PL205527B1 - Zespół bipolarny elektrolizera typu prasy filtracyjnej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zespół bipolarny elektrolizera typu prasy filtracyjnej.

Kwas chlorowodorowy, HCl w poniższym opisie, jest ważnym produktem ubocznym generowanym w dużych ilościach w pewnej liczbie procesów przemysłowych, wśród których szczególnie ważna jest synteza chlorku winylu przez pirolizę dichloroetanu z następną polimeryzacją do polichlorku winylu, (PCW) i kilku izocyjanianów, które w reakcji z glikolami pozwalają otrzymać rodzinę poliuretanów, w coraz większym stopniu wykorzystywanych do produkcji farb i rozprężanych materiałów piankowych cenionych w zestawianiu układów izolacji cieplnej, jak izolacja ścian lodówek i ścian budynków. Ciągłe rozszerzanie się w skali światowej zdolności produkcyjnych PCW i poliuretanów prowadzi i będzie prowadzić w jeszcze większym stopniu w najbliższej przyszłości do takiego przesycenia rynku HCl, które zagrozi budowie nowych zakładów. Dla uniezależnienia się od warunków takiego trudnego rynku, wewnątrz jednostek syntezy chlorku winylu, od dawna instaluje się bloki tlenochlorkowe, w których generowany drogą pirolizy HCl jest poddawany reakcji z etylenem i tlenem przy wytwarzaniu dichloroetanu, który jest zawracany do pirolizy. W taki sposób powstaje zamknięta pętla HCl, pociągająca za sobą jednakowoż pewne problemy z bezpieczeństwem (możliwość powstawania mieszanin wybuchowych w wyniku stosowania tlenu) i z generowanymi produktami ubocznymi trudnymi do likwidacji.

W ostatnim czasie również HCl pochodzący z produkcji izocyjanianów jest przekazywany do bloków tlenochlorkowych, w przypadku, kiedy te dwie instalacje, PCW i izocyjanianów/poliuretanów, są zbudowane w rozsądnej bliskości.

Rozwiązanie to nie jest szczególnie doceniane przez kierownictwo zakładów izocyjanianów, ponieważ ta integracja ich produkcji w rzeczywistości uzależnia ich od zakładu produkcji chlorku winylu w odniesieniu do planowanych wyłączeń (zwykle związanych z cyklicznością rynku PCW, którego cykle nie pokrywają się z cyklami poliuretanów) i wyłączeń nie oczekiwanych.

Nawet, jeżeli sytuacja przemysłowa pozwala w dużym stopniu sprostać problemom docelowego wykorzystywania HCl będącego produktem ubocznym, to jednak można powiedzieć, że ogólnie biorąc aktualna sytuacja zakładów jest daleka od zadowalającej, i że istnieje niewątpliwa potrzeba opracowania innowacyjnych procesów alternatywnych. Jednym z rozwiązań alternatywnych, szczególnie interesującym, jest elektroliza HCl, z generacją na nowo chloru, zawracanego do instalacji głównej.

Taką elektrolizę można wykonywać zgodnie z jedną z dwóch technologii, bazujących, odpowiednio, na wykorzystaniu gazowego kwasu chlorowodorowego (w stanie, w którym HCl powstaje w wyniku pirolizy dichloroetanu syntezy izocyjanianów) albo wodnego roztworu HCl otrzymanego przez przepuszczenie gazowego HCl przez zasilaną wodą kolumnę absorpcyjną. Taka kolumna jest sprzętem zwykle znajdującym się w instalacjach, które generują HCl jako produkt uboczny, ponieważ roztwór wodny w praktyce stanowi jedyny sposób jego komercjalizacji.

Jak już wspomniano, istniejąca technologia, oparta na bezpośrednim wykorzystaniu gazowego kwasu i przedstawiona w publikacji PCT WO95/44797 zgłoszonej przez firmę DuPont/USA, jest nadal jeszcze w fazie poszukiwania zastosowań, ponieważ ważne problemy przede wszystkim związane z bardzo dużą agresywnoś cią układu reagentów oczekują na znalezienie niezawodnego rozwiązania.

Ostatnia z wymienionych technologii, z wykorzystaniem wodnych roztworów kwasu (znana jako proces Hoechst-Bayer-Uhde) zastosowana została w pewnej liczbie realizacji przemysłowych, lecz nie osiągnęła oczekiwanego uznania potencjalnych klientów. Powodem tej w zasadzie dezaprobaty jest duże zużycie energii, około 1500 kWh/tonę chloru, przy gęstości prądu wynoszącej 4000 A/m², głównie tytułem energii swobodnej związanej reakcją konwersji HCl do chloru i wodoru, zgodnie z następującym wzorem:

2HCI CI2 + H2

Innym powodem, nie drugorzędnym, są duże nakłady inwestycyjne, których wymagają komory eIektroIizy, których płyty bipoIarne muszą być wykonane z arkuszy nieprzepuszczaInego dIa gazów grafitu, niebezpiecznie kruchego, Iub z arkuszy kompozytowych otrzymywanych przez prasowanie mieszaniny proszkowej grafitu i obojętnego chemicznie spoiwa poIimerowego, zwykIe poIimeru fIuorowego, w wysokiej temperaturze.

W ceIu częściowego przezwyciężenia tych probIemów, było proponowane, na przykład przez GeneraI EIectric Co. zastąpienie katody wydzieIającej wodór katodą zużywającą tIen.

W tym przypadku ogóIna wynikowa reakcja eIektrochemiczna jest następująca:

2HCI + 1/2 O2 CI2 + H2O

PL 205 527 B1

Odpowiednia wypadkowa energia swobodna jest znacznie mniejsza, niż energia reakcji z wydzielaniem wodoru, i to przyczynia się do zmniejszenia zużycia energii elektrycznej do 1000 - 1100 kWh na tonę chloru. Wielkość nakładów kapitałowych pozostaje nie zmieniona i nadal duża, ponieważ materiałem konstrukcyjnym dla elektrolizerów jest grafit lub kompozyty grafitowe. Ważnym krokiem w stronę warunków ekonomicznej realizowalności jest propozycja zawarta w opisie patentowym US 5,770,035: proces elektrolizy wodnych roztworów kwasu chlorowodorowego, z zastosowaniem katody zużywającej tlen, jest prowadzony w komorze, w której obydwa przedziały, katodowy i anodowy, są zbudowane z tego samego metalu, a w szczególności metalu zaworowego, na przykład tytanu lub jego stopów. Zbiór komór lub zespołów bipolarnych ułożonych w stos zgodnie z układem znanym jako prasa filtracyjna, stanowi elektrolizer, który jest rzeczywistym przemysłowym blokiem produkcyjnym.

Zgodnie z bardziej konwencjonalną konstrukcją, dwie ściany przedziału anodowego i katodowego dwóch sąsiednich komór mogą być doprowadzane do mechanicznego i elektrycznego kontaktu, albo przez odpowiedni docisk (koncepcja znana specjalistom z tej dziedziny jako „jednokomorowa”) lub przez połączenie za pomocą odpowiednich elementów zaciskających, jak na przykład nakrętki lub spawy (zespoły bipolarne). W tym ostatnim przypadku, fakt, że przedziały katodowy i anodowy są wykonane z tego samego metalu, upraszcza zasadniczo procedury produkcyjne i co bardziej interesujące, czyni możliwą nowego rodzaju konstrukcję, w której katoda i sąsiadująca z nią anoda są rozdzielone przez pojedynczą ścianę, której dwie powierzchnie czołowe obejmują funkcję dwóch rozdzielonych i sąsiadujących ścian w technologii tradycyjnej. Tego typu konstrukcja minimalizuje stosowanie kosztownego materiału, jak na przykład tytanu i jego stopów przy niezaprzeczalnych zaletach ekonomicznych, i jest przedstawiona w ogólnych zarysach w opisie patentowym US 5,770,035.

Tym niemniej pewnym ograniczeniem w przyjęciu tego typu konstrukcji jest potrzeba, aby dwa przedziały, katodowy i anodowy były zaopatrzone w kołnierze obwodowe umożliwiające ich uszczelnienie, we współdziałaniu z odpowiednimi uszczelkami, uniemożliwiając wycieki płynów występujących w procesie. Zgodnie ze znanymi procedurami produkcyjnymi obwodowe kołnierze w rzeczywistości otrzymuje się albo przez kształtowanie naciskowe albo przez zaginanie arkuszy stanowiących ściany przedziałowe: taka operacja daje zazwyczaj zadowalające rezultaty, z małą procentową liczbą odpadów z powodu niedostatecznej płaskości lub wad mechanicznych, ponieważ każda ściana jest obrabiana z utworzeniem tylko jej własnego kołnierza odpowiednio katodowego lub anodowego. Natomiast w przypadku pojedynczej ściany separującej dwa przedziały, ściana musi podlegać, pracując zgodnie ze znanymi procedurami, podwójnemu kształtowaniu, ponieważ obydwa kołnierze, katodowy i anodowy, są niezbędnymi częściami tej samej ściany. Podwójne kształtowanie, niezależnie od faktu, że jest realizowane przez kształtowanie naciskowe lub przez zaginanie, wprowadza duże naprężenia mechaniczne do materiału z często niemożliwą do zaakceptowania płaskością i/lub wadami, na przykład pęknięciami. Zatem istnieje poważna potrzeba określenia konstrukcji i metod wytwarzania umożliwiających produkcję z dobrą niezawodnością zespołów bipolarnych dla elektrolizerów typu prasy filtracyjnej, w których ściana separacyjna sąsiednich przedziałów, katodowego i anodowego jest charakterystyczna i zaopatrzona w dwa obwodowe kołnierze, katodowy i anodowy, charakteryzujące się dobrą płaskością i brakiem wad mechanicznych.

Zespół bipolarny elektrolizera typu prasy filtracyjnej zawierający pojedynczy arkusz metalu, lub stopu metalu, dobranego z grupy odpornych na korozję metali lub stopów metali, przy czym dwie strony tego pojedynczego arkusza działają odpowiednio jako ściana anodowa i ściana katodowa, i pojedynczy arkusz jest zaopatrzony w dwa obwodowe kołnierze, przy czym przynajmniej jeden z kołnierzy jest elementem kształtowanym wstępnie, nie integralnym z pojedynczym arkuszem, odznacza się według wynalazku tym, że przynajmniej jeden z kołnierzy z elementu kształtowanego wstępnie stanowi ramę z pręta lub przewodu o przekroju wielokątnym z metalu lub stopu metalu z tej samej grupy metali lub stopów metali co pojedynczy arkusz, a drugi kołnierz jest zamocowany na stałe do ramy.

Korzystnie drugi kołnierz jest zamocowany na stałe do ramy spawem ciągłym.

Korzystnie spaw ciągły jest spawem laserowym.

Korzystnie kołnierze obwodowe stanowią jeden kołnierz katodowy i jeden kołnierz anodowy.

Korzystnie materiały konstrukcyjne kołnierzy i pojedynczego arkusza dobrane są spośród metali zaworowych i ich stopów.

Korzystnie kołnierz anodowy i pojedynczy arkusz są ze stopu tytanu, a kołnierz katodowy jest z tytanu.

Korzystnie kołnierz katodowy, kołnierz anodowy i arkusz są z tytanu, i że przynajmniej jeden z kołnierzy jest zaopatrzony w powłokę ochronną przeciw korozji szczelinowej.

PL 205 527 B1

Korzystnie dodatkowo zawiera wsporniki zamocowane po stronach pojedynczego arkusza oraz jedną anodę i jedną katodę przymocowaną po kolei na stałe do wsporników, przy czym anodę i katodę stanowią perforowane względnie napinane arkusze lub siatki zaopatrzone w powłoki zawierające materiały elektrokatalityczne, otrzymane przez naniesienie farby zawierającej związki prekursory materiałów elektrokatalitycznych na anodę i katodę w postaci arkuszy lub siatek po ich zamocowaniu na stałe na wspornikach i obróbkę termiczną całego zespołu dla przetworzenia farby w materiały elektrokatalityczne.

Zespół bipolarny elektrolizera typu prasy filtracyjnej zawierający pojedynczy arkusz metalu, lub stopu metalu, dobranego z grupy odpornych na korozję metali lub stopów metali, przy czym dwie strony tego pojedynczego arkusza działają odpowiednio jako ściana anodowa i jako ściana katodowa, i pojedynczy arkusz jest zaopatrzony w dwa obwodowe koł nierze, przy czym przynajmniej jeden z koł nierzy jest elementem kształ towanym wstę pnie, nie integralnym z pojedynczym arkuszem, charakteryzuje się według wynalazku tym, że przynajmniej jeden z kołnierzy wykonany z elementu kształtowanego wstępnie stanowi zagięty pas metalu lub stopu metalu z tej samej grupy metali lub stopów metali co pojedynczy arkusz i jest zamocowany na stałe do pojedynczego arkusza spawem ciągłym, a drugi koł nierz jest utworzony z zagię tego pojedynczego arkusza, i ż e pomię dzy przynajmniej tym jednym kołnierzem, a drugim kołnierzem jest umieszczony obwodowy element wzmacniający.

Korzystnie spaw ciągły jest spawem laserowym.

Korzystnie kołnierze obwodowe stanowią jeden kołnierz katodowy i jeden kołnierz anodowy.

Korzystnie materiały konstrukcyjne kołnierzy i pojedynczego arkusza dobrane są spośród metali zaworowych i ich stopów.

Korzystnie kołnierz anodowy i pojedynczy arkusz są ze stopu tytanu, a kołnierz katodowy jest z tytanu.

Korzystnie kołnierz katodowy, kołnierz anodowy i arkusz są z tytanu, i że przynajmniej jeden z kołnierzy jest zaopatrzony w powłokę ochronną przeciw korozji szczelinowej.

Korzystnie dodatkowo zawiera wsporniki zamocowane po stronach pojedynczego arkusza oraz jedną anodę i jedną katodę przymocowaną po kolei na stałe do wsporników, przy czym anodę i katodę stanowią perforowane względnie napinane arkusze lub siatki zaopatrzone w powłoki zawierające materiały elektrokatalityczne, otrzymane przez naniesienie farby zawierającej związki prekursory materiałów elektrokatalitycznych na anodę i katodę w postaci arkuszy lub siatek po ich zamocowaniu na stałe na wspornikach i obróbkę termiczną całego zespołu dla przetworzenia farby w materiały elektrokatalityczne.

Zespół bipolarny elektrolizera typu prasy filtracyjnej zawierający pojedynczy arkusz metalu, lub stopu metalu, dobranego z grupy odpornych na korozję metali lub stopów metali, przy czym dwie strony tego pojedynczego arkusza działają, odpowiednio, jako ściana anodowa i jako ściana katodowa, i pojedynczy arkusz jest zaopatrzony w dwa obwodowe koł nierze, przy czym przynajmniej jeden z koł nierzy jest elementem kształ towanym wstę pnie, nie integralnym z pojedynczym arkuszem, odznacza się według wynalazku tym, że element kształtowany wstępnie jest utworzony przez dwa kołnierze obwodowe stanowiące pojedynczą część obwodową o przekroju w kształcie litery U, obejmującą obwodowy element wzmacniający.

Korzystnie część obwodowa jest z zagiętego pasa metalu lub stopu metalu z tej samej grupy metali lub stopów metali co pojedynczy arkusz.

Korzystnie część obwodowa jest zamocowana na stałe do pojedynczego arkusza spawem ciągłym.

Korzystnie część obwodowa jest zapatrzona w jedną krawędź.

Korzystnie część obwodowa jest z zespawanych spawem ciągłym dwóch kształtowanych wstępnie kołnierzy, a krawędź jest połączona z pojedynczym arkuszem spawem ciągłym.

Korzystnie spaw ciągły jest spawem laserowym.

Korzystnie kołnierze obwodowe stanowią jeden kołnierz katodowy i jeden kołnierz anodowy.

Korzystnie materiały konstrukcyjne kołnierzy i pojedynczego arkusza dobrane są spośród metali zaworowych i ich stopów.

Korzystnie kołnierz anodowy i pojedynczy arkusz są ze stopu tytanu, a kołnierz katodowy jest z tytanu.

Korzystnie kołnierz katodowy, kołnierz anodowy i arkusz są z tytanu, i że przynajmniej jeden z kołnierzy jest zaopatrzony w powłokę ochronną przeciw korozji szczelinowej.

PL 205 527 B1

Korzystnie dodatkowo zawiera wsporniki zamocowane po stronach pojedynczego arkusza oraz jedną anodę i jedną katodę przymocowaną po kolei na stałe do wsporników, przy czym anodę i katodę stanowią perforowane względnie napinane arkusze lub siatki zaopatrzone w powłoki zawierające materiały elektrokatalityczne, otrzymane przez naniesienie farby zawierającej związki prekursory materiałów elektrokatalitycznych na anodę i katodę w postaci arkuszy lub siatek po ich zamocowaniu na stałe na wspornikach i obróbkę termiczną całego zespołu dla przetworzenia farby w materiały elektrokatalityczne.

Według niniejszego wynalazku, proponuje się konstrukcję zespołów bipolarnych zawierających pojedynczy arkusz rozdzielający o podwójnej funkcji ściany anodowej i ściany katodowej wykonany z metalu lub stopu metalu odpornego na korozję , i zaopatrzonego w koł nierz obwodowy anodowy oraz kołnierz obwodowy katodowy; przynajmniej jeden z wspomnianych kołnierzy obwodowych jest wykonany z elementu ukształtowanego wstępnie, i nie jest wykonany przez kształtowanie pod naciskiem lub zaginanie ściany rozdzielającej.

W korzystnej postaci wykonania kołnierze obwodowe, katodowy i anodowy, otrzymuje się przez kombinacje zaginania obwodowej części arkusza z ramą wykonaną z pręta lub przewodu, o przekroju czworokątnym, wykonana z materiału typu równoważnego typowi materiału arkusza.

W innym korzystnym ukształtowaniu, jeden z kołnierzy otrzymuje się przez zaginanie obwodowej części arkusza, a drugi jest kołnierzem ukształtowanym wstępnie, przyspawanym do samego arkusza; korzystne jest, jeżeli między te dwa kołnierze jest wstawiony element wzmacniający. W innej korzystnej postaci wykonania anodowy kołnierz obwodowy i kołnierz katodowy stanowią, ogólnie biorąc, wstępnie ukształtowany element integralny o kształcie litery U, przyspawany do arkusza rozdzielającego; korzystne jest, jeżeli między kołnierze obwodowe, anodowy i katodowy wstawiony jest element wzmacniający. Wstępnie ukształtowany element integralny otrzymuje się przez zaginanie drugiego arkusza, lub przez spawanie dwóch wstępnie kształtowanych kołnierzy.

W innym aspekcie proponuje się sposób aktywacji katalitycznej zespoł u bipolarnego zawierają cego przynajmniej jedną elektrodę, a korzystnie, parę elektrod, przymocowanych do dwóch powierzchni czołowych, anodowej i katodowej, arkusza. Korzystnie ten zespół bipolarny poddawany aktywacji katalitycznej jest zespołem nowo wytworzonym.

W korzystnej postaci wykonania, zespół bipolarny jest uprzednio uaktywnionym katalitycznie zespołem, już eksploatowanym w elektrolizerze, którego wyczerpana aktywność katalityczna jest przywracana przez reaktywację.

W innym aspekcie, proponuje się elektrolizer zawierają cy wiele zespoł ów bipolarnych wedł ug jednej z opisanych powyżej postaci wykonania.

Ten typ konstrukcji, jakkolwiek nadający się do wielu zastosowań interesujących pod względem przemysłowym, okazuje się szczególnie korzystny w przypadku elektrolizy wodnych roztworów kwasu chlorowodorowego wykorzystującej katody zużywające tlen, w których ściany sąsiednich przedziałów katodowego i anodowego, wykonane są z jednego arkusza materiału zaworowego, na przykład tytanu lub stopu tytanu.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia w przekroju zespół bipolarny, w którym dwie ściany, anodowa i katodowa są rozdzielone i wzajemnie połączone na stałe, a kołnierze obwodowe są wykonane przez zagięcie każdej ściany, jak w rozwiązaniach znanych w stanie techniki, fig. 2 przedstawia w przekroju zespół bipolarny, którego ściany, anodowa i katodowa, są wykonane z pojedynczego arkusza, a dwa obwodowe kołnierze są wykonane zgodnie z procedurami znanymi w stanie techniki, fig. 3 przedstawia w przekroju zespół bipolarny, którego ściany, anodowa i katodowa, są wykonane zgodnie z odmianą wykonania niniejszego wynalazku, przez zagięcie obwodowej części arkusza i za pomocą pręta bądź przewodu, o przekroju czworokątnym, ukształtowanych tak, że tworzą ramę, i wykonanych z materiału typu równoważnego materiałowi pojedynczego arkusza, fig. 4 przedstawia w przekroju zespół bipolarny, którego ściany są wykonane z pojedynczego arkusza, a dwa obwodowe kołnierze są wykonane, zgodnie z drugą odmianą wykonania wynalazku odpowiednio przez zagięcie obwodowej części arkusza i przez spawanie ukształtowanego wstępnie kołnierza z materiału typu równoważnego materiałowi arkusza, fig. 5 przedstawia następną odmianę wykonania wynalazku, w której arkusz, pełniący podwójną funkcję ściany anodowej i katodowej, nie jest zagięty w części obwodowej, i jest przyspawany do pojedynczej, ukształtowanej wstępnie ramy o przekroju w kształcie litery U z materiału typu równoważnego materiałowi arkusza, fig. 6 przedstawia wariant odmiany wykonania z fig. 5, w którym ukształtowana wstępnie rama jest wykonana z dwóch łupin zespawanych ze sobą nawzajem, tak że

PL 205 527 B1 tworzą część o przekroju w kształcie litery U zaopatrzoną w wewnętrzną krawędź, do której z kolei przyspawany jest arkusz, fig. 7 przedstawia w ogólnym zarysie zespół z fig. 3 uzupełniony elementami wsporczymi i elektrodami w postaci perforowanych, ewentualnie napiętych arkuszy lub siatek i fig. 8A i 8B przedstawiają w postaci obrazu trójwymiarowego zespół z fig. 7, odpowiednio w widokach z dwóch stron bocznych.

Poniżej opisano kilka postaci wykonania wynalazku, których głównym celem jest otrzymanie nowej uproszczonej i bardziej niezawodnej konstrukcji zespołu bipolarnego dla elektrolizera typu prasy filtracyjnej, zawierającego pojedynczy arkusz pełniący podwójną funkcję ściany anodowej i katodowej, wykonany z metalu lub stopu metalu, wybranego z grupy metali lub stopów metali odpornych na korozję: ten rodzaj konstrukcji, będąc szczególnie korzystnym w przypadku elektrolizerów nadających się do elektrolizy roztworów wodnych kwasu chlorowodorowego, tym niemniej jest ogólnie użyteczny w przypadku elektrolizerów, które mogą być wytwarzane z wieloma zespoł ami bipolarnymi, zawierają cymi po jednej ścianie rozdzielającej między przedziałami, anodowym i katodowym. Tylko jako przykład dalszego zastosowania tych elektrolizerów można wymienić elektrolizę ługów alkalicznych.

Fig. 1 i fig. 2 przedstawiają dwa przekroje zespołu bipolarnego odpowiadającego konstrukcji znanej w stanie techniki, w przypadku kiedy ściany, anodowa katodowa, stanowią, odpowiednio, dwa oddzielne arkusze lub arkusz pojedynczy. W szczególności na fig. 1 ukazano zasadnicze elementy konstrukcyjne, przy czym 1 i 2 oznacza oddzielną ścianę katodową i anodową, 3 oznacza spawy wykonane dla zapewnienia stabilności mechanicznej i ciągłości elektrycznej niezbędnej do umożliwienia przepływu prądu elektrycznego, 4 oznacza powierzchnię kołnierza anodowego, 5 - powierzchnię kołnierza katodowego, 6 - obwodowy element wzmacniający wykonany z pręta z metalu lub materiału z tworzywa sztucznego, gwarantującego, że kołnierze mogą być ściskane bez występowania odkształceń bądź odgięć, 7 - uszczelki, odpowiednio, anodową (po lewej) i katodową (po prawej), które uszczelniają powierzchnię obwodową obu kołnierzy pod naciskiem, zapobiegając wyciekaniu płynów zawartych w przedziałach, anodowym i katodowym.

Na fig. 2 przedstawiono w ogólnych zarysach postać wykonania według stanu techniki, dla przypadku, w którym dwie ściany sąsiednich przedziałów, anodowego i katodowego, są utworzone przez pojedynczy arkusz. Przy konstrukcji tego rodzaju część obwodowa pojedynczego arkusza jest kolejno zaginana, przynajmniej pięciokrotnie, a korzystnie sześciokrotnie, jak to pokazano na figurze, wokół obwodowego elementu wzmacniającego, tworząc dwie powierzchnie kołnierzowe, anodową i katodową. W szczególności, 1 oznacza pojedynczy arkusz pełniący równocześnie funkcję ścian 1 i 2 na fig. 1,4 oznacza powierzchnię kołnierza anodowego, 5 oznacza powierzchnię kołnierza katodowego, 6 jest to obwodowy element wzmacniający o takich samych funkcjach, jak taki element z fig. 1, 7 są to uszczelki, anodowa i katodowa, 8 - spaw dla zamocowania swobodnej krawędzi zagiętej części arkusza, służący do uniemożliwienia przenikania płynu z przedziału katodowego (po prawej stronie figury). Ten płyn mógłby powodować korozję, a jego kontakt z obwodowym elementem wzmacniającym 6 powodowałby konieczność jego wykonywania z materiału odpornego na korozję, a zatem z zasady kosztownego. Jeżeli element 6 jest niezawodnie chroniony przed kontaktem z agresywnymi płynami, to materiałem konstrukcyjnym może być tania stal węglowa.

Zespół z fig. 2 jest oczywiście korzystniejszy od zwykłego typu konstrukcji według rozwiązania znanego z fig. 1, ponieważ umożliwia zastosowanie pojedynczego arkusza kosztownego materiału, na przykład tytanu lub jego stopów w przypadku elektrolizy wodnego roztworu kwasu chlorowodorowego, umożliwiając równocześnie wyeliminowanie spawów 3 z fig. 1 służących do montażu mechanicznego i zapewnienia przewodnictwa elektrycznego. Montaż jest wprawdzie utrudniony przez wielokrotne zaginanie konieczne do ukształtowania dwóch powierzchni kołnierzowych, anodowej i katodowej, z wykorzystaniem tej samej obwodowej części arkusza: ten rodzaj zaginania jest bardzo złożony w wykonaniu i powoduje duże naprężenia mechaniczne przy dużym niebezpieczeństwie wadliwego ukształtowania i w konsekwencji nieakceptowalnej ilości procentowej sztuk odrzucanych w fazie kontroli jakości procesu produkcyjnego.

Fig. 3 przedstawia pierwszą z postaci wykonania zespołu według niniejszego wynalazku, w którym ściany dwóch sąsiednich przedziałów, anodowego i katodowego, składają się z pojedynczego arkusza 1 a część obwodowa tego pojedynczego arkusza 1 jest zagięta tak, że tworzy powierzchnię 4 tylko na kołnierzu anodowym (co jest korzystne w przypadku elektrolizy wodnych roztworów kwasu chlorowodorowego, jednak bez wykluczenia możliwości, zgodnie z którą powierzchnią katodową jest tylko ukształtowana powierzchnia kołnierzowa), a wspomniana pojedyncza powierzchnia jest w punkcie oznaczonym odnośnikiem 9 spawana do ramy 14 wykonanej z materiału odpornego na korozję.

PL 205 527 B1

W szczególności, rama 14 jest wykonana z pręta, lub korzystnie, z przewodu o przekroju wielokątnym, korzystnie czworokątnym, dla zmniejszenia ilości materiału odpornego na korozję, a zatem drogiego, a ponadto spaw 9 może opcjonalnie być spawem podwójnym, jak to pokazano na figurze, dla zapewnienia wyższej niezawodności w odniesieniu do możliwych wycieków płynu zawartego w przedziale katodowym, do środowiska zewnętrznego.

Ta pierwsza alternatywa konstrukcyjna według niniejszego wynalazku umożliwia utrzymanie mechanicznych naprężeń zginania na bardzo niskich poziomach, z pewnością nie mogących być przyczyną wad materiału arkusza. Jakość spawu 9, jednego lub więcej, i odpowiednie szybkości i koszty produkcji są zagwarantowane przez odpowiedni sprzęt zaciskowy dla różnych części, i przez nowoczesne zautomatyzowane technologie spawania, zwłaszcza metodę laserową. Rozpatrując fig. 3 można zauważyć, że zespół zagięty arkusz/rama tworzy szczelinę 15, do której może przedostawać się i pozostawać w niej ciecz procesowa: ta sytuacja nie powoduje zwykle jakiejkolwiek szczególnej niedogodności, z wyjątkiem przypadku szczególnego, w którym taka ciecz zawiera chlorki, i zwłaszcza ma charakter kwasowy, i temperaturę wyższą od otoczenia, co ma miejsce w przypadku elektrolizy roztworu kwasu chlorowodorowego. W tej sytuacji atak korozji skupionej w strefie szczeliny może rzeczywiście się rozwijać. Ochrona przed tego typu atakiem odbywa się albo przez dobór materiału charakteryzującego się większą odpornością, na przykład w wymienionym przypadku elektrolizy roztworu kwasu chlorowodorowego zastosowanie stopu tytanu i 0,2% palladu zamiast tytanu, lub wprowadzenie cienkiej powłoki ochronnej w strefę szczeliny. Powłoki takie, znane w technologii elektrochemicznej, zwykle zawierają niewielkie ilości metali szlachetnych, na przykład platyny, rutenu lub irydu, bądź ich tlenków.

Wymienione powyżej środki ochronne nie powodują dodatkowych kosztów produkcji zespołu według fig. 3: konieczne jest ich podjęcie istotnie w każdym przypadku dla usunięcia niebezpieczeństwa korozji na powierzchni kołnierzy 4 i 5, na których mogą powstawać bardzo niebezpieczne szczeliny w wyniku złego przylegania uszczelek 7, zwykle występującego wskutek wad powierzchni tych kołnierzy. Innymi słowy można powiedzieć, że zastosowanie odpowiednich środków dla ochrony powierzchni kołnierzy jest realizowane równocześnie ze stosowaniem tych samych środków w strefie szczeliny 15, bez szczególnych kosztów dodatkowych.

Fig. 4 przedstawia wariant postaci wykonania z fig. 3, mający na celu stosowanie ramy 14 wykonanej z pręta lub przewodu o przekroju czworokątnym wykonanych z materiału odpornego na korozję. Ten zespół, przedstawiony w przekroju, również zawiera pojedynczy arkusz 1 z częścią obwodową zagiętą z utworzeniem tylko anodowego kołnierza 4, jak to było widoczne już na fig. 3, z tą różnicą, że rama 14 z materiału odpornego na korozję jest zastąpiona dodatkowym wstępnie kształtowanym kołnierzem 5, który działa jak kołnierz katodowy, i jest przyspawany do arkusza 1 spawem 10, wykonanym w procedurze automatycznej, korzystnie metodą laserową. Opcjonalnie, spaw 10 może być wykonany jako spaw podwójny (nie pokazany na figurze). Obwodowy element wzmacniający nie wchodzi w kontakt z jakimkolwiek płynem korozyjnym, a zatem jest wytwarzany z materiału o niskim koszcie, na przykład stali węglowej.

W porównaniu z zespołem z fig. 3, odmiana wykonania z fig. 4 pozwala na oszczędność kosztownego materiału, wykazując przy tym z drugiej strony wrażliwość w odniesieniu do finalnej płaskości elementu, ważnej dla ułatwienia montażu elektrolizerów.

Inną alternatywę konstrukcyjną zespołu z fig. 4 przedstawiono na fig. 5, gdzie pojedynczy arkusz 1 nie jest zagięty w swej części obwodowej, a dwie powierzchnie kołnierzy, anodowego 4 i katodowego 5, otrzymuje się za pomocą wstępnie kształtowanego elementu obwodowego o przekroju w kształcie litery U, który jest przyspawany do pojedynczego arkusza spawem 11. Podobnie jak w przypadku zespołu z fig. 4, materiał konstrukcyjny elementu wzmacniającego 6 nie jest czynnikiem krytycznym; nadaje się do tego w pełni stal węglowa.

W porównaniu z zespołem z fig. 4, rozwiązanie przedstawione na fig. 5 charakteryzuje się również takim samym zmniejszeniem ilości kosztownego materiału, a dodatkowo ułatwia osiągnięcie dobrej płaskości. W przeciwieństwie do tego, wykonanie spawu 11 jest stosunkowo krytyczne: dla osiągnięcia dobrej jakości spawu w istocie jest konieczne, aby krawędź arkusza była prosta i wolna od wad, takich jak zadziory po cięciu, oraz aby krawędź arkusza i wstępnie uformowana część o przekroju w kształcie litery U dokładnie pasowały do siebie podczas wykonywania spawania, które musi być automatyczne, na przykład metodą laserową. Pewną „fizjologiczną” niedogodność zespołu z fig. 5 powoduje niemożność wykonania spawu 11 jako spawu podwójnego: jednakowoż, wady spawu 11, jak na przykład porowatość skrośna, określają przenikanie płynu między dwoma sąsiednimi przedzia8

PL 205 527 B1 łami, anodowym i katodowym, możliwe do tolerowania przynajmniej w części, a wyciek do środowiska zewnętrznego nie.

Wreszcie fig. 6 przedstawia w zarysie odmianę wykonania wynalazku w przekroju, przy czym część obwodowa o przekroju w kształcie litery U, omówiona w kontekście fig. 5, jest wykonana wstępnie przez spawanie dwóch łupin otrzymanych z dwóch pasów metalu przez tylko dwukrotne zaginanie:

spaw montażowy 12 dwóch łupin może być pojedynczy lub też może być podwójny w przypadku, kiedy chodzi o zapewnienie wysokiej niezawodności w odniesieniu do przesiąkania. Taki prefabrykowany element jest, dla osiągnięcia dużej płaskości, obrabiany na przykład w prasie. Element ma swobodną krawędź wystającą względem spawu 12: ta krawędź, której dotyczy wymaganie, aby była prosta i bez wad, takich jak zadziory, jest spawana czołowo (spaw 13) z krawędzią arkusza 1.

Wykonanie tego typu jest mniej korzystne w porównaniu z wykonaniem opisanym w odniesieniu do fig. 5, w zasadzie z powodu dodatkowych etapów, które stanowi wykonanie spawu 12 i prasowanie dla przywrócenia płaskości elementu, wymagane po odkształceniach spowodowanych procedurą spawania: z drugiej strony obróbka na prasie zapewnia odpowiednią płaskość również po wykonaniu spawu 13. Ten ostatnio wymieniony spaw, który koniecznie jest pojedynczy, jak spaw 11 zespołu z fig. 5, jest jednak łatwiejszy do wykonania (dwie krawędzie przeznaczone do spojenia są w położeniu czołowym, natomiast w zespole z fig. 5 powierzchnia części obwodowej o przekroju w kształcie litery U, i krawędź arkusza są ustawione pod kątem 90°). Ta łatwość wykonania gwarantuje duże prawdopodobieństwo, że wady wystąpią nie które z drugiej strony, jak wyżej wspomniano, są przynajmniej częściowo tolerowalne. Jak w poprzednich przypadkach, również w niniejszym przypadku jest bardzo korzystne, jeśli spawanie jest automatyczne, korzystnie za pomocą techniki laserowej.

Zespoły przedstawione w uproszczeniu na fig. 3, 4, 5 i 6 wymagają wyposażenia w odpowiednie anody i katody: te zwykle są utworzone przez perforowane i ewentualnie naprężane arkusze lub siatki z metalu, lub stopu metalu, odpornego na korozję, korzystnie zaopatrzonego w cienką powierzchniową powłokę materiału elektrokatalitycznego.

Fig. 7 przedstawia przekrój zespołu z fig. 3, w którym anodę 17 i katodę 18 zainstalowano przez mocowanie na stałe, na przykład przez spawanie, na odpowiednich wspornikach 16, połączonych z kolei ze ścianą 1, korzystnie przez spawanie. Dla większej zrozumiałości opisu struktura zespołu z fig. 7, została przedstawiona w odwzorowaniu trójwymiarowym na fig. 8A (widok od strony anody) i 8B (widok od strony katody).

W rozwiązaniach znanych zwykle nanosi się powłokę materiału elektrokatalitycznego na perforowane ewentualnie napinane arkusze lub siatki 17 i 18 przed ich zamocowaniem do wsporników 16: powodem jest to, że ta procedura opiera się na temperaturze wymaganej do naniesienia powłoki elektrokatalitycznej, najczęściej w zakresie od 400°C do 500°C. Gdyby arkusze lub siatki były mocowane do wsporników 16 przed naniesieniem powłoki elektrokatalitycznej, następujące potem nanoszenie wymagałoby poddawania całego zespołu działaniu temperatury 400° - 500° z nieuchronnymi istotnymi odkształceniami (utratą płaskości) powstałymi wskutek różnych współczynników rozszerzalności cieplnej różnych materiałów konstrukcyjnych (materiałów przedziału anodowego, materiału przedziału katodowego, materiału obwodowego elementu wzmacniającego). Z drugiej strony, mocowanie przez spawanie arkuszy bądź siatek uprzednio zaopatrzonych w powłokę elektrokatalityczną jest raczej krytyczne, ponieważ w strefach spawania materiał powłoki elektrokatalitycznej jest osadzony w strefie stapiania, i jest możliwe zanieczyszczenie i w konsekwencji powstanie wad, na przykład porowatości i/lub łamliwości.

Jakkolwiek ta procedura - nanoszenie powłoki elektrokatalitycznej na arkusze lub siatki, i następnego spawania ich do wsporników 16 zespołów - jest tolerowalna w fazie konstrukcji nowych zespołów, okazuje się ona bardzo uciążliwa w fazie tak zwanej „reaktywacji”, która jest niezbędna do okresowego przedsiębrania, ponieważ powłoki elektrokatalityczne podlegają stopniowemu zużyciu podczas elektrolizy. Ponieważ powłoki elektrokatalityczne zapewniają obniżenie napięcia roboczego, a zatem i obniżenie zużycia mocy, to w związku z tym konieczne jest dokonywanie ich renowacji.

Fakt, że nie jest możliwe wystawianie zespołów na działanie wysokiej temperatury wymaganej przy stosowaniu materiałów elektrokatalitycznych, pociąga za sobą to, że wyeksploatowane arkusze lub siatki wymagają odłączenia od wsporników 16, operacji, która jest czasochłonna, i która często powoduje takie uszkodzenia arkuszy bądź siatek, które zmuszają do ich wymiany.

Wspomniany powyżej problem dotyczy struktur przedstawionych szkicowo na fig. 1, 2, 4, 5 i 6, lecz nie struktury z fig. 3, której wszystkie części są wytwarzane z tego samego materiału. Zatem zespół z fig. 3 charakteryzuje się tym, że jest wykonany z części o takim samym współczynniku rozszePL 205 527 B1 rzaIności ciepInej, a zatem zespół może być wystawiany na działanie wysokich temperatur bez niebezpieczeństwa zniekształcenia. Ważną konsekwencją tej cechy charakterystycznej jest to, że nowe zespoły mogą być wyposażone w arkusze Iub siatki bez powłok eIektrokataIitycznych (ze znacznym uproszczeniem spawów do wsporników 16): w następnej fazie całe zespoły są poddawane procedurze nanoszenia powłok eIektrokataIitycznych na arkusze bądź siatki, w stosunkowo wysokich temperaturach. Tak zwana „reaktywacja” wyekspIoatowanych zespołów odbywa się podobnie: w szczegóIności, wyekspIoatowane zespoły są obrabiane dIa wyeIiminowania pozostałości starych powłok eIektrokataIitycznych, na przykład za pomocą piaskowania Iub wymywania chemicznego i następnie poddawane zabiegowi nanoszenia nowych powłok zgodnie z procedurą odpowiadającą dokładnie procedurze stosowanej w przypadku zespołów nowych.

Następną zaIetą nanoszenia powłok eIektrokataIitycznych na zespoły zawierające perforowane, ewentuaInie napinane arkusze bądź siatki, jest niewystępowanie uszkodzeń powłok, nieuchronnie powodowanych przez spawy mocujące na arkuszach Iub siatkach uprzednio zaopatrzonych w powłokę według stanu techniki.

Claims (26)

1. Zespół bipoIarny eIektroIizera typu prasy fiItracyjnej zawierający pojedynczy arkusz metaIu, Iub stopu metaIu, dobranego z grupy odpornych na korozję metaIi Iub stopów metaIi, przy czym dwie strony tego pojedynczego arkusza działają odpowiednio jako ściana anodowa i ściana katodowa, i pojedynczy arkusz jest zaopatrzony w dwa obwodowe kołnierze, przy czym przynajmniej jeden z kołnierzy jest eIementem kształtowanym wstępnie, nie integraInym z pojedynczym arkuszem, znamienny tym, że przynajmniej jeden z kołnierzy (5) z elementu kształtowanego wstępnie stanowi ramę (14) z pręta lub przewodu o przekroju wielokątnym z metalu lub stopu metalu z tej samej grupy metali lub stopów metali co pojedynczy arkusz, a drugi kołnierz (4) jest zamocowany na stałe do ramy (14).

2. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że drugi kołnierz (4) jest zamocowany na stałe do ramy (14) spawem ciągłym (9).

3. Zespół według zastrz. 2, znamienny tym, że spaw ciągły (9) jest spawem laserowym.

4. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że kołnierze obwodowe stanowią jeden kołnierz katodowy (5) i jeden kołnierz anodowy (4).

5. Zespół według zastrz. 4, znamienny tym, że materiały konstrukcyjne kołnierzy (4, 5) i pojedynczego arkusza (1) dobrane są spośród metali zaworowych i ich stopów.

6. Zespół według zastrz. 5, znamienny tym, że kołnierz anodowy (4) i pojedynczy arkusz (1) są ze stopu tytanu, a kołnierz katodowy (5) jest z tytanu.

7. Zespół według zastrz. 5, znamienny tym, że kołnierz katodowy (5), kołnierz anodowy i arkusz (1) są z tytanu, i że przynajmniej jeden z kołnierzy (4, 5) jest zaopatrzony w powłokę ochronną przeciw korozji szczelinowej.

8. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że dodatkowo zawiera wsporniki (16) zamocowane po stronach pojedynczego arkusza oraz jedną anodę (17) i jedną katodę (18) przymocowaną po kolei na stałe do wsporników, przy czym anodę (17) i katodę (18) stanowią perforowane względnie napinane arkusze lub siatki zaopatrzone w powłoki zawierające materiały elektrokatalityczne, otrzymane przez naniesienie farby zawierającej związki prekursory materiałów elektrokatalitycznych na anodę (17) i katodę (18) w postaci arkuszy lub siatek po ich zamocowaniu na stałe na wspornikach (16) i obróbkę termiczną całego zespołu dla przetworzenia farby w materiały elektrokatalityczne.

9. Zespół bipolarny elektrolizera typu prasy filtracyjnej zawierający pojedynczy arkusz metalu, lub stopu metalu, dobranego z grupy odpornych na korozję metali lub stopów metali, przy czym dwie strony tego pojedynczego arkusza działają odpowiednio jako ściana anodowa i jako ściana katodowa, i pojedynczy arkusz jest zaopatrzony w dwa obwodowe kołnierze, przy czym przynajmniej jeden z kołnierzy jest elementem kształtowanym wstępnie, nie integralnym z pojedynczym arkuszem, znamienny tym, że przynajmniej jeden z kołnierzy (5) wykonany z elementu kształtowanego wstępnie stanowi zagięty pas metalu lub stopu metalu z tej samej grupy metali lub stopów metali co pojedynczy arkusz (1), i jest zamocowany na stałe do pojedynczego arkusza (1) spawem ciągłym (10), a drugi kołnierz (4) jest utworzony z zagiętego pojedynczego arkusza (1), i że pomiędzy przynajmniej tym jednym kołnierzem (5), a drugim kołnierzem (4) jest umieszczony obwodowy element wzmacniający (6).

10. Zespół według zastrz. 9, znamienny tym, że spaw ciągły (10) jest spawem laserowym.

PL 205 527 B1

11. Zespół według zastrz. 9, znamienny tym, że kołnierze obwodowe stanowią jeden kołnierz katodowy (5) i jeden kołnierz anodowy (4).

12. Zespół według zastrz. 11, znamienny tym, że materiały konstrukcyjne kołnierzy (4, 5) i pojedynczego arkusza (1) dobrane są spośród metali zaworowych i ich stopów.

13. Zespół według zastrz. 12, znamienny tym, że kołnierz anodowy (4) i pojedynczy arkusz (1) są ze stopu tytanu, a kołnierz katodowy (5) jest z tytanu.

14. Zespół według zastrz. 12, znamienny tym, że kołnierz katodowy (5), kołnierz anodowy (4) i arkusz (1) są z tytanu, i że przynajmniej jeden z kołnierzy (4, 5) jest zaopatrzony w powłokę ochronną przeciw korozji szczelinowej.

15. Zespół według zastrz. 9, znamienny tym, że dodatkowo zawiera wsporniki (16) zamocowane po stronach pojedynczego arkusza oraz jedną anodę (17) i jedną katodę (18) przymocowaną po kolei na stałe do wsporników, przy czym anodę (17) i katodę (18) stanowią perforowane względnie napinane arkusze lub siatki zaopatrzone w powłoki zawierające materiały elektrokatalityczne, otrzymane przez naniesienie farby zawierającej związki prekursory materiałów elektrokatalitycznych na anodę (17) i katodę (18) w postaci arkuszy lub siatek po ich zamocowaniu na stałe na wspornikach (16) i obróbkę termiczną całego zespołu dla przetworzenia farby w materiały elektrokatalityczne.

16. Zespół bipolarny elektrolizera typu prasy filtracyjnej zawierający pojedynczy arkusz metalu, lub stopu metalu, dobranego z grupy odpornych na korozję metali lub stopów metali, przy czym dwie strony tego pojedynczego arkusza działają, odpowiednio, jako ściana anodowa i jako ściana katodowa, i pojedynczy arkusz jest zaopatrzony w dwa obwodowe kołnierze, przy czym przynajmniej jeden z kołnierzy jest elementem kształtowanym wstępnie, nie integralnym z pojedynczym arkuszem, znamienny tym, że element kształtowany wstępnie jest utworzony przez dwa kołnierze obwodowe (4, 5) stanowiące pojedynczą część obwodową o przekroju w kształcie litery U, obejmującą obwodowy element wzmacniający (6).

17. Zespół według zastrz. 16, znamienny tym, że część obwodowa jest z zagiętego pasa metalu lub stopu metalu z tej samej grupy metali lub stopów metali co pojedynczy arkusz.

18. Zespół według zastrz. 17, znamienny tym, że część obwodowa jest zamocowana na stałe do pojedynczego arkusza (1) spawem ciągłym (11).

19. Zespół według zastrz. 16, znamienny tym, że część obwodowa jest zapatrzona w jedną krawędź.

20. Zespół według zastrz. 19, znamienny tym, że część obwodowa jest z zespawanych spawem ciągłym (12) dwóch kształtowanych wstępnie kołnierzy, a krawędź jest połączona z pojedynczym arkuszem (1) spawem ciągłym (13).

21. Zespół według zastrz. 18, znamienny tym, że spaw ciągły (11) jest spawem laserowym.

22. Zespół według zastrz. 16, znamienny tym, że kołnierze obwodowe stanowią jeden kołnierz katodowy (5) i jeden kołnierz anodowy (4).

23. Zespół według zastrz. 22, znamienny tym, że materiały konstrukcyjne kołnierzy (4, 5) i pojedynczego arkusza (1) dobrane są spośród metali zaworowych i ich stopów.

24. Zespół według zastrz. 23, znamienny tym, że kołnierz anodowy (4) i pojedynczy arkusz (1) są ze stopu tytanu, a kołnierz katodowy (5) jest z tytanu.

25. Zespół według zastrz. 23, znamienny tym, że kołnierz katodowy (5), kołnierz anodowy (4) i arkusz (1) są z tytanu, i że przynajmniej jeden z kołnierzy (4, 5) jest zaopatrzony w powłokę ochronną przeciw korozji szczelinowej.

26. Zespół według zastrz. 16, znamienny tym, że dodatkowo zawiera wsporniki (16) zamocowane po stronach pojedynczego arkusza oraz jedną anodę (17) i jedną katodę (18) przymocowaną po kolei na stałe do wsporników, przy czym anodę (17) i katodę (18) stanowią perforowane względnie napinane arkusze lub siatki zaopatrzone w powłoki zawierające materiały elektrokatalityczne, otrzymane przez naniesienie farby zawierającej związki prekursory materiałów elektrokatalitycznych na anodę (17) i katodę (18) w postaci arkuszy lub siatek po ich zamocowaniu na stałe na wspornikach (16) i obróbkę termiczną całego zespołu dla przetworzenia farby w materiały elektrokatalityczne.