PT2006418E - Optimização da eficiência e deteção de danos nas células de eletrólise - Google Patents

Description

ΕΡ2006418Β1

DESCRIÇÃO

OPTIMIZAÇÃO DA EFICIÊNCIA E DETEÇÃO DE DANOS NAS CÉLULAS DE

ELETRÓLISE

CAMPO DA INVENÇÃO A presente descrição refere-se a métodos e sistemas de monitorização da eficiência de eletrolisadores para diagnóstico e avaliação de danos, assim como para proporcionar dados de manutenção, para melhorar a eficiência.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Os eletrolisadores são usados para realizar reações de eletrólise, que ou decompõem o composto químico nos seus elementos, ou que produzem um novo composto, através da ação da corrente elétrica. Os eletrolisadores têm um número de elétrodos, ânodos e cátodos, cada um deles separados por um separador tal como uma membrana. 0 separador é, contudo, opcional, como é conhecido da indústria do Clorato, em que o clorato de sódio ou hipoclorito de sódio são produzidos a partir de cloro e soda cáustica, por meio de eletrólise.

Outros exemplos de eletrolisadores são as células de combustível, em que a água é eletrolisada para produzir hidrogénio. A indústria do cloro-álcali também emprega eletrolisadores. Os produtos primários de reação de eletrólise num tal caso são o cloro, hidrogénio, e hidróxido de sódio. Estes compostos estão vulgarmente em solução, que 1 ΕΡ2006418Β1 é habitualmente chamada "soda cáustica" ou simplesmente "cáustica".

Existem e são conhecidos três processos principais de eletrólise: o processo de membrana, o processo de diafragma e o processo de mercúrio. As tendências correntes com as preocupações crescentes de preservação do ambiente estão a substituir as últimas familias de processos com o processo de eletrólise por membrana. As instalações de produção de cloro-álcali usam habitualmente eletrolisadores que combinam muitos elementos de células de membrana. Numa configuração bipolar, por exemplo, o processo de eletrólise tem lugar em cada célula elementar após a aplicação de uma corrente elétrica. Por diversas razões, tais como o controlo do consumo de energia do eletrolisador e para maximizar a taxa de produção, é desejável manter e tentar melhorar a eficiência do eletrolisador.

Embora seja possível medir os parâmetros ao nível da célula elementar, existe a necessidade de controlar cuidadosamente vários aspetos operacionais de cada célula elementar, para determinar a sua eficiência respetiva e para avaliar os seus danos respetivos. Existe também uma necessidade de determinar as ações de manutenção apropriadas em cada célula, com base na configuração global do eletrolisador e do seu comportamento de eficiência.

SUMÁRIO A presente descrição divulga um método e um sistema para avaliar a eficiência de produção ótima do elemento e para detetar os danos na membrana em células elementares de eletrólise, instaladas num eletrolisador bipolar, em 2 ΕΡ2006418Β1 condições reais de operação. Este método compreende a deteção de células elementares com danos na sua membrana de troca de iões, e a identificação de células com baixa eficiência de corrente. Embora se efetue um tal diagnóstico, pode conseguir-se uma eficiência de eletrólise global melhorada através do rearranjo das células no eletrolisador, para novas posições que são dependentes da estimativa de eficiência de cada célula.

De acordo com uma forma de realização é proporcionado nesta invenção um método para avaliar os danos de uma pluralidade de células de um eletrolisador, compreendendo o método: aquisição de uma voltagem para cada uma das células; comparação da voltagem com pelo menos dois níveis de voltagem limiares; classificação das células num dos seguintes tipos: células severamente danificadas, células não severamente danificadas e células não danificadas, com base na comparação da voltagem com pelo menos dois níveis de voltagem limiares; e desativação das células classificadas como severamente danificadas no eletrolisador.

De acordo com outra forma de realização, é proporcionado nesta invenção um sistema para avaliar os danos de uma pluralidade de células num eletrolisador, compreendendo o sistema: um dispositivo de aquisição da voltagem acoplado a cada uma das células no eletrolisador para aquisição de uma voltagem para cada uma das células; um módulo de avaliação dos danos acoplado ao dispositivo de aquisição da voltagem, estando o módulo de avaliação dos danos adaptado para receber a voltagem lida para cada uma das células; comparar a voltagem com pelo menos dois níveis de voltagem limiares; classificar as células como estando numa das seguintes categorias: células severamente danificadas, células não 3 ΕΡ2006418Β1 severamente danificadas e células não danificadas com base na comparação; e enviar um sinal de desativação das células classificadas como sendo células severamente danificadas.

Na presente especificação o termo célula (também referido como célula elementar) é concebido para se referir ao mais pequeno grupo de ânodos e cátodos que são ligados à mesma alimentação de corrente, e separados por uma membrana. Deve notar-se que as palavras célula e elemento são usadas indistintamente na presente invenção. As formas como os ânodos cátodos e membrana são ligados diferem de acordo com a tecnologia selecionada. Por exemplo, os elétrodos podem ser ligados em paralelo, em série ou numa combinação dos mesmos. Um eletrolisador bipolar tem uma pluralidade de células.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Figura la - é uma representação exemplificativa de uma célula de membrana de acordo com o estado da técnica;

Figura lb - é uma representação exemplificativa de um eletrolisador tendo células múltiplas de acordo com o estado da técnica;

Figura 2 - é um diagrama de blocos de um sistema para avaliação dos danos de uma pluralidade de células num eletrolisador de acordo com uma forma de realização da presente invenção;

Figura 3a - é um fluxograma de um método de avaliação dos danos de uma pluralidade de células num 4 ΕΡ2006418Β1 eletrolisador, de acordo com uma forma de realização da invenção;

Figura 3b - é um fluxograma de um método para avaliar a eficiência das células e para maximizar a eficiência global de um eletrolisador de acordo com uma forma de realização da invenção;

Figura 3c - é um fluxograma de um método para estimar a dimensão de um pequeno orifício e a sua posição numa célula que não está severamente danificada, para tomar uma ação de manutenção, ainda de acordo com uma forma de realização;

Figura 4 - é um gráfico que mostra um exemplo de como evolui a densidade corrente ao longo do tempo através de uma zona de arranque de um eletrolisador;

Figura 5 - é um gráfico que ilustra as distribuições de voltagem de células múltiplas, para uma densidade corrente de 0,2Ka/m2 de acordo com uma forma de realização;

Figura 6 - é um gráfico que ilustra as distribuições de voltagem das células da figura 5, para uma densidade de corrente de 0,5 KA/m2 de acordo com uma forma de realização;

Figura 7 - é um gráfico que ilustra as distribuições de voltagem das células como na figura 5, para uma densidade de corrente de 1,0 KA/m2 de acordo com uma forma de realização; 5 ΕΡ2006418Β1

Figura 8 - é um gráfico que ilustra as distribuições de voltagem das células como na figura 5, para uma densidade de corrente de 2,0 KA/m2 de acordo com uma forma de realização;

Figura 9 - é um gráfico que ilustra a evolução da voltagem ao longo do tempo para células múltiplas, a partir da zona de arranque do eletrolisador, representando cada linha o comportamento de uma célula, de acordo com uma forma de realização; e

Figura 10 - é um gráfico que ilustra o comportamento da voltagem versus a densidade de corrente em células múltiplas, representando cada linha o comportamento de uma célula, de acordo com uma forma de realização.

DESCRIÇÃO DETALHADA A figura la é uma representação esquemática de uma célula 11 de membrana típica usada na indústria do cloro-álcali. É composta por dois compartimentos, um compartimento do ânodo 12 e um compartimento do cátodo 13, separados por uma membrana 14. O compartimento do ânodo 12 é cheio com uma solução salina saturada (NaCl), enquanto um diluído de soda cáustica passa através do compartimento do cátodo 13.

Nas instalações de produção de cloro-álcali, o cloro é gerado no ânodo 15 revestido (usualmente com titânio). A combinação dos iões de hidróxido com os iões de sódio migrados através da membrana seletiva 14 gera soda cáustica (NaOH) e gás de hidrogénio. O cátodo 16 é usualmente fabricado de níquel com um revestimento catalítico para reduzir o excesso de potencial para a geração do H2. O 6 ΕΡ2006418Β1 processo completo de cloro-álcali é descrito pela seguinte fórmula: 2 NaCl + 2H20 -> C12 + H2 + 2 NaOH (1) A eficiência de uma célula tipo membrana cloro-álcali (Kw/h por unidade de soda cáustica produzida) é um resultado complexo da interação de um certo número de aspetos. Isto inclui o desenho da célula, as caracteristicas de transporte da membrana 14, a concentração, pH, temperatura, e fluxo, ou tempo de residência, da solução salina de anólito e da solução cáustica de católito no interior da célula, e a tensão e a corrente na célula. Embora alguns destes fatores sejam essencialmente fixos quando a célula é montada e colocada em operação, outros fatores primariamente relacionados com aspetos de fluxo de massa e de eletricidade, são suscetíveis de mudanças consideráveis e de perdas de eficiência durante a operação da célula. Sempre que ocorram tais mudanças, é preferível corrigi-las tão cedo quanto possível, para o sistema ser restabelecido para um nível de eficiência ótima com custos mínimos.

Um tipo de dano que provoca uma queda na eficiência da célula é a ocorrência de furos e rasgões da membrana de célula (doravante referidos como pequenos orifícios). Algumas razões para a presença de pequenos orifícios e poros na membrana da célula são a formação de vazios, bolhas, e delaminações da membrana, devido a falhas nos arranques e paragens, e devido aos eletrólitos contaminados. A presença de pequenos orifícios na membrana, por exemplo, pode afetar a eficiência da célula de diferentes maneiras, dependendo do tamanho dos pequenos orifícios e da 7 ΕΡ2006418Β1 sua localização (numa parte da célula onde existe líquido, ou noutra parte onde apenas está presente o gás), assim como, da idade da célula. Usualmente, os efeitos dos pequenos orifícios não são detetáveis na fase de operação normal, a menos que a corrosão tenha ocorrido no revestimento do ânodo, devido ao ataque da soda cáustica. Contudo, os efeitos dos pequenos orifícios são observáveis no arranque do eletrolisador, devido à penetração da soda cáustica na membrana e ao seu fluxo em direção ao ânodo, que nesse momento provoca uma reação de separação da água na solução alcalina da célula. A presença de uma reação de separação da água pode ser detetada usando várias técnicas, tais como deteção da reversão ou característica da voltagem na reação de separação da água, a qual é tipicamente cerca de 1,2 volts a 1,5 volts em densidades de corrente baixas, (isto é inferiores a 3 kA/m2). Isto em contraste com voltagens detetáveis quando ocorre a reação normal de separação do cloreto sódio tal como é devido no compartimento do ânodo da célula, que é de 2,2 volts a 2,6 volts para densidades de corrente de até 0,3 kA/m2 (a temperaturas de 80°C por exemplo) .

Podem ser usadas outras técnicas para detetar a reação de separação da água, tal como a deteção da geração de oxigénio no compartimento do ânodo a partir da medição do pH da célula. Uma tal medição pode ser usada para detetar a geração do oxigénio, visto que quando o oxigénio está presente no compartimento do ânodo, a célula fica altamente dependente do pH, em comparação com a geração do cloro que tem lugar em células não danificadas. 8 ΕΡ2006418Β1

Mesmo na presença de pequenos orifícios na membrana, quando a densidade de corrente aumenta na célula, os pequenos poros ficam absorvidos, devido à turbulência do gás na célula, forma-se hipoclorito a partir da soda cáustica migrada, e a geração de oxigénio provocada pelos pequenos orifícios é progressivamente substituída pela geração do cloro. Se mesmo a elevadas densidades de corrente a voltagem da célula permanece baixa comparada com os níveis de voltagem expectáveis, pode estimar-se que o tamanho dos orifícios da membrana seja grande. A soda cáustica que penetra no compartimento do ânodo através dos pequenos orifícios na membrana tem efeitos na eficiência da célula. Visto que as novas células da membrana têm uma eficiência em torno de 98%, uma estimativa de eficiência para cada célula elementar pode ser obtida por comparação de cada célula danificada com as células novas, ou com os seus valores nominais.

De acordo com os princípios acima explicados, descreve-se aqui um método e um sistema para diagnosticar a baixa eficiência e os danos das células elementares danificadas, instaladas num eletrolisador bipolar. Outros tipos de eletrolisadores, assim como células de combustível, podem também ser diagnosticados, usando um método e um sistema aqui descritos. Nalgumas formas de realização o método e o sistema podem ser proporcionados online.

Para fins explicativos, a figura lb ilustra um arranjo de eletrolisador 17 comum, em que uma linha de produção 18 tem um certo número de grupos 19 de células; cada grupo 19 de células contém oito células elementares 11 (não mostradas) . Cada voltagem do elétrodo é medida por um fio 9 ΕΡ2006418Β1 metálico 20. Os fios 20 podem ser concentrados num cabo elétrico de múltiplos fios protegidos 22, através de um dispositivo 23 de TFP10 (terminal com proteção de fusível 10) . Um dispositivo de aquisição 24 pode, por isso, ser usado para ler os dados a partir de quatro grupos de células 19, por exemplo. Neste exemplo, cada dispositivo de aquisição 24 pode multiplexar os sinais a partir de cada grupo de células 19 por uma série de relés, numa sequência de transmissão para um computador pessoal 25, opcionalmente ligado numa rede local 2 6, e de acordo com uma determinada plataforma de comunicação. A figura 2 ilustra um exemplo esquemático de um sistema 30 para avaliação dos danos de uma pluralidade de células num eletrolisador de acordo com uma forma de realização da invenção. O sistema 30 tem um dispositivo de aquisição de dados 32 para medir uma voltagem ou outros parâmetros físicos de cada célula elementar, um módulo 34 de avaliação dos danos para monitorar os dados lidos a partir da cada célula no eletrolisador, e o nível de danos estimado; um dispositivo de memória 36; e um módulo de manutenção 38.

Um dispositivo de memória 36 pode ser usado para armazenar os dados lidos, informação da instalação ou do laboratório, incluindo quaisquer dados de parâmetros ou de desenho pertencentes ao eletrolisador, ou às células, tais como os níveis limiares preestabelecidos, numa forma de realização em que tal armazenamento é desejável.

Numa forma de realização, o módulo de manutenção 38 pode ser usado para fazer a saída ou para operar diretamente 10 ΕΡ2006418Β1 sobre cada célula, ou nas ações de manutenção do eletrolisador. As ações de manutenção dependem da avaliação dos danos. Um exemplo é o rearranjo das células no eletrolisador, a desativação das células danificadas, a substituição de células danificadas por células novas, ou uma adição de células no eletrolisador, se tal for possível. Em alternativa, na produção de uma ação de manutenção o sistema 30 pode fazer a saída de um sinal de alarme ou disparar um mecanismo de aviso, que notifica um técnico acerca da situação. 0 dispositivo de aquisição de dados 32 tem um ou mais sensores 40 para ler dados a partir da célula 11 (com referência à figura la), assim como um dispositivo de controlo de corrente 41. Os sensores 40 podem ser sensores de voltagem, sensores de pressão, sensores de temperatura, sensores de líquido e de fluxo, sensores capazes de detetar um tipo de pH de uma solução no interior da célula, ou a presença de um dado composto no interior da célula etc. Outros tipos de parâmetros físicos podem ser usados, tais como sensores de corrente e similares. Numa forma de realização, o dispositivo de controlo de corrente 41 pode ser usado para variar a densidade de corrente que passa na célula, de maneira a aumentar a corrente fornecida à célula a partir do zero, através de um nível polarização e até um dado valor ótimo no arranque, ou de retorno a zero para a operação de paragem. O módulo de avaliação de danos 34 tem um módulo de processamento 42 e um módulo 43 de avaliação da eficiência da célula. O módulo de processamento 42 assegura a implementação do método para avaliação dos danos nas células no eletrolisador. 11 ΕΡ2006418Β1 0 módulo de avaliação de danos 34 classifica as células como não danificadas, severamente danificadas e não severamente danificadas, para tomar as ações apropriadas. 0 módulo de avaliação da eficiência da célula 43 é opcional e realiza uma avaliação da eficiência de cada célula classificada como não severamente danificada, para determinar como maximizar a eficiência global do eletrolisador. As células não danificadas podem também ser avaliadas na sua eficiência. 0 módulo de avaliação de danos 34 pode ter uma aplicação (não mostrada) com instruções de código que são usadas pelo dispositivo de processamento 42 e pelo módulo de avaliação de eficiência da célula 43, para realizar um método tal como é descrito em detalhe neste texto. As ações de manutenção ou qualquer tipo de resultado obtido pelo módulo de avaliação de danos 34 podem ser fornecidas ao módulo de manutenção 38, ou a qualquer outro dispositivo de saída (não mostrado) para notificar um utilizador de uma dada condição.

As figuras 3a e 3b são fluxogramas de uma forma de realização de um método descrito neste texto.

No passo 50 da figura 3a as voltagens em cada célula do eletrolisador são medidas enquanto uma dada densidade de corrente passa através de cada célula.

Numa forma de realização as voltagens das células e as correntes são medidas usando o sistema delineado na patente US 6 591 199, concedida à Recherche 2000 Inc, cujo conteúdo é aqui incorporado como referência. Pode ser usado qualquer outro sistema de medição com uma precisão de medição de pelo 12 ΕΡ2006418Β1 ΕΡ2006418Β1 que seja precisão da amostragem lidas, com (menos 1 mV) e uma frequência apropriada para as medições suficientemente elevada.

No passo 50 podem também ser medidos outros parâmetros relevantes utilizando outros tipos de sensores, os quais não estão associados a uma célula especifica, tal como os sensores das instalações de produção, ou se referem diretamente a parâmetros fisico-quimicos de uma única célula no eletrolisador. Pode ser usada uma unidade de aquisição para implementar o passo 50, e os sensores da instalação de produção localizados em diferentes posições no eletrolisador podem comunicar com unidade de aquisição usando um protocolo de comunicação como é detalhado na acima mencionada patente US 6 591 199.

No passo 52 a voltagem lida para cada célula é comparada com pelo menos dois níveis de voltagem limiares, para uma dada densidade de corrente. Cada um dos dois níveis de voltagem limiares é indicativo de um valor de voltagem para o qual a célula deve ser classificada, como estando abaixo, acima, ou no nível crítico.

No passo 54 as células são classificadas numa das seguintes categorias: células severamente danificadas, células não severamente danificadas e células não danificadas, com base na comparação da voltagem com pelo menos dois níveis de voltagem limiares.

No passo 56 as células classificadas como estando severamente danificadas são desativadas do eletrolisador. Este passo pode ser feito pela remoção das células que são 13 ΕΡ2006418Β1 classificadas enquanto tais no seu conjunto, ou substituídas por células novas.

Como um exemplo para os passos 54 e 56 acima, se a voltagem da célula está abaixo de uma voltagem mínima limiar (Vmin) , já não está operativa, e está severamente danificada (a voltagem de saída é demasiado baixa para a densidade de corrente dada) . Se a voltagem da célula está em Vmin, a célula está no nível crítico e pode ser classificada como severamente danificada, ou como não severamente danificada. É necessário uma avaliação suplementar, ou então, a célula é simplesmente classificada como estando severamente danificada, por razões de segurança.

Doutro modo, se a célula está danificada mas ainda é utilizável, a sua voltagem está entre os dois níveis de voltagem limiares, enquanto que, se provavelmente a célula não está danificada a sua voltagem está acima do nível de voltagem limiar mais elevado (Vdanificada) . Uma célula que tem uma voltagem de VdanifiCada pode ser classificada como não danificada ou como não severamente danificada. Uma avaliação suplementar quanto à eficiência da célula pode ser implementada, para estabelecer a sua classificação. A célula é classificada de uma maneira ou de outra, ou como estando não severamente danificada se for preferida uma monitorização mais apertada. É estabelecida uma lista de células relativamente à sua classificação. É produzida uma lista de células em que é provável haver membrana danificada mas que são avaliadas como não estando severamente danificadas, e também é produzida uma lista de células normais ou não danificadas. A lista pode especificamente identificar as células de acordo 14 ΕΡ2006418Β1 com a sua posição no eletrolisador. Uma identificação das células severamente danificadas é também produzida, de maneira que estas podem ser desativadas, removidas, substituídas ou avaliadas para manutenção. 0 método opcionalmente progride para os passos 60, 62 e 64 da figura 3b. Estes passos podem também ser realizados de forma independente do método da figura 3a.

No passo 60 é lida a temperatura e a distribuição de corrente das células classificadas como não danificadas ou não severamente danificadas. Isto pode ser feito usando sensores de temperatura localizados nas células, ou em diversos pontos do eletrolisador.

No passo 62 a eficiência de cada uma das células é estimada usando a distribuição de temperatura e de corrente.

Numa forma de realização, uma estimativa da eficiência da célula elementar toma em consideração as flutuações de temperatura que podem ocorrer através do eletrolisador, especialmente com baixas densidades de corrente. O passo 62 pode envolver a comparação de cada eficiência estimada das células para uma eficiência nominal proporcionada pelo fornecedor, para identificar os elementos/células que afetam o desempenho global do eletrolisador. A eficiência nominal pode também ser proporcionada pela estimativa da eficiência de uma nova célula. A idade da célula pode também ser tomada em consideração na estimativa da sua eficiência. Por exemplo, uma queda expectável de eficiência da célula ocorre ao longo da sua vida. Uma eficiência da célula que é encontrada como 15 ΕΡ2006418Β1 sendo inferior a um valor expectável para a idade da célula pode indicar que a célula ficou subitamente danificada, e uma pode ser determinada causa com corelação com o tempo ou outros eventos do eletrolisador.

No passo 64 a eficiência global do eletrolisador pode ser maximizada tomando uma determinada ação de manutenção baseada na estimativa da eficiência para cada célula no passo 62. Uma maneira de optimizar a energia global consumida pelo eletrolisador, por exemplo, é mover pelo menos uma das células para uma nova posição no eletrolisador.

Um exemplo é a reposição de uma célula tendo uma eficiência estimada elevada, para compensar uma célula que tem uma eficiência estimada inferior. As células com uma eficiência inferior podem ser, por exemplo, montadas novamente nas extremidades do eletrolisador onde a temperatura é tipicamente ligeiramente inferior do que nas posições do meio, ou reposicionadas no eletrolisador com células com níveis de eficiência semelhantes. Visto que a distribuição de temperatura do eletrolisador pode diferir dependendo do seu desenho, podem ser encontrados outros esquemas de reposicionamento. Além disso, pode ser visada uma análise para estimar os custos/ou os ganhos do reposicionamento das células em comparação com a manutenção das células nas suas posições originais. 0 método da figura 3a pode também opcionalmente avançar para os passos 66, 68 e 70 da figura 3c.

No passo 66 é medido e lido um parâmetro físico ou químico de cada uma das células classificadas como não 16 ΕΡ2006418Β1 estando severamente danificadas. 0 parâmetro fisico inclui, mas não está limitado a, uma temperatura, uma quantidade de liquido ou de qás no interior da célula, uma pressão diferencial, um fluxo de soda cáustica (ou qualquer fluxo de um dado fluido) e a presença de um dado composto. Podem também ser lidos parâmetros de células não danificadas.

No passo 68, são estimados a posição e/ou o tamanho de um pequeno furo na membrana de cada uma das células não severamente danificadas, usando o parâmetro fisico medido. Este passo pode contudo ser realizado para todas as células ativas no eletrolisador. 0 passo 68 pode envolver a aplicação de uma regressão paramétrica não linear à curva de corrente versus voltagem lida, no passo 50 da figura 3a. A curva pode ser sujeita a uma regressão usando uma equação paramétrica da fórmula: V = A*exp (CD) + B*exp (-CD)+C (2) em que A, B, C são parâmetros da regressão ou constantes; CD refere-se a uma densidade de corrente e V é uma voltagem da célula.

Podem ser usadas outras equações paramétricas tais como na forma logarítmica ou sigmoide. Os parâmetros de regressão não linear podem também ser usados para refletir o grau/quantidade de soda cáustica que flui penetrando o compartimento do ânodo. Os parâmetros de regressão sao correlacionados com os parâmetros fisicos ou quimicos medidos no passo 66. Os parâmetros de regressão sao relacionados com a densidade da 17 ΕΡ2006418Β1 corrente na célula, voltagem simples, pressão diferencial, fluxo de soda cáustica e/ou o nível do liquido, para estimar o tamanho e a posição de um pequeno orifício. Por exemplo, se os parâmetros paramétricos de uma célula, resultantes de uma regressão não linear forem consideráveis (isto é, estimados como sendo elevados em valor) então o pequeno ou os pequenos orifícios da membrana da célula são estimados como tendo um tamanho relativamente grande e/ou posicionados numa parte inferior (ou abaixo da secção média) da célula.

No passo 70 é produzida uma ação de manutenção ou a mesma é executada automaticamente no eletrolisador.

Por exemplo, a ação de manutenção pode ser tomada numa célula classificada como não severamente danificada, com base na estimativa da posição de um pequeno orifício ou duma estimativa do seu tamanho nessa célula.

Se o pequeno orifício é grande e está localizado na parte superior da célula (onde está presente gás e/ou espuma) poderia ocorrer um dano severo devido ao risco da geração de oxigénio no compartimento do ânodo e/ou à corrosão resultante do ataque da soda cáustica sobre o revestimento do ânodo. A ação de manutenção é então tomada para remover ou substituir a célula de membrana danificada. Em alternativa à remoção ou substituição, a célula pode ser desativada e a sua membrana pode ser substituída com uma nova membrana.

Tal como descrito em detalhe no texto acima, o método como ilustrado na figura 3a pode ser realizado no arranque para a operação plena do eletrolisador, ou da operação plena para a paragem. Os métodos descritos pelas figuras 3b e 3c 18 ΕΡ2006418Β1 podem ser aplicados no arranque, paragem ou durante a operação plena do operador.

Um exemplo da zona de arranque está ilustrado na figura 4. Tipicamente na operação de arranque o primeiro passo é o da polarização, em valores correntes em torno 20 A, depois a corrente cresce de valores inferiores para valores superiores através de passos estáveis, até densidades de correntes na ordem 5,5 kA/m2. A densidade de corrente máxima pode variar dependendo do desenho particular do eletrolisador.

Nos passos 50 a 54 da figura 3a, a distribuição de voltagem dos elementos singulares do eletrolisador (voltagem em cada célula do eletrolisador) pode ser monitorada para valores da densidade da corrente muito baixos, ao nível da polarização. As células tendo uma voltagem que é inferior a 2,0 V são então identificadas, sendo assinaladas ou detetadas a partir dessa distribuição.

As figuras 5 a 8 ilustram um exemplo da evolução da distribuição da voltagem dos elementos singulares quando a densidade de corrente que flui em cada célula varia desde um valor para outro. Estas figuras representam um arranque típico de um eletrolisador compreendendo 100 células.

Os gráficos das figuras 5 a 8 representam a voltagem medida para cada célula como no passo 50 da figura 3a. Um equipamento de medição da voltagem tendo uma precisão na ordem 2,5 mV foi usado para obter estas leituras. Cada célula é representada por um bloco. 19 ΕΡ2006418Β1

Como se pode ver nos gráficos nas figuras 5 a 8 quando o nivel de polarização de cada célula já passou, no arranque do eletrolisador, uma distribuição de voltagem das células pode ser estabelecida pelo aumento estável da densidade de corrente e tomando medições da voltagem de forma continua ou, em determinados passos. Apesar da medição da voltagem poder ser tomada para cada aumento discreto na densidade de corrente de 0,2 kA/m2, 0,5 kA/m2 ou inferior, as figuras 5 a 8 foram elaboradas para densidades de corrente de 0,2 kA/m2, 0,5 kA/m2, 1 kA/m2 e 2 kA/m2, respetivamente.

Como exemplo, as distribuições de voltagem obtidas tal como ilustradas nas figuras 5 a 8 e 10 (esta última sendo explicada mais em detalhe abaixo) podem ter limiares como nos passos 52 e 54 da figura 3a. Para uma densidade de corrente de 0,4 kA/m2 (com referência à figura 10) as células com um nivel de voltagem inferior a 1,7 V, por exemplo, são categorizadas como estando severamente danificadas. Na figura 5, contudo, nenhuma dessas células foi encontrada. Se alguma de tais células tivesse sido detetada dos resultados da figura 5, estas células seriam desativadas, removidas ou substituídas por células novas, ou seria feita a paragem do eletrolisador para manutenção como no passo 56 da figura 3a.

Para uma densidade de corrente de 0,5 kA/m2 (referência à figura 6) três células apresentam um nível de voltagem relativamente baixo (em torno de 1,85 V). Estas três células são classificáveis como não severamente danificadas e potencialmente têm pequenos orifícios na sua membrana.

Pode então ser aplicada uma regressão não linear aos dados medidos para as três células de baixa voltagem 20 ΕΡ2006418Β1 identificadas na figura 6, tal como foi feito no passo 68 da figura 3c para estimar o tamanho do pequeno orifício e/ou a sua posição na célula.

As distribuições de voltagem das células restantes na figura 6, para uma densidade de corrente tal que lkA/m2, como mostrado na figura 7, e 2kA/m2 como mostrado na figura 8, podem ser analisadas mais em detalhe para estimar as suas eficiências e, desse modo, detetar células apresentando dados de eficiência, tal como nos passos 60 a 62 da figura 3b. Por exemplo, na figura 8, as duas células com as voltagens mais elevadas estão acima da média. Tal como no passo 64 da figura 3b, a posição das células apresentando problemas de eficiência ou de desempenho podem ser mudadas para uma nova posição do eletrolisador, de uma maneira tal que compense qualquer célula com baixa eficiência. No exemplo da figura 8 as duas células tendo as voltagens mais elevadas podem por exemplo ser reposicionadas no eletrolisador no início ou no final da linha de produção 18, ou do grupo de células 19 (referencia à figura lb). A figura 9 mostra um gráfico mostrando um exemplo de voltagem versus linha do tempo com o comportamento das células classificado como não severamente danificadas, após o arranque do eletrolisador. Um tal gráfico poderia resultar da implementação do passo 50 acima referido da figura 3a, quando a leitura é feita na zona de arranque. Cada linha representa o comportamento de uma célula. A figura 10 é um gráfico que mostra a voltagem versus densidade corrente com o comportamento de múltiplas células. De novo, cada linha representa o comportamento de uma célula. Um tal gráfico pode também ser obtido a partir da 21 ΕΡ2006418Β1 implementação do passo 50 acima referido na figura 3a, ou pela combinação de múltiplas leituras tal como ilustrado nas figuras 5 a 8. Na figura 10, as células severamente danificadas são identificadas pela sua típica baixa voltagem a densidades de correntes baixas. O limiar de voltagem é usado no passo 52 para distinguir as células severamente danificadas das células não severamente danificadas, pela classificação dos níveis de voltagem produzidos por cada célula para densidades de correntes baixas. Numa forma de realização, a curva inferior é classificada como severamente danificada, enquanto as duas curvas médias são classificadas como não severamente danificadas. Os níveis de voltagem exatos usados na classificação são dependentes da célula específica e da configuração do eletrolisador usado.

As formas de realização acima descritas são apenas exemplificativas e podem ser adaptadas a várias aplicações específicas. Por exemplo, os vários sensores envolvidos podem ser dependentes dos parâmetros físicos particulares a serem medidos e a classificação das células de acordo com o seu nível de dano pode variar com o desenho da célula, o desenho da instalação de produção, e o desenho do eletrolisador. As reivindicações que se seguem destinam-se a definir o âmbito da invenção.

Lisboa, 12 de Abril de 2012 22

Claims (16)

1. ΕΡ2006418Β1 REIVINDICAÇÕES 1. Método para avaliação danos de uma pluralidade de células num eletrolisador, que compreende: aquisição de uma voltagem para cada uma das células; comparação da voltagem com pelo menos dois niveis de voltagem limiares; classificação das células como uma das seguintes categorias: severamente danificadas, células não severamente danificadas e células não danificadas, baseadas na comparação da voltagem com pelo menos dois niveis de voltagem limiares, e desativação das células classificadas como estando severamente danificadas no eletrolisador.
2. 2. Método da reivindicação 1, em que a aquisição de uma voltagem compreende a aquisição da voltagem versus distribuição de corrente para cada uma das células, num momento escolhido entre o arranque ou a paragem do eletrolisador.
3. 3. Método da reivindicação 1 que compreende ainda: aquisição da temperatura e da distribuição de corrente de uma das células não danificadas e das células não severamente danificadas; e estimativa de uma eficiência para cada uma das células, em que a estimativa da eficiência de preferência 1 ΕΡ2006418Β1 compreende a comparação da temperatura e da distribuição de corrente para cada uma das células com os parâmetros nominais da célula.
4. 4. Método da reivindicação 3 que compreende ainda a maximização da eficiência global do eletrolisador pelo movimento de pelo menos uma das células para uma nova posição no interior do eletrolisador.
5. 5. Método da reivindicação 2 que compreende ainda: medição de um parâmetro físico para cada uma das células classificadas como não severamente danificadas, e estimativa de pelo menos um de entre a posição e o tamanho de um pequeno orifício de membrana, para cada uma das células não severamente danificadas usando o parâmetro físico medido, em que a estimativa de pelo menos um de entre a posição e o tamanho de um pequeno orifício, de preferência compreende: aplicação de uma regressão à distribuição de corrente versus voltagem lidas para cada uma das células não severamente danificadas; e correlação da regressão com o parâmetro físico medido, e em que o parâmetro físico é um de entre a pressão diferencial e o nível de liquido no interior da célula. 2 ΕΡ2006418Β1
6. 6. Método da reivindicação 5 em que a estimativa de pelo menos um de entre a posição e o tamanho de um pequeno orifício compreenderá a avaliação do fluxo de soda cáustica que penetra o compartimento do ânodo de uma das células não severamente danificadas, por atravessamento da membrana.
7. 7. Método da reivindicação 6 em que a estimativa da posição do pequeno orifício compreende a comparação de pelo menos um de entre a pressão diferencial e o nível de líquido com um valor expectável, para determinar se a posição está acima, abaixo ou na secção média da célula.
8. 8. Sistema para avaliar os danos de uma pluralidade de células num eletrolisador, que compreende: um dispositivo de aquisição da voltagem acoplado a cada uma das células do eletrolisador para ler a voltagem para cada uma das células; e um módulo de avaliação dos danos acoplado ao dispositivo de aquisição da voltagem, sendo o módulo de avaliação dos danos adaptado para receber a voltagem lida para cada uma das células; comparar a voltagem com pelo menos dois níveis de voltagem limiares; classificar as células como estando em uma das seguintes categorias: células severamente danificadas, células não severamente danificadas e células não danificadas, com base na comparação; e envio de um sinal para desativar as células classificadas como células severamente danificadas.
9. 9. Sistema da reivindicação 8 compreendendo ainda um dispositivo de memória acoplado ao dispositivo de aquisição 3 ΕΡ2006418Β1 de voltagem e ao módulo de avaliação dos danos para armazenamento da voltagem lida para cada uma das células, e pelo menos dos dois níveis de voltagem limiares.
10. 10. Sistema da reivindicação 8 em que o dispositivo de aquisição de voltagem compreende um dispositivo de controlo de corrente para ler a voltagem versus distribuição de corrente em cada uma das células, em que o dispositivo de controlo de corrente varia a corrente em cada uma das células num dos momentos de arranque ou de paragem do eletrolisador.
11. 11. Sistema da reivindicação 10 que compreende ainda: um sensor de temperatura e um sensor de corrente para lerem a temperatura a e a distribuição de corrente para cada uma das células classificadas como células não danificadas e células não severamente danificadas; e um módulo de avaliação da eficiência da célula para estimar uma eficiência para cada uma das células.
12. 12. Sistema da reivindicação 11 compreendendo ainda um módulo de manutenção do eletrolisador adaptado por receber a eficiência de cada uma das células, e indicar uma ação a ser realizada para melhorar a eficiência global do eletrolisador.
13. 13. Sistema da reivindicação 12 compreendendo ainda um módulo de processamento para comparar ainda a temperatura e distribuição de corrente lidas para cada uma das células com parâmetros nominais das células. 4 ΕΡ2006418Β1
14. 14. Sistema da reivindicação 8 compreendendo ainda um sensor para medição de um parâmetro físico para cada uma das células classificadas como células não severamente danificadas, e um módulo de processamento para estimar pelo menos um de entre a posição e o tamanho de um pequeno orifício duma membrana, para cada uma das células não severamente danificadas usando o parâmetro físico medido, e a voltagem lida para cada uma das células não severamente danificadas.
15. 15. Sistema da reivindicação 14 compreendendo ainda um módulo de manutenção do eletrolisador adaptado para transmitir um sinal representativo de uma ação da manutenção a ser realizada em cada uma das células não severamente danificadas, a ação de manutenção sendo baseada em pelo menos um de entre a posição e o tamanho de um pequeno orifício estimado para uma das células não severamente danificadas, em que o sensor compreende, de preferência, um sensor de fluxo para medir o fluxo de soda cáustica em cada uma das células não severamente danificadas, penetrando o fluxo de soda cáustica num compartimento do ânodo por atravessamento da membrana.
16. 16. Sistema da reivindicação 15 em que o módulo de processamento compara pelo menos um parâmetro físico medido pelo sensor de pressão diferencial e o sensor de líquido com um valor expectável, para determinar se a posição do pequeno orifício é acima, abaixo, ou na secção média da célula. Lisboa, 12 de Abril de 2012 5