Электролитическая ячейка с сегментированной и монолитной конструкцией электрода

Изобретение относится к конструкциям электролизеров. Электролитическая ячейка ограничена двумя полуоболочками, каждая из которых скреплена с электродом посредством множества проводящих полос, причем электроды являются анодом и катодом с основной поверхностью, разделенными мембраной. По меньшей мере один из электродов выполнен из множества электродных сегментов, причем каждый из упомянутых электродных сегментов прикреплен к по меньшей мере одной из упомянутых проводящих полос перед скреплением с соответствующей полуоболочкой, при этом упомянутые электродные сегменты и прикрепленные к ним упомянутые проводящие полосы получены в виде бесшовных цельных элементов из единственных заготовок. Технический эффект - исключение температурных деформаций, улучшение точности по размерам, упрощение монтажа. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

[0001] Изобретение относится к электролитической ячейке, по существу состоящей из двух полуоболочек, предусматривающих устройства впуска и выпуска, конструктивные элементы для управления потоками, анод и катод, разделенные мембраной. Электрод может иметь любую структуру поверхности и соединен с соответствующей полуоболочкой на стороне, противоположной мембране, посредством множества проводящих полос. Согласно изобретению, по меньшей мере один из двух электродов снабжен сегментированной структурой, причем каждый из электродных сегментов и примыкающие к нему опорные полосы выполнены в виде монолитного бесшовного узла из единственной заготовки.

[0002] Практикой на современном уровне развития технологии является приваривание электродов к внутренней стенке соответствующей полуоболочки посредством полос, которые расположены перпендикулярно электроду и задней стенке полуоболочки, то есть выровненных в направлении сжимающей силы. В области между мембраной и электродами вставляются электроизолирующие разделители, так что мембрана зажимается и, таким образом, фиксируется между множеством разделителей сжимающей силой, действующей с внешней стороны. Разделители расположены противоположными парами, а полосы размещены в совпадении с разделителями на противоположной стороне электрода.

[0003] Электролизеры этого типа описаны, например, в DE 19641125 и EP 0189535. Компоненты-ячейки оптимизированы для того, чтобы минимизировать количество необходимого материала, одновременно обеспечивая требуемую жесткость и прочность готовой ячейки. При изготовлении устройства в соответствии с DE 19641125 необходимо сначала изготовить отдельные элементы, часть из которых имеет относительно малую толщину, поместить их в правильный станок и приварить друг к другу, собирая ячейку. В случае больших заказов это очень дорогой и занимающий много времени процесс, учитывая, что один цех электролизеров обычно содержит много тысяч индивидуальных ячеек.

[0004] К точности выполнения по размерам компонентов-ячеек должны предъявляться жесткие требования, так как даже незначительные отклонения, которые могут быть вызваны, например, тепловым расширением материала, неточностью размещения компонентов или изменениями размеров индивидуальных компонентов, могут привести к проблемам при монтаже или работе ячеек.

[0005] Поэтому одна из целей изобретения состоит в том, чтобы преодолеть недостатки существующей технологии и создать электролизер, содержащий компоненты-ячейки с улучшенной точностью по размерам и более легкие в монтаже.

[0006] Эта и другие цели достигаются посредством электролитической ячейки, по существу состоящей из двух полуоболочек, предусматривающих устройства впуска и выпуска, конструктивные элементы для управления потоками, анод и катод, разделенные мембраной. Электроды могут иметь любую структуру поверхности, профиль или перфорации. На стороне, противоположной мембране, электроды электрически соединены с соответствующей полуоболочкой посредством полос и отличаются сегментированной конструкцией, причем каждый электродный сегмент образован из одной единственной заготовки в виде бесшовного монолита, содержащего по меньшей мере одну, а предпочтительно две соседних опорных полосы.

[0007] Сегментированная структура электрода по изобретению особенно выгодна тем, что в результате могут быть сужены пределы допусков, в частности, поскольку допуск по высоте корпуса зависит всего лишь от одного конструктивного элемента или технологического этапа, что особенно важно, принимая во внимание большой размер электрода в обычной практике (2-3 м²). Наоборот, в конструкции согласно уровню техники полные конструкционные допуски определяются признаками двух разных конструктивных элементов, а именно длиной полосы и толщиной электродного листа, соединение которых подвержено, кроме того, тепловому влиянию процесса сварки.

[0008] Размещение электрода параллельно плоскости мембраны облегчается, так как полосы уже прикреплены к электроду. Можно также прямым путем получить возможность смещения при выравнивании, предусматривая соответствующий большой допуск в области контакта оснований полос и на уровне, параллельном мембране. Когда полосы прикреплены к электроду, не будет происходить никаких температурных деформаций, так как они больше не сварены, а отформованы в холодном состоянии на гибочной или штамповочной машинах. Дальнейшее преимущество очевидно заключается в сниженном количестве отдельных конструктивных элементов по сравнению с требующимся в стандартной практике.

[0009] В улучшенном варианте реализации изобретения полосы снабжены одной или несколькими ножками, выровненными параллельно электроду, сформированными из той же самой монолитной детали-заготовки, что и бесшовный цельный элемент, и затем приваренными к соответствующей полуоболочке электролитической ячейки. Ножки полосы облегчают сварку, повышая также жесткость монолитных электродных сегментов и ячейки в целом как компактного узла.

[0010] В более предпочтительном варианте реализации ножкам электродного сегмента преимущественно придана форма зубцов, соответствующих профилю зубцов смежного электродного сегмента.

[0011] В предпочтительном варианте реализации изобретения ножки полосы изогнуты вдоль всей длины полосы, так что они все идут параллельно электроду и обращены в одном и том же направлении. Этот вариант допускает любую ширину ножек, прикрепленных к монолитным электродным сегментам.

[0012] Кроме того, изобретение также предусматривает фасонные детали, подлежащие размещению между полосами смежных электродных сегментов и на переходных кромках между электродами и полосами для того, чтобы закрепить мембрану и распределить усилия. Фасонные детали и переходные области электродных сегментов сформированы таким образом, что их можно либо вставить, либо зацепить. В идеале разделитель выполнен имеющим такую форму, что он содержит одну часть, которая находится над мембраной и поддерживается электродом, и другую часть, которая вставляется как пружина или пробка в канавку, образованную пространством между смежными полосами.

[0013] Важное преимущество улучшенного размещения разделителей по сравнению со стандартной практикой уровня техники наблюдалось в том, что упомянутые разделители неожиданно привели к более точному перекрытию соответствующих противолежащих деталей с помощью электродных сегментов: каждый электрически изолированный разделитель делает мембрану неактивной в области контакта, так что любая пара разделителей, перекрывающихся неточно, будет увеличивать площадь неактивной поверхности мембраны.

[0014] Следующий улучшенный вариант реализации изобретения предусматривает полосы с канавками, в которые может быть вставлена по меньшей мере одна пластина для управления потоками или для усиления всего узла.

[0015] Этот последний вариант и соответствующее ему преимущество по управлению потоками недостижимы в ячейках согласно уровню техники по соображениям технологий изготовления, так как степень свободы, требующаяся в этом случае для выравнивания полос, была бы потеряна в результате вставки такой пластины. Однако, поскольку в электролитической ячейке согласно настоящему изобретению полосы являются неподвижными, а разделители, находящиеся на переходных кромках электродов, выровнены с ними, этот вариант можно легко осуществить на практике.

[0016] Особенно предпочтительный вариант реализации предусматривает канавку для приема пластины, расположенную под углом до 15° к электроду. Газообразный галоген, образовавшийся при работе ячейки, поднимается в виде газовых пузырьков, так что в верхней части электролитической ячейки большая часть объема занята пеной и газовыми пузырьками. Наклонная пластина, устанавливающая большее открытое сечение в верхней части электрода, позволяет оптимизировать отвод пены из ячейки и обратное течение оставшейся жидкости к нижней части электрода.

[0017] Далее изобретение описывается посредством приложенных чертежей, которые приведены в качестве примера и не должны рассматриваться как ограничивающие его объем.

[0018] Фиг.1 является видом в перспективе двух электродных сегментов в соответствии с настоящим изобретением.

[0019] Фиг.2 является видом в перспективе двух электродных сегментов в соответствии с настоящим изобретением, снабженных разделителями.

[0020] Фиг.3 показывает предпочтительный вариант реализации двух электродных сегментов в соответствии с настоящим изобретением, содержащих пластину для усиления и управления потоками.

[0021] На фиг.1 на виде в перспективе показаны два сегмента, обозначенные как A и B, электрода 1. Электрод 1 прикреплен к полосам 2 посредством переходной области 3 на обеих сторонах.

[0022] Полосы 2 снабжены ножками 4, параллельными основной поверхности электрода 1 и согнутыми наружу перпендикулярно полосе 2. Ножки 4 полосы прикреплены к задней стороне 10 стенки ячейки. Ножки 4, показанные на фиг.1, являются сплошными.

[0023] На фиг.2 показан разделитель 7, находящийся в переходной области 3 между электродом 1 и полосой 2. Показана также фасонная деталь, верхняя часть 8 которой находится в переходной области 3, а нижняя часть 9 которой вставлена в зазор, образованный смежными полосами 2. Ножки 4, показанные на фиг.2, также являются сплошными ножками.

[0024] На фиг.3 показан вариант реализации, в котором ножки 4 полосы выполнены имеющими форму зубцов. Ряды зубцов вставляются на фазе сборки под соседнюю полосу, так что образуется минимально возможная опорная поверхность. Размеры отдельных зубцов выбираются так, что для возможно потребующегося выравнивания обеспечивается небольшое пространство регулирования во вставленном состоянии и перед сваркой.

[0025] Фиг.3 также показывает два электродных сегмента, которые в этом примере имеют ламельную (пластинчатую) структуру. В полосах 2 выполнена канавка 5, в которую вставляется пластина 6. С одной стороны, эта пластина улучшает устойчивость электродных сегментов, а с другой стороны, она ограничивает два проточных канала, устанавливая соответствующие противоточные течения. При работе ячейки имеется восходящий поток в пространстве между электродом 1 и пластиной 6 и нисходящий поток в пространстве между задней стенкой 10 ячейки (показана пунктирной линией) и пластиной 6. Изменение направления течения имеет место в пространстве у верхнего и нижнего края электролизера. В опытной ячейке плоский электрод конструкции согласно уровню техники с общей площадью поверхности анода 2,7 м² был заменен электродом согласно изобретению, содержащим 18 сегментов, каждый с площадью поверхности электрода 0,15 м². Такую ячейку эксплуатировали при плотности тока 3 и 6 кА/м².

[0026] Использование электролизной ячейки согласно изобретению обеспечило снижение электрического напряжения ячейки на 8 мВ при плотности тока 3 кА/м² и на приблизительно 16 мВ при плотности тока 6 кА/м².

[0027] Приведенное выше описание не следует понимать как ограничивающее изобретение, которое может быть реализовано на практике в соответствии с различными вариантами без отклонения от объема изобретения, границы которого определяются только приложенной формулой изобретения.

[0028] В описании и формуле настоящей заявки слово «содержать» и его варианты, такие как «содержащий» и «содержащийся», не подразумевают исключения присутствия других элементов или дополнительных компонентов.

1. Электролитическая ячейка, ограниченная двумя полуоболочками, каждая из которых скреплена с электродом посредством множества проводящих полос, причем электроды являются анодом и катодом с основной поверхностью, разделенными мембраной, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из электродов выполнен из множества электродных сегментов, причем каждый из упомянутых электродных сегментов прикреплен к по меньшей мере одной из упомянутых проводящих полос перед скреплением с соответствующей полуоболочкой, при этом упомянутые электродные сегменты и прикрепленные к ним упомянутые проводящие полосы получены в виде бесшовных цельных элементов из единственных заготовок.

2. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что каждый из упомянутых электродных сегментов прикреплен к двум из упомянутых проводящих полос.

3. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что проводящие полосы снабжены выступающими ножками, параллельными основной поверхности упомянутого по меньшей мере одного электрода, причем упомянутые ножки являются частью упомянутых бесшовных цельных элементов, полученных из упомянутой единственной заготовки, причем упомянутые ножки приварены к соответствующей полуоболочке электролитической ячейки.

4. Ячейка по п.2, отличающаяся тем, что проводящие полосы снабжены выступающими ножками, параллельными основной поверхности упомянутого по меньшей мере одного электрода, причем упомянутые ножки являются частью упомянутых бесшовных цельных элементов, полученных из упомянутой единственной заготовки, причем упомянутые ножки приварены к соответствующей полуоболочке электролитической ячейки.

5. Ячейка по п.3, отличающаяся тем, что упомянутым ножкам придана форма зубцов, соответствующих профилю противоположных зубцов смежного электродного сегмента.

6. Ячейка по п.4, отличающаяся тем, что упомянутым ножкам придана форма зубцов, соответствующих профилю противоположных зубцов смежного электродного сегмента.

7. Ячейка по любому из пп.3-6, отличающаяся тем, что упомянутые ножки согнуты вдоль всей длины полосы, так что они находятся в положении, параллельном основной поверхности упомянутого по меньшей мере одного электрода, и обращены в одном и том же направлении.

8. Ячейка по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что между упомянутыми полосами смежных электродных сегментов и на переходных кромках между упомянутыми электродами и упомянутыми полосами помещено множество профильных деталей, содержащих первую часть, расположенную над мембраной, и вторую часть, расположенную между упомянутыми полосами в состоянии изготовления.

9. Ячейка по п.7, отличающаяся тем, что между упомянутыми полосами смежных электродных сегментов и на переходных кромках между упомянутыми электродами и упомянутыми полосами помещено множество профильных деталей, содержащих первую часть, расположенную над мембраной, и вторую часть, расположенную между упомянутыми полосами в состоянии изготовления.

10. Ячейка по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что упомянутые полосы снабжены канавкой, в которую вставляется по меньшей мере одна усиливающая пластина.

11. Ячейка по п.10, отличающаяся тем, что упомянутая канавка, принимающая упомянутую пластину, наклонена под углом до 15° к электроду.