ITMI20082035A1 - Cella elementare e relativo elettrolizzatore modulare per processi elettrolitici - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

I processi elettrolitici industriali, ad esempio l’elettrolisi dell’acqua effettuata per produrre idrogeno e ossigeno e l’elettrolisi di salamoie alcaline, in particolare di salamoia di cloruro sodico diretta alla produzione di cloro, soda caustica e idrogeno, vengono comunemente condotti in elettrolizzatori del tipo schematizzato in Fig. 1 in cui i numeri identificativi indicano: 1 l’elettrolizzatore, 2 le celle elementari il cui arrangiamento modulare costituisce l’elettrolizzatore, 3 e 4 rispettivamente le connessioni alle polarità positiva e negativa di un raddrizzatore esterno, 5 i supporti della molteplicità di celle elementari che possono essere situati nella parte sottostante l’elettrolizzatore o possono alternativamente avere la forma di mensole posizionate in coppia lungo i fianchi dell’elettrolizzatore, 6 e 7 la compressione dovuta a tiranti o martinetti idraulici (non rappresentati in figura) che permette di assicurare la tenuta verso l’esterno dei fluidi di processo con il concorso di guarnizioni perimetrali (non rappresentate in figura) e in certi tipi di elettrolizzatore di migliorare la continuità elettrica fra le varie celle. L’elettrolizzatore à ̈ inoltre dotato degli adatti bocchelli e connessioni idrauliche che consentono di alimentare le soluzioni da elettrolizzare e di estrarre i prodotti e le soluzioni esauste residue (anch’essi omessi per una migliore leggibilità della figura).

La Fig. 2 rappresenta una sezione della porzione terminale dell’elettrolizzatore lato polo negativo del raddrizzatore secondo la vista dall’alto indicata dalla freccia 8, in cui l’elettrolizzatore risulta formato da un elemento terminale e da una molteplicità di singoli elementi bipolari in accordo con un disegno frequentemente applicato nella pratica industriale. I numeri identificativi indicano: 9 l’elemento catodico terminale comprendente una parete 10 e il catodo 11 supportato dalle strisce catodiche verticali 12 e costituito da una lamiera perforata o rete, 13 ogni singolo elemento bipolare comprendente la parete 10, il catodo 11 e l’anodo 14 supportati rispettivamente dalle strisce verticali catodiche e anodiche 12 e 15 e costituiti da lamiere perforate o reti. Inoltre 16 e 17 indicano le guarnizioni perimetrali che, sotto l’effetto della compressione generata da tiranti o martinetti esterni, serrano il separatore 18 (ad esempio un diaframma poroso o una membrana a scambio ionico) e assicurano la tenuta idraulica verso l’esterno degli elettroliti e dei prodotti di elettrolisi che sono contenuti nei comparti dei catodi e degli anodi. Nella schematizzazione di Fig. 2 i vari componenti interni sono indicati come separati per una migliore comprensione: nella pratica i separatori 18 si trovano in contatto con gli anodi 14 da cui sono supportati mentre i catodi 11 sono distanziati da un interspazio ad esempio di 1 - 2 mm. In considerazione delle dimensioni degli elementi bipolari 13 che possono avere altezze di 1 - 1.5 metri e lunghezze di 2 - 3 metri à ̈ evidente che l’ottenimento della necessaria planarità e dell’altrettanto necessario parallelismo dei catodi e degli anodi costituisce una notevole difficoltà di costruzione. Inoltre l’assemblaggio dell’elettrolizzatore 1 richiede particolare attenzione da parte del personale operativo che deve effettuare una sequenza di operazioni comprendenti la ripetizione ciclica del posizionamento verticale sui supporti di un elemento bipolare fornito sulle due facce delle necessarie guarnizioni perimetrali fissate con adesivo e con la superficie anodica rivolta verso gli operatori seguito dall’applicazione del separatore sulla superficie anodica e sulle guarnizioni: tra le difficoltà di questa sequenza di assemblaggio spiccano la tendenza del separatore a slittare verso il basso, complicandone l’esatto posizionamento, e la necessità di mantenere l’allineamento fra i vari elementi bipolari. La molteplicità di elementi bipolari posizionata sui supporti viene infine compressa da tiranti o martinetti idraulici esterni in modo da assicurare la necessaria tenuta idraulica verso l’ambiente esterno: in questa fase un leggero disallineamento dei vari elementi bipolari o uno slittamento anche minimo dei separatori può portare a danneggiamento di questi ultimi vanificandone il regolare funzionamento: anche quando questo problema non si presenta, le possibili deviazioni dalle tolleranze di costruzione per quanto riguarda il parallelismo fra catodi e anodi e il relativo interspazio genera disomogeneità di distribuzione della corrente elettrica che influiscono negativamente sulla qualità della elettrolisi e sulla vita dei separatori, in particolare quando questi sono costituiti da membrane a scambio ionico. Inoltre in caso di malfunzionamento di un elemento bipolare e/o di un separatore l’intervento di sostituzione comporta il rilascio della compressione esercitata dai tiranti o martinetti idraulici esterni con la conseguente possibilità di slittamento reciproco anche se parziale degli elementi bipolari e dei separatori: questa situazione può condurre ad altri danneggiamenti nel corso della successiva ripressurizzazione dei tiranti o dei martinetti idraulici.

La schematizzazione di Fig. 3 rappresenta una sezione della porzione terminale di un differente tipo di elettrolizzatore lato collegamento al polo negativo del raddrizzatore secondo la vista dall’alto indicata dalla freccia 8: in questo caso l’elettrolizzatore risulta formato da una molteplicità di singole celle 19. Ogni singola cella 19 comprende due gusci, catodico 20 e anodico 21, serrati fra di loro tramite una serie di bulloni 22 fissati lungo il perimetro esterno: sotto la compressione generata dai bulloni le guarnizioni, catodica 23 e anodica 24, serrano fra di loro il separatore 25 e assicurano la tenuta verso l’ambiente esterno. I due gusci 20 e 21 sono dotati di strisce catodiche e anodiche interne verticali, rispettivamente 26 e 27, su cui sono fissate le lamiere perforate o reti rispettivamente del catodo 28 e dell’anodo 29 ed infine strisce verticali di conta tto 30 destinate ad assicurare la continuità elettrica fra le varie celle singole dell’elettrolizzatore e posizionate sulla superficie esterna dei gusci anodici 21 in corrispondenza delle strisce catodiche e anodiche interne. Come nel caso di Fig.2, anche in quello di Fig. 3 i catodi, gli anodi e i separatori sono rappresentati come entità separate per facilitare la comprensione della struttura interna di cella: nella pratica i separatori sono in contatto con gli anodi da cui sono supportati mente i catodi si trovano ad una distanza predefinita. Ogni singola cella comprende inoltre una serie di distanziatori 31 e 32 allineati con le strisce di contatto 30 e costruiti in materiale elettricamente isolante, preferibilmente politetrafluoroetilene in ragione della sua inerzia chimica. La funzione dei distanziatori 31 e 32 à ̈ di estrema importanza e caratterizza in modo specifico il disegno della cella singola: sotto l’effetto della compressione dei tiranti o dei martinetti esterni i distanziatori, il cui spessore à ̈ attentamente calibrato (ad esempio lo spessore à ̈ fissato in 1 - 2 mm con una tolleranza meccanica inferiore a 0.1 mm), serrano fra di loro i separatori senza danneggiarli, permettono di regolare lo schiacciamento delle guarnizioni perimetrali e causano una sia pur marginale deflessione della struttura in modo da assicurare un ottimo parallelismo con un interspazio praticamente costante e predefinito anche in presenza di deviazioni consistenti dalle tolleranze di costruzione. Inoltre i distanziatori permettono di concentrare il carico meccanico dei tiranti o martinetti idraulici esterni sulle strisce esterne di contatto generando una pressione sufficiente a garantire una minima resistenza elettrica. Naturalmente le porzioni di superficie degli anodi su cui si esercita la pressione dei distanziatori sono opportunamente spianate per evitare di danneggiare i separatori.

Il vantaggio del disegno sopra illustrato à ̈ dato essenzialmente dalla possibilità di assemblare singolarmente ogni cella in posizione orizzontale nella sezione dell’impianto destinata ai montaggi: la posizione orizzontale facilita grandemente il posizionamento reciproco dei gusci, delle guarnizioni, dei distanziatori e soprattutto dei separatori. Una volta concluse le operazioni di assemblaggio con la chiusura della bullonatura perimetrale la singola cella viene posizionata sui supporti e una volta posizionata l’intera molteplicità di singole celle l’insieme viene compresso dall’azione di tiranti o martinetti idraulici esterni realizzando la continuità elettrica fra le varie celle e il parallelismo a distanza predefinita fra catodi ed anodi. In conclusione il disegno di singola cella consente di evitare ogni danneggiamento dei separatori e di realizzare, grazie al parallelismo a distanza predefinita fra catodi ed anodi, quella omogenea distribuzione della corrente elettrica che assicura la migliore qualità del processo di elettrolisi e la più lunga vita operativa dei separatori. Inoltre in caso di malfunzionamento di una singola cella l’intervento di manutenzione richiede anche in questo caso l’azzeramento della compressione esercitata dai tiranti o martinetti idraulici esterni, ma non comporta l’apertura delle singole celle con la conseguenza del mantenimento invariato dell’assetto dei vari componenti interni: pertanto gli eventuali interventi di sostituzione di celle singole malfunzionanti non comportano danneggiamenti nella fase successiva di ripressurizzazione dei tiranti o dei martinetti idraulici.

Le tecnologie sopra illustrate, che prevedono interspazi catodo-anodo dell’ordine di 1 - 2 mm, sono caratterizzate nel funzionamento industriale da consumi specifici di energia elettrica per unità di prodotto ottenuto che finora sono stati considerati come soddisfacenti: tuttavia il continuo aumento del prezzo dell’energia elettrica sta forzando i progettisti a ideare disegni innovativi in grado di assicurare apprezzabili risparmi energetici.

L’innovativo disegno di cella singola presentato nel seguito intende realizzare questo obiettivo azzerando l’interspazio fra catodi e anodi ed à ̈ schematizzato nella Fig. 4 che rappresenta la sezione vista dall’alto di una singola cella. Gli elementi comuni allo schema di Fig. 3 (gusci, guarnizioni perimetrali, separatore, strisce verticali anodiche, anodo e strisce di contatto) sono individuati dagli stessi numeri identificativi: gli elementi di differenziazione sono costituiti da strisce catodiche ribassate 33, su cui à ̈ fissata una lamiera perforata o rete 34, da un elemento elastico 35, costituito ad esempio dalla sovrapposizione di due o più tessuti metallici conduttori corrugati o preferibilmente da un materasso formato da spire compenetrate ottenute con uno o più fili metallici, e da una sottile lamiera perforata o rete planare flessibile 36 funzionante come catodo. Il ribassamento delle strisce verticali catodiche 33 permette di creare lo spazio necessario all’introduzione dell’elemento elastico 35. Quando la cella preassemblata à ̈ installata sui supporti e si trova sotto la compressione esercitata da tiranti o da martinetti idraulici, la lamiera o rete 34 comprime l’elemento elastico 35 che a sua volta comprime il catodo 36 contro il separatore 25 supportato dall’anodo 29. L’elasticità dell’elemento 35 assicura che il catodo 36 si mantenga in continuo ed uniforme contatto con il separatore indipendentemente dalle inevitabili anche se piccole deviazioni dalla ideale planarità e dall’ideale parallelismo dell’anodo 29 e della lamiera o rete 34, che in pratica funziona come distributore di corrente all’elemento elastico e attraverso questo al catodo flessibile. In questo modo viene garantito che durante il funzionamento la corrente elettrica venga distribuita in modo molto uniforme e che conseguentemente le tensioni delle singole celle, da cui dipende il consumo energetico, siano minimizzate. Come si nota dalla schematizzazione di Fig. 4 l’impiego dell’elemento elastico 35 comporta che vengano eliminati i distanziatori 31 e 32 con l’evidente rischio che, in coincidenza con deviazioni dal parallelismo della lamiera o rete 34 e dell’anodo 29, si produca una eccessiva compressione del separatore 25 contro l’anodo 29, con conseguente danneggiamento della membrana. Questo rischio può essere superato se le lamiere o reti 34 e l’anodo 29 sono spessorati in modo da aumentarne la rigidità e/o se la distanza fra due successive strisce catodiche 33 e anodiche 27 à ̈ diminuita: l’applicazione di questi provvedimenti comporta tuttavia costi aggiuntivi per il maggiore impegno di materiali e per la conseguente necessità di aumentare anche il numero delle strisce di contatto 30. Una forma di realizzazione alternativa prevede l’ispessimento della sola lamiera o rete 34 e garantisce la necessaria rigidità dell’anodo introducendo elementi verticali 37 sagomati a V fra ogni coppia di strisce anodiche 27: gli elementi verticali 37 possono essere costruiti in materiale plastico, e in questo caso sono semplicemente forzati meccanicamente, o in metallo, e in questo caso possono eventualmente essere fissati con punti di saldatura. L’apice 38 degli elementi 37 funziona come appoggio lineare per la lamiera o rete dell’anodo 29 la cui flessione à ̈ in questo modo grandemente ridotta senza che si sia dovuto ricorrere al suo ispessimento o all’aumento del numero delle strisce anodiche e quindi delle strisce di contatto. Gli elementi 37, se opportunamente dimensionati, possono anche funzionare vantaggiosamente come promotori della ricircolazione interna. Infine i lembi degli elementi 37 contribuiscono a scaricare parte della compressione esercitata dall’elemento elastico 35 sul piede delle strisce anodiche 27 e quindi sulle strisce di contatto 30 contribuendo efficacemente a mantenere una bassa resistività di contatto fra ogni coppia di successive celle.

L’applicazione del disegno di azzeramento della distanza catodo – anodo tramite l’impiego di un catodo sotto forma di lamiera o rete planare flessibile accoppiata ad un elemento elastico risulta particolarmente vantaggiosa nel caso della cella singola che, come discusso, può essere preassemblata prima di procedere al posizionamento sui supporti dell’elettrolizzatore. In particolare il preassemblaggio, effettuato nella sezione di impianto destinata ai montaggi, viene eseguito con la cella in posizione orizzontale: pertanto risulta molto facilitato il posizionamento oltre che del separatore anche del catodo e del relativo elemento elastico di compressione. Al contrario l’applicazione al tipo di elettrolizzatore di figura 2 costituito da una molteplicità di elementi bipolari risulta assai problematica poiché oltre ai rischi già descritti di slittamento dei separatori e di disallineamento degli elementi bipolari si presenta anche l’inconveniente dello slittamento dei catodi e dello slittamento e deformazione verso la parte inferiore dell’elemento elastico: pertanto nel momento della pressurizzazione della molteplicità di elementi bipolari con le relative guarnizioni, separatori, catodi ed elementi elastici à ̈ del tutto possibile che si verifichino anomalie di distribuzione della pressione con conseguenze negative sulla regolarità del successivo funzionamento.

L’efficacia dell’azzeramento della distanza catodo-anodo per mezzo della installazione di un catodo accoppiato a un elemento elastico di compressione à ̈ stata verificata su un elettrolizzatore pilota utilizza to per l’elettrolisi cloro-soda a membrana. L’elettrolizzatore era equipaggiato con otto celle singole preassemblate in posizione orizzontale e successivamente installate sui supporti. Le celle avevano le dimensioni industriali standard (1.2 metri di altezza e 2.7 metri di lunghezza) e comprendevano ciascuna un guscio catodico costruito in nickel come anche i relativi componenti interni (strisce catodiche, rete rigida funzionante come distributore di corrente, elemento elastico costituito da due materassi con altezza di 0.6 metri e con lunghezza di 2.7 metri formati da spire compenetrate di doppio filo avente diametro di circa 0.2 mm, catodo planare flessibile dotato di un rivestimento catalitico per l’evoluzione di idrogeno), un guscio anodico costruito in titanio come pure i relativi componenti interni (strisce anodiche, elementi di supporto a forma di V, anodo dotato di rivestimento catalitico per l’evoluzione del cloro, strisce esterne di contatto costituite da titanio rivestito con un film di nickel per minimizzare la resistenza elettrica di contatto), guarnizioni in gomma chimicamente resistente e una membrana a scambio cationico tipo N2030 fornita da DuPont/USA. L’elettrolizzatore à ̈ stato fatto funzionare con soda caustica al 32% in peso, salamoia di cloruro sodico alla concentrazione di 210 g/l in uscita, a 90°C e con densità di corrente di 5 kA/m². Dopo un periodo di stabilizzazione di circa 1 settimana le celle risultavano caratterizzate da una tensione media di 2.90 V che à ̈ rimasta sostanzialmente immutata dopo 6 mesi di esercizio, quando l’elettrolisi à ̈ stata interrotta e due celle singole sono state estratte dai supporti, aperte e sottoposte ad ispezione visuale dei componenti. L’ispezione non ha messo in rilievo alterazioni degne di nota, e in particolare le due membrane hanno presentato una superficie praticamente priva di incisioni o di altri tipi di tracce generate da compressione anomala del catodo. Le due celle sono state riassemblate e nuovamente installate sui supporti dell’elettrolizzatore che à ̈ stato messo in esercizio: le tensioni delle singole celle, ivi comprese quelle delle due celle ispezionate, si sono riportate sul valore precedente la fermata. Come termine di confronto, nel caso di un elettrolizzatore equipaggiato con celle di uguale struttura, prive però di materasso di compressione e caratterizzate da una distanza catodoanodo di 1.5 mm, secondo la struttura di Fig. 3, la tensione media delle singole celle si stabilizza a parità di tipo di membrana e di condizioni di esercizio intorno a 3.15 V cui corrisponde un significativo aumento del consumo energetico dell’ordine di 170 kWh/ton di soda caustica prodotta.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Cella elementare di elettrolisi comprendente un guscio catodico e un guscio anodico serrati fra di loro tramite una bullonatura perimetrale con interposizione di una guarnizione catodica perimetrale, di una guarnizione anodica perimetrale e di un separatore, detto guscio catodico contenente un distributore di corrente elettrica rigido sotto forma di lamiera perforata o rete fissata su strisce catodiche interne verticali, un catodo flessibile sotto forma di lamiera perforata o rete in contatto elettrico con detto distributore ed uniformemente in contatto con detto separatore, un elemento elastico conduttivo posizionato fra detti distributore di corrente e catodo flessibile, detto guscio anodico contenente un anodo sotto forma di lamiera perforata o rete in contatto uniforme con il separatore fissato su strisce anodiche interne verticali e strisce anodiche conduttive di contatto posizionate esternamente in diretta corrispondenza con le strisce anodiche interne.
2. 2. La cella della rivendicazione 1 ove detto anodo à ̈ ulteriormente supportato dall’apice di elementi a forma di V introdotti fra ciascuna coppia di dette strisce anodiche interne.
3. 3. La cella della rivendicazione 1 ove detto elemento elastico à ̈ costituito da almeno due tessuti sovrapposti e corrugati.
4. 4. La cella della rivendicazione 1 ove detto elemento elastico à ̈ costituito da un materasso di spire compenetrate.
5. 5. La cella della rivendicazione 3 ove dette spire compenetrate sono formate da almeno due fili metallici.
6. 6. La cella delle rivendicazioni precedenti ove detto separatore à ̈ una membrana a scambio ionico, detto guscio catodico, detto distributore di corrente rigido, dette strisce catodiche, detto catodo e detto elemento elastico sono di nickel, detto guscio anodico, dette strisce anodiche interne e detto anodo sono di titanio, dette strisce anodiche esterne di contatto sono di titanio rivestito con uno strato di nickel.
7. 7. Elettrolizzatore costituito da un arrangiamento modulare di una molteplicità di celle elementari secondo una delle rivendicazioni precedenti preassemblate singolarmente.