IT201600127542A1 - “cella elettrolitica per la produzione di liquidi detergenti o disinfettanti” - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE INDUSTRIALE dal titolo:

“CELLA ELETTROLITICA PER LA PRODUZIONE DI LIQUIDI DETERGENTI E DISINFETTANTI”

Di 1) PICA Mario

2) BUT Igor

Di 1) ROMA, ITALIA

2) TALLINN, ESTONIA

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La presente invenzione si riferisce ad cella elettrolitica e, più precisamente, ad una cella elettrolitica per la produzione di liquidi disinfettanti e detergenti la quale incorpora un anodo conico coassialmente al catodo.

Stato della tecnica

Ad oggi sono note diverse tecnologie per la realizzazione di celle elettrolitiche in impianti di produzione di soluzioni chimiche.

Ad esempio, nel campo della disinfezione e della sterilizzazione di acqua e liquidi organici ed inorganici già esistono celle elettrochimiche coassiali le quali partendo da una soluzione acquosa di cloruro di sodio permettono di produrre liquidi disinfettanti e detergenti.

I liquidi disinfettanti possono essere usati in tutte le applicazioni ove si necessita di disinfettare aria, liquidi organici, inorganici e oggetti. I liquidi detergenti possono essere utilizzati come sgrassanti.

In generale la cella elettrolitica è composta da tre corpi cilindrici e coassiali:

- un anodo, avente il diametro maggiore - un catodo, con il diametro minore

- una membrana, che presenta il diametro intermedio e che, quindi, è interposta tra i due elettrodi sopradescritti.

I dispositivi sopracitati sono assemblati e dotati di una serie di componenti meccanici ed elettrici che garantiscono il serraggio meccanico delle parti, la tenuta in pressione dei fluidi di processo e l’alimentazione elettrica degli elettrodi.

La cella deve essere alimentata con energia elettrica in corrente continua e con un flusso di processo costituito da una soluzione acquosa di cloruro di sodio che idraulicamente entra tra l’anodo e la membrana intermedia da una linea di ingresso. Le molecole di cloruro di sodio contenute nella soluzione acquosa si separano per elettrolisi e danno luogo alla liberazione di cloro e sodio.

Più precisamente:

1. il sodio attraversa la membrana ceramica e produce il liquido detergente nella linea idraulica compresa tra il catodo e la membrana. Tale linea è alimentata con acqua; e

2. il cloro non attraversa la membrana e rimane in soluzione producendo il liquido disinfettante alla relativa linea di uscita.

Durante il funzionamento gli elettrodi, funzionando in corrente continua, producono energia termica per effetto Joule che va adeguatamente smaltita con sistemi di raffreddamento ad acqua o ad aria per evitare l’eccessivo surriscaldamento dei componenti con conseguente rottura.

L’anodo è soggetto a passaggio di corrente continua ad elevato amperaggio che col tempo tende ad innescare, sulla superficie interna a contatto con il fluido di processo, fenomeni di ossidazione ed “etching” chimico per la presenza di cariche elettriche che comportano l’assottigliamento progressivo dello spessore del metallo che compone l’anodo.

Per ovviare a tali inconvenienti, che comportano degrado dell’anodo con diminuzione delle prestazioni ed indebolimento strutturale con potenziali microfessurazioni e perdite idrauliche, la superfice interna dell’anodo viene ricoperta da un substrato (cosiddetto “coating”) composto da una miscela di metalli nobili che protegge il metallo di cui è costituito l’anodo ed evita il verificarsi dei fenomeni sopradescritti.

Tuttavia, si è rilevato che le celle elettrolitiche attualmente in commercio hanno una serie di criticità e limiti intrinseci nella concezione e nella progettazione strutturale delle stesse celle, che ne comporta gravi limiti di affidabilità e prestazionali nelle fasi di esercizio, istallazione e/o manutenzione.

Ad esempio, il brevetto statunitense US 8,795,483 B2 descrive una cella elettrolitica cilindrica coassiale, la quale presenta un anodo costituito da un corpo cilindrico di materiale metallico alle cui estremità sono collegate due testate in materiale plastico avvitate tramite filettature ricavate nella plastica stessa.

Tale soluzione costruttiva presenta lo svantaggio dato dai limiti strutturali dei materiali nella sede della filettatura. Ne consegue, la formazione di cricche e fessurazioni nelle testate, con conseguenti perdite idrauliche che compromettono il funzionamento dell’intera cella.

Inoltre, un altro svantaggio di questa soluzione costruttiva risiede nel fatto che la tenuta idraulica è costituita da un normale O-RING in una sede ricavata nella testata in plastica e compressa dall’estremità dell’anodo. Quindi, con questa soluzione costruttiva non è garantita la compressione ottimale della guarnizione con conseguente compromissione della tenuta e fuoriuscita del liquido di processo, che può innescare una corrosione del lato esterno del materiale metallico non protetto dal coating.

Inoltre, è nota dal brevetto statunitense US 7,374,645 B2 una cella elettrolitica cilindrica coassiale la quale prevede che l’accoppiamento tra le parti sia realizzato per compenetrazione passante della testata con l’anodo ed interposizione di guarnizioni in gomma.

Questa soluzione costruttiva presenta lo svantaggio dato dal fatto che non viene garantita una tenuta ottimale al liquido, e che si verificano danneggiamenti al materiale plastico dovuti a stress meccanico da fatica, alle temperature sviluppate, ed al materiale metallico per corrosione.

Scopo della presente invenzione è quello di risolvere i suddetti svantaggi / problemi fornendo una cella elettrolitica coassiale in cui il catodo presenta una forma cilindrica mentre l’anodo presenta una forma conica.

Breve descrizione dell’invenzione

Quindi, la presente invenzione fornisce una cella elettrolitica coassiale composta da un anodo, un catodo, una membrana, due testate, un dispositivo di serraggio, guarnizioni e viti che possono essere assemblate senza uso di utensili, ed in cui l’anodo è di forma conica. La cella una volta alimentata con energia elettrica in corrente continua, permette di produrre liquidi disinfettanti e detergenti partendo da una soluzione acquosa con cloruro di sodio.

Quindi, la presente invenzione fornisce una cella elettrolitica, sostanzialmente secondo le rivendicazioni annesse.

Descrizione dettagliata dell’invenzione Verrà ora fornita una descrizione dettagliata di due forme preferite di realizzazione della cella elettrolitica per la produzione di liquidi disinfettanti e detergenti la quale incorpora un anodo conico coassialmente al catodo secondo la presente invenzione, date a titolo esemplificativo e non limitativo, facendo riferimento alle figure annesse in cui:

la figura 1 è una vista in prospettiva della cella della presente invenzione;

la figura 2A è una vista in elevazione che illustra la cella elettrolitica della presente invenzione;

la figura 2B è una vista in sezione longitudinale che illustra la cella della figura 2 presa lungo la linea A-A;

la figura 3A è una vista in sezione longitudinale del corpo cilindrico del catodo della cella della presente invenzione;

la figura 3B è una vista in sezione longitudinale del corpo dell’anodo della cella della presente invenzione;

la figura 3C è una vista in sezione longitudinale del giunto di unione (testata) della cella della presente invenzione; e

le figure da 4A a 4C sono viste che illustrano una seconda forma di realizzazione della cella della presente invenzione.

Con riferimento ora alle figure, verrà illustrata la costituzione e funzionamento della cella elettrolitica secondo la presente invenzione.

Con riferimento alle figure 1, 2B e 3B, la cella presenta un corpo principale 1 di forma sostanzialmente cilindrica il quale monta coassialmente un catodo 4, una membrana 6, ed un anodo 3, ed in cui alle sue due estremità sono previste due testate 2 una su ciascuna estremità rispettivamente.

Come evidente nelle figure 2B e 3B la cella 1 comprende un anodo 3 che è costituito da un elemento tubolare con fattore di forma conico.

Più precisamente, l’anodo 3 presenta un corpo cilindrico centrale le cui estremità 30 sono conformate a sezione troncoconica e raccordate al corpo centrale.

Il fattore di forma e l’angolo di apertura delle estremità coniche 30 è stato studiato, sviluppato ed ottimizzato per la risoluzione di una serie di problematiche legate alle geometrie tipiche delle celle elettrolitiche coassiali.

Come viene mostrato nella figura 2B, grazie alla forma conica delle estremità 30 dell’anodo 3, vengono implementate le seguenti soluzioni tecniche:

- la testata 2 presenta superfici di accoppiamento 20 e guarnizioni 21 che sono parallele alle estremità 30;

- l’accoppiamento tra anodo 3 e le testate 2 è del tipo a contatto a pressione e senza filettature; - all’interno della cella 1 è presente un doppio sistema di raffreddamento a liquido tra anodo 3 ed il catodo 4 (figura 2B) il quale è accoppiato ad un circuito esterno di raffreddamento tramite raccordi 22 presenti su ciascuna testata 2 (il circuito esterno non essendo illustrato nelle figure);

- il reattore (volume dove avviene la reazione chimica) risulta con sezione idraulica ad area costante;

- è previsto un sistema di montaggio autoregistrante;

- la conformazione delle testate 2 permette di montare le stesse secondo diverse orientazioni; e - la cella 1 viene serrata manualmente grazie alla presenza di una ghiera 5 (figura 2B) che si impegna su una parte filettata di detto catodo 4, il cui avanzamento spinge a battuta tutti i componenti della cella 1 e serra a contatto a pressione gli stessi.

Inoltre e come illustrato nelle figure 2B e 3B, secondo la presente invenzione l’anodo 3 è realizzato in un pezzo unico e senza saldature.

L’anodo conico 3 è realizzato con un processo produttivo che ne consente la fabbricazione in un unico pezzo, senza saldature. Inoltre, il raccordo tra le due estremità coniche 30 e la parte cilindrica dell’anodo 3 non presenta saldature.

Tale soluzione tecnica è fondamentale in quanto garantisce la continuità del materiale, delle caratteristiche meccaniche, elettriche, termiche e strutturali dell’anodo.

Inoltre e come illustrato in figura 3A, il catodo 4 della cella 1 è sostanzialmente una tubazione a tenuta idraulica dotata di raccordi 40, entro il quale scorre il fluido di raffreddamento e sulla cui superficie esterna è ricavato l’elettrodo positivo del processo.

Con particolare riferimento ora alle figure da 4A a 4C, viene in esse illustrata una seconda forma di realizzazione della cella elettrolitica della presente invenzione in cui è previsto un doppio sistema di raffreddamento a liquido dell’anodo e del catodo.

Per chiarezza illustrativa, le stesse parti avranno numeri uguali.

Secondo questa forma di realizzazione, l’anodo 3 della cella mantiene la sua conformazione conica internamente e presenta un’intercapedine 31 di forma cilindrica ed esterna all’anodo 3 stesso (Figure 4B e 4C), entro la quale può circolare il fluido di raffreddamento attraverso raccordi 32 ricavati sull’intercapedine 32(Fig. 4C).

Questa soluzione costruttiva ha consentito di realizzare una cella elettrolitica coassiale con un innovativo doppio sistema di raffreddamento a liquido.

In dettaglio, il doppio sistema di raffreddamento a liquido dell’anodo 3 e del catodo 4 consente l’aumento dell’affidabilità del sistema, abbassando le temperature di esercizio.

Inoltre, questa soluzione costruttiva permette l’aumento della produzione specifica di liquidi disinfettanti, in caso di aumento delle correnti elettriche di esercizio.

Ulteriormente, con l’intercapedine per il raffreddamento dell’anodo 3 (Fig. 4C), è possibile ottenere l’intercettazione di eventuali fluidi fuoriusciti dall’anodo 3 per eventuali fessurazioni.

Inoltre, è possibile prevedere la predisposizione sulla superficie esterna cilindrica della cella 1 per l’eventuale montaggio di sensori di temperatura e di conducibilità. Tale soluzione consente il monitoraggio di tali parametri ed in caso di fuga di liquido dall’anodo 3 (che modifica temperatura e conducibilità del fluido) permette di dare un eventuale allarme.

Con particolare riferimento ora alle figure 2B e 3C, la cella 1 della presente invenzione presenta un sistema di accoppiamento conico tra le testate 2 e l’anodo 3.

Più precisamente, secondo la presente invenzione è previsto che gli accoppiamenti dei componenti siano realizzati interamente per contatto a pressione, ed ogni guarnizione di tenuta viene compressa tra due superfici perfettamente parallele tra di loro. Più precisamente ed in dettaglio:

La testata 2 di figura 3C è realizzata in plastica, e presenta oltre agli innesti 22 di collegamento per i fluidi, anche una sede 23 della guarnizione (O-RING) 21 la quale guarnizione va a cooperare con la superfice 30 dell’estremità conica dell’anodo 3 (figura 3B), detta superficie dell’estremità conica 30 risultando essere parallela alla superficie di plastica 20 della testata 2.

Con riferimento ora alle figure 1, 2A e 2B viene illustrato in esse il sistema di serraggio dei componenti della cella 1 (tramite contatto a pressione). Infatti e secondo l’invenzione, è previsto che i componenti della cella 1 una volta assemblati vengano serrati tramite la ghiera 5 ed un piatto 50 di pressione, il quale piatto 50 comprime ed attesta tutte le parti ed i componenti della cella 1, andando a realizzare la tenuta idraulica anodotestate-catodo senza l’impiego di elementi di serraggio né di attrezzi dedicati.

Più precisamente, questo sistema di serraggio dei componenti realizzato con la ghiera 5 permette di imprimere una pressione di chiusura in modo uniforme sugli stessi e tramite il piatto 50 ed ottenere conseguentemente la tenuta idraulica tra anodo 3 e le testate 2 ed il catodo 4.

Questa soluzione costruttiva elimina la necessità di serrare tramite viti o perni le testate 2 in plastica, con rischi legati alla formazione di cricche, fessurazioni o distacchi di conci di rottura in plastica per l’eccessivo serraggio.

Inoltre, grazie a questa soluzione è possibile consentire una qualsiasi disposizione delle testate 2 facendole ruotare al momento del serraggio, le quali essendo perfettamente simmetriche risultano orientabili a 360° con direzionamento libero degli attacchi idraulici 22 a favore delle diverse configurazioni di installazione.

Ulteriormente, grazie a questa configurazione è possibile ottenere una chiusura con una coppia di serraggio che può essere modulata a mano dall’operatore sulla ghiera 5 sino alla coppia massima di chiusura (pari a circa 3 Nm), raggiungibile senza l’uso di attrezzi.

Inoltre, la ghiera 5 è indipendente dagli altri componenti e quindi realizzabile in qualsiasi materiale.

Secondo un altro aspetto della cella 1 della presente invenzione, è previsto che l’anodo 3 incorpori geometrie che sono state progettate per avere tutte le superfici a contatto con il fluido di processo le quali presentino forme lineari o con raggi di curvatura entro valori limite.

Tale soluzione permette, in fase di fabbricazione, un’ottimale e corretta stesura del coating protettivo per l’assenza di angoli vivi, spigoli o cuspidi. Tutto lo strato protettivo, correttamente posato, lavora in modo ottimale, senza fenomeni di indebolimento o di distacco, con il vantaggio di garantire la protezione totale dell’anodo 3 nel tempo da eventuale ossidazione, corrosione e/o “etching”.

Secondo un ulteriore aspetto della cella della presente invenzione, è previsto che la particolare configurazione dei componenti della stessa siano assenti da problemi legati al surriscaldamento e/o alle temperature elevate.

Infatti, grazie alla geometria dell’anodo 3, delle testate 2, e del catodo 4, esse sono progettate ed ottimizzate per l’asportazione ottimale del calore generato dal processo elettrochimico e per effetto Joule.

In particolare e come appare evidente dalla figura 2B, la sezione idraulica della cella è ad area costante. Lungo tutta la cella 1, nel gruppo costituito da anodo 3, testate 2, e catodo 4, la sezione idraulica è mantenuta costante per fare in modo che il flusso del fluido di processo si mantenga con filetti fluidi in moto laminare, senza turbolenze o perdite di carico, ed a velocità costante. Tale soluzione garantisce la continuità nell’asportazione del calore generato dal processo.

D’altro canto e come illustrato nella figura 2B, la sezione dell’anodo 3 in prossimità dei punti di giunzione conici 30 è crescente. Più precisamente e secondo la presente invenzione, in prossimità dei punti di giunzione 30 ed in corrispondenza delle guarnizioni 21 di accoppiamento testate 2 ed anodo 3, ovvero dove possono essere presenti interstizi potenzialmente pericolosi per la diminuzione delle velocità del fluido di processo e, quindi, del raffreddamento, con surriscaldamento o formazione di vapore, è stato progettato un dettaglio della curvatura e delle geometrie tale da consentire un aumento progressivo del diametro dei coni 30, con conseguente aumento della distanza tra gli elettrodi 3 e 4, che comporta una diminuzione dell’effetto Joule e della formazione di calore nei punti di giunzione, a garanzia di tutela dei punti di giunzione stessi, tramite l’abbassamento dei campi di tensione e di corrente responsabili dello sviluppo di calore.

Secondo un altro aspetto della cella della presente invenzione, è previsto che la stessa sia costruita con componenti con assenza di saldature.

Più precisamente, essendo il processo di funzionamento della cella di tipo elettrochimico, l’assenza di saldature ha una molteplice valenza, con riferimento a:

- resistenza meccanica grazie alla continuità strutturale;

- linearità delle superfici e delle curvature di raccordo con assenza di spigoli, cuspidi o angoli vivi, essenziali per l’ottimizzazione della stesura dello strato di rivestimento protettivo (coating); - spessore costante dell’anodo 3 con assenza di variazioni dimensionali e costanza della temperatura; e

- trasmissione uniforme del campo di tensione verso il liquido di processo per le caratteristiche equipotenziali della superficie.

Vantaggi

La cella elettrolitica della presente invenzione presenta i seguenti vantaggi:

Secondo un primo aspetto vantaggioso della cella della presente invenzione, vengono eliminate le rotture, crepe e fessurazioni in corrispondenza dei punti di giunzione 30 e delle testate 2.

Secondo un secondo aspetto vantaggioso della cella della presente invenzione, è possibile evitare il danneggiamento del rivestimento protettivo (coating).

Secondo un terzo aspetto vantaggioso della cella della presente invenzione, sono evitati gli inneschi e la diffusione di fenomeni di “etching”.

Secondo un quarto aspetto vantaggioso della cella della presente invenzione, il serraggio è sempre ottimale durante il montaggio dei componenti.

Secondo un quinto aspetto vantaggioso della cella della presente invenzione, viene evitata l’installazione con attacchi idraulici non allineati.

Secondo un sesto aspetto vantaggioso della cella della presente invenzione, viene evitato l’eccessivo surriscaldamento in esercizio.

Secondo un settimo aspetto vantaggioso della cella della presente invenzione, con le soluzioni costruttive sopra descritte è possibile smontare e sostituire la membrana, le testate 2, gli elettrodi 3 e 4, ed ogni componente della cella 1 con manodopera non specializzata, grazie alla semplicità costruttiva.

Secondo un ottavo aspetto vantaggioso della cella della presente invenzione, le testate 2 sono simmetriche ed intercambiabili quindi a prova di errore di montaggio.

Claims (10)

1. INVENZIONE INDUSTRIALE dal titolo: “CELLA ELETTROLITICA PER LA PRODUZIONE DI LIQUIDI DETERGENTI E DISINFETTANTI” Di 1) PICA Mario 2) BUT Igor Di 1) ROMA, ITALIA 2) TALLINN, ESTONIA >>>><<<< RIVENDICAZIONI 1. Cella elettrolitica (1) di forma tubolare e che comprende in una disposizione coassiale a partire dal centro verso l’esterno un catodo (4), una membrana (6), un anodo (3), e due testate terminali (2) disposte in corrispondenza delle estremità di detta cella (1), dette testate comprendendo attacchi idraulici (22), caratterizzata dal fatto di comprendere un dispositivo di serraggio (5,50) che coopera con detti catodo (4), membrana (6), anodo (3), e dette due testate terminali (2) per serrare e sigillare reciprocamente gli uni con gli altri, ed in cui detto anodo (3) comprende mezzi (30) di forma conica atti ad interfacciarsi con rispettivi mezzi di interfacciamento (20) di dette testate terminali (2) per ottenere la sigillatura di detta cella elettrolitica (1).
2. 2. Cella elettrolitica (1) di forma tubolare secondo la rivendicazione precedente, in cui detto anodo (3) comprende un corpo centrale cilindrico tubolare ed estremità (30) conformate a sezione troncoconica ed integralmente raccordate a detto corpo centrale.
3. 3. Cella elettrolitica (1) di forma tubolare secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detti mezzi di interfacciamento di dette testate terminali (2) comprendono superfici di accoppiamento (20) e mezzi di tenuta (21), la disposizione essendo tale per cui a seguito dell’assemblaggio di detta cella (1) le dette superfici di accoppiamento (20) sono parallele a dette estremità (30).
4. 4. Cella elettrolitica (1) di forma tubolare secondo la rivendicazione 1 o 2 o 3, in cui detto dispositivo di serraggio comprende una ghiera (5) ed un elemento piano (50) ambedue montati coassialmente su detto catodo (4) e detta ghiera (5) si impegna su una parte filettata di detto catodo (4), la disposizione essendo tale per cui ad ogni avanzamento di detta ghiera (5) corrisponde una spinta a battuta di tutti i componenti di detta cella (1) ed conseguentemente la tenuta idraulica tra anodo (3) e le testate (2) ed il catodo (4) della cella (1) per contatto a pressione gli uni sugli altri.
5. 5. Cella elettrolitica (1) di forma tubolare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’accoppiamento tra anodo (3) e testate (2) è del tipo a contatto a pressione senza mezzi di bloccaggio.
6. 6. Cella elettrolitica (1) di forma tubolare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto catodo (4) è costituito da un corpo tubolare a tenuta idraulica entro il quale scorre un fluido di raffreddamento da una estremità alla estremità opposto attraverso raccordi (40) di collegamento e solidali a detto catodo (4).
7. 7. Cella elettrolitica (1) di forma tubolare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto anodo (3) presenta un’intercapedine (31) di forma cilindrica ed esternamente all’anodo (3) stesso, la disposizione essendo tale per cui tra anodo (3) ed intercapedine (31) può circolare un fluido di raffreddamento attraverso raccordi (32) ricavati sull’intercapedine (32).
8. 8. Cella elettrolitica (1) di forma tubolare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette testate (2) sono simmetriche ed orientabili a 360° rispetto all’asse longitudinale di detta cella (1) e con orientamento libero di detti attacchi idraulici (22).
9. 9. Metodo di funzionamento di una cella elettrolitica (1) di forma tubolare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la sigillatura di detta cella (1) avviene per serraggio manuale di detta ghiera (5) senza uso di attrezzi.
10. 10. Metodo di funzionamento di una cella elettrolitica (1) di forma tubolare secondo la rivendicazione precedente, in cui la sezione idraulica della cella è ad area costante, ed il flusso del fluido di processo si mantiene a velocità costante. p.p. 1) PICA Mario 2) BUT Igor