Электролитическая ячейка с увеличенной активной поверхностью мембраны
Изобретение относится к электролитической ячейке для получения хлора из водного раствора галогенида щелочного металла. Электролитическая ячейка состоит из двух полуоболочек, каждая из которых прикреплена к электроду посредством множества проводящих полос, причем электроды состоят из анода и катода, и ионообменной мембраны, расположенной между электродами. Между ионообменной мембраной и электродами установлено множество элементов-разделителей для фиксации мембраны на месте и распределения сжимающих усилий, выполненных из электропроводящего и коррозионностойкого материала. В области контакта с вышеупомянутым множеством элементов-разделителей толщина мембраны увеличена на по меньшей мере 10%. Изобретение позволяет лучше использовать площадь активной поверхности мембраны и экономить электроэнергию. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.
[0001] Изобретение относится к электролитической ячейке для получения хлора из водного раствора галогенида щелочного металла, состоящей в основном из двух полуоболочек, анода, катода и ионообменной мембраны (называемой далее "мембраной"). Внутренняя сторона каждой полуоболочки оборудована полосами, выполненными из проводящего материала, которые поддерживают соответствующий электрод и которые переносят сжимающие усилия, действующие с наружной стороны, и элементами-разделителями, расположенными между ионообменной мембраной и электродами, для фиксации мембраны на месте и распределения механических усилий. Разделители находятся на по меньшей мере одной стороне ионообменной мембраны и выполнены из электропроводящего и коррозионностойкого материала.
[0002] Электролитические устройства типа с отдельными ячейками для получения газообразных галогенов известны в уровне техники. В конструкции типа с отдельными ячейками до 40 отдельных ячеек подвешены параллельно на стойке, и соответствующие стенки соседних пар ячеек электрически соединены друг с другом, например, посредством подходящих контактных полос. При таком способе ионообменная мембрана подвергается высоким механическим нагрузкам, возникающим из-за приложенных извне усилий зажима, которые должны переноситься через этот элемент.
[0003] На современном уровне развития технологии известно, что электроды приваривают к соответствующим полуоболочкам на полосах, расположенных перпендикулярно электроду и задней стенке полуоболочки и, таким образом, выровненных в направлении сжимающих усилий. В пространство между мембраной и электродами помещается множество разделителей, так что мембрана, подвергающаяся действию внешних механических сил, зажата между упомянутыми разделителями и, таким образом, зафиксирована на месте. Разделители располагаются противоположными парами, задавая область контакта, а полосы располагаются на противоположной стороне электрода в соответствии с упомянутой областью контакта.
[0004] Электролитические ячейки этого типа раскрыты в DE 19641125 и ЕР 0189535. Как описано в DE 2538414, элементы-разделители выполнены из электроизоляционного материала. В ЕР 1073780 и ЕР 0189535 также подразумевается, что разделители не состоят из металлических и электропроводящих компонентов. Это вытекает из того факта, что противоположные пары разделителей вызывают уменьшение толщины мембраны в рассматриваемой области контакта. Если бы элементы-разделители были выполнены из электропроводящего материала, в мембране могло бы произойти короткое замыкание под действием механической нагрузки и из-за уменьшенной толщины мембраны.
[0005] Области мембраны, экранированные элементами-разделителями, становятся неактивными с точки зрения переноса тока. При сборке ячеек фактически невозможно обеспечить достижение надлежащего совпадения пар разделителей. Поэтому результирующая поверхность мембраны будет несколько больше, чем теоретическая поверхность, указываемая в соответствии с конструкторским проектом.
[0006] Одна из задач настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить конструкцию электролитической ячейки, устраняющую отмеченный выше недостаток, в частности позволяющую лучше использовать площадь активной поверхности мембраны.
[0007] Указанная выше задача, а также дополнительные и прочие цели и преимущества настоящего изобретения достигаются предложением электролитической ячейки для получения хлора из водного раствора галогенида щелочного металла, которая содержит две полуоболочки и два электрода, анод и катод, с расположенной между ними ионообменной мембраной. Внутренняя сторона каждой полуоболочки оборудована удлиненными электропроводящими устройствами, которые поддерживают соответствующий электрод и переносят сжимающие усилия, действующие с наружной стороны. Кроме того, между ионообменной мембраной и электродами размещены элементы-разделители для того, чтобы зафиксировать мембрану на месте и распределить механические усилия, причем лишь на одной стороне ионообменной мембраны упомянутые элементы-разделители выполнены из электропроводящего и коррозионностойкого материала.
[0008] В предпочтительном варианте реализации изобретения элементы-разделители на стороне входа электрического тока, соответствующей анодной стороне мембраны, выполнены из электропроводящего и коррозионностойкого материала, в то время как элементы-разделители, выполненные из электроизолирующего материала, установлены на катодной стороне.
[0009] В особенно предпочтительном варианте реализации диаметр поверхностей элементов-разделителей, находящихся в контакте с мембраной и состоящих из электроизолирующего материала, составляет меньше 6 мм, более предпочтительно меньше 5 мм. Авторы изобретения неожиданно обнаружили, что использование элементов-разделителей с диаметром ниже 6 мм или меньше совсем не влияет на свойства мембраны по переносу тока.
[0010] Как указывалось выше, в случае ячеек согласно уровню техники было очень трудно обеспечить надлежащее совпадение противоположных пар элементов-разделителей при сборке ячеек; настоящее изобретение предлагает существенное облегчение в этом отношении, так как можно попарно сопрягать первый узкий разделитель с противоположным вторым, немного более широким разделителем, причем последний является разделителем, выполненным из проводящего материала и, следовательно, не склонным инактивировать соответствующую область мембраны. Альтернативно, можно также использовать широкие элементы-разделители с подходящей открытой структурой, при условии, что диаметр противоположных поверхностей, фактически находящихся в контакте, остается намного меньше 6 мм. Таким образом, сборка ячеек существенно упрощается.
[0011] Следующее усовершенствование может быть получено путем придания подходящей формы электроду в области контакта с полосой с тем, чтобы образовать цельный элемент-разделитель на стороне мембраны, что позволяет избежать использования отдельного элемента-разделителя.
[0012] Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения электропроводящий и коррозионностойкий материал, используемый для конструктивных элементов-разделителей электролитических ячеек по изобретению, выбран из группы титана и его сплавов, никеля и его сплавов, покрытых титаном и покрытых никелем материалов.
[0013] В другом предпочтительном варианте реализации изобретения толщина мембраны увеличена на по меньшей мере 10% в совмещении с областью контакта с электропроводящими элементами-разделителями, причем упомянутое увеличение толщины получено путем нанесения дополнительного покрытия на одну сторону мембраны, предпочтительно - на анодную сторону. Это усиление мембраны позволяет локально компенсировать механическую нагрузку, оказываемую при малой площади сечения элемента-разделителя, без обязательного повышения сопротивления всей мембраны.
[0014] В альтернативном варианте реализации изобретения оба противоположных элемента-разделителя являются металлическими и электропроводящими, и толщина мембраны в совмещении с областью контакта увеличена на по меньшей мере 10%. Увеличение толщины ионообменной мембраны предпочтительно не превышает двойной первоначальной толщины мембраны.
[0015] Согласно другому варианту реализации изобретения толщина мембраны равномерна по всей поверхности, металлические и электропроводящие элементы-разделители установлены на обеих сторонах, причем упомянутые разделители покрыты материалом, имеющим по существу такие же самые или эквивалентные свойства, что и ионообменная мембрана, в совмещении с областью контакта.
[0016] Далее изобретение описывается с помощью приложенных чертежей, которые приведены для примера и не должны рассматриваться как ограничивающие его объем, причем фиг.1 является видом в перспективе электролитической ячейки согласно изобретению, фиг.2а показывает распределение усилия зажима в ячейке согласно уровню техники, фиг.2b показывает распределение линий тока в предпочтительном варианте реализации ячейки согласно изобретению, и фиг.3 показывает элементы-разделители согласно одному варианту реализации изобретения.
[0017] На фиг.1 на виде в перспективе показаны внутренние конструктивные элементы электролитической ячейки по изобретению. Мембрана 1 зажата между разделителями 2 и 3, которые находятся в непосредственном контакте с ней. К элементу-разделителю 2 прижат анод 4, к задней стороне которого приварена полоса 6. Эта полоса, в свою очередь, приварена к стенке 8 полуоболочки. На стенке 8 полуоболочки вдоль высоты полосы 6 расположена контактная полоса 10, которая в этом случае выполнена в форме канавки и вмещает контактные полосы соседней ячейки (не показанной на фигуре).
[0018] Конструкция катодной стороны аналогична, так что катод 5 находится в непосредственном контакте с элементом-разделителем 3, к задней стороне которого приварена полоса 7. Элемент-разделитель 3 снабжен отверстиями, как показано в деталях на фиг.3. В свою очередь, полоса 7 приварена к стенке 8 полуоболочки.
[0019] Фиг.2а иллюстрирует сечение ячейки согласно уровню техники, причем толщина мембраны сильно увеличена, чтобы ее было лучше видно. Две стрелки 9 указывают направление внешних сжимающих усилий, переносимых через соседние ячейки.
[0020] Мембрана 1 имеет зону 1а высокого сопротивления на катодной стороне и зону 1b низкого сопротивления на анодной стороне в соответствии со входом электрического тока. Это разделение мембраны на слои способствует однородному распределению тока внутри мембраны. Учитывая, что мембрана экранируется изолирующими элементами-разделителями 2 и 3, как показано на фиг.2а, линии протекания тока существенно отклоняются вблизи них, и в окружающей области образуются участки мембраны, не пересекаемые электрическим током. Такой участок обозначен областью точечной штриховки. Из-за таких неактивных участков падение электрического напряжения внутри мембраны и плотность тока на активных участках повышаются.
[0021] На фиг.2b показана картина линий тока в мембране, относящейся к варианту реализации электролитической ячейки по изобретению. Элемент-разделитель 2 на анодной стороне выполнен из металла и образует единую деталь с анодом, так что линии тока могут входить в имеющую низкое сопротивление зону 1b мембраны 1 параллельно, не отклоняясь. Эта параллельность сохраняется во всей зоне 1а высокого сопротивления в пределах площади элемента-разделителя 3 на катодной стороне, так что образования мертвых областей, не пересекаемых линиями тока, не происходит.
[0022] Фиг.3 иллюстрирует структуру предпочтительного варианта реализации элементов-разделителей. Элемент-разделитель 2 типа стержня на анодной стороне имеет на стороне в контакте с мембраной профилированную поверхность, которая в показанном примере имеет ромбические выступы 11 и углубления 12. Элемент-разделитель 3 на катодной стороне, состоящий из изолирующего материала, снабжен множеством поверхностных выемок, так что при установке элементы-разделители 2 и 3 не закрывают никакой области поверхности мембраны с диаметром более 5 мм.
[0023] Плотность тока в элементах-разделителях согласно изобретению изучали в опытной ячейке. В электролитической ячейке установили семнадцать рядов по четыре разделителя, каждый шириной 8 мм и длиной 295 мм. Эти элементы-разделители были снабжены отверстиями, как показано на фиг.3, таким образом, чтобы получить для поверхности контакта диаметр максимум 5 мм. Эти выемки обусловливали общую долю открытой поверхности элементов-разделителей, определяемую как отношение открытой поверхности ко всей поверхности, в примерно 50%.
[0024] Таким путем было получено повышение активной поверхности мембраны на примерно 0,08 м2 (с 2,72 м2 до 2,80 м2). Следовательно, плотность тока уменьшилась на 2.9%.
[0025] Таким образом, рабочее напряжение электролитической ячейки, оборудованной стандартной мембраной большой нагрузки N982, обладающей коэффициентом k, равным 80 мВ/(кА/м2), уменьшается на 2,3 мВ/(кА/м2), что приводит к снижению напряжения на 14 мВ при плотности тока 6 кА/м2. Это соответствует экономии энергии 10 кВт/час на тонну продукта NaOH.
[0026] Если разделитель выполнен так, чтобы использовать всю площадь поверхности мембраны, снижение напряжения удваивается до 28 мВ, что соответствует экономии 20 кВт/час на тонну продукта NaOH.
1. Электролитическая ячейка, ограниченная двумя полуоболочками, каждая из которых прикреплена к электроду посредством множества проводящих полос, причем электроды состоят из анода и катода, разделенных мембраной, при этом между мембраной и анодом расположено первое множество элементов-разделителей, а между мембраной и катодом расположено второе множество элементов-разделителей, и упомянутое второе множество элементов-разделителей с упомянутым первым множеством элементов-разделителей расположены противоположными парами, причем упомянутые противоположные пары задают область контакта на поверхности мембраны и фиксируют мембрану на месте, отличающаяся тем, что по меньшей мере одно из упомянутых первого и второго множества элементов-разделителей выполнено из электропроводящего и коррозионностойкого материала, и тем, что толщина мембраны увеличена на по меньшей мере 10% в области контакта с упомянутым множеством элементов-разделителей, выполненных из электропроводящего и коррозионностойкого материала.
2. Электролитическая ячейка по п.1, отличающаяся тем, что упомянутое множество элементов-разделителей, выполненных из электропроводящего и коррозионностойкого материала, является упомянутым первым множеством элементов-разделителей.
3. Электролитическая ячейка по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из электродов образует цельную деталь с упомянутым множеством элементов-разделителей в области, контактирующей с мембраной.
4. Электролитическая ячейка по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый электропроводящий и коррозионностойкий материал выбран из группы титана и его сплавов, никеля и его сплавов, покрытых титаном и покрытых никелем материалов.
5. Электролитическая ячейка по п.1, отличающаяся тем, что одно из упомянутых первого и второго множества элементов-разделителей состоит из множества электроизолирующих элементов-разделителей с диаметром не более 5 мм.
6. Электролитическая ячейка по п.1, отличающаяся тем, что упомянутое увеличение толщины мембраны получено нанесением дополнительного покрытия на одну сторону мембраны.
7. Электролитическая ячейка по п.6, отличающаяся тем, что упомянутое дополнительное покрытие нанесено на анодную сторону мембраны.
8. Электролитическая ячейка по любому из предыдущих пп.1-4, отличающаяся тем, что элементы-разделители как первого, так и второго множества являются металлическими и электропроводящими, и толщина мембраны увеличена на по меньшей мере 10% в области контакта, задаваемой упомянутыми противоположными парами элементов-разделителей.
9. Электролитическая ячейка по п.1, отличающаяся тем, что упомянутая толщина мембраны увеличена до конечной толщины, не превышающей удвоенную первоначальную толщину.
10. Электролитическая ячейка по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что элементы-разделители как первого, так и второго множества являются металлическими и электропроводящими, причем элементы-разделители по меньшей мере одного из первого и второго множества покрыты материалом ионообменной мембраны.
