Procedimiento para garantizar y monitorizar la seguridad y los rendimientos de electrolizadores.

Procedimiento para garantizar y monitorizar la seguridad y los rendimientos de un electrolizador (1) en un proceso de fabricación que utiliza al menos una celda (2) de electrólisis que contiene al menos un cátodo (5) y al menos un ánodo (3),

que comprende las etapas siguientes:

A) determinar un intervalo de funcionamiento de tensión individual segura que depende de la corriente y correspondiente a una celda (2) de electrólisis que funciona normalmente;

B) determinar una desviación de tensión individual de referencia que depende de la desviación temporal de la corriente;

C) medir la tensión individual en el tiempo en los terminales (303, 305) de la celda (2) de electrólisis;

D) determinar la desviación de tensión individual medida calculando la derivada temporal de la tensión individual medida;

E) comparar la tensión individual medida de una celda con el intervalo de funcionamiento de tensión individual segura y la desviación de tensión individual medida de una celda con la desviación de tensión de referencia y la desviación de tensión individual medida de una celda con la desviación de tensión media de un grupo de celdas de referencia en el tiempo;

F) detener el proceso de fabricación cuando la tensión individual medida está fuera del intervalo de funcionamiento de tensión individual segura o la diferencia entre la desviación de tensión individual medida y la desviación de tensión de referencia está fuera de un intervalo predeterminado o un comportamiento de tensión individual es diferente del promedio de un grupo de celdas de referencia.

Procedimiento para garantizar y monitorizar la seguridad y los rendimientos de electrolizadores.

La presente invención se refiere a un procedimiento para garantizar y monitorizar la seguridad y los rendimientos de electrolizadores en un proceso de fabricación que utiliza al menos una celda de electrólisis que contiene un cátodo y un ánodo separados por una membrana.

La presente invención también se refiere a un sistema para garantizar y monitorizar la seguridad y los rendimientos de electrolizadores en un proceso de fabricación realizado en una unidad de fabricación que utiliza al menos una celda de electrólisis que puede llevar a cabo dicho procedimiento.

Se utiliza la electrólisis para producir un producto químico de mayor valor en diferentes áreas de la industria química, tal como para la producción de clorato de sodio, sosa cáustica y cloro. Habitualmente, la electrólisis tiene lugar en un electrolizador que comprende un ánodo en el que tiene lugar una reacción de oxidación, un cátodo en el que tiene lugar una reacción de reducción, estando separados estos dos electrodos por una membrana de intercambio iónico.

Un electrolizador se compone habitualmente de una celda 2 de electrólisis que comprende un ánodo 3 y un cátodo 5 (véase la figura 1) . Es en el ánodo 3 donde tiene lugar la oxidación y en el cátodo 5 donde se reduce electroquímicamente el oxidante. Se generan electrones en el ánodo 3 y fluyen a través de una carga externa hasta el cátodo 5. Fluyen iones entre el ánodo 3 y el cátodo 5 en un electrolito para completar el circuito. Una membrana 7 de intercambio protónico delgada permite el paso de los iones desde el compartimento anódico hasta el compartimento catódico.

En el caso de producción de cloro, se proporciona salmuera saturada (cloruro de sodio, NaCl) en el lado del ánodo de la celda en la que se oxidan iones cloruro (Cl-) a cloro (Cl2) . En el lado del cátodo de la celda, se reduce agua a hidrógeno (H2) e iones hidróxido (OH-) . Estos últimos se combinan con los iones sodio (Na+) , que migran a través de la membrana desde el lado del ánodo, para formar sosa cáustica (NaOH) .

Las maneras en las que se conectan los ánodos y cátodos difieren según la tecnología. Los electrodos pueden conectarse en paralelo, en serie o en una combinación de los mismos.

Uno de los problemas asociados con la monitorización de celdas de electrólisis son las condiciones extremadamente hostiles en las que funcionan. Esto hace que la adquisición de datos sea difícil y poco fiable. Se sabe que la tensión de celda individual responde sin demora a un mal funcionamiento de una celda. Pero la tensión de celda individual también está cambiando durante el funcionamiento normal, por ejemplo durante un cambio de carga. Los sistemas de monitorización de tensión de celda individual conocidos no son lo suficientemente precisos y fiables como para funcionar como sistema de seguridad en una sala de celdas y como para cubrir la clase de alto riesgo especialmente en el caso de celdas que están produciendo cloro y/o hidrógeno. A veces se utilizan para detener el proceso mediante el sistema de control del proceso principal, si se alcanza un determinado nivel de alta tensión. En la práctica, el nivel de integridad de la seguridad de estos sistemas no es según el nivel de riesgo y las diferentes clases de mal funcionamientos, que pueden detectarse, son limitadas.

Es común, instalar como sistema de seguridad un sistema de monitorización de tensión de equilibrio, que compara la tensión promedio de un grupo de celdas con la tensión promedio de otro grupo. Este procedimiento es poco fiable. Durante un cortocircuito, por ejemplo, se reduce una tensión individual y aumentan las dos tensiones individuales de las celdas vecinas. Por tanto, la tensión promedio del grupo no está cambiando.

También es común analizar la calidad del producto para detectar un mal funcionamiento de una celda. Por ejemplo, una membrana defectuosa en el caso de la producción de cloro, sosa cáustica e hidrógeno mediante la electrólisis de salmuera que contiene NaCl da como resultado una mezcla explosiva de hidrógeno en cloro. En la mayoría de las plantas, se instala un analizador tras el refrigerante de cloro principal. Por tanto, en teoría sólo puede evitarse una explosión fuera de la sala de celdas. Pero en la práctica, también se producen explosiones en la sección de tratamiento de cloro, debido al tiempo de respuesta de minutos de ese analizador, que es normalmente un cromatógrafo de gases o un detector de conductividad térmica.

El principal objetivo de esta invención es proporcionar un procedimiento y un sistema que actúen juntos como sistema de seguridad según SIL (safety integrity level, nivel de integridad de la seguridad) 2 de la norma IEC 61511 para detectar cualquier mal funcionamiento de una celda y parar la celda antes de que se produzca un riesgo.

Un objetivo de la invención es, por tanto, proporcionar un procedimiento eficaz de monitorización de una electrólisis y de determinación de si celdas individuales están fallado o rindiendo mal.

Para este fin, un aspecto de esta invención es proporcionar un procedimiento para monitorizar la seguridad y los rendimientos de electrolizadores en un proceso de fabricación que utiliza al menos una celda de electrólisis que contiene al menos un cátodo y al menos un ánodo, que comprende las etapas de:

A) determinar un intervalo de funcionamiento de tensión individual segura que depende de la corriente y correspondiente a la celda de electrólisis que funciona normalmente;

B) determinar una desviación de tensión de referencia que depende de la desviación temporal de la corriente;

C) medir la tensión individual con el tiempo en los terminales de la celda de electrólisis;

D) determinar la desviación de tensión individual medida calculando la derivada temporal de la tensión individual medida;

E) comparar la tensión individual medida de una celda con el intervalo de funcionamiento de tensión individual segura y la desviación de tensión individual medida de una celda con la desviación de tensión de referencia y la desviación de tensión individual medida de una celda con la desviación de tensión promedio de un grupo de celdas de referencia con el tiempo;

F) detener el proceso de fabricación cuando la tensión individual medida está fuera del intervalo de funcionamiento de tensión individual segura, o la diferencia entre la desviación de tensión individual medida y la desviación de tensión de referencia está fuera de un intervalo predeterminado, o un comportamiento de tensión individual es diferente del promedio de un grupo de celdas de referencia.

El procedimiento de la invención permite comparar la tensión real medida en los terminales de la celda de electrólisis así como su desviación de tensión y comparar estos datos reales con los de referencia a los que funciona normalmente la celda de electrólisis, es decir que no puede producirse ningún acontecimiento que conduzca a que se estropee o destruya una celda de electrólisis.

El funcionamiento normal de la celda de electrólisis está determinado por algunas condiciones tales como la edad y/o el rendimiento de esta celda.

Se encontró sorprendentemente que la mayoría de los acontecimientos responsables de que se estropee y/o destruya una celda de electrólisis afecta a la tensión en cada celda de electrólisis o implica una gran variación de esta última en un plazo corto de tiempo.

Por tanto, el usuario del procedimiento puede determinar cuándo los datos reales no coinciden con los datos normales medidos cuando la celda de electrólisis funciona normalmente.

En este caso, se realiza una etapa de detención del proceso de fabricación con el fin de evitar cualquier situación crítica.

Los ejemplos de una causa que estropea y/o destruye una celda de electrólisis pueden comprender: pérdida por el ánodo del recubrimiento, pérdida por el cátodo del recubrimiento, envenenamiento del cátodo, pasivación de electrodos, bloqueo en la celda de electrólisis o circuito de líquido, problema con la purificación, insuficiente alimentación de salmuera, pérdida de flujo de cáustico de alimentación, formación de ampollas en la membrana, incrustación de la membrana y perforación de la membrana.

Por tanto,... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para garantizar y monitorizar la seguridad y los rendimientos de un electrolizador (1) en un proceso de fabricación que utiliza al menos una celda (2) de electrólisis que contiene al menos un cátodo (5) y al menos un ánodo (3) , que comprende las etapas siguientes:

A) determinar un intervalo de funcionamiento de tensión individual segura que depende de la corriente y correspondiente a una celda (2) de electrólisis que funciona normalmente;

B) determinar una desviación de tensión individual de referencia que depende de la desviación temporal de la corriente;

C) medir la tensión individual en el tiempo en los terminales (303, 305) de la celda (2) de electrólisis;

D) determinar la desviación de tensión individual medida calculando la derivada temporal de la tensión individual medida;

E) comparar la tensión individual medida de una celda con el intervalo de funcionamiento de tensión individual segura y la desviación de tensión individual medida de una celda con la desviación de tensión de referencia y la desviación de tensión individual medida de una celda con la desviación de tensión media de un grupo de celdas de referencia en el tiempo;

F) detener el proceso de fabricación cuando la tensión individual medida está fuera del intervalo de funcionamiento de tensión individual segura o la diferencia entre la desviación de tensión individual medida y la desviación de tensión de referencia está fuera de un intervalo predeterminado o un comportamiento de tensión individual es diferente del promedio de un grupo de celdas de referencia.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el intervalo predeterminado está basado en el aprendizaje, también asistido por redes neuronales artificiales o motores de resolución, de la relación histórica entre la tensión individual, la corriente y de otros parámetros de funcionamiento tales como la temperatura.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, en el que los límites del intervalo de funcionamiento de tensión individual segura son la tensión máxima Umax (t) y la tensión mínima Umin (t) que dependen de la corriente I y del tiempo t determinados, respectivamente, por las siguientes fórmulas:

en las que: I (t) es la corriente que pasa a través de la celda; U0, min (33) y U0, max (31) están comprendidos, respectivamente, entre 2, 20 V y 2, 40 V y entre 2, 60 V y 2, 80 V; kmin (27) y kmax (29) están comprendidos, respectivamente, entre 0, 05 V.kA.m-2 y 0, 15 V.kA.m-2 y entre 0, 15

V.kA.m-2 y 0, 25 V.kA.m-2; y A está comprendido entre 1, 5 m2 y 5, 4 m2.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la desviación de tensión de referencia es igual a

en la que k (25) está comprendido entre 0, 1 V.kA.m-2 y 0, 2 V.kAm-2 y A está comprendido entre 1, 5 m2 y 5, 4 m2.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que se aplica a una pluralidad de celdas (2) de electrólisis montadas en serie.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que se electroliza una solución acuosa que comprende una sal de cloruro.

7. Sistema (201) para garantizar y monitorizar la seguridad y los rendimientos de electrolizadores en un proceso de

fabricación realizado en una unidad de fabricación que utiliza al menos una celda (2) de electrólisis que puede llevar a cabo el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, comprendiendo dicho sistema (201) :

A) una pluralidad de unidades de adquisición y transmisión (203) , estando configurada cada una de dichas unidades de adquisición y transmisión (203) para medir la tensión individual en los terminales (303, 305) de cada 10 celda (2) de electrólisis con el tiempo según la etapa C y para transmitir la tensión medida;

B) un dispositivo de tratamiento (205) para recoger la tensión medida individual transmitida por cada una de dichas unidades de adquisición y transmisión (203) , configurado para implementar las etapas A, B, D y E y para transmitir los datos a unos medios de transmisión; y

C) una unidad de transmisión (223) configurada para implementar la etapa F con los datos emitidos desde el dispositivo de tratamiento (205) y para transmitir una orden para detener el proceso de fabricación.

8. Sistema (201) según la reivindicación anterior, en el que el dispositivo de tratamiento (205) está conectado a un 20 servidor (215) para recibir y analizar los datos emitidos desde el dispositivo de tratamiento (205) .

9. Sistema (201) según la reivindicación anterior, en el que el dispositivo de tratamiento (205) está conectado a un dispositivo intermedio (221) configurado para transmitir y/o formatear los datos determinados al servidor (215) .

10. Sistema (201) según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en el que las unidades de adquisición y transmisión (203) están conectadas al dispositivo de tratamiento (205) mediante al menos una fibra óptica.

11. Producto de programa informático que comprende una o más secuencias de instrucciones almacenadas que son

accesibles para un procesador y que, cuando son ejecutadas por el procesador, hacen que el procesador lleve a 30 cabo las etapas del procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.

12. Medio legible por ordenador, que lleva una o más secuencias de instrucciones del producto de programa informático según la reivindicación 11.

13. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, en el que el dispositivo de tratamiento (205) comprende unos medios para implementar el medio legible por ordenador según la reivindicación 12.