NO153613B - Elektrolyseapparat for fremstilling av klor. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et elektrolyseapparat for fremstilling av klor av vandige alkalihalogenidoppløsninger, ved hvilket anode- og katoderommet er skilt fra hverandre ved hjelp av en skillevegg, f.eks. et diafragma eller en ioneut-byttermembran.

I DE-OS 2 538 414 er beskrevet en elektrolysecelle som er driftsklar som enkelt element, dog sammenbygd i en egnet anordning til en multi elektrolysecelle. Et element av denne elektrolysator er kjennetegnet ved at huset består av to halvskåler, elektrodene er forbundet over elektrisk ledende bolter med halvskålene, hvorved boltene rager gjennom veggene til halvskålene er pålagt på deres gjennomragende side strøm-tilførsler og innretninger for sammenpressing av strømtil-førslene, halvskåler, elektroder og skillevegg, og skilleveggen er anordnet mellom elektrisk ledende distansestykker som er anordnet i forlengelsene til boltene på den elektro-lytiske aktive siden av elektrodene og er innklemt ved hjelp av tetningselementer mellom kantene til halvskålene.

Ved de kjente mulitelektrolyseceller oppviser huset gjennom-hulninger gjénnom strømtilførsler som fører til elektrodene, hvilket er ulempelig da det ved disse gjennomføringer opptrer lekkasje, noe som bare kan avverges ved utkopling av hele elektrolysøren og utveksling av utette elementer.

En videre ulempe ses deri at elementer som av økonomiske grunner må bygges under anvendelse av tynne stål- og titan-blekk, utbules ved det hydrostatiske trykk av væskesøylen i cellen, hvorved det ved uttak av elementene i væskefylt tilstand fra elektrolysøren er vanskelig å fjerne disse fra pressanordningen.

Videre er det ved de bestående multielektrolyseceller en ulempe at så vel over tilførselsledningene for elektrolytt-oppløsningene som også gjennom utledningsledningene for produkter kan ledes betydelige strømmengder som krypstrøm eller lekkasjestrømmer. Det kan derved oppstå betydelige

korrosjonsskader på de av metall fremstilte celledeler.

Det ble derfor stilt som oppgave å fremskaffe et elektrolyseapparat som ikke oppviser de ovenfor beskrevne ulemper. Utover dette besto oppgaven i å oppbygge elektrolyseapparatet av enkeltdeler på en slik måte at tettheten av de enkelte celler, tilstanden av de elektriske kontakter og strømfordel-ing uten videre kunne overvåkes. Videre skulle enkeltcellene enkeltvis være funksjonsdyktige. I tilfelle av reparasjon skulle de defekte celler kunne fjernes lett i fylt tilstand eller kunne utbyttes uten at dermed en demontasje av det totale elektrolyseapparat skulle være nødvendig, hvorved driften skulle bli avbrutt i lengere tid.

Oppfinnelsen vedrører elektrolyseapparat for fremstilling av klor av vandige alkalihalogenidoppløsninger omfattende minst én elektrolysecelle, hvis anode og katode er skilt fra hverandre ved en skillevegg og ér anordnet i et hus av to halvskåler, hvorved huset er forsynt med innretninger for til-førsel av elektrolyseutgangsstoffer og for utførsel av elektrolyseprodukter, og skilleveggen er innklemt ved hjelp av tetningselementer mellom kantene til halvskålene og er plassert mellom skiver for kraftoverføring av elektrisk ikke-ledende materiale som strekker seg inntil elektrodene, idet apparatet erkarakterisert vedat elektrodene er mekanisk og elektrisk ledende forbundet via distansestykker som er festet til innersiden av halvskålene, og over elektrodens kanter med halvskålene.

Halvskålene til elektrolysecellene kan være forsynt med forstivninger og i det minste kan en av halvskålene til en elektrolysecelle oppvise på dens utside og i forlengelsen til -skivene for kraftoverføring og distansestykket elektrisk ledende kraftoverføringselementer. For å unngå krypstrømmer kan tilførsel av elektrolyseutgangsstoffer og/eller for utledning av elektrolyseprodukter være anordnet i det indre av halvskålene minst i en vertikal retning fortløpende og i nærheten av kanten og gjennom halvskålene gjennomførte rør av elektrisk ikke-ledende materiale. Katodene kan bestå av jern, kobolt, nikkel eller krom eller en av deres legeringer og anodene kan bestå av titan, niob eller tantal eller en av deres legeringer av disse metaller eller av et metall- eller oksydkeramisk materiale. Utover dette kan anodene være forsynt med et elektrisk ledende, katalytisk virksomt belegg som inneholder metaller eller forbindelser fra gruppen av platinametaller.

På grunn av formen av elektrodene som består av gjennombrutt materiale som hullblikk, strekkmetall, flettverk eller kon-struksjoner av tynne rundstaver, og deres anordning i elektrolysecellen kan de ved elektrolysen dannede gasser lett inntre i rommet bak elektrodene. Ved dette gassavtrekk fra elektrode-spalten oppnår man en forminskning av gassboblestanden mellom elektrodene og dermed en forminsking av cellespenningen.

Halvskålene på katodesiden kan bestå av jern eller jernleger-inger. Dersom katode og halvskålen på katodesiden skal sveises til hverandre, består de best av det samme materiale, fortrinnsvis av stål. Halvskålen på anodesiden må bestå av et mot klor bestandig materiale som titan, niob eller tantal eller en legering av disse metaller eller av et metall-

eller oksydkeramisk materiale. Dersom halvskål og anode skal forbindes til hverandre ved sveising, velger man for begge deler samme materiale, fortrinnsvis titan. Halvskåler og elektroder kan også forbindes fast til hverandre med skrueforbindelser. I dette tilfellet kan halvskåler og elektroder bestå av forskjellige materialer.

Som skillevegg kommer i betraktning de for alkaliklorid-elektrolyse vanlige diafragmaer eller ionebyttemembraner. Ionebyttemembraner består i det vesentlige av et kopolymeri-sat av tetrafluoretylen og perfluorforbindelser som

Likeledes er det i bruk membraner med endestående sulfonamid-grupper (-SO^NHR) som ionebyttergrupper. Ekvivalentvektene til slike ionebyttere ligger mellom 800 og 1600, fortrinnsvis mellom 1100 og 1500. For forhøyelse av den mekaniske styrke er ionebyttemembranene oftest forsterket med et beskyttelses-vev av polytetrafluoretylen.

Disse ionebyttemembraner forhindrer på samme måte som asbestdiafragmaer blanding av hydrogen og klor, men tillater på grunn av deres selektive permeabilitet, gjennomgang av alklaimetall-ioner i katoderommet. De forhindrer altså i det vesentlige overgangen av halogenid i katoderommet og gjennomgang av hydroksylioner i anoderommet. Derved erholder man en prak-tisk saltfri lut, derimot må saltet fjernes fra katolytten til diafragmaceller ved en arbeidskrevene fremgangsmåte. Dertil kommer at i motsetning til asbestdiafragmaer danner ionebyttemembranene dimensjonsstabile skillevegger, som også er mer bestandige mot aggressive medier i alkalihalogenid-elektrolysen og har derfor en høyere livslengde enn asbest-diaf ragmaer .

Elektrolyseapparatet kan bestå av en elektrolysecelle, men også av et flertall etter hverandre koblede celler, hvorved den elektriske kontakt mellom naboceller skjer direkte over de i hverandre berørende halvskåler av naboelektrolyseceller eller over elektrisk ledende kraftoverføringselementer.

Elektrolyseapparatet i henhold til oppfinnelsen blir nærmere beskrevet på grunnlag av figurene som viser eksempler på utførelser. Fig. 1 viser et snitt gjennom en elektrolysecelle og fig. 2 viser et snitt gjennom to naboelektrolyseceller.

Fig. 3 viser en halvskål i oppriss,

fig. 4 viser snittet IV-IV i fig. 3,

fig. 5 og 6 viser muligheter for til- og utførsel av gasser

og væsker av elektrolysecellen og

fig. 7 og 8 viser to muligheter for elektrisk kobling av

elektrolysecellene i henhold til oppfinnelsen.

Huset til en elektrolysecelle består av en halvskål på anode-og katodesiden. Halvskålen 1 på anodesiden utformes av blikk og har en løs flens 2, mens halvskålen på katodesiden består av en vegg 9, som er forbundet med en fast flens 10. Selv-følgelig kan også halvskålen på anodesiden være forsynt med en fast flens eller halvskålen på katodesiden med en løs flens. Mellom tetningselementer 12 er innspent skilleveggen 7. Elektrodene 4 og 8 er fast forbundet over distansestykker (f.eks. bolter) 5 med halvskålene 1 og 9. Tilførselen av elektrolysestrømmen til anode og katode skjer enten direkte gjennom kontakter med halvskålveggen til naboelektrolyseceller eller gjennom kraftoverføringselementer (f.eks. bolter) 3, som f.eks. ved skrueforbindelse 11 er fast forbundet med halvskålen 1. Skivene 6 tjener for kraftoverføring for strømtilførselen. Ved valg av skivetykkelse kan elektrode-avstanden som også avstanden av elektrodene til skilleveggen innstilles. For forstivning av halvskålene er disse forsynt med forsenkninger 13a.

To utførelsesformer av disse forstivninger 13a og 13b er fremstilt i fig. 2, 3, 4 og 6. Samme eller andre forstivninger blir også anvendt for halvskålen på katodesiden.

I fig. 4 er videre fremstilt et avledningsrør 14 for elektro-lyttoppløsning i forbindelse med en forsenkning 13b. Fast-holding av rører skjer ved bøyle 18.

Fig. 5 viser tilførselen av elektrolytten til cellen over rørstussen 15 som er fast forbundet med halvskålen. Anordningen er også gyldig for halvskålen 9 med fast flens.

I fig. 6 blir det fremstilt avledning av elektrolytten.

Det lange rør 14 fremstilt av isolerende materiale avleder elektrolyttoppløsningen og elektrolysegasser fra cellen og reduserer ved lengden av den innenfor cellen lagte rørdel, krypstrømmer. Det blir skjøvet gjennom rørstussene 16 inn i cellen. Overgangsstykket 17 muliggjør overgangen til en til-sluttende slangeledning (ikke vist). Den i fig. 6 viste rør-tilslutning kan også selvfølgelig anvendes i denne form for tilførsel av elektrolyttene.

Som fig. 2 viser kan ved élektrolyseapparater med flere elek-trolyseceller anoder og katoder til naboceller være forbundet med hverandre over kraftoverføringselementer 3 av elektrisk ledende materiale. Dermed fremstiller anordningen et bi-polart elektrolyseapparat. Seriekopling av slike celler gir høye .spenninger og relativt små strømstyrker. På grunn av dette viser seriekoplingen fordel ved en bedre utnyttelse av kapasiteten av likeretterelementene, et mindre kopperfor-bruk og lavere spenningstap i strømskinnene. I mange til-feller, spesielt ved anvendelse av gitte likerettere med relativt lav spenning og høy strømstyrke, kan det være fordelaktig å drive de bipolaré elementer i monopolar anordning dvs. i parallellkopling. Dette er mulig ved cellene i henhold til oppfinnelsen. Fordelaktig er det imidlertid å drive serie- og parallellkopling ved siden av hverandre.

Ved egnet valg av størrelse av de seriekoplede grupper av celler som på sin side kan være parallelt koplet, kan hvilken som helst strømstyrke/spenningskombinasjon oppnås.

For å illustrere dette skal som vist i fig. 7, 32, elementer 20 i en elektrolysator' koples i serie. På likeretteren 19 påligger ved et spenningstap' av 4 V for hvert element en spenning på 120 V når strømstyrken er 8 kA.

Kopler man derimot etter fig. 8, elementene 20 til elektro-lysøren parallell, så påligger på likeretteren 19 4 V ved samme strømtetthet som i tilfelle ifølge fig. 7, en total-strøm på 256 kA. For fagmannen er det dermed uten videre forståelig hvordan variasjon av antall av elementer pr. elektrolyserer og antall av sammenkoplede elektrolyserør kan erholdes for hvert ønsket strømstyrke/spenningsforhold.

Claims (9)

1. Elektrolyseapparat for fremstilling av klor av vandige alkalihalogenidoppløsninger omfattende minst én elektrolysecelle, hvis anode og katode er skilt fra hverandre ved en skillevegg (7) og er anordnet i et hus av to halvskåler (1, 9), hvorved huset er forsynt med innretninger for tilførsel av elektrolyseutgangsstoffer og for utførsel av elektrolyseprodukter, og skilleveggen (7) er innklemt ved hjelp av tetningselementer (12) mellom kantene til halvskålene og er plassert mellom skiver for kraftoverføring (6) av elektrisk ikke-ledende materiale som strekker seg inntil elektrodene,karakterisert vedat elektrodene (4, 8) er mekanisk og elektrisk ledende forbundet via distansestykker (5) som er festet til innersiden av halvskålene, og over elektrodens kanter med halvskålene.

2. Elektrolyseapparat i henhold til krav 1,karakterisert vedat halvskålene (1, 9) til elektrolysecellene er forsynt med forstivninger (13a, 13b) .

3. Elektrolyseapparat i henhold til kravene 1 og 2,karakterisert vedat det for tilførsel av elektrolyseutgangsstoffer og/eller for utledning av elektrolyseprodukter i det indre av halvskålene (1, 9) i det minste i vertikal retning fortløpende og i nærheten av halvskålens kant gjennom halvskålen er anordnet et gjennombrutt rør (14) av elektrisk ikke-ledende materiale.

4.Elektrolyseapparat i henhold til kravene 1 og 2,karakterisert vedat i det minste en av halvskålene (1, 9) til en elektrolysecelle på dens utside og i forlengelsen av skiven for kraftoverføring (6) og distansestykket (5) oppviser elektrisk ledende kraftoverfør-ingselementer (3).

5. Elektrolyseapparat i henhold til krav 1,karakterisert vedat katodene består av jern, kobolt, nikkel eller krom eller en av deres legeringer.

6. Elektrolyseapparat i henhold til krav 1,karakterisert vedat anodene består av titan, niob, tantal eller en legering av disse metaller eller av et metall- eller oksydkeramisk materiale, og er forsynt med et elektrisk ledende, elektrokatalytisk virksomt belegg som inneholder metall eller forbindelser av metaller fra platinagruppen.

7. Elektrolyseapparat i henhold til krav 1,karakterisert vedat halvskålene på anodesiden består av et mot klor bestandig metall som titan, niob, tantal eller en legering av disse metaller.

8. Elektrolyseapparat i henhold til krav 1,karakterisert vedat halvskålene på katodesiden består av jern, kobolt, nikkel, krom eller en av deres legeringer.

9. Elektrolyseapparat i henhold til krav 1,karakterisert vedat det som skillevegger anvendes ionebyttemembraner.