АНОД ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИЗНОЙ ЯЧЕЙКИ С ДИАФРАГМОЙ И СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ РАБОТЫ СУЩЕСТВУЮЩЕГО АНОДА Российский патент 2002 года по МПК C25B11/02 

Мировое производство хлора составляет около 45 миллионов тонн в год, из которых около 20 производится путем электролиза раствора хлористого (хлорида) натрия в процессе электролиза с диафрагмой.

На фиг.1 схематически изображена современная ячейка с диафрагмой, в состав которой входит основание А анодов, к которому аноды В прикреплены с помощью медной проводящей шины D, защищенной слоем титана. Катод С выполнен в виде перфорированных пластин или железных сеток, на которые со стороны анода нанесена диафрагма. Крышка G, сделанная из пластмассы, устойчивой к хлору, снабжена выпуском Н для газообразного хлора и впуском для подачи раствора (не показан).

Водород и каустическая сода выводятся из катодного отсека через выпуски I и L соответственно. Диафрагма, сделанная, в основном, из асбестовых волокон и пластического связующего вещества, отделяет анодный отсек от катодного отсека во избежание смешивания двух газов и растворов (католита и анолита).

Технология диафрагменного процесса, ввиду ее технического и коммерческого значения, в последнее время была усовершенствована для уменьшения энергопотребления и отказа от использования асбеста, который признан веществом, опасным для здоровья человека, и перехода на диафрагмы, сделанные из волокон оксида циркония и пластмасс типа политетрафторэтилена.

Среди различных разработок, внедренных в диафрагменный процесс, практическое значение с промышленной точки зрения представляют:
1. Замена графитовых анодов анодами DSA^® коробчатого типа.

2. Замена анодов коробчатого типа расширяемыми анодами (Патент США 3674676).

3. Анод в контакте с диафрагмой в конфигурации так называемого "нулевого интервала" (Патент США 5534122).

Этот результат достигается введением внутрь расширяемого анода подходящих устройств, способных оказывать давление на поверхности анода.

На фиг. 2 изображен типичный расширяемый анод, содержащий две анодные поверхности Е, соединенные с проводящими шинами D посредством гибких пластинок, именуемых расширителями F, которые в процессе установки удерживаются в сжатом состоянии так называемыми фиксаторами N. После установки фиксаторы удаляются, чтобы дать возможность анодным поверхностям Е расширяться. Ясно, что расширители нужны не только для того, чтобы сделать анодные поверхности Е подвижными, но также для того, чтобы проводить электрический ток от вертикальной проводящей шины D к анодным поверхностям Е. Чтобы обеспечить достаточную упругость, расширители изготавливаются в виде тонких титановых пластинок, например, 0,5 мм толщиной. В результате на расширителях обнаруживается заметное падение напряжения, примерно в 1-2 раза превышающее то, что типично для коробчатого анода. Например, стандартный коробчатый анод электролизера типа MDC 55, работающий на 2,5 кА/м² и 95^oС, имеет падение напряжения 40-50 мВ в отличие от 100-120 мВ для аналогичного расширяемого анода. Аналогично, стандартный коробчатый анод электролизера типа MDC 29, работающий на 2,5 кА/м² и 95^oС, имеет падение напряжения 50-60 мВ, в отличие от 110-130 мВ для аналогичного расширяемого анода.

В изобретении, описанном в бразильской патентной заявке Р19301694, предложено решение, как уменьшить активное падение напряжения на расширителе. Изобретение состоит в том, чтобы приварить два или более дополнительных расширителя, имеющих такую же толщину (0,5 мм), для увеличения поперечного сечения для протекания электрического тока и не допустить уменьшение упругости. Практика показала, что это решение далеко не оптимально и до сих пор не нашло промышленного применения по следующим причинам: чрезвычайно трудно вставить и приварить два дополнительных расширителя и еще труднее - новый расширитель на уже существующий, который обычно деформируется в результате длительного использования. В результате два расширителя не подходят друг другу и в сжатом положении создается "избыток вещества", который деформирует расширитель.

Деформация расширителей в сжатом состоянии создает трудности в достижении хорошей плоскостности как при вводе фиксаторов, так и при установке анодов на основание анодов. Проблемы, наносящие вред расширителям, находящимся в сжатом состоянии, сильно влияют на ход расширения после удаления фиксаторов. В результате давление на диафрагму становится неоднородным, две активные поверхности оказываются существенно не параллельными, и расстояние между ними и диафрагмой не будет постоянным. Все это плохо влияет на работу анода и диафрагмы.

Следует заметить, что приваривание одного или более дополнительных расширителей приводит к заметному падению напряжения на поверхности контакта медного сердечника проводящей шины с титановым слоем. Вследствие возрастания температурного напряжения во время сварочной процедуры (высоких температур в течение длительного времени) на этой поверхности контакта возникают разрывы. Эти эффекты, несомненно, отрицательны, когда второй расширитель приваривается к уже существующим проводникам, обветшавшим за годы работы. Приваривание трех дополнительных расширителей сводит на нет всю экономию напряжения.

В основу настоящего изобретения положена задача создания нового анода, пригодного для ячейки с диафрагмой, способного в значительной степени преодолеть недостатки существующего уровня техники. Поставленная задача решается тем, что согласно изобретению имеется:
- низкое падение напряжения на расширителе, без потери упругости;
- параллельное расширение анодных поверхностей;
- однородное давление на диафрагме, остающееся постоянным с течением времени;
- низкое падение напряжения на точках сварки проводящей шины с расширителем.

Такой анод особенно полезен для электролиза с диафрагмой хлорида щелочного металла.

Дополнительной задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание эффективного и правильного способа уменьшения падения напряжения внутри существующей конструкции анода, уже снабженного стандартным расширителем, путем введения дополнительных стандартных расширителей без возрастания падения напряжения между точкой контакта и проводящей шиной (медным сердечником и титановым слоем).

Уменьшение падения напряжения достигается, в основном, за счет добавления второй пары расширителей к первой паре расширителей, которая используется по стандарту. Эти новые расширители присоединяются посредством точек сварки, которые расположены перпендикулярно по отношению к точкам сварки первой пары: пространственно-разделенное местоположение точек сварки позволяет легко поддерживать определенный оптимум и однородную упругость как в расширенном, так и в сжатом состоянии, без негативного влияния на эффективность электрического контакта на поверхности контакта медного сердечника и титанового слоя проводящей шины. Добавление второй пары расширителей согласно этому изобретению позволяет уменьшить падение напряжения или увеличить давление, производимое первой парой расширителей, потерявших упругость от долгой работы.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным вариантом выполнения со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 3 представляет собой вид спереди 3А и вид сверху 3В секции расширяемого анода согласно настоящему изобретению;
фиг. 4 представляет собой вид спереди 4А и вид сверху 4В секции стандартного расширяемого анода.

Для простоты анодные поверхности Е на фиг.3-4 не изображены.

Согласно изобретению анод, новый или же существующий анод, подвергшийся модификации, изображен на фиг. 3А и 3В. Анод содержит токопроводящую шину D (медный сердечник, покрытый слоем титана), пару расширителей F (таких же, как в предшествующем уровне техники), приваренных к токопроводящей шине D в точках соединения J, и вторую пару расширителей К, приваренных к токопроводящей шине D в точках соединения J₁ , расположенных под углом 90^o (перпендикулярно) к точкам J по окружности токопроводящей шины D. Анодные поверхности (Е на фиг.2, не показаны на фиг.3А и 3В) прикреплены, например, посредством дуговой сварки или точечной резистивной сварки в М, точками сварки, которые также соединяют F с К. Для лучшего понимания на фиг.4 подобным образом изображен стандартный анод, где токопроводящая шина D снабжена лишь одной парой расширителей F, к концам М которых приварены анодные поверхности. Из сравнения фигур очевидно, что в изобретенном аноде электрический ток протекает из проводящей шины к анодной поверхности через удвоенное поперечное сечение в анод. Две пары расширителей согласно изобретению независимо прикрепленные к проводящей шине и только потом прикрепленные в едином сварочном проходе друг к другу и к анодным поверхностям, не вызывают никакой деформации или помехи ни при сжатии, ни при расширении. Кроме того, точки соединения J и J₁, расположенные перпендикулярно по окружности проводящей шины D, минимизируют сварочное температурное напряжение на поверхности контакта медного сердечника и титанового слоя. Следовательно, легко предотвратить образование разрывов на этой поверхности контакта и избежать возрастания падения напряжения, типичного для современного уровня техники (бразильская заявка P19301694).

В таблице приведено падение напряжения на стандартных анодах в сравнении с анодами, предложенными изобретением.

Изобретение относится к конструкции расширяемого анода, предназначенного для использования в электролизерах с диафрагмой. Анод содержит проводящую шину в виде медного сердечника, снабженного слоем титана, к которой прикреплены первая и вторая пары упругих расширителей. Точки сварки второй пары расширителей расположены перпендикулярно точкам сварки первой пары расширителей по окружности проводящей шины. Анодные поверхности прикреплены к обеим парам расширителей. Технический эффект - снижение падения напряжения между проводящей шиной и поверхностью анода, исключение опасности повреждения поверхности контакта между медным сердечником и титановым покрытием из-за чрезмерного температурного напряжения, обусловленного процедурами сварки. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Анод для электролизной ячейки с диафрагмой, содержащий проводящую шину, выполненную в виде медного сердечника и слоя титана, первую пару гибких расширителей, прикрепленных одним своим концом к проводящей шине точками сварки, и анодные поверхности, приваренные к другим концам расширителей, отличающийся тем, что указанный анод снабжен второй парой гибких расширителей, прикрепленных к указанной проводящей шине посредством точек сварки, расположенных по окружности проводящей шины перпендикулярно точкам сварки указанной первой пары расширителей, указанные анодные поверхности также прикреплены к обеим парам расширителей. 2. Анод по п.1, отличающийся тем, что точки сварки получаются с помощью дуговой или резистивной сварки. 3. Способ улучшения работы существующего анода электролизной ячейки с диафрагмой, содержащей проводящую шину, выполненную в виде медного сердечника и слоя титана, первую пару гибких расширителей, прикрепленных одним своим концом к проводящей шине точками сварки, и анодные поверхности, прикрепленные к другому концу указанных расширителей, отличающийся тем, что прикрепляют дополнительную пару гибких расширителей к указанной проводящей шине посредством точек сварки, расположенных по окружности проводящей шины перпендикулярно точкам сварки указанной первой пары расширителей, и прикрепляют анодные поверхности к указанным парам расширителей. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что осуществляют наложение указанных точек сварки с помощью дуговой или резистивной сварки.