PT99197B

PT99197B - Celula electrolitica, electrolisador e processo de realizacao de electrolise

Info

Publication number: PT99197B
Application number: PT99197A
Authority: PT
Inventors: Johan Wanngard; Mikael Tenfalt; Olov Dalenius
Original assignee: Permascand Ab
Priority date: 1990-10-10
Filing date: 1991-10-10
Publication date: 1999-04-30
Also published as: DE69118199D1; PT99197A; ATE135753T1; WO1992007115A1; SE9003236D0; FI931591A; CA2093358A1; US5338414A; EP0558504A1; FI931591A0; EP0558504B1

Description

MEMÓRIA DESCRITIVA presente invento refere-se a uma célula electrolítica compreendendo uma parede terminal, ou de extremidade, anódica e uma parede terminal, ou de extremidade, catódica, colocadas frente-a-frente e suportando ânodos e cátodos com a forma de placas, dispostos alternadamente e sensivelmente perpendiculares às referidas paredes. Pelo menos, alguns dos ânodos e/ou cátodos cooperam com a parede de extremidade oposta por meio de separadores, electricamente isolantes, permitindo a transmissão de forças de compressão entre as paredes de extremidade da célula. O invento refere-se também a um electrolisador que compreende duas ou mais células construídas de acordo com o invento. Além disso, o invento refere-se ainda a um processo de realização de electrólise.

clorato de sódio é muito usado na indústria de celulose para produzir o agente branqueador de dióxido de cloro. O clorato também pode ser usado para a produção de combustível de foguetões e erbicidas e para enriquecer urânio.

A produção de clorato de sódio é descrita em pormenor na literatura disponível, veja-se por exemplo Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th Ed., 1986, vol. 6, págs. 501-511, 521-525. A produção industrial é obtida pela electrólise de cloreto de sódio em células electrolíticas, por exemplo, compreendendo ânodos e cátodos, com a forma de placas, dispostos alternadamente. Um electrolisador é constituído, geralmente, por várias células electrolíticas ligadas electricamente em série. Forma-se nas células hipoclorito, o qual é conduzido, juntamente com o electrólito, para reactores onde é convertido em clorato. Uma parte deste produto é extraído na forma de uma solução ou cristais, enquanto que o electrólito restante é reciclado para as células juntamente com o cloreto de sódio fresco que está a ser introduzido. 0 electrólito é altamente corrosivo, impondo grandes exigências aos materiais de construção. As partes protegidas catodicamente podem ser feitas de ferro ou aço, enquanto as outras partes, em geral, podem ser feitas de titânio ou plásticos

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-3fluorados, o que é muito dispendioso. Os ânodos são geralmente feitos de titânio e cobertos com uma camada cataliticamente activa, à base de metais do grupo da platina, enquanto os cátodos são, muitas vezes, de ferro ou de aço. Para uma operação económica, a energia eléctrica fornecida deve ser usada tão eficazmente quanto possível.

A tensão da célula, U, numa célula de clorato com cátodos de ferro e ânodos de metal activado pode ser expressa em volt pela fórmula

U = 2,35 + k. i. + f ]çq£-j~ em que k é a constante da célula (ohm’m²’10³), que é uma medida da resistência da célula, i é a densidade de corrente (KA/m²) enquanto f]ç_Orr é um termo dependente da temperatura, o qual é zero à temperatura em que a tensão de decomposição é determinada e que diminui de cerca de 1O“³ v/°c.

Para uma produção, em condições óptimas numa célula, a densidade da corrente deve ser tão elevada quanto possível. Para valores dados para k e f]ç_Orr/ isto pode ser obtido aumentando a tensão da célula, resultando daí valores excessivamente elevados em reacções secundárias e provocando perdas de corrente. Para permitir uma densidade de corrente elevada, a constante da célula, isto é a resistência eléctrica, nas e entre as células, deve ser tão baixa quanto possível. Os electrolisadores de clorato conhecidos operam, geralmente, com um valor k de 0,18 a 0,25. Para um funcionamento óptimo, é também necessário ter uma distribuição de corrente tão uniforme quanto possível entre os eléctrodos, em cada célula. Para a obtenção dos requisitos acima mencionados, incorre-se normalmente em custos consideráveis, especialmente no referente às peças anódicas feitas de titânio, que é um condutor eléctrico consideravelmente mais pobre do que o ferro.

Um outro problema consiste na formação de depósitos nos cátodos, aumentando a tensão da célula. As instalações de clorato são, por conseguinte, regularmente paradas com o electrólito re-

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-4manescente no seu interior, o que resulta numa diminuição do pH e na dissolução dos depósitos, mas também numa grave corrosão dos cátodos que, por conseguinte, tem normalmente de ser substituídas depois de poucos anos de funcionamento.

Por exemplo, da FR, A, 2,283,245 é sabido que se põem em contacto células electrolíticas ligadas em série, dispondo-as numa estrutura semelhante a uma prensa-filtro onde são comprimidas umas de encontro às outras, tornando-se assim mais fácil desmontar o electrolisador. Em electrolisadores conhecidos tipo prensa de filtro, os ânodos e cátodos consistem em placas que se prolongam paralelamente às paredes de extremidade, com separadores isolantes entre si. Com esta disposição é difícil, com baixos custos, obter uma distribuição de corrente satisfatória entre os eléctrodos e projectar células com uma superfície suficientemente grande.

A patente NO 110922 descreve uma célula compreendendo meios de isolamento elêctrico entre os ânodos e o envólucro da célula. Os problemas acima mencionados não são tratados nesse documento.

Num outro electrolisador da arte anterior, como se descreve por exemplo, na publicação Ullmann acima mencionada, as células são ligadas em série e, através das suas paredes de extremidade, ligadas electricamente a placas de contacto. Os eléctrodos das células são constituídos por placas que se prolongam perpendicularmente às paredes de extremidade. A fim de se obter um contacto adequado entre as células e uma distribuição de corrente satisfatória entre os eléctrodos, as paredes de extremidade da célula devem ser ligadas por explosão às placas de contacto, o que é dispendioso e torna ainda mais difícil a desmontagem do electrolisador para reparações e conservação. Uma vez que a ligação por explosão é dispendiosa, as superfícies da parede de extremidade são feitas com pequenas dimensões e os eléctrodos compridos, criando um circuito longo para a corrente eléctrica. Assim, para se reduzir a resistência e as perdas de corrente, os eléctrodos, em particular os ânodos, devem ser relativamente espessos, aumentando assim ainda mais o consumo de

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presente invento tem por objectivo resolver o problema, proporcionando um electrolisador que seja fácil de desmontar e que, tendo ao mesmo tempo uma resistência eléctrica baixa, seja de fabrico pouco dispendioso. Foi possível conseguir estas condições por meio de um electrolisador compreendendo células electrolíticas, em contacto eléctrico umas com as outras e sujeitas a forças de compressão sensivelmente perpendiculares às superfícies de contacto. Também se verificou ser possível conseguir uma célula electrolítica adequada para um electrolisador deste tipo.

invento refere-se assim a uma célula electrolítica de acordo com a reivindicação 1. Mais especificamente, a célula compreende uma parede de extremidade anódica e uma parede de extremidade catódica, colocadas frente-a-frente e suportando ânodos e cátodos com a forma de placas, alternadamente e sensivelmente perpendiculares às referidas paredes. Pelo menos alguns dos ânodos e/ou cátodos cooperam com a parede de extremidade oposta por meio de separadores isolantes, permitindo assim que se transmitam forças de compressão entre as paredes de extremidade da célula.

A célula de acordo com o invento compreende uma caixa na qual os ânodos e cátodos se encontram distribuídos, sendo a caixa fechada excepto nos pontos onde se encontram previstas a entrada e a saída do electrólito. A fim de proporcionar um bom contacto eléctrico entre duas células colocadas uma ao lado da outra é conveniente que, pelo menos, a superfície exterior de cada uma das paredes de extremidade da célula compreenda uma parte plana sensivelmente perpendicular às placas eléctrodo, estendendo-se de preferência a parte plana sobre sensivelmente toda a área das paredes de extremidade que suportam as placas eléctrodo. De preferência, as placas anódicas das células são feitas de metal de válvulas ou ligas, muito preferivelmente de titânio ou de ligas de titânio. De acordo com uma concretização preferível, uma célula é formada por uma parte anódica embutida com a forma de

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-6uma calha que, por exemplo, por montagem por parafusos, é destacável de uma parede de extremidade catódica com placas cátodo ligadas a mesma e meios de isolamento eléctrico, por exemplo uma junta colocada entre a calha anódica e a parede de extremidade catódica. Neste caso, a calha e a parede de extremidade catódica, assim juntas, formam a caixa da célula. Convenientemente, a célula é projectada para um caudal alto de electrólito, de preferência, cerca de 1 a cerca de 2 m/s. Para este fim, os eléctrodos e as outras superfícies contactadas pelos líquidos são convenientemente lisas através de um acabamento ou regularização adequada. Este caudal alto permite um espaçamento entre eléctrodos pequeno e também tem como resultado, que o tamanho das bolhas de gás no electrólito fique reduzido. Assim, as células podem funcionar com uma densidade de corrente elevada. É preferível que as placas anódicas estejam revestidas com um revestimento catalítico compreendendo óxidos de estrutura em espinha, de preferência, contendo metais do grupo da platina e titânio, alternativamente com uma mistura de metais do grupo da platina na forma metálica. Como exemplos de metais do grupo platina utilizáveis em ambos os casos referem-se Pt, Ru, Rh e Ir. As partes catódicas são, de preferência, feitas de aço.

A maior exigência de pressão de contacto nas paredes de extremidade da célula verifica-se nos pontos da vizinhança imediata dos eléctrodos fabricados com o material que tem a conductividade mais baixa. Se os ânodos forem feitos de titânio e os cátodos de ferro ou de aço é, por conseguinte, preferível que os ânodos cooperem com a parede de extremidade da célula catódica oposta através de meios espaçadores electricamente isolantes, fazendo-se assim a pressão máxima de contacto nos ânodos. Em particular, é preferível que sensivelmente todos os ânodos da célula cooperem desta maneira com a parede de extremidade oposta da célula. É então também preferível que os cátodos não cooperem com a parede de extremidade oposta da célula anódica.

Para evitar a fractura dos eléctrodos e facilitar a sua manutenção nas posições correctas nas células, é preferível que sejam colocados meios espaçadores electricamente isolantes entre

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-7os ânodos e os cátodos. De preferência, os ânodos são eléctrodos duplos com a forma de placas de perfil em U que, nas suas extremidades fechadas, estão em contacto eléctrico com a parede de extremidade anódica da célula e fixos à mesma. Os ânodos podem ser realizados por dobragem de placas com dimensões adequadas. As dimensões utilizáveis para cada placa no eléctrodo duplo podem ter uma espessura de cerca de 0,75 a cerca de 1,25 mm, uma largura de cerca de 100 a cerca de 250 mm e um comprimento de cerca de 700 a cerca de 1 200 mm. Podem usar-se as mesmas dimensões mesmo se os ânodos foram placas únicas fixas à parede de extremidade. De preferência, as placas catódicas têm sensivelmente a mesma largura e comprimento que as placas anódicas, enquanto que a espessura adequada das placas catódicas pode ser da ordem de cerca de 2 a cerca de 3 mm. 0 afastamento entre os ânodos e cátodos deve ser pequeno para minimizar a resistência da célula, por exemplo de cerca de 1 a cerca de 3 mm, de preferência, de cerca de 1,5 a cerca de 2,5 mm. É preferível que a proporção entre o comprimento e a largura das placas eléctrodo seja de cerca de 2:1 a cerca de 15:1, especialmente de cerca de 3:1 a cerca de 10:1. Os eléctrodos podem ser fixados à respectiva parede de extremidade de qualquer forma adequada, de preferência por soldadura, por exemplo soldadura por resistência ou por laser. A espessura preferível das paredes de extremidade da célula é de cerca de 3 a cerca de 10 mm para a catódica e de cerca de 1,5 a cerca de 3 mm para a anódica.

Os componentes separador electricamente isolantes, para a transmissão de forças de compressão, devem ser feitos de material resistente à corrosão e mecanicamente estáveis, por exemplo materiais cerâmicos, tais como nitreto de silício, carboneto de silício ou vidro de silicato de boro ou, em alternativa, de um plástico fluorado reforçado com fibras de qualquer dos materiais atrás mencionados. Podem ser fixos, por exemplo, por colagem com cola resistente à corrosão, tanto para as placas eléctrodo como para as paredes de extremidade da célula, com as quais os eléctrodos cooperam. Os separadores isolantes entre os ânodos e os cátodos podem ser constituídos por corpos em forma de botão, de preferência, num número de 2 até 50 em cada separação, colados

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-8ou fixos de qualquer outra maneira aos ânodos e/ou aos cátodos e podem ser feitos de qualquer dos materiais acima mencionados.

Adequadamente, uma ou ambas as paredes de extremidade das células estão munidas nas suas superfícies exteriores com uma camada com uma condutividade eléctrica elevada, podendo essa camada cobrir sensivelmente toda a superfície plana ou apenas uma parte da referida superfície, por exemplo, com a forma de pontos ou cordões. Pelo menos, as paredes de extremidade feitas em titânio, ligas de titânio ou outros materiais de válvula são, de preferência, munidas com essas camadas.

De acordo com uma concretização do invento, de preferência, ambas as paredes de extremidade da célula estão munidas, nas suas superfícies exteriores, com camadas com uma condutividade eléctrica elevada, sendo essa camada rugosa, de preferência, feita de níquel, cobre, prata ou ligas destes. As camadas devem, de preferência, cobrir sensivelmente todas as superfícies planas exteriores das paredes de extremidade. As camadas podem ser aplicadas por liga superficial térmica efectuada, por exemplo, por laser ou soldadura TIG (tungsténio e gás inerte) de maneira a ficarem ligadas metalicamente ao substrato. Esta concretização é particularmente vantajosa, se as células se destinarem a um electrolisador tipo prensa de filtro usando elementos de condução intermédios, para criar o contacto eléctrico entre as células. Se for este o caso, o mesmo tipo de camada pode ser aplicado às paredes de extremidade da estrutura tipo prensa-filtro.

De acordo com outra concretização, a superfície exterior de qualquer das paredes de extremidade feita de metal de válvulas está munida com uma camada molhável por solda macia, tendo também a junta da superfície da parede de extremidade resistência suficiente para poder suportar, adequadamente, uma junta de solda e poder manter um bom contacto eléctrico com a parede de extremidade. Em conformidade, deve ser possível juntar a parede de extremidade da célula a outra célula por soldadura macia, proporcionando-se assim um excelente contacto eléctrico entre as células. Solda macia significa uma solda que funde a temperaturas

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abaixo de cerca de 350°C, de preferência, abaixo de cerca de 300°C, e mais preferivelmente abaixo de cerca de 250°C. A camada molhável deve, de preferência, ser aplicada por um processo de baixa temperatura. Um processo preferido envolve soldadura por ultra-sons, usando solda que compreenda estanho, chumbo e metais de terras raras, por exemplo solda disponível no mercado com a marca registada CERASOLZEr(^r), proporcionando-se assim uma camada molhável por solda macia, ligada à superfície, com uma resistência suficiente. Outro processo envolve a aplicação de uma folha de cobre ou prata por soldadura em vácuo, usando-se, de preferência, uma solda que compreenda prata e fluxo. Obtém-se assim, por qualquer dos processos acima mencionados, uma camada molhável com propriedades adequadas, mas também podem ter-se em consideração outros processos que proporcionem esta camada. A camada molhável pode cobrir partes ou todas as superfícies exteriores planas de uma ou de ambas as paredes de extremidade. Por razões de economia, é preferível que apenas a parede de extremidade feita de titânio ou de uma liga de titânio ou, mais preferivelmente, que apenas uma parte da superfície, de preferência, de cerca de 60 para cerca de 90%, seja coberta pela camada molhável. Mais preferivelmente, a camada molhável é aplicada com a forma de cordões ou pontos distribuídos sensivelmente de forma uniforme sobre as superfícies planas.

invento refere-se também a um electrolisador compreendendo duas ou mais células electrolíticas como as descritas anteriormente. De preferência, o electrolisador compreende, pelo menos, uma fiada de células electrolíticas ligadas em série ou em paralelo umas às outras, por meio das suas paredes de extremidade. É também concebível usarem-se duas ou mais fiadas paralelas de células. De preferência, cada fiada inclui 5 a 15 células. Uma instalação inclui, geralmente, uma série de electrolisadores, de preferência, ligados em série. A não ser que esteja especificamente referido de outra forma, os termos ligação em série e ligação em paralelo referem-se a ligações eléctricas.

A fim de assegurar boas ligações eléctricas, o electrolisa#X73 156

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-10dor está, de preferência, munido com meios de condução entre as células. Além disso, as células são, de preferência, dispostas de forma a ficarem sujeitas a forças de compressão sensivelmente perpendiculares às paredes de extremidade das células, isto é, sensivelmente paralelas às placas eléctrodo. Os meios de condução entre as células podem ser constituídos por solda macia ou elementos de condução intermédios mantidos em posição apenas pelas forças de compressão criadas pelo aperto das células de uma fiada umas contra as outras.

As forças de compressão transmitidas através de eléctrodos que se prolongam longitudinalmente, como se descreveu anteriormente, dão lugar a que se possa obter uma melhor distribuição da pressão de contacto, reduzindo-se assim as perdas eléctricas, em comparação com dispositivos de técnicas anteriores tipo prensa de filtro. Um vez que o arranjo do invento não é dispendioso, pode-se dar uma grande dimensão à superfície da parede de extremidade. Isto permite o uso de eléctrodos curtos, com pequenas perdas eléctricas, o que, por sua vez, significa que os eléctrodos podem ser delgados e que se podem poupar quantidades consideráveis de material dispendioso. Graças ao bom contacto entre as células, as paredes de extremidade podem também ser delgadas, sem acarretar quaisquer problemas no que respeita à distribuição de corrente entre os eléctrodos. Uma vez que as células ficam juntas de forma destacável, pode também desmontarse muito facilmente um electrolisador, de acordo com o invento, para reparações subsequentes ou substituição dos eléctrodos. Por exemplo, podem ser montados eléctrodos recentemente desenvolvidos, com características aperfeiçoadas numa instalação existente sem ser necessária qualquer modificação da célula. Além disso, o projecto de acordo com o invento, torna possível a utilização de células de volume altamente reduzido, o que facilita entre outras coisas, a descarga do eléctrodo, depois de parada a instalação, por exemplo para conservação. Isto é especialmente vantajoso em instalações de produção de pequenas dimensões, que não funcionam continuamente. Graças à facilidade de paragem e à substituição rápida de eléctrodos, é também possível usarem-se matérias primas altamente contaminadas. 0

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-11invento permite também um projecto muito compacto, espaço. Verificou-se que são possíveis valores tão baixos como 0,125-0,15 0hm*m²*10³ para a constante k da célula, o que significa que o electrolisador pode ser operado sem qualquer dificuldade com uma densidade de corrente superior a 3,5 kA/m².

Na maioria dos casos é preferível que as células individuais de cada fiada sejam ligadas umas às outras em série. Assim, apenas a primeira e a última célula em cada fiada necessitam de ser ligadas directamente a uma fonte de energia eléctrica exterior, qual pode ser então ligada às paredes de extremidade de uma estrutura, sendo preferível que existam meios de condução entre as paredes de extremidade da estrutura e as células exteriores do mesmo tipo, que entre as células. Se se usarem duas ou mais fiadas de células, é preferível que estas sejam ligadas em paralelo. As células individuais de cada fiada podem também ser ligadas em paralelo, ligando uma fonte de corrente eléctrica a cada meio de condução disposto entre as células. Neste caso, cada meio condutor de um grupo é disposto entre duas das paredes de extremidade da célula anódica, enquanto cada um dos do outro grupo é disposto entre duas paredes de extremidade da célula catódica. Esta última concretização é vantajosa em instalações que têm uma considerável capacidade de rectificação.

Cada célula tem uma entrada e uma saída para o electrólito, de preferência, com a forma de um tubo de elevação inferior e um tubo de elevação superior dispostos nas paredes inferior e superior da célula, respectivamente, ligados a um equipamento adequado para fornecer matérias-primas e opcionalmente electrólito reciclado e processar adicionalmente o electrólito, respectivamente. Para se obter o efeito de bombagem requerido para a circulação do electrólito através da célula, é preferível que o tubo de elevação superior tenha uma altura de cerca de 4 m, o que também cria uma pressão hidrostática relativamente elevada na célula. Em particular, é preferível uma altura de 4 a 10 m. As entradas e saídas estão, de preferência, ligadas à parte anódica da célula e são feitas adequadamente de material resistente, e electricamente isolante, como vidro, plásticos fluorados ou

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-12sF*' semelhantes. Vantajosamente, a célula está munida com dois dispositivos de extinção de corrente de fuga, integrados nos dois tubos de elevação e ligados à terra comum, de forma a que se possa ler individualmente a corrente que passa através dos dispositivos individuais de extinção de corrente de fuga. Estes podem ser feitos, por exemplo, em liga de titânio com um óxido electroquimicamente activo de estrutura em espinha, como RUO2/TÍO2· Para se obter uma resistência de fluxo baixa, as placas de eléctrodo têm adequadamente um prolongamento paralelo à direcção do fluxo o que, em muitos casos, significa um prolongamento na vertical. De preferência, cada célula inclui cerca de 40 a cerca de 80 placas ânodo e um número igual de placas cátodo.

De acordo com uma concretização, o electrolisador compreende uma ou mais fiadas de células dispostas numa estrutura, compreendendo meios para a produção de forças de compressão elevadas na direcção longitudinal da fiada de células, de preferência, de um valor de cerca de 400 a cerca de 800 KN/m². Adequadamente, encontram-se dispostos elementos de condução intermédios entre as células, mantidos em posição por forças de compressão. Os meios para a produção de forças de compressão podem incluir hastes de tracção que se prolongam entre as duas paredes de extremidade da estrutura. Uma estrutura, de acordo com esta concretização, pode funcionar assim em conformidade com os mesmos princípios como uma estrutura de prensa-filtro.

Os elementos de condução intermédios para proporcionarem um bom contacto eléctrico entre as células terão, com vantagem, uma certa elasticidade, para se obter uma distribuição uniforme da pressão de contacto, através da superfície das paredes de extremidade das células. De preferência, estes elementos são suficientemente grandes para cobrirem as superfícies das paredes de extremidade da célula. Os mesmos podem também ser feitos suficientemente grandes, de modo a cobrirem duas ou mais fiadas paralelas de células. Uma espessura preferível é de cerca de 0,5 a cerca de 5 mm. Para se obter um bom contacto, é preferível que os elementos de condução intermédios tenham de cada lado um

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Case 9338 —13 — grande número de partes elevadas recorrentes. Isto obtido fazendo as superfícies de uma placa rugosas ou espinhadas”, trabalhando-as com uma recartilha, de preferência, em duas direcções, pelo menos, perpendiculares em relação uma à outra. Pode também obter-se uma superfície tendo partes elevadas recorrentes, fazendo os elementos de condução intermédios em metal distendido, de preferência, de uma malha proporcionando 10 a 20 pontos de contacto por cm^. Outra variante consiste em juntar tubos, que podem ser cheios com um elastómero, numa disposição semelhante a degraus, de preferência, de forma que o espaçamento entre os tubos corresponda ao espaçamento entre os eléctrodos, transmitindo a pressão de contacto às células. Um material de construção preferido é o cobre, opcionalmente ligado com berílio, e tendo também opcionalmente um revestimento de superfície condutor contendo níquel e prata.

De acordo com outra concretização, as células em cada fiada são ligadas umas às outras por soldadura macia, isto é, soldando a uma temperatura abaixo de cerca de 350°C, de preferência, abaixo de 250°C, muito preferivelmente abaixo de 200°C, não sendo contudo a solda fundível a temperaturas abaixo de cerca de 100°C, de preferência, não inferiores a cerca de 120°C. A fim de se poder efectuar a soldadura macia, as superfícies a soldar, isto é, as superfícies exteriores das paredes de extremidade da célula, devem ser molháveis com solda macia. Assim, pelo menos, qualquer superfície feita de um metal de válvula ou liga destes deve, de preferência, compreender uma camada molhável por solda macia e, junto à superfície ter resistência suficiente para suportar uma junta soldada. As superfícies molháveis são assim munidas com solda macia convencional, por exemplo, solda à base essencialmente de estanho e chumbo ou estanho e prata e as superfícies são montadas e unidas por aquecimento, de preferência, a uma temperatura de cerca de 150 a cerca de 225°C, por exemplo, por aquecimento por indução. A junta pode ser facilmente desfeita por aquecimento a cerca de 250 ou 350°C. A fim de melhorar a resistência da junta, pode usar-se também uma resina, devendo essa resina, no estado de cura, poder ser desfeita por aquecimento. Antes da montagem, as superfícies a

156 case 9338 juntar, adequadamente cerca de 5 a cerca de 50%, de preferência de 10 a cerca de 30% de uma das superfícies, é revestida com resina, por exemplo com a forma de cordões ou pontos distribuídos, de preferência, de modo sensivelmente uniforme em toda a superfície. Se a camada molhável por solda macia não cobrir toda a superfície plana, a resina é aplicada, de preferência, nas partes não cobertas pela referida camada. A resina curada deve, de preferência, poder ser desfeita a uma temperatura de cerca de 250 a cerca de 350°C. Muito preferivelmente, a resina é curável por aquecimento a uma temperatura de cerca de 150 a cerca de 200°C, permitindo assim que a cura e a soldadura se efectuem numa só operação. Pode, por exemplo, usar-se uma resina epoxídrica com um componente curável por aquecimento. A fim de proporcionar um bom contacto eléctrico em toda a superfície, as células são, de preferência, sujeitas a forças de compressão, quando estão a ser soldadas. As células são dispostas, de preferência, numa estrutura que suporta as paredes de extremidade catódicas e, opcionalmente, de forma a pressionarem também as células duma fiada umas contra as outras.

invento refere-se também a um processo para a realização da electrólise, envolvendo esse processo o uso de uma célula electrolítica, ou de um electrolisador, de acordo com o invento. O processo envolve assim a sujeição uma solução aquosa, contendo opcionalmente um ou mais sais, fazendo a electrólise fluir a solução entre as células num electrolisador de acordo com a descrição acima efectuada. E particular, o processo refere-se à electrólise de uma solução aquosa contendo cloreto de sódio. 0 invento refere-se em particular a um processo de produção de um clorato de metal alcalino e envolve a electrólise de uma solução aquosa contendo cloreto de sódio. A electrólise é efectuada fazendo fluir uma solução aquosa contendo cloreto de sódio através do tubo de elevação inferior e através das células, de maneira a formar, entre outros, hipoclorito e hidrogénio gasoso. 0 hidrogénio contribui para pressionar o electrólito para fora, através do tubo de elevação superior, conduzindo-o para um ou mais reactores onde se forma o clorato. Os gases, principalmente o hidrogénio, formados nas células são separados e extraídos da

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-15solução na extremidade do tubo de elevação superior. Uma tensão de célula preferível é a de cerca de 2,5 a cerca de 3,5 V, enquanto que a densidade de corrente preferível é superior a cerca de 3 kA/m² e, mais preferivelmente, é de cerca de 3,5 a cerca de 4,5 kA/m². Um caudal preferível do electrólito através das células é de cerca de 1 a cerca de 2 m/s, proporcionando-se assim um transporte de massa altamente satisfatório. A temperatura de funcionamento preferível é de cerca de 80 a cerca de 95°C. A pressão hidrostática nas células excede, de preferência, cerca de 1,4 bar e, mais preferivelmente, é de cerca de 1,4 a cerca de 2 bar. A pressão relativamente elevada aumenta a pressão de contacto entre as células e reduz as dimensões das bolhas de gás existentes no electrólito e, por conseguinte, a resistência eléctrica.

Além da produção de clorato, um electrolisador, de acordo com o invento pode, por exemplo, ser usado para a produção de hipoclorito ou para electrólise da água.

Para explicar o invento em mais pormenor, descrever-se-à em seguida uma concretização especialmente adequada para a produção de clorato de sódio, em correlação com os desenhos anexos.

As Figs. la e lb mostram um electrolisador de acordo com o invento visto de lado e de cima, respectivamente. A Fig. 2 é um corte mostrando uma célula de lado, da qual, no entanto, a parte central foi retirada. As Figs. 3a e 3b mostram um ânodo visto de cima e de lado, respectivamente. A Fig. 4 é um corte mostrando uma parte de uma célula vista de cima. As Figs. 5a, 5b, 6a e 6b mostram diferentes tipos de elementos de condução intermédia. A Fig. 7 mostra esquematicamente uma disposição de interligação alternativa com as células ligadas em paralelo.

Nas Figs. la e lb, o electrolisador, de acordo com a concretização representada, consiste em oito células 1 ligadas electricamente em série montadas numa estrutura tipo prensa de filtro 2. As paredes de extremidade planas 5, 6 das células 1 estão em contacto eléctrico umas com as outras e com as paredes

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-16de extremidade 17 da estrutura 2, através de meios condutores 3 de elevada condutividade eléctrica, por exemplo, elementos de condução intermédios ou solda macia. A estrutura do tipo prensa de filtro 2 pode ter tirantes 16 pressionados de forma a exercerem forças de compressão nas células 1 colocadas entre as paredes de extremidade 17 da estrutura. Isto confere resistência mecânica e bom contacto eléctrico tanto entre as células 1 como entre as células das extremidades e as paredes de extremidade 17 da estrutura. Cada célula tem também uma entrada com a forma de um tubo de elevação inferior 14 e uma saída com a forma de um tubo de elevação superior 13. Fig. 1 mostra como o electrolisador está ligado em série com dois outros por linhas eléctricas 18.

Na Fig. 2 vê-se que uma célula 1 compreende uma caixa constituída por uma parede de extremidade catódica 5 sensivelmente plana, de aço, e uma parte anódica, de titânio, embutida com uma parede de extremidade 6 sensivelmente plana. Estas partes são separadas galvanicamente por um isolador 7. Os lados exteriores das paredes de extremidade 5, 6 são revestidos por camadas 11, 12, de um material com uma condutividade elevada, opcionalmente molhável por solda macia e, junto à parede de extremidade, com a resistência suficiente para suportar uma união soldada. Os ânodos 8 e os cátodos 10 estão dispostos paralela e alternadamente, com a forma de placas colocadas verticalmente, prolongando-se entre as duas paredes de extremidade 5, 6. Os ânodos em forma de placa 8 são soldados ao lado interior da parede de extremidade anódica 6 e cooperam com a parede de extremidade catódica 5 através de componentes de espaçador isolantes electricamente 4, com a forma de tiras que se prolongam horizontalmente, fixadas ao lado interior da parede de extremidade 5. Os cátodos com a forma de placas 10 são soldados ao lado interior da parede de extremidade catódica 5 e têm reentrâncias 19 para receberem as tiras isoladoras 4. Nas Figs. 3a, 3b e 4 verifica-se que os ânodos 8 são eléctrodos duplos com a forma de placas com um perfil em forma de U, os quais são fixados, nas suas extremidades fechadas 20 à parede de extremidade anódica 6. Além disso, os componentes de espaçador

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-17isolantes em forma de botão 9 são fixados nas placas ânodos, de forma que os ânodos 8 e os cátodos 10 fiquem mantidos afastados e nas suas posições, apesar do facto de se transmitirem forças de compressão consideráveis entre as paredes de extremidade das células 5, 6 através dos ânodos 8.

A Fig. 5a é uma planta, mostrando um elemento condutor intermédio 3 vantajoso para proporcionar contacto eléctrico entre as células. 0 elemento condutor intermédio é feito com tubos de cobre 30, com superfícies ásperas e fixados a duas barras 31, por exemplo de latão, com um espaçamento entre os tubos 30 correspondente ao espaçamento entre os pontos fixos dos ânodos 8 nas células 1. Num electrolisador, os elementos condutores intermédios 3 estão dispostos com os tubos do lado oposto aos pontos fixos dos ânodos de forma que a pressão de contacto seja máxima onde for mais requerida. A Fig. 5b mostra como os tubos de cobre 30 são cheios com material elastómero 32.

As Figs. 6a e 6b são uma vista de topo e uma vista lateral, respectivamente, de outro tipo de elemento condutor intermédio 3 de metal distendido.

A Fig. 7 mostra esquematicamente uma figura alternativa em que as células 1 de uma fiada estão ligadas em paralelo por cada um dos outros meios condutores 3a, ficando ligadas ao de extremidade positivo da fonte de corrente externa, enquanto cada um dos outros meios condutores 3b ficam ligados ao de extremidade negativo da fonte de corrente externa. Cada meio condutor 3a, 3b, excepto para o primeiro e o último em cada fiada, que estão dispostos nas paredes de extremidade da estrutura, está disposto entre duas células anódicas ou duas células catódicas das paredes de extremidade. As células individuais ficam assim dispostas alternadamente em direcções diferentes, mas podem, por outro lado, ter o mesmo desenho como se descreveu anteriormente em relação às outras concretizações.

Na produção de clorato de sódio com um electrolisador, de acordo com a concretização descrita, as células 1 são alimentadas

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-18com uma solução aquosa contendo cloreto de sódio através do tubo de elevação inferior 14. A solução flui para cima através das células 1, entre as placas ânodo 8 e as placas cátodo 10, entre as quais existe uma diferença de tensão eléctrica e sai através do tubo de elevação superior 13. Nas células formam-se principalmente hipocloreto e hidrogénio gasoso. 0 gás é separado e extraído, enquanto a solução é passada por um ou mais reactores (não representados) onde o hipocloreto é convertido em clorato. Uma parte do clorato é extraída como produto, em solução ou cristais, enquanto o remanescente é reciclado e retorna às células, juntamente com o cloreto de sódio recentemente fornecido, através do tubo de elevação inferior 14.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1 - Célula electrolítica, caracterizada por a célula (1) compreender uma parede de extremidade anódica (6) e uma parede de extremidade catódica (5), uma em frente da outra, e suportando ânodos (8) e cátodos (10) com a forma de placas dispostas alternadamente e sensivelmente perpendiculares às referidas paredes de extremidade (5, 6) cooperando, pelo menos, alguns dos ânodos (8) e/ou cátodos (10) com a parede de extremidade oposta (5, 6) por meio de componentes de separador (4) electricamente isolantes.
2 - Célula de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a célula compreender uma caixa, na qual estão dispostos os ânodos (8) e cátodos (10), sendo a caixa fechada excepto numa entrada (14) e numa saída (13) de electrólito.
3 - Célula de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada por, pelo menos, a superfície exterior de cada uma das paredes de extremidade de célula (5, 6) compreender uma parte sensivelmente plana e sensivelmente perpendicular às placas de eléctrodo (8, 10).
4 - Célula de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-3, caracterizada por a célula (1) ser constituída por uma parte anódica com a forma de uma calha ligada de forma destacável à parede de extremidade catódica (5), encontrando-se colocados entre a calha anódica e a parede de extremidade catódica, meios electricamente isolantes (7).
5 - Célula de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-4, caracterizada por os ânodos (8) cooperarem com a parede de extremidade de célula catódica oposta (5).
6 - Célula de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-5, caracterizada por uma ou ambas as duas paredes de extremidade (5, 6) de célula (1) estarem munidas, na sua superfície exterior, com uma camada (11, 12) com elevada condutividade eléctrica.

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7 - Célula de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-6, caracterizada por a superfície exterior de qualquer das paredes de extremidade (6), feita de metal de válvulas, estar munida com uma camada (11), molhável por uma solda macia, tendo a junção com a superfície da parede de extremidade (5) também resistência suficiente para suportar uma junção soldada.
8 - Electrolisador caracterizado por compreender, ligadas em série ou em paralelo, pelo menos, uma fiada de células electrolíticas (1), de acordo com qualquer das reivindicações 17, encontrando-se as células (1) ligadas electricamente umas às outras através das suas paredes de extremidade (5, 6).
9 - Electrolisador de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por as células (1) estarem dispostas, de modo a serem sujeitas a forças de compressão sensivelmente perpendiculares às paredes de extremidade de célula (5, 6).
10 - Electrolisador de acordo com qualquer uma das reivindicações 8-9, caracterizado por o electrolisador estar munido com meios condutores (3) entre as células (1).
11 - Electrolisador de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por os meios condutores (3) entre as células (1), consistirem em solda macia.
12 - Electrolisador de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por os meios condutores (3) entre as células (1), consistirem em elementos condutores intermédios, mantidos nas suas posições por forças de compressão criadas pelo aperto das células de uma fiada, umas contra as outras.
13 - Processo de realização de electrólise, caracterizado por compreender a aplicação de uma célula electrolítica de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-7.
14 - Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por compreender a electrólise de uma solução aquosa contendo

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-21cloreto de sódio, e ser obtido um clorato de metal alcalino