WO2012159701A2 - Mittel zum durchfluss oder zur lagerung alkalischer medien bei hohen temperaturen - Google Patents

Mittel zum durchfluss oder zur lagerung alkalischer medien bei hohen temperaturen Download PDF

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    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16LPIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L9/00Rigid pipes
    • F16L9/12Rigid pipes of plastics with or without reinforcement
    • F16L9/127Rigid pipes of plastics with or without reinforcement the walls consisting of a single layer

Definitions

  • the present invention relates to agents suitable for the flow or storage of alkaline media having a temperature of 85 ° C to 100 ° C.
  • the materials used are stable to alkaline media having a temperature of 85 ° C to 100 ° C, are stable.
  • electrolysis electrical energy is converted into chemical energy. This is achieved by the decomposition of a chemical compound under the action of an electric current.
  • the solution used as electrolyte contains positively and negatively charged ions. Accordingly, the main electrolytes used are acids, bases or salt solutions.
  • Each individual electrolysis cell of an electrolyzer has inlet and outlet lines for catholyte and anolyte each lead into a manifold.
  • This manifold must have high chemical resistance and be resistant to alkaline media even at high temperatures up to 100 ° C.
  • headers of the prior art are either made of pure glass fiber reinforced plastic or made of a
  • Such plastic structures are materials made of
  • Reinforcing fibers exist, which are embedded in a plastic matrix. These are used in a variety of applications in the form of short fiber reinforced, long fiber reinforced or continuous fiber reinforced components use. Alternatively, such headers may be made of metal for use in electrolyzers.
  • Object of the present invention is therefore to provide means that no longer have the above problems and at temperatures of up to 100 ° C to alkaline media is stable.
  • the object is achieved by means suitable for the flow or storage of alkaline media having a temperature of 85 ° C to 100 ° C, wherein the means are constructed of a thermoplastic material.
  • thermoplastics are materials which exhibit high thermal expansion and softening at high temperatures ( K. Lutterbeck et al, Cologne University of Applied Sciences, http: //www2.gm.fh- koeln.de/ ⁇ technikst/Hauptrich/ground-Scherw_oK.pdf). From standard tables is also known that thermoplastic resins can only be used in a temperature range of up to 80 ° C. Thus, there is a reservation this
  • agents are made of pure thermoplastic without reinforcing fibers for use with alkaline media at temperatures up to 100 ° C and the tested agents the
  • thermoplastic material is selected from the group comprising polypropylene, polyphenylene sulfide, polyvinyl chloride, polyamide, polylactate, polymethyl methacrylate, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polystyrene and
  • Polyetheretherketone and the thermoplastic is preferably polypropylene.
  • the agent according to the invention is a container.
  • the means is a manifold of an electrolyzer, wherein the electrolyzer arranged in a stack and in
  • electrolytic cells standing plate-shaped electrolytic cells wherein the electrolysis cells have supply and discharge lines for catholyte and anolyte, which open into headers, the feed lines for catholyte lead into at least one Katholytsammelrohr and the supply lines for anolyte lead into at least one Anolytsammelrohr and the discharge lines the electrolysis cells open into at least one discharge manifold. So it is at one
  • Electrolyzer to a series connection of several individual elements, each having electrodes which are separated from each other via a suitable membrane and which are fitted in a housing for receiving these individual elements.
  • thermoplastic material of the Anolytsammelrohrs Ployvinylchlorid is thermoplastic material of the Anolytsammelrohrs Ployvinylchlorid.
  • thermoplastic of the Katholytsammelrohrs and the Abriosammelrohres is selected from the group of polypropylene,
  • thermoplastic material such as the manifold.
  • thermoplastic of the electrolyzer is advantageously resistant to> 20% concentrated alkaline media, wherein the alkaline medium is in particular> 20% NaOH. It goes without saying that the composite also has a resistance to others
  • FIG. 1 A schematic sketch of a Elektroyseurs, with
  • Fig. 1 shows an electrolyzer 1, which is equipped with a plurality of plate-shaped individual electrolysis cells 2, in which the electrochemical reaction takes place.
  • the individual electrolysis cells are equipped with supply lines (5, 6) which serve to transport anolyte or catholyte into the individual electrolysis cells. These supply lines (5, 6) open into an anolyte collection tube (3) or in one
  • Discharge 8 provided. These also open into a manifold 7, from which the respective products 11 are discharged.
  • headers of such an electrolytic cell are constructed of a thermoplastic material.
  • thermoplastics are suitable for use in such an electrolyzer. In operation of the electrolyzer such headers must endure, for example, up to 35% NaOH at 0.22 bar and 90 ° C.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Mittel geeignet zum Durchfluss oder zur Lagerung alkalischer Medien, die eine Temperatur von 85°C bis 100°C aufweisen, wobei die Mittel aus einem thermoplastischen Kunststoff aufgebaut sind.

Description

Mittel zum Durchfluss oder zur Lagerung alkalischer Medien bei hohen Temperaturen
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft Mittel geeignet zum Durchfluss oder zur Lagerung alkalischer Medien, die eine Temperatur von 85°C bis 100°C aufweisen.
[0002] Beispielsweise bei der Elektrolyse ist es eine Vorraussetzung, dass die Materialien, die verwendet werden, gegenüber alkalischen Medien, die eine Temperatur von 85°C bis 100°C aufweisen, stabil sind.
[0003] Bei der Elektrolyse wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Dies wird erreicht durch die Aufspaltung einer chemischen Verbindung unter Einwirkung eines elektrischen Stroms. Die als Elektrolyt eingesetzte Lösung enthält positiv und negativ geladene Ionen. Als Elektrolyte kommen demzufolge hauptsächlich Säuren, Basen oder Salzlösungen zur Anwendung.
[0004] Jede einzelne Elektrolysezelle eines Elektrolyseurs besitzt Zu- und Abführleitungen für Katholyt und Anolyt die jeweils in ein Sammelrohr münden. Dieses Sammelrohr muss eine hohe chemische Beständigkeit aufweisen und auch bei hohen Temperaturen bis zu 100°C gegenüber alkalischen Medien resistent sein.
[0005] Aus diesem Grund werden die Sammelrohre aus dem Stand der Technik entweder aus reinem glasfaserverstärktem Kunststoff gefertigt oder aus einem
Verbundwerkstoff. Derartige Kunststoffstrukturen sind Werkstoffe, die aus
Verstärkungsfasern bestehen, welche in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind. Diese finden in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten in Form von kurzfaserverstärkten, langfaserverstärkten oder endlosfaserverstärkten Bauteilen Verwendung. Alternativ können derartige Sammelrohre für die Verwendung in Elektrolyseuren aus Metall bestehen.
[0006] Verbundwerkstoffe zu verwenden, ist oftmals problematisch, da die Haftung zwischen dem Matrixmaterial, das die Verstärkungsfasern umgibt, an den jeweiligen Verstärkungs- und Füllstoffen kritisch ist. Bei unzureichender Haftung zwischen dem Matrixmaterial und den Verstärkungsfasern lösen sich beide voneinander und der Verbundwerkstoff, wird unbrauchbar und muss ausgetauscht werden. Diesem Problem versucht man in der Literatur beispielsweise mit Haftvermittlersystemen zu begegnen, was die Lebensdauer auch nachweislich positiv beeinflusst. Die Verwendung von Verbundwerkstoffen hat aber den Nachteil, dass die Herstellung sehr aufwendig ist und weiterhin die Gefahr einer unzureichenden Haftung gegeben ist, was wiederum bedeutet, dass bei Einsatz des Verbundwerkstoffen in der Elektrolysetechnologie der betreffende Elektrolyseur aus dem Betrieb genommen werden muss, um das betroffene Bauteil auszutauschen. Dabei verursacht der Betriebsstillstand erhebliche Kosten.
[0007] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb Mittel zur Verfügung zu stellen, die die oben genannten Probleme nicht mehr aufweisen und bei Temperaturen von bis zu 100°C gegenüber alkalischen Medien stabil ist.
[0008] Die Aufgabe wird gelöst durch Mittel geeignet zum Durchfluss oder zur Lagerung alkalischer Medien, die eine Temperatur von 85°C bis 100°C aufweisen, wobei die Mittel aus einem thermoplastischen Kunststoff aufgebaut sind.
[0009] Der Fachmann würde gar nicht auf die Idee kommen einen reinen thermoplastischen Kunststoff für einen derartigen Zweck einzusetzen, da aus der Literatur bekannt ist, dass es sich bei Thermoplasten um Materialien handelt, die bei hohen Temperaturen eine große thermische Ausdehnung und Erweichung zeigen (K. Lutterbeck et al, Fachhochschule Köln, http://www2.gm.fh- koeln.de/~werkst/Hauptseiten/grund-kunsterw_oK.pdf ). Aus Standardtabellen ist weiterhin bekannt, dass thermoplastische Kunststoffe nur in einem Temperaturbereich von bis zu 80°C eingesetzt werden können. Somit besteht ein Vorbehalt diese
Materialien bei den erfindungsgemäßen Mitteln einzusetzen. Bei Anwendungsgebieten, in denen die Temperaturbelastung höher ist, werden die Eigenschaften der
Thermoplasten durch Verstärkungsfasern verbessert, wobei es aber zu den oben beschriebenen Haftungsschwierigkeiten zwischen Matrixwerkstoff und
Verstärkungsfasern kommt.
[0010] Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass sich Mittel aus reinem thermoplastischem Kunststoff ohne Verstärkungsfasern für den Einsatz mit alkalischen Medien bei Temperaturen bis 100°C eignen und die getesteten Mittel den
Anforderungen an die Stabilität entsprechen.
[0011] Bevorzugt wird der thermoplastische Kunststoff ausgewählt aus der Gruppe umfassend Polypropylen, Polyphenylensulfid, Polyvinylchlorid, Polyamid, Polylactat, Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Polyethylenterephthalat, Polystyrol und
Polyetheretherketon und der thermoplastische Kunststoff bevorzugt Polypropylen ist. [0012] In einer Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich um ein Rohr. In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mittels handelt es sich um einen Behälter.
[0013] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Mittel ein Sammelrohr eines Elektrolyseurs, wobei der Elektrolyseur in einem Stapel angeordnete und in
elektrischem Kontakt stehende plattenförmige Elektrolysezellen umfasst, wobei die Elektrolysezellen über Zu- und Abführleitungen für Katholyt und Anolyt verfügen, die in Sammelrohre münden, wobei die Zuführleitungen für Katholyt in mindestens ein Katholytsammelrohr münden und die Zuführleitungen für Anolyt in mindestens ein Anolytsammelrohr münden und die Abführleitungen aus den Elektrolysezellen in mindestens ein Abführsammelrohr münden. Es handelt sich also bei einem
Elektrolyseur um eine Hintereinanderschaltung mehrerer Einzelelemente, die jeweils Elektroden besitzen, die über eine geeignete Membran voneinander getrennt werden und die in ein Gehäuse zur Aufnahme dieser Einzelelemente eingepasst werden.
[0014] Mit Vorteil ist der thermoplastische Kunststoff des Anolytsammelrohrs Ployvinylchlorid.
[0015] Bevorzugt wird der thermoplastische Kunststoff des Katholytsammelrohrs und des Abführsammelrohres ausgewählt aus der Gruppe Polypropylen,
Polyphenylensulfid, Polyvinylchlorid, Polyamid, Polylactat, Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Polyethylenterephthalat, Polystyrol und Polyetheretherketon und bevorzugt ist der thermoplastische Kunststoff Polypropylen.
[0016] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die mit den Sammelrohren in Verbindung stehenden Stutzen, Flansche, Blindflansche, Schrauben, Muttern und Scheiben aus demselben oder einem anderen thermoplastischen Kunststoff, wie das Sammelrohr.
[0017] Vorteilhaft ist der thermoplastische Kunststoff des Elektrolyseurs gegenüber > 20 %-konzentrierten alkalischen Medien resistent, wobei es sich bei dem alkalischen Medium insbesondere um > 20 % NaOH handelt. Es versteht sich von selbst, dass der Verbundwerkstoff auch eine Resistenz gegenüber anderen
Chemikalien aufweist.
[0018] Nachfolgend soll anhand von Fig. 1 die Erfindung beispielhaft anhand eines Elektrolyseurs näher erläutert werden. Fig. 1: Eine schematische Skizze eines Elektroyseurs, der mit
erfindungsgemäßen Sammelrohren ausgestattet ist
[0019] Fig. 1 zeigt einen Elektrolyseur 1 , der mit einer Vielzahl von plattenförmigen Einzelelektrolysezellen 2 bestückt ist, in denen die elektrochemische Reaktion abläuft. Dazu sind die Einzelelektrolysezellen mit Zuführleitungen (5, 6) ausgestattet, die dazu dienen Anolyt bzw. Katholyt in die Einzelelektrolysezellen zu transportieren. Diese Zuführleitungen (5, 6) münden in einem Anolytsammelrohr (3) bzw. in einem
Katholytsammelrohr (4), in die im Betrieb Katholyt 9 bzw. Anolyt 10 eingespeist wird. Die im Betrieb erzeugten Produkte bzw. Abfallprodukte müssen aus dem Elektrolyseur 1 wieder abgeführt werden. Dazu sind aus jeder Einzelelektrolysezelle 2 die
Abführleitungen 8 vorgesehen. Diese münden ebenfalls in ein Sammelrohr 7, aus dem die jeweiligen Produkte 11 abgeführt werden.
[0020] Erfindungsgemäß sind die Sammelrohre einer solchen Elektrolysezelle aus einem thermoplastischen Kunststoff aufgebaut. Für den Fachmann auf dem Gebiet der thermoplastischen Kunststoffe hat sich in überraschenderweise gezeigt, dass die thermoplastischen Kunststoffe zum Einsatz in einem derartigen Elektrolyseur geeignet sind. Im Betrieb des Elektrolyseurs müssen derartige Sammelrohre beispielsweise bis zu 35 %ige NaOH bei 0,22 bar und 90°C aushalten.
[0021] Vorteile, die sich aus der Erfindung ergeben:
Verwendbarkeit des Sammelrohrs in einem Elektrolyseur
Beständigkeit des Sammelrohrs gegenüber alkalischen Medien
Beständigkeit des Sammelrohrs gegenüber hohen Temperaturen bis zu 100°C

Claims

Ansprüche
1. Mittel geeignet zum Durchfluss oder zur Lagerung alkalischer Medien, die eine Temperatur von 85°C bis 100°C aufweisen
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittel aus einem thermoplastischen Kunststoff aufgebaut sind.
2. Mittel nach einem der Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
thermoplastische Kunststoff ausgewählt wird aus der Gruppe umfassend Polypropylen, Polyphenylensulfid, Polyvinylchlorid, Polyamid, Polylactat, Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Polyethylenterephthalat, Polystyrol und Polyetheretherketon und bevorzugt Polypropylen ist.
3. Mittel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Rohr handelt.
4. Mittel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Behälter handelt.
5. Mittel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Sammelrohr eines Elektrolyseurs handelt, wobei der Elektrolyseur in einem Stapel angeordnete und in elektrischem Kontakt stehende
plattenförmige Elektrolysezellen umfasst, wobei die Elektrolysezellen über Zu- und Abführleitungen für Katholyt und Anolyt verfügen, die in Sammelrohre münden, wobei die Zuführleitungen für Katholyt in mindestens ein
Katholytsammelrohr münden und die Zuführleitungen für Anolyt in mindestens ein Anolytsammelrohr münden und die Abführleitungen aus den
Elektrolysezellen in mindestens ein Abführsammelrohr münden.
6. Mittel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff des Anolytsammelrohr Polyvinylchlorid ist.
7. Mittel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff des Katholytsammelrohrs und des Abführsammelrohres ausgewählt wird aus der Gruppe Polypropylen, Polyphenylensulfid, Polyvinylchlorid, Polyamid, Polylactat, Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Polyethylenterephthalat, Polystyrol und Polyetheretherketon und bevorzugt Polypropylen ist.
8. Mittel nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Sammelrohren in Verbindung stehende Stutzen, Flansche, Blindflansche, Schrauben, Muttern und Scheiben aus demselben oder einem anderen thermoplastischen Kunststoff sind, wie das Sammelrohr.
9. Mittel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff gegenüber > 20 %-konzentrierten alkalischen Medien resistent ist.
10. Mittel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff der Sammelrohre gegenüber > 20 % NaOH resistent ist.
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