Патент 2363772

Электролизная ячейка

Изобретение относится к конструкции электролизной ячейки, предназначенной, например, для производства хлора, водорода и/или каустической соды. Электролизное устройство содержит элемент одноячеечного типа, ограниченный двумя полуоболочками, каждая из которых снабжена задней стенкой и периферийным фланцем, на котором расположены изоляционные элементы, прижатые крепежными элементами, установленными в области фланца, содержащий два электрода с размещенной между ними мембраной, при этом полуоболочки не имеют отверстий или углублений для размещения в них болтового соединения крепежных элементов, и отношение поверхности фланца, перекрывающей упомянутую мембрану, и активной поверхности мембраны составляет менее 0,09. Благодаря оптимизированной конструкции фланца доля неактивной поверхности мембраны минимизирована. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электролизной ячейке, конструктивно выполненной в форме отдельного элемента, так называемых «одноячеечных элементов», причем такие ячейки используются, например, для производства хлора, водорода и/или раствора каустической соды и т.д., и устроенной таким образом, что доля неактивной поверхности мембраны минимизирована с помощью оптимизированной конструкции фланца, в результате чего отношение поверхности фланца полуоболочки и активной поверхности мембраны можно отрегулировать до значения <0,045, и при этом ни мембрана, ни полуоболочки не имеют отверстий или углублений для прохождения крепежных элементов.

Электролизные ячейки для производства элементарного хлора, водорода и/или раствора каустической соды хорошо известны, и их конструкция, соответствующая современному уровню техники, была достаточно хорошо описана. При обычной соответствующей современному уровню технологии в промышленных областях применения широко используются два типа ячеек: одна фильтр-прессной конструкции, а другая - типа упомянутых «одноячеечных элементов», последовательно соединенных в электрическую цепь.

Такие электролизные ячейки, подобные описанным в документах DE 19641125, DE 19740637 или DE 19641125, содержат, помимо прочего, одну катодную и одну анодную полуоболочки, внутри которых установлены соответственно анод или катод, причем каждый из них имеет разную структуру поверхности. Между электродами расположена ионообменная мембрана, которая выходит далеко за пределы фланцев этих полуоболочек. Упомянутые фланцы полуоболочек выполнены имеющими достаточный размер для того, чтобы обеспечить соответствующую поверхность прижима во избежание повреждения ионообменной мембраны.

Согласно существующему уровню техники фланцы полуоболочек и размещенная между ними мембрана снабжены отверстиями или проемами для безопасного позиционирования и крепления этой мембраны, при этом для каждого отверстия или проема предусмотрен один болтовой крепежный элемент. Давление уплотнения, оказываемое на полуоболочки посредством болтового соединения, передается через изоляционные элементы типа шайбы, размещенные с каждой стороны фланцев полуоболочек.

Согласно известному уровню техники по окружной периферии фланца отдельной ячейки размещено множество таких крепежных элементов с тем, чтобы обеспечить герметичность ячейки и почти равномерное давление уплотнения мембраны.

Основным недостатком этого известного электролизного устройства является то, что более чем 10% ионообменной мембраны неактивны и не принимают участия в процессе электролиза, так как мембрана закрыта фланцем или даже выходит за пределы фланца, чтобы облегчить сборку, и в результате этот очень дорогой материал используется просто для установки этой детали во время сборки отдельной ячейки и для улучшения механической устойчивости во время работы.

Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы устранить или минимизировать указанный выше недостаток и обеспечить оптимизацию полезного использования площади поверхности мембраны.

Эта цель достигается путем изготовления всего фланца всей электролизной ячейки в целом меньшим по размеру, исключения отверстий и углублений, обычно требующихся для прохождения болтового соединения, при этом отношение площади поверхности фланца полуоболочек, перекрывающей мембрану, и площади активной поверхности мембраны составляет менее 0,09 или, предпочтительно, менее 0,07, либо в идеальном варианте реализации - менее 0,045.

Согласно идеальному варианту реализации электролизной ячейки, описанной в этом изобретении, мембрана выполнена такой формы, что она не имеет ни отверстий, ни углублений, которые обычно служат для позиционирования мембраны в одной или в обеих полуоболочках или для прохождения крепежных элементов.

Упомянутое устройство также имеет крепежные элементы, которые накладываются на внешнюю сторону фланца или надвигаются на него и которые служат для прижатия и герметизации анодной и катодной полуоболочек с образованием единого элемента.

В преимущественном варианте реализации изобретения упомянутые крепежные элементы представляют собой отдельные элементы болтового соединения. Идеальным вариантом является использование прижимных планок типа струбцин или фиксируемых болтами планок для закрепления полуоболочек, такие элементы доступны на рынке в виде готовых изделий. Для этой цели подходят упомянутые элементы и другой формы, при условии, что они содержат по меньшей мере два параллельных и противоположных изоляционных элемента, которые прижимаются к фланцам полуоболочек.

Кроме того, описанная в данном изобретении электролизная ячейка содержит устройство, которое делает возможным, чтобы только часть изоляционных элементов, расположенных на стороне, обращенной к фланцу полуоболочки, непосредственно опиралась на упомянутый фланец, а часть площади поверхности выступала из фланца. Между лицевыми поверхностями изоляционных элементов, которые не опираются, расположена по меньшей мере одна прокладка (распорка), либо один или оба изоляционных элемента выполнены такой формы, что либо сама прокладка, либо эта прокладка в сочетании с другими изоляционными элементами заполняют зазор, находящийся в области над фланцем. Имеющее такую форму изоляционное тело снабжено, например, выступающими или консольными частями в той области поверхности, которая обращена к фланцу.

В преимущественном варианте реализации изобретения предусматривается прокладка с более толстым и более тонким сечением, и при сборке более толстая часть выступает из фланца, а более тонкая часть зажата вместе с мембраной между фланцами полуоболочек. В одном из подвариантов описанного выше варианта реализации предусматривается прокладка, выступающая часть которой имеет отверстия или проемы, в которые могут устанавливаться болты или зажимы. В этом случае толщина той части прокладки, которая выступает из фланца, приблизительно соответствует толщине фланца после сборки, т.е. учитывается толщина конструктивных элементов, вставляемых при выполнении этой операции.

Таким образом, существенным преимуществом является значительное уменьшение площади неактивной поверхности мембраны, в то время как величина площади активной поверхности мембраны остается неизменной.

Еще одним важным преимуществом в дополнение к увеличенной доле активной поверхности мембраны является то, что общая площадь поверхности мембраны становится меньше и уплотняющий монтаж мембраны облегчается. Обязательным условием ранее было то, что любое отверстие или проем в мембране изготавливается до сборки. Типы мембран с отверстиями должны быть снабжены этими отверстиями перед сборкой - этап, который теперь устранен. Этот этап всегда представлял опасность для мембран, так как никогда нельзя полностью исключить повреждения или загрязнение покрытия или материала основы такой мембраны.

Уменьшение размера фланца также позволяет изготавливать полуоболочки из полуфабрикатов, таких как рулоны, которые могут быть приобретены со стандартным размером на мировом рынке, - процедура, которая до настоящего момента была невозможна. Таким образом, могут быть реализованы два существенных и положительных эффекта относительно стоимости материала полуоболочек, а именно, упрощенное приобретение и уменьшенный размер.

К данному описанию приложен чертеж, на котором показан типичный «одноячеечный элемент» согласно существующему уровню техники, и два чертежа, на которых показано электролизное устройство (электролизер) в соответствии с изобретением, причем возможны и другие варианты его реализации.

Вид в поперечном сечении на Фиг.1 показывает часть электролизной ячейки в соответствии с существующим уровнем техники. На этом сечении хорошо видны анодная полуоболочка 1 и расположенная напротив катодная полуоболочка 2, анод 3 и катод 4. Полуоболочки 1 и 2 имеют две части: стенку 9 и периферийный фланец 8. Фланец 8 имеет отверстия для установки крепежного элемента 10, через которые устанавливается болт 10.1. В состав упомянутого крепежного элемента также входит пружинная шайба 10.2, которая сохраняет постоянным давление прижима, - деталь, необходимая для компенсации изменения характеристик материала из-за различных условий разбухания мембраны. Два кольцевых изоляционных элемента 10.3 находятся в непосредственном контакте с металлической поверхностью фланца 8 и, следовательно, с полуоболочками, при этом упомянутые элементы служат для передачи усилий. Кроме того, болт 10.1, размещенный в области сближения фланцев, вставлен в изоляционную трубку 10.4. Мембрана 5 размещена между анодом 3 и катодом 4.

На этом чертеже видно, что мембрана 5 выполнена такого размера, что она выходит за пределы той области, в которой выполнены отверстия для крепежных элементов. Таким же образом, как и фланцы, мембрана также снабжена отверстиями в этой области. Фланец 8 снабжен плоским прокладочным и изоляционным элементом 6, который представляет собой рамку и который также снабжен отверстиями, совпадающими с отверстиями фланца 8. Два кольцевых уплотняющих жгута 11, расположенных между полуоболочками в области фланца 8, обеспечивают герметичность этих полуоболочек. Внутренние элементы 7, показанные на Фиг.1, 2 и 3, служат для обеспечения плавного равномерного потока в верхней части ячейки.

На Фиг.2 показана электролизная ячейка по изобретению без крепежного устройства. Фланец 8 имеет значительно меньший размер и не имеет ни просверленных отверстий, ни каких-либо иных отверстий. Показанный здесь вариант прокладки 6 выступает из фланца 8, и его верхняя часть 6.1, которая выходит за границы фланца, снабжена отверстиями 6.2, в которые вставляются болты 10.1 одного крепежного элемента. Внутренняя часть прокладки 6, т.е. зажимная область 6.3, находится между фланцевыми частями полуоболочек 1 и 2. В этом случае изоляционная трубка 10.4, которая защищает болты 10.1, как показано на Фиг.1, может быть исключена, так как болт не может прийти в контакт с фланцем.

На Фиг.3 показана электролизная ячейка по изобретению с закрепленным крепежным и уплотняющим элементом 10, рамкой 6.1 и прижимной областью 6.3 прокладки 6, состоящей из двух отдельных деталей, которые не являются прочно соединенными друг с другом.

В качестве варианта можно изготовить один или оба изоляционных элемента такой формы, что они имеют выступающую и консольную часть, и эта выступающая часть, находящаяся вверху, образовывает непосредственно саму прокладку. Однако этот вариант на чертежах не показан.

Очевидно, что устройство в соответствии с изобретением делает возможной не только меньшую площадь поверхности мембраны, что увеличивает долю активной поверхности мембраны, но также допускает определенную степень свободы в выборе конструкции крепежного устройства и его парных элементов благодаря исключению отверстий.

Две электролизные ячейки, описанные в изобретении, были испытаны на испытательном стенде в реальных условиях производства в течение периода в 5000 рабочих часов. Эти две промышленных электролизных ячейки имели площадь активной поверхности мембраны 2,72 м2 каждая и ширину фланца 15,5 мм и, следовательно, упомянутая площадь поверхности была более чем на 60% меньше, чем у электролизных ячеек существующего уровня техники. Напряжение на ячейке, приложенное в течение всего периода испытаний, составляло приблизительно 3,2 В при плотности тока приблизительно 6 кА/м2 и температуре ячейки примерно 90°С. Подаваемое сырье представляло собой раствор NaCl с концентрацией 300 г на литр.

Раствор каустической соды при выгрузке имел среднюю концентрацию 32% при остаточной концентрации NaCl<20 миллионных долей. Кроме того, производили газообразные Cl2 и H2, при этом средний расход энергии составлял приблизительно 2200 кВт·ч на тонну NaOH.

Во время всего испытательного периода оказалось возможным достичь высоких степеней превращения, высокого качества продуктов и т.д. посредством отдельных ячеек согласно настоящему изобретению, то есть показателей, равных показателям для более крупных по размерам и более дорогих отдельных ячеек существующего уровня техники, причем без каких-либо недостатков с точки зрения безопасности, герметичности или технического обслуживания.

Конструктивные особенности, описанные в настоящем изобретении, позволили уменьшить долю площади неактивной поверхности мембраны с 11%, получаемых при известной из уровня техники технологии, до менее чем 4,2%.

Целью серии испытаний было наблюдение за поведением мембраны и ее ухудшением, а также герметичностью отдельной ячейки, так как мембрана подвергается механическим напряжениям, возникающим при вибрации и разбухании или усадке.

Не было обнаружено никаких аномалий с точки зрения герметичности ячейки и точного позиционирования мембраны. В течение всего периода испытаний не было обнаружено никаких проблем с эксплуатацией или утечек, и не потребовалось какой-либо регулировки или коррекции мембраны или других конструктивных элементов для устранения нарушений.

Было с удивлением обнаружено, что техническое обслуживание ячейки облегчилось, и что существенно повысилась возможность повторного использования мембраны, уже эксплуатировавшейся в данном процессе. Это связано с тем, что при открывании отдельной ячейки начинается процесс усадки мембраны, то есть явление, которое ранее часто вызывало разрыв материала мембраны на поврежденных участках вблизи отверстий и, таким образом, исключало повторное использование этой мембраны. Так как перед открыванием электролизная ячейка в соответствии с изобретением устанавливается в горизонтальное положение, то мембрана освобождается сразу после удаления полуоболочки (при отсутствии закрепления), в результате чего последующая равномерная усадка не может вызвать деформацию или повреждение мембраны.

Также было обнаружено, что может быть сокращено время, требующееся для сборки отдельных ячеек, так как регулировка мембраны теперь облегчается ввиду того, что нет необходимости в совмещении отверстий, и необходимо всего лишь грубо выровнять концы мембраны с краем фланца. Такое выравнивание является значительно менее важным, так как любое отклонение от параллельности с этими краями является пренебрежимым.

Расшифровка ссылочных номеров

1 Внешняя полуоболочка со стороны анода

2 Внешняя полуоболочка со стороны катода

3 Анод

4 Катод

5 Мембрана

6 Прокладка

6.1 Рамка

6.2 Отверстие

6.3 Область прижима

7 Внутренние элементы

8 Фланец полуоболочки

9 Увеличенная верхняя часть полуоболочки

10 Крепежный элемент

10.1 Болт

10.2 Пружинная шайба

10.3 Изоляционный элемент

10.4 Изоляционная трубка

10.5 Прокладка

11 Уплотняющий жгут

1. Элемент одноячеечного типа для электролизного устройства, ограниченный двумя полуоболочками, каждая из которых снабжена задней стенкой и периферийным фланцем, на котором расположены изоляционные элементы, прижатые крепежными элементами, установленными в области фланца, содержащий два электрода с размещенной между ними мембраной, при этом полуоболочки не имеют отверстий или углублений для размещения в них болтового соединения крепежных элементов, и отношение поверхности фланца, перекрывающей упомянутую мембрану, и активной поверхности мембраны составляет менее 0,09.

2. Элемент по п.1, в котором упомянутое отношение поверхности фланца и активной поверхности мембраны составляет менее 0,045.

3. Элемент по п.1 или 2, в котором упомянутая мембрана не имеет отверстий или проемов для ее позиционирования в полуоболочках или для размещения в них болтового соединения крепежных элементов.

4. Элемент по п.1 или 2, в котором крепежные элементы надвинуты на фланец или наложены на него.

5. Элемент по п.1 или 2, в котором крепежные элементы выполнены в виде отдельных элементов болтового соединения, струбцин или соединяемых болтами прижимных планок, либо любого другого типа или формы, причем эти элементы имеют, по меньшей мере, два параллельных и противоположных изоляционных элемента, которые прижаты к фланцам полуоболочек.

6. Элемент по п.1 или 2, в котором только часть изоляционных элементов, расположенных на стороне, обращенной к поверхности фланца, непосредственно опирается на упомянутый фланец, при этом между лицевыми поверхностями изоляционных элементов, которые не опираются, установлена, по меньшей мере, одна прокладка, либо одно или оба изоляционных тела выполнены такой формы, что они снабжены выступающим или консольным участком, так что зазор, находящийся за пределами упомянутого фланца, по меньшей мере, частично заполнен.

7. Элемент по п.6, в котором упомянутая, по меньшей мере, одна прокладка имеет более толстую и более тонкую часть, причем более толстая часть выступает из фланца, а более тонкая часть зажата между фланцами двух полуоболочек вместе с упомянутой мембраной.

8. Элемент по п.7, в котором упомянутая выступающая из фланца часть прокладки снабжена отверстиями или проемами.

9. Элемент по п.6, в котором толщина упомянутой выступающей из фланца прокладки либо упомянутых выступающих или консольных участков материала изоляционного элемента приблизительно соответствует толщине фланца в собранном состоянии с учетом толщины вставленного элемента.

10. Элемент по п.7, в котором толщина упомянутой выступающей из фланца прокладки либо упомянутых выступающих или консольных участков материала изоляционного элемента приблизительно соответствует толщине фланца в собранном состоянии с учетом толщины вставленного элемента.

11. Элемент по п.8, в котором толщина упомянутой выступающей из фланца прокладки либо упомянутых выступающих или консольных участков материала изоляционного элемента приблизительно соответствует толщине фланца в собранном состоянии с учетом толщины вставленного элемента.