PL202569B1 - Sposób zawracania do obiegu gazu procesowego w procesach elektrochemicznych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób zawracania do obiegu gazu procesowego w procesach elektrochemicznych z elektrodami do dyfuzji w gazach.

Różne procesy chemiczne wymagają wprowadzania substancji gazowych w nadmiarze stechiometrycznym. Nadmiar stechiometryczny podawanego gazu zasilającego konieczny jest na przykład przy stosowaniu ogniw elektrochemicznych na bazie elektrod do dyfuzji w gazach.

Przez zastosowanie elektrod do dyfuzji w gazach umożliwione są alternatywne reakcje w różnych procesach elektrochemicznych oraz uniknięcie tworzenia się niepożądanych i nieekonomicznych produktów ubocznych.

Przykładem elektrody do dyfuzji w gazach jest katoda pochłaniająca tlen. Elektroda taka, pomiędzy elektrolitem i przestrzenią gazową ma umieszczoną przeponę o otwartych porach, która zawiera elektrycznie przewodzącą warstwę z katalizatorem. Za pomocą takiego układu uzyskuje się to, że redukcja tlenowa na granicy trzech faz pomiędzy elektrolitem, katalizatorem i tlenem następuje możliwie blisko elektrolitu. Jak opisano w opisie Stanów Zjednoczonych Ameryki Nr-A-4 657 651 katody pochłaniające tlen znajdują zastosowanie na przykład w elektrolizie halogenku alkalicznego.

Natomiast przeprowadzanie elektrolizy przeponowej HCl za pomocą katod pochłaniających tlen znane jest fachowcom i opisane na przykład w opisach EP-A-070 294, US-A-598 197 i US-A-6 149 782. Sposób według wynalazku przeprowadzany jest przy użyciu katod pochłaniających tlen, opisanych w tych publikacjach.

W przypadku katod pochłaniających tlen dodawany jest między innymi tlen jako gaz zasilający. W znanych sposobach pozostają cy gaz resztkowy zawierają cy jeszcze tlen, zostaje usunię ty z procesu i bez dalszego użytkowania, doprowadzony do gazów odlotowych. Niekorzystne przy dotychczasowym prowadzeniu sposobu jest wysokie zużycie tlenu, a poza tym konieczne oczyszczanie gazu, na przykład za pomocą płuczek wieżowych, przed odprowadzeniem go do otoczenia. Do realizacji tego w skali technicznej oprócz znacznych kosztów surowcowych konieczne są specjalne sposoby i urzą dzenia do oczyszczania gazów odlotowych. Alternatywnie, gaz resztkowy moż e być przetworzony do ponownego zastosowania, konieczne są jednak do tego płuczki wieżowe lub filtry oraz sprężarki do zawracania tych gazów do procesu. Zawracanie do procesu za pomocą sprężarki wymaga zastosowania do jej wykonania materiałów wysokiej jakości ze względu na możliwość występowania w gazie resztkowym pozostał o ś ci chlorowodoru (HCl) i chloru lub wymaga stałego pł ukania gazu poddawanego recyklingowi w ługu sodowym, co powoduje duże zużycie tego ługu.

Znane jest również, że w różnych procesach nadmiar gazów procesowych zawraca się do procesów elektrolitycznych za pomocą sprężarek lub dmuchaw. Przy takim prowadzeniu sposobu wadą jest duży koszt inwestycyjny oraz eksploatacji, na przykład energii elektrycznej i konserwacji. Poza tym konieczność nadzorowania działania sprężarek ze względu na ich duże znaczenie dla prowadzenia procesu.

Znane jest również zastosowanie strumieniowych pomp gazowych do wytwarzania próżni, mieszaniny gazów i odzyskiwania ciepła (termokompresor/sprężarka mostkowa). Strumieniowe pompy gazowe są pompami strumieniowymi, które wytwarzają podciśnienie i nadają się przede wszystkim jako pompy próżniowe. Poza zastosowaniem gazowego ośrodka napędowego, strumieniowe pompy gazowe są identyczne z cieczowymi pompami strumieniowymi. Jako środek napędowy można zastosować na przykład parę wodną.

Zadaniem wynalazku jest opracowanie sposobu ponownego przetworzenia gazów resztkowych w procesach elektrolitycznych z elektrodami do dyfuzji w gazach, w którym unika się wspomnianych wyżej wad. Zwłaszcza zmniejszeniu ma ulec zużycie doprowadzanych gazów zasilających oraz wymiary koniecznych płuczek, a tym samym ma nastąpić zmniejszenie zużycia środków płuczących. Poza tym zbędne jest zastosowanie drogich sprężarek (obniżenie kosztów inwestycyjnych, eksploatacyjnych i konserwacji). Jednocześnie wyeliminowana zostaje możliwość uszkodzenia przepony i czułych elektrod do dyfuzji w gazie.

Sposób zawracania do obiegu gazu procesowego w procesach elektrochemicznych z przynajmniej jedną elektrodą do dyfuzji w gazach, według wynalazku charakteryzuje się tym, że doprowadza się gaz zasilający do procesu elektrochemicznego za pomocą strumieniowej pompy gazowej pod ciśnieniem, które jest większe niż ciśnienie procesowe, rozpręża się gaz zasilający do ciśnienia procesowego w strumieniowej pompie gazowej, przy wytwarzaniu ciśnienia ssania, które jest niższe niż ciśnienie procesowe, a następnie zasysa się gaz procesowy - gaz resztkowy zawierający gaz zasilająPL 202 569 B1 cy, za pomocą ciśnienia ssania wytwarzanego w strumieniowej pompie gazowej i zawraca się do obiegu gaz resztkowy do procesu elektrochemicznego.

Korzystnie, gaz resztkowy zawraca się do procesu elektrochemicznego poprzez przynajmniej jeden zawór regulacyjny.

Część gazu resztkowego odprowadza się z procesu jako gaz odlotowy.

Ciśnienie procesowe reguluje się za pomocą kolejnego zaworu nastawczego w strumieniu gazu odlotowego.

Gaz resztkowy doprowadza się do procesu poprzez strumieniową pompę gazową razem z gazem zasilającym.

Korzystnie, w sposobie według wynalazku gaz zasilający i gaz resztkowy doprowadza się poprzez strumieniową pompę gazową tak, że gaz procesowy występuje w 1,01 do 10-krotnym stechiometrycznym nadmiarze, w odniesieniu do zużycia gazu zasilającego w procesie elektrochemicznym.

W sposobie wedł ug wynalazku, stosuje się ciś nienie procesowe wy ż sze od ciś nienia atmosferycznego o 0,001 · 10⁵ Pa do 10 · 10⁵ Pa.

Korzystnie, proces prowadzi się przy ciśnieniu atmosferycznym.

Stosuje się ciśnienie procesowe niższe od ciśnienia atmosferycznego o 1 · 10² Pa do 5 · 10⁴ Pa.

Stosuje się ciśnienie gazu zasilającego wyższe od ciśnienia procesowego o 0,1 · 10⁵ do 40 · 10⁵ Pa.

Niespodziewanie okazało się, że zastosowanie strumieniowej pompy gazowej umożliwia bezpośrednie zawracanie do procesu gazu resztkowego wzbogaconego gazem zasilającym bez konieczności przeprowadzania suszenia lub oczyszczania go. Odpada więc konieczne w dotychczas znanych procesach nawilżanie doprowadzanego gazu zasilającego. Wskutek prostej budowy strumieniowej pompy gazowej tańsze staje się użycie wysokociśnieniowych materiałów. Jako środek napędowy można zastosować konieczny w procesie gaz zasilający. Zużycie gazu zasilającego zmniejsza się znacznie, gdyż konieczny w procesie nadmiar osiąga się przez użycie gazu zasilającego pochodzącego z recyklingu. Powoduje to także mniejsze rozmiary koniecznych płuczek, a tym samym zmniejszenie zużycia środków płuczących gazy odlotowe. Za pomocą regulacji ilości strumienia gazu poddanego recyklingowi oraz swobodnego odpływu wyprowadzanego gazu resztkowego unika się nadciśnienia względnie wahań ciśnienia w przestrzeniach elektrodowych elektrolizy, mogących powodować uszkodzenia przepon i elektrod.

Istotną cechą wynalazku jest to, że nadmiar gazu resztkowego w procesach elektrolizy z elektrodami do dyfuzji gazu, który dotychczas wydalany był jako gaz odpadowy, zawracany jest bezpośrednio do procesu. Powoduje to zmniejszenie zużycia doprowadzanego gazu zasilającego bez pogarszania funkcjonowania czułych elektrod do dyfuzji w gazach.

Korzystnie, niecałkowity strumień gazu resztkowego wydalany jest do gazów odlotowych, lecz tylko część strumienia gazu resztkowego, aby uniknąć wzbogacenia zanieczyszczeniami i aby uniknąć nadciśnienia lub wahań ciśnienia w przestrzeni elektrodowej, zwłaszcza w przestrzeni katodowej elektrolizy, które mogą powodować uszkodzenia przepon i elektrod. Zastosowanie strumieniowej pompy gazowej umożliwia bezpośrednie zawracanie do procesu bogatego w gaz zasilający gazu resztkowego, bez potrzeby stosowania suszenia lub oczyszczania.

Korzystna postać wykonania wynalazku obejmuje więc zawracanie do procesu gazu resztkowego poprzez strumieniową pompę gazową przy wykorzystaniu różnicy ciśnień gazu zasilającego i gazu procesowego jako siły napędowej, a ponadto także regulację poddawanej recyklingowi ilości gazu i wypływ części strumienia gazu resztkowego w celu wydalenia zanieczyszczeń i uniknięcia nadciśnienia.

Korzystnie, w sposobie według wynalazku gaz resztkowy zawracany jest do procesu, poprzez strumieniową pompę gazową, razem z gazem zasilającym.

Zalety sposobu według wynalazku są szczególnie wyraźne, jeżeli weźmie się pod uwagę następujące kwestie.

Gaz resztkowy powstający przy elektrolizie przeponowej HCl lub NaCl, zawiera głównie tlen, a także parę wodną oraz HCl i przy ewentualnych uszkodzeniach przepony takż e chlor. Przy elektrolizie NaCl z zastosowaniem katody pochłaniającej tlen, gaz resztkowy może zawierać ślady ługu sodowego - NaOH. Odprowadzanie gazu resztkowego jako gazu odlotowego wymagałoby zastosowania płuczek o dużych rozmiarach oraz dużego zużycia ługu sodowego do płukania gazów odlotowych. Przy tym tlen, zastosowany w 50% nadmiarze, odprowadzany byłby jako gaz odlotowy. Zawracanie do procesu za pomocą sprężarki, wskutek możliwości występowania HCl i chloru w gazie resztkowym,

PL 202 569 B1 wymagałoby stosowania drogich materiałów do wykonania sprężarki lub stałego płukania recylingowanej ilości gazu z wysokim zużyciem ługu sodowego.

Zastosowanie według wynalazku strumieniowej pompy gazowej umożliwia bezpośrednie zawracanie do procesu gazu resztkowego zawierającego gaz zasilający bez konieczności suszenia i oczyszczania. Wskutek tego zbędne jest konieczne dotychczas nawilżanie gazu zasilającego.

Zużycie tlenu zmniejsza się o około 33%, gdyż konieczny dla procesu nadmiar uzyskuje się z poddanego recyklingowi gazu resztkowego, ponownie używanego wraz ze strumieniem objętości, który jest korzystnie większy niż 90% strumienia gazu resztkowego i ewentualnie nastawianego za pomocą zaworu regulacyjnego. Część gazu resztkowego, która nie została poddana recyklingowi doprowadza się do gazów odlotowych przy strumieniu objętości, który korzystnie stanowi mniej niż około 10%, a szczególnie korzystnie mniej niż około 1% zawartości tlenu gazu zasilającego. Regulacja ilości w poddanemu recyklingowi strumieniu gazu oraz odprowadzanie gazu resztkowego eliminują powstawanie nadciśnienia, względnie wahań ciśnienia w przestrzeni katodowej elektrolizy, co mogłoby powodować uszkodzenie przepon i elektrod. Wskutek odpływu tej części strumienia gazu resztkowego, który nie został poddany recyklingowi, unika się w procesie wzbogacania zanieczyszczeń, zwłaszcza gazów obojętnych.

Sposób według wynalazku może być stosowany w dowolnych procesach elektrochemicznych, które wymagają zastosowania gazowych substancji zasilających w stechiometrycznym nadmiarze.

W sposobie wedł ug wynalazku stosuje się dowolne elektrody dyfuzji w gazach, na przykł ad katodę pochłaniającą tlen.

Sposób według wynalazku stosuje się korzystnie w procesach elektrochemicznych, zwłaszcza w procesach elektrolitycznych, które przebiegają przy zastosowaniu katody pochłaniającej tlen. Sposób stosowany jest korzystnie w procesach elektrolizy, w którym jako gaz zasilający dodawany jest zasadniczo tlen.

Przykładami stosowania sposobu według wynalazku są procesy elektrolizy, zwłaszcza elektrolizy NaCl i HCl, a także na przykład sposób recyklingu siarczanu amonowego względnie azotanu amonowego przy zastosowaniu katody pochłaniającej tlen.

Szczególnie korzystne są procesy elektrolizy NaCl i HCl z katodą pochłaniającą tlen, w których tlen dodawany jest w 50% stechiometrycznym nadmiarze, w odniesieniu do czystego tlenu.

Ciśnienie procesowe, przy którym prowadzi się proces elektrochemiczny, zależy od rodzaju procesu elektrochemicznego i wybranej elektrody do dyfuzji w gazach, przy czym znajduje się ono na ogół w zakresie od 0,001 · 10⁵ Pa do 10 · 10⁵ Pa, korzystnie 1 · 10² do 2,5 · 10⁴ Pa, zwłaszcza 1 · 10² do 2 · 10⁴ Pa ponad ciśnieniem atmosferycznym, szczególnie korzystnie, przy ciśnieniu atmosferycznym.

Ciśnienie gazu zasilającego przyłożone do strumieniowej pompy gazowej jest na ogół o od 0,1 · 10⁵ do 40 · 10⁵ Pa większe niż ciśnienie procesowe.

₅

Korzystnie, ciśnienie gazu zasilającego jest wyższe od ciśnienia gazu procesowego o 0,5 · 10⁵ do 25 · 10⁵ Pa, zwłaszcza 0,5 · 10⁵ do 10 · 10⁵ Pa.

W alternatywnej postaci wykonania sposobu według wynalazku ciśnienie procesowe działające na strumieniową pompę gazową, jest mniejsze od ciśnienia atmosferycznego o 1 · 10² do 5 · 10⁴ Pa, korzystnie o 5 · 10³ Pa do 2 · 10⁴ Pa.

W przypadku, gdy ciśnienie procesowe jest mniejsze od ciśnienia atmosferycznego, gaz odlotowy poddaje się zwiększeniu ciśnienia za pomocą sprężarki lub dmuchawy, w celu usunięcia go przy ciśnieniu atmosferycznym.

Korzystnie, gaz zasilający doprowadza się do strumieniowej pompy gazowej przy takim strumieniu natężenia przepływu, który odpowiada 1,01 do 10-krotnemu, zwłaszcza 1,5 do 2-krotnemu nadmiarowi w odniesieniu do czystego gazu zasilającego względem stechiometrycznego zużycia w procesie elektrochemicznym. Jeżeli zastosowany gaz zasilający zawiera zanieczyszczenia, na przykład gazy obojętne, to proces musi być prowadzony z odpowiednio wyższą stechiometrią nadmiarową.

W strumieniowej pompie gazowej gaz zasilają cy rozprężony zostaje do ciś nienia procesowego i zostaje wprowadzony do przestrzeni reakcyjnej, w której zachodzi proces elektrochemiczny (na przykład do przestrzeni katodowej aparatu do elektrolizy). Ciśnienie procesowe odpowiada korzystnie ciśnieniu eksploatacyjnemu elektrody do dyfuzji w gazach, z uwzględnieniem ewentualnej straty ciśnienia w przewodach. Korzystnie, ciśnienie procesowe odpowiada ciśnieniu atmosferycznemu. Ponadstechiometryczny udział gazu zasilającego odprowadzany jest z procesu jako gaz resztkowy.

Ciśnienie ssania wytwarzane przy rozprężaniu gazu zasilającego powoduje zassanie przynajmniej części gazu resztkowego poprzez stronę zasysającą strumieniowej pompy gazowej i zawrócenie

PL 202 569 B1 jej do procesu. Wydajność ssania strumieniowej pompy gazowej regulowana jest spadkiem ciśnienia pomiędzy ciśnieniem gazu zasilającego i gazu procesowego.

Według korzystnej postaci wykonania wynalazku, strumień gazu resztkowego zawracany jest do procesu elektrolizy, nastawiany jest za pomocą organu regulacyjnego znajdującego się w strumieniu gazu resztkowego, gazów odlotowych i/lub gazu poddawanemu recyklingowi. Za pomocą zaworu regulacyjnego można regulować ilość gazu resztkowego zawracanego do procesu od 0,01 do 100%, w odniesieniu do gazu resztkowego. Korzystnie, ilość zawracanego do procesu gazu resztkowego ustalana jest na 80 do 99,5%. Ta część strumienia gazu resztkowego, która nie została zawrócona do strumienia gazu procesowego, doprowadzana jest do gazu odlotowego. Wskutek tego ograniczeniu ulega wzbogacenie zanieczyszczeniami prowadzonego procesu. Poza tym, przez odpływ tego strumienia gazu unika się powstania w procesie niepożądanego dużego nadciśnienia. Odnosi się to zwłaszcza do przypadku odłączenia elektrolizy, gdyż wtedy w procesie nie zużywany jest tlen. Do regulacji gazu resztkowego doprowadzanego do gazów odlotowych może służyć zawór regulacyjny znajdujący się w strumieniu gazów odlotowych.

Sposób według wynalazku przeprowadza się korzystnie przy atmosferycznym ciśnieniu procesowym i przy swobodnym odpływie gazów odlotowych.

Jeżeli sposób według wynalazku stosuje się przy elektrolizie NaCl z zastosowaniem katody pochłaniającej tlen, to katoda pochłaniająca tlen, korzystnie ma budowę opisaną w EP-A-1 061 158. Katoda pochłaniająca tlen korzystnie jako metalowy nośnik do rozdzielania elektronów ma tkaninę ze srebrnego drutu lub posrebrzanego drutu niklowego albo z innego stopu odpornego na ług, na przykład z inconelu. W celu uniknięcia źle przewodzących warstw tlenkowych lub wodorotlenkowych użyty stop powinien być również posrebrzany lub uszlachetniony w inny sposób. Szczególnie korzystne jest zastosowanie nośnika o strukturze, takiej jak na przykład filc z cienkich włókien lub wspomniany materiał tkany. Matryca katalizatora składa się korzystnie z mieszanki złożonej z teflonu (do nastawienia hydrofobii i porowatości dla dyfuzji gazu), z elektrycznie przewodzącego nośnika, na przykład sadzy wulkanicznej lub sadzy acetylenowej oraz z drobno rozdzielonego w nich materiału katalizatora, wmieszanego w postaci katalitycznie aktywnych cząstek srebra. Matryca katalizatora korzystnie jest spieczona lub sprasowana z nośnikiem. Alternatywnie można także zrezygnować z udziałów węgla (sadzy), gdy gęstość katalizatora i/lub przewodząco wykonany hydrofobowy nośnik są tak dobrane, że kontaktuje się także elektrycznie przeważającą ilość cząstek katalizatora.

Jak opisano w EP-A-1061158, zwłaszcza przy elektrolizie NaCl można zrezygnować z istnienia sadzy węglowej w elektrodzie pochłaniającej tlen tak, że matryca elektrody składa się tylko z teflonu i srebra. Tutaj srebro prócz funkcji katalizatora przejmuje takż e przewodzenie elektronów. Odpowiednio do tego konieczne jest tak duże pokrycie srebrem, żeby cząstki się dotykały i tworzyły pomiędzy sobą przewodzące mostki. Jako nośnik może służyć zarówno tkanina z drutu jak i drobna siatka metalowa, znane z techniki akumulatorowej, lecz także filc ze srebra lub z posrebrzonego niklu, albo z materiału odpornego na ług, na przykład ze stali inconelowej.

Według innej, korzystnej postaci wykonania wynalazku, sposób według wynalazku stosuje się przy elektrolizie przeponowej HCl z katodą pochłaniającą tlen.

Sposób według wynalazku nadaje się szczególnie do przeprowadzania w połączeniu ze stabilnymi rozmiarowo elektrodami do dyfuzji w gazach, zwłaszcza ze stabilnymi rozmiarowo elektrodami do dyfuzji w gazach opisanymi poniżej.

Elektroda do dyfuzji w gazach stosowana korzystnie w sposobie według wynalazku, składa się przynajmniej z jednego, elektrycznie przewodzącego materiału stanowiącego nośnik katalizatora, a służący do osadzenia materiału katalizatora zawierającego masę pokrywającą zwłaszcza mieszankę drobno rozdzielonego proszku srebra lub mieszaninę z proszku srebra i tlenku srebra oraz teflonu oraz składa się z elektrycznego przyłącza, przy czym materiał nośnika katalizatora stanowi tkanina, włóknina, spiekany metal, pianka lub filc z materiału przewodzącego elektrycznie, albo też płyta z metalowej siatki lub metalowa płyta zawierająca liczne otwory, na którą nanosi się masę pokrywającą zawierającą materiał katalizatora, która to płyta posiada wystarczającą odporność na zginanie tak, że można zrezygnować z dodatkowego usztywnienia w postaci zastosowania dodatkowej płyty podkładowej, albo też połączona jest trwale mechanicznie i elektrycznie przewodząco z przepuszczalną dla gazu sztywną metalową płytą podkładową lub ze sztywną tkaniną albo metalową siatką, zwłaszcza z niklu lub z metalowych stopów odpornych na ł ug.

Otwarta struktura, służąca jako materiał nośnika katalizatora składa się zwłaszcza z drobnej tkaniny z drutu lub z odpowiednio drobnej siatki metalowej, sita filtracyjnego, filcu, pianki lub ze spie6

PL 202 569 B1 kanego metalu, w które wciska się pokrywająca masa zawierająca materiał katalizatora, przy jej nawalcowywaniu. Ta otwarta struktura, w jednej z postaci wykonania, jeszcze przed wprasowaniem lub nawalcowaniem pokrywającej masy zawierającej materiał katalizatora, połączona jest już metalicznie, na przykład przez spiekanie, z otwartą lecz bardziej zwartą i sztywną strukturą podkładową.

Ta struktura podkładowa pełni funkcję przypory przy wprasowywaniu pokrywającej masy zawierającej materiał katalizatora, która wskutek tego może się rozpościerać się i lepiej zaczepiać w przestrzeniach pośrednich utworzonych pomiędzy obiema strukturami.

Metal na płytę podkładową wybiera się korzystnie spośród niklu lub stopów niklu odpornych na ług, albo też nikiel powleczony srebrem, względnie stop metalu odporny na ług.

Alternatywnie, w szczególnych przypadkach, jako płytę podkładową można użyć sztywnej pianki lub sztywnej struktury spiekanej, albo też blachy dziurkowanej, albo zaopatrzonej w szczeliny z materiału rzędu niklu, stopów niklu odpornych na ług, lub ze stopów metalu odpornych na ług, albo z niklu powleczonego srebrem. Masa pokrywająca zawierająca materiał katalizatora, rozwalcowana w poprzedniej operacji na kształt powłoki, jest w tym przypadku wwalcowywana bezpośrednio w strukturę podkładową, która jednocześnie pełni funkcję materiału nośnika katalizatora. Nie stosuje się więc dodatkowego materiału nośnika katalizatora.

Materiał nośnika katalizatora korzystnie składa się z węgla, metalu, zwłaszcza z niklu lub ze stopów niklu lub ze stopu metalu odpornego na ług. Płyta podkładowa w celu lepszego przepuszczania gazu reakcyjnego ma korzystnie dużą liczbę otworów, zwłaszcza szczelin lub otworów przelotowych.

Otwory mają szerokość korzystnie maksymalnie 2 mm, zwłaszcza maksymalnie 1,5 mm. Szczeliny mają długość do 30 mm. Przy zastosowaniu pianki lub porowatej struktury spiekanej, korzystnie pory mają średnio średnicę maksymalnie 2 mm. Struktura odznacza się dużą sztywnością i wytrzymałością na zginanie.

Korzystnie jako materiał nośny katalizatora w elektrodzie do dyfuzji w gazach, stosuje się piankę lub korpus ze spiekanego metalu, przy czym brzeg przewidziany do połączenia elektrody z elektrochemicznym aparatem reakcyjnym, zostaje sprasowany w celu uzyskania koniecznej gazoszczelności i cieczoszczelnoś ci.

Korzystny przykład wykonania elektrody do dyfuzji w gazach stosowalnej w sposobie według wynalazku, charakteryzuje się tym, że płyta podkładowa ma obwodowy brzeg o szerokości co najmniej 5 mm, który pozbawiony jest otworów, a który służy do umocowania elektrody, zwłaszcza za pomocą spawania lub lutowania albo za pomocą śrub lub nitów, względnie zacisków lub też przez zastosowanie elektrycznie przewodzącego kleju na brzegu kieszeni gazowej przeznaczonej do połączenia z elektrodą.

Inna korzystna postać wykonania elektrody do dyfuzji w gazach stosowalnej w sposobie według wynalazku, charakteryzuje się tym, że nakładana masa zawierająca materiał nośny katalizatora i materiał katalizatora połączone są ze sobą za pomocą kalandrowania suchego.

Korzystne wykonanie elektrody do dyfuzji w gazach, stosowalnej w sposobie według wynalazku, charakteryzuje się tym, że nakładana masa zawierająca materiał nośny katalizatora i materiał katalizatora umieszczone są na materiale nośnym katalizatora przez nalewanie lub walcowanie masy pokrywającej zawierającej wodę i ewentualnie organiczne rozpuszczalniki (na przykład alkohol) i następnie łączone są przez suszenie, spiekanie i ewentualne zagęszczanie.

W celu lepszego, równomiernego nagazowania elektrody do dyfuzji w gazach, w specjalnej postaci wykonania, pomiędzy płytą podkładową i materiałem nośnym katalizatora znajduje się dodatkowa, elektrycznie przewodząca tkanina rozprowadzająca gaz, wykonana zwłaszcza z węgla lub z metalu, zwłaszcza z niklu lub ze stopu niklu odpornego na ług, albo też z niklu powleczonego srebrem lub ze stopu metalu odpornego na ług.

W szczególnej postaci wykonania elektrody do dyfuzji gazu, stosowalnej w sposobie według wynalazku, płyta podkładowa ma płaskie wybranie do osadzenia tkaniny rozprowadzającej gaz.

Jako szczególnie nadająca się do stosowania w sposobie według wynalazku okazała się elektroda do dyfuzji w gazach, w której warstwa nanoszonej masy zawierającej materiał nośny katalizatora i materiał katalizatora, w obszarze brzegowym elektrody połączona jest na obwodzie gazoszczelnie z brzegiem płyty podkładowej.

Gazoszczelne połączenie można uzyskać na przykład za pomocą uszczelniania lub ewentualnie przez walcowanie dociskowe wspomagane ultradźwiękami. Przy zastosowaniu jako materiału nośnego katalizatora lub jako płyty podkładowej, pianki lub porowatej struktury spiekanej, po pokryciu

PL 202 569 B1 struktury masą pokrywającą zawierającą materiał katalizatora sprasowuje się silnie obwodową strefą brzegową, aby uzyskać gazoszczelny obszar brzegowy.

Elektroda do dyfuzji w gazach korzystnie ma brzeg bez otworów, względnie brzeg uszczelniony przez sprasowanie porowatej struktury podkładowej i przy tym pozbawionym otworów brzegu połączona jest gazoszczelnie i elektrycznie przewodząco z elektrochemiczną aparaturą reakcyjną, na przykład za pomocą spawania, lutowania, ześrubowania, nitowania, zaciskania lub zastosowania odpornych na ług, elektrycznie przewodzących klejów.

Jeżeli połączenie elektrody do dyfuzji w gazach z elektrochemicznym aparatem reakcyjnym następuje za pomocą spawania lub lutowania, to pozbawiony otworów brzeg jest korzystnie pozbawiony srebra. Jeżeli natomiast połączenie elektrody do dyfuzji w gazach z elektrochemicznym aparatem reakcyjnym następuje za pomocą śrub, nitów, zacisków lub zastosowania elektrycznie przewodzących klejów, to brzeg pozbawiony otworów korzystnie zachowuje srebro.

Korzystnie przy łączeniu elektrody do dyfuzji w gazach z elektrochemiczną aparaturą reakcyjną, przy użyciu śrub, nitów lub zacisków, uszczelnia się strefę brzegową płyty podkładowej względem powierzchni do jej zabudowy przewidzianej w aparaturze elektrochemicznej, za pomocą elastycznej wkładki.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładzie wykonania na rysunku, przedstawiającym schemat sposobu według wynalazku.

P r z y k ł a d

Przeprowadzono elektrolizę przeponową HCl przy zastosowaniu 76 elementów ogniwowych o powierzchni elektrody każ dorazowo 2,5 m², w ukł adzie przedstawionym na rysunku, przy uż yciu katody pochłaniającej tlen i strumieniowej pompy gazowej 1 firmy Korting, Hannower, przy gęstości właściwej prądu 4 kA/m². Do przestrzeni katodowej elektrolizera doprowadzano przy tym 255 m³ N/h czystego tlenu, to znaczy w około 50% nadmiarze. Odpływający gaz resztkowy zawierał głównie tlen oraz parę wodną i śladowe ilości HCl.

Tlen doprowadzany był do procesu elektrolizy przy ciśnieniu 4,8 · 10⁵ Pa (ciśnienie gazu zasilającego) za pomocą strumieniowej pompy gazowej 1 i był w niej rozprężany do ciśnienia zbliżonego do atmosferycznego (ciśnienie procesowe). Powstająca różnica ciśnienia służyła przy tym jako siła napędowa do zasysania i domieszywania gazu resztkowego zawierającego nadmiarowy, nie zużyty tlen. Nie zużyty tlen w elektrolizie przeponowej jest do dyspozycji jako gaz procesowy dla katody pochłaniającej tlen. Gaz resztkowy zawierający gaz zasilający doprowadzany jest ponownie do procesu poprzez zawór regulacyjny 2 i poprzez strumieniową pompę gazową 1. Część strumienia gazu resztkowego doprowadzana jest, poprzez zawór nastawczy 3 do strumienia gazów odlotowych, przy czym strumień gazów odlotowych kształtowany jest jako swobodny, aby uniknąć nadciśnienia i odprowadzić zanieczyszczenia.

Wskutek zastosowania w sposobie według wynalazku strumieniowej pompy gazowej, bogaty w tlen gaz resztkowy zawracany jest do procesu bez potrzeby stosowania suszenia lub oczyszczania. Wskutek tego odpada nawet konieczne dotychczas przy elektrolizie NaCl nawilżanie gazu zasilającego. Zużycie tlenu z 255 m³ N/h obniża się do około 170 m³ N/h, gdyż konieczny dla procesu nadmiar uzyskuje się za pomocą zawrócone-go do obiegu gazu resztkowego. Oznacza to oszczędność około 75 m³ N/h w stosunku do procesu pozbawionego recyklingu. Przez zastosowanie swobodnego odpływu odprowadzanego gazu resztkowego unika się tworzenia nadciśnienia i/lub wahań ciśnienia w przestrzeni katodowej podczas elektrolizy, co może powodować uszkodzenie przepon i elektrod.

Claims (10)

1. Sposób zawracania do obiegu gazu procesowego w procesach elektrochemicznych z przynajmniej jedną elektrodą do dyfuzji w gazach, znamienny tym, że doprowadza się gaz zasilający do procesu elektrochemicznego za pomocą strumieniowej pompy gazowej (1) pod ciśnieniem, które jest większe niż ciśnienie procesowe, rozpręża się gaz zasilający do ciśnienia procesowego w strumieniowej pompie gazowej (1), przy wytwarzaniu ciśnienia ssania, które jest niższe niż ciśnienie procesowe, a następnie zasysa się gaz procesowy - gaz resztkowy zawierający gaz zasilający, za pomocą ciśnienia ssania wytwarzanego w strumieniowej pompie gazowej i zawraca się gaz resztkowy do procesu elektrochemicznego.

PL 202 569 B1

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gaz resztkowy zawraca się do procesu elektrochemicznego poprzez przynajmniej jeden zawór regulacyjny (2).

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że część gazu resztkowego odprowadza się z procesu jako gaz odlotowy.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ciśnienie procesowe reguluje się za pomocą kolejnego zaworu nastawczego (3) w strumieniu gazu odlotowego.

5. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że gaz resztkowy doprowadza się do procesu poprzez strumieniową pompę gazową razem z gazem zasilającym.

6. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że gaz zasilający i gaz resztkowy doprowadza się poprzez strumieniową pompę gazową tak, że gaz procesowy występuje w 1,01 do 10-krotnym stechiometrycznym nadmiarze, w odniesieniu do zużycia gazu zasilającego w procesie elektrochemicznym.

7. Sposób według zastrz. 1 albo 4, znamienny tym, że stosuje się ciśnienie procesowe wyższe od ciśnienia atmosferycznego o 0,001 · 10⁵ Pa do 10 · 10⁵ Pa.

8. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 4, znamienny tym, że proces prowadzi się przy ciśnieniu atmosferycznym.

9. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 4, znamienny tym, że stosuje się ciśnienie procesowe niższe od ciśnienia atmosferycznego o 1 · 10² Pa do 5 · 10⁴ Pa.

10. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 4, znamienny tym, że stosuje się ciśnienie gazu zasilającego wyższe od ciśnienia procesowego o 0,1 · 10⁵ do 40 · 10⁵ Pa.