IT8922868A1 - Elettrolizzatore per la produzione di un gas, comprendente un impilamento di quadri verticali - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
L?invenzione concerne un eiettrolizzatore del tipo filtro-pressa, per la produzione elettrolitica di un gas.
Gli elettrolizzatori del tipo filtro-pressa sono generalmente formati da un impilamento di quadri verticali che delimitano delle camere di elettrolisi alternativamente anodiche e catodiche, nelle quali degli elettrodi sono disposti verticalmente. Delle membrane a permeabilit? selettiva o dei diaframmi permeabili agli elettroliti possono essere inseriti tra i quadri, per separare le camere di elettrolisi. In questi elettrolizzatori, del gas ? generato agli elettrodi e si raccoglie generalmente all'uscita delle camere di elettrolisi una emulsione di elettrolito nel gas. L'emulsione deve essere trattata in una camera di degassificazione, per separare il gas dall'elettrolito trascinato.
Nei documenti EP-A-0052 880 e EP-A-0053 807 (OLIN CORPORATION), sono descritti degli elettrolizzatori del tipo sopra definito, nei quali due camere di degassificazione sono disposte al disopra deLL'impilamento dei quadri. Una delle camere di degassificazione comunica con le camere di elettrolisi anodiche, mentre l'altra camera di degassificazione comunica con le camere di elettrolisi catodiche. La comunicazione delle camere di degassificazione con le camere di elettrolisi comprende, da una parte, degli ugelli che sboccano nella parte superiore delle camere di elettrolisi e che servono al trasferimento dell'emulsione dalle camere di elettrolisi versa la camera di degassificazione e, d'altra parte, un tubo che sbocca nella parte inferiore delle camere di elettrolisi e che serve al riciclaggio, in queste, dell'elettrolito separato dal gas. Le camere di degassificazione sono d'altra parte in comunicazione con un condotto di ammissione di elettrolito nuovo.
In questi elettrolizzatori noti, la presenza di un ugello e di un tubo separati tra ogni camera di elettrolisi e le camere di degassificazione provoca un grande ingombro e complica la costruzione.dell'elettrolizzatore L'invenzione rimedia a questo inconveniente degli elettrolizzatori noti sopra descritti, provvedendo un elettrolizzatore del tipo filtro-pressa munito di almeno una camera di degassificazione per la separazione dell'elettrolito trascinato col gas prodotto nelle camere di elettrolisi, il cui ingombro ? ridotto e la costruzione semplificata.
L'invenzione concerne di conseguenza un elettrolizzatore per la produzione di un gas, comprendente un impilamento di quadri verticali delimitanti delle camere di elettrolisi individuali giustapposte che sono alternativamente anodiche e catodiche e che contengono ciascuna almeno un elettrodo, almeno una camera di degassificazione disposta al disopra dell'impilamento e collegata a ciascuna delle camere di elettrolisi anodiche (o catodiche) tramite un ugello che sbocca nella parte superiore della camera di elettrolisi e tramite un tubo che sbocca nella camera inferiore della camera di elettrolisi, e un condotto di ammissione di elettrolito nella camera di degassificazione: secondo l'invenzione l'ugello ? disposto intorno al tubo in modo tale che la estremit? superiore dell'ugello sia al disopra della estremit? superiore del tubo, e il tubo comunica con la camera di degassificazione tramite un condotto di giunzione che attraversa la parete laterale del tubo e quella dell'ugello.
Nell*elettrolizzatore secondo l'invenzione, i quadri formano la parete laterale delle camere di elettrolisi. Essi possono avere qualsiasi profilo compatibile con la costruzione di un elettrolizzatore del tipo filtro-pressa. Essi possono avere indifferentemente un profilo circolare o poligonale, per esempio quadrato, trapezoidale o rettangolare. Essi devono essere realizzati in un materiale resistente chimicamente alle condizioni di elettrolisi.
La camera di degassificazione ? collegata all'insieme delle camere di elettrolisi anodiche (o catodiche), nelle quali un gas ? generato all'elettrodo. Essa ha per funzione di raccogliere il gas prodotto agli elettrodi, di separare l'elettrolito trascinato col gas e di riciclare questo elettrolito nelle camere di elettrolisi. La camera di degassificazione ? inoltre collegata ad un condotto di ammissione di elettrolito nuovo e serve cosi da camera di transito per l'alimentazione delle camere di elettrolisi con elettrolito nuovo. Nel caso in cui un gas ? generato in tutte le camere di elettrolisi, 1'ele11rolizzatore pu? comprendere due camere di degassificazione, l'una di queste essendo in comunicazione con le camere di elettrolisi anodiche, mentre l'altra ? collegata alle camere di elettrolisi catodiche.
La connessione della camera di degassificazione con le camere di elettrolisi comprende degli ugelli che sono in comunicazione con la parte superiore delle camere di elettrolisi e dei tubi che sono in comunicazione con la parte inferiore di dette camere. Per parte superiore della camera di elettrolisi, s'intende la met? superiore della sua altezza; per parte inferiore della camera di elettrolisi, s?intende la met? inferiore della sua altezza. Gli ugelli servono al passaggio del gas dalle camere di elettrolisi nella camera di degassificazione, mentre i tubi servono ad alimentare le camere di elettrolisi con elettrolito nuovo e a riciclare l?elettrolito separato dal gas nella camera di degassificazione .
Secondo l'invenzione, per ogni camera di elettrolisi che ? collegata alla camera di degassificazione, l'ugello ? disposto intorno al tubo e la sua estremit? o spigalo superiore ? situato ad un livello superiore a quello della estremit? superiore del tubo. Un condotto di giunzione che attraversa la parete dell'ugello e quella del tubo mette questo in comunicazione con la camera di degassificazione. Durante il funzionamento dell'elettro1izzatore , l'elettrolito si stabilisce al livello del condotto di giunzione precitato in modo che le camere di elettrolisi sono interamente riempite di elettrolita. Il gas uscente dalle camere di elettrolisi penetra nella camera di degassificazione attraverso gli ugelli, l'elettrolito che si separa dal gas all'uscita degli ugelli ricade nella camera di degassificazione dove si mescola con l'elettrolito nuovo proveniente dal condotto di ammissione, e la miscela di elettrolito passa in ogni tubo tramite il condotto di giunzione precitato ed ? cos??introdotta nelle camere di elettrolisi.
In una forma di realizzazione particolare dell?elettrolizzatore secondo l'invenzione, il condotto di giunzione tra il tubo e la camera di degassificazione ? ottenuto applicando una parte della parete del tubo contro una parte della parete dell'ugello e praticando un'apertura attraverso le pareti affiancate. Questa forma di realizzazione dell'invenzione facilita la costruzione dell'elettrolizzatore.
In una forma di realizzazione particolare dell'elettrolizzatore secondo l'invenzione, la camera di degassificazione contiene una parete divisoria orizzontale o obliqua, che ? attraversata dagli ugelli in modo da formare un deflettore sul circuito dell'elettrolito tra la uscita degli ugelli e la sua entrata nel tubo. In questa forma di realizzazione dell'invenzione, il deflettore ha per effetto di allungare il circuito dell'elettrolito nella camera di degassificazione, ci? che migliora la omogeneit? della miscela delle frazioni di elettrolito uscenti dagli ugelli.
In un'altra forma di realizzazione dell<1 >elettrolizzatore secondo l'invenzione, l'ugello sbocca in un canale delimitato all'interno di un longherone orizzontale superiore del quadro della camera di elettrolisi, e il tubo sbocca in un canale delimitato in un longherone orizzontale inferiore di detto quadro, i due canali essendo in comunicazione con la camera di elettrolisi. In una variante interessante di questa forma di realizzazione, i due canali sono collegati a mezzo di tubi verticali, situati nella camera di elettrolisi. In questa variante dell'invenzione, i tubi verticali hanno una doppia funzione. Da una parte, partecipano alla circolazione dell'elettrolito nella camera di elettrolisi; d'altra parte, costituiscano dei distanziatori che rinforzano la rigidit? della camera di elettrolisi e del-1 'elettrodo.
Nell 'elettrolizzatore secondo l'invenzione, la disposizione dell'ugello intorno al tubo riduce notevolmente l'ingombro e permette, conformemente ad una forma di rea1izzazione vantaggiosa dell'invenzione, di realizzare la camera di degassificazione sotto forma di un recipiente tubolare, disposto trasversalmente rispetto ai quadri.
L 'elettrolizzatore secondo l'invenzione conviene per qualsiasi procedimento di elettrolisi nei quali si genera un gas in una parte almeno delle camere di elettrolisi. L'invenzione si applica specialmente agli elettrolizzatori per la produzione di cloro e di soluzioni acquose di idrossido di sodio, nei quali le camere di elettrolisi anodiche sono separate dalle camere di elettrolisi catodiche da separatori ionici. I separatori ionici utilizzati negli elettrolizzatori secondo l'invenzione sono dei fogli interposti tra le camere di elettrolisi e realizzati in un materiale atto ad essere attraversato da una corrente ionica durante il funzionamento dell1elettrolizzatore. Essi possono essere indifferentemente dei diaframmi permeabili agli elettroliti acquosi o delle membrane a permeabilit? selettiva.
Degli esempi di diaframmi utilizzabili negli elettrolizzatori secondo l'invenzione sono dei diaframmi in amianto, come quelli descritti nel brevetto US-A-1855 497 (STUART) e nei brevetti FR-A-2400 569, EP-A-1644 e EP-A-18 034 (SQLVAY & Cie) e dei diaframmi in polimeri organici, come quelli descritti nei brevetti FR-A-2170 247 (IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES PLC) e nei brevetti EP-A-7 674 e EP-A-37140 (S0LUAY & Cie).
Per membrane a permeabilit? selettiva, s'intendono delle membrane sottili, non porose, comprendenti un materiale scambiatore di ioni. La scelta del materiale costituente le membrane e del materiale scambiatore di ioni dipender? dalla natura degli elettroliti sottoposti all'elettrolisi e dei prodotti che si cerca di attenere. Generalmente, il materiale delle membrane ? scelto tra quelli atti a resistere alle condizioni termiche e chimiche regnanti di solita ne ll'elettrolizzatore durante l'elettrolisi, il materiale scambiatore di ioni essendo scelto tra i materiali scambiatori di anioni o i materiali scambiatori di cationi, in funzione delle operazioni di elettrolisi alle quali ? destinato l'elettrolizzatore.
Per esempio, nel caso di eiettrolizzatori destinati all'elettrolisi di soluzioni acquose di cloruro di sodio per la produzione di cloro, di idrogeno e di soluzioni acquose di idrossido di sodio, delle membrane particolarmente adatte sono delle membrane cationiche in polimero fluorurato, di preferenza perf?uorato, contenenti dei gruppi funzionali cationici derivati da acidi solfonici, da acidi carbossilici o da acidi fosfonici o delle miscele di tali gruppi funzionali. Degli esempi di membrane di questo tipo sono quelle descritte nei brevetti GB-A-1 497 748 e G8-A-1497 749 (ASAHI KASEI KOGYO K.K.), GB-A-1 518 387, GB-A-1522 877 e US-A-4 126588 (ASAHI GLASS COMPANY LTD) e GB-A-1402 920 (DIAMOND SHAMROCK CORP.). Delle membrane particolarmente adatte a questa applicazione della cella secondo l'invenzione sono quelle note coi nomi "NAFION" (DU PONT DE NEMOURS & Co) e "FLEMION" (ASAHI GLASS COMPANY LTD).
Delle particolarit? e dettagli dell'invenzione risulteranno dalla descrizione che segue, in relazione agli uniti disegni.
La figura 1 ? una vista in elevazione, in sezione parziale, di una forma di realizzazione particolare dell'elettrolizzatore secondo l'invenzione:
la figura 2 ? una sezione verticale secondo il piano II-II in figura 1:
la figura 3 mostra un dettaglio dell'elettrolizzatore delle figure 1 e 2, in scala ingrandita e in sezione secondo il piano 111?111 delle figure 1 e 2;
la figura 4 ? una vista simile alla figura 2, di un tratto unitario di un'altra forma di realizzazione del-1 'elettrolizza tore secondo l'invenzione.
In queste figure, le stesse annotazioni di riferimento indicano degli elementi identici.
Niella descrizione che segue, l'invenzione ? specificatamente applicata agli ele11ro 1izzatori unipolari del tipo fi1tro-p ressa a membrane cationiche, per la produzione di cloro, di idrogeno e di soluzioni acquose di idrossido di sodio per elettrolisi di soluzioni acquose di cloruro di sodio.
L 'elettrolizzatore rappresentato nelle figure 1 a 3 ? formato da un impilamento di quadri verticali alternativamente anodici 1 e catodici 2. Delle membrane a permeabilit? selettiva 3 sono interposte tra i quadri 1 e 2 per delimitare delle camere di elettrolisi alternativamente anodiche 4 e catodiche 5, contenenti degli elettrodi .
I quadri 1 e 2 presentano una sezione trasversale rettangolare. Essi sono formati da due montanti verticali 6 saldati a due longheroni orizzontali 7. Nel caso dei quadri anodici 1, i montanti fi e i longheroni 7 sono in titanio, mentre nel caso dei quadri catodici 2, sono in nichel.
Gli elettrodi sono del tipo di quelli descritti nella domanda di brevetto belga 08900867 (SOLVAY 4 Cie). Essi comprendono ciascuno una coppia di lamiere verticali 8 in metallo stirato, disposte da una parte e dall'altra di diverse barre metalliche orizzontali 9. Le lamiere 8 sono saldate a dei profilati verticali 10 formati da lamierini metallici piegati ad U o a Si . I profilati 10 sono saldati alle barre orizzontali 9 e queste sono saldate ai montanti 6 dei quadri, che attraversano. Essi sono fissati insieme ad una barra di giunzione 11, destinata ad essere accoppiata ad una sorgente di corrente. Le barre 9 e i profilati 10 cooperano cos? all'accoppiamento delle lamiere 8 alla sorgente di corrente e al supporta di queste lamiere all'interno della camera di elettrolisi.
Il materiale delle lamiere 8, delle barre 9 e dei profilati verticali 10 dipende da1,1a destinazione del--1'.elettrodo. Nel caso degli anodi, le lamiere 8 sono in titanio e portano un rivestimento conduttore di elettricit?, a bassa sovratensione per l'ossidazione elettrochimica degli ioni di cloruro, le barre 9 comprendono un'anima in rame incamiciata in un involucro di titanio e i profilati verticali 10 sono in titanio. Nel caso dei catodi, le lamiere 8 sono in nichel, le barre 9 comprendono un'anima in rame incamiciata in un involuero in nichel e i profilati verticali 10 sono in nichel. L 'impilamento dei quadri 1 e 2 e delle membrane 3 ? trattenuto tra due flange d'estremit? 12, collegate da tiranti non rappresentati, delle guarnizioni 13 assicurando la tenuta.
I longheroni 7 dei quadri 1 e 2 sono cavi, in modo da delimitare dei canali interni di sezione quadrata o rettangolare, rispettivamente 14 nel caso del longherone inferiore e 15 nel caso del longherone superiore. I canali 14 e 15 comunicano con le camere di elettrolisi 4 e 5, tramite delle aperture 16 praticate nella parete dei longheroni. In ogni camera di elettrolisi 4 o 5, i due canali 14 e 15 sono inoltre collegati a mezzo di tubi verticali 27, disposti all'interna della camera di elettrolisi, tra le due lamiere 8 dell'elettrodo.
Una camera di degassificazione 17 ? disposta al disopra dell'impilamento. Essa ha la forma di un recipiente tubolare orizzontale, disposto trasversalmente rispetto ai quadri 1 e 2. La camera di degassificazione 17 comunica col canale inferiore 14 di ogni camera anodica 4 tramite un tubo verticale 18 otturato alla sua estremit? superiore e munito di un'apertura laterale 19. Essa comunica anche col canale superiore 15 tramite un ugello verticale 20. L'ugello 20 ? disposto intorno al tubo 18, in modo tale che il suo spigolo superiore aia situato ad un livello superiore a quello del-10 spigolo superiore del tubo 18.
La figura 3 mostra, in sezione trasversale orizzontale, l'assemblaggio del tubo 18 e dell'ugello 20. Il tubo 18 e l'ugello 20 hanno una sezione trasversale rettangolare e sono ottenuti per piegatura di una lamiera in titanio. L'ugello 20 ? applicato contro la faccia del tubo 18, nella quale ? praticata l'apertura 19, Una apertura 21 ? praticata attraverso la parete dell'ugello 20, di fronte all'apertura 19 del tubo 18, in modo che 11 tubo 18 comunica con la camera di degassificazione tramite le due aperture 19 e 21.
All'interna della camera di degassificazione 17, gli ugelli attraversano una parete divisoria orizzontale 22. 5otto alla parete divisoria 22, ? disposto un tubo orizzontale 23 munito di aperture 24. Il tubo 23 attraversa la parete d'estremit? della camera di degassificazione, per essere raccordato ad un condotto di ammissione (non rappresentato) di una soluzione acquosa di cloruro di sodio.
Una tubazione 25 sbocca nella parte superiore della camera di degassificazione. Essa serve ad evacuare il cloro prodotto durante l'elettrolisi.
L 'elettrolizzatore pu? comprendere una seconda camera di degassificazione (non rappresentata), simile alla camera di degassificazione 17 e collegata alle camere catodiche 5 da tubi e ugelli analoghi ai tubi 18 e agli ugelli 20.
Durante il funzionamento dell'elettrolizzatore rappresentato nelle figure 1 a 3, una soluzione acquosa di cloruro di sodio ? introdotta nella camera di degassificazione 17 attraverso il tubo 23. Quando la soluzione di cloruro di sodio nella camera di degassificazione 17 raggiunge il livello delle aperture 19 e 21, essa passa nelle camere di elettrolisi anodiche, attraverso i tubi 18, i canali inferiori 14 e le aperture 16 di questi. Del cloro ? generato sulle lamiere 8 degli anodi e passa nella camera di degassificazione risalendo attraverso l'elettrolito nelle camere 4, i canali 15 e gli ugelli 20. All'uscita degli ugelli 20, l'elettrolito trascinato col cloro si separa da questo e ricade nella camera di degassificazione, dove si mescola all'elettrolito nuovo proveniente dal tubo 23. La parete divisoria 22 realizza un deflettore che allunga il tragitto percorso dall'elettrolito separato dal cloro, ci? che garantisce una migliore omogeneit? della soluzione di cloruro di sodio introdotta nelle camere di elettrolisi anodiche 6. Il cloro separato dall'elettrolito fuoriesce dalla camera di degassificazione attraverso l'orificio 25. Attraverso una tubazione 26 in comunicazione coi canali 14, si preleva dalle camere anodiche 4, una frazione di elettrolito corrispondente alla quantit? introdotta dal tubo di ammissione 23.
Parallelamente alla produzione di cloro nelle camere anodiche 4, dell'idrogeno ? generato nelle camere catodiche 5. A tale scopo, si introduce dell'acqua o una soluzione acquosa diluita di idrossida di sodio nelle camere catodiche 5, e si estrae da queste, attraverso i canali inferiori 14, una frazione di una soluzione concentrata di idrossida di sodio, corrispondente alla quantit? di acqua o di soluzione diluita introdotta nelle camere di elettrolisi. Una soluzione acquosa concentrata di idrossido di sodio ? d'altra parte separata dall'idrogeno in una camera di degassificazione analoga alla camera 17 ed ? inviata nelle camere catodiche 5.
Ne ll'elettrolizzatore, i tubi verticali 27 svolgono una doppia funzione. Da una parte, servono a provocare una circolazione interna di elettrolito all'interno delle camere di elettrolisi; d'altra parte, essi costituiscono dei mezzi di irrigidimento tra le lamiere 8 degli elettrodi, che si appongono ad una deformazione di queste lamiere sotto l'effetto della pressione regnante nelle camere di elettrolisi. I tubi verticali 27 permettono di conseguenza di realizzare delle camere di elettrolisi molto larghe, senza timore di flessione delle lamiere 8 degli elettrodi.
In una variante di realizzazione, non rappresentata, de11 'elettrolizzatore delle Figure 1 a 3, la camera di degassificazione ? formata da un impalamento di tratti tubolari giustapposti, compressi tra due flange d'estremit?. In questa variante dell'invenzione, si pu? concepire di rendere solidale ogni tratto della camera di degassificazione con un quadro 1 dell'elettrolizzatore, in modo da realizzare un assieme unitario. La figura 4 mostra un tale assieme unitario. Esso comprende un quadro anodica 1, un tratto 17' della camera di degassificazione 17, un tratto 22' della parete divisoria 22, un tubo 18 e un ugello 20.. La coesione dell'assieme unitario ? assicurata dall'ugello 20 al quale sono saldati il quadro l e i tratti 17' e 22'.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Elettrolizzatore per la produzione di un gas, comprendente: . un impalamento di quadri verticali (1, 2), che delimitano delle camere di elettrolisi individuali giustapposte, che sono alternativamente anodiche (4) e catodiche (5) e che contengono ciascuna almeno un elettrodo (8), . almeno una camera di degassificazione (17} disposta al disopra dell'impalamento e collegata a ciascuna delle camere di elettrolisi anodiche (4) (o catodiche) da un ugello (20) che ? in comunicazione con la parte superiore della camera di elettrolisi e da un tubo (18) che ? in comunicazione con la parte inferiore della camera di elettrolisi, e . un condotto di ammissione di elettrolito (23) nella camera di degassificazione (.17), caratterizzato da ci? che l'ugello (20) ? disposto intorno al tubo (18), in modo tale che la estremit? superiore dell'ugello (20) sia al disopra della estremit? superiore del tubo (18), e il tubo (18) comunica con la camera di degassificazione (17) tramite un condotto di giunzione (19, 21) che attraversa la parete laterale del tubo (18) e quella dell'ugello (20).
- 2. Elettrolizzatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato da ci? che una parte della parete dell'ugello (20) ? applicata contro una parte della parete del tubo (18), il condotto di giunzione essendo formato da due aperture (19, 21) praticate rispettivamente attraverso le parti di pareti affiancate.
- 3. Elettrolizzatore secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizza to da ci? che la camera di degassificaziune (17) comprende un recipiente tubolare orizzontale disposto trasversalmente rispetto ai quadri (1, 2).
- 4. Elettrolizzatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, caratterizzato da ci? che la camera di degassificazione (17) contiene un deflettore comprendente una parete divisoria orizzontale o obliqua (22), attraversata dagli ugelli (20).
- 5. Elettrolizzatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 4, caratterizzato da ci? che il condut-, to di ammissione dell'elettrolito comprende un tubo (23) a parete perforata, disposto nella camera di degassificazione (17).
- 6. Elettrolizzatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 5, caratterizzato da ci? che l'ugello (20) sbocca in un canale (15) delimitato all'interno di un longherone orizzontale superiore (7) del quadro della camera di elettrolisi, e il tubo (18) sbocca in un canale (14) delimitato in un longherone orizzontale inferiore (7) di detto quadro, i due canali essendo in comunicazione con la camera di elettrolisi.
- 7. Elettrolizzatore secondo la rivendicazione 6, caratterizzato da ci? che i due canali (14, 15) sono collegati da tubi (27) situati all'interno della camera di elettrolisi.
- 8. Elettrolizzatore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato da ci? che i tubi (27) che collegano i due canali (14, 15) sono situati tra almeno una coppia di lamiere metalliche verticali perforate (8), disposte l'una di fronte all'altra e formanti almeno una parte dell'elettrodo della camera di elettrolisi.
- 9. Elettrolizzatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 8, caratterizzato da ci? che comprende due camere di degassificazione, di cui l'una ? collegata alle camere di elettrolisi anodiche (4) e l'altra ? collegata alle camere di elettrolisi catodiche (5), dei separatori ionici (3), essendo interposti tra le camere di elettrolisi (4, 5).
- 10. Elettrolizzatore secondo una qualaiasi delle rivendicazioni 1 a 9, per l'elettrolisi di soluzioni acquose di cloruro di sodio.
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