NO752660L - - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en elektrolysecelle, og særlig en

sådan celle med bipolare elementer for elektrolyse av alkalisalter, samt en fremgangsmåte f ©r' u-ti&ørelse av sådan elektrolyse.

Elektrolyseceller med bipolare elementer har lenge vært ålment

kjent. Sådanne celler har den fordel at de oppviser en kompakt konstruksjon, således at det spares plass og strømtilførslen kan skje på særlig enkel måte på grunnlag av det forhold at cellens' enkelte avdelinger monteres direkte i serie.

Den praktiske utførelse av cellene støter imidlertid på vanskeligheter som har grunnlag i vedkommende cellers konstruktive oppbygning. Cellene er nemlig utført som en mekanisk sammenstilling av et stort antall enkelte celleavdelinger, hvilket øker risikoen for driftstans av hele sammenstillingen som følge av en triviell svikt i en av celleavdelingene. Fremkomst av nye, mer egnede materialer har gjort det mulig ikke bare å øke påliteligheten av sådanne sammenstillinger, men også strømbelastningen pr. flateenhet for elektrodene. Denne sistnevnte fordel er gjort mulig særlig ved anvendelse av el ektrodekonstruksjoner av metall og hvori det inngår titan eller metaller og legeringer med tilsvarende egenskaper, idet anodisk aktive deler av disse konstruksjoner påføres ledende belegg som ikke angripes i vedkommende elektrolytt. Disse konstruksjoner kan være utført slik at den utskilte gass under elektrolysen hovedsakelig unnslipper oventil i det mellomrom som foreligger mellom de katodisk og anodisk aktive partier, hvilket medfører, sammen med det forhold i elektrolyseceller av filterpresse-typen at det ikke foreligger vesentlige ohmske tap i selve elektrodene som følge av elektrisk strømgjennomgang vinkelrett på elektrodenes elektrolytisk aktive flater, at på den ene siden elektrodenes høydeutstrekning kan økes og på den annen side strømtettheten pr. flateenhet kan forhøyes, uten at det oppstår utillatelig oppvarming. Sådanne bipolare elektroder er særlig beskrevet i søkerens to tidligere franske pateritansøkninger nr. 71/45861 og 71/46072.

Konstruksjon av celler av filterpresse-typen og stor ytelse ved anvendelse av sådanne elektroder, byr imidlertid på andre problemer, idet erfaringen viser at rammekonstruksjoner utført på vanlig teknologisk grunnlag ikke er tilstrekkelig for å kunne anvendes ved konstruksjon av sådanne elektrolyseceller med særlig stor strømtetthet, som følge av de vanskeligheter som oppstår ved innbyrdes adskillelse av den frembragte gass og de foreliggende væsker samt ved elektrolyttens sirkulasjon. I sådanne celler med høy strømtetthet er det faktisk vanskelig å oppnå tilfredsstillende utskillelse av de store gassmengder som foreligger oppblandet i den relativt store elektrolyttmengde ved å anordne større tverrsnitt for de forskjellige strømningskanaler, hvilket fører til vesentlige strøm-lekkasjer, hvilket således er en følge av sammenføring i samlekanaler av væskestrømninger avgitt fra hver elementærcelle. I sådanne elektrolyseceller med høy strømtetthet bør videre elektrolytt-sirkulasjonen spesielt studeres med det formål å unngå på den ene side en markert ioneutarmning i elektrolytten i den grad den har en tendens til å strømme oppover i mellomrommene mellom anodene og katodene, samt på den annen side elektrolyttens for store innhold av gassbobler. For å overvinne disse ulemper er det i fransk patentskrift nr. 2.169.710 foreslått anvendelse av élektrolyserammer som oppviser en nedre sone som inneslutter en anode eller en katode, samt en øvre sone i kommunikasjon-.med nevnte nedre sone gjennom en eller flere åpninger, og hvori adskillelse av den gass som frembringes ved elektrolysen, finner sted.

•I praksis kan nevnte oppfinnelse bringes til utførelse ved anordning av en rekke åpninger mellom nevnte nedre og øvre sone. På denne måte har det vært mulig å oppnå betraktelige strømtettheter, f.eks. som angitt i nevnte patentskrift, av størrelsesorden 30 A/dm 2ifor en celle med elektrodef later på 60 dm^, og som arbeider ved' 90°C samt er forsynt med en natriumkloridløsning på 310 g/m under anvendelse av en spenning på 3.2 volt pr. elementærcel1e. Selv om disse resultater innebærer et betydelig fremskritt i forhold til vanlig kjent teknikk, viser det seg dessverre at de likevel ikke er til-

strekkelig for å oppfylle de foreliggende aktuelle industrielle fordringer.

Det bør i denne forbindelse bemerkes at emulsjonsvolumet i den

ovenfor nevnte øvre sone, som i det følgende vil bli kalt utskillelsessonen, øker som en funksjon av tiden av forskjellige grunner, som delvis står i forbindelse med cellemembranens eldning. Emulsjonens overflatenivå er imidlertid begrenset til en maksimal-verdi over hvilken nevnte emulsjon vil trenge ut gjennom utløpsåpningen for klorgassen, hvilket har til følge enten fullstendig driftstans for cellen, eller i det minste en påtvunget vesentlig nedsetning av cellens strømtetthet, og således også av klorfremstill ingen.

I henhold til oppfinnelsen er det imidlertid funnet frem til en el ektrolyseprosess, særlig for elektrolyse av alkaliklorider, hvorunder de gasser som utvikles i elektrolyseområdet i det minste delvis utskilles fra væskefasen i en avgrenset del av det elektrolytisk aktive området, idet fremgangsmåtens særtrekk i henhold til oppfinnelsen består i at emulsjonen av gassci væske utsettes for et regulert ladningstap.

Dette ladningstap avhenger av forskjellige faktorer, særlig den geometriske utformning av emulsjonens passasje i det elektrolytisk aktive området, den geometriske utformning av passasjen for nevnte emulsjon i den sone somruforeligger mellom det elektrolytisk aktive området og utskillelsessonen, lengden av nevnte sone samt utformningen av passasjen i utskillelsessonen etc.

Likeledes er visse driftsbetingelser som temperatur, strømtetthet

etc. av betydning.

Visse driftsbetingelser er i praksis fastlagt av tekniske og økonomiske forhold. Ganske overraskende har man imidlertid kommet frem til at 1adningstapet kan reguleres på enkel og praktisk måte ved å innføre mellom en nedre elektrolytisk aktiv sone og en øvre utskil1 elsessone i en vertikal elektrolysecelle, en mellomsone med regulert ladningstap.

En praktisk utførelsesform går ut på å anordne i denne sone en rekke kanaler som danner forbindelse mellom den øvre og den nedre sone og hvis geometriske utformning, særlig lengdeutstrekning og tverrsnitt, er beregnet på grunnlag av utformningen av elektrolysecellens øvrige partier og de foreliggende driftsbetingelser, idet nevnte kanaler befinner seg i den øvre del av såvel øvre som nedre sone,

og hvis øvre parti normalt er nedsenket i den væske som befinner seg i den øvre sone.

Det er videre funnet at emulsjonsvolumet i den øvre sone kan reduseres ved at det opprettes en el ektrolyttsirkulasjon mellom utskillelsessonen og deri egentlige elektrolysesone.

For dette formål vil det således være tilstrekkelig å i tillegg anordne resirkulasjonskanaler mellom øvre og nedre sone.

En anordning for utførelse av oppfinnelsens fremgangsmåte omfatter således hensiktsmessig en nedre elektrolysesone, en øvre utskil1 elsessone samt en mellomliggende sone, idet anordningens særtrekk i henhold til oppfinnelsen består i at mellomsonen mellom den øvre og nedre sone utgjøres av en rekke ladningstapkanaler, som befinner seg i den øvre del av såvel øvre som nedre sone, samt en rekke resirkulasjonskanaler i den nedre del av den øvre sone og den nedre del av den nedre sone.

Nevnte kanaler kan anta en hvilken som helst hensiktsmessig geometrisk form, og særlig hvilke som helst egnede tverrsnitt, som f.eks. sylindrisk, rektangulært etc.

Kanalene kan særlig utføres på enkel måte i form av "rør.

Gassutskillelse og resirkulasjon i elektrolysecellen kan således reguleres ved hensiktsmessig tilpassing av rørenes antall og utforming.

For praktiske formål kan tilførsel av elektrolysevæske i hver anodeavdeling skje ved forlengelse av de nedre rør i retning oppover således at de kan tilsluttes en tilførselskanal, samtidig som det i disse røriidet parti av den øvre sone som inneslutter væske, anordnes minst en åpning som tillater passasje av anolytt.

Foreliggende oppfinnelse kan bringes til utførelse i hvilken som helst elektrolysecelle, særlig sådanne celler med bipolare elementer av filterpresse-typen, og som er beskrevet i fransk patentskrift nr. 2.169.710, eller en elektrolysecelle som inneholder bipolare elementer av den art som er beskrevet i søkerens franske patent-ansøkning nr. 73/25917. For å oppnå en enkel konstruksjon er hver nedre sone fortrinnsvis forbundet med en tilsvarende øvre sone.

Men oppfinnelsen kan imidlertid også bringes til utførelse i elektrolyseceller som omfatter en felles øvre sone for flere nedre soner, eventuelt flere øvre soner for en og samme nedre sone.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere forklart ved hjelp av anskuelige utførelseseksempler og under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser i perspektiv en elektrolysecelle i henhold til oppfinnelsen, og Fig. 2 viser en anoderamme utstyrt med rør som danner en ladningstapsone i henhold til oppfinnelsen samt muliggjør resirkulasjon og tilførsel av el ektrolysevæske.

I fig. 1 er det vist en elektrolysecelle av modultype og med elementer betegnet med 1 og 2. Hver del av cellen omfatter en 'anodeavdeling 3 eller 4, og en katodeavdeling 5 eller 6.

'Sammenføyningen av elementene er sikret ved hjelp av forbindelse-

og låseorganer som angitt ved 7, 8, 9 og 10, idet disse organer er fast forbundet med de forskjellige elementer langs deres omkrets.

Disse forbindelse- og låseorganer kan f.eks. utgjøres av et innføringsparti 11 som er anordnet for å innføres .i et mottagerparti 12 på en tilstøtende ramme, hvorved den opprettede forbindelse opprettholdes ved en elastisk sneppertanordning, som ikke er vist. Hvert modul element 1 eller 2 understøttes av en trinse som angitt ved 13 eller 14, på en føringsskinne 15 og 16, hvilket tillater korrekt plassering og sammenføyning av to naboelementer.

Hver anode- og katodeavdeling utgjøres i seg selv av en beholder 17, 18, 19 og 20, som omslutter en elektrode og utgjør den nedre sone for nevnte ramme eller avdeling, samt en ytterligere beholder 21, 22, 23 og 24, som utgjør den øvre sone.

I henhold til oppfinnelsen står de beholdere som danner nedre soner i forbindelse med de beholdere som utgjør de øvre soner, ved hjelp av et sett rør som angitt ved 25, 26, 27 og 28.

De beholdere som tilsvarer øvre soner for anodeavdelingene 22 og 24 har større omfang enn de beholdere 21 og 23 som tilsvarer katode-avdel inger.

Tett forbindelse mellom de forskjellige rammer oppnås ved hjelp av ikke viste midler som sikrer uforandret opprettholdelse av interpolar forbindelse, idet disse midler utgjøres av rammene i seg selv og tetningspakninger anordnet i uttagninger utformet for dette formål langs den ytre omkrets av de rammer som danner de nedre partier.

I fig. 2 er det vist en anoderamme 20 utstyrt med rør som danner

en 1adningstapssone i henhold til oppfinnelsen samt muliggjør resirkulasjon og tilførsel av elektrolysevæske.

Røret 27 utgjør et rør i henhold til oppfinnelsen, hvilket vil si

at dets nedre del er anordnet i det øvre parti av den nedre beholder 20, mens rørets øvre del befinner seg ovenfor bunnen av den beholder 24 som utgjør den ø\frre sone..

Røret 28 er et rør hvis nedre del 29 befinner seg i den nedre del

av beholderen 20, og som er utstyrt med en åpning 30 anordnet i den nedre del av den øvre beholder 24.

Røret 28 er forlenget med et rør 31 som er ført tvers igjennom beholderen 24 og tillater tilførsel av elektrolysevæske ovenfra

til cellen ved hpip av en tilførselekanal 32.

Utslipp av de gasser som utgjøres av klor og hydrogen finner sted oventil gjennom kanaler som ikke er vist, men som er forbundet med de øvre beholdere for både anode- og katodeavdelingene.

Det vil imidlertid være åpenbart at foreliggende oppfinnelse

ikke er begrenset til de utførelser som nettopp er beskrevet. Det kan således anvendes felles utskillelsessoner istedet for de som er omtalt, og oppfinnelsen kan også bringes til utførelse i forbindelse med celler som ikke er utstyrt med utskillelsessoner for katodeavdelingene, men bare for anodeavdelingene.

Likeledes kan en og samme avdeling, f.eks. en anodeavdeling, være forbundet med flere utskillelsessoner, eller omvendt flere anode-avdelinger være tilsluttet en og samme utskillelsessone.

Utformingen av de øvre og nedre rør liksom deres plassering i forhold til hverandre eller i cellen, kan anta et stort antall utførelses-former. Uten at oppfinnelsens ramme overskrides kan det således anordnes organer for variasjon av 1adningstapsonen, særlig som funksjon av driftsbetingelsene, idet sådanne organer for eksempel kan være anordnet for å utvide eller innskrenke den mellomliggende sone, eller også for å ta i bruk et varierende antall nedre-og øvre rør. Disse rør'kan videre være anordnet koaksialt eller innbyrdes eksentrisk.

For ytterligere å anskueliggjøre oppfinnelsen skal det nå beskrives forsøk som er utført som rene utførelseseksempler ved anvendelse av en elektrolysecelle som beskrevet ovenfor.

EKSEMPEL 1

Ved en elektrolyse som omfatter elektroder på 60 dm , har en interpolaravstand lik 4 mm, er utstyrt med 6 øvre rør med lengde lik 35 cm og diameter lik 4 cm samt to nedre rør som tilføres en natriumkloridløsning på 310 g/l, har man konstatert, at det kan oppnåo s en strømtetthet på o 50 A/dm 2 ved en likevektspenning på 3.80 volt og en temperatur på 90°C.

EKSEMPEL 2

Dette utførelseseksempel har som formål å påvise nitten av de øvre og nedre rør.

Den anvendte elektrolysecelle er av samme art som i det forutgående eksempel, og driftsbetingelsene er de samme bortsett fra at strømtettheten er lik 33 A/dm 2 og likevektspenningen er 3.3 volt.

Det bør bemerkes at under disse forhold tilsvarer emulsjonsnivået i de øvre beholdere hele sonehøyden og er lik 9 cm, samt at dette nivå holder seg uforandret i stedet for å øke slik det som regel er tilfelle ved celler uten øvre rør.

De to nedre rør bringes så ut av kretsen ved at de tettes til. Det observeres da at emulsjonsnivået stiger betraktelig og oppnår en høyde på 29 cm. For sammenligning observeres at i fravær av en regulert 1adningstapsone i henhold til oppfinnelsen, og ved en anordning i henhold til fransk patentskrift nr. 2.169.710 under samme driftsforhold, er emulsjonshøyden lik 60 cm.

Med disse eksempler er de fordeler som oppnås ved foreliggende oppfinnelse klart påvist, idet det ved utnyttelse av oppfinnelsen på den ene side kan oppnås en større klorproduksjon da elektrolysecellen kan drives med større strømtetthet, samtidig som det oppnås bedre arbeidsbetingelser, særlig ved at det foreligger en mindre kloratandel i katolytten.

Claims (17)

1. Fremgangsmåte ved elektrolyse, særlig elektrolyse av en alkali-kloridløsning, hvorunder de gasser som utvikles i elektrolyseområdet i det minste delvis utskilles fra væskefasen i en klart avgrenset del av det elektrolytisk aktive området, karakterisert ved at emulsjonen av gass i væske utsettes for et regulert ladningstap.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det regulerte ladningstap oppnås ved hjelp av en mellomsone mellom elektrolysesonen og utskillelsessonen, idet nevnte mellomsone utgjøres av en sone med regulert ladningstap.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at det dessuten opprettes en elektrolyttresirkulasjon mellom utskillelsessonen og elektrolysesonen .

4. Elektrolyseanordhing for utførelse av den fremgangsmåte som er angitt i krav 1 - 3, og som omfatter bipolare enheter som utgjøres av rammer og hvorav i det minste anordedelen oppviser en nedre elektrolysesone og en øvre utskill elsessone i form av en avgrenset beholder, karakterisert ved at anordningen videre er utstyrt med en mellomsone med regulert ladningstap og som omfatter minst en kanal i den øvre del av såvel øvre som nedre sone.

5. Anordning som angitt i krav 4, karakterisert ved at den oppviser minst en kanal i den nedre del av såvel øvre som nedre sone.

6. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at minst en nedre kanal er utstyrt med en tilførsel for elektrolysevæske.

7. Anordning som angitt i krav 4-6, karakterisert ved at den er utstyrt med minst en øvre kanal og minst en hedre kanal.

8. Anordning som angitt i krav 7, karakterisert ved at den er utstyrt med minst en øvre kanal og minst en nedre kanal adskilt fra den øvre.

9. Anordning som.angitt i krav 7, karakterisert ved at minst en nedre kanal og en øvre kanal er koaksialt anordnet.

10. Anordning som angitt i krav 7, karakterisert ved at minst en øvre kanal og en nedre kanal er innbyrdes eksentrisk anordnet.

11. Anordning som angitt i krav 4 - 10, karakterisert ved at minst en kanal utgjøres av et rør.

12. Anordning som angitt i krav 4-10, karakterisert ved at hver øvre sone er forbundet med en tilsvarende nedre sone.

13. Anordning som angitt i krav 4-11, karakterisert ved at en og samme nedre sone er forbundet med flere øvre soner.

14. Anordning som angitt i krav 4-11, karakterisert ved at en og samme øvre sone er forbundet med flere nedre soner.

15. Anordning som angitt i krav 4 - 14, karakterisert ved at hver avdeling av elektrolysecellen omfatter en regulert ladningstapsone.

16. Anordning som angitt i krav 4 - 14, karakterisert ved at hver anodeavdeling omfatter en ladningstapsone.

17. Anordning som angitt i krav 4 - 16, karakterisert ved at den omfatter organer for variasjon av 1adningstapet.