Электролитическая ячейка
Изобретение относится к электролитической ячейке типовой одноэлементной конструкции для хлорщелочных электролитических установок, которая содержит анодное отделение и катодное отделение, причем каждое из двух отделений содержит электрод, соединенный с задней стенкой соответствующего отделения с помощью параллельных перемычек. Электроды, таким образом, поделены на несколько секций. Согласно изобретению, по меньшей мере, один из двух электродов имеет изогнутую форму в каждой секции, причем эта изогнутая секция выступает по направлению к противоположному электроду и прижимает область мембраны к противоположному электроду. Техническим результатом является снижение потерь напряжения, улучшение эффективности устройства, улучшение экономического показателя. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к электролитической ячейке одноэлементной типовой конструкции, предназначенной для хлорщелочных электролизеров, по существу содержащей анодное отделение и катодное отделение, причем каждое из двух отделений снабжено соответствующим электродом, и при этом каждый электрод соединен с соответствующей задней стенкой отделения с помощью параллельных перемычек. Электроды, таким образом, разделены упомянутыми перемычками на несколько секций.
Хлорщелочные электролизеры одноэлементной типовой конструкции хорошо известны из предшествующего уровня техники и широко использовались для разнообразных промышленных применений. Электролизеры такого рода, например, заявлены в документах DE 198 16 334 A1, DE 44 14 146 A1 или EP 0 095 039 A1.
Как описано в документах DE 10 2005 003527 A1 или DE 10 2005 0065555 A1, были сделаны попытки разместить два электрода как можно ближе к плоскопараллельной конфигурации со значительно более узкими полями допусков. Стало очевидно, что имелись границы для упомянутого плоскопараллельного размещения с точки зрения уменьшенной толщины, требуемой для электродных листов. В том случае, когда электроды размещены с противоположным отклонением от параллели, неизбежны локальные пики напряжения, что ухудшает эффективность устройства. Очевидно, как сумма многократных маленьких отклонений постоянно ведет к неблагоприятным экономическим показателям.
Очень узкий электродный зазор вызывает дополнительные проблемы, заключающиеся в появлении газа на периферии анода, как подробно описано в документе DЕ 10 2005 006555 A1. Образование газа вызывает забивание пространства между электродом и мембраной таким образом, что ухудшается восстановление электролита. В этом конкретном случае были разработаны профили для высокопроизводительных электродов, снабженные адекватными микроструктурами, которые, тем не менее, не решают проблему очень строгих производственных допусков, требуемых с макроскопической точки зрения.
Задачей изобретения является преодоление ограничений, существовавших в предшествующем уровне техники, в частности, создание экономически выгодного электролизера, предназначенного для снижения потерь напряжения, являющихся следствием конструкционных допусков. Эта и другие цели будут разъяснены с помощью нижеследующего описания, которое не предназначено ограничивать изобретение, объем которого определен исключительно приложенной формулой изобретения.
Задачи изобретения достигнуты с помощью электролизера, как он описан в п.1 формулы изобретения. Электролизер согласно настоящему изобретению содержит анодное отделение и катодное отделение, при этом каждое отделение ограничено задней стенкой, снабженной периферийным кольцом и периферийным фланцем, и в каждом размещен электрод, а именно, анод размещен в анодном отделении, а катод размещен в катодном отделении. Оба электрода выполнены с многочисленными отверстиями и соединены с помощью параллельных перемычек с соответствующей задней стенкой отделения, за счет этого происходит разделение электродов и соответствующего им заднего пространства на несколько секций. Согласно настоящему изобретению каждая секция, по меньшей мере, одного из двух электродов имеет изогнутый участок, выступающий из основной плоскости электрода по направлению к противоположному электроду, относящемуся к макроструктуре каждой секции электрода. За счет этого может иметь место экстенсивное сжатие мембраны между двумя электродами.
В соответствии с настоящим изобретением под термином «изогнутый участок» понимают относящийся к макроскопическому формированию или профилированию целого участка, в противоположность к технологии по предшествующему уровню техники, при которой форма электрода может иметь деформации в микроскопическом диапазоне, например, как описано в DE10 2005 006555 А1. В качестве основной плоскости электрода принимают в данном случае идеальную плоскость, параллельную задней стенке и содержащую точки поверхности электрода, размещенной на минимальном расстоянии от нее.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения изогнутые участки электрода расположены таким образом, чтобы прижимать промежуточную мембрану к противоположному электроду поперек широкого пространства, находящегося с двух сторон от линии вершины изогнутого участка, причем ширина прижатой области поверхности составляет, по меньшей мере, 20% от ширины соответствующей секции. На удивление было обнаружено, что разнесение в пространстве электродов на некоторое расстояние друг от друга не является больше необходимым, если давление поверхности контакта ограничено таким образом, что предотвращено повреждение мембраны. За счет отделения давления контакта мембраны между электродами от сжимающей силы, приложенной через перемычки поперек параллельных отдельных ячеек, можно полностью отказаться от хорошо известной плоскопараллельной конструкции электрода.
В предпочтительном варианте осуществления электролитической ячейки согласно настоящему изобретению, по меньшей мере, один электрод выполнен со множеством изогнутых участков, параллельных друг другу и выступающих в одном и том же направлении, число которых соответствует числу секций. Изогнутые участки, упомянутые в этом контексте, должны покрывать, по меньшей мере, 90% всей высоты электрода, более предпочтительно всю высоту электрода.
В одном варианте осуществления изобретения изогнутые участки электрода образуют линии вершины, выступая примерно от 0,4 до 10 мм из основной плоскости электрода в несобранном состоянии.
Согласно одному варианту осуществления изобретения форму изогнутых участков электрода получают с помощью, по меньшей мере, одной пружины, размещенной таким образом, что ее сила приложена к задней стороне электрода. Под задней стороной в данном случае понимают сторону электрода, противоположную стороне, обращенной к мембране.
В одном варианте осуществления изобретения множество двуплечих пружин, по возможности состоящих из U-образных или V-образных пружин, размещено в области перемычек. Пружины установлены таким образом, что два плеча размещены на противоположных сторонах одной перемычки, вследствие этого воздействуя на соответствующий электрод таким образом, что каждая секция электрода изогнута в направлении противоположного электрода. Таким образом, сам электрод проявляет свойства пружины, аналогичные свойствам плоской пружины. Такая конфигурация представляет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что отдельные плечи пружины, к которым прикреплен электрод, могут претерпевать боковое смещение, даже когда давление контакта заставляет продольные кромки электрода двигаться к внешней стороне.
В другом варианте осуществления изобретения одна или несколько пружин оказывают давление в центре задней стороны электрода, таким образом, изгибая каждую секцию в направлении противоположного электрода. Подходящей конструкцией в таком случае является, например, плоская пружина или L-образная пружина, закрепленная между двумя перемычками или между каркасом кольца и перемычкой.
В другом варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, один элемент распределения нагрузки размещен в соответствующей секции на задней стороне соответствующего электрода, который должен быть изогнут, причем упомянутый элемент имеет форму стержня или рельса и расположен параллельно перемычкам в центре соответствующей секции, с одной или несколькими пружинами, оказывающими на него давление. Преимущество этой конструкции заключается в том, что подобные распределительные элементы могут быть усовершенствованы в большинстве электролизеров по предшествующему уровню техники без существенного изменения. Предпочтительно, по меньшей мере, часть элементов распределения нагрузки выполнены, по меньшей мере, частично из непроводящих пластмасс. Пружины предпочтительно имеют такой открытый профиль, что они вызывают насколько это возможно малую вертикальную циркуляцию электролита.
В другом варианте осуществления изобретения электрод не состоит из одной детали, но он разделен на множество отдельных электродных сегментов, закрепленных с помощью пружин, а не с помощью перемычек. Перемычки в данном случае используются всего лишь для передачи нагрузки сжатия через электролитические ячейки, размещенные параллельно.
Далее предпочтительные варианты осуществления электролитической ячейки согласно настоящему изобретению описаны со ссылками на приложенные чертежи.
На чертежах:
на фиг.1 показан первый вариант осуществления электролитической ячейки согласно настоящему изобретению,
на фиг.2 показан вариант ячейки по фиг.1,
на фиг.3 показан график результатов тестирования ячейки по фиг.1,
на фиг.4 показан дополнительный вариант осуществления электролитической ячейки согласно настоящему изобретению,
на фиг.5 показан вариант ячейки по фиг.4.
На фиг.1 показан первый вариант осуществления ячейки согласно настоящему изобретению. На разрезе электролитической ячейки (1) показаны задняя стенка (2) катодного отделения, снабженная перемычками (6) для закрепления катода (3). Анодное отделение имеет похожую конструкцию: множество перемычек (7), прикрепленных к соответствующей задней стенке (5), используются для закрепления анода (4). Мембрана (10) размещена между двумя электродами, катодом (3) и анодом (4). Перемычки (6) и (7) также обеспечивают соответствующую передачу силы сжатия после того, как несколько из подобных электролитических ячеек собраны параллельно, установлены на раме, не показанной на чертеже, и приведены в электрический контакт друг с другом.
На фиг.1 показано, как перемычки (6) и (7) разделяют соответствующее отделение и соответствующий электрод на секции (8) и (9). Как упоминалось выше, настоящий вариант осуществления электролитической ячейки согласно настоящему изобретению показывает один из электродов, в данном случае анод (4), уже предварительно выполненный в изогнутом виде во время процесса производства. В собранном виде, показанном на чертеже, анод (4) прижимает мембрану (10) к катоду (3), на котором ширина (11) прижатой области указана скобкой. Электрод прижат подобным образом в каждой параллельной секции (9).
Также показано, что распорки (12) установлены в области между противоположными перемычками (6) и (7), как известно в предшествующем уровне техники, чтобы ограничить степень деформации анода (4) во время сборки.
На фиг.2 показан вид в разрезе типичной электролитической ячейки (10), в которой анод (4) изогнут до такой степени, чтобы предотвратить механическое прижатие мембраны (10) к катоду (3) после установки. Положение линии вершины на уровне горизонтального разреза чертежа и перпендикулярно к нему указано штрихпунктирной линией (13). С целью более легкого понимания чертежа противоположная секция катодного отделения, по существу эквивалентного отделению, показанному на фиг.1, в данном случае не показана.
Электролитическая ячейка типа, показанного на фиг.1, была подвергнута серии тестов и исследований, и было проведено ее сравнение с ячейкой согласно предшествующему уровню техники. Две ячейки были идентичными со стороны катода, при этом катоды по существу состояли из плоских листов растянутого металла. Аноды электролитической ячейки согласно настоящему изобретению и аноды сравнительной ячейки по предшествующему уровню техники обычно состояли из листовой конструкции. Ячейка согласно настоящему изобретению была снабжена анодным устройством показанного на фиг.1 типа, причем анод изогнут по направлению к катоду таким образом, что широкая область мембраны была зажата между анодом и катодом. Ток плотностью 5 кА/м2 (ka/m2) был приложен к обеим ячейкам. На фиг.3 показан график с результатами теста в течение 45 дней работы. Электролитическая ячейка согласно настоящему изобретению показала напряжение в ячейке около 0,05 В (V), ниже, чем напряжение сравнительной ячейки в течение всего периода тестирования.
На фиг.4 показан дополнительный вариант осуществления электролитической ячейки согласно настоящему изобретению. В частности, на фиг.4 показан вид горизонтального разреза катодного отделения (21) электролитической ячейки (20), содержащей заднюю стенку (22), периферийное кольцо или боковую стенку (23) и соседний периферийный фланец (24). Перемычки (25), которые передают нагрузку сжатия через отдельные ячейки, расположенные параллельно во время работы, делят отделение на вертикальные секции (26). Анодное отделение, не показанное на чертеже, может иметь по существу эквивалентную конструкцию. Катодный сегмент (29) закреплен пружиной (27) U-типа и пружиной (28) Z-типа. Пружина (28) Z-типа размещена всего лишь вдоль боковой стенки (23), тогда как катодные сегменты (29) прикреплены к двум идентичным пружинам (27) U-типа внутри катодного отделения. Катодное отделение показано в состоянии перед сборкой и ясно иллюстрирует максимальный изгиб катодного сегмента (29). Пунктирная линия (30) указывает нулевое положение в отсутствие изгиба, тогда как пунктирная линия (31) указывает высоту линии вершины с расстоянием (32) от нулевого положения (30).
На фиг.5 показан вид в разрезе другого варианта осуществления электролитической ячейки (20) согласно настоящему изобретению. Катодное отделение является таким же, что и в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.4, но катодные сегменты (29), прикрепленные к двум соседним перемычкам (25), изогнуты с помощью пружины (33), размещенной в центре секции (26). Пружина (33) в этом случае изображена как спиральная пружина (33), но могут быть выполнены и другие эквивалентные решения, как это понятно специалистам в данной области техники. Спиральная пружина (33) зажата между нижней подушкой (прокладкой) (34) и верхней подушкой (прокладкой) (35), чтобы обеспечить единообразную передачу усилий.
Предшествующее описание не ограничивает изобретение, которое может быть осуществлено на практике согласно различным вариантам осуществления изобретения, не выходя за рамки изобретения, и объем которого определен только приложенной формулой изобретения.
Используемый в описании и формуле изобретения термин «содержат» и его вариации, такие как «содержащий» и «содержит», не предназначен для того, чтобы исключать наличие других элементов или дополнительных элементов.
Обсуждение документов, действий, материалов, деталей и т.п. включено в описание только с целью создать контекст настоящего изобретения. Не подразумевается или не утверждается, что любой или все эти вопросы составляют основу предшествующего уровня техники или были общим знанием в области, относящейся к настоящему изобретению, до даты приоритета каждого пункта формулы изобретения.
1. Электролитическая ячейка одноэлементного типа для хлорщелочного электролиза, содержащая анодное отделение и катодное отделение, каждое ограничено задней стенкой, причем каждое из двух отделений имеет соответствующий электрод, размещенный в нем, и представляющий собой анод, расположенный в указанном анодном отделении, и катод, расположенный в упомянутом катодном отделении, при этом каждый из упомянутых электродов соединен с задней стенкой соответствующего отделения с помощью параллельных перемычек, причем упомянутые перемычки разделяют соответствующий электрод на многочисленные секции, причем указанные секции, по меньшей мере, одного из двух электродов имеют изогнутый участок, выступающий в направлении противоположного электрода,
причем профиль упомянутых изогнутых участков упомянутого, по меньшей мере, одного электрода образует линию вершины, и упомянутые изогнутые участки размещены таким образом, чтобы прижимать область мембраны, расположенной с двух сторон упомянутой линии вершины, к противоположному электроду, причем ширина указанной прижатой области составляет, по меньшей мере, 20% ширины указанных секций.
2. Электрод для установки в электролитической ячейке по п.1, содержащий множество изогнутых участков, параллельных друг другу и выступающих в одном и том же направлении.
3. Электрод по п.2, в котором число упомянутых изогнутых участков совпадает с общим числом секций соответствующего отделения ячейки.
4. Электрод по любому из пп.2 или 3, в котором упомянутые изогнутые участки покрывают, по меньшей мере, 90% всей высоты электрода.
5. Электрод по п.2, в котором линии вершины упомянутых изогнутых участков выступают примерно от 0,4 до 1,0 мм из основной плоскости электрода в несобранном состоянии.
6. Электролитическая ячейка по п.1, в которой изогнутая форма упомянутого изогнутого участка получена посредством, по меньшей мере, одной пружины, воздействующей на заднюю сторону электрода.
7. Электролитическая ячейка по п.6, в которой упомянутая, по меньшей мере, одна пружина выполнена с двумя плечами, причем упомянутые два плеча расположены на противоположных сторонах одной из указанных параллельных перемычек.
8. Электролитическая ячейка по п.7, в которой упомянутая пружина является U-образной или V-образной пружиной.
9. Электролитическая ячейка по п.6, в которой упомянутая, по меньшей мере, одна пружина оказывает давление в центре, по меньшей мере, одной из указанных электродных секций.
10. Электролитическая ячейка по п.9, в которой упомянутые пружины являются листовыми пружинами или L-образными пружинами, зажатыми между двумя из упомянутых параллельных перемычек или между периферийным кольцом и одной из указанных параллельных перемычек.
11. Электролитическая ячейка по любому из пп.6-10, в которой, по меньшей мере, один элемент распределения нагрузки размещен в каждой из упомянутых секций электрода, причем упомянутый элемент имеет форму стержня или рельса и расположен параллельно перемычкам в центре соответствующей секции электрода с, по меньшей мере, одной пружиной, оказывающей на него давление.
12. Электролитическая ячейка по п.11, в которой упомянутый, по меньшей мере, один элемент распределения нагрузки является, по меньшей мере, частично выполненным из непроводящего ток материала.
13. Электролитическая ячейка по п.6, в которой упомянутая пружина открыта к вертикальному потоку электролита.
14. Электролитическая ячейка по п.6, в которой упомянутый, по меньшей мере, один электрод состоит из множества отдельных сегментов, закрепленных с помощью пружин и не прикрепленных к упомянутым параллельным перемычкам.
15. Электролитическая ячейка по п.14, в которой один из упомянутых электродных сегментов размещен в каждой из упомянутых секций электрода.
