ITMI971874A1 - Apparecchiatura per elettrolisi - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "APPARECCHIATURA PER ELETTROLISI1'

La presente invenzione riguarda un'apparecchiatura per elettrolisi del tipo già ampiamente descrìtto nelle pubblicazioni di brevetto europeo EP-A-0 064 417, EP-A-0220 659 ed EP-A-0 500 505, quest'ultimo a nome della richiedente .

È noto che le apparecchiature per elettrolisi attualmente disponibili, descritte per esempio nei brevetti summenzionati, presentano alcuni inconvenienti rappresentati principalmente da una certa disuniformità nella distribuzione di corrente elettrica, dalla presenza di fenomeni di corrosione a causa del materiale metallico esistente come rivestimento delle camere elettrodiche e nei telai, nonché da qualche difficoltà nel supporto delle membrane in corrispondenza del perimetro interno delle camere elettrodiche, con il conseguente rischio di danneggiamento delle medesime. Inoltre si può lamentare in dette apparecchiature note per elettrolisi un'innegabile complessità di costruzione di telai e di elettrodi, la necessità di effettuare saldature per la tenuta dei fluidi ed una non facile conversione da assetto monopolare a bipolare o viceversa.

È noto altresì un elettrolizzatore cosiddetto "tipo UHDE" costituito da una pluralità di semicelle in serie tra loro che però, essendo metalliche, possono dar luogo a corrosione chimica ed elettrochimica e necessitano di saldature nonché di complessi sistemi di spinta alle estremità per mantenere il contatto elettrico tra le celle elementari in modo che la distribuzione di corrente avvenga nel modo più uniforme, per cui è richiesta la presenza di numerosi punti da regolare per mezzo di organi di serraggio come bulloni. Inoltre tutti gli elementi del pacco che costituisce l'apparecchiatura elettrolitica sono interessati a tale spinta, comprese le delicate membrane a scambio ionico.

Costituisce pertanto uno scopo della presente invenzione quello di realizzare un'apparecchiatura ad alta efficienza e basso costo di realizzazione che, eliminando i summenzionati inconvenienti della tecnica nota, renda economicamente più conveniente per gli utilizzatori la produzione diretta, per via elettrochimica, di prodotti come ad esempio cloro gassoso, rispetto all'acquisto di Cl2 liquido da evaporare, con le conseguenti difficoltà ed i rischi connessi alle operazioni richieste di trasporto, stoccaggio e manipolazione. Ciò naturalmente per produzioni non eccessivamente elevate, che non richiedano impianti appositi.

Questo scopo viene conseguito mediante un'apparecchiatura elettrolitica presentante in generale le caratteristiche riportate nella rivendicazione 1.

Un primo vantaggio di tale apparecchiatura rispetto alla tecnica nota è l'eliminazione di superfici metalliche, come per i telai ed il rivestimento delle camere elettrodiche, con conseguente eliminazione di perdite, sia verso l'esterno, sia tra camere anodiche e catodiche, causate dalla corrosione.

Altro vantaggio è l'eliminazione di qualsiasi saldatura di tenuta, in quanto anche i telai sono realizzati per stampaggio di materiale plastico, da cui si ha una notevole semplificazione costruttiva degli elettrodi, formati semplicemente da lamiere piane e forate ad alto spessore.

Vantaggiosa è anche l'uniformità di distribuzione della corrente dovuta al suo percorso simmetrico ed al contatto assicurato tra le parti senza che sia necessario intervenire sulla regolazione di complessi sistemi di spinta, da cui la completa supportazione delle membrane su tutta l'area attiva, soprattutto nella zona perimetrale.

Inoltre i collegamenti elettrici sono sempre controllabili in qualsiasi momento, anche con apparecchiatura funzionante, essendo collocati all'esterno del pacco di elementi, sia su un solo lato, sia su più lati del perimetro, con conseguente estrema facilità di conversione dell'apparato da bipolare a monopolare e viceversa mediante una semplice modifica del montaggio degli elettrodi rispetto ai telai e variazione dei collegamenti esterni, senza nessuna variazione costruttiva .

Infine è da notare la facilità di montaggio e smontaggio di tutti i componenti dell'apparecchiatura ed in particolare la facilità di smontaggio degli anodi da inviare alla periodica operazione di "recoating".

Questi ed altri scopi, vantaggi e caratteristiche della presente invenzione risulteranno più chiaramente dalla seguente dettagliata descrizione di una sua forma realizzativa, riportata a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento ai disegni annessi in cui:

la FIGURA 1 mostra una vista in sezione del pacco di celle elementari che costituiscono l'apparecchiatura secondo 1'invenzione;

la FIGURA 2 mostra una vista in elevazione di un telaio di semicella elementare;

la FIGURA 3 mostra una vista in sezione lungo la linea III-III di Fig. 2;

la FIGURA 4 mostra una vista in elevazione di un elettrodo anodico o catodico; e

la FIGURA 5 mostra una vista analoga a quella di Fig. 1 della stessa apparecchiatura per elettrolisi in configurazione monopolare.

Con riferimento ai disegni, in particolare alla Fig. 1 che rappresenta un sistema bipolare, si nota che gli elettrodi anodici e catodici sono identici nella forma, rappresentata indifferentemente in un caso o nell'altro in Fig. 4, ma differiscono nei materiali di costruzione. Infatti, gli anodi 2 sono preferibilmente in titanio attivato con rivestimento elettrocatalitico, mentre i catodi 3 possono essere in nichel o in acciaio al carbonio nichelato.

Gli elettrodi 2 e 3 di ciascuna camera elettrolitica o cella elementare 10 sono separati da una membrana a scambio ionico 4, mentre la tenuta dei fluidi è assicurata da due coppie di guarnizioni 6 e 7, rispettivamente intorno alla membrana 4, comprese tra i due elettrodi, ed all'esterno di questi. Più precisamente la prima coppia di guarnizioni 6 assicura la tenuta sulle due superfici perimetrali della membrana, mentre la seconda coppia di guarnizioni 7 assicura la tenuta sulle superfici perimetrali di due telai adiacenti. Entrambe le coppie di guarnizioni possono essere realizzate in gomma speciale o in materiale elastomero .

I telai 1 costituiscono la struttura portante del pacco che forma 1 'apparecchiatura per elettrolisi e, accoppiati tra loro, con interposti gli elettrodi 2 e 3, la membrana 4 e le guarnizioni 6 e 7, danno luogo ad una cella elementare 10. Secondo la presente invenzione ì telai 1 sono realizzati in materiale plastico che sia resistente al Cl2 e NaOH alle condizioni particolari di esercizio. Non sono previsti inserti metallici all'interno dell'area perimetrale né all'interno delle camere elettrolitiche. Il passaggio di corrènte avviene pertanto esclusivamente all'esterno del pacco collegando tra di loro l'elettrodo anodico 2 di una cella elementare 10 con l'elettrodo catodico 3 della cella adiacente mediante elementi elastici 5 realizzati in materiale conduttore, preferibilmente rame, eventualmente nichelato o argentato.

Si può osservare che le differenze strutturali fondamentali rispetto alla tecnica nota, in particolare nei confronti del precedente brevetto europeo 0 500 505 a nome della stessa richiedente, possono essere qui di seguito elencate.

I telai 1 non sono più corpi di elementi bipolari comprendenti una semicella anodica ed una semicella catodica, ma sono i corpi di singole semicelle anodiche o catodiche, ciascuna provvista di un foro di ingresso 11 e di un foro di uscita 12 (si veda Fig. 2) dei fluidi. Ogni telaio 1 presenta inoltre una serie di fori 13 per il fissaggio al telaio adiacente lungo un piano di contatto 20 dando così origine ad una cella elettrolitica elementare 10, completa. Una serie di tali celle elettrolitiche costituisce l'apparecchiatura dell'invenzione, che non è quindi formata da un insieme di elementi bipolari come nel summenzionato brevetto europeo 0 500 505. Come detto in precedenza, le celle sono collegate elettricamente in serie mediante collegamenti elastici 5 tra il catodo di una cella e l'anodo della cella adiacente .

In definitiva ogni cella elementare completa è costituita da due telai 1, in materiale plastico, accoppiati mediante tiranti 14 in materiale plastico isolante passanti attraverso fori 14 e serrati da dadi 15 con interposti un anodo 2 ed un catodo 3 inframmezzati tra due coppie di guarnizioni 6 e 7 e membrana intermedia a scambio ionico 4 che separa la camera anodica da quella catodica .

La tenuta dei fluidi è realizzata indipendentemente, attraverso l'accoppiamento di testa dei telai 1 lungo i piani 20 per ogni singola cella elementare e pertanto non vi è più la necessità di esercitare una spinta dall'esterno che blocchi il pacco di elementi, per esempio mediante tiranti o sistemi idraulici. Pertanto le testate 8 e 9 alle estremità della serie di celle 10 hanno qui soltanto una funzione di contenimento del pacco stesso, senza compiti di tenuta dei fluidi o di assicurare l'uniforme distribuzione della corrente di alimentazione.

Sempre rispetto alla tecnica nota, ed in particolare al brevetto europeo 0 500 505 della stessa richiedente, si possono notare ulteriori vantaggi come:

- semplificazione costruttiva degli elettrodi 2 e 3, che non richiedono più la saldatura dei supporti a squadra dì sostegno, in quanto nell’apparecchiatura oggetto della presente invenzione vengono fissati ai telai 1 mediante tiranti 14 e dadi 15 attraverso fori passanti 13; - possibilità di montare preventivamente le singole celle 10, incluse le membrane 4 e trasportarle preassemblate sul supporto dell'elettrolizzatore, con notevole semplificazione del montaggio;

- possibilità di conservare le membrane 4 nelle celle preassemblate mediante appositi fluidi di mantenimento ;

- facilità di sostituzione di una membrana danneggiata, essendo possibile sostituire le singole celle complete con altre di ricambio già preassemblate;

- possibilità di eliminazione dei sistemi di spinta del pacco, sostituendoli con strutture più leggere aventi puramente la funzione di solo "contenimento "; e

- eliminazione della necessità di trasportare l'apparecchiatura completa o "pacco celle", in quanto si possono movimentare indipendentemente le singole celle elementari.

I vantaggi summenzionati rispetto all'apparecchiatura secondo il brevetto europeo n.

0 500 505 a nome della stessa richiedente vengono ottenuti senza rinunciare al vantaggio presentato da quest'ultima nei confronti della tecnica nota ad essa precedente, cioè di poter passare dall'assetto bipolare a quello monopolare e viceversa senza modificare gli elementi che costituiscono l'apparecchiatura, soltanto cambiando la disposizione dei collegamenti elettrici, come si può facilmente verificare con riferimento alla Fig. 5 dove numeri uguali corrispondono agli stessi elementi strutturali della configurazione bipolare come rappresentata in Fig. 1.

ESEMPIO

Un elettrolizzatore pilota bipolare, come rappresentato in Fig. 1, è costituito da due testate di contenimento che racchiudono cinque celle elementari complete, ciascuna comprendente due telai in materiale plastico accoppiati con una serie di tiranti e dadi in materiale plastico isolante, con interposti un anodo ed un catodo. Gli anodi sono realizzati in lamiera di titanio forata avente spessore 3 mm ed i catodi sono in lamiera forata di acciaio nichelato, anch'essi spessi 3 mm. Ogni cella elementare presenta una superficie attiva di 6 dm2.

Una membrana a scambio ionico del tipo Nafion 355 DuPont separa la camera anodica da quella catodica, essendo prevista una coppia di guarnizioni tra elettrodi e membrana e una seconda coppia di guarnizioni, più esterna, tra elettrodi e telai. Gli elettrodi delle celle adiacenti sono collegati in serie tra loro mediante cavallotti flessibili in rame nichelato.

Con questa apparecchiatura viene elettrolizzata una soluzione di cloruro di potassio per ottenere Cl2 gassoso e KOH. In particolare la soluzione conteneva da 280 a 310 g/dm3 di KC1, alimentata in ciascuna camera anodica in modo tale da ottenere all'uscita una concentrazione di KC1 compresa tra 190 a 220 g/dm<3 >e gas cloro con una purezza del 97-98%, con una densità di corrente tra 3 e 4 KA/m<2>. Ciascuna camera catodica veniva allo stesso tempo alimentata con una portata di soluzione diluita di KOH, tale da avere in uscita una concentrazione di idrossido di potassio pari a 29-32% in peso. La temperatura operativa dell'elettrolizzatore era di 83-86°C.

I risultati delle prove indicarono un rendimento del 95-97% ed una tensione di cella di 3,2-3,5 Volt.

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparecchiatura per elettrolisi comprendente una pluralità di celle elementari (10) complete collegate elettricamente in serie, ciascuna costituita da due telai (1) con interposti un anodo (2), un catodo (3), una membrana a scambio ionico (4), una prima coppia di guarnizioni (6) tra elettrodi e membrana ed una seconda coppia di guarnizioni (7) tra elettrodi e telai, il tutto fra due testate di contenimento (8, 9), caratterizzata dal fatto che detti telai sono in materiale non metallico, accoppiati mediante una serie di tiranti (14) e dadi (15) in materiale isolante e che i collegamenti elettrici tra anodi (2) e catodi (3) di celle (10) adiacenti è realizzato esternamente al perimetro delle celle elementari.
2. 2. Apparecchiatura per elettrolisi secondo la rivendicazione 1, in cui detti collegamenti elettrici esterni tra elettrodi sono costituiti da elementi conduttori elastici (5).
3. 3. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detti telai (1) sono realizzati in materiale plastico e privi di inserti metallici sia in corrispondenza della parete di separazione tra le camere elettrodiche, sia in corrispondenza dell'area perimetrale.
4. 4. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1, in cui dette testate di estremità (8, 9) hanno esclusivamente funzione di contenimento del pacco di celle (10), non prevedendo elementi di spinta a compressione del pacco stesso.