Микроструктурированная изолирующая рамка для электролизной ячейки

Изобретение относится к конструктивному элементу мембранных электролизеров, в частности к изолирующей рамке электролизной ячейки, имеющей микроструктурированный внутренний участок, обеспечивающий проникновение электролита даже в том случае, если этот структурированный участок частично или полностью перекрыт мембраной, и к электролизной ячейке, оснащенной такой рамкой. Уменьшение повреждения периферийной области мембраны за счет минимизации потока ионов хлора к катодной стороне или его полное предотвращение является техническим результатом изобретения. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Предпосылки изобретения

Изобретение относится к конструктивному элементу мембранных электролизеров и, более конкретно, направлено на изолирующую рамку, снабженную структурированным внутренним участком, обеспечивающим проникновение рабочего электролита также в областях, находящихся в непосредственном контакте с мембраной. Согласно другому аспекту изобретение направлено на электролизную ячейку, оснащенную такой микроструктурированной изолирующей рамкой.

В данной области техники известно несколько типов электролизеров для производства газообразных хлора и водорода и/или раствора каустика. В частности, наиболее широко распространенными конструкциями электролизеров в существующих промышленных применениях являются электролизер фильтр-прессного типа и типа с «едиными элементами-ячейками», в котором эти элементы электрически соединены последовательно.

Конструкция единого элемента-ячейки, которая раскрыта, например, в DE 10249508 A1 и DE 102004028761 A1, состоит из анодной или катодной полуоболочек, заключающих внутри себя соответствующие анод и катод. Ионообменная мембрана расположена между этими электродами и удерживается на месте специальными фланцами. Как описано в DE 102004028761 A1, между фланцем анодной полуоболочки и мембраной расположена изолирующая рамка, так что мембрана зажата между поверхностями катодной полуоболочки и изолирующей рамки и таким образом удерживается в нужном положении.

Поскольку мембрана, которая обычно содержит сульфоновый слой и карбоксильный слой, не растягивается в процессе сборки ячейки, а просто размещается горизонтально на одной из полуоболочек, изолирующая рамка также служит для предохранения ее от вибрации и вхождения в контакт с металлическими поверхностями анодной полуоболочки во время работы. В этом отношении переходная зона между анодной полуоболочкой и фланцем имеет особое значение для предотвращения коротких замыканий и защиты мембраны от повреждений. По этим причинам изолирующая рамка увеличена в размере таким образом, что она выступает на несколько миллиметров во внутреннюю камеру и отделяет мембрану от смежных металлических поверхностей полуоболочки.

Негативным эффектом данной защитной меры является дезактивация мембраны в зоне контакта. Поскольку давление в катодной камере выше, чем давление в анодной камере, мембрана прижимается к анодной камере и/или к выступающей области рамки и, таким образом, она может смачиваться только на противоположной стороне в зоне контакта.

Вследствие данного эффекта «закупоривания» на анодной стороне гигроскопичный раствор каустика, присутствующий на катодной стороне, имеет тенденцию обезвоживать мембрану в этой области, таким образом вызывая осаждение солей в карбоксильном слое, в конечном итоге приводя к пузырению, расслоению этих двух слоев мембраны и/или эффекту растрескивания. Иногда такие повреждения являются видимыми, но они могут быть также обнаружены по высокой концентрации хлора в производимом каустике вследствие миграции ионов хлора в катодную камеру в результате диффузии через поврежденную зону. Предпринимаемые до настоящего времени усилия по устранению данного негативного эффекта посредством усовершенствования размеров или расположения изолирующей рамки не были удовлетворительными, так что либо допускалась более высокая концентрация хлора в течение длительных периодов времени, либо требовалась более частая замена мембраны.

Одной из задач настоящего изобретения является уменьшение повреждения периферийной области мембраны за счет минимизации потока ионов хлора к катодной стороне или его полного предотвращения.

Эти и другие задачи, которые будут очевидны специалистам в данной области техники, решаются посредством технического решения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.

Описание изобретения

В одном варианте реализации объектом настоящего изобретения является изолирующая рамка для электролизных ячеек, снабженная плоским участком, состоящим из анодной стороны и катодной стороны и имеющим внешнюю и внутреннюю прилегающую поверхность, содержащая наружный краевой участок, примыкающий к внутренней прилегающей поверхности и структурированный так, что он может быть проницаемым для электролита в случае частичного или полного покрытия или перекрытия. В одном предпочтительном варианте реализации этим краевым участком является микроструктурированная поверхность. Предпочтительно, данный краевой участок является непрерывным и проходит по всему периметру внутренней прилегающей поверхности.

В одном предпочтительном варианте реализации наружный краевой участок выполнен в виде плоской ступеньки, снабженной множеством выступов, имеющих различные формы; преимущественно, такие выступы выполнены в виде цилиндрических или сферических выступов.

В другом варианте реализации наружный краевой участок снабжен рядом волнообразных или зубчатых выступов и выемок, структура которых сконфигурирована таким образом, что волнистости или зубцы являются открытыми вдоль ширины рамки, так что анолит может протекать или диффундировать туда и обратно из анодной камеры к данной области. В особенно предпочтительной конструкции волнистости или зубцы снабжены множеством небольших отверстий, улучшающих прохождение анолита в обоих направлениях. Таким отверстиям может быть придана форма сквозных отверстий, канавок или любая другая подходящая геометрическая форма.

В одном варианте реализации изолирующей рамки в соответствии с настоящим изобретением дополнительный преимущественный признак придан множеством небольших отверстий, высверленных или пробитых, расположенных на наружном краевом участке и проникающих на всю толщину изолирующей рамки. Упомянутые отверстия находятся во взаимном проточном сообщении через каналы, предусмотренные в поверхности изолирующей рамки, предпочтительно размещенные на анодной стороне, то есть на стороне, противоположной мембране. Эти каналы, приводящие отверстия в проточное сообщение друг с другом или с внутренней прилегающей поверхностью, могут преимущественно быть предусмотрены на обоих плоских участках изолирующей рамки. Наличие данной структуры каналов с обеих сторон улучшает подачу и отвод анолита.

Дополнительной выгодой данной конфигурации является то, что она позволяет увеличить допуски на изготовление и сборку.

Согласно другому аспекту объектом настоящего изобретения является электролизная ячейка, содержащая описанную выше изолирующую рамку для уплотнения двух полуоболочек ячейки и/или удерживания мембраны на месте.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 изображает сечение фланцевой зоны электролизной ячейки уровня техники.

Фиг.2 изображает сечение фланцевой зоны электролизной ячейки, включающей в себя изолирующую рамку согласно изобретению.

Фиг.3а и 3b изображают конструктивные особенности одного варианта реализации изолирующей рамки согласно изобретению.

Подробное описание чертежей

Фиг.1 изображает сечение фланцевой зоны электролизной ячейки, известной в данной области техники. Мембрана 1 зажата между двумя фланцами анодной полуоболочки 2 и катодной полуоболочки 3, причем между анодной полуоболочкой 2 и мембраной 1 расположена изолирующая рамка 4. В случае стандартного узла область 5 изолирующей рамки 4 выступает во внутреннюю часть электролизной ячейки.

Поскольку давление внутри катодной камеры 6 составляет на 20-40 мбар выше, чем давление внутри анодной камеры 7, мембрана 1 прижимается к выступающей области 5 рамки и локально уже не может смачиваться анолитом, поступающим из анодной камеры 7.

Фиг.2 изображает эквивалентное сечение фланцевой зоны электролизной ячейки, в которой установлена изолирующая рамка в соответствии с изобретением: изолирующая рамка 4 выполнена в форме ступеньки, причем край 10 ступеньки в совмещении с наружным краевым участком 8 имеет уменьшенную толщину по сравнению с окружающей зоной. Для поддержания мембраны 1 в гидратированном состоянии на наружном краевом участке 8 размещается множество сферических выступов 9, при этом упомянутые выступы 9 обеспечивают опору мембраны 1 без полного закупоривания, причем сторона мембраны, обращенная к анодной камере 7, остается частично непокрытой.

В данном случае изолирующая рамка 4 и кромка 10 ступеньки расположены таким образом, что упомянутая кромка 10 находится в пределах фланцевой зоны обеих полуоболочек. Следовательно, при установке мембрана 1 сдавливается (выжимается) на кромке 10 и дезактивируется на любой стороне, так что исключается одностороннее смачивание и предотвращается ухудшение мембраны. В отличие от конструкции уровня техники, проиллюстрированной на фиг.1, в данном случае выступающая область 5 рамки может изготавливаться и собираться с большими допусками.

Фиг.3а иллюстрирует вид сверху угла изолирующей рамки 4 в соответствии с изобретением, снабженной каналами 14 и небольшими отверстиями 15. Наружный краевой участок 8 между наружной прилегающей поверхностью 13 и внутренней прилегающей поверхностью 12 снабжен множеством отверстий 15, находящихся во взаимном проточном сообщении через микроканалы 14, проходящие вдоль поперечного и продольного направления, проиллюстрированные линиями. Отверстия 11 большего размера за пределами наружного краевого участка 8 предназначены для зажимных болтов, используемых для прижатия фланца (не показаны).

Фиг.3b иллюстрирует увеличенный детальный вид изолирующей рамки 4 в разрезе по линии А-А с фиг.3а. Показано, что анодная сторона 17 выполнена по форме эквивалентным катодной стороне 16 образом и что микроканалы 14 предусмотрены на обеих сторонах изолирующей рамки и расположены в виде сетки для приведения отверстий 15 во взаимное проточное сообщение. Микроканалы 14, выполненные перпендикулярно внутренней прилегающей поверхности 12, открыты в направлении анодной камеры 7, так что анолит может проникать в сетку каналов, протекая по отверстиям, чтобы наконец достигнуть стороны мембраны, обращенной к анодной камере 7.

Пример

С целью сравнения промышленную электролизную ячейку с площадью поверхности мембраны 2,7 м² эксплуатировали в стандартных условиях при плотности тока 6 кА/м², контролируя концентрацию хлора в производимом каустике. Исходное значение концентрации хлора в производимой каустической соде находилось в пределах между 14 и 20 миллионными долями (ppm) и по истечении приблизительно 200 дней работы начало медленно увеличиваться, превысив примерно через год значение в 50 миллионных долей.

По истечении периода в 150 дней уже можно было наблюдать начало пузырения на наружном крае мембраны.

Испытанию подобной же продолжительности была подвергнута эквивалентная электролизная ячейка с площадью поверхности мембраны 2,7 м², оснащенная изолирующей рамкой, выполненной в соответствии с настоящим изобретением.

По истечении 200 дней после начала испытания никакого увеличения концентрации хлора не наблюдалось; что более важно, в течение всего периода испытания не наблюдалось явления пузырения. Последний аспект является надежным показателем того, что концентрация хлора в катодной камере в течение всего времени оставалась на низких уровнях, позволяя продлить срок службы мембраны.

Приведенное выше описание не должно рассматриваться как ограничивающее настоящее изобретение, которое может быть осуществлено на практике в соответствии с другими вариантами реализации без отхода от его объема, рамки которого определяются исключительно прилагаемой формулой изобретения.

В описании и формуле настоящего изобретения термин «содержать» и его разновидности, такие как «содержащий» и «содержит», не подразумевают исключение наличия других элементов или дополнительных компонентов.

1. Изолирующая рамка для вставки между мембраной и фланцем полуоболочки, ограничивающей анодную камеру электролизной ячейки, причем рамка имеет внутреннюю поверхность, прилегающую к упомянутой мембране на одной стороне и упомянутому фланцу на противоположной стороне, отличающаяся тем, что наружный краевой участок, примыкающий к упомянутой внутренней поверхности, структурирован так, что на обеих сторонах изолирующей рамки расположены в виде сетки микроканалы, открытые в направлении анодной камеры.

2. Рамка по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый наружный краевой участок является непрерывным и проходит по всему периметру упомянутой внутренней прилегающей поверхности.

3. Рамка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что упомянутому наружному краевому участку придана форма плоской ступеньки, содержащей множество выступов.

4. Рамка по п.3, отличающаяся тем, что упомянутые выступы выполнены в виде цилиндрических или сферических выступов.

5. Рамка по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый наружный краевой участок снабжен рядом волнообразных или зубчатых выступов и выемок.

6. Рамка по п.5, отличающаяся тем, что упомянутые волнообразные или зубчатые выступы и выемки открыты вдоль ширины рамки.

7. Рамка по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый наружный краевой участок снабжен множеством отверстий.

8. Рамка по п.7, отличающаяся тем, что упомянутым отверстиям придана форма сквозных отверстий или канавок.

9. Рамка по п.7, отличающаяся тем, что упомянутые отверстия находятся в проточном сообщении друг с другом через каналы, предусмотренные на по меньшей мере одной стороне наружного краевого участка.

10. Рамка по п.8, отличающаяся тем, что упомянутые отверстия находятся в проточном сообщении друг с другом через каналы, предусмотренные на по меньшей мере одной стороне наружного краевого участка.

11. Рамка по п.9 или 10, отличающаяся тем, что упомянутой по меньшей мере одной стороной рамки, снабженной каналами, является анодная сторона.

12. Электролизная ячейка, содержащая анодную камеру, ограниченную фланцем, и катодную камеру, причем анодная и катодная камеры разделены мембраной, отличающаяся тем, что между упомянутой мембраной и упомянутым фланцем вставлена изолирующая рамка по любому из предыдущих пунктов.