ITMI950185A1 - Cassone d'estremita' di un elettrodializzatore elettrodializzatore munito di un tale cassone e utilizzazione di detto - Google Patents

Cassone d'estremita' di un elettrodializzatore elettrodializzatore munito di un tale cassone e utilizzazione di detto Download PDF

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Abstract

Cassone d'estremità di un elettrodializzatore, comprendente una lamiera verticale (8) e un quadro verticale (9) che definiscono tra loro una cavità contenente un elettrodo, detto elettrodo comprendente una piastra metallica verticale perforata (12), disposta nella cavità, di fronte alla lamiera e distanziata da questa in modo da formare una camera (21) tra la lamiera, la piastra e il quadro, detta camera essendo scompartimentata in canali verticali (27, 28) a mezzo di pareti divisorie verticali (29) e che sono in comunicazione con un condotto di ammissione (23, 26) e un condotto di evacuazione (22, 24) di elettrolito.Elettrolizzatore comprendente un'alternanza di membrane (1, 1', 25, 25') selettivamente permeabili agli ioni e di quadri verticali (2), tra due cassoni d'estremità (3, 3'), come sopra definiti.

Description

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE INDUSTRIALE
DESCRIZIONE
L'inenzione concerne gli elettrodializzatori.
Essa concerne pi? particolarmente i cassoni disposti alle estremit? degli elettrodializzatori.
Gli elettrodializzatori sono degli impianti elettrochimici formati da un impilamento di membrane selettivamente permeabili agli ioni e da quadri tra due cassoni d'estremit? contenenti degli elettrodi. I cassoni d'estremit? comprendono generalmente una lamiera verticale portante un elettrodo e che forma con un quadro periferico, una cavit? destinata a contenere un elettrolito. La rappresentazione schematica di un elettrodializzatore ? illustrata in "Techiques de l'ing?nieur" 3-1988, pag. J 2840-13, fig. 18. Nell'uso dell 'elettrodializzatore, gli elettrodi sono raccordati ai morsetti di una sorgente di corrente continua e degli elettroliti sono introdotti negli scomparti definiti tra le membrane ed i quadri, come pure nei cassoni d'estremit?, in modo da generare delle reazioni elettrochimiche in seno agli elettroliti.
Le reazioni elettrochimiche che si producono nei cassoni d'estremit? generano generalmente un gas sugli elettrodi, per esempio dell'ossigeno e dell'idrogeno, nel'caso di elettroliti acquosi. E' importante assicurare una evacuazione regolare di questi gas, ci? che ? di solito ottenuto facendo circolare l'elettrolito a circuito chiuso tra il cassone d'estremit? e una camera di degasificazione (EP-A-0 081092, pag. 8, righe 11 a 16).
La formazione di gas nei cassoni d'estremit? degli elettrolizzatori ha per effetto di generare in questi una pressione che, mantenendo tutto il resto invariato, ? tanto pi? elevata quanto la densit? della corrente elettrica nell'elettrodializzatore ? elevata. Essa limita di conseguenza la produttivit? degli elettrodializzatori industriali.
L'invenzione ha per scopo di provvedere un cassone d'estremit? che permette delle densit? di corrente elevate negli elettrodializzatori, senza che risultino per questo delle pressioni esagerate.
l'invenzione concerne di conseguenza un cassone d'estremit? di un elettrodializzatore, comprendente una lamiera verticale e un quadro verticale che definiscono tra loro una cavit? che contiene un elettrodo e che si trova in comunicazione con un condotto di ammissione e un condotto di evacuazione di elettrolito; secondo l'invenzione, il cassone ? caratterizzato da ci? che l'elettrodo comprende una piastra metallica verticale perforata, disposta nella cavit?, di fronte alla lamiera e distanziata da questa in modo da formare una camera tra la lamiera, la piastra e il quadro, da ci? che la camera precitata ? scompartimentata in canali verticali da pareti divisorie verticali e da ci? che i condotti precitati sboccano in detta camera.
Nel cassone secondo l'invenzione, la lamiera ? disposta verticalmente ed ? destinata a servire da serbatoio d'estremit? dell'elettrodializzatore.
La lamiera e il quadro devono essere realizzati in materiali resistenti all'ambiente chimico ed elettrochimico durante l'uso dell'elettrodializzatore. Il quadro pu? formare parte integrante della lamiera o essere un elemento distinto da questa. Nel caso in cui il quadro ? un elemento distinto dalla lamiera, la giunzione tra la lamiera e il quadro deve essere stagna agli elettroliti e ai gas. Il quadro e la lamiera sono di preferenza realizzati in un materiale non conduttore di elettrocit?.
La piastra perforata dell'elettrodo pu? essere un foglio metallico munito di aperture, una piastra a griglia, un traliccio metallico o una lamiera stirata.
Si utilizza vantaggiosamente una lamiera stirata.
La piastra dell'elettrodo ? disposta nella cavit? precitata del cassone, parallelamente alla lamiera e distanziata da questa. Si forma in tal modo una camera tra la lamiera e la piastra. Questa camera ? scompartimentata in canali verticali da pareti divisorie verticali che congiungono la lamiera del cassone alla piastra dell'elettrodo. Le pareti divisorie sono almeno in numero di due, in modo da realizzare almeno tre canali verticali nella camera. In pratica, si pu? scompartimentare la camera in un maggior numero di canali verticali. Le pareti divisorie verticali si estendono su una parte soltanto dell'altezza della camera, in modo che la zona inferiore e la zona superiore della camera non siano scompartimentate. Secondo l'invenzione, la zona inferiore e la zona superiore della camera occupano almeno un terzo, di preferenza da 5 a 20%, dell'altezza totale della camera. Dei condotti di ammissione di evacuazione di elettrolito sboccano rispettivamente nelle due zone precitate della camera. Questa camera ? pertanto destinata a servire da camera di elettrolisi durante l'uso del cassone in un elettrodializzatore. Lo spessore della camera e la larghezza dei canali verticali devono essere scelti in modo da realizzare delle condizioni idrodinamiche ottimali durante il funzionamento normale dell'elettrodializzatore. I valori ottimali di queste dimensioni dipenderanno pertanto da vari parametri, in particolare dalla viscosit? dell'elettrolito che circola in detta camera e dalle dimensioni della piastra di elettrodo. Esse possono essere facilmente determinate in ogni caso particolare. In pratica, lo spessore della camera ? vantaggiosamente superiore a 1 mm/ di preferenza almeno uguale a 5 mm. Lo spessore della camera condiziona il volume di elettrolito da utilizzare e, a tale fine, si raccomanda che il suo spessore non superi 100 mm, di preferenza 50 mm. Degli spessori da 10 a 30 mm convengono generalmente bene.
Nel caso in cui la piastra dell'elettrodo ? una piastra a griglia, l'orinetamento delle lamine orizzontali deve essere adattato in modo che una corrente ascendente di fluido, che circola lungo la piastra, al difuori della suddetta camera, sia deviato dalle lamine, attraversi le aperture della piastra di elettrodo e penetri nella camera.
Nel cassone secondo l'invenzione, il quadro e la piastra dell'elettrodo possono avere un profilo circolare o poligonale. E' preferibile conferire loro un profilo rettangolare.
Nel cassone secondo l'invenzione, le pareti divisorie possono essere realizzate in metallo o in un materiale non conduttore di elettricit?. Nel caso in cui esse sono in un materiale conduttore di elettricit?, pu? rivelarsi raccomandabile selezionare questo materiale tra quelli presentanti una sovratensione superiore a quella del materiale della piastra di elettrodo. In questa variante di realizzazione dell'invenzione, la sovratensione pr?sa in considerazione ? quella relativa alla reazione di elettrolisi che genera un gas sulla piastra di elettrodo durante la utilizzazione normale del cassone in un elettrodializzatore.
Nel cassone secondo l'invenzione, l'utilizzazione di una camera di elettrolisi scompartimentata ha per risultato vantaggioso di migliorare l'omogeneit? della corrente di elettrolito e di facilitare l'evacuazione del gas generato sulla piastra dell'elettrodo.
In una forma di realizzazione vantaggiosa del cassone secondo l'invenzione, la faccia dell'elettrodo, quella pi? distante dalla lamiera si trova sensibilmente in allineamento col quadro. In questa forma di realizzazione dell'invenzione, la piastra di elettrodo ? destinata a fungere da supporto ad una membrana quando il cassone ? montato in un elettrodializzatore.
In un'altra forma di realizzazione del cassone secondo l'invenzione, le pareti divisorie precitate servono da distributori della corrente elettrica di elettrolisi sulla piastra dell'elettrodo. A tale fine, esse sono in metallo e fissate, da una parte alla piastra dell'elettrodo e, dall'altra a delle alimentazioni di corrente che attraversano la lamiera del cassone, detta lamiera essendo in un materiale conduttore di elettricit?.
L'elettrodo e le pareti divisorie possono essere supportate nella camera del cassone tramite qualsiasi mezzo appropriato. Secondo una forma di realizzazione vantaggiosa dell'invenzione, questo mezzo comprende una trave orizzontale, che ? fissata trasversalmente alle pareti divisorie e che ? incastrata in un alloggiamento corrispondente della lamiera del cassone. In una variante interessante di questa forma di realizzazione dell'invenzione, la trave ? in metallo e fissata ad un conduttore elettrico che attraversa la lamiera del cassone per essere raccordato ad una sorgente di corrente.
In una forma di realizzazione supplementare del cassone secondo l'invenzione, almeno una parte delle pareti divisorie precitate sono costituite da ali laterali di profilati ad U o a V, che sono fissati alla piastra di elettrodo lungo la loro parte mediana. Questa variante dell'invenzione presenta cos? la particolarit? che i canali verticali precitati sono alternativamente in comunicazione con la piastra di elettrodo ed isolati da questa. Mantenendo tutto il resto invariato, questa variante dell'invenzione ottimizza la circolazione del gas e dell'elettrolito nella camera, realizzando una alternanza di correnti ascendenti di una emulsine di gas nell'elettrolito e discendenti di elettrolito degasificato. Questa circolazione interna nella camera favorisce l'evacuazione del gas prodotto all'elettrodo e, di conseguenza, omogeneizza le condizioni chimiche ed elettrochimiche nel cassone e riduce la pressione in questo.
L'invenzione concerne anche un elettrodializzatore comprendente, tra due cassoni d'estremit?, conformi all'invenzione, un'alternanza di membrane verticali selettivamente permeabili agli ioni e di quadri verticali .
Nell 'elettrodializzatore secondo l'invenzione, le membrane scambiatrici di ioni possono comprendere delle membrane selettivamente permeabili ai cationi, delle membrane selettivamente permeabili agli anioni e/o delle membrane bipolari.
Nell 'elettrodializzatore secondo l'invenzione, le membrane scambiatrici di ioni ed i quadrili che sono interposti tra esse definiscono degli scompartimenti di elettrodialisi che sono in comunicazione con dei condotti di ammissione e dei condotti di evacuazione di elettroliti. Il numero di scompartimenti non ? critico e pu? generalmente raggiungere diverse centinaia.
In una forma di realizzazione particolare dell'invenzione, 1'elettrodializzatore comprende una membrana selettivamente permeabile agli ioni (di preferenza ai cationi) sulla piastra di elettrodo di ogni cassone.
L'elettrodializzatore secondo l'invenzione trova varie applicazioni che sono ben note nelle tecniche di elettrodialisi. Esso trova una utilizzazione particolarmente vantaggiosa per la fabbricazione di soluzioni acquose di idrossido di sodio partendo da soluzioni acquose di sali di sodio come del cloruro di sodio, del carbonato di sodio, del fosfato di sodio o del solfato di sodio.
L'invenzione concerne pertanto anche l'utilizzo di elettrodializzatori secondo l'invenzione, sopra definiti, per l'elettrodialisi di soluzioni acquose di cloruro di sodio.
Delle particolarit? e dettagli dell'invenzione risulteranno dalla descrizione che segue e dai disegni allegati .
La figura 1 ? una vista esplosa, in sezione longitudinale verticale, di una forma di realizzazione dell 'elettrodializzatore secondo l'invenzione.
La figura 2 mostra un particolare dell'elettrodializzatore della figura 1, in sezione secondo il piano II-II della figura 1.
In queste figure, gli stessi numeri di riferimento indicano degli elementi identici.
L'elettrodializzatore rappresentato in figura 1 comprende, in modo di per s? noto, delle membrane selettivamente permeabili agli ioni 1 e 1', disposte verticalmente che s? alternano con dei separatori verticali 2, tra due cassoni d'estremit? 3 e 3'. Delle membrane selettivamente permeabili ai cationi 25 e 25' separano ogni cassone d'estremit? 3 e 3', da un separatore 2.
I separatori 2 hanno per funzione di delimitare, tra le membrane 1, 1', 25 e 25', degli scompartimenti di elettrodialisi 4. Essi possono essere per esempio del tipo di quelli descritti nel brevetto US-A-4 233 146 e nella domanda di brevetto italiano MI-93-A-002121.
Le membrane 1, 1', 25 e 25' ed i separatori 2 sono muniti, nelle loro parti superiore e inferiore, di aperture 5 e 6 che formano dei condotti rettilinei per la circolazione di elettroliti destinati ad alimentare gli scompartimenti di elettrodialisi 4. Dei tubi 7 praticati nei separatori 2, realizzano la comunicazione tra questi condotti e gli scompartimenti di elettrodialisi 4.
Le membrane 1, 1', 25 e 25' ed i separatori 2 sono impilati e compressi tra i due cassoni d'estremit? 3 e 3' a mezzo di tiranti, non rappresentati.
Conformemente all'invenzione, i cassoni d'estremit? 3 e 3' comprendono una lamiera verticale 8 che presenta un bordino periferico sporgente 9. Il bordino 9 forma in tal modo un quadro alla periferia della lamiera. Questo quadro 9, ? munito di aperture 10 nel prolungamento delle aperture 5 e 6. Queste aperture 10 sono destinate ad essere raccordate a dei collettori di elettroliti per l'alimentazione degli scompartimenti di elettrodialisi 4.
La lamiera verticale 8 e il quadro periferico 9 definiscono una cavit? verticale nella quale ? alloggiato un elettrodo. Questo comprende una piastra metallica verticale perforata 12 disposta di fronte alla lamiera 8 distanziata da questa, in modo da delimitare una camera 21 con la lamiera 8 e il bordino periferico 9 di questa. La piastra 8 ? vantaggiosamente situata in allineamento della faccia libera 20 del quadro 9. In tal modo, nell'elettrodializzatore, la piastra di elettrodo 12 serve da supporto alla membrana selettivamente permeabile 25 (25 ' ) .
Sulla sua faccia orientata verso la lamiera 8, la piastra 12 porta dei profilati metallici verticali 13, ripartiti uniformemente sulla larghezza della piastra 12. I profilati 13 sono formati ciascuno da un lamierino verticale, piegato ad U, in modo da presentare la forma di un canale. Essi sono saldati alla piastra 12 lungo la parte mediana assiale 14 della U e le loro ali laterali 29 appoggiano contro la lamiera 8, in modo che la camera 21 sia scompartimentata in una serie di canali verticali 27 e 28. La piastra di elettrodo 12 e i suoi profilati 13 sono supportati nel cassone 3 (3') a mezzo di travi orizzontali 15 che sono saldate alle pareti divisorie 29 e che sono incastrate in alloggiamenti corrispondenti della lamiera 8. Le travi 15 sono saldate trasversalmente a delle sbarre metalliche 17 che attraversano degli orifici 18 praticati nella lamiera 8. Le sbarre 17 sono destinate ad essere raccordate ad una sorgente di corrente continua per assicurare il funzionamento dell'elettrodializzatore.
I profilati 13 si estendono su una parte soltanto dell'altezza della piastra di elettrodo 12, in modo che le zone superiore 30 ed inferiore 31 della camera 21 non siano scompartintentate.
Dei condotti 22 e 23 praticati nella lamiera 8 comunicano rispettivamente con le parti non scompartimentate 30 e 31 della camera 21 tramite dei tubi 24 e 26. Essi sono destinati a realizzare una circolazione di elettrolito nella camera 21.
Il funzionamento dell'elettrodializzatore sopra descritto in relazione alle figure 1 e 2 sar? ora esplicitato in relazione alla utilizzazione per l'elettrodialisi di una soluzione acquosa di cloruro di sodio. In questa applicazione, la membrana 1 ? una membrana selettivamente permeabile ai cationi e la membrana 1' ? una membrana bipolare. Quest'ultima ? disposta nell'elettrodializzatore in modo che la sua faccia selettivamente permeabile agli anioni sia rivolta verso la membrana selettivamente permeabile ai cationi 1. Le piastre di elettrodi 12 e di profilati ad U 13 sono per esempio in nichel.
Durante il funzionamento dell'elettrodializzatore, le sbarre 17 del cassone 3 sono raccordate al morsetto positivo di una sorgente di corrente continua e le sbarre 17 del cassone 3' sono raccordate al morsetto negativo della sorgente di corrente. Dell'acqua ? introdotta nello scompartimento 4 tra la membrana bipolare 1' e la membrana cationica 1 e una soluzione acquosa di cloruro di sodio ? introdotta nello scompartimento 4 tra la membrana bipolare 1' e la membrana cationica 25' e nello scompartimento 4 tra le membrane cationiche 1 e 25. Si introduce inoltre dell'acqua o una soluzione acquosa diluita di idrossido di sodio nelle camere di elettrolisi 21 dei cassoni d'estremit? 3 e 3', attraverso i condotti 23 ed i tubi 26 di questi cassoni. Sotto l'effetto della' corrente elettrica, l'acqua subisce una elettrolisi sulle piastre di elettrodi 12, nei canali 28, con formazione di ossigeno nel cassone 3 e di idrogeno nel cassone 3'. Si stabilisce nelle camere 21 dei cassoni 3 e 3' una circolazione interna di elettrolito, comprendente delle correnti ascendenti di una emulsione acquosa nei canali 28 e delle correnti discendenti di elettrolito degasificato nei canali 27. Il gas separato dall'elettrolito nella parte superiore delle camere 21 ? evacuato da queste dai condotti 22, tramite i tubi 24.

Claims (9)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Cassone d'estremit? di un elettrodializzatore, comprendente una lamiera verticale (8) e un quadro verticale (9) che definiscono tra loro una cavit? che contiene un elettrodo e che ? in comunicazione con un condotto di ammissione (23, 269 e un condotto di evacuazione (22, 24) di elettrolito, caratterizzato da ci? che l'elettrodo comprende una piastra metallica verticale perforata (129, disposta nella cavit?, di fronte alla lamiera (8) ed distanziata da questa in modo da formare una camera (21) tra la lamiera (8), la piastra (12) e il quadro (9), da ci? che la camera (21) ? scompartimentata in canali verticali (27, 28) a mezzo di pareti divisorie verticali (29), e da ci? che i condotti (22, 23, 24, 26) sboccano in detta camera (21).
  2. 2. Cassone secondo la rivendicazione 1, caratterizzato da ci? che le pareti divisorie (29) sono in metallo e sono fissate, da una parte alla piastra di elettrodo (12) e, dall'altra a delle alimentazioni di corrente che attraversano la lamiera (8) del cassone.
  3. 3. Cassone secondo la rivendicazione 1, caratterizzato da ci? che le pareti divisorie (29) sono fissate, da una parte alla piastra di elettrodo (12) e, dall'altra ad almeno una trave orizzontale (15), fissata trasversalmente alle pareti divisorie (29) e che ? incastrata in un alloggiamento corrispondente della lamiera (8) del cassone.
  4. 4. Cassone secondo la rivendicazione 3, caratterizzato da ci? che le pareti divisorie e la trave (15) sono in metallo e da ci? che la trave (15) ? fissata ad almeno una sbarra metallica (17) che attraversa la lamiera (8) e che serve alla alimentazione di corrente.
  5. 5. Cassone secono una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 4, caratterizzato da ci? che almeno una parte delle pareti divisorie (29) precitate sono costituite dalle ali laterali (29) di profilati (13) ad U o a V, che sono fissati alla piastra di elettrodo, lungo la loro parte mediana (14).
  6. 6. Elettrodializzatore, comprendente un'alternanza di membrane verticali (1, 1') selettivamente permeabili agli ioni e di quadri verticali (2), tra due cassoni d'estremit? (3, 3'), caratterizzato da ci? che i cassoni d'estremit? (3, 3') sono conformi ad una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 5.
  7. 7. Elettrodializzatore secondo la rivendicazione 6, caratterizzato da ci? che comprende una membrana (25, 25') selettivamente permeabile agli ioni sulla piastra (12) di ogni cassone (3, 3').
  8. 8. Elettrodializzatore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato da ci? che la membrana selettivamente permeabile agli ioni (25, 25'), che si trova sulla piastra (12) di ogni cassone (3, 3') ? una membrana selettivamente permeabile ai cationi.
  9. 9. Utilizzazione dell'elettrodializzatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 7 a 9 per l'elettrodialisi di soluzioni acquose di cloruro di sodio.
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