BRPI0710870A2 - moldura isolante microestruturada para células de eletrólise - Google Patents

Abstract

MOLDURA ISOLANTE MICROESTRUTURADA PARA CéLULAS DE ELETRóLISE. A presente invenção refere-se a uma moldura isolante de uma célula de eletrólise tendo uma seção interna microestruturada permitindo a penetração do eletrólito mesmo se a seção estruturada é parcialmente ou completamente sobreposta pela membrana, e para uma célula de eletrólise equipada com a mesma.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MOLDURA ISOLANTE MICROESTRUTURADA PARA CÉLULAS DE ELETRÓLISE".

Antecedentes da Invenção

A presente refere-se a um componente para células de eletrólise de membrana, e em particular direcionada a uma moldura isolante dotada de uma seção interna estruturada que permite a penetração de um processo de eletrólise também nas regiões em contato direto com a membrana. Sob um outro aspecto, a invenção é direcionada a uma célula de eletrólise equipada com dita moldura isolante microestruturada.

Diversos tipos de células de eletrólise para a produção de cloro e hidrogênio e/ou soluções de soda cáustica são conhecidas na técnica pré- via. Em particular, os desenhos de células mais comuns nas aplicações in- dustriais são os tipos filtro-pressão e os tipos "elemento de célula singular", nos quais os elementos são eletricamente conectados em séries.

O desenho de célula a elemento singular, que é por exemplo descrito nas Patentes DE 102 49 508 A1 e DE 10 2004 028 761 A1, com- preende um semi-escudo anódico ou catódico que aloja os respectivos âno- do e cátodo. Uma membrana de intercâmbio iônico é posicionada entre os elétrodos e mantida em posição por adequados flanges. Como especificado na Patente DE 10 2004 028 761 A1, uma moldura isolante é posicionada entre o flange do semi-escudo anódico e a membrana, de modo que a mem- brana venha pressionada entre as superfícies do semi-escudo catódico e a moldura isolante e conseqüentemente mantida em posição.

Desde que a membrana, que tipicamente compreende uma ca- mada sulfônica e uma camada carboxílica, não seja em tensionada durante o procedimento de montagem mas seja simplesmente apoiada horizontal- mente em um dos semi-escudos, a moldura isolante serve também para evi- tar que a membrana oscile e entre em contato com as superfícies metálicas do semi-escudo anódico durante a operação. Nesta consideração, a área de transição entre o semi-escudo e o flange é de particular importância para evitar curto-circuitos e para proteger a membrana de eventuais danos. Por estas razões, a moldura isolante é superdimensionada para então salientar- se por uns poucos milímetros no compartimento interno e separar a mem- brana das superfícies metálicas adjacentes do semi-escudo.

O efeito indesejado desta medida de segurança é a desativação da membrana nas áreas de contato. Desde que a pressão no compartimento catódico seja mais alta que aquela do compartimento anódico, a membrana é pressionada e direcionada ao compartimento anódico e/ou contra a parte saliente da moldura, e então podendo ser molhada somente no lado oposto da área de contato.

Por causa deste fenômeno de cegueira no lado anódico, a solu- ção cáustica higroscópica presente no lado catódico tende a desidratar a membrana nesta região, causando então a precipitação dos sais na camada carboxílica e eventualmente conduzindo à empolação, deslaminação das duas camadas da membrana e/ou fenômenos de fissuração. Estes danos são às vezes visíveis, mas podem também ser evidenciados por uma outra concentração de cloretos na soda produzida, devido à migração de íons de cloreto ao compartimento catódico por difusão através da área danificada. Os esforços até então dedicados à solução deste efeito indesejado através do melhoramento da dimensão e do posicionamento da moldura isolante não foram satisfatórios, e então ou toleravam-se altas concentrações de cloreto por longos períodos ou substituía-se a membrana mais freqüentemente.

É um dos objetivos da presente invenção reduzir o dano na regi- ão periférica da membrana minimizando o fluxo de íons de cloreto ao lado catódico ou prevenindo-o do todo.

Este e outros objetivos que serão evidentes aos técnicos do se- tor são alcançados por meio da solução técnica descrita nas reivindicações anexas.

Descrição da Invenção

Em uma concretização, a presente invenção é direcionada a uma moldura isolante para células de eletrólise dotadas de uma porção pla- na compreendida de um lado anódico e um lado catódico e tendo uma su- perfície externa de contato, compreendendo uma borda externa adjacente à superfície interna de contato, estruturado para então poder ser penetrado por meio de um eletrólito em caso de uma cobertura parcial ou de uma so- breposição completa. Em uma realização preferida a porção da borda é uma superfície microestruturada. Preferivelmente, esta porção é contínua e corre ao longo do inteiro perímetro da superfície interna de contato.

Em uma concretização preferida, a borda externa é em forma de um degrau plano dotado de uma multiplicidade de projeções variamente mo- deladas; vantajosamente, tais projeções são em forma de protusões cilíndri- cas ou esféricas.

Em uma outra concretização, a porção da borda externa é dota- da de uma série de protusões e depressões onduladas ou entalhadas, cuja estrutura é configurada em modo que as ondulações ou entalhes sejam a- bertos ao longo da espessura da moldura, para então o anólito poder fluir ou difundir para frente e para trás do compartimento anódico à esta região. Em uma construção particularmente preferida, as ondulações ou entalhes são dotados de uma multiplicidade de pequenas aberturas que melhoram a pas- sagem do anólito em ambas as direções. Tais aberturas podem apresentar a forma de furos, canais ou qualquer outra forma geométrica adequada.

Em uma concretização da moldura isolante de acordo com a presente invenção, uma adicional característica vantajosa é dada por uma multiplicidade de pequenas aberturas, furos ou canais, posicionados na por- ção mais externa e penetrando a inteira espessura da moldura isolante. Di- tas aberturas são em comunicação mútua fluida através dos canais dotados na superfície da moldura isolante, preferivelmente dispostos no lado anódi- co, ou seja no lado oposto à membrana. Os canais que colocam as abertu- ras em comunicação fluida um com o outro ou com a superfície interna de contato podem ser vantajosamente dotados em ambos lados de porções planas de moldura isolante. A presença desta estrutura a canais em ambos os lados melhora a alimentação e a descarga do anólito.

Além disso, um outro benefício desta configuração é que permite maiores tolerâncias construtivas e de montagem.

Sob um outro aspecto, a presente invenção é direcionada a uma célula de eletrólise que compreende uma moldura isolante como acima des- crito para a selagem dos dois semi-escudos de uma célula e/ou para manter a membrana em posição.

Descrição Breve dos Desenhos

- Figura 1 mostra uma seção da área do flange de uma célula de eletrólise da técnica prévia.

- Figura 2 mostra uma seção da área do flange de uma célula de eletrólise incluindo uma moldura isolante de acordo com a invenção.

- Figuras 3a e 3b mostram detalhes construtivos de uma concre- tização da moldura isolante de acordo com a invenção.

Descrição Detalhada dos Desenhos

figura 1 mostra uma seção da área do flange de uma célula de eletrólise como conhecido na técnica. A membrana 1 é pressionada entre os dois flanges do semi-escudo anódico 2 e do semi-escudo catódico 3, com uma moldura isolante 4 sendo posicionada entre o semi-escudo anódico 2 e a membrana 1. No caso de uma montagem padrão, uma região 5 da moldu- ra isolante 4 salienta-se no interior da célula de eletrólise.

Dado que a pressão no compartimento catódico 6 é de 2 a 4 KPa (20 a 40 mbar) mais alta que ao interno do compartimento anódico 7, a membrana 1 é comprimida contra a região saliente 5 da moldura e não pode mais ser molhada localmente pelo anólito que provém do compartimento anódico 7.

A figura 2 mostra uma seção equivalente da área do flange de uma célula de eletrólise onde é instalada uma moldura isolante de acordo com a invenção: a moldura isolante 4 é modelada em forma de degrau, onde a borda do degrau 10 em correspondência com a porção externa da borda 8 tem uma espessura reduzida com relação a área circunstante. Para manter a membrana 1 hidratata, uma multiplicidade de protusões esféricas 9 são montadas na porção externa da borda 8, ditas protusões 9 fornecem suporte para a membrana 1, sem segar completamente o lado da membrana de fren- te ao compartimento anódico 7 que permanece parcialmente descoberto.

Neste caso, a moldura isolante, 4 e a borda do degrau 10 são posicionados em modo tal que a dita borda 10 é localizada dentro da área do flange dos dois semi-escudos. Então, depois da instalação, a membrana 1 é comprimida fora da borda 10 e desativada em ambos os lados para então impedir uma umidade unilateral e prevenir a deterioração da membrana. A diferença do desenho da técnica prévia mostrado em fig. 1, neste caso a região saliente 5 da moldura pode ser montada com maiores tolerâncias.

figura 3a ilustra uma vista do alto da moldura isolante 4 de acor- do com a invenção, dotada de canais 14 e pequenas aberturas 15. A porção da borda externa 8 entre a superfície de contato externa 13 e a superfície de contato interna 12 é dotada de uma multiplicidade de aberturas 15 em recí- proca comunicação fluida através de microcanais 14 correndo ao longo da direção transversal e longitudinal, como mostrado pelas linhas. As aberturas maiores 11 fora da porção mais externa da borda 8 servem para os parafu- sos de selagem usados para comprimir o flange (não mostrado).

A figura 3b ilustra um detalhe ampliado da moldura isolante 4 ao longo da seção A-A da figura 3a. É mostrado que o lado anódico 17 é mode- lado em uma maneira equivalente ao lado catódico 16 e que os microcanais 14 são dotados em ambos os lados de moldura isolante e dispostos em uma rede de comunicação que coloca as aberturas 15 em recíproca comunicação fluida. Os microcanais 14 dispostos perpendicularmente à superfície de con- tato interna 12 são abertos na direção do compartimento anódico 7 de modo que o anólito possa penetrar na rede de comuniciaçao dos canais, passando através das aberturas 15 e finalmente alcançando o lado da membrana de frente ao compartimento anódico 7.

Exemplo

Com a finalidade de comparação, foi operada uma célula de ele- trólise industrial com uma superfície de membrana de 2.7 m2 em condições padrão com uma densidade de corrente de 6 kA/m2, monitorando a concen- tração de cloreto na soda cáustica produzida. A concentração inicial na soda cáustica produzida alcançava de 14 a 20 ppm, e iniciava a aumentar Ienta- mente depois de aproximadamente 200 dias de funcionamento, superando um valor de 50 ppm depois de aproximadamente um ano.

Depois de um período de 150 dias era já possível observar a formação de bolhas na borda externa da membrana.

Uma célula de eletrólise equivalente com uma superfície de membrana de 2.7 metros quadrados equipada com uma moldura isolante de acordo com a presente invenção foi submetida a um teste de duração simi- lar.

Não foi observado algum aumento na concentração de cloreto depois de 200 dias de teste; e sobretudo, nenhum fenômeno de bolhas du- rante todo o período de teste. O último aspecto é uma indicação confiável que a concentração de cloreto no compartimento catódico permanece a bai- xos níveis por todo o tempo, permitindo um aumento do período de vida da membrana.

A descrição acima não deve ser entendida como Iimitante da invenção, que poderá ser praticada de acordo com diversas concretizações sem fugir dos objetivos da mesma,e cuja extensão é exclusivamente defini- da pelas reivindicações anexas.

Na descrição e nas reivindicações da presente invenção a pala- vra "compreende" e suas variações tais como "compreendendo" e "compre- endido" não tem a intenção de excluir a presença de outros elementos ou componentes adicionais.

Claims (13)

1. Moldura isolante para célula de eletrólise dotada de uma su- perfície plana compreendida de um lado anódico e um lado catódico e tendo uma superfície externa de contato, caracterizada pelo fato de que a porção externa da borda adjacente à dita supefície interna de contato é estruturada para então poder ser penetrada pelo eletrólito no caso de parcial ou comple- ta cobertura ou sobreposição.

2. Moldura de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que dita porção externa da borda há uma superfície micro- estruturada.

3. Moldura de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que dita porção externa da borda é contínua e corre ao longo do inteiro perímetro da dita superfície interna de contato.

4. Moldura de acordo com qualquer uma das reivindicações pre- cedentes, caracterizada pelo fato de que dita porção externa da borda apre- senta a forma de um degrau compreendendo uma multiplicidade de proje- ções.

5. Moldura de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que ditas projeções são em forma de protusões cilíndricas ou esféri- cas.

6. Moldura de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizada pelo fato de que dita porção externa da borda é dotada de uma série de protusões e depressões onduladas ou entalhadas.

7. Moldura de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que ditas protusões e depressões onduladas ou entalhadas são a- bertas ao longo da espessura da moldura.

8. Moldura de acordo com qualquer uma das reivindicações pre- cedentes caracterizada pelo fato de que dita porção externa da borda é do- tada de uma multiplicidade de aberturas.

9. Moldura de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que ditas aberturas são em forma de furos ou canais.

10. Moldura de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizada pelo fato de que ditas aberturas são em comunicação fluida uma com a outra através de canais dotados em ao menos um lado da porção externa da bor- da.

11. Moldura de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que dito ao menos um lado da moldura dotada de canais é o lado anódico.

12. Célula de elétrolise compreendendo um compartimento anó- dico e um compartimento catódico divididos por uma membrana caracteriza- da pelo fato de que compreende ulteriormente uma moldura isolante como definido em uma das reivindicações precedentes.

13. Moldura isolante para célula de eletrólise substancialmente como mostrada e descrita com referências aos desenhos.