ITMI20002442A1

ITMI20002442A1 - EXHAUST SYSTEM FOR TWO-PHASE GAS-LIQUID MIXTURES WITH DIFFERENTIATED SECTIONS

Info

Publication number: ITMI20002442A1
Authority: IT
Inventors: Luciano Iacopetti; Francesco Todaro; Davide Scotti
Original assignee: Nora Impianti S P A De
Priority date: 2000-11-13
Filing date: 2000-11-13
Publication date: 2002-05-13
Also published as: TWI230748B; WO2002038831A2; IT1319102B1; AU2002229547A1; WO2002038831A3; EP1343579A2

Description

È noto, nel campo dell'elettrochimica industriale, l’impiego di reattori elettrochimici all'interno dei quali si sviluppano gas da un elettrolita liquido, come avviene ad esempio nel caso di elettrolisi di soluzioni acquose o nel comparto anodico di celle per applicazioni elettrometallurgiche. Sono altresì note diverse applicazioni elettrochimiche che fanno uso di separatori sottili, ad esempio di membrane a scambio ionico o di diaframmi semipermeabili, generalmente usati per dividere il comparto anodico da quello catodico. Un esempio di tali applicazioni è dato dagli elettrolizzatori a membrana o a diaframma per la produzione di cloro e alcali da soluzioni di cloruri alcalini. La descrizione seguente farà riferimento, per semplicità, ad elettrolizzatori di cloruro sodico a membrana per la produzione di cloro e soda caustica, come esempi tipici di reattore elettrochimico nel quale si sviluppa almeno un prodotto gassoso, in questo caso il cloro, da una soluzione acquosa, in questo caso da una salamoia di cloruro sodico e nel quale è presente un elemento, in questo caso la membrana a scambio cationico, che risente in modo particolarmente svantaggioso delle fluttuazioni di pressione all’interno del reattore. Agli esperti del ramo sarà tuttavia evidente che l’invenzione oggetto della presente descrizione è applicabile allo smorzamento delle fluttuazioni di pressione all’interno di qualunque reattore nel quale si realizzi lo sviluppo di un prodotto gassoso all’interno di una fase liquida. It is known, in the field of industrial electrochemistry, the use of electrochemical reactors within which gases develop from a liquid electrolyte, as occurs for example in the case of electrolysis of aqueous solutions or in the anode compartment of cells for electrometallurgical applications. Various electrochemical applications are also known which make use of thin separators, for example of ion exchange membranes or semipermeable diaphragms, generally used to divide the anodic compartment from the cathode one. An example of such applications is given by membrane or diaphragm electrolysers for the production of chlorine and alkali from alkaline chloride solutions. The following description will refer, for simplicity, to membrane sodium chloride electrolyzers for the production of chlorine and caustic soda, as typical examples of electrochemical reactor in which at least one gaseous product, in this case chlorine, is developed from an aqueous solution. , in this case from a sodium chloride brine and in which there is an element, in this case the cation exchange membrane, which is particularly disadvantageously affected by the pressure fluctuations inside the reactor. However, it will be clear to those skilled in the art that the invention object of this description is applicable to the damping of pressure fluctuations within any reactor in which the development of a gaseous product occurs within a liquid phase.

Diverse sono le soluzioni adottate nella tecnica anteriore per affrontare il problema dello scarico della miscela gas prodotti-elettrolita dagli elementi di un elettrolizzatore a membrana, con proposte sempre più sofisticate, man mano che il miglioramento nella tecnologia di produzione delle membrane consentiva di avere separatori più sottili, in grado di garantire una sensibile diminuzione delle penali resistive connesse al processo di elettrolisi, ma anche con lo svantaggio di una resistenza meccanica sempre minore. Occorre inoltre tener presente che la rincorsa alla diminuzione delle penali resistive aveva come obiettivo l’esercizio degli elettrolizzatoli a densità di corrente sempre più elevata, con conseguente incremento del volume di gas sviluppato e dei fenomeni di turbolenza e fluttuazione di pressione. Contemporaneamente, il problema delle penali resistive è stato affrontato anche diminuendo la distanza tra le membrana a scambio cationico e gli elettrodi sede delle reazioni di sviluppo dei gas, fino a realizzare soluzioni costruttive che prevedono un contatto diretto fra elettrodo e membrana, come descritto nel brevetto statunitense US 4,340,452. Una prima soluzione per migliorare lo scarico delle miscele bifasiche gas-elettrolita, in modo da diminuire le pulsazioni di pressione che provocano vibrazioni e quindi abrasione delle membrane, è descrìtta nel brevetto U.S.A. 5,242,564 che prevede un doppio condotto di scarico ascendente che consente di allontanare i gas e gli elettroliti dall’elettrolizzatore come fasi separate. Questa soluzione comporta tuttavia notevoli costi di produzione e maggiori rischi sull’affidabilità del reattore, a causa del moltiplicarsi di parti delicate come le saldature tra elementi di cella e condotti di scarico, i quali comportano lunghe lavorazioni manuali e sono sedi di possibili difetti. Inoltre, l’efficacia di questa soluzione è comunque limitata a densità di corrente non molto elevate, al di là delle quali la velocità del flusso ascendente ed il suo contenuto di fase gassosa non consentono uno smorzamento sufficiente delle fluttuazioni. Various solutions have been adopted in the prior art to tackle the problem of discharging the gas-electrolyte mixture from the elements of a membrane electrolyser, with increasingly sophisticated proposals, as the improvement in membrane production technology allowed for more separators. thin, capable of guaranteeing a significant decrease in the resistive penalties connected to the electrolysis process, but also with the disadvantage of an increasingly lower mechanical resistance. It should also be borne in mind that the run-up to the reduction of resistive penalties had as its objective the exercise of electrolyzers at an ever higher current density, with a consequent increase in the volume of gas developed and in the phenomena of turbulence and pressure fluctuation. At the same time, the problem of resistive penalties was also addressed by decreasing the distance between the cation exchange membrane and the electrodes where the gas evolution reactions are located, up to the creation of constructive solutions that provide for direct contact between the electrode and the membrane, as described in the patent. US 4,340,452. A first solution for improving the discharge of biphasic gas-electrolyte mixtures, so as to reduce the pressure pulsations which cause vibrations and therefore abrasion of the membranes, is described in U.S. Pat. 5,242,564 which provides a double ascending exhaust duct that allows the gases and electrolytes to be removed from the electrolyzer as separate phases. However, this solution entails considerable production costs and greater risks on the reliability of the reactor, due to the multiplication of delicate parts such as the welds between cell elements and exhaust ducts, which involve long manual processing and are the site of possible defects. Furthermore, the effectiveness of this solution is in any case limited to not very high current densities, beyond which the speed of the ascending flow and its gaseous phase content do not allow sufficient damping of the fluctuations.

Un’alternativa interessante per affrontare questo problema è data dallo scarico delle miscele bifasiche attraverso un condotto di uscita discendente, come descritto, ad esempio, in “Modern Chlor-alkaii Technology”, Voi. 4, Society of Chemical Industry, Elsevier 1990, pag. 171. In questo caso, un unico condotto discendente convoglia contemporaneamente gas ed elettroliti generando tuttavia fluttuazioni di pressione di entità moderata. Mancando infatti un percorso verticale ascendente, non si ha la formazione di bolle separate di gas nell'elettrolita variabili come dimensione e numero nel tempo, fenomeno il quale costituisce, nel caso generale, la causa primaria del problema, ma piuttosto un movimento discendente del liquido lungo le pareti ed un flusso non disturbato di gas nella sezione centrale del condotto occupato da liquido. An interesting alternative to tackle this problem is given by the discharge of biphasic mixtures through a descending outlet duct, as described, for example, in "Modern Chlor-alkaii Technology", Vol. 4, Society of Chemical Industry, Elsevier 1990, p. . 171. In this case, a single descending duct conveys gas and electrolytes at the same time, however generating moderate pressure fluctuations. In fact, in the absence of an ascending vertical path, there is no formation of separate gas bubbles in the electrolyte which vary in size and number over time, a phenomenon which is, in the general case, the primary cause of the problem, but rather a descending movement of the liquid. along the walls and an undisturbed flow of gas in the central section of the duct occupied by liquid.

Questi dispositivi, tuttavia, funzionano correttamente solo quando la parte superiore del condotto discendente è alimentata in modo uniforme nel tempo da gas che trascini al massimo poche gocce di liquido, e da elettrolita sostanzialmente esente da bolle di gas. Si richiede perciò una separazione molto efficace della miscela gas-elettrolita prodotta sugli elettrodi nella parte superiore degli elementi di cella, prima di essere alimentata ai condotti discendenti, un compito che diventa piuttosto arduo operando a densità di corrente elevata. However, these devices only function correctly when the upper part of the descending duct is fed uniformly over time by gas which carries at most a few drops of liquid, and by electrolyte substantially free from gas bubbles. Therefore, a very effective separation of the gas-electrolyte mixture produced on the electrodes in the upper part of the cell elements is required, before being fed to the descending ducts, a task which becomes rather difficult when operating at high current density.

Un disegno migliorativo volto ad agevolare tale separazione è stato descrìtto nella domanda di brevetto intemazionale WO 98/55670. Secondo tale disegno, la separazione dell’elettrolita dalle bolle di gas avviene raccogliendo quest’ultimo in una canala, sulla parte superiore della cella, delimitata dalla parete della cella e da un deflettore forato o comunque provvisto di aperture adeguate, opportunamente dimensionato. Il gas prodotto ed il liquido degasato vengono quindi alimentati, attraverso i fori del deflettore, nei condotti discendenti di scarico. I condotti di scarico mostrati in WO 98/55670 sono tubi con la sezione di imbocco angolata. È’ specificato come un opportuno dimensionamento del tubo, in termini di diametro e di forma della sezione di imbocco, sia decisivo nel mantenere una condizione di deflusso stabile del gas e del liquido separati. La condizione per avere stabilità di scarico è quella che permette ai liquido di defluire senza mai occludere la sezione interna del tubo, in modo che una certa porzione interna dello stesso sia continuamente disponibile per il gas, mentre il liquido, per via della tensione superficiale, scorre sulle pareti interne. Tuttavia, anche questa soluzione, per quanto valida, garantisce di per sé lo smorzamento delle fluttuazioni di pressione solo in parte. Operando le celle con membrane sottili a densità di corrente piuttosto elevate, ad esempio superiori a 4 kA/m2, alcuni problemi di affidabilità dovuti a sfregamento delle membrane in seguito a fluttuazioni di pressione sono ancora riscontrabili. Inoltre, il dimensionamento dei condotti di scarico e degli altri elementi di cella secondo il disegno descrìtto risultano piuttosto rìgidi o penalizzanti nei confronti di eventuali variazioni delle condizioni di processo. Ad esempio, in situazioni nelle quali il costo dell’energia elettrica è significativamente differente tra il giorno e la notte o tra diverse fasce orarie, può essere conveniente operare gli elettrolizzatori a diversi regimi in modo da soddisfare il fabbisogno dei prodotti minimizzando i costi energetici; una situazione tipica, ad esempio, è quella che prevede l’esercizio ad alta densità di corrente durante la notte, e a densità di corrente ridotta durante il giorno. Risulta tuttavia difficile realizzare il dimensionamento della cella secondo gli insegnamenti dell’arte nota citata in modo che esso consenta un sufficiente smiscelamento deila miscela bifase gas-elettrolita a densità di corrente sensibilmente diverse. An improved design aimed at facilitating this separation has been described in the international patent application WO 98/55670. According to this design, the separation of the electrolyte from the gas bubbles takes place by collecting the latter in a channel, on the upper part of the cell, bounded by the cell wall and by a perforated deflector or in any case provided with suitable, suitably sized openings. The gas produced and the degassed liquid are then fed, through the holes in the deflector, into the descending exhaust ducts. The exhaust ducts shown in WO 98/55670 are pipes with the inlet section angled. It is specified that an appropriate dimensioning of the pipe, in terms of diameter and shape of the inlet section, is decisive in maintaining a stable outflow condition of the separated gas and liquid. The condition for having discharge stability is that which allows the liquid to flow without ever occluding the internal section of the pipe, so that a certain internal portion of the same is continuously available for the gas, while the liquid, due to the surface tension, flows on the internal walls. However, even this solution, although valid, guarantees in itself the damping of pressure fluctuations only partially. By operating the cells with thin membranes at rather high current densities, for example higher than 4 kA / m2, some reliability problems due to rubbing of the membranes following pressure fluctuations can still be found. Furthermore, the sizing of the exhaust ducts and of the other cell elements according to the described drawing are rather rigid or penalizing in relation to any variations in the process conditions. For example, in situations where the cost of electricity is significantly different between day and night or between different time slots, it may be convenient to operate the electrolysers at different speeds in order to meet the needs of the products while minimizing energy costs; a typical situation, for example, is that which involves operation at high current density during the night, and at low current density during the day. However, it is difficult to carry out the sizing of the cell according to the teachings of the aforementioned prior art so that it allows a sufficient demixing of the two-phase gas-electrolyte mixture at significantly different current densities.

Le instabilità della pressione durante l'operazione sono, in generale, negative per la membrana che separa i due comparti elettrodici: è noto che gli elettrolizzatori di cloruro sodico a membrana per la produzione di cloro e soda caustica operano tipicamente con un differenziale di pressione tra i due comparti di 30-35 mbar al fine di consentire il completo e rigido spiazzamento della membrana su uno degli elettrodi, tipicamente sull’anodo. La presenza di fluttuazioni della pressione di ampiezza paragonabile a quella del differenziale di pressione di processo potrebbe quindi condurre, almeno in modo istantaneo, ad un annullamento o addirittura ad un'inversione del differenziale con conseguente spostamento della membrana in operazione. La membrana, sottoposta a cicli di fatica, subisce in questo caso un’azione di erosione tanto più rapida quanto più ampie e frequenti sono le fluttuazioni di pressione e tanto peggiori sono le condizioni delle superfici elettrodiche (scabrosità, difetti di saldatura ecc.) e delle membrane stesse, ad esempio per la presenza di pieghe, che si formano a causa di un montaggio imperfetto o di problemi in operazione. Pressure instabilities during the operation are, in general, negative for the membrane that separates the two electrode compartments: it is known that membrane sodium chloride electrolyzers for the production of chlorine and caustic soda typically operate with a pressure differential between the two compartments of 30-35 mbar in order to allow the complete and rigid displacement of the membrane on one of the electrodes, typically on the anode. The presence of pressure fluctuations of an amplitude comparable to that of the process pressure differential could therefore lead, at least instantaneously, to a cancellation or even an inversion of the differential with consequent displacement of the membrane in operation. The membrane, subjected to fatigue cycles, in this case undergoes an erosion action that is much more rapid, the larger and more frequent the pressure fluctuations and the worse the conditions of the electrode surfaces (roughness, welding defects, etc.) and of the membranes themselves, for example due to the presence of folds, which are formed due to an imperfect assembly or problems in operation.

E’ un obiettivo della presente invenzione fornire un sistema di scarico per miscele bifase gas-liquido da reattori elettrochimici che superi gli inconvenienti dell’arte nota. It is an objective of the present invention to provide an exhaust system for two-phase gas-liquid mixtures from electrochemical reactors that overcomes the drawbacks of the prior art.

In particolare, è un obiettivo della presente invenzione fornire un sistema di scarico per miscele bifase da reattori elettrochimici provvisto di un condotto avente un imbocco che consenta di effettuare o completare lo smiscelamento delle miscele stesse in modo da abbattere in modo sostanziale le fluttuazioni di pressione indotte dallo scarico nel reattore. In particular, it is an object of the present invention to provide an exhaust system for two-phase mixtures from electrochemical reactors provided with a duct having an inlet that allows to carry out or complete the demixing of the mixtures themselves so as to substantially reduce the induced pressure fluctuations. from the exhaust into the reactor.

Sotto un altro aspetto, è un obiettivo della presente invenzione fornire un disegno di un condotto di scarico per miscele gas-liquido caratterizzato da elevata stabilità di deflusso in un'ampia varietà di regimi operativi. In another aspect, it is an object of the present invention to provide a design of an exhaust duct for gas-liquid mixtures characterized by high flow stability in a wide variety of operating regimes.

L’invenzione consiste in un condotto verticale nel quale gas e liquido sono convogliati contemporaneamente verso il basso comprendente una zona di imbocco caratterizzata dalla presenza contemporanea di due sezioni di passaggio, diversamente orientate e profilate. In particolare, la sezione superiore è posta sulla sommità del condotto ed ha orientamento prevalentemente orizzontale, con un’inclinazione opportuna per deflettere la parte gassosa della miscela. La sezione inferiore, la cui funzione è convogliare la parte liquida della miscela in modo che essa non possa occupare la totalità della sezione del condotto di scarico, è ricavata sulla parete del condotto ed ha orientamento generalmente verticale, ad esempio con profilo semiellittico, parabolico o iperbolico, ovvero con profilo poligonale composto da un opportuno numero di sezioni piane, ad esempio rettangolari, ravvicinate; in generale, si può visualizzare tale profilo come generato dalla ideale compenetrazione di un prisma o corpo cilindrico o sfera nella superficie del condotto verticale. Le due sezioni sono preferibilmente separate da una regione della parete del condotto atta ad impedire che il liquido possa superare il livello della sezione inferiore invadendo la sezione superiore. The invention consists of a vertical duct in which gas and liquid are conveyed simultaneously downwards comprising an inlet area characterized by the simultaneous presence of two passage sections, differently oriented and profiled. In particular, the upper section is placed on the top of the duct and has a predominantly horizontal orientation, with an appropriate inclination to deflect the gaseous part of the mixture. The lower section, whose function is to convey the liquid part of the mixture so that it cannot occupy the entire section of the exhaust duct, is obtained on the wall of the duct and has a generally vertical orientation, for example with a semi-elliptical, parabolic or hyperbolic, that is with a polygonal profile composed of an appropriate number of flat sections, for example rectangular, close together; in general, this profile can be visualized as generated by the ideal interpenetration of a prism or cylindrical body or sphere in the surface of the vertical duct. The two sections are preferably separated by a region of the duct wall adapted to prevent the liquid from exceeding the level of the lower section by invading the upper section.

Questo impedisce efficacemente al liquido di occupare per intero, anche momentaneamente e per brevi tratti, la sezione del condotto, assicurando il deflusso separato delle due fasi. Il condotto è costituito da qualsiasi tubo o canale cilindrico o di geometria differente, ad esempio dal tubo di WO 98 / 55670. Il sistema di scarico dell'invenzione è applicabile a qualsiasi reattore, ad esempio ad un reattore elettrochimico, nel quale si realizzi lo sviluppo di un prodotto gassoso in una fase liquida, ed è particolarmente vantaggioso nei casi in cui occorra minimizzare le fluttuazioni di pressione all'interno del reattore stesso. Il sistema di scarico dell'invenzione è particolarmente vantaggioso per lo scarico di prodotti di reazione ed elettrolita da elettrolizzatoli a diaframma o a membrana. Nel caso in cui venga impiegato in celle elettrolitiche a membrana, tale sistema di scarico è particolarmente vantaggioso in abbinamento con il disegno di cella descritto in WO 98 / 55670, nei quale la miscela bifase è previamente smiscelata nella regione superiore della cella in un sistema provvisto di un deflettore con opportune aperture, ed alimentata nel condotto di scarico provvisto di imbocco secondo la presente invenzione, dove lo smiscelamento delle due fasi viene completato. This effectively prevents the liquid from occupying the entire section of the duct, even temporarily and for short stretches, ensuring the separate outflow of the two phases. The conduit is made up of any cylindrical tube or channel or of different geometry, for example the tube of WO 98 / 55670. The exhaust system of the invention is applicable to any reactor, for example to an electrochemical reactor, in which the development of a gaseous product in a liquid phase, and is particularly advantageous in cases where it is necessary to minimize the pressure fluctuations inside the reactor itself. The discharge system of the invention is particularly advantageous for discharging reaction products and electrolyte from diaphragm or membrane electrolyzers. If used in membrane electrolytic cells, this discharge system is particularly advantageous in combination with the cell design described in WO 98/55670, in which the two-phase mixture is previously de-mixed in the upper region of the cell in a system provided a deflector with suitable openings, and fed into the exhaust duct provided with an inlet according to the present invention, where the demixing of the two phases is completed.

La presente invenzione è schematizzata nelle figure 1 e 2, dove la fìg. 1 rappresenta una possibile realizzazione e la fìg. 2 raffigura il ritrovato di fìg. 1 secondo un angolo di vista ruotato di 90°. The present invention is schematized in figures 1 and 2, where fig. 1 represents a possible embodiment and fig. 2 depicts the invention of fig. 1 according to an angle of view rotated by 90 °.

La figura 1 mostra una vista di profilo di una possibile realizzazione del sistema di scarico dell’invenzione, che comprende un condotto di scarico (1) munito di una zona di imbocco (2) avente una generica forma a fischietto, caratterizzata dalla presenza contemporanea di almeno due sezioni di passaggio, in particolare almeno una sezione superiore (3) ad orientamento prevalentemente orizzontale, con un’inclinazione opportuna per deflettere la parte gassosa della miscela, ed almeno una sezione inferiore (4), preferibilmente ricavata sulla parete del condotto (1), ad orientamento generalmente verticale. Nella realizzazione preferita della figura 1, le due sezioni (3) e (4) sono separate da una regione di parete (5) del condotto (1), per impedire al liquido di superare il livello della sezione inferiore (4). Figure 1 shows a profile view of a possible embodiment of the exhaust system of the invention, which comprises an exhaust duct (1) equipped with an inlet area (2) having a generic whistle shape, characterized by the simultaneous presence of at least two passage sections, in particular at least one upper section (3) with a mainly horizontal orientation, with a suitable inclination to deflect the gaseous part of the mixture, and at least one lower section (4), preferably obtained on the wall of the duct (1 ), generally in a vertical orientation. In the preferred embodiment of Figure 1, the two sections (3) and (4) are separated by a wall region (5) of the duct (1), to prevent the liquid from exceeding the level of the lower section (4).

La figura 2 mostra una vista di fronte dello stesso apparato, ruotato di 90° rispetto alla figura 1. È in questo caso illustrata una sezione inferiore (4) avente profilo semiellittico (6), tuttavia è evidente come si possano adottare in alternativa altri tipi di profilo, ad esempio un profilo a sezioni piane ravvicinate, preferibilmente rettangolari, senza discostarsi dagli scopi dell'invenzione. Figure 2 shows a front view of the same apparatus, rotated by 90 ° with respect to figure 1. In this case, a lower section (4) with a semi-elliptical profile (6) is shown, however it is clear that other types can alternatively be adopted. in profile, for example a profile with closely spaced flat sections, preferably rectangular, without departing from the purposes of the invention.

Il principio fondamentale su cui l'invenzione si basa è quello di creare sezioni separate di deflusso per le due fasi sfruttandone la differente densità : una inferiore ad orientamento prevalentemente verticale per il fluido più pesante (liquido) ed una superiore ad andamento prevalentemente orizzontale per il fluido più leggero (gas). The fundamental principle on which the invention is based is to create separate outflow sections for the two phases by exploiting their different densities: a lower one with a predominantly vertical orientation for the heavier fluid (liquid) and an upper one with a predominantly horizontal course for the lighter fluid (gas).

Il liquido tende naturalmente per gravità a defluire dalla sezione inferiore e l'elevata densità ne contrasta la risalita sino alla sezione superiore dedicata allo scarico del gas, per contro la bassa densità dei gas oppone una spinta di galleggiamento nella fase più pesante e ne impedisce l’affondamento ad occupare la sezione inferiore. The liquid naturally tends to flow from the lower section by gravity and the high density contrasts its rise up to the upper section dedicated to the discharge of the gas, on the other hand the low density of the gases opposes a buoyancy thrust in the heavier phase and prevents the sinking to occupy the lower section.

La regione continua di parete (5) ha una duplice funzione: impedire che le variazioni periodiche di livello (moti ondosi), generati sulla fase liquida dall’elevata turbolenza del sistema, giungano per inerzia sino alla sezione superiore ed inoltre separa fisicamente i punti di cambio di direzione delle due fasi, consentendo di incanalare la fase gassosa parallelamente all’asse del condotto prima dell’ingresso della fase liquida e favorendo quindi lo scorrimento di quest' ultima sulla parete interna del condotto. The continuous wall region (5) has a dual function: to prevent the periodic changes in level (wave motions), generated on the liquid phase by the high turbulence of the system, from reaching the upper section by inertia and also physically separates the points of change of direction of the two phases, allowing the gaseous phase to be channeled parallel to the axis of the duct before the liquid phase enters and thus favoring the sliding of the latter on the internal wall of the duct.

La preferita forma ellittica della sezione inferiore (4) ha la proprietà di incrementare la sezione di scarico occupata dalla fase liquida con progressione quadratica rispetto alla quota del liquido stesso, questo consente di mantenere la velocità di imbocco costante della fase liquida nel condotto in un ampio campo di condizioni operative e in presenza di continue variazioni di livello indotte da moti ondosi. The preferred elliptical shape of the lower section (4) has the property of increasing the discharge section occupied by the liquid phase with quadratic progression with respect to the share of the liquid itself, this allows to maintain the constant inlet speed of the liquid phase in the duct in a wide field of operating conditions and in the presence of continuous level variations induced by wave motions.

Il preferito piano inclinato della sezione superiore (3) funge da deflettore della fase gassosa che deve curvare di 90° le proprie linee di flusso per entrare nella sezione di scarico, diminuendo od annullando i vortici legati a tale cambio di direzione. The preferred inclined plane of the upper section (3) acts as a deflector of the gaseous phase which must bend its flow lines by 90 ° to enter the discharge section, reducing or canceling the vortices associated with this change of direction.

Obiettivo dell'invenzione è quello di limitare le instabilità di deflusso causate dall’imbocco delle due fasi separate attraverso il tubo di scarico. The aim of the invention is to limit the outflow instabilities caused by the entrance of the two separate phases through the exhaust pipe.

La generazione della fluttuazione di pressione è infatti strettamente legata alla formazione di un tappo di liquido, che invade periodicamente la sezione di passaggio del gas all'Interno del tubo in prossimità dell'imbocco, restringendola o addirittura occupandola completamente The generation of the pressure fluctuation is in fact closely linked to the formation of a liquid plug, which periodically invades the gas passage section inside the pipe near the inlet, narrowing it or even occupying it completely.

In tali condizioni il tappo di liquido procede nel condotto ad una velocità comparabile a quella della fase gassosa ma la più elevata viscosità e densità (tipicamente tre ordini di grandezza) richiedono elevata dissipazione di energia che viene fornita dalla pressurizzazione dei gas all'interno del comparto di elettrolisi, si crea quindi un rapido transitorio di pressione definito “fluttuazione”. L’elevata velocità coinvolta dal transitorio impedisce la separazione delle fasi e lo scorrimento del tappo di liquido occupa tutto lo sviluppo del condotto di scarico. In these conditions the liquid plug proceeds in the duct at a speed comparable to that of the gas phase but the higher viscosity and density (typically three orders of magnitude) require high dissipation of energy which is provided by the pressurization of the gases inside the compartment. of electrolysis, a rapid pressure transient called “fluctuation” is created. The high speed involved in the transient prevents the separation of the phases and the sliding of the liquid plug occupies the entire development of the exhaust duct.

Tipica situazione per la generazione di tappi di liquido è la concorrenza delle due fasi convogliate verso una comune sezione di scarico, in particolare la presenza di moti ondosi della fase liquida porta a periodica copertura della quota di imbocco, impedendo il deflusso del gas. A typical situation for the generation of liquid plugs is the competition of the two phases conveyed towards a common discharge section, in particular the presence of wave motions of the liquid phase leads to periodic coverage of the inlet portion, preventing the outflow of gas.

La fluttuazione di pressione a sua volta causa una variazione della quota del liquido (moto ondoso) per cui il fenomeno si autoinnesca. The fluctuation in pressure in turn causes a variation in the altitude of the liquid (wave motion) so that the phenomenon is self-triggering.

La presenza di un ingresso preferenziale per ciascuna fase previene o limita sensibilmente la generazione dell'instabilità. The presence of a preferential input for each phase prevents or significantly limits the generation of instability.

ESEMPIO EXAMPLE

Prima di applicare l’invenzione sul campo, all’interno di un elettrolizzatore industriale, una serie di test sono stati eseguiti in laboratorio utilizzando un modello in scala 1:1 di un elemento industriale, realizzato in materiale trasparente per visualizzare completamente il fenomeno. Durante le prove, le portate di liquido (acqua) e di gas (aria) sono state modulate in modo da simulare perfettamente le condizioni reali di un elettrolizzatore operante a varie densità di corrente. Before applying the invention in the field, inside an industrial electrolyser, a series of tests were performed in the laboratory using a 1: 1 scale model of an industrial element, made of transparent material to fully visualize the phenomenon. During the tests, the flow rates of liquid (water) and gas (air) were modulated in order to perfectly simulate the real conditions of an electrolyser operating at various current densities.

Alcune prove sono state condotte a pressione atmosferica attraverso il dispositivo di WO 98 / 55670, utilizzando inizialmente un tubo verticale con imbocco a sezione unica, del diametro di 32 millimetri, con orientazione inclinata di 45 gradi rispetto ai piano orizzontale. È stata quindi misurata l’ampiezza delia fluttuazione di pressione nei comparto simulando ie condizioni di portata gas e portata liquido a diverse densità di corrente. In particolare, il valore di ampiezza della fluttuazione di pressione, risultava essere di 8 mbar a 3 kA/m<2 >e di 18 mbar a 6 kA/m<2>. Tali prove sono state successivamente ripetute in condizioni del tutto identiche, modificando però il condotto di scarico nella zona di imbocco, secondo l'invenzione. In particolare è stato adottato un imbocco con una forma a fischietto come illustrato nelle figure 1 e 2, munito di una sezione superiore inclinata a 45° rispetto al piano orizzontale, ed una sezione inferiore verticale a profilo romboidale, di altezza pari a 28 millimetri, separata dalla sezione inferiore da una regione di parete verticale alta 30 millimetri. Il dispositivo è stato orientato in modo da alimentare il flusso di miscela bifase in direzione ortogonale alla sezione inferiore verticale del condotto. Some tests were carried out at atmospheric pressure through the device of WO 98/55670, initially using a vertical pipe with a single-section inlet, with a diameter of 32 millimeters, with an inclined orientation of 45 degrees with respect to the horizontal plane. The amplitude of the pressure fluctuation in the compartment was then measured by simulating the gas flow and liquid flow conditions at different current densities. In particular, the amplitude value of the pressure fluctuation was found to be 8 mbar at 3 kA / m <2> and 18 mbar at 6 kA / m <2>. These tests were subsequently repeated under completely identical conditions, but modifying the exhaust duct in the inlet area, according to the invention. In particular, an inlet with a whistle shape has been adopted as illustrated in figures 1 and 2, equipped with an upper section inclined at 45 ° with respect to the horizontal plane, and a lower vertical section with a rhomboidal profile, with a height of 28 mm, separated from the lower section by a vertical wall region 30 millimeters high. The device was oriented so as to feed the two-phase mixture flow in a direction orthogonal to the lower vertical section of the duct.

Il valore di ampiezza della fluttuazione di pressione, risultava quindi essere di 3 mbar a 3 kA/m<2 >e di li mbar a 6 kA/m<2>. The amplitude value of the pressure fluctuation was therefore 3 mbar at 3 kA / m <2> and li mbar at 6 kA / m <2>.

Ruotando il condotto di uscita rispetto al proprio asse, in modo da alimentare la miscela bifase secondo diversi angoli di incidenza rispetto alla sezione inferiore del condotto, ovvero parallelamente rispetto a detta sezione, sono state riscontrate fluttuazioni di pressione leggermente più elevate rispetto ai valori indicati. By rotating the outlet duct with respect to its axis, so as to feed the two-phase mixture according to different angles of incidence with respect to the lower section of the duct, or parallel with respect to said section, slightly higher pressure fluctuations than the indicated values were found.

In un elettrolizzatore a membrana realizzato secondo la descrizione di WO 98 / 55670 è stata effettuata l’elettrolisi di salamoia sodica a 210 g/l, regolando la concentrazione della soda caustica prodotta attorno ad un valore medio del 32% in peso. Per l'operazione sono state utilizzate membrane cationiche commercializzate da DuPont de Nemours (U.S.A.) con la sigla N2010WX aventi spessore pari a circa 170 micrometri. Tra i due comparti è stato mantenuto un differenziale di pressione di 30 mbar, operando rispettivamente alla pressione relativa di 216 mbar nel comparto catodico e di 186 mbar nel comparto anodico. Lo scarico sia anodico che catodico è stato effettuato attraverso il dispositivo di WO 98 / 55670, utilizzando un tubo verticale con imbocco a sezione unica, del diametro di 32 millimetri, con orientazione inclinata di 30 gradi rispetto al piano orizzontale. È stata quindi misurata l’ampiezza della fluttuazione di pressione nei due comparti a diverse densità di corrente. In particolare, il valore di ampiezza della fluttuazione di pressione lato catodico, ove vengono scaricati l’idrogeno e la soda caustica da inviare alla produzione, risultava essere di 31 mbar a 3 kA/m<2 >e di 32 mbar a 5 kA/m<2>. In a membrane electrolyzer made according to the description of WO 98/55670, the electrolysis of sodium brine at 210 g / l was carried out, adjusting the concentration of the caustic soda produced around an average value of 32% by weight. For the operation, cationic membranes marketed by DuPont de Nemours (U.S.A.) with the initials N2010WX with a thickness of about 170 micrometers were used. A pressure differential of 30 mbar was maintained between the two compartments, operating respectively at the relative pressure of 216 mbar in the cathode compartment and 186 mbar in the anode compartment. The anodic and cathodic discharge was carried out through the device of WO 98/55670, using a vertical pipe with a single section inlet, with a diameter of 32 millimeters, with an inclined orientation of 30 degrees with respect to the horizontal plane. The amplitude of the pressure fluctuation in the two compartments at different current densities was then measured. In particular, the amplitude value of the pressure fluctuation on the cathode side, where the hydrogen and caustic soda to be sent to production are discharged, was 31 mbar at 3 kA / m <2> and 32 mbar at 5 kA / m <2>.

Queste caratterizzazioni sono state ripetute in condizioni del tutto identiche, modificando però il condotto di scarico nella zona di imbocco, secondo l’invenzione. In particolare è stato adottato un imbocco con una forma a fischietto come illustrato nelle figure 1 e 2, munito di una sezione superiore inclinata a 30° rispetto al piano orizzontale, ed una sezione inferiore verticale a profilo semiellittico, di altezza pari a 40 millimetri, separata dalla sezione inferiore da una regione di parete verticale alta 5 millimetri. Il dispositivo è stato orientato in modo da alimentare il flusso di miscela bifase in direzione ortogonale alla sezione inferiore verticale del condotto. These characterizations were repeated under completely identical conditions, but modifying the exhaust duct in the inlet area, according to the invention. In particular, an inlet with a whistle shape has been adopted as illustrated in figures 1 and 2, equipped with an upper section inclined at 30 ° with respect to the horizontal plane, and a lower vertical section with a semi-elliptical profile, with a height of 40 millimeters, separated from the lower section by a 5 mm high vertical wall region. The device was oriented so as to feed the two-phase mixture flow in a direction orthogonal to the lower vertical section of the duct.

Mantenendo un differenziale di pressione di 30 mbar in entrambi i comparti, è stata misurata, lato catodico, un’ampiezza di fluttuazione di pressione pari a 12 e 24 mbar, rispettivamente a 3 e a 5 kA/m<2>. Maintaining a pressure differential of 30 mbar in both compartments, a pressure fluctuation amplitude equal to 12 and 24 mbar, respectively at 3 and 5 kA / m <2>, was measured on the cathode side.

Claims

CLAIMS: 1. An exhaust system for a two-phase gas-liquid mixture from an electrochemical reactor comprising at least one vertical duct crossed by the two-phase mixture from top to bottom, called at least one vertical duct provided with an inlet area comprising at least an upper section and at least one lower passage section, said at least one upper passage section oriented in a predominantly horizontal direction and said at least one lower passage section oriented in generally vertical direction.

2. The exhaust system of claim 1, characterized in that said at least one upper passage section and said at least one lower passage section are separated by at least one wall region of said at least one vertical duct.

3. The exhaust system of claim 1 or 2, characterized in that said at least one upper passage section is inclined at an angle between 0 ° and 60 ° with respect to the horizontal plane so as to deflect the gaseous part of the two-phase mixture.

4. The exhaust system of the preceding claims, characterized in that said at least one lower passage section is orthogonal with respect to the flow of the two-phase mixture.

5. The exhaust system of claim 1 or 2, characterized in that said at least one lower passage section has a polygonal, semi-elliptical, parabolic or hyperbolic profile generated by the ideal interpenetration of a prism or cylindrical body or sphere in the surface of said at least a vertical duct.

6. The exhaust system of claim 1 or 2, characterized in that said at least one lower passage section has a profile composed of a series of closely spaced flat sections.

7. The exhaust system of claim 6, characterized in that said sections are rectangular.

8. An electrolytic cell comprising an anode compartment, a cathode compartment, and at least one discharge system of the preceding claims in at least one of said anode and cathode compartments.

The cell of claim 8, further comprising at least one ion exchange membrane.

The cell of claim 9, further comprising an apparatus for separating at least one gas from at least one liquid electrolyte comprising at least one channel in the upper part of the cell bounded by at least one deflector provided with openings for feeding said at least one duct vertical.

11. A method for discharging a two-phase gas-liquid mixture from an electrochemical reactor comprising the outflow of said two-phase mixture into said at least one vertical conduit of said discharge system of claims 1 to 7.

12. The method of claim 11 characterized in that the gas phase of said two-phase mixture is mainly fed through said upper section of passage of said inlet of said vertical duct, and that the liquid phase of said two-phase mixture is mainly fed through said section lower passage of said inlet of said vertical duct.

13. The method of claim 11 or 12 characterized in that said reactor is an electrolysis cell.

14. The method of claim 13 characterized in that said electrolysis cell comprises at least one ion exchange membrane.

15. An exhaust system for a two-phase mixture from an electrochemical reactor which contains the characteristic elements illustrated in the text and figures.