ITMI970816A1 - Anodo per cella elettrochimica a diaframma - Google Patents
Anodo per cella elettrochimica a diaframma Download PDFInfo
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Description
DESCRIZIONE DI INVENZIONE INDUSTRIALE
La produzione mondiale di cloro è di circa 45 milioni di tonnellate annue, delle quali circa 20 sono prodotti per elettrolisi di una soluzione di cloruro di sodio con il processo a diaframma.
Nella fig. 1 è schematizzata una moderna cella a diaframma. Essa è costituita da una base anodica (A) su cui sono fissati gli anodi (B) per mezzo di portacorrente (D) di rame, protette da un rivestimento di titanio. Il catodo (C) è costituito da lamiere perforate o da reti di ferro su cui vene depositato (dal lato anodico) un diaframma. Il coperchio (G), che è costituito da materiale plastico resistente al cloro, è provvisto di uscita del cloro gas (H) e da un'entrata della salamoia di alimentazione (non mostrata in figura).
L'idrogeno e la soda escono dalla camera catodica rispettivamente in (I) e (L). Il diaframma, che è costituito basilarmente di fibre di amianto e da un materiale plastico con funzione di legante, ha lo scopo di separare lo scomparto anodico da quello catodico, evitando la miscelazione dei due gas e delle soluzioni (catolita e anolita).
In considerazione della sua importanza tecnico-commerciale la tecnologia del processo a diaframma è stata, in questi ultimi anni, notevolmente migliorata sia per ridurre i consumi energetici che per ridurre i problemi d’inquinamento da amianto, utilizzando, come sopra accennato, diaframmi basati su fibre di ossido di zirconio o di materiali plastici, come ad esempio politetrafluoroetilene.
Tra le numerose innovazioni tecnologiche introdotte nel processo a diaframma, particolare importanza industriale hanno avuto:
1. la sostituzione degli anodi a grafite con gli anodi DSA* tipo box; ;2. la sostituzione degli anodi a box con anodi espandibili (brevetto U S A. N. ;3.674.676); ;3. l'introduzione della configurazione con l’anodo in contatto con il diaframma, nota come "zero gap" (brevetto U.S. N. 5.534.122). Questo risultato è ottenuto introducendo all'interno dell’anodo espandibile opportuni dispositivi che esercitano pressione contro le superfici anodiche. ;Le innovazioni tecnologiche citate erano tutte indirizzate a migliorare le prestazioni degli anodi e del processo di elettrolisi nello scomparto anodico della cella mediante: ;a) aumento dell’attività elettrocatalitica, evitando nel contempo il consumo “fisico” dell’anodo a grafite; ;b) riduzione della distanza fra anodo e diaframma; ;c) riduzione dell'effetto bolla e miglioramento del trasferimento di massa sulla superficie di elettrolisi in condizioni di distanza anodo - diaframma zero o nulla. L’invenzione dell’anodo DSA* a box risolse definitivamente il problema del consumo dell'anodo di grafite e quello dell'attività elettrocatalitica ma non quello della distanza tra l'anodo e il diaframma, che rimase allo stesso livello di quella dell’anodo a grafite (6-8 mm).
L'invenzione dell'anodo espandibile risolse in parte il problema della distanza tra l'anodo e il diaframma, che fu ridotta da 6-8 a circa 3 mm. Quest’ultimo risultato fu però ottenuto a scapito di una diminuzione del rendimento faradico dovuto principalmente a insufficienti degasaggio del cloro e ricambio della salamoia all'interfaccia anodo-diaframma. Per quanto riguarda quest'ultimo punto, l’invenzione descrita nel breveto U.S.A. N. 5.534.122 diede un ulteriore contributo allo scopo di ridurre la distanza interpolare e migliorare il rendimento faradico attraverso una riduzione del così detto “effetto bolla” e di un aumento del trasferimento di massa all'interfaccia anodo-diaframma. Questo effetto è ottenuto grazie alla separazione fra movimento ascendente della miscela salamoia/bolle di cloro e movimento discendente della salamoia degasata, mediante opportuni condotti.
La fig. 2 illustra la struttura di un tipico anodo espandibile costituito da due superfici anodiche (E), collegate mediante lamiere flessibili, dette espansori, (F), al portacorrente (D), i quali, nella fase di montaggio, si trovano in posizione contratta mediante l'inserzione di vincoli (N). I vincoli vengono estratti dopo montaggio, permettendo la libera espansione delle superfici anodiche (E). E' chiaro che gli espansori non hanno solo la funzione di rendere mobili le due superfici anodiche (E) ma anche quella di conduttori di corrente elettrica dal portacorrente verticale (D) alla superficie stessa (E). Dato che per assicurare una sufficiente elasticità gli espansori sono costituiti da una lamiera di titanio piuttosto sottile, ad esempio 0,5 mm di spessore, ne risulta una sensibile caduta di tensione, circa 1-2 volte superiore a quella dell'anodo a box. Ad esempio, un anodo comune a box tipo MDC 55 funzionante a 2,5 kA/m2 , 95°C, ha una caduta di tensione di 40-50 mV contro i 100-120 mV di un analogo anodo espandibile. Ugualmente, un anodo comune a box tipo MDC 29 funzionante a 2,5 kA/m2, a 95°C ha una caduta di tensione di 50-60 mV contro i 110-130 mV di un analogo anodo espandibile.
L’invenzione descritta nella domanda di brevetto Brasiliana N. PI9301694 propone una soluzione per ridurre la caduta di tensione nell’espansore senza pregiudicarne sensibilmente l'elasticità. La novità consiste nel saldare uno sopra l’altro uno o più espansori di spessore simile all’esistente (0,5 mm) allo scopo di aumentare la sezione di passaggio della corrente elettrica ed evitare la perdita di elasticità. All’atto pratico questa soluzione non è risultata ottimale e non ha trovato finora applicazione industriale per le seguenti ragioni:
- è molto difficile inserire e saldare due espansori sovrapposti e più ancora un espansore nuovo all'interno di un espansore vecchio, che è normalmente deformato da un uso prolungato. Ne consegue che i due espansori non combaciano reciprocamente. Pertanto in posizione contratta si crea una “ricchezza di materiale" che deforma l’espansore.
- La deformazione degli espansori in posizione contratta rende problematico sia l'inserimento dei vincoli sia il posizionamento degli anodi sulla base anodica per ottenere una buona planarità. I problemi relativi agli espansori in posizione contratta si riflettono gravemente sul movimento di espansione nel momento in cui vengono rimossi i vincoli. Ne consegue una spinta disuniforme sul diaframma, un insufficiente parallelismo delle due superfici di lavoro e una disuniforme distanza di queste ultime dal diaframma.
Il funzionamento dell’anodo e del diaframma risulta perciò compromesso. Si enfatizza infine che la saldatura di due o più espansori uno sopra l'altro provoca un aumento sensibile della caduta di tensione tra l’anima di rame del conduttore e il rivestimento colaminato di titanio, che è sottoposto ad un maggiore sollecitazione termica durante la fase di saldatura (temperatura e tempo). Tali effetti sono decisamente negativi qualora la saldatura del secondo espansore venga eseguita su conduttori vecchi già deteriorati da anni di funzionamento. Addirittura, il guadagno di tensione si annulla quasi totalmente qualora vengano saldati 3 espansori uno sull'altro.
E' un obiettivo di questa invenzione fornire un nuovo anodo che permetta una sostanziale eliminazione degli inconvenienti sopra descritti e che sia caratterizzato in particolare da:
• minor caduta di tensione nell'espansore senza che venga persa la flessibilità di quest'ultimo
• espansione delle due superfici anodiche in forma parallela
• pressione uniforme sul diaframma costante nel tempo
• minor caduta di tensione nei punti di saldatura tra il conduttore di rame e l’espansore.
E' un ulteriore obiettivo della presente invenzione di provvedere un metodo appropriato ed efficace per ridurre la caduta di tensione nella struttura di un anodo esistente già munito di espansori tradizionali mediante l’inserimento di espansori addizionali, senza che venga aumentata la caduta di tensione fra punto di contatto e conduttore di corrente bimetallico (anima di rame e rivestimento di titanio). Il risultato di diminuire la caduta di tensione è stato basilarmente ottenuto aggiungendo una coppia di espansori alla coppia di espansori usati convenzionalmente. Detti espansori sono fissati in punti ortogonali ai punti di saldatura dei primi in modo tale da mantenere una elasticità ottimale ed uniforme sia in posizione contratta che espansa, evitando inoltre di compromettere il contatto tra l'anima di rame e il rivestimento di titanio del conduttore di corrente. L'aggiunta della seconda coppia di espansori, secondo l'invenzione, è particolarmente indicata quando si voglia ridurre la caduta di tensione o aumentare la spinta degli espansori di anodi esistenti e da molti anni in funzionamento.
L'invenzione verrà ora descritta facendo riferimento ai disegni, di cui:
Fig. 3 illustra un anodo espandibile oggetto della presente invenzione, rispettivamente in vista frontale, 3A, e in sezione dall'alto, 3B.
Fig. 4 illustra un anodo espandibile convenzionale, rispettivamente in vista frontale, 4A, e in sezione dall'alto, 4B.
Per semplicità, nelle quattro figure le superfici anodiche (E) sono state omesse.
L'anodo dell'invenzione, nuovo o dopo modifica di anodo esistente, è illustrato nelle figure 3A e B. La sua struttura è costituita dal portacorrente (D) (anima in rame dotata di rivestimento di titanio), da una coppia di espansori (F) saldati al portacorrente (D) (come nella tecnologia nota), nei punti (J) e da una seconda coppia di espansori (K) saldati al portacorrente (D) nei punti (Ji ) situati a 90° (ortogonali) rispetto ai punti J lungo la circonferenza del portacorrente (D). Le superfici anodiche (E in figura 2, non rappresentate nelle figure 3A e B), sono fissate, ad esempio via arco elettrico o per puntatura elettrica, in (M), con punti di saldatura che le uniscono contemporaneamente con (F) e (K). Per maggior chiarezza, la fig. 4 schematizza in modo analogo la struttura di un anodo convenzionale. In questo caso il portacorrente (D) è dotato di una sola coppia di espansori (F), sulle cui estremità (M) sono fissate le superfici anodiche. Appare chiaro dal confronto delle figure che la corrente elettrica è trasmessa dal portacorrente alle superfici anodiche con una sezione di passaggio doppia, nell'anodo dell'invenzione. Gli espansori dell'anodo dell'invenzione, fissati indipendentemente al portacorrente e successivamente fissati in un unico passaggio fra di loro e con le superficie anodiche, non inducono inoltre alcuna deformazione o ostacolo, nè alla contrazione nè all'espansione. Infine, i punti di fissaggio (J) e (J1), disposti ortogonalmente lungo la circonferenza del portacorrente (D), minimizzano la sollecitazione termica di saldatura sull'interfaccia anima di rame/rivestimento di titanio che di conseguenza non è sede di aumentate cadute di tensione come accade nella citata tecnica nota (domanda di brevetto Brasiliana N. PI9301694).
ESEMPIO
Nella tabella sono descritte le cadute di tensione degli anodi installati nelle più comuni celle a diaframma, confrontate con quelle del nuovo anodo.
Le cadute di tensione sono state misurate tra l'anima di rame del portacorrente e la rete nel punto di saldatura.
Claims (4)
- RIVENDICAZIONI 1. Anodo di tipo espandibile per celle per elettrolisi cloro-soda a diaframma comprendente un portacorrente, costituito da un'anima di rame e da un rivestimento colaminato di titanio e una prima coppia di espansori flessibili fissati ad una loro estremità al portacorrente con punti di saldatura, e superfici anodiche fissate all'altra estremità di detti espansori, caratterizzato dal fatto che allo scopo di diminuire la caduta di tensione negli espansori e fra anima di rame e rivestimento colaminato di titanio del portacorrente, detto anodo è dotato di una ulteriore coppia di espansori flessibili fissati a detto portacorrente con punti di saldatura localizzati a 90° lungo la circonferenza del portacorrente rispetto ai punti di saldatura di detta prima coppia di espansori e le superfici anodiche sono a loro volta fissate a dette coppie di espansori.
- 2. L'anodo della riv. 1, caratterizzato dal fatto che detti punti di saldatura sono ottenuti con un procedimento ad arco elettrico o a resistenza elettrica.
- 3. Metodo di miglioramento di un anodo esercito per celle di elettrolisi clorosoda a diaframma costituito da un'anima di rame e da un rivestimento colaminato di titanio e una prima coppia di espansori flessibili fissati ad una loro estremità al portacorrente con punti di saldatura e superfici anodiche fissate all'altra estremità di detti espansori, caratterizzato dal fatto di fissare una ulteriore coppia di espansori flessibili a detto portacorrente con punti di saldatura localizzati a 90° lungo la circonferenza del portacorrente rispetto ai punti di saldatura di detta prima coppia di espansori e di fissare le superfici anodiche a dette coppie di espansori.
- 4. Il metodo della riv. 3, caratterizzato dal fatto di applicare detti punti di saldatura con un procedimento ad arco elettrico o a resistenza elettrica.
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