CS254395B1

CS254395B1 - Large flow cell cascade electrolysis

Info

Publication number: CS254395B1
Application number: CS86755A
Authority: CS
Inventors: Jaromir Hlavaty; Jiri Volke; Viktor Bakos
Original assignee: Jaromir Hlavaty; Jiri Volke; Viktor Bakos
Priority date: 1986-02-03
Filing date: 1986-02-03
Publication date: 1988-01-15
Also published as: CS75586A1

Abstract

Je řešeno konstrukční uspořádání průtočné cely pro elektrolýzu, u níž je do komorového pouzdra vsunut elektrodový blok, tvořený vějířovitě (cik-cak) slože ným třívrstvým pásem z jedné elektrody, separační vložky a protielektrody . Komo rová pouzdra, resp. elektrodové bloky jsou při tom opatřeny přítlačnými přívody elektrického proudu. Do komorového pouzdra je blok elektrod axiálně vsunut tak, že zcela vyplňuje jeho průřez a umožňuje protlačováním kapalného elektrolytu funkční obtékání styčných elektrodových ploch. Navrstvením komor s elektrodovými bloky do sloupce a jejich mechanickým a elektrickým propojením, které řešení umožňuje, se utvoří účinný průtočný kaská dový elektrolyzér . Řešení je využitelné zejména v oblasti organické elektrosynté- zy, ve farmaceutické výrobě, apod.The design of a flow cell for electrolysis is solved, in which an electrode block is inserted into the chamber housing, consisting of a fan-shaped (zig-zag) folded three-layer strip of one electrode, a separation insert and a counter electrode. The chamber housings, or electrode blocks, are provided with pressure connections for electric current. The electrode block is axially inserted into the chamber housing so that it completely fills its cross-section and allows the liquid electrolyte to flow functionally around the contact electrode surfaces by pushing it through. By stacking the chambers with electrode blocks into a column and their mechanical and electrical connection, which the solution enables, an efficient flow-through cascade electrolyzer is formed. The solution is useful especially in the field of organic electrosynthesis, in pharmaceutical production, etc.

Description

Vynález řeší uspořádání velkoplošné průtočné cely kaskádového elektrolyzéru pro elektrolýzu například za cirkulace elektrolyzovaného roztoku.The invention solves the arrangement of a large-area flow cell of a cascade electrolyser for electrolysis, for example by circulating an electrolyzed solution.

Jsou známy průtočné velkoplošné cely popsané v patentovém spisu DE 2 503 819 založené na principu svitkové cely zvané Swiss roli. Konstrukční řešeni zmíněného patentu spočívá v navinutí dvou na sebe položených elektrodových pásů, proložených dvěma pruhy separační tkaniny, na trubicové jádro. Svitky na tomto jádře jsou pak vloženy do trubicového obalu uzavřeného čely. Medium při elektrolýze je rozváděno popsaným způsobem trubkovým jádrem mezi spirálovými závity elektrodových svitků k protějšímu čelu. Je možné umístit a navinout na jádro tvořící osu tělesa průtočné cely několik elektrodových svitků, které lze elektricky propojovat sériově, paralelně a bipolárně. Popsaný typ svitkové cely se vyznačuje velkou plochou a nízkým odporem i dobrou elektrolytickou funkcí.Flow-through cell cells described in DE 2 503 819 based on the principle of a roll cell called the Swiss Roll are known. The design of said patent consists in winding two superimposed electrode strips, interspersed with two strips of release fabric, onto the tubular core. The coils on this core are then inserted into the tubular package of the closed face. The electrolysis medium is distributed in the manner described by the tubular core between the spiral threads of the electrode coils to the opposite face. It is possible to place and wind several electrode coils that can be electrically connected in series, parallel and bipolar on the core forming the axis of the flow cell body. The described type of coil cell is characterized by a large area, low resistance and good electrolytic function.

Mezi nedostatky uvedených průtočných cel patří nepříklad centrické umístění trubicového jádra, které tak představuje z hlediska účinnosti elektrolýzy nevyužitý průřez. K velikosti nevyužitého průřezu cely přispívají i mezery mezi svitky, které vznikají jako důsledek jejich přípravy a sestavování. Vlastní sestavování patří přitom mezi ne zcela snadné a jednoduché operace, zejména vine-li se několik svitků na jedno trubicové jádro. Rovněž řešení elektrických kontaktů elektrodových svitků je složité.The deficiencies of the flow cells mentioned above include, for example, the centric location of the tubular core, which thus represents an unused cross section in terms of electrolysis efficiency. Coil gaps are also contributing to the size of the unused cell cross-section that arise as a result of their preparation and assembly. The assembly itself is one of the not so easy and simple operations, especially if several coils wind into one tube core. The solution of the electrical contacts of the electrode coils is also complicated.

Tyto nedostatky zmenšuje průtočná cela kaskádového elektrolyzéru, jejíž podstata spočívá v tom, že je tvořena v komorovém pouzdře uloženým elektrodovým blokem, který je složen z vějířovitě (cik-cak) složeného třívrstvého pásu sestávajícího z první elektrody separační složky a protielektrody, a kde dále ke skladovým bočním ohybům první elektrody a protielektrody přítlačně přiléhají rozvodné desky z elektricky vodivého materiálu, spojené s přívodem elektrických kontaktů a opatřené přítlačným mechanismem s volitelnou velikostí přítlaku.These drawbacks are reduced by the flow cell of the cascade electrolyzer, which consists of a chambered electrode block consisting of a fan-shaped (zigzag) composite three-layered strip consisting of a first electrode of the separation component and the counter electrode, and wherein The distribution side bends of the first electrode and counterelectrode are abutted by distribution plates of electrically conductive material connected to the supply of electrical contacts and provided with a thrust mechanism with selectable amount of thrust.

Přitom může být určený počet komorových pouzder s vloženými elektrodovými bloky sestaven do sloupce na sebís, přičemž mezi upravené dosedající plochy jsou vložena těsnění, vstupní komorové pouzdro a výstupní komorové pouzdro taktto vzniklého sloupce jsou opatřeny upraveným vstupem a výstupem pro přívod a odvod elektrolyzovaného media a jednotlivé elektrodové bloky uvnitř sloupce jsou od sebe odděleny perforovanou přepážkou z elektricky nevodivého materiálu.In this case, a specified number of chamber cases with inserted electrode blocks can be assembled in a self-contained column, with seals inserted between the treated abutment surfaces, the inlet chamber housing and the outlet chamber housing of the resulting column having a modified inlet and outlet for the inlet and outlet of the electrolyzed medium. the electrode blocks within the column are separated from each other by a perforated partition made of an electrically nonconductive material.

Mezi přednosti konstrukčního uspořádání průtočné cely podle tohoto vynálezu patři skutečnost, že uložení elektrodového bloku, vyplňujícího celý průřez pouzdra komory, umožňuje průtok tekutého media mezi funkčními plochami elektrodových skladů při elektrolýze. Téměř dokonalým vyplněním průřezu komory a použitím jednoho separačního pásu se docílí větší elektrodové plochy proti obdobným známým celám. Popsaná přítlačná konstrukce přívodu elektrického kontaktu k elektrodám je výhodná mimo jiné ze dvou důvodů: Jednak je do vysoké míry spolehlivá ve své podstatě pokud jde o zprostředkování kontaktu mezi rozvodovými deskami a elektrodami, jednak umožňuje příznivě ovlivnit lepší vyplnění vnitřního prostoru cely elektrodovým systémem volbou velikosti přítlačné síly na rozvodné desky. Mezi příznivé skutečnosti se řadí rovněž možnost vytvoření integrálního elektrodového bloku, snadno rozebíratelného a opět sestavitelného, např. v případě čistění, možnost snadné vizuální kontroly skladových bočních ohybů elektrodových pásů, možnost kaskádního sestavování zvoleného počtu komorových pouzder za účelem zvýšení účinnosti elektrolýzy, apod.Advantages of the flow cell design of the present invention include the fact that the placement of an electrode block that fills the entire cross-section of the chamber housing allows fluid medium to flow between the functional surfaces of the electrode stores during electrolysis. Nearly perfect filling of the cross-section of the chamber and the use of a single separation strip results in larger electrode surfaces compared to similar known cells. The described pressure structure of the electrical contact to the electrodes is advantageous for two reasons, for example: Firstly, it is highly reliable in its nature in terms of mediating contact between the distribution plates and the electrodes, and secondly forces on the distribution boards. Among the favorable facts are also the possibility of creating an integral electrode block, easily dismountable and re-assembled, eg in the case of cleaning, the possibility of easy visual inspection of stock side bends of the electrode strips, the possibility of cascading assembly of a selected number of chamber cases to increase electrolysis efficiency, etc.

Příklad konstrukčního uspořádání velkoplošné průtočné cely kaskádového elektrolyzeru je schematicky znázorněn na připojených dvou výkresech: na obr. 1 je uvedeno schéma komorového pouzdra s elektrodovým blokem, na obr. 2 sloupec sestavený z komorových pouzder.An example of the design of a large-area flow cell of a cascade electrolyzer is schematically shown in the accompanying two drawings: Fig. 1 shows a diagram of a chamber housing with an electrode block; Fig. 2 shows a column made of chamber housings.

Na obr. 1 je znázorněn průřez komorovým pouzdrem j! obsahujícím elektrodové uspořádání složené z první elektrody 2» z protielektrody 2 a ze separační vložky 2» přičemž je toto uspořádání vějířovitě (cik-cak) složeno do tvaru hranatého elektrodového bloku 2· První elektroda 2 a protielektroda 2 mohou být z ohebných kovových pásů tlouštky 0,1 až 0,5 mm, separační vložka 3 může mít formu mimoúrovňově pletené či lité tkaniny nebo sítky o síleFIG. 1 is a cross-sectional view of the chamber housing 11; comprising an electrode arrangement composed of a first electrode 2 »of a counter electrode 2 and a separator pad 2», which arrangement is fan-shaped (zigzag) in the shape of a square electrode block 2; the first electrode 2 and counterelectrode 2 may be of flexible metal strips of 0 , 1 to 0.5 mm, the separator pad 3 may be in the form of a grade knitted or cast fabric or a sieve of thickness

0,5 až 1,5 nun z izolačního a chemicky odolného materiálu, např. z polypropylenu, polyethylenu či z teflonu. Komorové pouzdro £ je zhotoveno z elektricky nevodivého, avšak chemicky dostatečně odolného materiálu, jako-je novodur, polypropylen, teflon, kov pokrytý smaltem nebo teflonem atp.0.5 to 1.5 nun of insulating and chemically resistant material such as polypropylene, polyethylene or teflon. The chamber housing 8 is made of an electrically non-conductive but chemically sufficiently resistant material such as novodur, polypropylene, teflon, enamel or teflon coated metal and the like.

Obr. 2 ilustruje schematicky uspořádání, ve kterém jsou komorová pouzdra ji s vloženými elektrodovými bloky 9 sestavena do sloupců na sebe. Upravené dosedající přírubové plochy 10 jsou v tom případě opatřeny těsněními _5 ve formě O kroužků apod. Podle potřeby lze elektrodové bloky 9 ve vnitřních pouzdrech posunout vzájemně tak, aby byly vzdálenosti mezi nimi co nejmenší. Kromě toho lze mezi ně vkládat i perforované nevodivé přepážky 15.Giant. 2 schematically illustrates an arrangement in which the chamber housings are assembled into columns one upon the other with the electrode blocks 9 inserted. The provided abutting flange surfaces 10 are in this case provided with seals 5 in the form of O-rings or the like. If necessary, the electrode blocks 9 in the inner sleeves can be displaced relative to each other so that the distances between them are minimized. In addition, perforated non-conductive baffles 15 may be inserted therebetween.

Vstupní komorové pouzdro 11 a výstupní komorové pouzdro 12 takto vzniklého sloupce jsou opatřeny upraveným vstupem 13 a výstupem 14 pro přívod a odvod elektrolyzovaného media.The inlet chamber housing 11 and the outlet chamber housing 12 of the column thus formed are provided with an adapted inlet 13 and an outlet 14 for supplying and discharging the electrolyzed medium.

V bocích komorových pouzder jsou umístěny přívody elektrických kontaktů T_ s přítlačnými šroubovými maticemi 16. Jejich prostřednictvím lze navíc komory s elektrodovými bloky vodivě propojovat, např. s použitím měděných pásů 17 , bu3 paralelně nebo sériově. V tomto případě hovoříme o monopolárním uspořádání. Jiným, rovněž použitelným, je bipolární zapojení, ve kterém se přivádí elektrický proud pouze mezi jeden elektrický kontakt vstupního komorového pouzdra 10 sestaveného sloupce a jeden elektrický kontakt výstupního komorového pouzdra 11In the sides of the chamber housings, the electrical contacts T1 with the thrust nuts 16 are arranged. In addition, the chambers with the electrode blocks can be conductively interconnected, for example by using copper strips 17, either in parallel or in series. In this case, we are talking about a monopolar arrangement. Another, also applicable, is a bipolar circuit in which electrical current is applied between only one electrical contact of the inlet chamber 10 of the assembled column and one electrical contact of the outlet chamber 11.

Pro elektrolýzu se zde využívá spádu napětí vzniklého uvnitř sloupce.For the electrolysis, the voltage gradient inside the column is used here.

Do komorových pouzder se vloží elektrodové bloky a jejich poloha se zafixuje utažením šroubových přítlačných kontaktů. Sestaví se žádaný počet komor do sloupce a po stažení přírub šrouby se získá průtočný velkoplošný kaskádový elektrolyzér. Jednotlivé komory se propojí elektricky pomocí měděných pásků na šroubových kontaktech a vodiči připojí ke stabilizovanému zdroji stejnosměrného proudu. Celý průtočný elektrolyzér je zapojen do oběhové smyčky složené ze zásobníku kapalného media-elektrolytu, odstředivého čerpadla a tepelného výměníku. Čerpadlem je protlačováno kapalné medium elektrodovými bloky komor, z nichž se zároveň odstraňují plynné a kapalné produkty elektrolýzy, které se dále v oběhové smyčce zpracovávají. Přiváděním nástřiku ode dna sloupce směrem vzhůru se docílí snadno a rychle odvzdušnění cel, jakož i bezproblémový průtok dvoufázové směsi kapalina-plyn.The electrode blocks are inserted into the chamber housings and their position is fixed by tightening the screw pressure contacts. The required number of chambers is assembled in a column and a flow-through large-area cascade electrolyzer is obtained after the flanges have been tightened with screws. The individual chambers are electrically connected using copper strips on the screw contacts and connected to a stabilized direct current source. The entire flow cell is connected to a circulation loop composed of a liquid medium electrolyte reservoir, a centrifugal pump and a heat exchanger. The liquid medium is forced through the pump through the electrode chambers of the chambers, from which the gaseous and liquid electrolysis products are also removed, which are further processed in the circulation loop. By feeding the feed from the bottom of the column upwards, the cells can be vented easily and quickly, as well as a smooth flow of the two-phase liquid-gas mixture.

Při použití cely lze pak postupovat jako v případě oxidace diacetonsorbosy na diaceton2 ketogulonovou kyselinu. Elektrolyzér byl složen ze tří komor s aktivní plochou 1,4 m . Pracovní niklová anoda v elektrodových blocích byla aktivována třikrát opakovanou střídavou polarizací proudem asi 20 až 25A při napětí 2.5V za průtoku vodního roztoku obsahujícího 0,1 molu síranu nikelnatého, 0,1 molu octanu sodného a 0,005 molu hydroxidu sodného vil.The cell can then be used as in the case of diacetonsorbose oxidation to diacetone2 ketogulonic acid. The electrolyzer was composed of three chambers with an active area of 1.4 m. The working nickel anode in the electrode blocks was activated three times by repeated alternating polarization at about 20-25A at a voltage of 2.5V under a flow rate of an aqueous solution containing 0.1 mole of nickel sulfate, 0.1 mole of sodium acetate and 0.005 mole of sodium hydroxide.

Po propláchnutí celé smyčky destilovanou vodou byla zásobní nádoba naplněna vodným roztokem obsahujícím 4 % hydroxidu sodného a 16 % diacetonsorbosy. Při průtoku tohoto elektrolytu rychlostí 2 až 31/min. byl zapojen proud. Při proudu od 25 do 3A a napětí na cele 1.8 až 2.IV probíhala elektrolýza za vývoje vodíku na katodě a oxidace substrátu na diacetonketogulonovou kyselinu na anodě. Během elektrolýzy se udržovala teplota obíhajícího elektrolytu °C. Elektrolyt po elektrolýze byl zpracován obvyklým způsobem. Proudová hustota činila 2After rinsing the entire loop with distilled water, the storage vessel was filled with an aqueous solution containing 4% sodium hydroxide and 16% diacetonsorbose. At a flow rate of 2 to 31 / min. power was connected. At a current of 25 to 3A and a cell voltage of 1.8 to 2.IV, electrolysis was performed with the formation of hydrogen at the cathode and oxidation of the substrate to diacetonketogulonic acid at the anode. The temperature of the circulating electrolyte was maintained at 0 ° C during electrolysis. The electrolyte after electrolysis was treated in the usual manner. The current density was 2

0,05 až 0,2A/dm . Bylo dosaženo produkční rychlosti 33 g hydrátu kyseliny diacetonketogulonové/h. Materiálový výtěžek činil 92 % a proudový výtěžek 65 až 70 %.0.05 to 0.2A / dm. A production rate of 33 g of diacetonketogulonic acid hydrate / h was achieved. The material yield was 92% and the current yield was 65 to 70%.

Předmět vynálezu lze využít zejména v oblasti organické elektrosyntézy, ve farmaceutické výrobě, atp.The present invention can be used in particular in the field of organic electrosynthesis, in pharmaceutical production, and the like.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

A large-area flow cell of a cascade electrolyzer, characterized in that it comprises an electrode block (9) housed in a chamber housing (8) and consists of a fan-folded three-layer strip consisting of a first electrode (1), a separator pad (3) and counterelectrodes (2)

2. A large cell according to claim 1, characterized in that the storage side bends of the first electrode (1) and the counterelectrode (2) are abutted by distribution plates (4) of electrically conductive material connected to the electrical contacts (7) and provided with a pressing mechanism. with optional downforce size.

A large cell according to claim 1 or 2, characterized in that a predetermined number of chamber housings (8) with electrode blocks (9) inserted are stacked on top of each other, wherein seals (5) are inserted between the treated bearing surfaces. the casing (11) and the outlet chamber casing (12) of the resulting column are provided with a modified inlet (13) and an outlet (14) for the inlet and outlet of the electrolyzed medium and the individual electrode blocks within the column are separated from each other by a perforated partition (15) material.