Procedimiento y dispositivo para la electrólisis de una disolución acuosa de cloruro de hidrógeno o cloruro de metal alcalino en una celda de electrólisis.

Procedimiento para la electrólisis de una disolución acuosa de cloruro de hidrógeno o cloruro de metal alcalino en una celda de electrólisis que comprende un semielemento anódico con un ánodo, un semielemento catódico con un electrodo de difusión de gas

(2) como cátodo y una membrana de intercambio catiónico para la separación electrolítica del semielemento anódico y el semielemento catódico, en donde al semielemento catódico se aporta gas con contenido en oxígeno y se evacúa gas con contenido en oxígeno en exceso desde el semielemento catódico, caracterizado por que el gas con contenido en oxígeno en exceso, retirado del semielemento catódico, es aportado, al menos en parte, a un dispositivo (7) para la separación de gases, en el que el gas con contenido en oxígeno en exceso es separado en una fracción rica en oxígeno y en una fracción pobre en oxígeno, y la fracción rica en oxígeno se aporta a continuación al semielemento catódico.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2010/003253.

Solicitante: MESSER GROUP GMBH.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: Messer-Platz 1 65812 Bad Soden ALEMANIA.

Inventor/es: BULAN, ANDREAS, Rohovec,Joachim, BACHLEITNER,WALTER, ERDMANN,CHRISTOPH, WEIS,MATHIAS.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > PROCESOS ELECTROLITICOS O ELECTROFORETICOS; SUS APARATOS > PROCESOS ELECTROLITICOS O ELECTROFORETICOS PARA LA... > Producción electrolítica de compuestos inorgánicos... > C25B1/26 (Cloro; Sus compuestos)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > PROCESOS ELECTROLITICOS O ELECTROFORETICOS; SUS APARATOS > PROCESOS ELECTROLITICOS O ELECTROFORETICOS PARA LA... > Operación o servicio de las células > C25B15/08 (Suministro o eliminación de reactivos o electrolitos; Regeneración de electrolitos)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA... > Pilas de combustible; Su fabricación > H01M8/04 (Disposiciones o procesos auxiliares, p. ej. para controlar la presión, para la circulación de fluidos)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > PROCESOS ELECTROLITICOS O ELECTROFORETICOS; SUS APARATOS > PROCESOS ELECTROLITICOS O ELECTROFORETICOS PARA LA... > Producción electrolítica de compuestos inorgánicos... > C25B1/46 (en células de diafragma)

PDF original: ES-2530897_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Procedimiento y dispositivo para la electrólisis de una disolución acuosa de cloruro de hidrógeno o cloruro de metal alcalino en una celda de electrólisis La invención se refiere a un procedimiento para la electrólisis de una disolución acuosa de cloruro de hidrógeno o cloruro de metal alcalino en una celda de electrólisis que comprende un semielemento anódico con un ánodo, un semielemento catódico con un electrodo de difusión de gas como cátodo y una membrana de intercambio catiónico para la separación electrolítica del semielemento anódico y el semielemento catódico, en donde al semielemento catódico se aporta gas con contenido en oxígeno y se evacúa gas con contenido en oxígeno en exceso desde el semielemento catódico. La invención se refiere, además, a un dispositivo correspondiente.

La electrólisis de disoluciones acuosas de cloruro de hidrógeno (ácido clorhídrico) y disoluciones acuosas de cloruro de metal alcalino puede tener lugar electrolíticamente utilizando un electrodo de difusión de gas como cátodo despolarizado de oxígeno. En este caso en el compartimiento del cátodo de la celda de electrólisis se alimenta en exceso oxígeno, aire o aire enriquecido con oxígeno. A través del uso de cátodos despolarizados de oxígeno la tensión de electrólisis se reduce en aprox. un 30% en comparación con las electrólisis de ácido clorhídrico o cloroalcalina convencionales. En lo que sigue, el gas rico en oxígeno aportado al semielemento catódico, así, por ejemplo, oxígeno puro, aire o aire enriquecido en oxígeno, también se le denomina oxígeno, sin que a ello deba estar ligada limitación alguna de la invención.

Un procedimiento para la electrólisis de ácido clorhídrico se conoce, por ejemplo, del documento US-A 5 770 035. El objeto descrito en el mismo presenta una celda de electrólisis de membrana con un cátodo despolarizado de oxígeno, así como un compartimiento anódico con un ánodo adecuado para la producción de cloro, que están separados entre sí por una membrana de intercambio catiónico convencional. El compartimiento anódico se llena con ácido clorhídrico. En el ánodo se forma cloro que se recoge y se trata, mientras que al cátodo se aporta aire, aire enriquecido con oxígeno u oxígeno.

A partir del documento EP-A 1 067 215 se conoce un procedimiento para la electrólisis de una disolución acuosa de cloruro alcalino utilizando un cátodo despolarizado de oxígeno. La celda de electrólisis se compone de un semielemento anódico y un semielemento catódico que están separados entre sí por una membrana de intercambio catiónico. El semielemento catódico se compone de un compartimiento de electrólito y un compartimiento de gas, entre los cuales está dispuesto un cátodo despolarizado de oxígeno. El compartimiento de electrólito está lleno de disolución de hidróxido de metal alcalino. Durante la electrólisis, el compartimiento de gas es alimentado con oxígeno.

Cuando se emplean cátodos despolarizados de oxígeno se puede producir, en virtud de reacciones competidoras, la formación de hidrógeno. Por esta razón, hasta ahora han fracasado una conducción en circuito del oxígeno en exceso en el semielemento catódico, dado que durante el reciclaje existe el riesgo de que el hidrógeno presente en la mezcla gaseosa con oxígeno se concentre por encima del límite de explosión de 4% en vol. Por tanto, el gas en exceso fue hasta ahora la mayoría de las veces purificado y entregado al aire de escape.

Para resolver el problema de la concentración de hidrógeno, se propone en el documento DE 103 42 148 A1, someter al gas de escape rico en oxígeno a una oxidación catalítica de hidrógeno. El gas tratado de esta manera se aporta a continuación de nuevo al semielemento catódico. A fin de proporcionar siempre un excedente de oxígeno, al semielemento catódico se aporta oxígeno adicional. El oxígeno recién suministrado se mezcla, por ejemplo antes de entrar en el semielemento catódico, con la corriente de oxígeno purificada. Mediante la reacción catalítica el contenido en hidrógeno se reduce notablemente y permite un reciclaje múltiple del oxígeno. Este objeto se ha acreditado; sin embargo, es problemático que durante la circulación en circuito se concentren eventualmente otros gases, los cuales no pueden eliminarse catalíticamente y hacen necesario un mayor intercambio con oxígeno fresco. A fin de asegurar un exceso de oxígeno suficiente en el cátodo, debe aportarse, además, oxígeno lo más puro posible, que es relativamente caro.

La misión de la presente invención consiste en crear un procedimiento alternativo que permita una circulación en circuito, al menos parcial, del oxígeno empleado en exceso en el semielemento catódico.

Este problema se resuelve en el caso de un procedimiento del tipo y la finalidad mencionados al comienzo, debido a que el gas con contenido en oxígeno, retirado del semielemento catódico, es aportado, al menos en parte, a un dispositivo para la separación de gases, en el que el gas con contenido en oxígeno es separado en una fracción rica en oxígeno y en una fracción pobre en oxígeno, y la fracción rica en oxígeno se aporta a continuación de nuevo al semielemento catódico. En el dispositivo para la separación de gases, el gas retirado del semielemento catódico se 2 5

descompone de una manera en sí conocida. De esta manera, la aportación de oxígeno fresco se puede reducir claramente y, con ello, se reducen los costos. En la fracción rica en oxígeno en el dispositivo para la separación de gases se produce sólo una muy pequeña proporción de gases traza tales como, p. ej., hidrógeno o argón, ya que éstos, al igual que, por ejemplo, el nitrógeno presente, se separan en el dispositivo para la separación de gases como una fracción común o varias fracciones separadas. Sin embargo, no se excluye en el marco de la presente invención una etapa de procedimiento adicional para la separación -por ejemplo, catalítica -de gases traza, en particular de hidrógeno o argón.

Por "gas rico en oxígeno", que se aporta en el lado de entrada al cátodo despolarizado de oxígeno, se entiende en este caso preferiblemente un gas con una proporción de oxígeno de al menos 90% en vol. Por un "oxígeno en excesoâ?? que contiene gas se entiende aquí en general un gas que tiene una mayor proporción de oxígeno que el aire. A través del proceso de electrólisis en el cátodo despolarizado de oxígeno se reduce ciertamente la proporción de oxígeno del gas en el compartimiento catódico, pero la proporción de oxígeno en el lado de salida con, por ejemplo, 70-85% en vol. es todavía mucho mayor que la proporción de oxígeno en el aire. Este gas con contenido en oxígeno en exceso se aporta de acuerdo con la invención, en su totalidad o en parte, al dispositivo para la separación de gases, con el resultado de que éste produce una corriente cuantitativa correspondientemente mayor de la fracción rica en oxígeno.

Ventajosamente, el dispositivo para la separación de gases trabaja según un procedimiento de membrana, un procedimiento de adsorción o un procedimiento criogénico de separación de gases tal como, por ejemplo, descomposición de aire por rectificación. Los procedimientos de separación trabajan preferiblemente de modo que posibles trazas presentes de otros gases tales como argón o hidrógeno, que están presentes en el gas con contenido en oxígeno retirado del semielemento catódico, se separan de la fracción rica en oxígeno. De esta manera, el gas puede ser reciclado esencialmente más a menudo que lo que es posible en procedimientos de acuerdo con la técnica anterior.

La misión de la invención se resuelve también mediante un dispositivo para la electrólisis de una disolución acuosa... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento para la electrólisis de una disolución acuosa de cloruro de hidrógeno o cloruro de metal alcalino en una celda de electrólisis que comprende un semielemento anódico con un ánodo, un semielemento catódico con un electrodo de difusión de gas (2) como cátodo y una membrana de intercambio catiónico para la separación 5 electrolítica del semielemento anódico y el semielemento catódico, en donde al semielemento catódico se aporta gas con contenido en oxígeno y se evacúa gas con contenido en oxígeno en exceso desde el semielemento catódico, caracterizado por que el gas con contenido en oxígeno en exceso, retirado del semielemento catódico, es aportado, al menos en parte, a un dispositivo (7) para la separación de gases, en el que el gas con contenido en oxígeno en exceso es separado en una fracción rica en oxígeno y en una fracción pobre en oxígeno, y la fracción rica en oxígeno se aporta a continuación al semielemento catódico.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que el dispositivo (7) para la separación de gases trabaja según un procedimiento de membrana, un procedimiento de adsorción o un procedimiento de separación de gas criogénico.

3. Dispositivo para la electrólisis de una disolución acuosa de cloruro de hidrógeno o cloruro de metal alcalino en

una celda de electrólisis que comprende un semielemento anódico con un ánodo, un semielemento catódico con un electrodo de difusión de gas (2) como cátodo y una membrana de intercambio catiónico para la separación electrolítica del semielemento anódico y el semielemento catódico, una tubería de suministro de oxígeno (3) para la aportación de un gas rico en oxígeno al semielemento catódico, y una tubería de descarga de oxígeno (4) para la retirada de gas con contenido en oxígeno en exceso desde el semielemento catódico, caracterizado por que la tubería de descarga de oxígeno (4) está en comunicación de flujo con un dispositivo (7) para la separación de gases, en el que el gas con contenido en oxígeno se separa en una fracción rica en oxígeno y en una fracción empobrecida en oxígeno, y el dispositivo (7) para la separación de gases está equipado con una tubería de salida para la fracción rica en oxígeno que está conectado en comunicación de flujo con la tubería de suministro de oxígeno (3) del semielemento catódico.

4. Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado por que como dispositivo (7) para la separación de gases se emplea una instalación de adsorción de oscilación de presión (PSA) , una instalación de adsorción de oscilación de presión en vacío (VPSA) o una instalación de separación de aire criogénica (LZA) .