Патент 2190701

Биполярный электролизер с ионообменной мембраной

 

Изобретение относится к конструкции элементов для электролизеров с ионообменными мембранами, предназначенными для электролиза рассола с целью получения хлора, водорода и каустической соды. Электролизер содержит множество электролитических ячеек, ограниченных парой элементов к периферийных прокладок, с ионообменной мембраной между каждым элементом. Каждый элемент содержит пару листов с периферийным фланцем и множеством выступов и вертикальных выемок. Выступы одного листа электрически соединены с выступами другого листа проводящим элементом. В верхней части листа предусмотрен дефлектор. В нижней части листа имеется распределитель для подачи раствора электролита. С плоской поверхностью выступов каждого листа соединены расправленные лист или сетка с электрокаталитическим покрытием. Технический эффект - снижение градиентов концентрации электролита и температуры. 26 з.п.ф-лы, 12 ил.

В настоящее время хлор и каустическую соду получают в промышленности на установках, работающих по технологиям, предусматривающим применение ртутного катода, диафрагмы или ионообменной мембраны. Если по поводу первых двух технологий считают, что они полностью разработаны и можно прогнозировать лишь ограниченные усовершенствования, то третья технология, наиболее современная, является единственной, применяемой в традиционных установках и непрерывно развивающейся. Модификации, разработанные в последнее время, направлены, в основном, на достижение снижения энергопотребления, уменьшения капиталовложений, а также на решение типичных проблем, негативно влияющих на эту технологию, и которые перечислены ниже.

В патенте США N 4340452 описана внутренняя структура электролизера так называемой конфигурации с "нулевым зазором", в котором аноды и катод, разделенные ионообменной мембраной, прижаты друг к другу. Таким образом, зазор между анодом и катодом, который непосредственно влияет на энергопотребление, представлен лишь мембраной. Этот результат достигается с помощью дорогостоящей конструкции электродов (гибкой сетки и упругого металлического мата).

В патенте США N 4655886 раскрыта мембрана, имеющая микропористые гидрофильные пленки, нанесенные на обе ее поверхности, которые предотвращают прилипание пузырьков газа (водорода на катодной стороне и хлора на анодной стороне) к мембране. Таким образом, поддерживается контакт всей поверхности мембраны с электроплитами, вследствие чего предотвращаются опасные концентрации тока, которые могли бы увеличить энергопотребление.

В патенте США N 4488946 раскрыта конструкция элементов, снабженных выступами, полученными путем горячего или холодного формования. Электроды соединены с указанными выступами без размещения между ними какой бы то ни было прокладки. Использование прокладок, описанное например, в патенте США N 4111779, предусматривает дополнительную сложную технологическую операцию, которая увеличивает стоимость конструкции. Идею исключения прокладок, раскрытую в патенте США N 4488946, можно также обнаружить в патенте США N 5314591.

Однако конструкция, предусмотренная в патентах США N 4488946 и 5314591, обуславливает тот факт, что возможность соединения электродов с выступами может вызвать образование зон окклюзии, в которых газовые карманы могут увеличиваться, препятствуя протеканию тока и приводя к повреждению мембран. Кроме того, снабжение выступами, описанными в патентах США N 4488946 и 5314591, препятствует циркуляции электролитов и, в частности, внутреннему перемешиванию.

Были предложены различные решения.

В патенте США N 4294671 описан электрод, выполненный из грубой сетки, имеющей большие отверстия, полученный холодным прессованием путем формирования углублений. Углубления являются точками, в которых экран крепят к выступам элементов. После этого на указанный экран накладывают дополнительный мелкоячеистый экран, снабженный электрокаталитическим покрытием, для формирования электрода. Изготовление, т.е. прессование и соединение, автоматизировано и поэтому увеличение стоимости обуславливается только мелкоячеистым экраном.

В патенте США 5372692 речь идет о введении прокладок, накладываемых на верхнюю часть выступов стенки элемента. Эту процедуру можно автоматизировать и она дешевле той, которая раскрыта в патенте США N 4111779, но остается очень сложной и чувствительной из-за необходимости точной установки большого количества прокладок, на которых затем крепят электрод.

Вторая проблема, заключающаяся в неудовлетворительном внутреннем перемешивании электролитов, решена в патенте США N 5314591 путем введения нижнего распределителя, верхнего сборника и смещенного расположения выступов. Это решение также является очень чувствительным, поскольку окклюзия (закупоривание) даже немногих отверстий в распределителях и сборниках может привести к значительным отклонениям концентрации электролитов и даже при локальном характере - к повреждению ионообменных мембран. Кроме того, решение, описанное в патенте США N 5314591, может гарантировать однородность концентрации электролита в горизонтальной плоскости (т.е. вдоль плоскости, перпендикулярной движению вверх), но определенно неэффективно применительно к концентрации в вертикальном направлении. Чтобы поддержать указанные концентрации в пределах, приемлемых для мембран, необходимы большие расходы электролитов, что обуславливает наличие внешних насосов больших размеров и, как следствие, повышенное энергопотребление. Следует учесть, что тот же вывод применим к температуре. В настоящее время эти соображения, касающиеся градиентов концентрации и температуры, становятся все более важными в связи с развитием современных промышленных мембран, которые характеризуются низкими падениями омического сопротивления и поэтому способны уменьшать рабочее напряжение электролизеров, а значит и удельное энергопотребление. Эти мембраны, в частности, чувствительны к примесям в электролитах, а также к градиентам концентрации и температуры. С этой точки зрения отметим в заключении, что устройства, описанные в патенте США N 5314591, нельзя считать достаточно эффективными.

Альтернативное решение заключается в обеспечении очень высокого расхода посредством отделителей газов, расположенных над электролизером и соединенных с каналом впуска электролитов посредством переточных труб ("Modern Chlor-Alkali Technology", vol. 5, Society of Chemical Industry, Eisevier, 1992, page 93).

Эта система весьма эффективна, но обуславливает дополнительные затраты и, в частности, большие размеры узла отделителей газов от электролитов и переточных труб, зачастую несовместимые с имеющимся помещением на заводах.

В патенте США N 4557816 проиллюстрирована альтернативная система, в которой элементы снабжены внутренней переточной трубой, соединенной с нижним распределителем. Это устройство представляет собой частичное решение проблемы гомогенизации электролитов, поскольку ограниченное поперечное сечение не содержащего газ потока жидкости не допускает высокой скорости рециркуляции.

Еще одной проблемой, с которой приходится сталкиваться, является выпуск смеси газа и электролита из элементов электролизера. Неподходящая геометрия вызывает пульсации давления и, следовательно, вибрации и абразивный износ тонкой мембраны. Патент США N 5242564 решает проблемы с помощью сдвоенного выпускного канала, который, если сконструирован должным образом, обеспечивает выпуск электролитов и газов в виде отдельных фаз. Это решение очевидно обуславливает более высокие производственные затраты и большее количество "узких мест", которые могут быть источником дефектов, в частности наличие зоны сварки элементов и выпускных каналов.

Патент США N 4839012 посвящен не решению проблемы пульсаций давления, вызванных единственным выпускным каналом, расположенным на верхней стороне элементов, а предотвращению распространения пульсаций внутри элементов к мембранам. Этого добиваются путем расположения перфорированной трубки внутри элементов. Отверстия, имеющие соответствующий диаметр, гасят пульсации давления, генерируемые в зонах, близких к выпускным каналам.

Еще одно решение касается переточного выпускного канала, описанного в "Modern Chlor-Alkali Technology", Vol.4. Society of Chemical industry, Eisevier, 1990, page 171. В этом случае единственный переточный канал, находящийся либо снаружи, либо внутри элементов, собирает одновременно газ и электроплиты, не вызывая пульсации внутреннего давления. Фактически, при отсутствии прямого вертикального пути в электроплите происходит не отдаление пузырьков газа, размеры и количество которых изменяются со временем (первая причина проблемы), а переточное движение жидкости по стенкам переточного канала и протекание невозмущенного газа в центральном сечении канала, не занятом жидкостью. Однако эти устройства работают удовлетворительно только тогда, когда на верхнюю сторону переточного канала непрерывно и равномерно подают не содержащий газ электролит, а газовая фаза захватывает только маленькие капли жидкости. Следовательно, смесь газа и электролита, получаемую с помощью электродов, нужно эффективно разделять в верхней части элементов перед подачей ее в переточные каналы.

В данном изобретении предложена новая конструкция элементов для электролизеров с ионообменными мембранами, предназначенных для электролиза рассола с целью получения хлора, водорода и каустической соды. Эта новая конструкция решает поблемы, негативно влияющие на известные технические решения, путем как минимизации градиентов концентрации и температуры электролитов, так и отработки влияния колебаний давления на компоненты, легко устанавливаемые и получаемые посредством автоматизированных технологических циклов. В нижеследующем описании будут сделаны ссылки на элементы, пригодные для сборки в биполярном электролизере того типа, который описан в патенте США N 4488946. Однако после проведения модификаций, описанных в патенте США N 4602984, те же элементы можно использовать и в монополярных электролизерах.

Конструкция, соответствующая данному изобретению, была получена путем приспособления элементов электролизера к реакторам с полным перемешиванием, известным в данной области техники как проточные электролизеры с полным перемешиванием объема электролита (ПЭППОЭ). Это привело к, по существу, полной однородности концентрации и температуры объемов электролитов как в вертикальном, так и в боковом направлении. Чтобы поддерживать эту равномерность и на поверхности раздела мембраны, геометрия электродов должна обеспечивать мощную локальную рециркуляцию, которая может быть обеспечена путем выделения полученного газа, водорода на катодной строне и хлора на анодной стороне, каждого элемента электролизера соответственно. Кроме того, чтобы получить необходимую однородность концентрации и температуры на поверхности раздела мембраны, распределение тока должно быть равномерным, что, в свою очередь, требует соответствующего расстояния между различными точками контакта электродов и элементов конструкции, а также достаточной поперечной удельной электропроводности электродов. Этот последний параметр зависит от толщины электродов и коэффициента пористости, определяемого размером отверстий электрода, который может быть перфорированным листом или сеткой.

Изобретение будет подробно описано ниже со ссылками на чертежи, где: фиг. 1 изображает вид спереди поперечного сечения электролизера, соответствующего изобретению; фиг.2 - вид спереди выступов, имеющих форму усеченных конусов, элементов электролизера; фиг. 3 - частичный вид спереди распределителя в нижней части элементов электролизера; фиг. 4 - поперечное сечение дефлектора и верхнего фланца для отделения газообразной фазы; фиг.5 - деталь канала, образованного дефлектором и стенкой элемента; фиг.6 - входное отверстие выпускного канала; фиг.7 - поперечное горизонтальное сечение элемента; фиг.8А - вид спереди катодного экрана; фиг.8В - поперечное сечение катодного экрана; фиг.9 - вид электролизера, соответствующего изобретению; фиг.10 - поперечное сечение U-образной проводящей опоры; фиг. 11 - вид спереди другого конкретного варианта осуществления токопроводящей опоры, снабженной отверстиями; фиг.12 - частичный вид спереди элемента электролизера.

Обращаясь к фиг.1, на которой для простоты исключены электроды, отмечаем, что здесь изображена конструкция одной стороны элемента 1. Обе стороны выполнены из двух листов, подвергнутых холодному прессованию для формирования выступов 2 и периферийного фланца 3, который гарантирует уплотнение благодаря соответствующей прокладке. В случае электролиза щелочных электролитов с выделением хлора, рассматриваемого ниже в качестве примера, оба листа выполнены из титана и никеля. Выступы 2 предпочтительно имеют форму усеченного конуса и предпочтительно расположены в соответствии с центрированной шестиугольной конфигурацией, как показано на фиг.2. Эта геометрия способствует боковому перемешиванию электролитов благодаря отклонению 4 (фиг.2) и пересечению 5 локального потока. Электролит подают в элемент 1 через распределитель 6, снабженный отверстиями, не показанными на фиг.1, но изображенными на фиг.3, которая показывает деталь нижней части элемента 1. Распределитель 6 размещен в нижней части элемента 1 вдоль внутренней кромки фланца 3. Смесь электролита и полученного газа направляется в верхнюю часть элементов наклонным дефлектором 7, который обеспечивает коллапс пузырьков газа. Стрелки, изображенные на фиг.3, указывают, что свежий электролит эффективно перемешивается с жидкостью, поступающей из переточных каналов 9. На фиг.4 с помощью стрелок условно показано, как смесь электролита и крупных пузырьков газа перетекает через пространство между верхней кромкой дефлектора 7 и нижней кромкой фланца 3 в канал за дефлектором, при этом происходит быстрое разделение жидкой и газообразной фаз. При таком типе рециркуляции достигается еще один важный результат, заключающийся в том, что электролит, хотя и содержащий газ, достигает кромки фланца, и поэтому мембрана, по существу, поддерживается в контакте с жидкостью, за счет чего предотвращается застой газовых карманов, который со временем мог бы сделать мембрану хрупкой и вызвать ее разрыв. Как показано стрелками на фиг.5, электролит, который собран в канале 8, образованном дефлектором и стенкой элемента, почти полностью направляется в переточные каналы 9, образованные выемками 10, полученными в листе во время холодного прессования выступов 2. Выемки 10 покрыты удлиненными облицовочными плитками 11 для образования переточных каналов 9. Удлиненные облицовочные плитки 11 показаны пунктирной линией для лучшего понимания чертежа. Дефлектор 7 снабжен отверстиями 12, которые совпадают с верхним сечением переточных каналов 9, как показано стрелками на фиг.1. Так как количество переточных каналов 9 больше единицы, поперечное сечение, доступное для перетекающего потока не содержащего газ электролита, может быть настолько большим, насколько это необходимо, и последующий расход не содержащего газ электролита является высоким. Энергия, необходимая для внутренней циркуляции, обеспечивается за счет разности масс между двумя столбами текучей среды, электролита с газом и не содержащего газ электролита соответственно.

Следует отметить, что все части, необходимые для конструкции системы циркуляции, включая лист с выступами 2 и выемками 10, удлиненные облицовочные плитки 11 и дефлектор 7, получены холодным прессованием и легко устанавливаются по месту, необязательно посредством точек крепления, например точек сварки. Не содержащий газ электролит, собранный в канале 8 и не рециркулируемый через переточные каналы 9, выводится из элемента посредством внутреннего выпускного канала 13, который пересекает нижний фланец и соединен посредством подходящего гибкого соединения с коллектором, расположенным под электролизером. Канал 13, опущенный на фиг.1, подробно показан на фиг.6. Стрелки использованы для того, чтобы условно показать, как за счет подогнанного диаметра и внутренней формы канала 13 можно осуществлять выпуск электролита и газа без какого бы то ни было колебания давления. Стабильность выпуска позволяет жидкости течь, не занимая полностью внутреннее сечение канала 13. Таким образом, некоторая часть внутреннего сечения канала 13 всегда доступна для непрерывного выпуска газа.

Как сказано выше, фиг.1 изображает анодную и катодную стороны элемента 1. Однако эти две стороны отличаются в соответствии с конструкцией соответствующих электродов. Фиг. 7 изображает поперечное горизонтальное сечение элемента. В этом конкретном варианте осуществления анодная сторона снабжена плоским (расправленным) титановым листом 14, которому плоскостность придана лишь настолько, насколько необходимо для исключения резких неровностей, оставленных процедурой расправления. Расправленный лист снабжен электролитическим покрытием для выделения хлора, хорошо известным в данной области техники и состоящим из смеси оксидов металлов платиновой группы и оксидов так называемых вентильных металлов. Расправленный лист прикреплен к плоской верхней поверхности выступов 2, имеющих форму усеченного конуса, посредством точечной электродуговой или контактной сварки сопротивлением. Чтобы не допустить превращения зон наложения между анодным расправленным листом и плоской поверхности выступов, имеющих форму усеченного конуса, в зоны застоя газа с последующими повреждениями мембраны, плоскую поверхность выступов следует ограничить площадью, необходимой для сварки. Вместо этого анодный расправленный лист снабдить канавками 15 на стороне, обращенной к мембране, или в альтернативном варианте поверхность, находящуюся в контакте с плоской поверхностью выступов, имеющих форму усеченного конуса. Канавки ориентированы вертикально и позволяют газу выходить вверх, предотвращая таким образом образование застойных газовых карманов.

Катодная сторона элементов снабжена никелевым экраном 16, имеющим электрокаталитическое покрытие для выделения водорода, состоящее из смеси оксида металла платиновой группы и оксида никеля. Ввиду высокой удельной электропроводности никеля катодный экран значительно тоньше, чем анодный. Благодаря своей меньшей толщине сетка может быть достаточно гибкой и упругой. Никелевая сетка перед активацией с помощью электрокаталитического покрытия и соединением с выступами, имеющими форму усеченного конуса, подвергается холодному прессованию для образования выпучиваний 17, довольно больших и не слишком глубоких, похожих на сферические чашки. В увеличенном масштабе такая деталь приведена на фиг.8, где А) представляет вид спереди катодного экрана, а В) - его поперечное сечение. Сетка или экран, активированный с помощью электрокаталитического покрытия, прикреплен к выступам, имеющим форму усеченного конуса, в соответствии с промежутками между различными выпучиваниями. Вследствие этого поверхность катода не является плоской, как поверхность анода. Ее профиль выступает из-за выпучиваний относительно плоскости, определяемой плоскими зонами выступов, имеющих форму усеченного конуса. Когда элементы прижаты друг к другу так, что между элементами каждой пары находятся мембрана и прокладки, для образования электролизера, выпучивания сжаты у мембраны и анодной сетки или экрана и подвергаются деформации благодаря своей упругости. Полученная конструкция, состоящая из анода, мембраны и катода, обеспечивает конфигурацию с нулевым зазором, по меньшей мере, на 90% ее активной площади. Поэтому можно получить конструкцию саму по себе недорогую, выполненную из тонкой никелевой сетки с выпучиваниями, соединенными с плоской частью выступов 2, имеющих форму усеченного конуса, простой сваркой, и исключающую дорогостоящие и сложные приспособления, например шприцы и маты, применяемые в известных конструкциях с нулевым зазором.

Фиг. 7 ясно показывает, что соединение между плоскими зонами выступов 2, имеющих форму усеченного конуса, с обеих сторон каждого биполярного элемента обеспечено путем введения соединительного элемента 18, например малого цилиндра, выполненного из проводящего материала, например дешевой углеродистой стали. Элемент 18 крепится путем сварки, например - контактной сварки сопротивлением, непосредственно на катодном листе, выполненном из никеля, и введения совместимого материала 19 в контакт с анодным листом, выполненным из титана. Этот материал может быть биметаллом титанистой или углеродистой стали, полученным сваркой взрывом, и может иметь форму малого диска. Чтобы упростить конструкцию, соединительные элементы 18 предпочтительно крепят к опорному листу 20, который соединен с внешним каркасом, размещенным между фланцами 3 обоих листов, образующих обе стороны каждого элемента 1. При сборке подвергнутых холодному прессованию анодных и катодных листов в эту конструкцию каждый анодный выступ 2 легко соединяется с соответствующим катодным выступом 2, а также обеспечивается опора для фланцев 3 с помощью каркаса. Электрическое соединение между анодными и катодными противоположными выступами можно также получить путем размещения между двумя листами, подвергнутыми холодному прессованию, соединительного элемента, состоящего из третьего листа, выполненного из материала высокой проводимости, предпочтительно меди, предпочтительно подвергнутого холодному прессованию для образования выступов, имеющих форму усеченного конуса и подходящие размеры, для получения полного сопряжения с анодным титановым листом. Процедура соединения титановых, никелевых и медных листов такая же, как уже показанная для соединения цилиндров из углеродистой стали. В этом случае электрический ток течет от анодного листа или экрана 14 к выступу 2 титанового листа и к медному листу, причем во время протекания через медный лист ток достигает противоположного выступа 2 никелевого листа и оттуда течет к катодному листу или экрану с выпучиваниями 17.

Элементы, соответствующие изобретению, собирают с образованием электролизера, как показано на фиг.9, где изображены прижимные средства 21 и 22 для прижатия элементов 1 друг к другу, подающие и выпускные коллекторы 23 и 24 соответственно и соединительные трубы 25 и 26 для соединения элементов 1 с коллекторами 23 и 24.

Дополнительный конкретный вариант осуществления данного изобретения посвящен получению альтернативного решения проблемы сопряжения анодной сетки или экрана и плоской поверхности выступов, имеющих форму усеченного конуса. Чтобы избежать окклюзии газов в этой зоне, можно разместить соединительный элемент (опору) между плоской поверхностью и анодной сеткой или экраном. Указанный элемент может принимать различные формы, например он может быть U-образным, как показано позицией 27 на фиг.10. Элемент 27 можно сначала соединить с плоской поверхностью выступов, имеющих форму усеченного конуса, а затем с анодной сеткой или экраном.

Фиг. 10 также изображает деталь U-образного элемента 27, который изогнут для образования двух плоских поверхностей 28, облегчающих соединение сетки или экрана, например с помощью точечной сварки. Обе поверхности 28 несмотря на ограниченные размеры, которые не должны создавать проблему окклюзии газа, могут быть снабжены отверстиями 29, показанными на фиг.11, чтобы исключить любой риск окклюзии.

Элемент 27 позволяет получить следующие преимущества: - Отдаление мембраны от плоской поверхности выступов. Вследствие этого любой дефект в мембране при миграции каустической соды из катодного отсека не вызывает коррозию анодного листа с последующей утечкой наружу.

- Отдаление мембраны от мест сварки на плоской поверхности выступов. Эти места сварки, которые должны быть достаточно прочными и широкими для гарантии легкого протекания тока, могут иметь несовершенства, которые могли бы быть опасными для целостности мембраны. Поэтому возможно исключение операций контроля после сварки, которые необходимы при наложении анодной сетки или экрана непосредственно на плоские поверхности выступов.

- Поскольку глубина анодного отсека неизменна, использование элементов 27 позволяет получить менее высокие выступы, имеющие форму усеченного конуса, при использовании менее критичных методов холодного прессования.

Поскольку и анодный, и катодный листы снабжены выступами, имеющими форму усеченного конуса, их можно получать с помощью одной пресс-формы, вследствие чего и выступы катодного листа не должны быть слишком высокими. Поэтому, раз катодный отсек имеет неизменную глубину, тот же тип опор, используемых для анодного элемента, нужно использовать и для катодной стороны.

В еще одном конкретном варианте осуществления изобретения выступы могут быть исключены на анодной и катодной стороне путем соответствующего выбора размера высоты опор, как показано на фиг.12, которая является частичным видом элемента электролизера. В этом случае опоры должны быть снабжены подходящими боковыми дефлекторами 30, которые, как показано на фиг.12, вносят вклад в обеспечение бокового перемешивания электролитов аналогично тому, которое обеспечивается выступами, имеющими форму усеченных конусов.

Соединение между анодной и катодной сторонами может быть таким же, как показанное на фиг. 7. Вместо этого при отсутствии выступов, имеющих форму усеченного конуса, и при уменьшенном расстоянии между листами соединение может быть получено путем размещения между листами только совместимого материала, который предпочтительно является биметаллом из никеля и титана, полученным путем совместного наслоения, или, необязательно, биметаллом из титана и никеля, полученным путем нанесения никеля распылением струи или плазмы. Этот биметалл может иметь форму квадрата или диска, такого же, как показанный на фиг.7, или непрерывных полос. В этом последнем случае соединение может быть получено путем точечной сварки, например контактной сварки сопротивлением, или непрерывной сварки с помощью вольфрамового электрода в инертном газе (ВЭНГ-сварки), или лазерным методом. В обоих конкретных вариантах осуществления, содержащих или исключающих выступы, внутренняя система рециркуляции остается той же и содержит удлиненные облицовочные плитки и переточные трубы, как описано ранее.

Изобретение будет лучше описано со ссылкой на пример, который не следует считать ограничивающим изобретение.

Пример Три биполярных элемента того типа, который описан на фиг.1, и два клеммных элемента, анодный и катодный, собирали для образования биполярного электролизера, содержащего четыре элементарные электролитические ячейки. Активная площадь элементов составляла 140240 см, в общей сложности по 3,4 м2 для каждой стороны. Каждая сторона элементов была изготовлена из листа, подвергнутого холодной штамповке, выполненного из титана для анодной стороны и из никеля - для катодной стороны, снабженного выступами в форме усеченного конуса, имеющими основание диаметром 10 см и верхнюю плоскую поверхность диаметром 2 см при высоте 2,5 см. Расстояние между центрами выступов, расположенных в центрированной шестиугольной конфигурации, составляло 11 см друг от друга. Внутренние проводящие элементы, приваренные к выступам, были выполнены в виде цилиндров из углеродистой стали. Каждый лист, подвергнутый холодному прессованию содержал также пять выемок, две из которых находились вблизи вертикальных кромок и имели ширину 5 см. Каждая выемка была закрыта удлиненной облицовочной плиткой, имеющей ту же ширину и расположенной с возможностью образования переточного канала. Один из переточных каналов заключал в себе выпускную трубу диаметром 3 см для выпуска жидкой и газообразной фаз (каустической соды и водорода для катодной стороны и разбавленного рассола и хлора - для анодной стороны соответственно. Обе стороны элементов содержали также дефлектор, расположенный вдоль верхней кромки периферийного фланца, а также элемента, и имеющий высоту 10 см. Поперечное сечение, доступное для протекания смеси газа и жидкости между верхней кромкой дефлектора и кромкой фланца, имело ширину 1 см. Анодная сторона элементов была снабжена расправленным титановым листом толщиной 0,1 см с шестиугольными ячейками, каждая из которых имела ширину 0,3 см и длину 0,6 см. Сетка была снабжена электрокаталитической пленкой для выделения хлора, выполненной из смешанных оксидов титана, иридия и рутения, нанесенной в соответствии с указаниями примера 3 из патента США N 3948751.

Никелевый расправленный лист толщиной 0,05 см с ромбовидными отверстиями, имеющими длину 0,6 см и ширину 0,3 см, накладывали на катодную сторону элемента. Расправленный лист был сформирован путем холодного прессования для образования выпучиваний диаметром 10 см и высотой 0,2 см. Расправленный лист также был снабжен электрокаталитическим покрытием для выделения водорода, выполненным из смешанных оксидов никеля и рутения, нанесенных в соответствии с указаниями примера 1 из патента США N 4970094. Расправленный лист соединяли с катодной стороной путем сварки плоских поверхностей, содержащихся между выпучиваниями, с плоскими поверхностями выступов, имеющих форму усеченного конуса. Эксплуатация электролизера дала следующие результаты: - степень рециркуляции анолита (электролита в прианодной области) через пять переточных каналов анодных сторон: 2,3 и 2,8 м3/час/м2 мембраны при 5 и 8 кА/м2 соответственно; - степень рециркуляции католита (электролита в прикатодной области) через пять переточных каналов катодных сторон: 2 и 2,4 м3/час/м2 мембраны при 5 и 8 кА/м2 соответственно; - градиент концентрации анолита относительно среднего значения 210 граммов на литр (г/л): 3 г/л; эти данные были получены путем отвода жидкости из подходящих точек отбора образцов, предусмотренных в элементах; - градиенты концентрации каустической соды относительно среднего значения 32%: 0,2%; - градиент температуры относительно среднего значения 90oС: +1, -2oС; - энергопотребление: 2080 и 2280 кВтч/т полученной каустической соды при 4 и 6 кА/м2; эти значения выведены из напряжений 3,00 и 3,28 вольт электролитических ячеек при фарадеевских выходах по току 96,5.

Формула изобретения

1. Электролизер с ионообменной мембраной для электролиза водного раствора электролитов, выполненный из множества элементарных электролитических ячеек, каждая из которых ограничена парой элементов и парой периферийных прокладок, при этом ионообменная мембрана расположена между каждыми из указанных элементов, содержащий пару листов, снабженных периферийным фланцем, пригодным для заключения в нем периферийных прокладок, и множеством выступов, имеющих плоский верх, и вертикальных выемок, опорный каркас, размещенный между фланцами обоих листов, проводящие элементы для электрического соединения каждого выступа одного листа с соответствующим выступом другого листа, удлиненные облицовочные плитки, расположенные вертикально над выемками для образования переточных каналов, дефлектор в верхней части каждого листа, находящийся вблизи, но не в контакте с внутренней кромкой периферийного фланца и снабженный соединительными отверстиями, при этом каждая выемка снабжена удлиненной облицовочной плитой, распределитель для подачи водного раствора электролитов, расположенный в нижней части каждого листа вдоль внутренней кромки периферийного фланца, вертикальный переточный канал для выпуска истощенных водных растворов и продуктов электролиза, расправленный лист или сетку, соединенную с плоской поверхностью выступов каждого листа, при этом указанный расправленный лист или сетка снабжены электрокаталитическим покрытием для электрохимической реакции.

2. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что выступы листов имеют форму усеченного конуса.

3. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что проводящие элементы имеют цилиндрическую форму.

4. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что проводящие элементы прикреплены к листу.

5. Электролизер по п. 4, отличающийся тем, что лист выполнен как единое целое с опорным каркасом.

6. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что проводящие элементы представлены выступами, сформированными путем холодного прессования, в проводящем листе.

7. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что проводящие элементы соединены с выступами путем сварки.

8. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что проводящие элементы выполнены из углеродистой стали, никеля или меди.

9. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что между расправленными листами и плоской поверхностью выступов введены опоры.

10. Электролизер по п. 9, отличающийся тем, что опоры имеют U-образную форму.

11. Электролизер по п. 9, отличающийся тем, что поверхности указанных опор снабжены отверстиями.

12. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что выступы листов элементов расположены в соответствии с шестиугольной конфигурацией.

13. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что выемки листов элементов выполнены равноотстоящими.

14. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что распределители для подачи электролитов и каналы снабжены отверстиями.

15. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что внутри элементов в одной из выемок листа заключен вертикальный переточный выпускной канал.

16. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что элемент является элементом биполярного типа, а расправленная сетка выполнена из активированного никеля на катодной стороне и активированного титана на анодной стороне.

17. Электролизер по п. 16, отличающийся тем, что активированная расправленная сетка или лист на стороне катода снабжен(а) выпучиваниями.

18. Электролизер по п. 17, отличающийся тем, что выпучивания имеют форму сферической чашки.

19. Электролизер по п. 17, отличающийся тем, что выпучивания сжаты у ионообменной мембраны.

20. Электролизер по п. 16, отличающийся тем, что активированная расправленная сетка или лист на анодной стороне снабжен(а) канавками.

21. Электролизер по п. 16, отличающийся тем, что расправленные сетки или листы имеют шестиугольные отверстия.

22. Электролизер по п. 16, отличающийся тем, что активированные титановые расправленные листы или сетки на анодной стороне снабжены электрокаталитическим покрытием для выделения хлора, выполненным из смешанных оксидов или вентильных металлов и металлов платиновой группы.

23. Электролизер по п. 16, отличающийся тем, что активированные никелевые расправленные листы или сетки на катодной стороне выполнены из никеля и снабжены электрокаталитическим покрытием для выделения водорода.

24. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что водные растворы электролитов являются растворами хлорида натрия и каустической соды.

25. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что выступы изготовлены отдельно и прикреплены к листам.

26. Электролизер по п. 25, отличающийся тем, что прикрепленные выступы имеют U-образную форму и снабжены боковыми дефлекторами для перемешивания электролитов.

27. Электролизер по п. 26, отличающийся тем, что прикрепленные выступы имеют поверхности, находящиеся в контакте с расправленными стеками или листами, и снабжены отверстиями.

Приоритет по пунктам: 03.06.1997 - по пп. 1-27 - с уточнениями от 29.04.1998.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6,