ITMI20012561A1 - Nuovo elettrolizzatore a membrana a scambio ionico - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DI INVENZIONE INDUSTRIALE

Il processo elettrochimico di gran lunga più importante dal punto di vista industriale è l’elettrolisi cloro - soda, di cui la versione più avanzata è condotta in elettrolizzatori a membrana a scambio ionico. Il processo prevede rispettivamente l’alimentazione di una soluzione concentrata di cloruro sodico nel comparto anodico dove si ha produzione di cloro sotto forma di bolle gassose con conseguente diluizione della soluzione e l’alimentazione di una soluzione di soda caustica diluita nel comparto catodico dove sì ha sviluppo di idrogeno anch’esso sotto forma di bolle gassose con contemporaneo aumento della concentrazione della soda caustica. I problemi che caratterizzano un simile elettrolizzatore, se non si prendono adeguate precauzioni, possono essere:

- fluttuazioni di pressione generate dallo scarico del fluido bifase soluzione-gas. Queste fluttuazioni sono relativamente modeste, ad esempio con ampiezza pari indicativamente a una colonna di 20-30 cm di acqua: esse non sono normalmente in grado di danneggiare la struttura meccanica dell’elettrolizzatore, solitamente costruito con materiali metallici, tuttavia possono indurre vibrazioni della membrana polimerica con sviluppo di difetti come abrasioni passanti, microfori, microfratture che costringono in tempi relativamente ristretti a interrompere l’esercizio per provvedere a riparazione o addirittura a sostituzione delle membrane - danni alla membrana nel caso si formino bolle di cloro gassoso stagnanti nella parte superiore del comparto anodico. La diffusione del cloro attraverso la membrana porta alla formazione di microcristalli di cloruro di sodio all’interno della membrana stessa con conseguente distruzione della struttura del polimero e rottura spesso macroscopica. Questa situazione di bolla stagnante e di rilevante cedimento della membrana è particolarmente pericolosa in quanto conduce facilmente al miscelamento del cloro con l’idrogeno presente sull’opposta faccia catodica della membrana specialmente sulla parte alta della stessa.

- danneggiamento della membrana per effetto della diluizione della soluzione di cloruro di sodio causata da una disomogenea circolazione interna: la minore concentrazione della soluzione determina una maggiore idratazione della membrana con relativa espansione e formazione di pieghe che in tempi brevi degenerano in fratture.

- L’aumento anomalo di concentrazione della soda caustica, ugualmente connesso a difetti di circolazione, ha un impatto negativo sulle performances della membrana il cui rendimento (capacità di prevenire il miscelamento fra soda caustica e soluzione di cloruro di sodio contenente cloro) diminuisce anche in modo irreversibile quando l’anomalia si prolunga nel tempo

La letteratura tecnica nota descrive vari disegni interni di elettrolizzatore diretti a risolvere i problemi sopra elencati. Una prima proposta è quella avanzata nel brevetto US 5,194,132, secondo il quale le celle elementari, da cui l’elettrolizzatore è costituito come noto agli esperti del campo, sono dotate di una fascia metallica installata lungo il bordo superiore degli elettrodi, nella zona quindi dove tendono a separarsi sacche di gas. In questo modo si evita il contatto diretto fra il gas stagnante e membrana eliminando così i problemi sopra accennati di diffusione del cloro e di conseguente infragilimento. Inoltre la zona delimitata dalla fascia e dalla corrispondente parete del comparto elettrodico funziona anche come volume di smiscelamento delle schiume: le fasi separate sono evacuate attraverso un tubo di scarico verticale fornito in corrispondenza della sua sezione di entrata di un sistema di troppo pieno alloggiato nel volume di smiscelamento sopra accennato e dotato di dentellature aventi lo scopo di mantenere una certa regolarità del flusso di liquido. Questo disegno risulta insoddisfacente anzitutto per la diminuzione dell’area attiva sede delle reazioni elettrochimiche causata dall'installazione della fascia metallica. In secondo luogo, proprio per non diminuire in modo eccessivo l’area attiva, la fascia metallica deve avere una larghezza modesta che, se protegge la membrana da sacche di gas, non è però in grado né di garantire lo smiscelamento completo delle schiume né di evitare la formazione di un regime di onde causate dalla stessa risalita delle bolle di gas: ne consegue che, nonostante il disegno dell’imbocco adottato per la sezione di entrata del tubo di scarico, il flusso di fase liquida evacuata risulta irregolare con conseguenti pulsazioni di pressione.

Il disegno descritto in US 5,194,132 può essere accoppiato al tipo di elettrodo descritto nella domanda di brevetto DE 19816334 A1. Questo elettrodo è costituito da una lamiera con perforazioni a forma di alette secondo il disegno noto come “tende veneziane”: l’asse longitudinale delle alette è inclinato di alcuni gradi rispetto alla direzione orizzontale e conseguentemente le bolle di gas formate dalla reazione elettrochimica acquistano un movimento di scorrimento lungo le alette stesse. Le bolle coalescono almeno in parte generando una popolazione di poche bolle di maggiori dimensioni che vengono rilasciate nell’elettrolita innescando una ricircolazione interna in grado di produrre una migliore omogeneizzazione delle concentrazioni. Come ulteriore vantaggio si ha una minore tendenza a formare schiume. Anche questa soluzione non è priva di inconvenienti essenzialmente legati al moto ondoso della superficie della fase liquida che non viene in pratica attenuato e che continua a innescare pulsazioni di pressione come precedentemente discusso; inoltre il ritrovato di DE 19816334 A1 comporta una severa rigidità di disegno, poiché è solo applicabile al tipo di elettrodo a “tende veneziane”, intrinsecamente costoso, e non è in alcun modo applicabile ad altri tipi di più facile produzione, come ad esempio reti espanse o lamiere perforate.

Il brevetto DE 4224492 C1 affronta i problemi della omogeneità delle concentrazioni interne interna e della formazione di sacche stagnanti di gas tramite l'installazione di un lastra verticale disposta fra elettrodi e pareti dei relativi comparti. Con questo dispositivo si innesca una efficace ricircolazione sostenuta dalla differenza di densità fra la fase mista costituita da elettrolita e gas che percorre con moto ascendente lo spazio delimitato da elettrodi e lastra e la fase degasata che discende nello spazio compreso fra lastra e parete del comparto. Questa ricircolazione favorisce il mantenimento di una buona omogeneità di concentrazioni durante il funzionamento e, grazie alla maggiore portata di liquido circolante, porta ad un minore rapporto gas/liquido nella fase mista con una minore tendenza alla formazione di schiume rispetto alla situazione dell’elettrolizzatore privo di piatto intermedio. Si ha così anche una migliore separazione del gas dalla fase liquida con una buona attenuazione delle pulsazioni di pressione. Tuttavia alle maggiori densità di corrente, che sono di ovvio interesse industriale visto che consentono di ridurre le dimensioni degli elettrolizzatoli e quindi il capitale investito, la maggiore quantità di gas determina nuovamente una difficoltà di separazione del gas con un trascinamento dello stesso nel liquido discendente. Questa nuova situazione aumenta ulteriormente il rapporto gas/liquido della fase ascendente e di conseguenza aumenta la quantità di gas trascinato dalla fase discendente. In poche parole al di sopra di certi limiti della densità di corrente la ricircolazione interna risulta pressoché bloccata con un pesante effetto negativo sulla distribuzione della concentrazione e sulla pulsazione di pressione.

Il brevetto US 6,214,181 propone un disegno interno molto raffinato in cui una canala è installata lungo tutto il bordo superiore dei comparti elettrodici: la canala delimita uno spazio posteriore fra sé e la parete del relativo comparto. La fase mista ascendente scavalca la canala penetrando nello spazio posteriore attraverso la sottile fessura longitudinale esistente fra lembo superiore della canala e bordo del comparto: la conseguente accelerazione favorisce la coalescenza delle bolle di gas. Nello spazio posteriore avviene la separazione gas - lìquido e le due fasi sono convogliate ad un tubo di scarico verticale la cui sezione terminale superiore è inserita nello spazio posteriore della canala. L’eccesso di liquido viene riciclato nella parte bassa del comparto attraverso alcuni condotti discendenti la cui estremità superiore è inserita nella canala, mentre quella inferiore è situata ad una opportuna distanza dal bordo inferiore del comparto. Il ritrovato, in particolare quando accoppiato a quello della domanda di brevetto italiana MI2000A 002442, che descrive una geometria particolare per l'imbocco del tubo di scarico, permette di eliminare quasi completamente sia le pulsazioni di pressione in un ampio campo dì densità di corrente sia la formazione di schiume alle alte densità di corrente. Tuttavia il ritrovato risulta poco soddisfacente per quanto riguarda i profili di concentrazione degli elettroliti, sia nella direzione longitudinale sia in quella verticale, e in modo piuttosto evidente alle densità di corrente basse e intermedie. Questo tipo di esercizio a densità di corrente basse e intermedie deve comunque essere preso in considerazione in quanto gli impianti elettrochimici frequentemente operano ad elevato regime solo durante le ore notturne per utilizzare l’alta disponibilità di energia elettrica a basso costo e, al contrario, a basso regime durante le ore diurne, quando la richiesta da parte di molti utilizzatori anche non industriali è elevata e le compagnie di distribuzione applicano tariffe onerose sul kWh. Il problema che caratterizza il ritrovato di US 6,214,181 alle basse - medie densità di corrente è generato dallo scavalcamento irregolare del lembo superiore della canata da parte della fase mista gas - liquido, cui consegue una portata di liquido nei canali discendenti ben lontana dall’essere uniforme. A sua volta l'irregolare scavalcamento del lembo superiore della canata è probabilmente legato a una insufficiente velocità ascensionale della fase mista gas - liquido dovuta alla relativamente piccola quantità di gas generato dalla reazione. La bassa velocità ascensionale permette inoltre la formazione di zone di schiume separate nelle parti con basso o nullo scavalcamento della canata con rischi per l'integrità della membrana. Questa ipotesi spiega bene il miglioramento netto delle prestazioni in fatto di omogeneità di profili di concentrazione e l’assenza di schiume quando l’esercizio viene condotto ad elevata densità di corrente, tipicamente maggiore di 4000 Ampère/m2.

Lo scopo dell’invenzione è, pertanto, quello di fornire un disegno interno di elettrolizzatore che permetta di realizzare contemporaneamente la soppressione delle pulsazioni di pressione, l'assenza di sacche stazionarie di gas o schiuma e in particolare una completa miscelazione degli elettroliti circolanti con profili di concentrazione longitudinali e verticali praticamente costanti, tutto questo in un ampio campo di densità di corrente, indicativamente compreso fra 1000 e 8000 Ampère/m2.

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE

Le caratteristiche distintive della presente invenzione sono schematizzate nelle figure da 1 a 7 dove:

- la figura 1 rappresenta una vista frontale dell'elemento di elettrolizzatore dell’invenzione in uno stadio intermedio della costruzione

- la figura 2 é una sezione laterale della figura 1 secondo la linea A - A’ - la figura 3 è una sezione laterale della figura 1 secondo la linea B - B’ - la figura 4 è un’ulteriore sezione laterale della figura 1 secondo la linea C-C’

- la figura 5 mostra la vista frontale dell’elemento della figura 1 nello stadio finale di costruzione

- la figura 6 è una sezione laterale della figura 5 secondo la linea D - D’ - la figura 7 è una ulteriore sezione laterale della figura 5 secondo la linea E-E’

Facendo riferimento alla figura 1, questa dà una immagine schematizzata della vista frontale di un elemento di elettrolizzatore secondo l’invenzione in una fase intermedia della costruzione. L’elemento è costituito da un vassoio piano (1) fornito di flangia periferica (2), al cui interno sono fissate strisce verticali e parallele (3) di lamiera opportunamente profilate in entrambe le parti superiore e inferiore come mostrato in figura 2 ed opzionalmente perforate. Preferibilmente le strisce sono equidistanti e saldate alla parete del vassoio, con uno dei vari procedimenti noti nella tecnica, quali la saldatura a resistenza elettrica, la saldatura ad arco elettrico e la saldatura laser. Quest’ultimo procedimento è oggi preferito in quanto permette di produrre elementi di alta qualità con tempi di lavorazione sostanzialmente ristretti. Sulle strisce sono a loro volta fissati gli elettrodi (4), rappresentati in figura solo parzialmente, costituiti da lamiere perforate, reti espanse, reti di filo intrecciato, dotate frequentemente di un film con proprietà elettrocatalitiche per la reazione desiderata.

Nel caso specifico dell’elettrolisi cloro-soda i materiali di costruzione per il vassoio, le strisce e gli elettrodi sono nichel per la parte degli elementi destinata a funzionare come catodo (elettrolita costituito da soluzioni di soda caustica in presenza di idrogeno) e titanio e sue leghe per quella destinata a funzionare come anodo (elettrolita costituito da soluzioni di cloruro di sodio con presenza di cloro).

Sempre con riferimento alla figura 1, (5) indica il tubo di alimentazione dell’elettrolita che viene distribuito nel comparto attraverso i fori (6) con il diametro calcolato in modo da realizzare una uguale portata in ciascun foro: il tubo è alloggiato nella zona del vassoio delimitata dalla parte profilata inferiore delle strisce (3) con orientamento sostanzialmente parallelo alla flangia prospiciente, verso la quale i fori (6) di tale distributore sono orientati secondo la particolare realizzazione mostrata, (7) è una canala avente lunghezza uguale a quella del vassoio e larghezza definita da un bordo superiore e da un bordo inferiore e installata in corrispondenza della parte profilata superiore delle strisce (3) con orientamento sostanzialmente parallelo a quello della prospiciente flangia. Secondo una realizzazione alternativa, i fori (6) del distributore possono essere vantaggiosamente orientati verso l'alto. La canala (7) può essere costituita ad esempio da una lamiera che è posizionata obliquamente con il bordo inferiore in contatto con la parete del vassoio e che forma una feritoia (8) delimitata dal bordo superiore della canala stessa e la citata flangia. La larghezza della feritoia (8) è calcolata in modo da produrre una opportuna accelerazione del fluido bifasico e con ciò una efficace coalescenza delle bolle di gas: a questo scopo la larghezza è limitata a un massimo dì 10 millimetri e preferibilmente a un massimo di 5 millimetri. (9) è il tubo verticale di scarico la cui estremità superiore di imbocco è inserita nel volume longitudinale delimitato dalla canala (7) e dalla parete del vassoio (1): il tubo di scarico è preferibilmente localizzato lungo uno dei due lati verticali del vassoio e per minimizzare le fluttuazioni di pressione ha la sua estremità superiore disegnata in modo da comprendere due sezioni di entrata per il miglior scarico dell’elettrolita e del gas prodotto. Infine con (10) sono identificati i condotti discendenti sostanzialmente verticali, preferibilmente equidistanti e connessi nella loro estremità superiore alla canala (7) e con l’estremità inferiore aperta e distanziata dal tubo di alimentazione dell’elettrolita. Preferibilmente almeno parte dei fori (6) del tubo di alimentazione (5) è localizzata in corrispondenza delle estremità inferiori aperte dei condotti discendenti. Quando l’elemento della figura 1 è posto in esercizio, la circolazione dei fluidi è rappresentata dalle frecce (11) che indicano la miscela bifase elettrolita - gas nell’atto di scavalcare la canata (7) attraverso la feritoia (8), da (12) e (13) che mostrano rispettivamente l’elettrolita degasato e il gas separato, entrambi contenuti nello spazio delimitato dalla canala (7) e dalla parete del vassoio (1), dove tali elettrolita degasato e gas separato vengono scaricati attraverso il tubo (9), mentre l’eccesso di elettrolita è riciclato attraverso i condotti discendenti (10) e viene distribuito nel comparto come schematizzato dalle frecce (14). Come si nota l’elettrolita riciclato, uscente dalle estremità inferiori aperte dei condotti discendenti viene immesso in corrispondenza di almeno parte dei fori (6) del tubo distributore (5) in modo da favorire il massimo miscelamento con l’elettrolita alimentato dall’esterno.

Nella figura 2 è riprodotta una sezione laterale dell’elemento di figura 1 secondo la linea A - A’ in cui le parti già presenti nella figura 1 sono identificate con gli stessi numeri: si nota la posizione inclinata della canala (7) che insieme alla parete del vassoio (1) definisce lo spazio (15) destinato a raccogliere, come sopra detto, l’elettrolita degasato e il gas separato. Si nota inoltre che la le strisce (3) sono profilate ai due estremi in modo da non interferire con la canala (7) e il tubo distributore (5) che si estendono longitudinalmente attraverso tutta la lunghezza dell'elemento.

Nella figura (3) è analogamente schematizzata la sezione laterale dell’elemento di figura 1 secondo la linea B - B’ in cui i numeri di identificazione sono gli stessi già utilizzati nelle figure 1 e 2: (16) indica la sezione di entrata dell’elettrolita in eccesso destinato al riciclo nel comparto attraverso il condotto (10) e la sua estremità inferiore (17). Si nota che la superficie del condotto (10) è situata all’incìrca nella mezzeria della distanza fra parete del vassoio (1) ed elettrodo (4) in modo da lasciare disponibile un volume sufficiente al passaggio dell'elettrolita che va arricchendosi del gas prodotto all’elettrodo (4) nel suo moto ascensionale identificato dalle frecce (14). Il moto discendente dell’elettrolita degasato è indicato dalle frecce (18). La posizione della superficie dei condotti (10) sulla mezzeria rappresenta uno dei possibili disegni: anche altre soluzioni risultano soddisfacenti, con ad esempio tale superficie situata a 1/5 della distanza fra parete del vassoio (1) e l’elettrodo (4) dalla parete stessa.

La figura 4, infine, mostra la sezione laterale della figura 1 secondo la linea C - C’ con la posizione reciproca del tubo verticale di scarico (9) e della canala (7): l’estremità terminale superiore del tubo (9) è alloggiata nel volume (15) precedentemente discusso e funziona in pratica come un sistema di troppo pieno che definisce il livello medio dell’elettrolita raccolto nello spazio (15) dopo scavalcamento della canala (7) attraverso la feritoia (8) e smiscelamento del gas e del liquido. L’estremità superiore del tubo (9) può vantaggiosamente avere la geometria con doppia sezione di entrata proposta in MI2000A 002442.

La figura 5 è una vista frontale dell’elemento di elettrolizzatore secondo l’invenzione nello stato di prodotto finito: rispetto allo stadio intermedio di costruzione schematizzato nella figura 1 l’elemento completo presenta come componente interno addizionale un piatto intermedio di ricircolazione, che ha lunghezza longitudinale uguale a quella del vassoio (1) ed è costituito come esempio non limitativo da un insieme di lastre identificate con (19), che possono avere opzionalmente forma ad U. Queste lastre sono inserite fra ogni coppia di strisce (3) adiacenti e possono essere fissate in vario modo, ad esempio per saldatura nel caso di lastre metalliche. Il materiale delle lastre (19) può essere metallico ma anche non metallico, purché chimicamente resistente all’elettrolita circolante. L’altezza del piatto intermedio (19) è minore dell’altezza del vassoio, e in particolare il suo lembo superiore è localizzato allo stesso livello del bordo inferiore della canata (7) o al di sotto di tale livello; meglio ancora detto lembo è localizzato al di sotto di detto livello per almeno uno spazio uguale alla larghezza della canala. Il lembo inferiore del piatto intermedio è localizzato allo stesso livello delle estremità inferiori aperte dei condotti discendenti (10) o al di sopra di tale livello; preferibilmente detto lembo inferiore è localizzato al di sopra di tale livello per uno spazio almeno uguale alla distanza esistente fra le estremità inferiori aperte dei condotti discendenti e la prospiciente flangia. Gli altri componenti dell’elemento sono quelli già discussi a proposito della figura 1 e sono pertanto identificati con gli stessi numeri. Le frecce (20) e (21) indicano il movimento di ricircolazione che viene sostenuto dalla differenza di densità che si stabilisce fra elettrolita ascendente arricchito in gas nel volume delimitato da lastre (19) ed elettrodi (4), ed elettrolita povero in gas discendente nel volume definito dalle lastre (19) e dalia parete del vassoio (1). Questo tipo di rìcircolazìone è meglio visibile nella figura 6, dove si nota anche che il piatto intermedio, nel caso specifico l’arrangiamento di lastre (19), è inserito sulla mezzeria dell’elemento, cioè circa a metà della distanza fra elettrodo e parete del comparto. Questa localizzazione è scelta per l’esempio anche se localizzazioni differenti, ad esempio a 1/5 della distanza fra elettrodo e parete del comparto sono ugualmente soddisfacenti.

La figura 7 rappresenta la situazione particolare che caratterizza la porzione di elemento in corrispondenza del tubo di scarico (Θ).

La ricircolazione indotta dalle lastre (19) si sovrappone a quella sostenuta dai condotti discendenti (10) discussa precedentemente con il risultato assai favorevole, esemplificato nell’Esempio dimostrativo riportato più oltre, di realizzare un funzionamento con un regime di modeste pulsazioni della pressione interna, di assenza di sacche stazionarie di gas o schiume e di omogeneità di concentrazione degli elettroliti circolanti in tutto il campo delle densità di corrente che possono essere utilizzate nelle varie situazioni di esercizio degli eiettrolizzatori industriali e in particolare degli elettrolizzatori alogeno - alcali e ancor più in particolare degli elettrolizzatori cloro - soda. Senza voler vincolare in alcun modo il significato e l’estensione della presente invenzione ad una particolare teoria, si può presumere che il favorevole risultato ottenuto sia spiegato da una forma di cooperazione del doppio sistema di ricircolazione di cui sono dotati gli elementi di elettrolizzatore sopra descritti. E’ possibile infatti che nei regimi di basse -medie densità di corrente, dove il disegno basato su canata e condotti discendenti secondo la tecnica nota risulta insoddisfacente per le irregolarità di scavalcamento della canala stessa dovute probabilmente ad una scarsa velocità ascensionale, il surplus di circolazione causato dal piatto intermedio fornisca il livello di energia cinetica necessario per il regolare funzionamento. Nei regimi di alte densità di corrente, dove invece è proprio il sistema basato sul solo piatto intermedio ad entrare in crisi a causa del trascinamento crescente di gas nell’elettrolita discendente che diminuisce la forza motrice della ricircolazione legata alla differenza di densità fra fasi ascendenti e discendenti, l’azione di estrazione di gas effettuata dalla canata riduce il rapporto gas - liquido nella porzione di volume che alimenta il piatto intermedio. In tal modo si impedisce che sostanziali quantità di gas siano aspirate nella fase liquida discendente. Da queste situazioni idrodinamiche complessivamente deriva una energica azione di stabilizzazione della ricircolazione, un risultato che nessuno dei disegni, anche complessi, noti nella tecnica, riesce ad assicurare se non in intervalli alquanto ristretti di densità di corrente poco utili per una efficace ed elastica gestione di elettrolizzatori industriali.

ESEMPIO

Il comportamento del nuovo disegno interno di elemento di elettrolizzatore, comparato a quello dei disegni di ricircolazione basati su solo uso del piatto intermedio e su solo accoppiamento canala - condotti discendenti assunti come rappresentativi della tecnica nota, è stato verificato su un simulatore alimentato con acqua demineralizzata addizionata di tensioattivo per riprodurre al meglio la tendenza schiumogena degli elettroliti industriali, in particolare quello della soluzione di cloruro sodico contenente bolle di cloro tipico del comparto anodico degli elettrolizzatori cloro - soda. Il simulatore è stato costruito utilizzando elementi industriali con altezza dell'area attiva di 140 cm e lunghezza di 260 cm in cui il metallo della canala longitudinale, dei condotti discendenti in numero di cinque, dell’elettrodo (rispettivamente indicati come (7), (10) e (4) in figura 1) nonché del piatto intermedio (indicato come (19) in figura 5), è stato sostituito con materiale plastico trasparente, in modo da poter osservare visivamente e/o con l'ausilio di liquidi colorati e di videocamera la natura dei moti interni di ricircolazione.

Ogni elemento, opportunamente sigillato in periferia con guarnizioni di tenuta, è stato alimentato con acqua demineralizzata contenente tensioattivo a temperatura ambiente attraverso il tubo distributore forato (indicato come (5) in figura 1) utilizzando un circuito chiuso comprendente una pompa, un serbatoio di degasaggio, un serbatoio di accumulo e strumentazione di regolazione della portata. Come gas si è utilizzata aria iniettata in ogni elemento tramite una molteplicità dì ugelli, regolabili singolarmente e fìssati a costituire una maglia sulla lastra di materiale trasparente utilizzato come sostituto dell’elettrodo. La disposizione a maglia e la possibilità di regolare singolarmente gli ugelli, nonché la nebulizzazione fine dell’aria, ha consentito di simulare in modo giudicato sufficientemente fedele la generazione del gas durante l’esercizio reale dell’elettrolizzatore, generazione che è omogeneamente ripartita sulla superficie degli elettrodi.

I dati caratterizzanti dell’elemento che incorporava il disegno interno della presente invenzione (identificato nel seguito come elemento A) comprendente la canata longitudinale (larghezza della feritoia fra lembo superiore della canala e bordo perimetrale della flangia per il passaggio della miscela liquido - gas: 3 millimetri), il tubo di scarico verticale (diametro 32 millimetri) con l’estremità superiore inserita all'interno dello spazio definito dalla canala stessa e dalla parete del vassoio e foggiata secondo quanto descritto in MI2000A 002442, i condotti discendenti e il piatto intermedio sono stati confrontati con quelli ottenuti da analoghi elementi rappresentativi della tecnica nota, e in particolare da un primo elemento (identificato nel seguito come elemento B) che incorporava la stessa canala longitudinale, lo stesso tubo di scarico e gli stessi condotti discendenti, ma non il piatto intermedio e da un secondo elemento (elencato nel seguito come elemento C) che comprendeva lo stesso tubo di scarico e lo stesso piatto intermedio, ma non la canala longitudinale né i condotti discendenti.

Dalla sperimentazione sono stati raccolti i dati che maggiormente caratterizzano e differenziano il funzionamento degli elementi: questi dati sono l’aspetto visivo del regime idraulico della miscela liquido - gas nella zona superiore dell’elemento lungo il bordo della flangia, la fluttuazione di pressione connessa alla maggiore o minore regolarità dell’uscita attraverso il tubo verticale di scarico, la portata di liquido nei condotti discendenti, la velocità ascensionale del liquido nello spazio adiacente all’elettrodo, l’efficienza di miscelamento fra liquido alimentato e liquido ricircolante e il relativo tempo richiesto per raggiungere una situazione di stazionarietà. Sono state considerate tre situazioni di funzionamento corrispondenti a tre densità di corrente, e specificatamente 2000, 4000 e 6000 Ampère/m<2>: la simulazione è stata condotta utilizzando per i tre casi rispettivamente 150, 300 e 450 litri/ora di portata di liquido di alimentazione distribuita attraverso il tubo forato alloggiato nella parte inferiore di ogni elemento (indicato come (5) in figure 1 e 5) e 3, 6.5 e 10 m<3>/ora di portata di aria iniettata attraverso la maglia di ugelli.

L’elemento A secondo la presente invenzione ha mostrato quanto segue: - regime idraulico nella zona superiore: assenza di onde, scavalcamento regolare della canala, leggero aumento della popolazione di bolle senza alcuna separazione di gas sotto forma di sacche stazionarie

- fluttuazione di pressione: da 10 millibar a 25 millibar nelle condizioni di funzionamento corrispondenti rispettivamente a 2000 e 6000 Ampère/m<2 >- portata di liquido nei condotti discendenti (determinata osservando il tempo di transito di un fronte ottico ottenuto con iniezione di colorante nella canala): 100, 300, 600 litri/ora nelle tre condizioni di 2000, 4000 e 6000 Ampère/m<2>, con differenze non significative fra i cinque condotti - velocità ascensionale del liquido nello spazio adiacente all’elettrodo, misurata osservando la rapidità di propagazione di un colorante iniettato nella parte bassa dell’elemento: 2, 2.5 e 2.5 centimetri/secondo nelle tre situazioni di densità di corrente

- efficienza di miscelamento e tempo necessario per stabilire una situazione stazionaria (iniettando colorante nel tubo forato di alimentazione, (5) in figure 1 e 5): distribuzione omogenea con raggiungimento delle condizioni di uguale colorazione su tutta l’area dell’elemento in circa 3 minuti

L’elemento B è risultato caratterizzato dal seguente comportamento:

- regime idraulico nella zona superiore: assenza non totale di onde, scavalcamento irregolare della canala con presenza di alcune zone a basso livello prevalentemente nell'angolo opposto alla posizione del tubo verticale di scarico (canala parzialmente emergente dal pelo del liquido) corrispondenti alla formazione di sacche di schiume o anche gas separato sia nelle condizioni di bassa densità di corrente (2000 Ampère/m<2>) che media (4000Ampère/m<2>); comportamento analogo a quello del disegno di tipo A alle alte densità di corrente (Ampère/m<2>) - fluttuazione di pressione: leggermente più alte di quelle rilevate col disegno di tipo A

- portata di liquido nei condotti discendenti: sostanzialmente uguale a quella del disegno di tipo A

- velocità ascensionale del liquido: 0.1, 1.0 e 2.0 centimetri/secondo rispettivamente alle densità di corrente di 2000, 4000 e 6000 Ampère/m<2 >- efficienza di miscelamento e tempo necessario per stabilire una situazione stazionaria: comportamento analogo a quello dell’elemento del tipo A solo alle alte densità di corrente (6000 Ampère/m<2>); lenta e irregolare distribuzione del colorante con tempi necessari per il raggiungimento di una omogenea colorazione di tutta l’area dell’elemento superiori a 15 minuti alle basse densità di corrente (2000 Ampère/m<2>) L’elemento con disegno interno di tipo C ha fornito le seguenti indicazioni: - regime idraulico nella zona superiore: evidenti onde con irregolarità nell'evacuazione del liquido e del gas attraverso il tubo verticale di scarico in tutto il campo esplorato delle densità di corrente; formazione di zone a prevalente contenuto di gas nell'angolo opposto a quello in cui è posizionato il tubo verticale di scarico con trascinamento di quantità sostanziali di gas nel liquido discendente nelle condizioni di funzionamento corrispondenti alle alte densità di corrente (6000 Ampère/m<2>)

- fluttuazione di pressione: da 15 a 70 mbar con il passaggio delle condizioni di sperimentazione dalla simulazione a 2000 Ampère/m<2 >a quella a 6000 Ampère/m<2>

- velocità ascensionale del liquido: 2, 1.5 e 0.5 centimetri/secondo rispettivamente nelle simulazioni corrispondenti a 2000, 4000 e 6000 Ampère/m<2 >

- efficienza di miscelamento e tempo necessario per realizzare la situazione di stazionarietà: distribuzione sufficientemente uniforme e omogeneizzazione della colorazione su tutta l’area dell’elemento entro circa 3 minuti nelle simulazioni corrispondenti a 2000 e 4000 Ampère/m<2>; distribuzione irregolare con zone a bassa velocità di colorazione e con tempi di realizzazione della colorazione omogenea su tutta l’area dell'elemento superiori a 10 minuti nella simulazione a 6000 Ampère/m<2 >Sulla base dei risultati della sperimentazione si può concludere che il disegno interno di elemento per elettrolizzatore secondo la presente invenzione riesce a realizzare le condizioni essenziali per un regolare funzionamento in un ampio campo di densità di corrente come è richiesto nelle applicazioni industriali: queste condizioni sono rappresentate da assenza di sacche di gas o schiume che rendono rapidamente fragili le membrane, basse pulsazioni di pressione necessarie per prevenire vibrazioni delle membrane e il relativo danneggiamento per abrasione, e omogenea distribuzione degli elettroliti con rapidità di recupero deH’uniformità dei profili di concentrazione in caso di anomalie. Queste caratteristiche vantaggiose sono realizzate anche con elementi di elettrolizzatore basati su disegni della tecnica nota, ma solo in regimi piuttosto ristretti delle densità di corrente: questa situazione rende di fatto i disegni della tecnica nota non utilizzabili nelle condizioni che caratterizzano i moderni impianti elettrochimici, nei quali è richiesta una pratica indipendenza delle prestazioni delle apparecchiature dalle condizioni di esercìzio anche se estremamente variabili.

Claims (21)

1. RIVENDICAZIONI 1. Elemento per elettrolizzatore comprendente un vassoio piano fornito di flangia periferica, un tubo verticale di scarico, strisce verticali parallele fissate alla parete del vassoio e provviste di parti terminali profilate superiori e inferiori, un tubo dotato di fori per la distribuzione di un elettrolita di alimentazione e alloggiato nella zona dell’elemento delimitata dalla parte profilata inferiore delle strisce verticali e in posizione sostanzialmente parallela alla flangia periferica, caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente una canala longitudinale, la cui larghezza è delimitata da un bordo superiore e da un bordo inferiore, fissata alla parete del vassoio e posizionata in corrispondenza della parte profilata superiore delle strisce verticali con disposizione sostanzialmente parallela a detta flangia, un volume longitudinale definito da detta canala e dalla parete del vassoio, condotti discendenti aventi l’estremità superiore connessa a detta canala e l'estremità inferiore aperta e distanziata dal tubo dotato di fori, e un piatto intermedio avente lunghezza longitudinale uguale a quella dell’elemento, altezza inferiore a quella dell’elemento, con il lembo superiore posizionato allo stesso livello del bordo inferiore di detta canala longitudinale o al di sotto di detto livello, e con il lembo inferiore posizionato allo stesso livello dell'estremità inferiore aperta di detti condotti discendenti o al di sopra di tale livello.
2. 2. L’elemento della rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che sulle strisce verticali parallele è fissato un elettrodo opzionalmente dotato di film elettrocatalitico scelto dal gruppo che comprende le lamiere perforate, le lamiere espanse, le reti di fili.
3. 3. L’elemento delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detta canata è delimitata da una lamiera in posizione obliqua rispetto alla direzione verticale con il bordo inferiore in contatto con la parete del vassoio e formante una feritoia longitudinale delimitata dal suo bordo superiore e dalla flangia periferica.
4. 4. L’elemento della rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che detta feritoia ha larghezza uguale o inferiore a 10 millimetri.
5. 5. L’elemento della rivendicazione 4 caratterizzato dal fatto che detta larghezza è uguale o inferiore a 5 millimetri.
6. 6. L’elemento delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che l’estremità superiore del tubo verticale di scarico è inserita in detto volume definito da detta canata e dalla parete del vassoio.
7. 7. L’elemento della rivendicazione 6 caratterizzato dal fatto che detta estremità superiore è dotata di una doppia sezione di entrata.
8. 8. L’elemento delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che il tubo verticale dì scarico è posizionato lungo uno dei due lati verticali del vassoio.
9. 9. L’elemento delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto lembo superiore di detto piatto intermedio è distanziato da detto bordo inferiore di detta canala per uno spazio almeno uguale all’altezza di detta canala.
10. 10. L’elemento delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto lembo inferiore di detto piatto intermedio è distanziato da detta estremità inferiore di detti condotti discendenti per almeno uno spazio uguale alla distanza esistente fra detta estremità inferiore e la flangia periferica.
11. 1 1. L’elemento delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto piatto intermedio è costituito da lastre inserite fra coppie di strisce verticali parallele.
12. 12. L’elemento della rivendicazione 11 caratterizzato dal fatto che dette lastre sono piegate a U
13. 13. L’elemento delle rivendicazioni 11 e 12 caratterizzato dal fatto che dette lastre sono metalliche e sono fissate per saldatura.
14. 14. L’elemento delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detti condotti discendenti sono equidistanti e sono alloggiati in posizione verticale.
15. 15. L’elemento delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che le strisce verticali provviste di estremità profilate sono equidistanti.
16. 16. L’elemento delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che almeno parte dei fori del tubo per la distribuzione di un elettrolita di alimentazione sono localizzati in corrispondenza di dette estremità inferiori aperte dì detti condotti discendenti.
17. 17. L’elemento della rivendicazione 16 caratterizzato dal fatto che detti fori sono orientati verso la flangia.
18. 18. Un elettrolizzatore per l’elettrolisi cloro-soda caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un elemento delle rivendicazioni da 1 a 17.
19. 19. Un processo per la produzione di cloro e soda caustica caratterizzato dal fatto di impartire una corrente continua all’elettrolizzatore della rivendicazione 18 alimentato con una soluzione di cloruro sodico.
20. 20. Il processo della rivendicazione 19 caratterizzato dal fatto che detta corrente è compresa tra 1000 e 8000 Ampère/m<2>.
21. 21. Un elemento per elettrolizzatore comprendente le caratteristiche distintive della descrizione e delle figure.