FI67575C - Elektrolysapparat foer framstaellning av klor ur vattenhaltigaalkalihalogenidvattenloesningar - Google Patents

Description

E5Fn M (11)»UULUTUSjULKAI$U /nrnr l J 1 ; utlAggningsskrift o/o/d ^ T ^ (51) K*.lk?/lM.a.3 C 25 B 9/00, 1/46 SUOMI—FINLAND pi) 800730 (22) Hskamtapilvt —AmMcningKbg 10.03.80 (23) ANrapttvi—GlltlfH«t»d*f 10.03.80 (41) TuHuC (ulklMfcxl — Uhrit aff«ncN( 13.09.80

Pfetantti- ja rekisterihallitus (44) NitaMlaliMiion (· kiniL|ulkalMi pvm. —

Patent' och registeratyralaan ' AmUan ut»»fd od« iitUkrtftwi pubNcararf ->1 ·11 ·04 (32)(33)(31) p)nr<,«**r «*>»οΐΐι«ι» —priork«c 12.03.79

Saksan Li i ttotasava1 ta-Förbunds repub 1i ken Tyskland(DE) P 2909640.0 (71) Hoechst Aktiengesel1schaft, Postfach 80 03 20, 6230 Frankfurt (Main) 80, Saksan Liittotasavalta-Förbundsrepubliken Tyskland(DE) (72) Dieter Bergner, Kelkhein (Taunus), Kurt Hannesen, Kelkheim (Taunus), Wilfried Schulte, Hofheim am Taunus, Peter Steinmetz, Kelkheim (Taunus), Saksan Liittotasavalta-Förbundsrepubliken Tyskland(DE) (74) Oy Kolster Ab (54) E1ektrolyysilaite kloorin valmistamiseksi a 1 ka 1ihalogenidivesi1iuoksesta - Elektrolysapparat för framstä11 ning av klor ur vattenha11iga alkali-ha 1ogen i dvatten 1ösn i nga r Tämän keksinnön kohteena on elektrolyysilaite kloorin tuottamiseksi alkalihalogenidivesiliuoksesta, jossa anodi- ja katoditi-la on erotettu toisistaan väliseinällä, esimerkiksi diafragmalla tai ioninvaihtokalvolla.

Julkaisussa DT-OS 25 38 414 kuvataan elektrolyysikenno, joka on käyttökelpoinen yhtenä elementtinä, mutta sopivassa laitteistossa kootaan moninkertaiseksi elektrolyysikennoksi. Tämän elektro-lyysilaitteen elementille on tunnusomaista, että kotelo muodostuu kahdesta puolikuoresta, elektrodit on sähköä johtavilla pulteilla liitetty puolikuoriin, jolloin pultit ulottuvat läpi puolikuorien seinän ja niiden ulosulottuvalla otsapinnalla on virtajohteet ja laitteet virtajohteiden, puolikuorien, elektrodien ja väliseinän yhteenpuristamiseksi ja väliseinä on sijoitettu sähköisesti eristävien välikappaleiden väliin, jotka on sijoitettu pulttien jatkeelle elektrolyyttisesti aktiiviselle puolelle elektrodeja ja tiivis-tyselementtien avulla puristettu puolikuorien reunojen väliin.

il- 67575

Tunnetuissa monikerta-elektrolyysikennoissa on koteloissa aukot, joiden lävitse virtajohteet viedään elektrodeihin, mikä on epäkohta, koska näissä läpivientikohdissa voi esiintyä vuotoja, jotka voidaan poistaa vain ottamalla koko elektrolyysilaite pois käytöstä ja vaihtamalla epätiivis eiemenetti.

Toisena epäkohtana on se, että elementti, joka taloudellisista syistä on rakennettu käyttäen ohuita teräs- ja titaanilevyjä, taipuu kennossa olevan nestepatsaan hydrostaattisesta paineesta ja nämä kennot sen vuoksi ovat vaikeasti poistettavissa elektrolyytti-laitteesta nesteellä täytetyssä tilassa.

Edelleen on tunnetuissa monikerta-elektrolyysikennoissa se epäkohta, että sekä elektrolyysiliuoksen sisäänvientijohtojen että myös tuotteiden ulosvientijohtojen kautta voi virrata huomattavia sähkövirtaosia ryömimis- tai vuotovirtoina. Tämä voi johtaa korroo-siovahinkoihin metallista valmistetuissa osissa.

Sen vuoksi oli ratkaistava tehtävä luoda elektrolyysilaite, jossa ei ole edellä mainittuja epäkohtia. Tämän lisäksi oli olemassa tehtävä rakentaa elektrolyysilaite yksittäisistä elektrolyysi-kennoista siten, että yksityisten kennojen tiiviyttä, sähkökosket-timien tilaa ja virran jakaantumista ilman muuta voidaan valvoa.

Korjaustapauksissa tulee vialliset kennot täytetyssä tilassa voida helposti poistaa tai vaihtaa ilman että tällöin on tarpeen koko elektrolyysilaitteen osiin hajottaminen ja käytön pitkäaikainen keskeyttäminen .

Nämä tehtävät ratkaistaan keksinnön mukaisesti elektrolyysi-laitteella kloorin valmistamiseksi alkalihalogenidivesiliuoksesta, jossa laitteessa on ainakin yksi elektrolyysikenno, jonka anodi ja katodi on erotettu toisistaan väliseinällä kotelossa, joka on kahdesta puolikuoresta yhdistetty, jolloin kotelo on varustettu laitteilla elektrolyysin lähtöaineen sisäänviemiseksi ja elektrolyysin tuotteiden ulosjohtamiseksi ja väliseinä tiivistyselementtien avulla on puristettu puolikuorien reunojen väliin ja pidetään kulloinkin elektrodeihin ulottuvien, sähköä johtamattomien voimansiirto-elementtien välissä ja jolle laitteelle on tunnusomaista, että elektrodit välikappaleilla, jotka on kiinnitetty puolikuorien sisä-sivuihin, ja reunoillaan on mekaanisesti ja sähköäjohtavasti kiinnitetty puolikuoriin.

3 67575

Elektrolyysikennojen puolikuoret voivat olla varustetut jäy-kisteillä ja ainakin toisessa elektrolyysikennon puolikuorista voi sen ulkosivulla ja voimansiirtoelementtien ja välikappaleiden jatkeella olla sähköä johtavat voimansiirtoelementit. Ryömintävirto-jen välttämiseksi voi elektrolyysin lähtöaineiden sisäänviemiseksi ja/tai elektrolyysin tuotteiden ulosjohtamiseksi puolikuorten sisäpuolelle olla sijoitettu ainakin yksi pystysuuntaan kulkeva ja lähellä reunaa puolikuorten läpiulottuva putki sähköä johtamattomasta aineesta. Katodit voivat olla rautaa, kobolttia, nikkeliä tai kromia tai jotakin näiden seosta ja anodit voivat olla titaania, niobia tai tantaalia tai näiden metallien jotakin seosta taikka metallike-raamista tai oksidikeraamista ainetta. Tämän lisäksi voidaan anodit varustaa sähköä johtavalla katalyyttisesti vaikuttavalla päällysteellä, joka sisältää metalleja tai yhdisteitä platinametalliryh-mästä. Elektrodien muodolla, jotka ovat reiällistä ainetta, kuten reikälevyjä, verkkometallia tai koostuvat ohuista pyörösauvoista ja niiden sijoituksella elektrolyysikennoon voidaan elektrolyysissä muodostetut kaasut helposti päästää elektrodien takana olevaan tilaan. Tällä kaasun poistolla elektrodivälistä saavutetaan kaasukup-lavastuksen pieneneminen elektrodien välissä ja siten kennojännit-teen aleneminen.

Katodinpuoleiset puolikuoret voivat olla rautaa tai rauta-seosta. Siinä tapauksessa, että katodit ja katodinpuoleiset puoli-kuoret on hitsattava kiinni toisiinsa, ovat ne mikäli mahdollista samaa ainetta, edullisesti terästä. Anodinpuoleiset puolikuoret täytyy tehdä klooria kestävästä aineesta, kuten titaanista, niobista tai tantaalista tai näiden metallien seoksesta taikka metallikeraa-misesta tai oksidikeraamisesta aineesta. Siinä tapauksessa, että puolikuoret ja anodit on hitsattava kiinni toisiinsa, valitaan molemmille osille sama raaka-aine, edullisesti titaani. Puolikuoret ja elektrodit voidaan kuitenkin myös ruuveilla kiinnittää toisiinsa. Tässä tapauksessa voivat puolikuoret ja elektrodit myös olla erilaisista aineista.

Väliseinänä tulevat kysymykseen alkalikloridielektrolyysissä tavalliset diafragmat tai ioninvaihtokalvot. Ioninvaihtokalvot ovat olennaisesti kopolymerisaattia tetrafluorieteenistä ja perfluori-vinyyliyhdisteistä, kuten 4 67575 CF2=CF2-0-CF2-CF(CF3)-0-CF2-CF2-S03H tai CF2=CF2-0-CF2~CF(CF3)-0-CF2~CF2-C00H.

Samoin on käytössä kalvoja, joissa ioninvaihtoryhminä on sulfoniamidiryhmiä (-SO^NHR). Tällaisten ioninvaihtajien ekviva-lenttipainot sijaitsevat välillä 800 - 1 600, edullisesti välillä 1 100 - 1 500. Mekaanisen lujuuden lisäämiseksi on ioninvaihtokalvo useimmiten vahvistettu polytetrafluorieteeniä olevalla tukikudok-sella.

Ioninvaihtokalvot estävät, kuten asbestidiafragmatkin vedyn ja kloorin sekoittumisen, mutta selektiivisen läpäisevyytensä vuoksi sallivat alkalimetalli-ionien läpikulun katoditilaan. Ne estävät myös pitkälti halogenidin siirtymisen katoditilaan ja hydroksyyli-ionien läpikulun anoditilaan. Täten saadaan käytännöllisesti katsoen suolaton emäsliuos, jotavastoin diafragmakennojen katalyyteistä suola on poistettava kalliilla menetelmällä. Tämän lisäksi tulee se, että toisin kuin asbestidiafragmat ioninvaihtokalvot edustavat mittastabiileja väliseiniä, jotka myös ovat kestävämpiä alkalihalo-genidielektrolyysin aggressiivisia aineita vastaan ja siten niillä on pitempiä elinikä kuin asbestidiafragmoilla.

Elektrolyysilaite voi muodostua yhdestä elektrolyysikennosta, mutta myös useista peräkkäinkytketyistä kennoista, jolloin viereisten kennojen sähkökosketus tapahtuu suoraan toisiaan koskettavien puolikuorien kautta taikka sähköä johtavien voimansiirtoelementtien kautta.

Seuraavassa selitetään esimerkkejä keksinnön mukaisesta elektrolyysilaitteesta oheisiin piirustuksiin liittyen.

Kuvio 1 esittää leikkausta elektrolyysikennosta ja kuvio 2 leikkausta kahdesta vierekkäisestä elektrolyysikennosta.

Kuvio 3 esittää puolikuorta sivusta katsottuna.

Kuvio 4 esittää leikkausta IV-IV kuviossa 3.

Kuviot 5 ja 6 esittävät mahdollisuuksia kaasujen ja nesteiden viemiseksi ja poistamiseksi elektrolyysikennoon ja -kennosta.

Kuviot 7 ja 8 esittävät kahta mahdollisuutta keksinnön mukaisten elektrolyysikennojen sähköiseksi kytkennaksi.

Elektrolyysikennon kotelo muodostuu anodinpuoleisesta ja katodinpuoleisesta puolikuoresta. Anodinpuoleinen puolikuori 1 muodostetaan levystä ja siinä on irrallinen laippa 2, kun taas katodin-

II

5 67575 puoleinen puolikuori muodostuu seinästä 9, joka on varustettu kiinteällä laipalla 10. On itsestään selvää, että myös anodinpuoleises-sa puolikuoressa voi olla kiinteä laippa tai katodinpuoleisessa puo-likuoressa voi olla irtonainen laippa. Tiivistyselementtien 12 väliin on jännitetty väliseinä 7. Elektrodit 4 ja 8 on välikappaleiden (esim. pulttien) 5 kautta kiinteästi liitetty puolikuoriin 1 ja 9. Elektrolyysivirran vieminen anodille ja katodille tapahtuu joko suoraan kosketuksella viereisen elektrolyysikennon puolikuoren seinään taikka voimansiirtoelementin (esim. pultin) 3 kautta, joka esim. ruuveilla 11 on kiinteästi kiinnitetty puolikuoreen 1. Levyjen 6 tehtävänä on voimansiirto virranvientiä varten. Levyn paksuuden valinnalla voidaan asetella elektrodiväli sekä myös elektrodien etäisyys väliseinästä. Puolikuorien jäykistämiseksi on nämä varustettu vaotuksella 13a.

Näiden jäykisteiden kaksi suoritusmuotoa 13a ja 13b on esitetty kuvioissa 2, 3, 4 ja 6. Samanlaiset tai muunlaiset jäykisteet on sijoitettu myös katodinpuoleiseen puolikuoreen.

Kuviossa 4 on edelleen esitetty elektrolyyttiliuosten pois-johtamisputki 14 liittyneenä vaotukseen 13b. Putken kiinnitys tapahtuu sangolla 18.

Kuvio 5 esittää elektrolyyttien viemistä kennoon putkinysällä 15, joka on kiinteästi kiinnitetty puolikuoreen. Järjestely pätee myös kiinteälaippaiseen puolikuoreen 9.

Kuviossa 6 esitetään elektrolyyttien poistajohtaminen. Pitkä, eristävästä aineesta valmistettu putki 14 johtaa elektrolyytti-liuoksen ja elektrolyysikaasut pois kennosta ja kennon sisälle sijoitetun putkiosan pituudella se vähentää ryömintävirtoja. Se työnnetään putkinysien 16 lävitse kennoon. Ylimenokappale 17 mahdollistaa siirtymisen liittyvän letkujohtoon (ei esitetty). Kuviossa 6 esitettyä putkiliitäntää voidaan tässä muodossa tietysti käyttää myös elektrolyyttien sisäänviemiseen.

Kuten kuvio 2 esittää, voidaan useammilla elektrolyysiken-noilla varustetuissa elektrolyysilaitteissa viereisten kennojen anodi ja katodi sähköisesti yhdistää toisiinsa sähköä johtavaa ainetta olevilla voimansiirtoelementeillä 3. Tällöin edustaa laitelma kaksinapaista (bipolar) elektrolyysilaitetta. Tällaisten kennojen sarjakytkentä antaa suuria jännitteitä ja suhteellisen pieniä virtoja. Tämän johdosta on sarjakytkennän etuna parempi tasasuuntaaja- L ......

6 67575 elementtien kapasiteetin hyväksikäyttö, vähäisempi kuparinkäyttö ja pienemmät jännitehäviöt virtakiskoissa. Monissa tapauksissa, erityisesti käytettäessä annettuja tasasuuntaajia suhteellisen alhaisella jännitteellä ja suurella virranvoimakkuudella, voi olla edullista ajaa kaksinapaisia elementtejä yksinapaisessa järjestelyssä, so. rinnankytkennässä. Tämä on mahdollista keksinnön mukaisilla kennoilla, edullista on kuitenkin käyttää sarjakytkentää ja rinnankytken-tää toistensa ohella. Sarjaankytkettyjen kennojen, jotka puolestaan on kytketty rinnan, sopivalla valinnalla voidaan saavuttaa jokainen haluttu virta/jännite-kombinaatio.

Tämän selventämiseksi viittaamme kuvioon 7, jossa on esitetty elektrolyysilaitteen 32 elementtiä 20 sarjaan kytkettynä. Tasasuuntaajassa 19 on kunkin elementin 20 jännitehäviön ollessa 4 V jännite 218 V, kun virranvoimakkuus on 8 kA.

Jos sen sijaan kuvion 8 mukaisesti kytketään elektrolyysi-laitteen kennot 20 rinnan, niin on tasasuuntaajassa 19 jännite 4 V, kun samalla virrantiheydellä kuin kuvion 7 tapauksessa kokonaisvir-ta on 256 kA. Alan ammattimiehelle on ilman muuta selvää, miten vaihtelemalla elementtien lukumäärää elektrolyysilaitetta koden ja yh-teenkytkettyjen elektrolyysilaitteiden lukumäärää voidaan saavuttaa jokainen haluttu virta/jännite-suhde.

Claims (9)

67575

1. Elektrolyysilaite kloorin valmistamiseksi alkalihaloge-nidivesiliuoksista, jossa laitteessa on ainakin yksi elektrolyysi-kenno, jonka anodi ja katodi on väliseinällä erotettu toisistaan kahden puolikuoren muodostamassa kotelossa, jolloin kotelo on varustettu laitteilla elektrolyysin lähtöaineiden sisäänviemiseksi ja elektrolyysituotteiden poisjohtamiseksi ja väliseinä tiivistys-elementtien avulla on kiinnipuristettu puolikuorten reunojen väliin ja pidetään elektrodeihin saakka ulottuvien, sähköä johtamatonta ainetta olevien voimansiirtoelementtien välissä, tunnettu siitä, että elektrodit (4, 8) välikappaleilla (5), jotka on kiinnitetty puolikuorien (1, 9) sisäpintaan ja reunoillaan on mekaanisesti ja sähköä johtavasti kiinnitetty puolikuoriin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysilaite, tunnettu siitä, että elektrolyysikennojen puolikuoret (1, 9) on varustettu jäykisteillä (13a, 13b).

3. Patenttivaatimusten 1 ja 2 mukainen elektrolyysilaite, tunnettu siitä, että elektrolyysin lähtöaineiden sisäänvie-mistä ja/tai elektrolyysituotteiden poisjohtamista varten puoli-kuorten (1, 9) sisään on sijoitettu ainakin yksi pystysuuntaan kulkeva ja reunan läheisyydessä puolikuoren läpi ulottuva putki (14) sähköä johtamatonta ainetta.

4. Patenttivaatimusten 1 ja 2 mukainen elektrolyysilaite, tunnettu siitä, että elektrolyysikennon ainakin toisessa puolikuoressa (1, 9) on sen ulkopuolella oleva ja voimansiirtoele-mentin (6) ja välikappaleen (5) jatkeena oleva sähköä johtava voi-mansiirtoelementti (3).

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysilaite, tunnettu siitä, että katodit ovat rautaa, kobolttia, nikkeliä tai kromia taikka näiden seoksia.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysilaite, tunnettu siitä, anodit ovat titaania, niobia, tantaalia tai näiden metallien seoksia taikka metallikeraamista tai oksidikeraa-mista ainetta ja varustettu sähkönjohtokykyisellä, sähkökatalyytti-sesti vaikuttavalla päällysteellä, joka sisältää metallia tai yhdisteitä platinaryhmän metalleista. 8 67575

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysilaite, tunnettu siitä, että anodipuolten puolikuoret ovat klooria kestävää metallia, kuten titaania, niobia, tantaalia tai näiden metallien seosta.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysilaite, tunnettu siitä, että katodipuolten puolikuoret ovat rautaa, kobolttia, nikkeliä, kromia tai jotakin näiden seosta.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysilaite, tunnettu siitä, että väliseininä käytetään ioninvaihtokalvoja. o . .v 67575 9