NO791627L - Stroemfordelingsanordning for elektrolyseceller - Google Patents

Description

Strømfordelingsanordning for elektrolyseceller.

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning for jevn fordeling av elektrisk strøm til et antall elektrolysekretser som er sammenstilt i en gruppe. Disse elektrolysekretser er av filterpressetype og utgjøres av sammenstilte rekker av enkelte monopolare celleenheter. Strømmen flyter i parallell gjennom de forskjellige celleenheter i en og samme cellekrets eller cellerekke. Strømmen mellom de forskjellige elektrolysekretser eller cellerekker er imidlertid i serie. Foreliggende anordning er særlig anvendbar ved elektrolyse av vandige løsninger av alkalimetallklorider, slik som natriumklorid, for å fremstille alkalimetallhydroksyder, slik som natriumhydroksyd, sammen med klor og hydrogen.

Et filterpresse-arrangement utgjøres typisk av et antall separate celleenheter med plane elektrodeelementer hovedsakelig montert i vertikal stilling og innbyrdes adskilt langs sine aktive flater av en barriere, slik som et diafragma eller membranskikt. Filterpresseenhetene kan være monopolare eller bipolare, og de enkelte celleenheter kan hensiktsmessig være koblet i serie eller i parallell for dannelse av en cellekrets.

Klor og alkalimetallhydroksyder er viktige industrielle kjemikalier som fremstilles i store mengder. Anlegg som fremstiller 500 til 1000 tonn klor pr. dag er ikke ualminne-lig. Sådanne anlegg består vanligvis av et stort antall enkelte elektrolyseceller med strømkapasitet på flere hundre tusen ampere. Selv små forbedringer i den enkelte celles driftsegenskaper vil således kunne ha en stor økonomisk betydning på grunn av detstore volum av de fremstilte produkter.

Ved å tilføre likestrøm til en elektrolysecelle som inneholder en vandig løsning av alkalimetallklorid som elektro-lytt, vil hydrogen og alkalimetalloksyd utvikles ved katoden, mens klor utvikles ved anoden.

Elektrolyseceller som anvendes for kommersiell omvandling

av alkalimetallklorider til alkalimetallhydroksyder og klor, kan anses å falle i de tre følgende grupper: 1) diafragmaceller, 2) kvikksølvceller og 3) membranceller.

Diafragmacellene benytter seg av et eller flere diafragma som er gjennomtrengelig for elektrolyttløsning, men ugjennom-trengelig for gassbobler. Diafragmaet deler cellen i to eller flere kammere. Skjønt diafragmaceller gir relativt høyt produktutbytte pr. enhet gulvflate ved lavt energibehov og stort sett høy strømvirkningsgrad, må det fremstilte alkalimetallhydroksyd eller cellevæsken konsentreres og renses. Sådan konsentrasjon og rensning oppnås vanligvis i et påfølgende fordampningstrinn.

Kvikksølvceller benytter seg vanligvis av et bevegelig eller flytende leie av kvikksølv som katode og fremstiller et alkalimetallamalgam ved denne kvikksølvkatode. Halidgass utvikles ved anoden. Amalgamet trekkes ut av cellen og behandles med vann for fremstilling av alkalimetallhydroksyd med høy renhet.

Membranceller benytter seg av en eller flere membraner eller barrierer som skiller katolyttkammeret fra anolyttkammeret. Membranene er permselektive, hvilket vil si at de selektivt slipper i gjennom enten anioner eller kationer. De permselektive membraner som vanligvis anvendes er gjennom-trengelige for kationer. Katolyttproduktet i en membran-celle er vanligvis alkalimetallhydroksyd med meget høy renhet og som varierer i konsentrasjon fra omkring 250 til omkring 350 gram pr. liter.

Utviklingen av dimensjonsstabile anoder har gjort det mulig å stadig innskrenke avstanden eller gapet mellom elektrodene i en celle, således at stadig høyere celle-virkningsgrad derved kan oppnås.

Cellekretser eller cellebanker av filterpresse-celler dannes av en sammenstilling av enkelte cellekomponenter. F.eks.

ved et monopolart cellearrangement, omfatter sådanne kompo-nenter typisk et antall anoder montert i anoderammer og et antall katoder montert i katoderammer. Anodene og katodene er innbyrdes adskilt langs sine aktive flater ved hjelp av en gjennomtrengelig barriere, slik som f.eks. et diafragma eller en membran, samt langs den indre omkrets av rammene ved hjelp av ét bøyelig og elastisk pakningsstykke. Sammen-stillingen fullføres ved sammenkobling eller sammentrykning av komponentene, hydraulisk eller ved hjelp av skrueklemmer,

i den hensikt å trykke sammen pakningsstykkene således at de danner gass- og væsketett forbindelse mellom de enkelte enheter. Hver sådan krets eller rekke av filterpresse-celler inneholder fra omkring 10 til omkring 100 enkelte celleenheter.

De enkelte celleenheter i en monopolar, filterpressekrets er vanligvis koblet i serie, hvilket vil si at elektrodene i hver celleenhet har en ytre elektrisk forbindelse med en elektrode av motsatt polaritet i en annen celleenhet.

US patentskrift nr. 4.056.458 anskueliggjør sådanne kretser. Strømmen i cellekretsen flyter vanligvis i en retning som

er hovedsakelig parallell med kretsens lengdeakse, og de ytre elektriske koblinger forbinder vekselsvis annenhver celle i kretsen. Den totale lengde av de elektriske forbindelser som er påkrevet for å sammenkoble de enkelte celleenheter er vesentlig større enn den totale lengde av cellekretsen eller cellerekken.

Foreliggende oppfinnelse har som formål å frembringe en anordning for jevn fordeling av elektrisk strøm over monopolare filterpress-kretser,jved at de påkrevede koblingsforbindelser mellom celleenhetene forkortes, således at det oppnås en besparelse både av material og elektrisk energi.

Foreliggende anordning omfatter således utstyr for fordeling av elektrisk strøm jevnt og ensartet over et antall monopolare filterpress-kretser. Cellekretsene består av et antall enkelte anode- og katodeenheter som hver vanligvis omfatter vedkommende elektrode hensiktsmessig montert i en ramme.

Hver anode og katode i kretsen er innbyrdes adskilt langs

sin aktive flate av en barriere, f.eks. av asbest, eller en membran. De enkelte anode- og katodeenheter, som er innbyrdes adskilt av en passende barriere, er anordnet vekselsvis og tettende sammenstilt, ved kjente midler, for dannelse av enkelte elektrolyseceller anordnet i en monopolar cellekrets. Denne cellekrets utgjøres vanligvis av en langstrakt cellerekke bestående av ca. 10 til ca. 100 celler. Flere sådanne cellekretser danner en cellegruppe.

I samsvar med foreliggende oppfinnelse tilføres en elektrolyse-strøm på tvers av cellekretsene, hvilket vil si fra side til side av hver krets, i stedet for fra den ene til den annen ende av kretsen i henhold til kjent teknikk.

De foreliggende cellekretser er fortrinnsvis anbrakt parallelt ved siden av hverandre. En passende elektrolysestrøm til-føres anodene i en første krets. Katodene i denne første krets er elektrisk forbundet med og overfører elektrolyse-energi til anodene i den nærmest påfølgende krets og så

videre gjennom hver krets eller cellerekke. For å sikre god strømtilførsel er hver elektrode fortrinnsvis utstyrt med flere elektriske kontakter.

De elektriske forbindelser mellom kretsene kan varieres for

å gi en balansert strømfordeling under forskjellige celle-tilstander. Valgte sider av katodene kan således være forbundet med valgte sider av anodene i en tilstøtende krets. Den øvre ende av katodene i den ene cellekrets kan f.eks.

være elektrisk forbundet med den øvre ende av anodene i den neste cellekrets. Sammenkoblingen mellom kretsene kan

imidlertid etter ønske varieres fra nedre ende til nedre ende, side til øvre ende, side til nedre ende, nedre ende til øvre ende eller øvre ende til nedre ende. Det foretrukkede og mest økonomiske arrangement er imidlertid tverrforbindelse, hvilket vil si elektrisk forbindelse mellom kretsenes innbyrdes tilstøtende sider.

I et særlig foretrukket arrangement er kretsene tverrfor-bundet med felles samleskinner anordnet mellom og parallelt med lengdeaksen for hver krets. I denne utførelse er alle forbindelser mellom katoder og anoder i inntilliggende kretser utført ved hjelp av disse felles samleskinner.

Foreliggende oppfinnelse vil nå bli "nærmere beskrevet ved hjelp åv utførelseseksempler som illustrerer men på ingen måte er begrensende for foreliggende oppfinnelse, under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser skjematisk et typisk tidligere kjent kretsarrangement av bipolare filterpresse-celler. Fig. 2 viser skjematisk et kretsarrangement av monopolare filterpresse-celler i samsvar med foreliggende oppfinnelse, Fig. 3-8 viser skjematisk utførelsesvarianter av elektriske sammenkoblinger som kan utføres idet kretsarrangement som er vist i fig. 2, Fig. 9 er en skisse som mer detaljert viser utførelsen av de elektriske forbindelser mellom inntilliggende kretser, Fig. 10 viser skjematisk strømbanene mellom de tilstøtende kretser med den sammenkobling som er vist i fig. 9, Fig. 11 viser mer detaljert et foretrukket arrangement av de elektriske forbindelser mellom tilstøtende kretser, Fig. 12 viser skjematisk strømbanene mellom tilstøtende kretser i samsvar med de elektriske sammenkoblinger som er

vist i fig. 11,

Fig. 13 viser skjematisk anvendelse av en broomkobler sammen med de elektriske forbindelser som er vist i fig. 11.

I fig. 1 er det vist at bipolare celler, slik som f.eks. 11

og 13 er anordnet i kretser eller rekker, som f.eks. 15, 17,

19 og 21. Disse kretser er koblet i serie, og strømmen gjennom kretsene er skjematisk angitt ved retningen av de inntegnede piler. Den tilførte elektriske strøm flyter således inn i kretsen 15, passerer denne krets i dens lengderetning, overføres gjennom en seriekobling til kretsen 17, passerer denne krets i dens lengderetning, overføres gjennom en seriekobling til kretsen 19, passerer denne krets i dens lengderetning, overføres gjennom en seriekobling til kretsen 21 og passerer også denne krets i dens lengderetning.

Fig. 2 viser skjematisk strømfordelingsanordningen i henhold til foreliggende oppfinnelse. Elektrolysecellekretser 23, 25 og 27 er sammensatt av enkelte anodeenheter, slik som 29,

samt katodeenheter, slik som 31. Hver enhet inneholder en elektrode, og hvert par elektroder er innbyrdes adskilt langs sine aktive flater ved hjelp av en barriere, slik som et asbestskikt eller en membran, som danner adskilte anolytt-og katolyttkammere.

Katodene er hensiktsmessig fremstilt av stål, men krom, kobolt, kobber, jern, bly, molybden, nikkel, tin, volfram eller leger-inger av disse metaller kan også anvendes. Katodene kan være gjennomhullet eller kan foreligge i form av en skive eller plate.

Anodene kan også være gjennomhullet eller foreligge i form

av en skive eller plate. Sådanne anoder er fortrinnsvis fremstilt av et-ventilmetall som er påført et elektrisk ledende, anodisk bestandig belegg på sin aktivt anodiske eller uoksyderte overflate. Passende ventilmetaller omfatter titan, tantal, niob,og zirkonium. Det foretrukkede ventilmetall er titan.

Belegget inneholder et eller flere metaller fra platinagruppen og/eller oksyder av sådanne metaller. Hensiktsmessig metaller fra platinagruppen omfatter platina, rutenium, rodium, palladium, osmium og iridium. En hvilken som helst av forskjellige fremgangsmåter kan anvendes for å påføre det nevnte belegg på basismaterialet av ventilmetall. Typiske fremgangsmåter omfatter utfelling av metallene eller metall-oksydene ved kjemiske, termiske eller elektrolytiske prosesser, ione-plettering, damppåføring eller lignende metoder.

Hensiktsmessige membraner kan fremstilles av et hydrolysert kopolymer av et perfluorinert hydrokarbon og en sulfonert perfluorvinyleter. Nærmere bestemt kan sådanne egnede mem-branmaterialer fremstilles av et hydrolysert kopolymer av tetrafluoretylen og en fluorosulfonert perfluorvinyleter med formelen: FS02CF2CF2OCF(CF3)CF2OCF=CF2. Vanligvis vil mem-branets veggtykkelse ligge mellom ca. 0,02 og ca. 0,5 mm,

og fortrinnsvis mellom ca. 0,1 og ca. 0,3 mm. Når membranet er montert på en bærer av polytetrafluoroetylen, asbest eller annet passende nettverk, vil nettverkfilamentene eller fibrene vanligvis ha en tykkelse fra omkring 0,01 til omkring 0,5 mm, og fortrinnsvis ha en tykkelse mellom ca. 0,05 og 0,15 mm.

Den elektriske strøm tilføres, som angitt ved pilene, fra siden av elektrolysekretsene, hvilket vil si på tvers av kretsenes lengdeakse, og avgis fra den motsatte side. Den strøm som tilføres anodeenhetene 29 i kretsen 23 avgis således fra katodeenhetene 31 i kretsen 23. Katodeenhetene 31 i kretsen 23 er elektrisk koblet til de tilsvarende anodeenheter i den inntilliggende krets 25. Den strøm som til-føres anodeenhetene i kretsen 25 avgis fra katodeenhetene i kretsen 25, som i sin tur er elektrisk koblet til de tilsvarende anodeenheter i den tilstøtende krets 27. På denne måte er cellekretsene 23, 25 og 27 som helhet koblet elektrisk i serie, mens de enkelte elektrodeenheter innenfor hver krets er koblet i parallell.

Fig. 3 til 8 viser skjematisk forskjellige alternative elektriske sammenkoblinger som kan utføres mellom de forskjellige cellekretser i fig. 2 innenfor rammen av foreliggende oppfinnelse. I fig. 3 er således de elektriske forbindelser utført fra den øvre ende av hver krets til den øvre ende av den tilstøtende krets. Den øvre ende av katodeenhetene i kretsen 23 er således elektrisk sammenkoblet med den øvre ende av de inntilliggende anodeenheter i kretsen 25, mens katodeenhetene i kretsen 25 er elektrisk sammenkoblet med den øvre ende av anodeenhetene i den tilstøtende krets 27.

I fig. 4 er de elektriske forbindelser mellom kretsene ut-ført fra den nedre ende av den ene krets til den nedre ende av den annen krets. Den nedre ende av katodeenhetene i kretsen 23 er således elektrisk koblet til den nedre ende av de tilstøtende anodeenheter i kretsen 25, mens den nedre ende av katodeenhetene i kretsen 25 er elektrisk forbundet med den nedre ende av de tilstøtende anodeenheter i kretsen 27.

I fig. 5 er de elektriske koblinger utført fra den ene side av den ene krets til den øvre ende av den tilstøtende krets.

I fig. 6 er de elektriske forbindelser utført fra den ene side av den ene krets til den nedre ende av den tilstøtende krets.

Ifig. 7 er de elektriske forbindelser utført fra den nedre ende av den ene krets til den øvre ende av den tilstøtende krets.

I fig. 8 er de elektriske forbindelser utført fra den øvre ende av den ene krets til den nedre ende av den tilstøtende krets.

Fig. 9 viser i detalj de elektriske tverrforbindelser som er vist skjematisk i fig. 2, og dette utgjør den korteste og vanligvis mest foretrukkede elektriske forbindelse mellom tilstøtende kretser. I en sådan utførelse er katodeenheten

31 i kretsen 23 utstyrt med flere ledere, slik som 23, for å føre strøm fra katoden til utsiden av enheten. På lignende måte er anodene i kretsen 25 utstyrt med ledere, slik som 35. Lederne 33 og 35 er elektrisk sammenkoblet ved hjelp av et mellomledd, slik som 37, om hensiktsmessig er utført i kobber. Den fysiske sammenkobling mellom lederne 33, 35 og mellomleddene 37 er utført ved kjent teknikk, slik som innklemning -eller skr-uef orbindelser . Fig. 10 viser skjematisk strømmen gjennom de celleenheter og kretser som er vist i fig. 2 og 9. Strøm fra katodeenhetene i krets 23 overføres til anodeenhetene i krets 25 ved hjelp av ledere, slik som 33 og 35, samt overføringsledd 37. Innenfor cellekretsen 25 flyter strømmen fra anodeenhetene til katodeenhetene slik som angitt ved pilene, og avgis fra katodeenhetene på motsatt side av krets 25. Katodeenhetene i krets 25 er i sin tur elektrisk tilkoblet anodeenhetene i krets 27 på lignende måte som den elektriske forbindelse er utført mellom kretsene 23 og 25. Fig. 11 viser en foretrukket utførelse av den elektriske forbindelse mellom tilstøtende kretser. Denne utførelse omfatter en felles samleskinne mellom de tilstøtende kretser og som mottar de elektriske forbindelser fra hver av de inntilliggende' kretser. Skjønt det arrangement som er vist i fig. 9 og 10 er praktisk anvendbart og hensiktsmessig, vil

det kunne opptre vanskeligheter hvis de enkelte celleenheter har vesentlig forskjellig indre motstand eller hvis en eller flere enheter blir driftsudyktig. I sådanne tilfelle vil en forskjell i strømfluksen bli reflektert til de tilsluttede deler av den tilstøtende krets, og sådanne ujevne strøm-nivåer vil ikke bli utbalansert før strømmen har passert gjennom flere cellekretser. Den utførelse som er vist i fig. 11 overvinner denne ulempe ved å anordne en felles for-delings- eller samleskinne mellom tilstøtende kretser.

Denne felles samleskinne mottar alle elektriske forbindelser fra hver av kretsene. Katodeenhetene i krets 23 er således koblet til anodeenhetene i krets 25 ved hjelp av ledere, slik som 33 og 35, koblingsforbindelser, slik som 39 og 40, samt en felles samleskinne 43. Den mekaniske forbindelse mellom lederne 33 og 35, koblingsforbindelsene 39 og 41 samt skinnen 43 er utført ved hjelp av kjente metoder, slik som f.eks. fastklemming eller skrueforbindelser. Fig. 12 viser skjematisk strømfluksen gjennom celleenhetene og kretsene i fig. 11. Strøm fra katodeenhetene i krets 23 overføres til anodeenhetene i krets 25 ved hjelp av ledere,, slik som 33 og 35, gjennom koblingsforbindelser, slik som 39 og 40, samt ved hjelp av en felles samleskinne 43. Innenfor krets 25 passerer strømmen fra anodeenhetene til katodeenhetene, slik som angitt ved pilene, samt trer ut av katodeenhetene på motsatt side av krets 25. Katodeenhetene i krets 25 er i sin tur elektrisk tilkoblet anodeenhetene i krets 27 på lignende måte som de elektriske forbindelser er utført mellom kretsene 23 og 25. Fig. 13 viser anvendelse av en bevegelig brokobler av den art som er beskrevet i US patentskrift nr. 3.930.978, i forbindelse med det kretsarrangement som er vist i fig. 11 og 12. Den bevegelige brokobler 25 er anordnet under krets 25. De felles samleskinner 43 og 43' mellom kretsene 23, 25 og

27 har l-form eller omvendt T-form og danner kontaktflater

47 og 47' for kontaktpolene 49 og 51 for brokobleren 45. Kretsen 25 kan fjernes fra anlegget for vedlikehold uten av-brytelse av anleggets drift ved å koble kontaktpolene 49 og 51 for brokobleren 45 til kontaktflatene 47 og 47' på samle-skinnene 43 og 45. Bryterkontakten 53 i brokobleren blir så lukket, de elektriske forbindelser til kretsen 25 fjernes og kretsen 25 løftes som en enhet ved hjelp av en kran 55

og etterlater kretsene 23 og 25 elektrisk sammenkoblet for vanlig drift.

Skjønt det er blitt beskrevet forskjellige utførelser av foreliggende oppfinnelse, er de beskrevede apparater ikke å betrakte som begrensning av oppfinnelsens ramme, da det vil forstås at forandringer innenfor denne ramme er mulig å hvert angitt element i de etterfølgende patentkrav er ment å omfatte alle tilsvarende elementer for utvirkning av samme resultat på hovedsakelig samme eller tilsvarende måte. Disse patentkrav er således utformet for å dekke oppfinnelsen i hele dens omfang i hvilken form den enn måtte være utført.

Claims (10)

1. Strømfordelingsanordning for fordeling av elektrolyse-strøm til forskjellige kretser av monopolare filterpresse-celler , karakterisert ved : a) et antall monopolare celler som hver består av en anodedel og en katodedel, er sammenstilt til en langstrakt cellekrets, b) et antall sådanne cellekretser er sammenstilt til en kretsgruppe, c) en kilde for elektrolysestrøm er elektrisk koblet til anodedelene av cellene i en første cellekrets, d) katodedelene av cellene i nevnte første cellekrets er elektrisk koblet til hver sin anodedel av cellene i den nærmest påfølgende cellekrets, og e) katodedelene i hver etterfølgende cellekrets er koblet til hver sin anodedel av cellene i den nærmest på-følgende cellekrets.

2. Fordelingsanordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at de forskjellige cellekretser er plassert parallelt med hverandre.

3. Fordelingsanordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at de elektriske sammenkoblinger mellom katodedeler og anodedeler i inntilliggende kretser er utført fra tilstøtende sider av vedkommende kretser.

4. Fordelingsanordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at de elektriske sammenkoblinger mellom de forskjellige cellekretser er utført fra den øvre ende av katodedelene i den ene krets til den øvre ende av anodedelene i den tilstøtende krets.

5. Fordelingsanordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at de elektriske koblingsforbindelser mellom de forskjellige cellekretser er utført fra den nedre ende av katodedelene i den ene krets til den nedre ende av anodedelene i den tilstøtende krets.

6. Fordelingsanordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at de elektriske koblingsforbindelser mellom forskjellige cellekretser er utført fra sidekanten av katodedelene i den ene krets til den øvre ende av anodedelene i den tilstøtende krets.

7. Fordelingsanordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at de elektriske forbindelser mellom forskjellige cellekretser er utført fra sidekanten av katodedelene i den ene krets til den nedre ende av anodedelene i den tilstøtende krets.

8. Fordelingsanordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at de elektriske sammenkoblinger mellom forskjellige cellekretser er utført fra den nedre ende av katodedelene i den ene krets til den øvre ende av anodedelene i den tilstøtende krets.

9. Fordelingsanordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at de elektriske forbindelser mellom forskjellige cellekretser er utført fra den øvre ende av katodedelene i den ene krets til den nedre ende av anodedelene i den tilstøtende krets.

10. Fordelingsanordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at sammenkoblingen mellom forskjellige cellekretser er utført over en felles samleskinne som er koblet til katodedelene i den ene krets og til anodedelene i den påfølgende krets.