ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА С УВЕЛИЧЕННОЙ АКТИВНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ МЕМБРАНЫ
ELECTROLYTIC CELL WITH ENLARGED ACTIVE SURFACE OF MEMBRANE

[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%.
2
2
2
[0024] Таким путем было получено повышение активной поверхности мембраны на примерно 0,08 м (с 2,72 м до 2,80 м). Следовательно, плотность тока уменьшилась на 2.9%.
2
2
2
[0025] Таким образом, рабочее напряжение электролитической ячейки, оборудованной стандартной мембраной большой нагрузки N982, обладающей коэффициентом k, равным 80 мВ/(кА/м), уменьшается на 2,3 мВ/(кА/м), что приводит к снижению напряжения на 14 мВ при плотности тока 6 кА/м. 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.