NO770624L - Koblingskrets for elektrolyseceller - Google Patents

Description

Kbblingskrets for elektrolyseceller.

I den kjemiske industri anvendes i stor utstrekning elektrolyseceller for fremstilling av forskjellige råstoffer, slik som hydrogen, oksygen, klor, hydrooksyder av alkalimetaller, klorater, klorider og andre kjemikalier. Forskjellige typer av elektrolyseceller er i praktisk bruk, f.eks. celler med horisontale eller vertikale anoder; celler med bare et anode- og katoderom, såkalte monopolare celler? liksom celler med et storre antall anode- og katoderom i elektrisk seriekobling, de såkalte bipolare celler.

På grunn av den begrensede produksjonskapasitet for en enkelt elektrolysecelle, omfatter industrielle elektrolyseanlegg vanligvis et storre antall elektrolyseceller i seriekobling, således at det dannes en såkalt cellekrets. I en klor/alkali-cellekrets, som anvendes for fremstilling av klor, hydrogen og alkalihydroksyder, kan f.eks. omfatte 50 til 100 celler eller mer. Sådanne kretser er utstyrt med overgangsledere mellom alle celler, således at en og samme strom flyter gjennom hele kretsen. Sådanne overgangskoblinger mellom cellene er utfort i godt ledende metaller, f.eks. kobber eller aluminium. Hver sådan leder danner forbindelse mellom katodeuttaket fra en celle og anodeinntaket for den tilstøtende celle.

X mange tilfeller, men særlig når det gjelder klor/alkali-celler, er levetiden for visse celledeler, slik som anoder, membraner og andre celledeler, sterkt begrenset. Dette forhold krever at de enkelte celler fjernes fra cellekretsen fra tid til annen og transporteres til et celleverksted for utskiftning av forbrukte eller ødelagte celledeler. Vanligvis er cellekretser av = foreliggende art utstyrt med transporterbare forbikoblingsbrytere for kobling av den elektriske strora i cellekretsen forbi hver skadet celle og mellom de to inntilliggende naboceller, således at stabil drift av cellekretsen kan opprettholdes uten avbrytelser på grunn av skader i enkelte celler.

F6r fjerning av en skadet celle, må tilkoblingskiemmene for forbikoblingsbryteren kobles til henholdsvis katodeuttaket fra den ene nabocelle og anodeinntaket til den annen nabocelle.

Etter en påfølgende slutning av bryteren kan så dai skadede

celle kobles ut av strørakretsen og deretter elektrisk frakobles nevnte to naboceller. Denne frakobling utføres ved fjerning av overgangslederne mellom cellene, og vekten av hver av dissed ledere må derfor ikke være for stor. For celler med høy strøm-styrke må det derfor anordnes flere enkelte overgangsledere mellom cellene. Vanligvis er disse enkelte overgangsledere mellom cellene anbragt tvers over lengdeutstrekningen av mellomrommet mellom cellene. For fjerning eller innsetning av overgangslederne må dette mellomrom ha visse klaringer som gjør det mulig for en operatør å arbeide i mellomrommet.

Nødvendigheten av sådanne arbeidsrom mellom alle celler innebærer en viss ulempe ved konvensjonelle kretser for monopolare celler, særlig sammenlignet med kretser for bipolare celler. Bipolare celler omfatter flere anode- og katoderom i elektrisk seriekobling, således at forbindelsen mellom tilstøtende anode- og katoderom kan utfores ved direkte kobling på baksiden av vedkommende rom. Ved stromkretser for bipolare celler er det således bare nødvendig med overgangsledere og arbeidsrom mellom det siste rom i en celle og det første rom i den nærmest liggende celle, og det vil være åpenbart at mengden av ledermaterial for overgangsledere og nødvendig gulvplass vil være meget lavere i dette tilfelle enn for kretser med monopolare celler og samme produksjonskapasitet. En krets av monopolare celler kan f.eks. omfatte 100 celler som drives med en cellestrøm på 100 KA. En tilsvarende krets for bipolare celler med samme produksjonskapasitet og med samme cellestr$m på 100 kA kan omfatte 10 celler, som hver er utstyrt med 10 anoderom og 10 katoderom. I begge disse tilfeller kan cellene anordnes i to parallelle rekker,

som hver omfatter halvparten av det totale antall celler. Den

monopolare cellekrets vil følgelig omfatte 98 mellomrom mellom cellene, mens den tilsvarende bipolare cellekrets bare behøver åtte sådanne mellomrom. Den påkrevede materialmengde for overgangsledere mellom de monopolare celler vil således være omkring 12 ganger større enn for de nevnte bipolare <celler, og lengdeutstrekningen av hver monopolar cellerekke vil være minst 20 meter lengétf enn dén tilsvarende bipolare cellerekke.

På den annen side vil i henhold til det ovenfor angitte sammenligningseksempel hver bipolar celle ha ti ganger høyere produksjonstakt, ti ganger høyere spenningsfall og omkring ti ganger høyere vekt enn hver monopolar celle. Som en følge av disse forhold foreligger det forskjellige ulemper ved bipolare cellekretser i de tilfeller det er nødvendig å fjerne enkelte celler under fortsatt kontinuerlig drift av kretsen, slik som f .eks. ved kloralkali-elektrolyse. Ved fjerning av en bipolar celle vil den driftsdyktige andel av kretsen være 9056, sammenlignet med 99% ved fjerning av en monopolar celle. Forbikoblingsbryteren for den bipolare cellekrets må konstrueres for ti ganger høyere spenningsfall. Transportutstyret for overføring av bipolare celler fra cellekretsen til celleverkstedet, såvel som dette verksted i seg selv, må utføres med henblikk på den ytterst høye vekt og omfang av sådanne bipolare celler. Videre vil en bipolar celle ha en vesentlig mer komplisert konstruksjon enn en monopolar celle, hvilket kan føre til mer vedlikéholds-og reparasjonsarbeide.

Disse ulemper kan være hovedgrunnene til at monopolare cellekretser dominerer i det viktige anvendelseområde som omfatter kloralkali-elektrolyse.

Det er et formål for foreliggende oppfinnelse å fremskaffe en ny køblingskrets for monopolare celler og med minst mulig mellomrom mellom cellene, således at det oppnås vesentlig nedsatt nødvendig materialmengde for overgangslederne mellom cellene, samt samtidig vesentlig nedsatt gulvplassbehov, således at man nærmer seg hovedfordelene ved bipolare cellekretser, men unngår de forskjellige ulemper ved sådanne kretser av bipolare celler, slik

som nevnt ovenfor.

Dette problem loses ved hjelp av en cellekrets som omfatter et antall monopolare elektrolyseceller som er elektrisk seriekoblet og innbyrdes sammenkoblet ved tjelp av overgangsledere mellom cellene, idet hver celle er utstyrt med et anodeinntak og et katodeuttak og kretsen ytterligere omfatter minst en bevegelig forbikobl-Sngjfbryter med ledere for elektrisk forbindelse mellom to celler som ligger på hver sin side av en skadet celle når bryteren anbringes under nevnte celler. Koblingskretsens særtrekk i henhold til oppfinnelsen består herunder i at nevnte katodeuttak rager ut på undersiden av cellenes bunn og er på det utragende avsnitt forskynt med kontaktflater for kontaktstykker på overgangslederne og med kontaktflater for bryterledere, således at nevnte overgangsledere kan forbindes med nevnte bryterledere over kontaktflater som er slik aa. ordnet at de er tilgjengelige fra undersiden av cellene, hvorved også de enkelte celler kan anordnes i serie med minst mulig innbyrdes mellomrom.

Den nye koblingskrets for monopolare celler i henhold til foreliggende oppfinnelse kan anvendes ved forskjellige elektrolyse-typer, men den viktigste anvendelse vil være ved'elektrolyse av saltopplosninger for fremstilling av klor, hydrogen og alkali-metallhydroksyder i membranceller med vertikale elektroder. Følgende detaljerte beskrivelse vil derfor bli gitt i forbindelse med denne velkjente type elektrolyseceller.

I henhold til foreliggende oppfinnelse løses problemet med utelatelse av arbeidsrommet mellom cellene ved en ny konstruksjon av cellenes katodeuttak i forbindelse med en hensiktsmessig celleforra og en hensiktsmessig utførelse av vedkommende forbikoblingsbryter. Konvensjonelle celler med vertikale elektroder har en tilnærmet kvadratisk form, hvilket betyr at cellenes bredde (cellenes utstrekning i retning av cellerekken) er omtrent lik cellelengden -cellenes utstrekning vinkelrett på cellerekken). Forbikoblingsbryteren er ved konvensjonelle kretser av celler med vertikale elektroder anbragt i en arbeidskoniidor ved siden av cellerekken. Ved sådanne konvensjonelle kretser med konvensjonelle cellekonstruksjoner, kan et arbeidsmellorarom mellom hvert enkelt cellepar ikke unngås. Men i henhold til ent ny cellekonstruksjon som er beskrevet i US patentansøkning med serienummer 542.537, er det mulig å gi sådanne celler med vertikale elektroder et høyt forhold mellom cellelengde og cellebredde, og i forbindelse med en ny bryterkonstruksjon som er beskrevet i US patentskrift nr. 3.930.978> er det nu mulig å anbringe forbikoblingsbryteren under en cellerekke i stedet for ved siden av den. Ved sådanne nye celleformer og en sådan ny bryterutforelse vil det være mulig å anordne cellekretser uten arbeidsrom mellom cellene, ved anvendelse av den nye konstruksjon av leatodeuttaket i henhold til foreliggende oppfinnelse. I forbindelse med foreliggende oppfinnelse er det av vesentlig betydning at vedkommende cellekrets omfatter et antall monopolare celler anbragt i minst en rekke og plassert, i eti tilstrekkelig høyde over gulvplanet til at minst en bevegelig forbikoblingsbryter kan innstalleres på gulvområdet under cellerekken, og operatører kan arbeide i dette gulvområde ved fjerning av en skadet celle, samtidig som alle celledeler som tjener til elektrisk sammenkobling av cellene og forbikoblingsbryteren, hvilket vil si katodeuttakenesog anodeinntakenes kontaktområder for overgangslederne og forbikoblingsbryterens tilkoblingsklemmer såvel som selve overgangslederne, ©r anordnet på undersiden av cellene, således at de nevnte celledeler er tilgjengelige for en operatør som befinner seg i vedkommende område av gulvplanet. Vider er det av vesentlig betydning ilcherihold til oppfinnelsen at cellene har tilstrekkelig lengde, således at det tillates samtidig tilslutning av overgangslederne og forbikoblingsbryterens ledere med kontaktområder anordnet langs cellens lengdeutstrekning, særlig i det tilfellet overgangsledernes kontaktflater og bryterledernes kontaktflater er anordnet vekselsvis side ved side, hvilket utgjør en foretrukket utførelse i henhold til oppfinnelsen.

Oppfinnelsen vil nu bli nærmere beskrevet under henvisning til

de vedføyde tegninger, hvorpå»

Fig. 1 viser skjematisk en del av en krets av monopolare celler i henhold til foreliggende oppfinnelse» fig. 2 viser et avsnitt av et typisk katodeuttak utfort i henho&d til foreliggende oppfinnelse»

fig. 3 viser et avsnitt av en annen utførelse av et typisk katodeuttak i hea hold til oppfinnelsen, og

fig. 4 viser et typisk arrangement i henhold til oppfinnelsen av elektrolyseceller i et cellerom.

Fig. 1 viser en del av en krets av monopolare celler i henhold til foreliggende oppfinnelse. Cellene omfatter en cellebunn 1,

et cellehylster 2 som omslutter anode- og katoderommet, samt et celledeksel 3. Den strøm som flyter inn 1 en celle gjennom overgangslederne^ 4 og katodeinntaket 5, passerer gjennom anode-

og katoderommet innvendig i cellehylsteret 2, og forlater cellen gjennom katodeuttaket 6, hvorpå strømmen flyter inn i de påfølgende overgangsledere 4 og så videre. Den transporterbare forbikoblingsbryter 7 er vist i en stilling hvor den er forbundet med henholdsvis høyre og venstre celle i figuren ved hjelp av bryterledere 8 og 9. I denne stilling tjener forbikoblingsbryteren til å føre elektrisk strøm forbi den midtre celle i figuren.

I henhold til foreliggende oppfinnelse er cellenes katodeuttak forhenget til å rage ut på undersiden av cellebunnen 1, og kontaktområdet 10 for overgangslederne 4 så vel som kontaktområdet II for bryterlederne 8 er anordnet på denne utragende forlengelse av katodeuttaket 6. Bryterlederne 9 er forbundet med overgangslederne 4 i kontaktområdet 12. Det vil være åpenbart at alle kontaktområder 10, 11 og 12 er tilgjengelig for en operator som befinner seg på gulvområdet under cellene. Dette betyr at alle nødvendige arbeidsoperasjoner ved kobling av overgangslederne og bryterlederne til og fra kontaktområdene ved fjerning av en celle, kan utføres fra vedkommende gulvområde, således at det ikke vil være nødvendig å anordne store mellomrom mellom cellene for utførelse av sådait koblingsarbei.de. Cellene er derfor anbragt tett sammen i cellerekken og bare adskilt av en liten klaring som er tilstrekkelig fpa lett å kunne løfte ut en skadet celle fra cellerekken samt bekvem anbringelse av en ny celle på samme sted. Katodeuttaket 6 kan være utført i hvilket som helst elektrisk ledende material, f ♦eies. stål eller kobber eller en kombinasjon av sådanne materialer. Overgangslederne 4 og bryterlederne 8 og 9 bor fortrinnsvis være utført i meget godtfeelekfcrisk ledende material, slik som f.eks. kobber eller aluminium, og kan utgjøres av en eller flere bøyelige samleskinner, for således å lette ledernes kobling til og fra vedkommende kontaktområder. Fig. 2 viser et avsnitt av den side av katodeuttaket 6 som overgangslederne 4 er forbundet med. I denne utførelse ender hver gruppe på f&re overgangsledere 4 i et kontaktstykke 13, som ved hjelp av gjengede bolter 14, muttere 15 og trykkplater 16 er forbundet med kontaktområdet 10. Kont akt stykkene 13 omfatter tunger 17 for eventuell forbindelse med bryterlederne 9. Fig. 3 viser ét avsnitt av den side av katodeuttaket 6 hvor bryterlederne 8 kan tilsluttes, hvilket vil si den motsatte side av den som er vist i fig. 2. I den foreliggende utførelse er bryterlederne 8 forbundet med katodeuttaket 6 på sådan måte at senterlinjene for bryterlederne befinner seg nøyaktig midt mellom senterlinjene for kontaktstykkene 13. Ved et sådant arrangement sikres det at bryterlederne på ingen måte kommer i konflikt med de gjengede bolter 14 og muttere 15 som tjener til fastklemming av kontakt stykkene 13 på motsatt side av katodeuttaket 6*Fig. 4 viser typisk innredning av et cellerom for en cellekrets i henhold til foreliggende oppfinnelse. Den viste krets omfatter 100 celler, i, 2, 3....... 100, anordnet i to rekker. Denne krets drives med en strømstyrke på 100 kA, og har en daglig produksjon på omkring 300tonn klor, hvilket omtrent utgjør en middels produksjonskapasitet for en klorfabrikk. Hver celle har en bredd© på 0,9 meter, og mellom cellene er det anordnet en klaring på 0.,1 meter. Den totale lengde av en cellerekke vil således være omkring 50 meter. Cellenes lengde er omkring 5 meter, således at denne dimensjon og bredden av arbeidskorridorene mellom og på utsiden av cellerekkene krever en bredde på celle-roramet på omkring 20 meter. Dette betyr at kravet til gulvplass for denne cellekrets på 100 celler er omkring 1000 ra . ;De ovenfor omtalte figurer anskueliggjør de forskjellige fordeler ved foreliggende oppfinnelse. Det vil være åpenbart at alt koblingsarbeide i forbindelse med elektrolysecellene og en forbikoblingsbryter ved celleutskiftning kan utfores fra undersiden, hvor det er tilstrekkelig plass rundt forbikoblings-brytejnen for lett og sikker utførelse av dette arbeide. Ved cellekretser av tidligere kjent art, tvinges operatorene til å utfore dette utskiftningsarbeide fra en trang arbeidskorridor mellom cellene, med begrenset bevegelsefrihet for håndtering av verktoy og kobllngsdeler samt utsatt for intensiv varmestråling fra cellene. Cellekretser i henhold til foreliggende oppfinnelse gir således forbedrede érbeidsforhold for eelleoperatørene, samtidig som det oppnås større sikkerhet og nedsatte fysiske anstrengelser under celleutskiftningen. ;Videre krever cellekretser i henhold til foreliggende oppfinnelse meget mindre gulvplass enn monopolare cellekretser av tidligere kjent utførelse. Som angitt i forbindelse mad det viste utførelseeksempel i fig. 4, krever den angitte cellekrets med 100 celler som drives ved en strømstyrke på 100 kA, en gulvplass på omkring 1000 m . En cellekrets av tidligere kjent utførelse og med samme celleantail, cellestørrelse og strømstyrke samt anordnet i to rekker, vil på den annen side kreve en klaring mellom cellene på minst 0,6 meter for å gi den nødvendige plass for koblingsarbeide. Den totale lengde av hver cellerekke vil nu være omkring 75 meter, og med en bredde på cellerommet på 20 meter, vil den påkrevede gulvflate være 1500 m . Por cellekretser med en klorproduksjon på 300 toan pr. dag vil det således forstås at en utførelse i henhold til foreliggende oppfinnelse medfører en plassbesparelae på omkring 500 m . farmere bestemt har det vist seg at uavhengig av produksjonskapasiteten vil cellekretser i henhold til foreliggende oppfinnelse kunne oppnå en gulvplass-bésparelse på omkring 30% sammenlignet med monopolare cellekretser av tidligere kjent art. ;En ytterligere fordel ved cellekretser i henhold til foreliggende oppfinnelse er den vesentlige nedsettelse av den anvendte mengde godt ledende material i overgangslederne. Det skal i denne ;forbindelse atter henvises til utforelseeksemplet i fig. 4, og „ for nevnte strømtransport på 100 kA fra celle til celle kreves i denne krets et samlet tverrsnitt på omkring 500 cm for de anvendte overgangsledere, hvis disse ledere er utført i kobber. Dette store tverrsnitt er nødvendig for å begrense spennings-fallet og varmeutviklingen i overgangslederne. Da forskjellen i celleklarlngen mellom en cellekrets i henhold til foreliggende oppfinnelse og en krets av tidligere kjent art beløper seg til 0,5 meter, vil den totale lengdereduksjon for overgangslederne i kretse!* som helhet beløpe seg til omkring 50 meter, hvilket tilsvarer en besparelse av kobbermaterial på mer enn 20.000 kg i vedkommende krets, og således en tilsvarende betraktelig omkostningsreduksjon. Uavhengig av produksjonskapasiteten har det vist seg at det ved cellekretser i henhold til foreliggende oppfinnelse i almindelighet kan oppnås besparelser av kobbermaterial på omkring 2 kg pr. kA og pr. celle sammenlignet med monopolare cellekretser av tidligere kjent utførelse.

Lengdenedsettelsen for overgangslederne fører følgelig til nedsatt spenningstap og effekttap samt mindre varmeutvikling. Under fornyet henvisning til utførelseeksemplet i fig. 4, kan det angis at celiekretser i henhold til foreliggende oppfinnelse kan gi effektbesparelser på omkring 15 kWh pr. tonn produsert klor sammenlignet med monopolare cellekretser av kjent type.

Den koblingskrets for monopolare celler i henhold til foreliggende oppfinnelse som er beskrevet ovenfor, vil for forskjellige elektrolyseprosesser medføre forbedret celledrift, mindre gulvplass samt besparelse av godt ledende materialer og følgelig nedsatte kapitalinvesteringer og driftomkostninger sammenlignet med kjent teknikk.

Oppfinnelsen har blitt beskrevet i forbindelse med spesielle, anskueliggjørende utførelseeksempler, men det vil forstås at oppfinnelsen ikke er begrenset til disse eksempler. Det vil være åpenbart at en fagmann på området lett vil kunne finne frem til analoge og ekvivalente utførelser uten at det derfor avvikes fra oppfinnelsens ramme, slik den er definert i de etterfølgende patentkrav,.

Claims (5)

1. Koblingskrets for elektrolyseceller 1 seriekobling og som omfatter et antall monopolare celler med vertikale elektroder og anordnet i minst en rekke på sådan måte at katodeuttak, overgangsledere til naboceller og anodeinntak er anordnet langs lengdeutstrekningen og på undersiden av hver celle samt tilgjengelig fra et betjeningsområde under cellerekken, således at nevnte cellekrets er i stand til å motta minst en transporterbar forbikoblingsbryter anordnet for bevegelse på undersiden av cellerekken langs rekkens centerlinje; karakterisert ved at nevnte transporterbare forbikoblingsbryter ved sin ene tilslutningsklemme er utstyrt med ledere som kan forbindes med katodeuttaket fra en hvilken som helst gitt celle, og ved sin annen klemme er utstyrt med ledere som kan forbindes med anodeinntaket for en celle som befinner seg en celleavstand fra nevnte gitte celle, idet nevnte katodeuttak, overgangsledere og anodeinntak samt forbikoblingsbryterens nevnte ledere er utført slik at, ved fjerning av en skadet celle, alle arbeidsoperasjoner i forbindelse med kobling av forbikoblingsbryteren til og fra de tilstøtende celler samt kobling av overgangslederne til og fra de tilstøtende celler, kan utføres fra nevnte betjeningsområde under cellerekken.

2. Koblingskrets som angitt i krav 1, karakterisert ved at katodeuttaket, overgangslederne mellom cellene og anodeinntaket er jevnt fordelt langs hovedsakelig hele cellelengden.

3. Koblingskrets som angitt i krav 1, karakterisert ved at kontaktorarådene for henholdsvis tilslutning av overgangslederne og tilslutning av bryterlederne er anordnet på hver sin, innbyrdes motsatte side av katodeuttaket.

4. Koblingskrets som angitt i krav 1, karakterisert ved at kont akt stykker for bryterlederne og kontakt stykke r for overgangslederne er anordnet vekselsvis langs lengdeutstrekningen av katodeuttaket.

5. Koblingskrets som angitt 1 krav 1, karakterisert ved at klaringen mellom to naboceller i en cellerekke er 0,1 meter eller mindre.