Элементарная электролизная ячейка и электролизер на основе нее

ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ЭЛЕКТРОЛИЗНАЯ ЯЧЕЙКА И ЭЛЕКТРОЛИЗЕР НА ОСНОВЕ НЕЕ Электролизная ячейка, оборудованная сепаратором, подходящая для хлорщелочного электролиза,имеет плоский гибкий катод, поддерживаемый в контакте с сепаратором упругим проводящим элементом, прижатым распределителем тока и анодом, состоящим из перфорированного листа или сетки, поддерживающего(ей) сепаратор. Ячейка пригодна для предварительной сборки отдельно и использования в качестве элементарной единицы модульного комплекта для образования электролизера, концевые ячейки которого соединены только с источником электрического питания; непрерывность электрической цепи между смежными ячейками обеспечивается проводящими контактными полосами, прикрепленными к наружным анодным стенкам оболочек, ограничивающих каждую ячейку. Жесткость катодного распределителя тока и анодной конструкции и упругость проводящего элемента совместно способствуют поддержанию равномерного контакта катода и сепаратора с равномерным распределением давления, одновременно обеспечивая подходящую механическую нагрузку на контактные полосы. Промышленные процессы электролиза, например электролиз воды для получения водорода и кислорода и электролиз щелочного рассола, в частности рассола хлорида натрия, направленные на получение хлора, каустической соды и водорода, обычно осуществляют в электролизерах типа, схематично изображенного на фиг. 1, на которой ссылочные позиции означают: 1 - электролизер; 2 - элементарные ячейки, модульный комплект которых составляет электролизер; 3 и 4 - соответственно соединение с положительным и отрицательным полюсом внешнего выпрямителя; 5 - опоры множества элементарных ячеек, которые могут быть расположены под электролизером или же, в качестве альтернативы, могут быть выполнены в форме консолей, расположенных попарно вдоль сторон электролизера; 6 и 7 давление, оказываемое соединительными стяжками или гидравлическими цилиндрами (не показаны на чертеже), обеспечивающими непроницаемое уплотнение рабочих жидкостей по отношению к окружающей среде вместе с периферийными прокладками (не показаны на чертеже) и в некоторых видах электролизеров также направленными на улучшение непрерывности электрической цепи между различными ячейками. Электролизер также оборудован соответствующими патрубками и гидравлическими соединениями, позволяющими подавать подвергаемые электролизу растворы, а также отводить продукты и остаточные отработанные растворы (также опущены на чертеже для лучшей читаемости). На фиг. 2 изображено сечение вдоль направления, обозначенного стрелкой 8, оконечной части электролизера, соединенной с отрицательным полюсом, показывающее концевой элемент и множество отдельных биполярных элементов согласно общепринятой в промышленной практике конструкции. Ссылочные позиции означают: 9 - концевой катодный элемент, содержащий стенку 10 и катод 11, состоящий из перфорированного листа или сетки, поддерживаемого(ой) катодными вертикальными полосами 12; 13 - отдельные биполярные элементы, содержащие стенку 10, катод 11 и анод 14, состоящие из перфорированных листов или сеток и поддерживаемые соответственно катодными и анодными вертикальными полосами 12 и 15; 16 и 17 - периферийные прокладки, крепящие сепаратор 18 (например, пористую диафрагму или ионообменную мембрану), под давлением сжатия, создаваемым наружными соединительными стяжками или гидроцилиндрами, обеспечивающими непроницаемое уплотнение электролитов и продуктов электролиза, содержащихся в катодном и анодном отделениях, по отношению к окружающей среде. На схеме по фиг. 2 различные внутренние детали показаны раздельными для лучшего понимания: на практике сепараторы 18 находятся в контакте с анодами 14, поддерживая их, в то время как катоды 11 отделены, например, зазором 1-2 мм. Учитывая размер биполярных элементов 13, которые могут иметь высоту 1-1,5 м и длину 2-3 м, очевидно, как получение нужной плоскостности и параллелизма катодов и анодов влечет за собой чрезвычайную сложность конструкции. Более того, сборка электролизера 1 требует особого внимания обслуживающего персонала, который должен осуществлять последовательность операций, включающих периодическое повторение вертикального позиционирования соответствующих опор биполярного элемента, снабженного на обеих лицевых сторонах необходимыми периферийными прокладками, прикрепленными клеем, при обращенной к операторам анодной поверхности, с последующим наложением сепаратора на анодную поверхность и прокладки: среди трудностей такой последовательности сборки следует отметить тенденцию сепаратора соскальзывать вниз, осложняя его точное позиционирование, и необходимость сохранения взаимного выравнивания различных биполярных элементов. Множество биполярных элементов, расположенных на опорах, наконец, сжимают наружными соединительными стяжками или гидроцилиндрами для того, чтобы обеспечить требуемое герметичное уплотнение по отношению к внешней окружающей среде: на данном этапе любое небольшое смещение различных биполярных элементов или даже минимальное скольжение сепараторов может привести к повреждению последних, нарушая их правильное функционирование. Даже если этого не происходит,возможные отклонения от допусков, касающиеся параллелизма катода и анода и соответствующего зазора между ними, вызывают неравномерность распределения электрического тока, отрицательно влияющую на качество электролиза и срок службы сепараторов, особенно в том случае, если последние состоят из ионообменных мембран. Более того, при неправильном функционировании биполярного элемента и/или сепаратора вмешательство при замене вызывает ослабление сжатия, оказываемого наружными соединительными стяжками или гидроцилиндрами, с являющейся следствием этого возможностью взаимного скольжения биполярных элементов относительно сепараторов: такая ситуация может привести к дополнительному повреждению в ходе последующего повторного затягивания соединительных стяжек или гидроцилиндров. Схема по фиг. 3 изображает сечение вдоль направления, обозначенного стрелкой 8, отрицательной оконечной части электролизера другого типа: в данном случае электролизер образован множеством отдельных ячеек 19 в соответствии с конструкцией одноячеечного типа. Каждая отдельная ячейка 19 содержит две оболочки, катодную 20 и анодную 21, взаимно затянутые посредством ряда болтов 22, расположенных вдоль наружного периметра: под давлением сжатия, создаваемым болтами, катодная прокладка 23 и анодная прокладка 24 зажимают сепаратор 25 между собой, обеспечивая герметичное уплотнение по отношению к внешней окружающей среде. Обе оболочки 20 и 21 снабжены катодными и анодными вертикальными внутренними полосами, соответственно обозначенными цифрами 26 и 27, к которым прикреплены соответственно катодные 28 и анодные 29 перфорированные листы или сетки, и, наконец,-1 019177 вертикальными контактными полосами 30, расположенными на наружной поверхности анодных оболочек 21 в совмещении с катодными и анодными внутренними полосами, предназначенными для обеспечения непрерывности электрической цепи между различными отдельными ячейками электролизера. Как и в случае фиг. 2, также и на фиг. 3 катоды, аноды и сепараторы показаны раздельными элементами для лучшего понимания внутреннего строения ячеек: на практике сепараторы находятся в контакте с поддерживающими анодами, в то время как катоды размещены с заданным конечным зазором. Каждая отдельная ячейка одноячеечного типа дополнительно содержит ряд распорок 31 и 32, выровненных (совмещенных) с контактными полосами 30 и изготовленных из электроизоляционного материала, предпочтительно ПТФЭ, благодаря его химической инертности. Функция распорок 31 и 32 имеет чрезвычайно важное значение и особенно характеризует одноячеечную конструкцию: под действием сжатия наружными соединительными стяжками или гидроцилиндрами эти распорки, толщину которых тщательно калибруют (толщину устанавливают, например, на уровне 1-2 мм с механическим допуском менее 0,1 мм),закрепляют сепараторы один к другому, не повреждая их, позволяют отрегулировать сжатие периферийных прокладок и вызывают почти предельное отклонение конструкции так, чтобы обеспечить превосходный параллелизм при практически постоянном и заданном зазоре даже в случае согласованных отклонений от конструктивных допусков. Более того, распорки позволяют концентрировать механическую нагрузку наружных соединительных стяжек или гидроцилиндров на наружные контактные полосы, создающие давление, достаточное для гарантирования минимального электрического сопротивления. Участки анодной поверхности, на которые оказывается давление распорок, безусловно, соответствующим образом уплощены для того, чтобы избежать повреждения сепараторов. Преимущество проиллюстрированной выше конструкции, по существу, обусловлено возможностью индивидуальной сборки каждой одиночной ячейки в горизонтальном положении на сборочной площадке завода: горизонтальное положение сильно облегчает взаимное позиционирование оболочек, прокладок,распорок и особенно сепараторов. После завершения операций по сборке затягиванием периферийного болтового соединения одиночную ячейку помещают на опоры и после размещения всего множества отдельных ячеек весь комплект закрепляют под действием наружных соединительных стяжек или гидроцилиндров, обеспечивающих непрерывность электрической цепи между различными ячейками и параллелизм при заданном зазоре между катодами и анодами. Наконец, одноячеечная конструкция позволяет предотвращать любое повреждение сепараторов и достигать, благодаря параллелизму с заданным зазором между катодами и анодами, равномерного распределения электрического тока, обеспечивающего лучшее качество электролитического процесса и более длительный срок службы сепараторов. Более того, в случае выхода из строя одиночной ячейки процедура ремонта также и в данном случае требует ослабления давления, оказываемого наружными соединительными стяжками или гидроцилиндрами, не требуя, однако, вскрытия отдельных ячеек, так что внутренний набор различных внутренних деталей остается нетронутым: следовательно, возможные вмешательства для замены неисправных одиночных ячеек не влечет за собой никакого повреждения на последующей стадии затягивания соединительных стяжек или гидроцилиндров. Проиллюстрированные выше технологии, обеспечивающие зазоры между катодом и анодом около 1-2 мм, характеризуются в промышленной практике таким удельным потреблением электрической энергии на единицу продукта, которое до сих пор считалось удовлетворительным: тем не менее, постоянное повышение стоимости электрической энергии подталкивает к использованию новых конструкций, способных обеспечить существенную экономию энергии. Проиллюстрированная далее новая одноячеечная конструкция достигает данной цели посредством устранения зазора между катодом и анодом, как схематически показано на фиг. 4, иллюстрирующей вид сверху отдельной ячейки. Элементы, общие с чертежом на фиг. 3 (оболочки, периферийные прокладки,сепаратор, анодные вертикальные полосы, аноды и контактные полосы), указаны теми же самыми ссылочными обозначениями: отличающиеся элементы представляют собой опущенные катодные полосы 33 с прикрепленным(ой) к ним перфорированным листом или сеткой 34, упругий элемент 35, например,состоящий из наложенных друг на друга двух или более гофрированных проводящих металлических полотен или из мата, образованного взаимопроникающими кольцами, полученными из одной или более металлических проволок, и тонкий перфорированный лист или гибкую плоскую сетку 36, действующий(ую) в качестве катода. Опущение катодных вертикальных полос 33 позволяет создавать необходимое пространство для введения упругого элемента 35. После того как предварительно собранная ячейка установлена на опоры и подвергнута воздействию давления, оказываемого соединительными стяжками или гидроцилиндрами, лист или сетка 34 прижимает упругий элемент 35, в свою очередь прижимающий катод 36 к сепаратору 25, поддерживаемому анодом 29. Упругость элемента 35 гарантирует, что катод 36 поддерживается в непрерывном и равномерном контакте с сепаратором, независимо от неизбежного небольшого отклонения от идеальной плоскостности и параллелизма анода 29 и листа или сетки 34, который(ая) практически действует в качестве распределяющего ток элемента к упругому элементу и через него к гибкому катоду. Таким образом, гарантируется, что во время работы электрический ток распределяется равномерным образом и, следовательно, что напряжение на отдельных ячейках, от которого зависит потребление энергии, сводится к минимуму. Как можно заметить на схеме по фиг. 4, использование упругого элемента 35 влечет за собой устранение распорок 31 и 32 с очевидным риском того, что в соответствии с отклонениями от параллелизма листа или сетки 34 и анода 29 может быть получено слишком сильное прижимание сепаратора 25 к аноду, с являющимся следствием этого повреждением мембраны. Этот риск может быть снижен, если листы или сетки 34 и анод 29 усилены с повышением их жесткости и/или если сокращено расстояние между смежными катодными 33 и анодными полосами 27: однако такие две меры подразумевают дополнительные затраты на повышенное использование материалов и являющуюся следствием этого необходимость увеличения также числа контактных полос 30. Один альтернативный вариант воплощения предусматривает увеличение толщины только листа или сетки 34, обеспечивая требуемую жесткость анода посредством введения V-образных вертикальных элементов 37 между каждой парой анодных полос 27: вертикальные элементы 37 могут быть изготовлены из пластмассы,в этом случае их вставляют с силой, или из металла, в этом случае их необязательно прикрепляют сварными точками. Вершины 38 элементов 37 действуют в качестве линейной опорной поверхности для листа или сетки анода 29, отклонение которого сильно уменьшается без необходимости увеличения его толщины или числа анодных полос и, следовательно, контактных полос. Элементы 37, если они выполнены соответствующих размеров, могут также преимущественно действовать в качестве внутренних промоторов рециркуляции. Наконец, края элементов 37 способствуют частичной разгрузке давления,оказываемого упругим элементом 35 на основание анодных полос 27 и, следовательно, контактных полос 30, эффективно способствуя поддержанию низкого контактного удельного сопротивления между каждой парой соседних ячеек. Применение такой конструкции с нулевым зазором между катодом и анодом с использованием катода в виде гибкого(ой) плоского(ой) листа или сетки, сопряженного(ой) с упругим элементом, особенно подходит для технологии одноячеечного типа, при которой, как обсуждалось выше, предварительная сборка ячейки может быть осуществлена до выполнения работ по позиционированию на опорах электролизера. Предварительную сборку, в частности, осуществляемую на соответствующем сборочном участке завода, проводят с ячейкой в горизонтальном положении: поэтому позиционирование катода и соответствующего упругого нажимного элемента, помимо позиционирования сепаратора, сильно облегчается. И наоборот, применение электролизера типа по фиг. 2, состоящего из множества биполярных элементов,оказывается очень проблематичным, поскольку, помимо уже упоминавшихся рисков скольжения сепаратора и смещения биполярного элемента, могут возникнуть неудобства, связанные с соскальзыванием катода и отклонением и соскальзыванием вниз упругого элемента: по этой причине при скреплении множества биполярных элементов с соответствующими прокладками, сепараторами, катодами и упругими элементами могут иметь место аномалии распределения давления, с отрицательными последствиями для правильности последующего функционирования. Эффективность конструкции с нулевым зазором между катодом и анодом с использованием катода,сопряженного с упругим нажимным элементом, проверяли на пилотном электролизере для мембранного хлорщелочного электролиза. Электролизер был оборудован восемью одиночными ячейками, предварительно собранными в горизонтальном положении, а затем установленными на свои опоры. Ячейки имели стандартный промышленный размер (высота 1,2 м и длина 2,7 м), причем каждая содержала катодную оболочку, выполненную из никеля, как и соответствующие внутренние детали (катодные полосы, жесткая сетка, действующая в качестве распределителя тока, упругий элемент, состоящий из двух матов высотой 0,6 м и длиной 2,7 м, образованных взаимопроникающими двухпроволочными кольцами с диаметром примерно 0,2 мм, гибкий плоский катод, снабженный каталитическим покрытием для выделения водорода), анодную оболочку, выполненную из титана, как и соответствующие внутренние детали(анодные полосы, V-образные поддерживающие элементы, анод, снабженный каталитическим покрытием для выделения хлора, наружные контактные полосы, выполненные из титана, покрытого никелевой пленкой для минимизации контактного электрического сопротивления), прокладки из химически стойкой резины и катионообменную мембрану типа N2030, изготовленную фирмой DuPont/США. Электролизер эксплуатировали с 32% по весу каустической соды, рассолом хлорида натрия с концентрацией на выходе 210 г/л, при 90C и при плотности тока 5 кА/м 2. После периода стабилизации, составляющего примерно 1 неделю, ячейки характеризовались средним напряжением 2,90 В, которое было, по существу,неизменным через 6 месяцев работы, когда электролиз прерывали и две одиночные ячейки снимали со своих опор, открывали и подвергали визуальному осмотру их деталей. Осмотр не выявил никаких заметных изменений, в частности, две мембраны обладали поверхностью, практически свободной от складок или других следов, образующихся в результате аномального сжатия катода. Эти две ячейки вновь собирали и снова устанавливали на опоры электролизера, который затем запускали: напряжения на одиночных ячейках, включая две подвергнутые осмотру ячейки, возвратились к значению перед выключением. В качестве сравнения, в случае катализатора, оборудованного ячейками, имеющими такое же строение, но без нажимного мата, и характеризующимися зазором от катода до анода, равным 1,5 мм,согласно строению по фиг. 3, среднее напряжение на ячейке с такими же самыми мембраной и рабочими условиями составляет около 3,15 В, что соответствует заметному повышению расхода энергии в примерно 170 кВтч на 1 т продукта - каустической соды. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Элементарная электролизная ячейка, содержащая катодную оболочку и анодную оболочку, взаимно скрепленные посредством периферийного болтового соединения с прокладыванием периферийной катодной прокладки, периферийной анодной прокладки и сепаратора, причем упомянутая катодная оболочка содержит распределитель электрического тока в виде перфорированного листа или сетки, закрепленного(ой) на вертикальных внутренних катодных полосах, гибкий катод в виде перфорированного листа или сетки в электрическом контакте с упомянутым распределителем тока и в равномерном контакте с упомянутым сепаратором, проводящий упругий элемент, расположенный между упомянутым распределителем тока и упомянутым гибким катодом, упомянутая анодная оболочка содержит анод в виде перфорированного листа или сетки в равномерном контакте с упомянутым сепаратором, закрепленного(ой) на вертикальных внутренних анодных полосах, и проводящие анодные контактные полосы, расположенные снаружи в прямом совмещении с внутренними анодными полосами, при этом упомянутый анод дополнительно поддерживается вершинами V-образных элементов, введенных между каждой парой упомянутых внутренних анодных полос. 2. Ячейка по п.1, при этом упомянутый упругий элемент состоит по меньшей мере из двух наложенных друг на друга и гофрированных полотен. 3. Ячейка по п.1, при этом упомянутый упругий элемент состоит из мата из взаимопроникающих колец. 4. Ячейка по п.3, при этом упомянутые взаимопроникающие кольца образованы по меньшей мере двумя металлическими проволоками. 5. Ячейка по любому из предыдущих пунктов, при этом упомянутый сепаратор представляет собой ионообменную мембрану, упомянутая катодная оболочка, упомянутый жесткий распределитель электрического тока, упомянутые катодные полосы, упомянутый катод и упомянутый упругий элемент выполнены из никеля, упомянутая анодная оболочка, упомянутые внутренние анодные полосы и упомянутый анод выполнены из титана, упомянутые наружные анодные контактные полосы выполнены из титана,покрытого слоем никеля. 6. Электролизер, состоящий из модульного комплекта множества предварительно собранных отдельно элементарных ячеек по любому из предыдущих пунктов.