專利名稱：用于在電解池中電解氯化氫或堿金屬氯化物的水溶液的方法和裝置的制作方法
用于在電解池中電解氯化氫或堿金屬氯化物的水溶液的方
法和裝置本發(fā)明涉及一種用于在電解池中電解氯化氫或堿金屬氯化物的水溶液的方法，該電解池包括具有一個陽極的一個陽極半元件、具有一個氣體擴散電極作為陰極的一個陰極半元件以及用于將陽極半元件與陰極半元件電解地分開的一個陽離子交換膜，其中將一種含氧氣體送至該陰極半元件，并且從該陰極半元件中排出含過量氧的氣體。本發(fā)明進一步涉及一種對應的裝置。氯化氫的水溶液(鹽酸)以及堿金屬氯化物的水溶液的電解可以使用一個氣體擴散電極作為耗氧陰極來電解地進行。在此，將氧氣、空氣或富氧空氣過量地送入該電解池的陰極空間內。與常規(guī)的鹽酸或氯堿電解相比使用耗氧陰極將電解電壓減小了約30%。送入該陰極半元件中的富氧氣體，即，例如純氧、空氣或富氧空氣，下面將稱為氧，這并不構成對本發(fā)明的限制。用于電解鹽酸的方法是已知的，例如從US-A 5 770 035中。在此所描述的主題具有一個膜電解池，該膜電解池具有一個耗氧陰極以及一個陽極空間，該陽極空間具有一個適合于產(chǎn)生氯的陽極，這兩者被一個常規(guī)的陽離子交換膜彼此分開。該陽極空間填充有鹽酸。氯在陽極形成并且進行收集和處理(worked up)，而空氣、富氧空氣或氧氣被送至陰極。EP-A 1 067 215披露了一種使用耗氧陰極來電解水性堿金屬氯化物溶液的方法。 該電解池由一個陽極半元件以及一個陰極半元件構成，它們被一個陽離子交換膜彼此分開。該陰極半元件由一個電解質空間以及一個氣體空間組成，在它們之間安排有一個耗氧陰極。該電解質空間填充有堿金屬氫氧化物溶液。在電解過程中，對該氣體空間供應氧氣。當使用耗氧陰極時，由于競爭反應而可能形成氫。在陰極半元件中存在的過量氧的循環(huán)迄今為止都由于這個原因失敗，因為再循環(huán)產(chǎn)生了使氫與氧在氣體混合物中共存的風險，該混合物被濃縮至高于按體積計4%的爆炸極限。因此迄今為止幾乎都將過量的氣體純化并排放到廢氣中。為了解決氫濃度增大的問題，DE 103 42 148 Al提出使從該陰極半元件中排出的富氧尾氣經(jīng)受氫的催化氧化。隨后將以這種方式處理過的氣體送回到陰極半元件。為了總是可得到過量的氧，將額外的氧送至陰極半元件。使新近引入的氧例如與純化過的氧流在進入該陰極半元件之前進行混合。該催化反應大大減小了氫含量并且使得氧的多次再循環(huán)是有可能的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種運行模式是有效的，但遭受了以下問題任何不能以催化方式去除的另外的氣體如氬氣在循環(huán)過程中累積并且使得增加了用新鮮氧氣的替代。為了確保在陰極處足夠的氧過量，理想地必須引入純氧，而這是較昂貴的。本發(fā)明的一個目的是提供一種替代方案，該替代方案允許在該陰極半元件過量使用的氧至少部分地循環(huán)。這個目的以一種具有開篇提到的類型和預期目的的方法得以實現(xiàn)，是通過將從該陰極半元件抽出的含氧氣體至少部分地送至一個氣體分離裝置，在其中該含氧氣體被分離成一個富氧的分量以及一個低氧的分量，并且之后將該富氧的分量送至該陰極半元件。在該氣體分離裝置中，從該陰極半元件中抽出的氣體按一種本身已知的方式被分離。以此方式，可以顯著減小新鮮氧的引入并且由此可以降低成本。在該氣體分離裝置的富氧的分量中僅得到非常小比例的痕量氣體如氫氣或氬氣，因為這些痕量氣體(像存在的任何氮氣) 在該氣體分離裝置中作為一個共同的分量或多個單獨的分量被分離掉。同樣，本發(fā)明并不排除提供一個另外的方法步驟用于痕量氣體、特別是氫氣或氬氣的去除，例如催化去除。在此，被供應至耗氧陰極入口側的“富氧氣體”優(yōu)選是具有按體積計至少90%的氧含量的一種氣體。一種含“過量氧”的氣體混合物總體上是一種具有比空氣的氧含量高的氣體。雖然陰極空間內的氣體的氧含量在耗氧陰極處被該電解過程減低，但出口側的氧含量是例如按體積計70% -85%并且因此仍然遠高于空氣的氧含量。根據(jù)本發(fā)明將這種含過量氧的氣體一起整體或部分地送至該氣體分離裝置，結果是后者產(chǎn)生了更大的富氧分量的流束。該氣體分離裝置有利地作為一個膜法、吸附法或低溫氣體分離法運行，例如通過精餾進行空氣分離。這些分離方法的優(yōu)選運行方式是的使得在從陰極半元件中抽出的含氧氣體中存在的任何痕量的另外氣體如氬氣或氫氣都從該富氧分量中被分離掉。以此方式， 可以與在根據(jù)現(xiàn)有技術的方法中可能的相比顯著更頻繁地將該氣體再循環(huán)。本發(fā)明的目的也通過一種用于在電解池中電解氯化氫或堿金屬氯化物的水溶液的裝置而得以實現(xiàn)，該裝置包括具有一個陽極的一個陽極半元件、具有一個氣體擴散電極作為陰極的一個陰極半元件、以及用于將陽極半元件與陰極半元件電解地分開的一個陽離子交換膜、用于將一種富氧氣體送至該陰極半元件的一個氧氣進口以及用于將含過量氧的氣體從陰極半元件中排出的一個氧氣出口 ；并且其特征在于該陽極進口被連接為允許流向一個氣體分離裝置，在其中該含氧氣體被分離為一個富氧分量以及一個低氧的分離，其中該氣體分離裝置包括一個用于該富氧分量的進口管線，該管線被連接為允許流向該陰極半元件的氧氣進口。作為優(yōu)選的氣體分離裝置，有可能具體使用一個變壓吸附設備(PSAP)、一個真空變壓吸附設備(VPSAP)或一個低溫空氣分離設備(CAFP)。此類裝置已經(jīng)被知道了很長時間并且使之有可能由送入的空氣來可靠地生產(chǎn)具有按體積計>90% (PSAP ；VPSAP)以及在低溫空氣分離設備的情況下按體積計> 99. 998%的氧含量的富氧分量。當進料一種比空氣的氧含量高的氣體時，純度進一步增大并且該設備在氧生產(chǎn)意義上的經(jīng)濟性得到改善。本發(fā)明的一個示意性實施方案將通過附圖更詳細地說明。單個的圖(

圖1)示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一種安排的運行模式。用于電解氯化氫的水溶液或堿金屬氯化物水溶液的安排1包括一個電解池，該電解池除了一個未在此示出的陽極半元件之外包括一個具有耗氧陰極2 (下面也簡稱為0CC) 的陰極半元件。為了運行該0CC，通過進料線3送入一種富氧氣體，例如具有高于90%的純度的氧氣。在該電解過程中，在陰極半元件的氣體空間內存在的氣體的氧含量被降低到一個值，這個值仍顯著高于空氣的氧含量。將這種含過量氧的氣體按照下面描述的方式進行處理并且再循環(huán)。為此目的，將該含過量氧的氣體從該陰極半空間中通過排放管線4排出。 排放管線4任選地在經(jīng)過一個用于分離掉氫氣的催化分離裝置5之后開放進入一個氣體分離裝置7的入口管線6中。該裝置7是例如PSA或VPSA類型的吸附設備，或是一個低溫空氣分離設備。該氣體分離裝置7將通過進口管線6送入的氣體流分離而給出一個富氧分量以及一個或多個低氧的分量，該低氧的分量包含例如氮氣、氬氣或其他稀有氣體、二氧化碳或氫氣。這個或這些低氧的分量通過尾氣管線8從回路中被去除并且可以通向另一個用途，而將富氧分量送入進料線3中并且再次將3供應至0CC，以此關閉了該回路。將一種含氧氣體，例如空氣或純氧，通過一個新鮮氣體進料線9引入以便代替被電解消耗的氧。若要求的話，一個尾氣管線10用來從該回路中帶走含過量氧的氣體，例如用于抵消該回路中痕量氣體的累積。除了制備氯之外，使用氣體擴散電極作為耗氧陰極在氣體電解過程中也是有用的，例如在過氧化氫(H2O2)的制備中。實例將一種已經(jīng)在用于氣體分離的PSA設備中分離掉并且具有按體積計93% (1345kg/h)的氧含量的富氧氣體送入一個耗氧陰極的陰極空間內，該陰極是根據(jù)本發(fā)明被安排在一個連接到該PSA設備上的氧回路中。該電解過程將陰極空間內存在的氣體的氧含量降低至按體積計85%。從這種氣體中抽出含約500kg/h氧的一個流束并將其與來自新鮮空氣的940kg/h的&混合。將所得的含按體積計約的氧(1440kg/h的O2)的混合氣體在該PSA設備中分離成一個低氧分量以及一個富氧分量。將這個具有按體積計約9. 0% 的氧含量(％kg/h的O2)并且主要包括氮氣的低氧分量排出，并且在純化階段之后釋放到周圍空氣中或使之通向另一個用途。為了將循環(huán)的氣體的氫含量持續(xù)地保持在顯著低于爆炸極限的值，則在任何點處以一個量值來從回路中抽出另外的氣體，該量值可以根據(jù)氫含量進行調整。總體上，將小于8% -10%比例的該氣體進行循環(huán)對這個目的來說足夠了并且必須用新鮮空氣或氧氣來代替。作為排出一個子流的替代方案或除此之外，也可以以催化
方式去除氫O
參考號清單
1.安排
2.耗氧陰極/OCC
3.進料管線
4.排出管線
5.催化分離裝置
6.進口管線
7.氣體分離裝置
8.尾氣管線
9.新鮮氣體進料管線
10.尾氣管線
權利要求
1.一種用于在電解池中電解氯化氫或堿金屬氯化物的水溶液的方法，該電解池包括 具有一個陽極的一個陽極半元件、具有一個氣體擴散電極( 作為陰極的一個陰極半元件以及用于將陽極半元件與陰極半元件電解地分開的一個陽離子交換膜，其中將一種含氧氣體送至該陰極半元極，并且從該陰極半元件中排出含過量氧的氣體，其特征在于將從該陰極半元件抽出的該含過量氧的氣體至少部分地送至一個氣體分離裝置(7)，在其中該過量氧的氣體被分離成一個富氧的分量以及一個低氧的分量，并且之后將該富氧的分量送至該陰極半元件。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于該氣體分離裝置(7)根據(jù)一種膜法、吸附法或低溫氣體分離法運行。
3. 一種用于在電解池中電解氯化氫或堿金屬氯化物的水溶液的裝置，該電解池包括 具有一個陽極的一個陽極半元件、具有一個氣體擴散電極( 作為陰極的一個陰極半元件以及用于將陽極半元件與陰極半元件電解地分開的一個陽離子交換膜、用于將一種富氧的氣體送至該陰極半元件的一個氧氣進口(3)、以及用于將含過量氧的氣體從該陰極半元件中排出的一個氧氣出口 G)，其特征在于該氧氣出口(4)被連接為允許流向一個氣體分離裝置(7)，在其中該過量氧的氣體被分離成一個富氧的分量以及一個低氧的分量，并且該氣體分離裝置(7)配備有一個用于該富氧的分量的出口管線，該出口管線被連接為允許流向該陰極半元件的氧氣進口⑶。
4.如權利要求3所述的裝置，其特征在于使用一個變壓吸附設備(PSAP)、一個真空變壓吸附設備(VPSAP)或一個低溫空氣分離設備(CAFP)作為氣體分離裝置(7)。
全文摘要
在一種用于氯堿電解的方法中使用了一個耗氧陰極。該方法是以過量的氧運行。對此所需要的氧被提供至一個氣體分離裝置，例如一個VPSA設備或空氣分離設備。產(chǎn)生的大量的氧導致了該方法的可觀的成本。根據(jù)本發(fā)明，在穿過該過程之后剩余的富氧的氣氛被送回至用于氣體分離的裝置中作為輸入氣體。該氣體分離裝置因此是以富氧的輸入氣體運行并且因此產(chǎn)生了更大量的富氧的氣體，該氣體進而被送至該耗氧陰極。這種氣體循環(huán)的結果是，整個過程的經(jīng)濟性被大大提高。
文檔編號C25B15/08GK102449198SQ201080022921
公開日2012年5月9日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權日2009年5月30日
發(fā)明者A·布蘭, C·艾德曼, J·羅霍瓦克, M·維茲, W·貝希勒特尼爾 申請人:拜耳材料科學公司, 梅塞爾奧地利公司, 梅塞爾集團公司