FI73471B - Membran-elektrolyscell med vertikalt anordnade elektroder. - Google Patents

Description

1 73471

Membraani-elektrolyysikenno, jossa on pystysuoraan järjestetyt elektrodit

Keksinnön kohteena on membraanielektrolyysikenno, 5 jossa on pystysuoraan järjestetyt elektrodit, sähkökemiallisia prosesseja varten.

Sähkökemiallisia prosesseja toteutettaessa on tärkeätä, että virta jakautuu tasaisesti elektrodin pinnalle. Tasaiseen jakautumiseen vaikuttavat elektrolyytin hajaan-10 tuiriskyky samoin kuin myös elektrodien homogeenisyys.

Hajaantymiskyky on sitä parempi mitä suurempi virtavii-voille altistettu pinta vastaelektrodilla on. Tosin voidaan puutteellista hajaantumiskykyä tasoittaa suurentamalla elektrodien välistä etäisyyttä, mutta tämän vaiku-15 tuksesta kasvaa kennon jännitepudotus. Epähomogeenisvydet elektrodipinnalla saavat aikaan virtapoikkearaia. Elektrodi-levyjen etäisyydellä, ts. etäisyydellä anodin ja katodin välillä, on siten olennainen merkitys.

Ihannetapauksessa ovat kummankin elektrodin pinnat 20 yhdensuuntaisesti vastakkain. Pintojen tasoyhdensuuntai-suus on edellytys tehokkaasti toimivalle kennolle, koska vain niin voidaan taata tasainen virran jakautuminen ja paikalliset ylikuumentumiset voidaan välttää. Jännitepu-dotusten pitämiseksi mahdollisimman vähäisinä ja siten 25 energian kulutuksen pienentämiseksi tulee etäisyys anodin ja katodin välillä lisäksi pitää mahdollisimman pienenä. Kaikki nämä vaatimukset ovatsuhteellisen yksinkertaisesti toteutettavissa pienissä laboratoriokennoissa, mutta suurien teollisten yksiköiden valmistaminen tuottaa vaike-30 uksia, jos teoreettisesti vaadittavat ihannekäsitykset on toteutettava. Lisäksi kennot reagoivat sitä herkemmin tasoyhdensuuntaisuuden poikkeamiin ja virran poikkeamiin, mitä suurempia ne ovat. Tämäntyyppisen ioninvaihtomem-braanin nopean tuhoutumisen välttämiseksi on yleensä 35 pakko rajoittaa elektrodien korkeutta, asettaa kennon 2 73471 elektrodien välille huomattava etäisyys ja rajoittaa sähkövirran tiheyttä, mikä samanaikaisesti on haitallista elektrolyysikennon energiasaannolle ja sen tuottavuudelle .

5 Elektrolyysikennojen, joissa on membraaneja ja pystysuoraan järjestettyjä elektrodeja, näiden haittojen pienentämiseksi käytetään yleensä elektrodeja, joissa on aukkoja reaktiokaasujen poisjohtamista varten, esimerkiksi revitettyjä elektrodeja, metallilankakudoksia 10 tai verkkometallia. Haitat ovat muiden muassa pienentyneessä aktiivisessa pinta-alassa, puuttuvassa mekaanisessa vakavuudessa ja arvokkaan päällysteaineen häviössä elektrodin selkäpuolella.

Tavallisesti varustetaan membraanikennot, joissa on 15 ioninvaihtomembraaneja, mahdollisimman jäykällä kehysrakenteella, johon elektrodit on asennettu jäykästi ylivoimaisesti lukuisimmissa tapauksissa hitsiliitoksin. Sen takaamiseksi, että toisaalta voidaan noudattaa vaadittavia tiukkoja toleransseja elektrodien tasoyhdensuuntaisessa järjestelyssä, mutta toisaalta että voidaan vuotamatto-20 masti yhdistää joukko tällaisia kehyksiä elektrolyysi- kylvyksi, täytyy myös kehysten kosketuspinnat vastaavasti kustannuksia aiheuttaen työstää.

Erään saksalaisen kuulutusjulkaisusta DE-AS 20 59 968 tunnetun ehdotuksen mukaisesti on myös jo sunniteltu kaasua 25 muodostavissa diafragmakennoissa, joissa on pystysuoraan järjestettävät elektrodit, yksittäisistä levyistä koostuva elektrodilevy, jossa yksittäisissä levyissä on ohjauspintoja tuotetun kaasun poisjohtamista varten. Pohjauslevyn tai -pinnan ennalta nähtävän kallistumisen perusteella syntyy pakko-30 toimisesti aktiivisen pinnan erilaisia etäisyyksiä vasta-elektrodiin, jolloin erityisesti paikallisten lämpötilan nousujen vaikutuksesta herkissä väliseinissä, joilla on huono lämmönjohtokyky, helposti aikaansaadaan poikkeamia. Lisäksi ei elektrodin koko aktiivista pintaa myöskään voida 35 tuoda energeettisestä toivottavalle pienelle etäisyydelle I! 3 73471 vastaelektrodista.

Siten on keksinnön tehtävänä välttää mainitut ja muut haitat ja asettaa käytettäväksi membraani-elektro-lyysikennoa varten elektrodi-järjestely, joka teknisissä 5 käyttöolosuhteissa takaa elektrodi-pintojen varman taso-yhdensuuntaisuuden ja energiallisesti edullisen pienimmän elektrodietäisyyden sekä varman ja nopean kaasun pois-johtamisen.

Keksintö ratkaisee tämän tehtävän membraani-elektro-10 lyysikennolla, joka käsittää useammista yksiköistä kokoonpantuja pysysuoraan järjestettyjä elektrodeja. Mainitunlaisessa kennossa perustuu keksintö siihen, että a) toisen polaarisuuden elektrodi on jaettu vaakasuoraan useampiin yksiköihin, 15 b) vastakkaisen polaarisuuden elektrodit on jaettu pystysuoraan useammiksi yksiköiksi, ja c) kummankin elektrodin vähintäin yhden kulloisetkin yksiköt ovat siirrettävissä jousielimillä.

Keksinnön mukaisella järjestelyllä muotoutuvat 20 molemmat geometriset perusjärjestelmät kennossa, nimittäin kehys/kehys ja anodi/katodi, toisistaan riippumatta.

Toinen elektrodi, kuten katodi, liitetään esimerkiksi yksittäisiin vaakasuoraan jaettuihin levyn osiin jäykästi katodikehyksen kanssa kun taas vastakkaisen polaarisuuden 25 elektrodit kuten useammiksi levyiksi tai nauhayksiköiksi jaetut anodit, muodostetaan joustaviksi tai liikuteltaviksi. Tämä joustava muoto saadaan aikaan jousielimillä. Jousielementit on edullisesti sovitettu elektrodeille johtaviin sähkövirran syöttöihin ja saavat puristuspaineen 30 tai yhteenhitsautumisen vaikutuksesta aikaan sähköisen kosketuksen elektrodin (anodin) yksittäisten kaistaleyk-siköiden kanssa.

Keksinnön mukaisesti voidaan edellä mainitussa järjestelyssä myös katodi asentaa joustavaksi anodin ollessa 35 jäykästi kiinnitetty. Kuitenkin voidaan myös molemmat, 4 73471 yksittäisyksiköiksi jaetut elektrodit jousielimillä asentaa liikuteltaviksi. Tällä tavalla eivät kennokehysten kosketuspintojen pakkotoimisesti läsnäolevat ja vain suurin työkustannuksin poistettavat epätasaisuudet siirry elektro-5 din paikoitukseen. Pikemminkin tasoittuvat virranjakajan liikkuvan yhdistämisen avulla elektrodin aktiivi-pinnan kanssa kennokehyksen alueella esiintyvät toleranssit.

Jousielinten jousivoima mitoitetaan niin, että se sallii anodin ja katodin suhteellisen kolmiulotteisen 10 aseman sovittamisen.Tällöin voivat kehykset edullisesti olla valmistettuja kaupallisesti saatavasta, vedetystä aineksesta ilman olennaista jälkityöstöä ja vaaditut ahtaat toleranssit voidaan saavuttaa välinpitimillä.

Keksinnön erään toisen suoritusmuodon mukaisesti 15 käytetään elektrodi-aktiivipintojen liikuteltavaa tai siirrettävää järjestelyä kehittyneiden ja kasautuneiden kaasujen, kuten kloorikaasun, poisjohtamiseen ja muodostetaan tätä vastaavasti. Tässä tapauksessa muodostavat joustaviksi virransyöttimiksi muodostetut jousielimet ken-2Q non pohjaan suunnatun koveran holvauksen tai siihen avoimen kulman. Jousielin voi olla esimerkiksi virransyöttöön hitsattu lehtijousi. Yksittäisten joustavien jousielinten tai virransyöttimien alle kerääntynyt kloorikaasu johdetaan elektrolyysitilan sivuun johonkin kohtaan järjestet-25 tyjen kaasunpoistoelinten kanssa ylöspäin. Tällä tavalla tapahtuu osittainen kaasunpoisto elektrodi-tilasta eli anodi-tilasta. Tämä osoittainen kaasunpoisto saa puolestaan aikaan konvektiovirtauksia elektrolyytissä ja parannetun elektrolyyttivaihdon elektrodien aktiivi-alueella, 30 mikä johtaa energiasaannon huomattaviin parannuksiin.

Keksinnön mukaisesti on elektrodien, joihin mem-braani ei tukeudu, yksittäisten yksiköiden väliin sijoitettu välinpitimiä vaakasuoriin tai pystysuoriin erotta-miskohtiin. Katolyytin ja anolyytin erilaisista tiheyksistä 35 johtuen sijaitsee membraani samoilla hydrostaattisilla kor-

II

5 73471 keuksilla yhdellä elektrodilla, ts. elektrodiin vaikuttaa sivuvoima.

Tämä sivuvoima vaikuttaa nyt joustavan virransyöt-timen jousivoimaa vastaan. Jousivoimakkuudet ja hydros-5 taattinen korkeusero anolyytti- ja katolyytti-kierron välillä tasapainotetaan sen tähden toistensa suhteen niin, että esim. useampi vaakasuoraan katodille asennettu välin-pidin ilman suurta voiman kulutusta, ts. membraanin mahdollisimman pienellä puristumisella, säätävät kummankin aktiivi-10 pinnan suhteellisen aseman toistensa suhteen. Välipitimien paksuus on edullisesti 1-5 mm.

Keksinnön vielä eräässä muodossa on kaasua kehittävissä prosesseissa välinpidin muodostettu johtoelimeksi kehittyneen kaasun poisjohtamiseksi elektroditilasta.

15 Välinpidin toimii vaakasuorassa järjestelyssä kaasun erotusyksikkönä. Se koostuu tällöin esimerkiksi suikaleen-muotoisista levyistä, joissa on lovetut reunat, tai kaistaleista, joissa on rakomaisia tai pyöreitä aukkoja, tai hilan- tai verkonmuotoisista kaistaleista. Tällaiset välin-20 pitimet saavat aikaan täyden kaasunpoiston elektrodiraosta moninkertaisesti vaakasuoraan jaetun elektrodin (katodin) jokaisen jaon jälkeen.

Piirroksen kuvissa 1-4 on keksintöä havainnollistettu lähemmin ja esimerkinomaisesti.

25 Kuva 1 on etukuva elektrodikehyksestä F, jossa on vaakasuoraan jaettu katodilevy 2. Kuva Ib on samanlainen kuva elektrodikehyksestä, jossa on pystysuoraan ja vaakasuoraan jaettu anodi 3.

Kuva la on leikkaus pitkin viivaa I - I kuvassa 1 30 ja näyttää vaakasuoraksi muodostetun katodilevyn 2, jossa on välinpidin 1.

Kuva 2 on suurennettu esitys leikkauksesta "A" kuvassa la. Kuvassa 2 havainnollistaa välinpidin 1 kaasun-poistoelintä Samoin on esitetty vaakasuorasti jaettu 35 elektrodi 2 (katodi) ja pystysuorasti jaettu vastaelekt- 6 73471 rodi 3 (anodi). Nuolet 5 ja 6 osoittavat elektrolyytin sisääntulon ja vastaavasti kaasu/elektrolyytti-seoksen ulosmenon kennosta.

Kuva 3 esittää vaakaprojektioita liikuteltavasta 5 elektrodiyhdistelmästä, jossa on vaakasuorasti jaettu katodi 2 ja pystysuorasti jaettu anodi 3 sekä jousiele-mentit 7, jotka on yhdistetty virransyöttöön 8.

Kuvassa 4 on esitetty vaakaprojektiossa ylhäältä päin liikuteltava anodi 3. Tämä kuva on suurennettu esi-10 tys leikkauksesta "B" kuvassa le ja esittää jousielimet 7, jotka on yhdistetty virransyötön 8 ja anodin 3 kanssa. Toiminta-asennossa on anodi puristettu membraania 4 vastaan .

Keksinnön mukaisella elektrolyysikennolla on mm.

15 seuraavat edut. Moninkertaisilla jaoituksilla aikaansaadun liikkuvan elektrodiyhdistelmän perusteella jousielin-ten kanssa voidaan pienin kriittinen elektrodietäisyys ylläpitää koko ajan elektrolyysikennon käytön aikana.

Tämä yhdistelmä säästää huomattavan teknisen valmistus-20 kustannuksen sekä elektrodeja varten että myös elektrodi-kehyksiä varten, ahtaiden valmistustoleranssien noudattamisen kannalta. Lisäksi elektrolyysikennon korkeaksi rakentamisen rajoitus käytännöllisesti kumoutuu, koska kehittynyt kaasu jokaisessa jakokohdassa poistetaan vapaasta 25 elektrodivälistä, ts. kaasun akkumuloituminen vältetään.

Keksintöä valaistaan lähemmin ja esimerkinomaisesti seuraavin esimerkein ja laskelmin.

Esimerkki 1 A) Laboratoriokenno natriumkloraatin valmistamiseksi. 30 Koko: 50 x 50 mm = 0,0025 m^ elektrodietäisyys: 5 mm 2

sähkövirran tiheys 3 kA/m jännitepudotus elektrolyytissä: 250 mV

35 Olettamus:

II

7 73471 2

Yhdestä elektrodeista kohotettaisiin 1 cm n. 1 mm. Tällöin syntyy kohotetulle kohdalle sähkövirran tiheys, joka ensimmäisessä lähestymisessä on määritettävissä tehon oton kautta.

Tasoyhdensuuntaisilla elektrodeilla, joilla on ta-5 saiset etäisyydet, on tehon otto VA 3^ x 0,0025 m x 0,25 V x 1000 = 1,875 in

Samalla sähkövirran tiheydellä olisi tehon otto 2 10 n. 1 mm kohotetulla 1 cm :n pinnalla kA 4 VA X 0,001 x 0,25 x x 1000 = 0,060 m

Tehon otto kohottamattoma11a pinnalla on silloin ης 1,875 x 2- ~ 1 = 1,800 15 25

Kokonaistehon otto on siis 1,860 ts. jännite alenee arvoon 20 250 x — u 1,875 = 248 mV, sähkövirran tiheys kohottamattomalla alueella alenee arvoon 25 °J.0025-T .h.lÄ * 0^0001 = 2,97 kA/m2 0,0025 - 0,0001

ja sähkövirran tiheys kohotetulla alueella arvoon le a R

3 x - mm x 248 mV = 3,72 kA

m 4 250 m 2 30 B) Membraanikenno Cl2:n NaOH:n, H2*.n valmistamiseksi Koko: 50 x 50 mm = 0,0025 m2 elektrodietäisyys: 5,0 mm 2 sähköyirran tiheys: 3,0 kA/m

jännitepudotus elektrolyytissä: 250 mV

jännitepudotus membraanissa: 400 mV

35 2 8 73471

Olettamus :

Yhdessä elektrodeista kohotettaisiin 1 cm n.

1 mm. Sama esimerkissä 1 esitetty laskelma antaa silloin seuraavat arvot:

5 kokonaisjännitepudotus: 648 mV

2 sähkövirran tiheys kohotetulla alueella: 3,24 kA/m 2 sähkövirran tiheys kohottamattomalla alueella: 2,99 lA/m Membraanilla on lisävastuksena siis stabiloiva vaikutus, lämmönkehitys membraanissa ei kuitenkaan 10 nouse vähäpätöisesti: 2 Lämmönkehittyminen 3 kA/m :ssa membraanissa: 3 x 0,4 x 860 = 1032 kcal/m^ x h 2 Lämmön kehittyminen 3,24 kA/m :ssa: 3,24 x 0,4 x x 860 = 1204 kcal/πι^ x h 15 3,00

Samalla lämmön poisjohtumisella nousee siis lämpötilaero membraanin ja elektrolyytin välillä n. 20 %.

On selvää, että 1 mm:n epätasaisuus on pienissä laboratoriokennoissa vaikeasti esitettävissä.

2q Vastakohtana tälle eivät 1 mm:n epätasaisuudet teollista kokoa olevissa kennoissa ole vältettävissä ilman erikoistoimenpiteitä. Taloudelliset pakotteet eivät salli teollista kokoa olevilla kennoilla työskennellä 5 mm:n etäisyyksin. Pyritään etäisyyksiin, jotka antavat 2;- pienimmän iännitepudotuksen. Tämä on elektrodin muodosta riippuen 1-3 mm. Anodi- ja katodi-kokonaispinta-ala voi 2 saavuttaa 50 m :n suuruusluokkia, jolloin normaalisti ei ylitetä 1,2 m:n korkeuksia. Syynä korkeuden rajoitukseen on kaasupitoisuuden nousu elektrolyytissä elektrolyysi-30 kennojen yläosassa, jota ei voida välttää.

Seuraavilla esimerkeillä valaistaan pienennetyn etäisyyden ja suurempien kaasuväkevyyksien vaikutusta. Esimerkki 2 Teollisia kennoja 35 A) Membraanikenno Cl2:n NaOH:n, H2:n valmistami seksi monopolaarinen 9 73471 koko: 16 x 1000 x 1200 mm = 19,2 m^ elektrodietäisyys 3 mm 2 sähkövirran tiheys: 3 kA/rn

jännitepudotus elektrolyytissä: 150 mV

5 jännitepudotus membraanissa: 400 mV

Olettamus: 2 10 cm kummastakin elektrodista on kohotettu n. 0,75 mm ja ovat vastakkain.

Sama laskelma (kuten esimerkissä 1, A) antaa sil-10 loin seuraavat arvot:

Kokonaisjännitepudotus 550 mV

2 sähkövirran tiheys kohotetulla alueilla: 3,47 kA/m

Kohotetun pinta-alan suhteen perusteella pinta-alan loppuosaan ei käytännöllisesti synny mitään muutosta koko- 15 näisjännitepudotukseen eikä mitattavaa virrantiheyden pienentymistä kohoamattomilla pinnoilla.

Lämmönkehitys membraanissa (ks. esimerkki 1, B) 2 nousee kuitenkin arvoon 1380 kcal/m x h, mikä vastaa 133% normaaliarvosta.

20 B) Diafragma-kloorivetyhappoelektrolyysi Cl2:n ja H2:n valmistamiseksi jätehaposta, dipolaarinen.

Elektrodin korkeus 1,0 m leveys 2,5 m 2 0/sähkövirran tiheys 4 kA/m 25 elektrodien muoto: yksiosaisia, pystysuoria, uralei- kattuja frafiittilevyjä, joissa on 30 % kaasunpoistotilaa, laskettuna pinta-alasta 2 laskettu virran tieheys: ylin kolmannes 3,50 kA/m ja alin 2 30 kolmannes 4,60 kA/m .

Kun 2 osoittaa virran poikkeamien aiheuttamat rajoitukset suurteollisia elektrolyysikennoja valmistettaessa. + 0,75 mm ovat toleranssit, joita vielä siedettävin kustannuksin voidaan noudattaa. 1 m leveällä tai korkealla 35 kennolla tarkoittaa tämä toleranssi 0,075 %:n tarkkuutta 10 73471 laskettuna mittapalasta. Lisäksi ovat 30-50 %:n vapaat pinnat kaasunpoistoa varten suurimmat siedettävät, koska muuten tehokas sähkövirran tiheys kasvaa liiaallisesti.

Claims (4)

11 73471

1. Membraani-elektrolyysikenno, jossa on useista yksiköistä kokoonpantuja, pystysuoraan järjestettyjä, 5 jousielementeillä (7) varustettuja elektrodeja (2,3), tunnettu siitä, että a) toisen polaarisuuden omaava elektrodi (2) on jaettu vaakasuorassa suunnassa useisiin erillisiin yksiköihin 10 b) vastakkaisen polaarisuuden omaava elektrodi (3) on jaettu pystysuorassa suunnassa useisiin erillisiin yksiköihin c) ainakin toisen elektrodin kulloinenkin yksikkö on siirrettävissä jousielementeillä (7).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen membraani-elek trolyysikenno, tunnettu siitä, että sen elektrodin, johon membraani ei tukeudu, yksikköjen välissä on vaakasuoria erotuskohtia, joihin on sovitettu välinpitimiä (1).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen membraani-20 elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että välinpiti- met (1) on muodostettu vaakasuoriin erotuskohtiin nauhamaisena levynä elektrodiyksikössä kehittyvän kaasun (6) johtamiseksi.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen membraa-25 ni-elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että pystysuoriin yksiköihin jaetuissa elektrodeissa on jousiele-mentit (7) muodostettu kennon pohjaan päin koveran kaaren tai sinnepäin avautuvan kulman muotoisiksi kaasun-poistoelimiksi.