FI66210C - Elektrodstruktur och foerfarande foer bildande av elektrolytcirkulation - Google Patents

Description

rBl ni.KOULUTUSJULItAISU ϊ£ΟΛΓ\ jMTa W (11) UTLÄCCNINGSSKAIPT 002.\\J

^ Paterit E3ddclat ^ ^ pi) Kv.N^/hK.CL3 C 25 B 11/02, 1/40 SUOMI—FINLAND 801311 (22) H«fc.mh»IM — Amatoilng^ 23.04.80 (23) AtlmpaM—GlMftotadaf 23.04.80 (41) ΤιιΜικ («HritMuI — MvK offudfr g. .. gn

Pimitti- ja raklffcarlhaWItw ίΛΑ .......... . . .....

Patent- och 1 eg later (tynlaan Aiwa km tbgd od> idaraw pwbwtend 31.05.84 (32)(33)(31) tyr***r ·ΜοΛ*ι·—e*|«rd prior*·* 03.05.79

Ital ia-ltalien(lT) 22318 A/79 (71) Oronzio de Nora Impianti Elettrochimici S.p.A., Via Bistolfi 35, 20134 Milano, I tai ia-1 tai ien (IT) (72) Alberto Pellegri, Luino (VA), Italia-ltalien(IT) (7*0 Berggren Oy Ab (54) Elektrodirakenne ja menetelmä elektrolyytin kierrätysliikkeiden synnyttämiseksi - Elektrodstruktur och förfarande för bildande av elektrolytcirkulation

Alkalimetallihalidien, erityisesti natriumkloridin vesiliuosten elektrolyysiin tarkoitetut elohopeakatodikennot ovat hyvin tunnettuja. Viimeisten 10-20 vuoden aikana aikaisemmin käytetyt kuluvat grafiittianodit on korvattu dimensiostabii-leilla metallielektrodeilla, jolloin voidaan käyttää erittäin suuria virrantiheyksiä. Dimensiostabiilit elektrodit ovat normaalisti huokoista tai sauvarakennetta, joka on tehty venttii-limetallista, kuten titaanista, jonka ulkokerros on sähköä johtavaa sähköanalyyttistä materiaalia, kuten platinaryhmän metalleja tai niiden oksideja, jotka sisältävät valinnaisesti muita metallioksideja, kuten on kuvattu esimerkiksi US-paten- teissa n:ot 3 711 385 ja 3 632 498. Projisoidulla anodipin- 0 nalla voidaan käyttää n. 11-14 kA/m virrantiheyksiä metalli-anodin ja elohopeakatodin välisellä 2-3 mmcn raolla.

Näissä olosuhteissa massansiirto anodipinnalle tulee määrääväksi tekijäksi ja riittävää kloridi-ionisyöttöä anodille on ylläpidettävä suolaliuoksen loppuunkulumisen täydentämiseksi kapeassa elektrodien välisessä raossa. Riittävä kloridi-ioni- 2

6621 O

syöttö on mahdollinen vain diffuusiomekanismin avulla, johtuen elektrodien välisessä raossa olevan suolaliuoksen ja kennossa olevan suolaliuoksen pääosan välillä vallitsevasta väkevyysgradientista, upottamalla anodit, tai pakotetulla hydrodynaamisella virtauksella, joka siirtää väkevää suolaliuosta kennon sisällä olevasta pääosasta elektrodien väliseen rakoon.

Anodilla muodostuneet kaasukuplat synnyttävät tehokkaasti tiettyä turbulenssia ja aikaansaavat virtausliikkeitä elektrolyyttiin. Huokoiset metallianodit ovat myös tältä kannalta katsoen edullisia vanhentuneisiin grafiittianodeihin verrattuna. Käytössä olevat suuret virrantiheydet ovat kaikesta huolimatta tuoneet ongelman jälleen esiin koko sen tärkeydessä, mistä on seurauksena rajoituksia suuriverkkoisten anodiraken-teiden käytölle, jotka vaikka ovatkin sellaisenaan edullisia sanotulle kloridi-ionien syötölle, tuovat mukanaan liian suuria ohmisiä häviöitä yiyssnirakenteen sisällä.

Seurauksena huonosta kloridi-ionisyötöstä anodille, mikä johtuu liian suuresta suolaliuoksen kulumisesta elektrodien välisessä raossa on a) happipitoisuuden kasvu anodilla muodostuneessa kloorissa johtuen kilpailevasta veden elektrolyysistä ja ennen kaikkea b) huomattava anodin eliniän lyheneminen, koska katalyyttipäällyste passivoituu ja huuhtoutuu titaani-alustasta. Tällaisten haittojen voittamiseksi on ponnisteltu useiden vuosien ajan väkevän suolaliuoksen syötön parantamiseksi anodille.

US-patentissa n:o 3 795 603 esitetään rakenne, jossa anodin onton rungon ja kanavien läpi pumpataan ja syötetään suolaliuosta lukuisten reikien läpi aina elektrodien väliseen rakoon saakka. Tässä menetelmässä ovat valitettavasti anodi-rakenteet samoin kuin suolaliuoksen syöttösysteemi kohtuuttoman monimutkaiset. Sitäpaitsi anodipinnalla voidaan havaita kuplavaikutus johtuen anodisten kaasukuplien tehottomasta irtoamisesta siitä, mistä on seurauksena kennojännitteen kasvu.

US-patentissa n:o 3 725 223 tarkastellaan pystysuoria oh-jauslevyjä, jotka työntyvät ulos joidenkin anodien reunasta 3 6621 0 ylävirtaan suolaliuoksen virtaukseen nähden. Tällaiset ohjaus-levyt katkaisevat suolaliuoksen virtauksen pitkin kennoa muodostaen kennon poikkisuunnassa esteitä, jotka pakottavat suolaliuoksen virtaamaan ohjauslevyjen alareunan alta ja tästä johtuen elektrodien väliseen rakoon. Hydraulinen vaikutus ei kuitenkaan ole kovin huomattava, koska ohjauslevyjen alta kulkemaan pakotettu suolaliuos kiipeää välittömästi taas ylös niiden lähellä anodiverkkojen läpi. Sanottujen ohjauslevyjen lukumäärän on joka tapauksessa oltava rajoitettu pumppauskustannusten pitämiseksi siedettävinä ja ohjaus-levyjen alitse virtaava suolaliuos törmää rajusti alla olevaan elohopeaan, jolloin on mahdollista, että syntyy aukkoja elohopeanestepintaan, joka virtaa alas kennon kaltevaa pohjaa vastavirtaan suolaliuoksen kanssa.

US-patentissa n:o 3 035 279 selostetaan kannen käyttöä, joka kallistuu grafiittianodin päälle pidättäen täten anodikaasun, jota vapautuu pitkin kaltevan kannen yläreunaa. Kaasutilavuus poistaa enemmän elektrolyyttiä anodin kehän osan läpi. Samantapaista menetelmää ehdotetaan saksalaisessa patenttihakemuksessa n:o 2 327 303, joka sopii huokoiselle metallianodille. Tällaisen menetelmän tehokkuus on kuitenkin tuskin huomattava, koska anodin kehän osan läpi poistettu elektrolyyttivirtaus ei ole tasaisesti jakautunut ja pyrkii peittämään vain joitakin anodipinnan ympärysalueista, mistä on seurauksena anodi-virrantiheyden epätasapaino siinä. Tällainen haitta aiheuttaa sähköanalyyttisen kerroksen alunperin paikallistunutta deak-tivoitumista ja anodin nopeaa loppuunkulunista johtuen todellisen virrantiheyden kasvusta anodipinnan vielä aktiivisilla alueilla. Menetelmä on sitäpaitsi epäedullinen siinä, että elektrodirakenteen korkeus on lisätty kaltevan kannen korotukseen, joka tämän vuoksi ei saa olla kovin korkea vaakatason suhteen, muutoin kansi tulisi osittain esiin kennossa olevasta suolaliuospäästä, jolloin hyötysuhteen menetys olisi huomattava. Kallistuksen on tämän vuoksi oltava välillä 10-15°. Tämä rajoittaa kuitenkin suuresti käytettävissä olevaa hydraulista nostovoimaa, koska suuri osa käytettävissä olevasta kineettisestä energiasta menetetään kaasunestedispersion oleellisesti ylöspäin ja yli suuntautuvan virtauksen törmäyksessä kannen suuremmassa kuin 45°:n kulmassa.

4

6621 O

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan parannettu menetelmä ja siihen tarkoitettu hydraulinen laite massansiirron parantamiseksi anodipinnalle.

Keksinnön toisena tarkoituksena on saada aikaan anodirakenne, joka sulkee sisäänsä hydraulisen laitteen, joka kykenee parantamaan massansiirtoa anodipinnalle.

Tämän keksinnön muuna tarkoituksena on saada aikaan uusi menetelmä aikaiimetallikloridin elektrolysoimiseksi elohopea-katodikennossa ja uusi elektrolyysikenno.

Nämä ja muut keksinnön tarkoitukset ja edut käyvät ilmi seu-raavasta yksityiskohtaisesta kuvauksesta.

Keksinnön uusi rakenne koostuu oleellisesti tasomaisesta ja vaakasuorasta avorakenteisesta elektrodipinnasta, joka on valinnaisesti varustettu sähkökatalyyttisellä ulkopinnalla, lukuisista ohjauslevyistä, jotka on jaettu tasaisesti elektro-dipinnan takapäähän, ohjauslevyjen ollessa kallistettuina vuorotellen yhteen ja vastakkaiseen suuntaan pystyakselin suhteen niiden alareunojen rajoittaessa huokoisen elektrodin yläpintaan vuorottelevan sarjan alueita, joita rajoittaa ohjauslevyjen vastaavasti kaksi vierekkäistä ylöspäin lähenevää pintaa ja kaksi vierekkäistä ylöspäin loittonevaa pintaa ja välineestä virran johtamiseksi tasaisesti elektrodin pinnalle. Rakenteella voitetaan alan aikaisempien rakenteiden haitat ja sitä ei voida ainoastaan käyttää uusiin kennoihin, vaan voidaan soveltaa olemassa oleviin kennoihin.

Keksinnön menetelmälle on luonteenomaista, että oleellisesti tasomaiselle, huokoiselle anodirakenteelle järjestetään sarja ohjauslevyjä, jotka jaetaan tasaisesti koko anodipinnalle ja vuorotellen kallistettuna yhteen ja vastakkaiseen suuntaan pystyakselin suhteen, joiden vuorotellen kaltevien ohjauslevyjen alareunat rajoittavat pohjalleen huokoisen ja oleellisesti tasomaisen anodin yläpinnan viereen sarjan vuorottaisia alueita, joita rajoittaa ohjauslevyjen vastaavasti kaksi vierekkäistä ylöspäin lähenevää pintaa ja kaksi vierekkäistä ylöspäin loittonevaa pintaa. Tällaiset ohjauslevyt pidättävät 5 66210 anodipinnalla kehittyneet ylös kohoavat kaasukuplat aiheuttaen elektrolyytin ylöspäin suuntautuvan liikkeen virtaavassa massassa, joka sisältyy ohjauslevyparien väliin, jotka lähestyvät toisiaan yläosissaan, ja sen elektrolyytin alaspäin suuntautuvan liikkeen, joka sisältyy ohjauslevyjen parien väliin, jotka loittonevat toisistaan ylhäällä. Ohjauslevyt on jaettu tasaisesti koko anodin projisoidulle pinnalle ja niiden korkeus voi olla yhtä suuri kuin sen rakenteen, joka vie virtaa anodiin tai jopa suurempi, mutta joka tapauksessa pienempi kuin kennossa oleva elektrolyyttipää elektrolyytin säännöllisen virtauksen varmistamiseksi pitkin kennoa. Ohjauslevyt muodostavat hydrodynaamisen laitteen, joka tehokkaasti synnyttää elektrolyytin pakotetun virtauksen yläpuolella olevan elektrolyytin pääosan ja elektrodien välisessä raossa olevan elektrolyytin välillä tasaisesti koko anodin aktiivisen pinnan yli.

Anodipinnalla kehittyneiden kaasukuplien aikaansaama, ylöspäin suuntautuvana nostovoimana esiintyvää hydraulista energiaa ei ainoastaan hyödynnetä parhaassa tapauksessa synnyttämään elektrolyytin palautusliike, vaan ennen kaikkea välttämään sen epätasainen palautusvirta anodin aktiiviselle pinnalle.

Ohjauslevyt on mieluummin tehty tasomaisista tai lievästi kaarevista levyistä, joiden pituus on oleellisesti sama kuin anodin leveys ja ne on sijoitettu reunat yhdensuuntaisina tietylle etäisyydelle toisistaan vuorotellen vinoon yhteen ja vastakkaiseen suuntaan pystyakselin suhteen. Ohjauslevyjen alareunat ovat kosketuksessa anodiverkon yläpinnan kanssa tai lähellä sen vieressä. Pystyleikkauksessa, joka on tehty kohtisuoraan ohjauslevyjen pintoja vastaan, rakennetta, joka koostuu anodiverkosta ja ohjauslevyistä, voi edustaa sarja ylösalaisin käännettyjä trapetsoidikuvioita, anodiverkkoleikkausten ja ohjauslevyjen leikkausten edustaessa tässä järjestyksessä alempia pohjia ja niiden kaltevia sivuja, kun taas ohjaus-levyjen yläpäät rajoittavat kärjillä yläpohjia. On selvää, että kaltevat sivut voivat omaksua myös kaarevan muodon Ventu-ri-tyyppisten poikkileikkausääriviivojen muodostamiseksi, tai murtoviivaisen muodon, jossa segmenteillä on muuttuvat kaltevuuskulmat. Edullisemmin anodiverkkoleikkaus voidaan jakaa vuorotellen pitkiin ja lyhyihin segment.te ‘in, 6 66210 joita rajoittavat tässä järjestyksessä a) kahden vierekkäisen, ylöspäin toisiaan lähestyvien ohjauslevyjen alapäät ja b) sanotuista ohjauslevyistä toisen alapää ja seuraavan sarjassa viereisen ohjauslevyn alapää näiden kahden jälkimmäisen muodostaessa vuorostaan parin ylöspäin loittonevia ohjausle-vyjä. Pitkät ja lyhyet segmentit leikkauksessa vastaavat tässä järjestyksessä suuria ja pieniä elektrodialueita tasossa. Koko anodipinta on näin ollen jaettu sarjaan säännöllisesti vuorottelevia suuria ja pieniä alueita. Tämä lisää huomattavasti syntynyttä kierrätysliikettä vaikkakin ohjauskyvyillä olisi pieni tehollinen korkeus.

Ottaen huomioon, että muuttumattomissa olosuhteissa kehittynyt kaasumäärä anodin pintayksikköä kohti on vakio, anodin sillä alueella kehittyneen kaasun, joka vastaa suurta aluetta, jota anoditasossa rajoittaa pari ylöspäin toisiaan lähestyviä ohjauslevyjä, kulun estää sanottujen ohjauslevyjen pinta ja kaasu kohoaa niiden välissä oleyan elektrolyytin läpi, kun taas samalla tavoin anodin sillä alueella kehittynyt kaasu, joka vastaa pientä aluetta, kohoaa sen elektrolyytin läpi, joka sisältyy kahden ylöspäin loittonevan ohjauslevyn pintojen väliin.

Yksinkertaisuuden vuoksi voidaan ajatella, että elektrolyytin ja kaasukuplien muodostaman virtaavan seoksen tiheys on tämän vuoksi paljon pienempi virtaavassa massassa toisiaan lähestyvien ohjauslevyjen välissä kuin se on virtaavassa massassa loittonevien ohjauslevyjen välissä. Elektrolyytin ylöspäin suuntautuva liike muodostuu täten jokaisen parin ylöspäin toi-suaan lähestyvien ohjauslevyjen välillä samoin kuin elektrolyytin alaspäin suuntautunut liike jokaisen parin ylöspäin loittonevien ohjauslevyjen välillä. Näiden yhdistettyjen vaikutusten seurauksena syntyy lukuisia suljettuja kiertoliikkeitä ano-dirakenteen yläpuolella olevasta elektrolyyttimassasta elektro-lyyttimassaan, joka sisältyy anodipinnan ja alla oleva katodin väliin huokoisen elektrodilevyn aukkojen läpi.

Suljettu kiertoliike käsittää käytännössä koko anodipinnan, jolloin vältetään anionisten väkevyysgradienttien esiintyminen pitkin anodipintaa siitä seuraavine anodivirrantiheyden epä-tasapainoineen, mikä puolestaan edistää anodien deaktivoitu- 7 66210 mistä. Keksinnön prosessi on edelleen edullinen siinä, että takaisinvirtausnopeutta voidaan vaihdella soveltumaan kyseessä olevan laitoksen käyttöolosuhteisiin, kuten esimerkiksi virrantiheyteen, suolaliuoksen kierrätysnopeuteen tai kulumis-nopeuteen, anodirakenteen tai verkon umpinaisten ja avoimien pinta-alojen väliseen suhteeseen jne. Yllä kuvattujen ohjaus-levyjen aiheuttamaa takaisinvirtausnopeutta voidaan vaihdella laajalla alueella, ohjauslevyjen tehokkaan korkeuden, ts. etäisyyden ohjauslevyjen yläreunan ja anodipinnan välillä ollessa vakio, säätämällä jokaisen loittonevien ohjauslevyjen parin rajoittamaa anodipinnan alaa, ts. vaihtamalla suuren ja pienen pinta-alan välistä suhdetta. Tämä on helppo toteuttaa sopivasti taivuttamalla enemmän tai vähemmän ohjauslevyjä pystyakselin suhteen.

Kokeellisesti on osoitettu, että sanotun suhteen on oltava yhtä suuri tai suurempi kuin 1 voimakkaan kierrätyksen aikaansaamiseksi myös silloin kua ohjauslevyjen tehollinen korkeus on suhteellisen pieni ja että suhteen edullisemmin tulisi olla 2 tai suurempi voimakkaan kierrätyksen aikaansaamiseksi kun ohjauslevyn tehollinen korkeus on vain noin 50 mm. Toisaalta kun tämä suhde nostetaan arvoihin välille 7-10, anodin pienillä alueilla kehittyneitä kaasukuplia vedetään liian suurella energialla alaspäin, ts. kohti katodia johtuen elektrolyytin suuresta nopeudesta alaspäin anodiverkkojen läpi jokaisen ylöspäin loittonevien ohjauslevyjen parin alareunojen välissä. Natriumkloridiliuoksen elektolyysille tarkoitetuissa elohopea-katodikennoissa kaasumaisen kloorin ja amalgaaman välistä törmäystä pitäisi rajoittaa tai välttää. Tällaisissa tapauksissa suurten ja pienten pinta-alojen välinen suhde pitäisi tämän vuoksi pitää mieluummin välillä 2-5. Näissä suositeltavissa rajoissa sanottua suhdetta voidaan edullisesti vaihdella riippuen virrantiheydestä ja anodirakenneominaisuuk-sista parhaiden tulosten saavuttamiseksi. Tiettyjä anodiraken-teita ja tyypillisiä käyttöparametrejä koskevat tiedot esitetään esimerkeissä, joita selostetaan jäljempänä.

Ohjauslevyt voivat omata suoran, kaarevan tai murretun profiilin ja edullisesti ne muodostavat oleelliselta osalta tehokasta korkeuttaan yhtä suuren tai suuremman kulman kuin 66210 45° ja yleensä kulman välillä 45-75° huokoisen rakenteen kanssa, vaikkakin voidaan myös käyttää muunlaisia profiileja. Ohjauslevyt on sopivasti tehty mistä tahansa materiaalista, joka kestää elektrolyysikennossa esiintyviä vaikeita olosuhteita. Titaanipolyvinyylikloridi tai polyesteri ovat sopivia käytettäväksi alkalimetallikloridiliuoksen elektrolyysissä.

Vaikka kuvauksen ja toteutuksen yksinkertaisuuden vuoksi keksinnön hydrodynaamista laitetta on edellä kuvattu yksisuuntaisena ja esitetty pituussuuntaisilla ohjauslevyillä, joiden reunat ovat yhdensuuntaiset, on ymmärrettävä, kuten jokaiselle alaan perehtyneelle on ilmeistä, että sama suljettu kierrätys voidaan suorittaa aivan yhtä menestyksellisesti käyttäen monisuuntaisia tai kennomaisia rakenteita, jotka sisältävät katkaistujen kartioiden tai pyramidien muodossa olevia kennoja vuorottaisessa normaalin ja ylösalaisin käännetyn asennon sarjassa .

Tätä kaksisuuntaisen rakenteen tyyppiä voidaan sopivasti esittää hyvin tunnetuilla munakoteloilla, joissa kartion lakiosat on katkaistu molemmin puolin. Sijoittamalla tällainen rakenne anodiverkkoon aikaansaadaan sama vaikutus kuin yllä kuvattiin yksisuuntaisen rakenteen tapauksessa. Tämän vuoksi aina kun käytetään sanontaa "ohjauslevy", se on luettava kuten se kattaisi sekä pituussuuntaisen tai yksisuuntaisen rakenteen, että minkä tahansa muunlaisen rakenteen, jonka muoto on yhdistettävissä sen jonkinsuuntaisessa pystyleikkauksessa systeemiin, jota kuvattiin viitaten pituussuuntaisiin ohjauslevyihin, joiden reunat ovat keskenään yhdensuuntaiset.

Keksinnön hydrodynaaminen laite, joka sen suositeltavan toteutusmuodon mukaisesti koostuu kuvatuista ohjauslevyistä, jotka on sijoitettu huokoisen elektrodin yläpuolelle, voidaan edullisesti integroida itse elektrodirakenteeseen, jossa esimerkiksi venttiilimetallista tehdyt ohjauslevyt toimivat anodiverkkoon virtaa johtavana välineenä, joka verkko voi olla hitsattu suoraan pitkin ohjauslevyjen alareunoja, kun taas niiden yläreunat voi olla hitsattu yhteen tai useampaan kokoomakis-koon, jotka on yhdistetty virtaa johtavaan karaan.

66210

Natriumkloridiliuoksen elektrolyysiin käytetylle elohopea-katodikennolle, joka on varustettu tämän keksinnön hydrodynaamisella laitteella, on luonteenomaista, jos sitä verrataan samanlaiseen kennoon, joka ei sulje sisäänsä sanottua laitetta, pienempi käyttöjännite ja pienempi happipitoisuus tuotetussa kloorissa ja sitä voidaan turvallisesti käyttää paljon suuremmalla loppuunkulutusnopeudella. Näiden etujen lisäksi havaitaan huomattava anodin eliniän kasvu, jonka kuten vertailevat nopeat kestävyyskokeet ovat osoittaneet, arvioidaan olevan luokkaa 1,5-2 kertaa samojen anodien elinikä ilman keksinnön hydrodynaamista välinettä elektrolyytin takai-sinvirtaukseen.

Viitaten nyt piirroksiin: kuvio 1 on perspektiivikuvanto anodirakenteesta, jota käytetään yleisesti elohopea-katodikennoissa ja jonka erikoisuutena on keksinnön hydrodynaaminen laite, kuvio 2 on suurennettu yksityiskohta kuvion 1 rakenteen pysty leikkauksesta, kuvio 3 on perspektiivikuvanto anodista, joka sulkee sisäänsä keksinnön hydrodynaamisen laitteen kokonaisuuden muodostavana osana sauva-anodipinnan kanssa, ja kuvio 4 on pituusleikkaus elohopea-katodielektrolyysikennosta, joka on varustettu keksinnön hydrodynaamisella laitteella.

Kuvio 1 esittää tyypillistä elohopea-katodikennoille tarkoitettua anodirakennetta, jollaista on kuvattu yksityiskohtaisesti italialaisessa patentissa n:o 894 567. Rakenne on tehty titaanista ja anodin aktiivinen pinta koostuu tasomaisesta, huokoisesta titaanirakenteesta 1, jossa on kerros katalyyttisiä platinaryhmän metallien johtavia oksideja. Virta on jaettu anodille neljän johtavan kuparikaran 2 avulla, jotka on ruuvattu titaaniholkkeihin 3, jotka on hitsattu titaanisiin primääri jakotankoihin 4. Kahdeksan titaanista sekundääristä jakotankoa 5 on hitsattu kahteen primääritankoon 4 ja titaani-verkko 1, joka on varustettu sähkökatalyyttisellä päällysteellä, on hitsattu sekundääritankojen 5 alareunoihin. Titaanimuhvit 6, jotka on hitsattu titaaniholkkeihin 3, estävät kuparisia johtavia karoja koskettamasta elektrolyyttiä ja kehittynyttä klooria.

10 6621 0

Keksinnön hydrodynaaminen laite koostuu pitkänomaisten levyjen 7 muodossa olevista titaaniohjauslevyistä, jotka on sopivasti hitsattu tai kiinnitetty pidäkkeillä jokaiseen sekundääriseen jakotankoon 5. Ohjauslevyjen 7 alareunat, jotka kallistuvat vuorotellen yhteen ja vastakkaiseen suuntaan pystyakselin suhteen, rajoittavat vuorottaisen suurten alueiden A ja pienten alueiden B sarjan anodiverkon 1 pinnalla samalla, kun anodirakenteen peittävä nestemassa on samalla tavoin jaettu ohjauslevyillä 7 sarjaan tilavuuksia, joita jokaista rajoittavat kahden vierekkäisen ohjauslevyn pinnat.

Kuvio 2 on suurennettu yksityiskohta kuvion 1 rakenteen pysty-leikkauksesta. Kuvauksen vuoksi kuvio 2, jossa kuviota 1 vastaavat osat on merkitty samoilla numeroilla, sisältää myös elo-hopeakatodin 8, joka juoksee kennon pohjalla 9.

Kuten kuviossa 2 on esitetty kuvion 1 anodin suurilla alueilla A kehittyneet kaasukuplat siepataan kahden vierekkäisen ohjaus-levyn 7 ylöspäin toisiaan lähestyvien pintojen avulla. Kuplien tiheys elektrolyytissä pyrkii kasvamaan yhä suuremmaksi ohjauslevyjen yläreunoihin saakka johtuen kuplien ylöspäin suuntautuvaa liikettä vastaan kohtisuoran leikkauksen kapenemisesta. Sitävastoin kuvion 1 anodin pienillä alueilla kehittyneet kloorikaasukuplat kohoavat elektrolyyttimassan läpi, joka sisältyy kahden vierekkäisen ohjauslevyn 7 ylöspäin loittonevien pintojen väliin.

Virtaavilla aineilla, jotka koostuvat elektrolyytistä ja siihen dispergoituneista kloorikaasukuplista ja sisältyvät vastaavasti kahden ylöspäin toisiaan lähestyvän pinnan ja kahden ylöspäin loittonevan pinnan väliin, voidaan tämän vuoksi ajatella olevan erilaiset tiheysarvot, jolloin ylöspäin suuntautuva liike vakiintuu virtaavaan aineeseen, joka sisältyy toisiaan lähestyvien pintojen väliin, samoin kuin alaspäin suuntautuva liike virtaavaan aineeseen, joka sisältyy loittonevien pintojen väliin. Tällainen liike, jota on kaavamaisesti esitetty nuolilla kuviossa 2, on tehokas siirtämään väkevää suolaliuosta elektrodien välisen raon yläpuolelta ja vähentämään suuren väkevyysgradientin vakiintumista elektrodien välisessä raossa olevan suolaliuoksen ja anodirakenteen yläpuolella olevan suolaliuoksen välillä 6621 0 johtuen kloorianionien loppuunkulumisesta elektrolyysin seurauksena. Suolaliuoksen takaisinvirtausliike saa sen pyyhkäisemään voimakkaasti anodiverkon läpi, jolloin virtaava massan (so. kloridien) siirto anodipinnalle paranee suuresti.

Tämä vaikutus on käytännöllisesti katsoen yhtenäinen koko ano-dipinnalla ja väkevyysgradientteja estetään tehokkaasti esiintymästä pitkin anodipintatasoa.

Ohjauslevyjen tehokas korkeus on yleensä välillä 3Q-100 mm ja ne voi olla kiinnitetty joko tankoihin 5 tai anodirakentee-seen 1 kuin myös molempiin. Vaadittaessa tai kun se on mahdollista ne on kuitenkin toivottavampaa kiinnittää vain pitkin ylä- tai alareunojaan niin, että niiden vaikutusta voidaan vaihdella halutulla tavalla säätämällä niiden kaltevuutta tai vaihtelemalla kuvion 1 suuren alueen A ja pienen alueen B välistä suhdetta kulloisenkin elektrolyysikennon vaatimusten mukaisesti. Ohjauslevyjen tehokasta korkeutta voidaan myös lisätä jatkamalla pystysuoraan niiden yläreunoja.

Vaikka ohjauslevyt on kuvattu oleellisesti tasomaisiksi, ne voivat sopivasti omaksua myös kaarevan muodon, ts. kaltevuus-kulma voi jatkuvasti vaihdella pitkin ohjauslevyn korkeutta Venturi-tyyppisen muuttuvan poikkileikkauksen käytävän muodostamiseksi ylös kohoavalle virtaavalle aineelle ylöspäin toisiaan lähestyvien ohjauslevyn pintojen välissä, tai kaltevuus-kulma voi vaihdella asteittain, jolloin ohjauslevyn profiili muodostaa murtoviivan. Edullisemmin ainakin ohjauslevyn oleelliselta tehokkaalta korkeudelta ohjauslevyn kaltevuuskulma huokoisen elektrodipinnan suhteen on yhtä suuri kuin 45° tai suurempi .

Kuvio 3 esittää toista keksinnön hydrodynaamisen laitteen suositeltavaa toteutusmuotoa, jossa hydrodynaaminen laite on integroitu anodiseen virranjakorakenteeseen ja korvaa tehokkaasti kuvioiden 1 ja 2 sekundääritangot 5. Titaani- tai muu venttii-limetallilevy 10 on taivutettu trapetsoidiaaltojen aikaansaamiseksi. Trapetsoidiaaltojen ylä- ja alapohjat ovat avoimet lähes koko pituudeltaan lukuunottamatta pieniä pintoja 11 pitkittäispäissä ja yhtä tai useampaa kohtaa pitkin aaltoja.

Tämä voidaan toteuttaa levyn taivutuksen jälkeen tai ennen sen 12 6621 0 taivutusta muodostamalla tässä jälkimmäisessä tapauksessa sopivat raot levyyn ennen taivutusta.

Yksi tai useampia titaanista tehtyjä primäärisiä jakotankoja 12 on hitsattu kohtisuoraan trapetsoidiaaltoja vastaan ja yhdistetty yhteen tai useampaan johtokaraan 13. Kohtisuoraan levyn 10 trapetsoidiaaltojen pohjia vastaan on sitten hitsattu sarja titaanisauvoja 14, jotka on päällystetty sähkökatalyytti-sen materiaalin kerroksella anodin 15 muodostamiseksi. Titaania tai muuta venttiilimetallia oleva levitetty levy, joka on samalla tavoin varustettu sähkökatalyyttisellä päällysteellä, voi korvata sauvojen 14 sarjan. Levyn 10 trapetsoidiaaltojen kaltevat sivut suorittavat saman tehtävän kuin kuvioiden 1 ja 2 ohjauslevyt 7 samoin kuin kuvioissa 1 ja 2 esitettyjen sekun-däärisauvojen 5 tehtävän.

Kuvion 3 rakenteella mahdollisuutta säätä ohjauslevyn kaltevuutta anodirakenteen asennuksen jälkeen ei enää ole käytettävissä. Tämän vuoksi trapetsoidiaaltojen muoto on ehkäisevästi suunniteltava sopimaan kulloisenkin kennon olosuhteisiin. Sitäpaitsi tässä tapauksessa hydrodynaamista laitetta ei voida valmistaa muovimateriaalista. Kuvion 3 rakenne tuo mukanaan lisäedun lisätä hitsattujen kohtien lukumäärää levyn 10 ja anodin 15 huokoisen rakenteen välillä samalla titaanin painolla ja samalla virtaa kuljettavalla metallin poikkipinnalla. Tämä pienentää ohmista häviötä huokoisen rakenteen 15 läpi.

Kuvio 4 on pituusleikkaus nykyaikaisesta natriumkloridin elektrolyysiin tarkoitetusta elohopea-katodikennosta, joka on varustettu keksinnön mukaisella hydrodynaamisella laitteella suolaliuoksen kierrättämiseksi elektrodien välisessä raossa. Kenno koostuu oleellisesti tasomaisesta teräspohjasta 16, joka on pituussuuntaan hieman kallistettu ja yhdistetty sähkö-lähteen negatiiviseen napaan. Elohopeaa syötetään tuloputken 17 läpi ja se virtaa muodostaen jatkuvan ja yhtenäisen neste-kerroksen kennon pohjalle. Kumilevy 18, joka on tiivistävästi kiinnitetty kennon seinämiin, toimii elektrolyysikennon 1 kantena ja sarja anodeja 19, jotka riippuvat levyn 18 yllä olevista telineistä, joita ei ole esitetty kuviossa, on sijoitettu yhdensuuntaisesti virtaavaan elohopea-katodiin nähden 13 6621 0 joidenkin millimetrien etäisyydelle siitä. Anodit on sopivasti yhdistetty sähkölähteen positiiviseen napaan. Kyllästettyä suolaliuosta syötetään kennoon tuloputken 20 läpi ja loppuun-kulutettu suolaliuos yhdessä kehittyneen kloorin kanssa poistetaan poistoputkesta 21.

Kennon toiminnan aikana kloridi-ionit purkautuvat anodien 19 pinnoilla tuottaen molekulaarista klooria, kun taas natrium-ionit pelkistyvät elohopeakatodilla muodostaen natrium-elohopea- amalgaaman, jota jatkuvasti poistetaan poistoputken 23 läpi. Amalgaama johdetaan sitten hajotuslaitteen läpi, jossa elohopea palautetaan takaisin sen entiseen metallitilaan, jolloin muodostuu natriumhydroksidia ja kehittyy vetyä.

Hydrodynaaminen laite suolaliuoksen kierrättämiseksi elektrodien välisessä raossa on merkitty numerolla 24 kuviossa 4. Ohjauslevyjen 24 suunta on esitetty kohtisuoraksi kennon pituutta vastaan, mutta ne voivat olla myös yhdensuuntaisia kennon pituuden kanssa, sillä tällä suunnalla ei ole huomattavaa vaikutusta ohjauslevyjen toimintaan varsinkaan, kun suolaliuos-pää ohjauslevyjen yläpuolella on paljon korkeampi kuin niiden korkeus.

Seuraavassa esimerkissä esitetään useita suositeltavia toteutusmuotoja keksinnön kuvaamiseksi. On kuitenkin ymmärrettävä, että keksintöä ei ole tarkoitettu rajoitettavaksi näihin tyypillisiin toteutusmuotoihin.

Esimerkki 2

Elohopeakatodielektrolyysikenno, jonka pinta-ala oli 15 m , varustettiin 28:11a dimensiostabiililla anodilla, joilla oli kuvion 1 rakenne. Anodit oli tehty titaanista ja anodipinta oli päällystetty ruteniumoksidin ja titaanioksidin sekakide-materiaalilla, jollaista on kuvattu US-patentissa n:o 3 778 307. Anodipinnan pinta-ala oli 690 x 790 mm ja anodit oli varustettu 16:11a ohjauslevyllä, jotka oli tehty titaanilevystä, jonka paksuus oli 0,5 mm ja korkeus 40 mm. Kuvion 1 suuren alueen A ja pienen alueen B välinen suhde oli 3,2 ja ohjauslevyjen ja anodipinnan välinen kulma oli 58°.

14 6621 0

Kennoa käytettiin elektrolysoimaan pitkässä ajossa suolaliuosta, joka sisälsi 300 g/1 natr iumkloridia ja jonka pH oli 4. Syöt-tösuolaliuoksen lämpötila oli 70°C ja virrantiheys anodin pinta-alasta laskettuna oli 11 kA/m2. Vertailutarkoituksessa samassa laitoksessa olevaa samanlaista kennoa, joka oli varustettu samoilla anodeilla, mutta jossa ei ollut väliseiniä, käytettiin samoissa olosuhteissa ja tulokset ilmoitetaan taulukossa I.

Taulukko I

Kenno ilman Kenno ohjaus-ohjauslevyjä levyillä

Kennojännite 4,30 V 3,97 V

Suolaliuoksen lämpötila pois-

toputkessa 83°C 81°C

Suolaliuoksen pH poistoputkessa 2,8-3,2 2,5-2,7 til-% happea kloorissa 0,3-0,5 n.d. 0,2:en til-% vetyä kloorissa 0,1-0,4 n.d. 0,2:en n.d. - ei todettavissa

Taulukon I tulokset osoittavat selvästi keksinnön ohjausle-vyillä varustetun kennon etuja, koska se johti merkittävään kennojännitteen laskuun sekä happi- ja vetytasojen laskuun kloorituotteessa, mikä paransi hyötysuhdetta. Sitäpaitsi pois-toputken suolaliuoksen alemmalla pH-arvolla on se lisäetu, että suolaliuokseen tarvitsee lisätä vähemmän happoa kloorin-poistovaiheessa ennen sen uudelleenkyllästämistä.

Keksinnön menetelmään ja laitteistoon voidaan tehdä erilaisia muunnoksia poikkeamatta sen hengestä tai suojapiiristä ja on ymmärrettävä, että keksintöä on tarkoitettu rajoittavan vain liitteenä olevien patenttivaatimusten määrittelemällä tavalla.

Claims (4)

15 6621 0

1. Elektrolyysikenno nestemäisten elektrolyyttien elektrolysoi-miseksi käsittäen vaakasuuntaisen alemman elektrodin, jonka yläpuolelle tietylle etäisyydelle siitä on ripustettu reiällinen kaasua kehittävä elektrodi, tunnettu siitä, että reiällisen elektrodin (1) yläpinta on varustettu sarjalla ohjauslevyjä (7), jotka on tasaisesti jaettu reiällisen elektrodin (1) koko yläpinnalle ja jotka ovat vuorotellen kaltevia päinvastaisiin suuntiin pystysuuntaan nähden, joiden ohjauslevyjen (7) alareunat rajoittavat kahta sarjaa alueita (A, B), joista ensimmäiset alueet (A) ovat kahden viereisen ylöspäin yhteneväisen ohjauslevyn (7) rajoittamat ja toiset alueet (B) ovat kahden viereisen ylöspäin loittonevan ohjaus-levyn (7) rajoittamat.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että ensimmäisten alueiden (A) ja toisten alueiden (B) suhde on suurempi kuin yksi.

3. Patenttivaatimusten 1 ja 2 mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että ohjauslevyjen (7) yläreunat on kytketty sekundäärisillä virranjakajilla (5), jotka vuorostaan on yhdistetty toisiinsa primäärisillä virranjakajilla (4).

4. Patenttivaatimusten 1 ja 3 mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että sekä reiällinen elektrodi (1) että virranjakajat (4, 5) on tehty venttiilimetallista ja reiällinen elektrodi (1) on ainakin osittain päällystetty elektrokatalyytti-sellä päällysteellä. 1 Patenttivaatimusten 1 ja 2 mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että ensimmäisten alueiden (A) ja toisten alueiden (B) suhde on 2:1 - 10:1 ja ohjauslevyn (7) vaikuttavan osan ja reiällisen elektrodin (1) välinen kulma on 45-75°.