras tanto, la cantidad de gas oxígeno alimentado desde la línea de alimentación de gas de ánodo 20 a la región de fase gaseosa 21 es grande. Por lo tanto, se evita el riesgo de explosión de hidrógeno mediante la dilución del gas hidrógeno en la región de fase gaseosa 21, de forma que la concentración de gas hidrógeno sea ciertamente inferior al valor límite inferior del límite de explosión. En un sistema de mezcla de gas oxígeno y gas hidrógeno, el valor límite inferior del límite de explosión es del 4% en volumen. Por lo tanto, en el aparato electrolítico 1 (1') de la presente realización, la concentración de gas hidrógeno en la región de fase gaseosa 21 es inferior a 4% en volumen.
En los aparatos electrolíticos (aparatos electrolíticos de agua alcalina) 1 y 1' y el método electrolítico de la primera realización, el gas hidrógeno en la región de fase gaseosa está mucho más diluido que el valor límite inferior del límite de explosión (específicamente 4% en volumen). Por lo tanto, el riesgo de explosión de hidrógeno puede evitarse con seguridad, y el tratamiento de electrólisis puede realizarse de forma continua y más segura.
En el aparato electrolítico de la presente realización, el gas hidrógeno se diluye alimentando el gas de ánodo (gas oxígeno) generado en el aparato a la región de fase gaseosa donde se acumula el gas hidrógeno. Por lo tanto, no es necesario un equipo para suministrar aire o gas inerte al depósito de circulación. Por lo tanto, es posible reducir el costo del equipo y el costo de operación.
<Segunda realización>
La figura 3 es un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo de un aparato electrolítico según una segunda realización de la presente invención.
En un aparato electrolítico (aparato electrolítico de agua alcalina) 101 de la figura 3, se dan los mismos signos de referencia que en la figura 1 a los mismos componentes que en la figura 1.
En el aparato electrolítico 101, una línea de liberación de gas de ánodo 102 está conectada a la parte media de una línea de alimentación de gas de ánodo 20. Una unidad de regulación de caudal está dispuesta en la bifurcación de la línea de alimentación de gas de ánodo 20 y la línea de liberación de gas de ánodo 102. Por ejemplo, como la unidad de regulación de caudal, se dispone una válvula de regulación de caudal (no ilustrada) en la línea de liberación de gas de ánodo 102.
La figura 4 es un diagrama de flujo que ilustra otro ejemplo del aparato electrolítico según la segunda realización. En un aparato electrolítico 101' de la figura 4, un tubo de descarga de gas 22 está conectado a un aparato de sellado de agua 23. El aparato de sellado de agua 23 contiene agua. Un extremo del tubo de descarga de gas 22 entra en el agua en el aparato de sellado de agua 23.
La línea de liberación de gas de ánodo 102 está conectada al aparato de sellado de agua 23. Un extremo de la línea de liberación de gas de ánodo 102 entra en el agua en el aparato de sellado de agua 23.
A continuación se describirá un método para realizar la electrolisis de agua alcalina utilizando los aparatos electrolíticos 101 y 101' según la segunda realización. La segunda realización es diferente de la primera realización en un proceso de transporte de gas de ánodo a un depósito de circulación 12.
El gas de ánodo (gas oxígeno) descargado desde la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 6 y que fluye en la línea de alimentación de gas de ánodo 20 se divide en la línea de alimentación de gas de ánodo 20 y en la línea de liberación de gas de ánodo 102 en la bifurcación descrita anteriormente. Una parte del gas oxígeno se suministra al depósito de circulación 12 a través de la línea de alimentación de gas de ánodo 20. El gas oxígeno se mezcla con el gas oxígeno y el gas hidrógeno generados a partir de una solución electrolítica en el depósito de circulación 12. La concentración de gas hidrógeno en una región de fase gaseosa 21 puede mantenerse de este modo con mayor seguridad por debajo del valor límite inferior del límite de explosión (específicamente menos del 4% en volumen). La cantidad de gas de ánodo suministrada desde la línea de alimentación de gas de ánodo 20 al depósito de circulación 12 se controla adecuadamente según la concentración de gas hidrógeno en la región de fase gaseosa 21.
En el aparato electrolítico 101 de la figura 3, el gas oxígeno restante se libera fuera del sistema a través de la línea de liberación de gas de ánodo 102. En el aparato electrolítico 101' de la figura 4, el gas oxígeno restante se transporta al aparato de sellado de agua 23 a través de la línea de liberación de gas de ánodo 102, y se elimina la humedad. A continuación, el gas oxígeno de la línea de liberación de gas de ánodo 102 se descarga fuera del sistema junto con el gas oxígeno y el gas hidrógeno descargado del depósito de circulación 12.
También en los aparatos electrolíticos (aparatos electrolíticos de agua alcalina) 101 y 101' y el método electrolítico de la segunda realización, el gas hidrógeno en la región de fase gaseosa está mucho más diluido que el valor límite inferior del límite de explosión (específicamente el 4% en volumen). Por lo tanto, el riesgo de explosión de hidrógeno se puede prevenir con seguridad, y un tratamiento de electrólisis se puede realizar de forma continua y más segura. Además, el gas de ánodo (gas oxígeno) generado en el aparato se utiliza para diluir el gas hidrógeno en la región de fase gaseosa. Por lo tanto, es posible reducir el costo del equipo y el costo de operación.
En las realizaciones primera y segunda, se han descrito los aparatos electrolíticos y los métodos electrolíticos en los que las soluciones electrolíticas de lado de ánodo y de lado de cátodo se mezclan en el depósito de circulación, y luego se hacen circular a la cámara de ánodo y la cámara de cátodo.
<Tercera realización> (no según la invención)
Como tercera realización, se describirá un aparato electrolítico que electroliza una solución acuosa de cloruro y un método electrolítico que lo utiliza. La figura 5 es un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo del aparato electrolítico según la tercera realización.
En un aparato electrolítico 201 de la figura 5, un signo de referencia 202 indica una cámara de ánodo, un signo de referencia 203 indica una cámara de cátodo, un signo de referencia 204 indica un diafragma, y un signo de referencia 205 indica un baño electrolítico. La cámara de ánodo 202 aloja un ánodo y genera gas de ánodo. La cámara de cátodo 203 aloja un cátodo y genera gas hidrógeno. El diafragma 204 separa la cámara de ánodo 202 y la cámara de cátodo 203 una de otra. El baño electrolítico 205 incluye la cámara de ánodo 202, la cámara de cátodo 203 y el diafragma 204. La cámara de ánodo 202 y la cámara de cátodo 203 alojan soluciones electrolíticas. La solución electrolítica de lado de ánodo es una solución acuosa de cloruro, como una solución acuosa de NaCl o una solución acuosa de KCl. La solución electrolítica de lado de cátodo es una solución acuosa alcalina, como una solución acuosa de NaOH o una solución acuosa de KOH. Por ejemplo, en un aparato para electrólisis de salmuera, la solución electrolítica en el lado de ánodo es una solución acuosa de NaCl, y la solución electrolítica en el lado de cátodo es una solución acuosa de NaOH.
El gas de ánodo es gas cloro. En un aparato electrolítico de salina, la membrana 204 es una membrana de intercambio de iones (membrana de intercambio de cationes).
El aparato electrolítico 201 incluye una línea de circulación de lado de ánodo y una línea de circulación de lado de cátodo. La línea de circulación de lado de ánodo descarga una solución electrolítica de la cámara de ánodo 202 y devuelve la solución electrolítica a la cámara de ánodo 202. La línea de circulación de lado de cátodo descarga una solución electrolítica de la cámara de cátodo 203 y devuelve la solución electrolítica a la cámara de cátodo 203. La línea de circulación de lado de ánodo incluye una unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 206, una línea de descarga de lado de ánodo 207, y una línea de suministro de lado de ánodo 208. La línea de descarga de lado de ánodo 207 es un canal que conecta la cámara de ánodo 202 del baño electrolítico 205 con la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 206. La línea de descarga de lado de ánodo 207 suministra la solución electrolítica y el gas de ánodo generado en la cámara de ánodo 202 desde la cámara de ánodo 202 a la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 206. La unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 206 es específicamente un aparato de separación de gas-líquido, un tubo en forma de T, o similar. La línea de suministro de lado de ánodo 208 es un canal que conecta la cámara de ánodo 202 con la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 206. Un depósito de circulación 212a y una bomba de circulación 213 están dispuestos en la línea de suministro de lado de ánodo 208.
En el aparato electrolítico 201, una línea de alimentación de gas de ánodo 220 está conectada a una parte superior de la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 206. La línea de alimentación de gas de ánodo 220 está conectada a la bomba de circulación 213. Una primera línea de liberación de gas de ánodo 215 está conectada a la parte media de la línea de alimentación de gas de ánodo 220. Una unidad de regulación de caudal está dispuesta en la bifurcación de la línea de alimentación de gas de ánodo 220 y la primera línea de liberación de gas de ánodo 215.
Por ejemplo, como unidad de regulación de caudal, se dispone una válvula de regulación de caudal (no ilustrada) en la primera línea de liberación de gas de ánodo 215.
Se dispone una segunda línea de liberación de gas de ánodo 216 que conecta la bomba de circulación 213 con la primera línea de liberación de gas de ánodo 215.
Una tercera línea de liberación de gas de ánodo 217 está conectada a una parte superior del depósito de circulación 212a. En la figura 5, la tercera línea de liberación de gas de ánodo 217 está conectada a la línea de alimentación de gas de ánodo 220. Sin embargo, la tercera línea de liberación de gas de ánodo 217 puede estar conectada a la primera línea de liberación de gas de ánodo 215.
La línea de circulación de lado de cátodo incluye una unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo 209, una línea de descarga de lado de cátodo 210 y una línea de suministro de lado de cátodo 211. La línea de descarga de lado de cátodo 210 es un canal que conecta la cámara de cátodo 203 del baño electrolítico 205 con la unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo 209. La unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo 209 es específicamente un aparato de separación de gas-líquido, un tubo en forma de T, o similar. La línea de suministro de lado de cátodo 211 es un canal que conecta la cámara de cátodo 203 con la unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo 209. Un depósito de circulación 212b y una bomba de circulación 214 están dispuestos en la línea de suministro de lado de cátodo 211.
Una línea de liberación de gas de cátodo 218 está conectada a una parte superior de la unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo 209.
A continuación se describirá un método para llevar a cabo la electrólisis utilizando los aparatos electrolíticos 201 según la tercera realización, ejemplificando la electrólisis de salmuera.
En la cámara de ánodo 202 se generan gas de ánodo (gas cloro) y Na+ por electrólisis de una solución electrolítica (solución acuosa de NaCl). Na+ pasa a través del diafragma (membrana de intercambio iónico) 204 y se desplaza a la cámara de cátodo 203.
En la cámara de cátodo 203 se genera gas hidrógeno y OH- por electrólisis de una solución electrolítica (solución acuosa de NaOH). OH- y Na+ que se ha desplazado desde la cámara de ánodo 202 reaccionan entre sí para generar sosa cáustica (NaOH) en la cámara de cátodo 203.
Una parte del gas hidrógeno generado por la electrólisis en la cámara de cátodo 203 pasa a través del diafragma (membrana de intercambio iónico) 204 y se desplaza a la cámara de ánodo 202. La cantidad de este gas hidrógeno es muy pequeña. Por lo tanto, el gas hidrógeno se disuelve en la solución electrolítica en el lado de ánodo.
Una solución electrolítica de la cámara de cátodo 203 se descarga junto con el gas hidrógeno de la cámara de cátodo 203 a través de la línea de descarga de lado de cátodo 210, y se transporta a la unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo 209.
La unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo 209 separa la solución electrolítica y el gas hidrógeno transportado desde la cámara de cátodo 203 uno de otro. El gas hidrógeno separado se descarga fuera del aparato electrolítico 201 a través de la línea de liberación de gas de cátodo 218.
La solución electrolítica separada se descarga de la unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo 209 a través de la línea de suministro de lado de cátodo 211, y se transporta al depósito de circulación 212b.
El depósito de circulación 212b almacena la solución electrolítica transportada desde la unidad de separación de gas-líquido 209 de lado de cátodo. La solución electrolítica es descargada del depósito de circulación 212b mediante el arranque de la bomba de circulación 214, y es suministrada a la cámara de cátodo 203 a través de la línea de suministro de lado de cátodo 211. Una parte de la solución electrolítica se descarga fuera del sistema del aparato electrolítico 201 a través de un tubo que se bifurca de la línea de suministro de lado de cátodo 211. Se recoge sosa cáustica de esta solución electrolítica descargada.
La solución electrolítica de la cámara de ánodo 202 se descarga junto con el gas cloro de la cámara de ánodo 202 a través de la línea de descarga de lado de ánodo 207, y se transporta a la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 206.
La unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 206 separa la solución electrolítica y el gas cloro transportado desde la cámara de ánodo 202 uno de otro. El gas de ánodo separado se descarga de la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 206 a través de la línea de alimentación de gas de ánodo 220.
La solución electrolítica separada se descarga de la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 206 a través de la línea de suministro de lado de ánodo 208, y se transporta al depósito de circulación 212a.
El depósito de circulación 212a almacena la solución electrolítica transportada desde la unidad de separación de gas-líquido 206 de lado de ánodo. La solución electrolítica en el depósito de circulación 212a contiene gas cloro disuelto. El gas cloro se libera de la solución electrolítica ajustando el pH de la solución electrolítica en el depósito de circulación 212a. El gas cloro liberado se descarga de una parte superior del depósito de circulación 212a. En la figura 5, el gas cloro es transportado a la línea de alimentación de gas de ánodo 220 a través de la tercera línea de liberación de gas de ánodo 217.
La solución electrolítica es descargada del depósito de circulación 212a mediante el arranque de la bomba de circulación 213, y es suministrada a la cámara de ánodo 202 a través de la línea de suministro de lado de ánodo 208.
La electrólisis se realiza de forma continua mediante los procesos anteriores. Mediante la electrólisis continua, el gas hidrógeno disuelto permanece en la solución electrolítica en el lado de ánodo y su concentración aumenta. Cuando la cantidad de gas hidrógeno disuelto supera una cantidad de disolución de saturación, el gas hidrógeno disuelto se convierte en gas en la línea de circulación de lado de ánodo, y el gas hidrógeno se libera. Por ejemplo, cuando se genera gas hidrógeno entre la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 206 y la bomba de circulación 213, el gas hidrógeno se acumula en la bomba de circulación 213. Es decir, se forma una región de fase gaseosa en la bomba de circulación 213.
En la tercera realización, la línea de alimentación de gas de ánodo 220 transporta la cantidad total o una parte del gas cloro separado en la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo 206 a la bomba de circulación 213. Cuando la válvula de regulación de caudal de la primera línea de liberación de gas de ánodo 215 está cerrada, toda la cantidad de gas cloro se transporta a la bomba de circulación 213. Cuando se libera la válvula de regulación de caudal, una parte del gas cloro se transporta a la bomba de circulación 213. El gas cloro que pasa a través de la primera línea de liberación de gas de ánodo 215 se descarga fuera del aparato electrolítico 201, y se recoge como material valioso.
El gas cloro transportado a la bomba de circulación 213 a través de la línea de alimentación de gas de ánodo 220 se mezcla con gas hidrógeno en la región de fase gaseosa en la bomba de circulación 213. A continuación, el gas cloro se descarga junto con una cantidad muy pequeña de gas hidrógeno de la bomba de circulación 213, y se libera fuera del sistema del aparato electrolítico 201 a través de la segunda línea de liberación de gas de ánodo 216 y la primera línea de liberación de gas de ánodo 215.
La cantidad de gas hidrógeno liberado de la solución electrolítica es muy pequeña. Por otro lado, la cantidad de gas cloro alimentado desde la línea de alimentación de gas de ánodo 220 es mayor que la del gas hidrógeno liberado. Por lo tanto, el gas hidrógeno se diluye en la región de fase gaseosa. La concentración de gas hidrógeno es mucho menor que el valor límite inferior del límite de explosión. El riesgo de explosión de hidrógeno puede evitarse con mayor seguridad. En el sistema de mezcla de gas cloro y gas hidrógeno, el valor límite inferior del límite de explosión es del 5,5% en volumen. Por lo tanto, en la presente realización, teóricamente, la concentración de gas hidrógeno en la región de fase gaseosa sólo debe ser inferior al 5,5% en volumen. Sin embargo, para prevenir el riesgo de explosión de hidrógeno con mayor seguridad, también en este caso, la concentración de gas hidrógeno en la región de fase gaseosa es preferiblemente inferior a 4% en volumen como en las otras realizaciones.
También en el depósito de circulación 212a descrito anteriormente, la solución electrolítica se separa del gas. Por lo tanto, el depósito de circulación 212a también sirve como una unidad de separación de gas-líquido (unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo). A partir de este hecho, como estructura alternativa de la figura 5, se puede proporcionar una línea de suministro de gas de ánodo que conecta la bomba de circulación 213 con la parte media de la tercera línea de liberación de gas de ánodo 217. Alternativamente, se puede proporcionar una línea de alimentación de gas de ánodo que conecta la bomba de circulación 213 a una parte superior del depósito de circulación 212a sin proporcionar la tercera línea de liberación de gas de ánodo. En estas estructuras alternativas, toda la cantidad o una parte del gas cloro separado de la solución electrolítica en el depósito de circulación 212a se alimenta a la región de fase gaseosa formada en la bomba de circulación 213.
Como se ha descrito anteriormente, se puede evitar con seguridad un riesgo de explosión de hidrógeno, y se puede realizar un tratamiento de electrólisis de forma continua y más segura también mediante el aparato electrolítico y el método electrolítico de la tercera realización.
En el aparato electrolítico de la presente realización, el gas hidrógeno se diluye alimentando el gas cloro generado en el aparato a la región de fase gaseosa donde se acumula el gas hidrógeno. Por lo tanto, no es necesario introducir impurezas como el aire o el gas inerte en el sistema. Por lo tanto, es posible recoger gas cloro de alta pureza.
La idea técnica de la presente invención es aplicable a otras electrólisis que generan gas hidrógeno, como la electrólisis de agua pura, la electrólisis de agua no purificada, la electrólisis de una solución acuosa de bromuro, la electrólisis de una solución acuosa de ácido clorhídrico o la electrólisis de una solución acuosa de ácido sulfúrico, además de la electrólisis de agua alcalina y la electrólisis de una solución acuosa de cloruro. En cada electrólisis, el gas generado en el ánodo se utiliza como gas de ánodo. Los ejemplos incluyen gas halógeno, como gas bromo, además de gas oxígeno y gas cloro.
Ejemplos
A continuación, se describirán ejemplos de la presente invención. Sin embargo, la presente invención no se limita a ellos.
Se realizó electrólisis de agua alcalina utilizando el aparato ilustrado en la figura 1.
Una reacción de descomposición del agua es H2O ^ I /2 O2 + H2. En el proceso electrolítico de agua alcalina, la cantidad de generación de oxígeno es la mitad de la de hidrógeno.
[Condiciones electrolíticas]
La cantidad de generación de gas hidrógeno se fijó en 100 Nm3/h. La electrólisis se realizó a una temperatura electrolítica de 60°C, CD = 5 kA/m2
Como solución electrolítica se utilizó un 25% en masa de KOH.
Regularmente, la operación se realiza a la densidad de carga. Sin embargo, el estado de operación cambia apropiadamente de tal manera que la operación se detiene o se realiza a una densidad de carga alta de 6 kA/m2. La presión manométrica del gas y la cantidad de generación de gas durante la operación se ajustaron a los valores siguientes.
Gas H2: 560 mm H2O, 100 Nm3/h
Gas O2: 260 mm H2O, 50 Nm3/h
La operación se realizó con una cantidad de líquido de circulación en el lado de cátodo de 12,5 m3/h.
Cuando la presión de la parte de fase gaseosa en el depósito de circulación 12 se asumió como presión atmosférica de 0 mm H2O, y toda la cantidad de gas hidrógeno disuelto se libera en la parte de fase gaseosa, la concentración de gas hidrógeno en la parte de fase gaseosa en el depósito de circulación es máxima. Sin embargo, por supuesto, estos valores numéricos se obtienen suponiendo que la cantidad de generación de hidrógeno es de 100 Nm3/h, y cambian según la escala del aparato, las condiciones de funcionamiento o similares.
Sin embargo, el valor límite de explosión del hidrógeno u otro gas no cambia. Por lo tanto, es preferible purgar o reemplazar adecuadamente el hidrógeno almacenado en un espacio cerrado, teniendo en cuenta la seguridad. [Concentración de gas hidrógeno disuelto en KOH]
El coeficiente de absorción Bunsen a de una solución de KOH con una concentración de 5 mol/dm3 a 30°C es de 0,37 x 10-2 según el "Revised Third edition Chemistry Handbook Fundamental II" editado por la sociedad de química de Japón. Cuando se calcula una concentración saturada de hidrógeno disuelto utilizando este valor, la concentración saturada de hidrógeno disuelto (30°C) = densidad de gas [g/cm3] x a = 0,33 mg/l.
[Concentración de hidrógeno disuelto a 60°C, 560 mm H2O]
La concentración de la solución de KOH 5 mol/dm3 es de aproximadamente 23% en peso, ligeramente inferior a la concentración saturada de hidrógeno disuelto de 25% en peso (0,33 mg/l). Según el mencionado Chemistry Handbook II, la concentración saturada de hidrógeno en el agua a 60°C es del 97,6% en base a la de 30°C. Cuando la concentración saturada de hidrógeno disuelto en la solución de KOH disminuye según la temperatura de forma similar a la concentración saturada de hidrógeno disuelto en el agua, la concentración saturada de hidrógeno disuelto en la solución de KOH al 25% en peso a 60°C puede considerarse de 0,33 mg/l.
Si la concentración de hidrógeno disuelto sigue la ley de Henry, la concentración saturada de hidrógeno disuelto a la presión de operación es de 0,33 mg/l x 97,6/100 x (10332 560)/10332 = 0,34 mg/l.
[Cantidad máxima de gas hidrógeno difundido como gas en el depósito de circulación].
Cuando se suministra KOH saturado de hidrógeno al depósito de circulación a 12,5 m3/h, un caudal máximo de gas hidrógeno que puede ser liberado en la fase gaseosa es de 12,5 m3/h x 0,34 mg/l = 4,25 g/h = 47,6 Nl/h = 0,0476 Nm3/h. (Se ha supuesto que la molécula de hidrógeno es de 2 g y la condición estándar es de 22,4 l).
[Cantidad de gas de dilución para el valor límite inferior del límite de explosión (LEL) del 4% de hidrógeno]
La cantidad de gas de dilución para el valor límite inferior del límite de explosión del hidrógeno es de 47,6/0,04-47,6 Nl/h = 1,14 Nirr/h. Es necesario que la cantidad de gas de dilución sea superior a 1,14 Nm3/h para mantener la concentración de hidrógeno en el valor límite inferior del límite de explosión del hidrógeno o menos. Cuando el gas hidrógeno se diluye con el gas oxígeno generado en el ánodo, con un caudal de 50 Nm3/h, la concentración de hidrógeno es del 0,1%.
A continuación, se describirá el proceso de la cantidad de generación de hidrógeno de 100 Nm3/h. Las condiciones son las siguientes:
Baño electrolítico: área de reacción 1,13 m2, 44 elementos, volumen interior aproximado de un elemento 40 a 50 l (cámara de ánodo cámara de cátodo)
Volumen de todo el baño electrolítico: 1,8 m3 a 2,2 m3
Volumen del depósito de circulación: aproximadamente 1,1 m3
En el depósito de circulación en el proceso, una parte superior del mismo se convierte en una zona de fase gaseosa. Cuando se supone que la fase líquida:fase gaseosa = 50:50, unos 500 l se convierten en una zona de fase gaseosa del depósito de circulación, y se expulsa gas hidrógeno en el sistema suministrando gas de sustitución a la zona de fase gaseosa de la parte superior para garantizar la seguridad.
Suponiendo que se pueda generar gas hidrógeno de 47,6 Nl/h en el depósito de circulación (fase gaseosa 500 l), cuando el sistema se llena con gas hidrógeno de 500 l x 0,04 = 20 l o más, se alcanza el límite de explosión del 4%; sin embargo, no es realista. Es decir, el límite de explosión se alcanza en 20 x 60/47,6 = 25 minutos.
Por lo tanto, en la reacción electrolítica se genera oxígeno de 50 Nm3/h, y si el oxígeno se suministra de manera que la concentración de gas hidrógeno de 47,9 Nl/h sea inferior a 4% en volumen, no se produce la explosión.
El volumen total que incluye el hidrógeno del 4% en volumen es de 47,6 Nl/h/0,04 = 1190 Nl/h. Esta cantidad incluye la cantidad de hidrógeno. Por lo tanto, la cantidad necesaria de oxígeno es de 1190 Nl/h-47,6 Nl/h = 1142,4 Nl/h = 1,14 Nm3/h.
Es decir, la concentración de gas hidrógeno puede mantenerse por debajo del 4% en volumen en el sistema del proceso mediante el suministro de oxígeno de más de 1,14 Nm3/h. Dicho sistema es seguro.
En el proceso de generación de hidrógeno de 1000 Nm3/h y oxígeno de 50 Nm3/h como ejemplo de este caso, se ha hallado que puede realizarse una operación segura suministrando una cantidad equivalente al 2,2% (1,1 Nm3/h) de toda la cantidad de oxígeno generada en el ánodo a la parte de fase gaseosa del depósito de circulación.
Básicamente, la cantidad de gas hidrógeno a diluir del gas hidrógeno disuelto es una cantidad tal que se diluye suficientemente con el oxígeno autogenerado, independientemente del tamaño del proceso electrolítico. Un aparato electrolítico que tiene cualquier volumen también es similar a éste.
Lista de signos de referencia
1, 1', 101, 101', 201: aparato electrolítico
2, 202: cámara de ánodo
3, 203: cámara de cátodo
4, 204: diafragma
5, 205: baño electrolítico
6, 206: unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo
7, 207: línea de descarga de lado de ánodo
8, 208: línea de suministro de lado de ánodo
9, 209: unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo
10, 210: línea de descarga de lado de cátodo
, 211: línea de suministro de lado de cátodo , 212a, 212b: depósito de circulación
, 14, 213, 214: bomba de circulación
, 17: tubo
, 23: aparato de sellado de agua
: depósito de suministro de agua
: bomba
, 220: línea de alimentación de gas de ánodo : región de fase gaseosa
: tubo de descarga de gas
2: línea de liberación de gas de ánodo
5: primera línea de liberación de gas de ánodo 6: segunda línea de liberación de gas de ánodo 7: tercera línea de liberación de gas de ánodo 8: línea de liberación de gas de cátodo

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Un aparato electrolítico (1, 101) que comprende:
una cámara de ánodo (2) que aloja un ánodo y genera gas de ánodo;
una cámara de cátodo (3) que aloja un cátodo y genera gas hidrógeno;
un diafragma (4) que separa la cámara de ánodo y la cámara de cátodo una de otra;
una línea de circulación de lado de ánodo que descarga una solución electrolítica de la cámara de ánodo (2) y devuelve la solución electrolítica a la cámara de ánodo (2), donde
la línea de circulación de lado de ánodo incluye:
una unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo (6) que separa el gas de ánodo de la solución electrolítica;
una línea de descarga de lado de ánodo (7) que conecta la cámara de ánodo (2) a la unidad de separación de gaslíquido de lado de ánodo (6), descarga la solución electrolítica y el gas de ánodo de la cámara de ánodo (2), y alimenta la solución electrolítica y el gas de ánodo a la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo (6); y una línea de suministro de lado de ánodo (8) que conecta la cámara de ánodo (2) a la unidad de separación de gaslíquido de lado de ánodo (6), descarga la solución electrolítica de la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo (6) y alimenta la solución electrolítica a la cámara de ánodo (2),
una línea de circulación de lado de cátodo que incluye:
una unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo (9) que separa el gas hidrógeno de la solución electrolítica;
una línea de descarga de lado de cátodo (10) que conecta la cámara de cátodo (3) con la unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo (9), descarga la solución electrolítica y el gas hidrógeno de la cámara de cátodo (3), y alimenta la solución electrolítica y el gas hidrógeno a la unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo (9); y una línea de suministro de lado de cátodo (11) que conecta la cámara de cátodo (3) a la unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo (9), descarga la solución electrolítica que contiene gas hidrógeno disuelto de la unidad de separación de gas-líquido de lado de cátodo (9), y alimenta la solución electrolítica a la cámara de cátodo (3), el aparato electrolítico comprende además una línea de alimentación de gas de ánodo (20) que conecta la unidad de separación de gas-líquido de lado de ánodo (6) a una región de fase gaseosa (21) donde el gas de ánodo se mezcla con el gas hidrógeno derivado del gas hidrógeno disuelto y que existe como fase gaseosa; alimentando la línea de alimentación de gas de ánodo (20) al menos una parte del gas de ánodo a la región de fase gaseosa (21), y un depósito de circulación (12) que está dispuesto en medio de la línea de suministro de lado de ánodo (8) y de la línea de suministro de lado de cátodo (11), y que mezcla la solución electrolítica alimentada desde la línea de suministro de lado de ánodo (8) con la solución electrolítica alimentada desde la línea de suministro de lado de cátodo (11), donde el depósito de circulación (12) es común a la línea de suministro de lado de ánodo (8) y a la línea de suministro de lado de cátodo (11), y donde
la región de fase gaseosa (21) se forma en el depósito de circulación de mezcla (12), y
la línea de alimentación de gas de ánodo (20) está conectada a la región de fase gaseosa (21) del depósito de circulación (12), y un tubo de descarga de gas (22) está dispuesto en una parte superior del depósito de circulación (12),
donde la concentración del gas hidrógeno en la región de fase gaseosa (21) es inferior a un valor límite inferior del límite de explosión, y
donde el gas de ánodo es gas oxígeno.
2. El aparato electrolítico (1) según la reivindicación 1, donde la solución electrolítica es una solución acuosa alcalina.
3. El aparato electrolítico (1) según la reivindicación 1, donde la solución electrolítica es agua pura o agua no purificada.
4. El aparato electrolítico según la reivindicación 1, donde la línea de alimentación de gas de ánodo (20) está conectada a la región de fase gaseosa (21) formada en una parte superior en el depósito de circulación (12).
5. El aparato electrolítico según alguna de las reivindicaciones 1 a 4, donde la concentración del gas hidrógeno en la región de fase gaseosa (21) es inferior a 4% en volumen.
6. Un método electrolítico que electroliza una solución electrolítica utilizando un aparato electrolítico (1, 101) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
comprendiendo el método:
descargar la solución electrolítica y el gas de ánodo de la cámara de ánodo (2), separar el gas de ánodo de la solución electrolítica, y devolver la solución electrolítica de la que se ha separado el gas de ánodo a la cámara de ánodo (2);
descargar la solución electrolítica y el gas hidrógeno de la cámara de cátodo (3), separar el gas hidrógeno de la solución electrolítica, y devolver la solución electrolítica que contiene gas hidrógeno disuelto, de la que se ha separado el gas hidrógeno, a la cámara de cátodo (3);
y
alimentar al menos una parte del gas de ánodo separado a una región de fase gaseosa (21) donde el gas de ánodo se mezcla con el gas hidrógeno derivado del gas hidrógeno disuelto y que existe como fase gaseosa, y diluir el gas hidrógeno en la región de fase gaseosa (21) con el gas de ánodo alimentado de manera que la concentración de gas hidrógeno en la región de fase gaseosa sea inferior a un valor límite inferior del límite de explosión, donde el método comprende mezclar la solución electrolítica de la que se ha separado el gas de ánodo y la solución electrolítica de la que se ha separado el gas hidrógeno en el depósito de circulación (12), donde la región de fase gaseosa (21) se forma en el depósito de circulación (12), y donde el gas de ánodo es gas oxígeno.
7. El método electrolítico según la reivindicación 6, donde la solución electrolítica es una solución acuosa alcalina.
8. El método electrolítico según la reivindicación 6, donde la solución electrolítica es agua pura o agua no purificada.
9. El método electrolítico según la reivindicación 6, donde el gas de ánodo separado se introduce directamente en la región de fase gaseosa (21) formada en el depósito de circulación (12).
10. El método electrolítico según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, donde, en el paso de dilución, el gas hidrógeno en la región de fase gaseosa (21) se diluye de manera que la concentración de gas hidrógeno en la región de fase gaseosa (21) sea inferior a 4% en volumen.
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