NO810342L - Anordning for aa hindre/begrense lekkasje i eletrolysecelle - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en anordning for å begrense den grad av strømlekkasje som kan forekomme under drift av en elektrolysecelle og er spesielt rettet mot en innretning for å begrense den grad strømlekkasje som forekommer under tilmåtingen av elektrolytt til en slik celle og/eller under'fjerning av væskeformede produkter fra elektrolysen fra en slik celle.

Fremstilling av kjemiske produkter ved elektrolyse av opp-løsninger av ioniserbare kjemiske forbindelser, som heretter generelt vil bli betegnet elektrolytter, finner utstrakt anven-delse i industrien.

Elektrolyse av en vandig oppløsning av et alkalimetallhalogenid for fremstilling av halogen og en vandig oppløsning av et alkalimetallhydroksyd, f.eks. elektrolyse av en vandig oppløsning av natriumklorid for fremstilling av klor og en vandig oppløsning av natriumhydroksyd, blir i praksis utført i storindustrien målestokk. Elektrolyseceller for elektrolyse av vandige natriumkloridoppløsninger er generelt av tre hoved-typer, kvikksølvceller, diafragmaceller og membranceller. I en kvikksølvcelle tilføres det en vandig natriumkloridoppløs-ning til en celle som har en strømmende kvikksølvkatode og anoder som kan være av grafitt, men som i nyere utførelser vanlig-vis blir fremstilt av et filmdannende metall, f.eks. titan, hvorpå det er et elektrisk ledende, elektrokatalytisk aktivt belegg, og natriumioner og kloridioner frigjøres i elektrolysen, mens klor og natriumamalgam fjernes fra cellen. Vandig natriumhydroksydoppløsning fremstilles ved å reagere natriumamalgam med vann' i en del av cellen og det avtappede amalgam returneres til elektrolysecellen. I en diafragmacelle som omfatter anoder og katoder adskilt av hydraulisk permeable dia-fragmaer, f.eks. asbestdiafragmaer, slik at det dannes separate anode- og katoderom, blir den vandige natriumkloridoppløs-ning ført. til anoderommene i cellen, der den elektrolyseres og klor fjernes fra anoderommene, mens en vandig oppløsning av natriumhydroksyd som inneholder natriumklorid blir fjernet fra katoderommene i cellen. I en membrancelle som omfatter anoder og katoder adskilt av hydraulisk impermeable og ioneselektive membraner for å danne separate anode- og katoderom, blir den vandige natriumkloridoppløsning før til anoderommene i cellen,

der den elektrolyseres, og klor fjernes fra anoderommene og en vandig natriumhydroksydoppløsning fjernes fra katoderommene

i cellen.

Ved bruken av elektrolyseceller blir en elektrolytt, f. eks. en vandig natriumkloridoppløsning, ført fra et elektro-•lyttreservoar ved jordpotensial til cellen som har et elektrisk potensial som er forskjellig fra reservoarpotensdalet. De væskeformede produkter fra elektrolysen, f.eks. en vandig opp-løsning som inneholder natriumhydroksyd, blir avtappet fra cellen til et reservoar som har jordpotensial og er utformet for å motta væskeproduktene, og det er en potensialforskjell mellom elektrolysecellen og produktreservoaret. På grunn av denne elektriske potensialforskjell kan det oppstå en strøm-lekkas je mellom elektrolysecellen og reservoaret.hvorfra elektrolytt tilføres cellen, og mellom elektrolysecellen og reservo-aret for de væskeformede produkter fra elektrolysen som avtappes fra cellen. Strømlekkasje forekommer spesielt når en kontinuerlig elektrolyttstrøm føres til elektrolysecellen og/eller når en kontinuerlig strøm av væskeprodukter fra elektrolysen avtappes fra cellen, idet de kontinuerlige strømmer danner en

strømlekkasjebane. Selv om strømlekkasje i seg selv ikke kan være spesielt alvorlig med hensyn til den totale elektriske

energi som kreves for å utføre elektrolysen, kan den føre til alvorlige korrosjonsproblemer i. elektrolysecellen og spesielt

i de deler av cellen der elektrolytten tilføres cellen og de deler der de væskeformede produkter avtappes fra cellen.

Strømlekkasje og det medfølgende korrosjonsproblem er spesielt alvorlig i en installasjon som omfatter et stort antall adskilte elektrolyseceller der den elektriske strøm tilføres i serie, f.eks. en installasjon som omfatter et stort antall mem-bran- eller diafragma-celler som er anordnet i serie. I en slik installasjon vil visse celler og spesielt de som ligger ved endene i seriene, ha et høyt potensial i forhold til jord, dvs. et høyt positivt eller negativt potensial, avhengig av posisjonen for den spesielle celle i seriene. I en installasjon med diafragmaceller for elektrolyse av vandig natriumklorid-oppløsning, som.f.eks. omfatter 100 enkeltceller anordnet i serie, kan det være en potensialforskjell på så mye som 200 volt mellom cellene ved eller nær endene i serien og jord. Strømlekkasje og det medfølgende korrosjonsproblem er derfor spesielt alvorlig i elektrolysecellene ved eller nær endene i en slik serie.

Det er fremsatt forskjellige forslag tidligere for å minske graden av strømlekkasje og det medfølgende korrosjonsproblem.

I japansk patent nr. 53061591 omhandles f.eks. en elektrolysecelle for elektrolyse av en alkalimetallkloridoppløsning, der det er foreslått å avtappe væske fra cellen på en diskontinuerlig måte ved å omforme væsken til dråper i en innretning som omfatter en rekke små rør eller stenger. I japansk patent nr. 53061592 er det foreslått å anordne elektroder i et væske-avtappingsrør for å redusere den elektriske spenningsforskjell ved utløpet til mindre enn 10 volt, slik at det ikke oppstår noen korrosjon. I britisk patent nr. 1 523 045 er.det foreslått å velge slike lengder og diametere på tilførselsrør og avtappingsrør at strømlekkasjen pr. celle begrenses til mindre enn 4 % av elektrolysestrømmen pr. celle.

Foreliggende oppfinnelse angår en spesielt tilpasset innretning for bruk ved tilførsel av elektrolytt til en elektrolysecelle og/eller for bruk ved avtapping av de væskeformede elektrolyseprodukter fra elektrolysecellen. Innretningen ér lett.å betjene og tilveiebringer en diskontinuerlig bane for elektrolytten og/eller for de væskeformede elektrolyseprodukter. Bruk av denne innretning fører således til en betydelig reduksjon i lekkasjestrømmen fra en elektrolysecelle, med en derav følgende betydelig reduksjon av den korrosjon som følger med slik strømlekkasje.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en innretning som er i stand til å begrense graden av strømlekkasje som kan forekomme ved drift av en elektrolysecelle, og innretningen omfatter et kar som har to separate rom som er elektrisk isolert fra hverandre, organer for avvekslende tilførsel av væske til rommene i karet, organer for avvekslende avtapping av væske fra rommene i karet, der tilførsels- og avtappingsorganene under drift av innretningen er slik koblet sammen at væske blir tilført et rom i karet, samtidig som væske avtappes fra et annet adskilt rom i karet.

Ved bruk av innretningen ifølge oppfinnelsen blir væske tilført et rom i karet, mens væske avtappes fra et adskilt og annet rom i karet. Når disse arbeidstrinn med tilførsel og avtapping er fullført, blir tilførselen av væske penset over

til et annet rom i karet, f.eks. til det rom som væske nettopp er avtappet fra, og væske avtappes fra et annet og adskilt

rom i karet, f.eks. det rom som væske nettopp er blitt tilført til.

Etterhvert som væske tilføres eller avtappes fra forskjellige og adskilte rom i karet tilveiebringer innretningen under bruk en væskestrøm, f.eks. fra et reservoar for 'elektrolytt til en elektrolysecelle og/eller fra en elektrolysecelle til et reservoar for væskeformede elektrolyseprodukter, uten at det derved fås en kontinuerlig væskebane mellom reservoarene og elektrolysecellen. Bruk av innretningen fører derved til en betydelig reduksjon av strømlekkasjen. For å hindre strøm-lekkasje mellom rommene i karet må rommene være elektrisk isolert fra hverandre, og det kan derfor passe.å fremstille karet av et ikke elektrisk ledende materiale.

Det er lett å forstå at med adskilte eller separate rom i karet menes rom som i hovedsaken ikke har noen sammenkoblet væskebane.

Innretningen, ifølge oppfinnelsen er spesielt egnet for bruk i en elektrolysecelle, selv om bruken av.denne ikke er begrenset til en slik celle. Den kan f.eks. brukes sammen med elektrolyseceller av de foran beskrevne spesielle typer, selv om det er lett å forstå at innretningen ifølge oppfinnelsen kan brukes sammen med enhver elektrolysecelle hvori en elektrolytt elektrolyseres, og er ikke begrenset til bruk sammen med elektrolyseceller for elektrolyse av oppløsninger av alkalimetallhalogeni-der. Elektrolytten kan således tilføres til en elektrolysecelle gjennom en innretning ifølge .oppfinnelsen og/eller væskeformede elektrolyseprodukter kan avtappes fra en elektrolysecelle gjennom en innretning ifølge oppfinnelsen.

I en foretrukken utførelse av innretningen ifølge oppfinnelsen omfatter karet to rom som er elektrisk isolert fra hverandre. Ved bruk av denne foretrukne innretning, tilføres væske til et første rom i karet, mens væske avtappes fra et annet rom i karet, og deretter tilføres væske til det annet rom i karet, mens væske avtappes fra det første rom i karet.

I en annen og foretrukken utførelse av innretningen ifølge oppfinnelsen omfatter karet to rom, det er svingbart opplagret om en akse og det er utstyrt med organer som begrenser utstrekningen av bevegelsen av karet om denne akse, f.eks. stopper-élementer. Ved bruk av denne andre utførelse av innretningen ifølge oppfinnelsen tilføres væske til et første rom i det svingbart opplagrede kar, når det er svinget om svingeaksen til grensen for bevegelsen i den ene retning. Karet blir derpå svinget om sin akse til grensen for bevegelsen i den andre retning, og et annet rom blir tilført væske, mens det første rom blir tømt for væske, f.eks. ved at væsken ganske enkelt strøm-mer over fra det første rom.

Selv om kammeret kan svinges om sin egen akse ved hjelp av passende drivorganer, f.eks. en motor, kan også svingningen foretas automatisk kun ved virkningen av fyllingen og tømmingen av rommene i karet. Formen og dimensjonene på rommene i karet kan derfor velges slik at når et første rom fylles med væske, kan karet eventuelt bringes til å svinge om sin akse, slik at væsken tømmes fra det første rom. Det andre rom blir derpå fylt med væske og når det andre rommet er fylt, kan karet eventuelt bringes til å svinge om sin akse i motsatt retning, slik at væsken derved tømmes fra det andre rom. Deretter gjentas sekvensen med fylling og tømming av rommene i karet.

Tilførselsorganene for tilførsel av væske til karet kan være i en fast stilling, slik at bevegelsen av karet, f.eks. svingning av karet om dets akse, bringer rommene i karet etter tur i stilling for å motta væske fra tilførselsorganene.

Tilførselsorganene kan bestå av et rør som fører fra et elektrolyttreservoar, og avtapningen fra innretningen kan skje

gjennom et rør som fører elektrolytten til en elektrolysecelle. Tilførselsorganene kan alternativt være et.rør som fører fra en elektrolysecelle, og gjennom dette rør kan væskeformede elektrolyseprodukter bli tilført til innretningen, idet avtappingen fra innretningen kan skje gjennom et rør som kan fjerne de væskeformede elektrolyseprodukter fra innretningen.

Karet kan på passende måte fremstilles av et ikke elektrisk ledende materiale. Karet kan f.eks. fremstilles av et plastmateriale. Plastmaterialet bør ikke kunne forringes av den væske som tilføres karet og valg av materiale bør gjøres avhengig av dette. Passende materialer kan lett velges når det tenkes på arten av f.eks. elektrolytten og/eller elektro-lyseproduktene som skal tilføres og tømmes fra karet. I en celle der det skal elektrolyseres et alkalimetallhalogenid, kan f.eks. alkalimetallhydroksydoppløsningen som avtappes fra cellen være korrosiv, slik den kan være ved en temperatur på omtrent 90°C og den kan ha en. konsentrasjon på 30 vekt% eller større. I dette tilfelle kan et passende konstruksjonsmateri-ale for karet være polypropylen, poly(vinylklorid) eller en fluorinneholdende polymer, f.eks. polyvinylidenfluorid eller polytetrafluoretylen. Det foretrekkes at konstruksjonsmateri-alet for karet er et som viser liten eller ingen tendens til å spre en væskefilm over karflåtene og som ikke på denne måte danner en væskebane for lekkasjestrøm mellom de adskilte rom i karet. Av den sistnevnte grunn foretrekkes det å fremstille karet av polypropylen eller en fluorinneholdende polymer i det tilfelle at den væske som føres til og tappes fra karet, er en alkalimetallklorid- eller alkalimetallhydroksydoppløsning.

Den mest foretrukne utførelse av innretningen ifølge oppfinnelsen som omfatter et kar med to rom, har en enkel konstruk-sjon og er lett å betjene. Den er videre i stand til å kunne benyttes over et stort volumområde for væskestrømningen, uav-hengig av den strømmende væskemengde. Forutsatt at også volu-met av rommene i karet er kjent har den foretrukne innretning ifølge oppfinnelsen den ytterligere fordel at den kan måle det væskevolum som strømmer ved kun å observere den tid det tar for karet å svinge i en retning og derpå returnere til sin opprin-nelige stilling ved at det svinger om aksen i motsatt retning.

Oppfinnelsen tilveiebringer en innretning omfattende et kar som er svingbart montert om en akse og har to separate kam-mere som.er elektrisk isolert fra hverandre, organer for å begrense utstrekningen av bevegelsen, om denne akse, tilførsels-organer for væske til karet som er slik plassert ved grensen for bevegelsen av karet om aksen i en første retning, at væsken vil bli tilført til et første rom, og samtidig som væske som befinner seg i et annet rom blir tømt fra dette, og ved grensen for bevegelsen av karet om aksen i den motsatte retning vil væsketilførselen til karet bli ledet til det andre rom, samtidig som væsken som befinner seg i det første rom tømmes fra dette rom. •

Oppfinnelsen tilveiebringer også en elektrolytisk celle hvori inngår en eller flere av innretningene ifølge oppfinnelsen, som elektrolytten kan tilføres gjennom til cellen og/eller gjennom hvilke væskeformede elektrolyseprodukter kan avtappes fra cellen.

En.utførelse av innretningen skal nå beskrives ved hjelp av de medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 er en skjematisk fremstilling i et riss av innretningen ifølge oppfinnelsen, og

fig. 2 og 3 ytterligere riss av den på fig. 1 viste innretning og viser virkemåten for innretningen.

Det skal nå vises til fig. 1, der innretningen omfatter

en beholder 1 med en topp 2, hvori det er montert et rør 3, samt en bunn 4 som er litt hellende i forhold til horisontal-retningen og som er utstyrt med et rør 5. Inne i beholderen 1 er det montert et kar 6 som er fremstilt av polypropylen og omfatter to åpentoppede rom 7,8 med bunner 9,10 og en skillevegg 11. Karet 6 er svingbart montert på en stang 12 som er plassert mellom og er festet til sideveggene (ikke vist) i beholderen 1. Stopperstenger 13,14 er lignende plassert og festet til sideveggene i beholderen 1, og stopperstengene 13,14 begrenser utstrekningen av bevegelsen av karet 6 om aksen for stangen 12 i de retninger som er antydet med pilene A,B.

Virkemåten for innretningen ifølge oppfinnelsen skal nå beskrives med henvisning tii en elektrolysecelle av diafragma-typen for fremstilling av et halogen og en diafragma-cellevæs-ke, dvs. en vandig oppløsning som inneholder natriumhydroksyd og natriumklorid, ved elektrolyse av en vandig natriumklorid-oppløsning.

Det skal nå vises til fig. 2, der karet 6 er vist svinget om aksen for stangen,12 i den retning som er antydet med pilen A, slik at karet 6 kommer til anlegg mot stopperstangen 13, som på denne måte begrenser utstrekningen av bevegelsen av karet 6, og rommet 7 i karet 6 er nå beliggende under røret 3. Diafragmacellevæske fra katoderommet i en elektrolysecelle (ikke vist) strømmer ned gjennom og kommer inn i kammeret. 7 i karet 6. Mengden av væske i rommet 7 øker suksessivt, og karet 6 bringes eventuelt til å svinge om aksen for stangen 12 i den retning som er antydet med pilen B og inntar den på fig. 3 anty-dede stilling med karet i anlegg mot stopperstangen 14. Væsken i rommet 7 blir derved tømt ut og renner ned den skrå bunn 4 i beholderen 1 og ut fra beholderen 1 via røret 5. Samtidig er rommet 8 i karet- 6 plassert under' røret 3 og mottar væske som tilføres gjennom røret 3. Mengden av væske i rommet 8 øker gradvis, og karet 6 bringes eventuelt til å svinge om aksen for stangen 12 i den retning som er antydet med pilen A, slik at karet kommer i anlegg mot stopperstangen 12 og væsken i rommet 8 tømmes ut fra dette. Deretter gjentas sekvensen med

tilførsel av væske til rommene 7 og 8 og uttømming av væske fra rommene 8 resp. 7.

Bunnen 4 i beholderen 1 kan ha et passende profil, f.eks. et hellende profil, for derved å minske graden- av sprut fra den væske som tømmes fra rommene 7,8. Hvis det forekommer sprut, kan det oppstå, men for det meste bare i en meget kort tid, en

kontinuerlig væskebane. gjennom innretningen, med en derav føl-gende liten lekkasjestrøm.

Innretningen ifølge oppfinnelsen som er beskrevet med henvisning til fig. 1,2 og 3, ble benyttet til å motta diafragmacellevæske fra en elektrolysecelle og til å føre væsken til et reservoar for denne. Cellen var utstyrt med en titananode med et belegg av en blanding av Ru02og Ti02(35 vekti Ru02og

65 vekt% Ti02), en katode av bløtt stål og et porøst asbest-diafragma. I cellen ble det elektrolysert en vandig oppløsning av natriumklorid (305 g)l ved en strømtetthet på 2kA/m 2, ved en temperatur på 9 5°C og ved en pH på 3,8, og den fremstilte diafragmacellevæske inneholdt 9 vekt% natriumhydroksyd og 15 vekt% natriumklorid. Elektrolysecellen lå ved enden av en

linje på 100 celler som var koblet i serie og der var en poten-sialf orsk jell på 175 volt mellom cellen og det jordede reservoar. Etter tre måneders kontinuerlig drift ble det ikke funnet noe tegn til korrosjon på røret av bløtt stål som sørger for avtappingen fra diafragmacellen til innretningen ifølge oppfinnelsen. Når til sammenligning diafragmacellevæske ble avtappet i en kontinuerlig strøm gjennom et rør av bløtt stål direkte til et reservoar som hadde jordpotensial, ble det

funnet at røret som førte med avløpsvæsken, korroderte hurtig og korrosjonstapet var omtrent 2 cm av rørlengden pr. drifts-måned.

Claims (10)

1. Innretning som er spesielt egnet til å begrense den grad av strømlekkasje som kan finne sted under drift av en elektrolysecelle, karakterisert' ved at innretningen omfatter et kar (6) som har to eller flere separate rom (7,8) som er elektrisk isolert fra hverandre, organer (3) for avvekslende tilførsel av væske til rommene i karet (6) samt organer for avvekslende tømming.av væske fra rommene (7,8) i karet (6), der tilførsels- og tømme-organene under bruk av innretningen er slik koblet sammen at væske blir tilført et rom (7 eller 8) i karet (6), samtidig som væske tømmes fra et annet og separat rom (8 eller 7) i karet (6).

2. Innretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at karet (6) er fremstilt.av et.ikke elektrisk ledende materiale.

3. Innretning som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at karet (6) omfatter to rom (7,8).

4. Innretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at karet (6) er svingbart montert om en svingeakse (12)

5. Innretning som angitt i krav 4, karakterisert ved at den er utstyrt med organer (13,14) for å begrense utstrekningen av bevegelsen av innretningen om nevnte akse (12).

6. Innretning som angitt i et hvilket som helst av kra-vene 1 til 5, karakterisert vedat orga-nene (3) for tilførsel av væske til karet (6) er i en fast stilling og at bevegelsen av karet (6) bringer rommene (7,8) etter hverandre i stilling for å motta væske fra tilførsels-organene (3).

7. Innretning som angitt i et hvilket som helst av kra-vene 1 til 6, karakterisert ved at karet (6) er fremstilt av plastmateriale.

8. Innretning som angitt i krav 7, karakterisert ved at karet (6) er fremstilt av. polypropylen.

9. Innretning som er spesielt egnet for å begrense den grad av strømlekkasje som kan finne sted under drift av en elektrolysecelle, karakterisert ved at innretningen omfatter et.kar (6) som er svingbart montert om en akse og har to separate rom (7,8) som er elektrisk isolert fra hverandre, organer (13,14) for å begrense utstrekningen av bevegelsen om svingeaksen, tilfø rselsorganer (3) for væske til karet (6), som er slik plassert ved grensen for bevegelsen av karet om aksen i en første retning at væske vil bli tilført til et første rom (7 eller 8), samtidig som væske som befinner seg i et annet rom (8 eller 7). blir tømt fra dette, og ved grensen av bevegelsen av karet (6) om aksen i den motsatte retning vil væsketilførselen til karet (6) bli ledet til det annet rom (8 eller 7), samtidig som væske, som befinner seg i det første rom (7 eller 8)blir tømt fra dette.

10. Innretning hovedsakelig som foran beskrevet og som vist på fig. 1.