專利名稱：從電解池中除去氣-液混合物的設(shè)備的制作方法
最近開發(fā)和投放市場一些離子交換聚合膜，如Nafion(R)/Du Pond Nemours，F(xiàn)lemion(R)/Asahi Glass和其它，從而在工業(yè)電解業(yè)引發(fā)了一場革命。這些離子交換膜制成帶，尺寸較大，厚度最大0.2-0.5mm。雖然加了增強(qiáng)織物，但其機(jī)械性能，尤其是耐磨和抗彎曲性低，使膜的應(yīng)用受到影響。
因膜以帶狀制成，電解池必須重新設(shè)計成基本上平的形狀，并縮小其厚度和體積。這種新設(shè)計使膜電解池可能出現(xiàn)問題，如電解液內(nèi)部分布不均勻以及在電解產(chǎn)物為氣態(tài)，如在氯-堿或水電解時，液-氣混合物除去不充分，而最為關(guān)心的是電解池陰極和陽極室去除氣-液混合物的問題。事實上，出口設(shè)計不合理會使兩室中出現(xiàn)很大的壓力波動，短時間內(nèi)使膜受到損害。這些不尋常的壓力波動可能是由于進(jìn)入電解池頂部出口管的氣-液相改變造成的。這種壓力波動缺陷雖然對膜電解池較普遍，但在其它類型電解池中也是出現(xiàn)的，一般是隔膜電解池，其中用任何隔片，如上述離子交換膜和多孔膜等將陽極和陰極連同相應(yīng)室隔開。
技術(shù)文獻(xiàn)中公開了幾種解決這一問題的方案，主要有以下兩種經(jīng)泄料管收集氣-液相，泄料管可位于電解池內(nèi)(Uhde GmbH)或位于電解池外(Chlorine Engineers)，已見于‘Modern Chlor-Alkali Technology’.Vol.4.Society of Chemical Industry，Elsevier 1990，這種裝置中形成向下層流，包括恒定液流(管內(nèi)表面層流)和氣流(中心段，無液體)并可有效地清除壓力波動。但這種設(shè)備僅用于強(qiáng)制循環(huán)工作電解池，而不適宜于自然循環(huán)電解池，由生成氣體引起(氣體提升或攜帶)，這種限制很關(guān)鍵，因為自然循環(huán)膜電解池因其高再循環(huán)能力帶來的優(yōu)點，如可容易地控制電解液酸度(pH)而可在例如氯-堿電解中適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)生成氯氣中的氧含量;
經(jīng)電解池內(nèi)置管去除氣和液相(US 4，839，012屬The Duw Chemical Co)，這種收集器包括長度與電解池相同的水平管，與電解池上邊緣平行且盡可能與其靠近，該收集器與去除氣和液相的出口管相連，其中還設(shè)有適當(dāng)孔，由高精度鉆具確定，該設(shè)備稱之為降低壓力波動設(shè)備，適用于強(qiáng)制和自然循環(huán)電解池，但其效率盡達(dá)到一部分，因為剩余絕對壓力脈沖為200-300mm水柱，在最壞的情況下這可能使膜兩表面之間的壓力脈沖差達(dá)到600mm水柱左右，進(jìn)而可能使膜邊緣處撓曲而造成疲勞損壞，并使膜摩擦電極表面而出現(xiàn)磨損。
本發(fā)明公開了一種去除膜電解池中氣和液相的設(shè)備，基中可基本上消除壓力波動，防止膜磨損或疲勞損壞，因此可延長膜使用壽命。更一般來說，這種設(shè)備適用于所有種類的所謂隔膜電解池。
這一驚人的結(jié)果從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度看都是極其重要的，其中電解池(其產(chǎn)物為氣態(tài))的每一室設(shè)有兩根在電解室頂分開的分別去除富含氣體和富含液體相的管。氣相管在電解池本身和液相管之間的連接件上進(jìn)入電解池，而且該氣相管的另一端受壓或插入液相管，其位置并不很關(guān)鍵，唯一的要求是其離液相管與電解池頂?shù)倪B接點的距離，該距離應(yīng)至少基本上保持為連接件本身的當(dāng)量直徑的倍數(shù)(如3倍)。將富含氣相管的另一端插入富含液相管之內(nèi)代表了本發(fā)明的重要特點，因此可在充滿富含氣相的電解池頂部保持適當(dāng)?shù)膲毫?，并將液體水平穩(wěn)定在適當(dāng)位置，從而防止液體本身流入氣相管和富含氣體相注入液相管。結(jié)果是從來就不會有最少量的液相在切線之下滴落到電解池和液相管之間的連接段。充滿氣體的電解池面高度不應(yīng)超過關(guān)鍵值，范圍的幾個厘米，為的是使離子交換膜達(dá)到恒定潤濕，由氣液分離自然出現(xiàn)的噴流和波引起。該條件對于長期有規(guī)律操作膜是關(guān)鍵性的，否則膜會因干燥和氣體擴(kuò)散而迅速脆化。
電解池頂部的該壓力可按幾種方案，如下述的液壓壓頭和調(diào)節(jié)閥而獲得。
現(xiàn)參照附圖詳述本發(fā)明。


圖1為裝有本發(fā)明設(shè)備的膜電解池正視圖。
圖2為本發(fā)明設(shè)備細(xì)節(jié)。
圖3為圖2所示雙極電解池的截面圖。
圖4為類似單極電解池截面圖。
圖5，6和7為具有本發(fā)明設(shè)備不同實施方案的膜電解池正視圖。
圖1示出了膜電解池，其中設(shè)有框架(1)，用以與適當(dāng)夾套一起沿幾個電解池的邊緣防水，這幾個電解池以所謂的“濾壓構(gòu)型”形成電解器。電解池還包括電極(2)，由多孔帶，如膨脹或有孔帶或篩制成，必要時涂有適當(dāng)?shù)碾姶呋繉?入口(6)和出口管(3);法蘭(7，5)，用以連接到進(jìn)料和排料循環(huán)，這正如本專業(yè)所知。本發(fā)明電解池還設(shè)有富含氣體的產(chǎn)品的管(4)，其一端與電解池頂相連且另一端與去除富含液體相的出口管(3)的中間部分相連。
圖2示出了包括兩管(4，3)的電解池細(xì)節(jié)。
從3可以看出，電極(2)機(jī)械辦法固定或焊在從中心體(9)伸出的柱(8)上，用以保證電解池的剛性并傳輸和分布電流。在保證本發(fā)明用途情況下，體(9)和軸(8)設(shè)計方案可不同于圖3，4和7所示。電極(2)表面上氣體的生成致使向上形成氣體-電解質(zhì)混合物。在電解池頂部，混合物傾于反向分成富含氣體和富含液體的相，在現(xiàn)有技術(shù)中特點為單一類型的管(如圖3所示管(3)或類似設(shè)備)，去除兩相會導(dǎo)致壓力波動，對鄰近電極(2)的離子交換膜(11)的使用壽命帶來不利影響。
應(yīng)用本發(fā)明設(shè)備可驚人地使壓力波動達(dá)到最小，因此可防止其對離子交換膜使用壽命的不利影響。目前對獲這一有利且極其重要的結(jié)果的原因還不能清楚地被人理解，可在電解池頂部的流體力學(xué)中尋求解釋。如圖3所示，若液位保持在出口上的切線(10)以上，但在出口(4)所在法蘭(1)下邊緣以下，那么就可恒定地去除流體。更具體地講，在線(10)和法蘭(1)下邊緣之間的電解池頂部所含氣相僅與少量液體一起送入管(4)中。仍含氣體剩余物的液相從管(3)中抽出。這種狀況從本質(zhì)上講不同于現(xiàn)有技術(shù)，其中設(shè)單一出口且氣相和液相，一旦在電解池頂部分開，就強(qiáng)制交叉。
液位穩(wěn)定在線(10)和法蘭(1)邊緣之間要求該段面和管(3，4)長在電解池出口和兩管相交點之間的區(qū)域里達(dá)到適當(dāng)平衡，目的是將電解池頂部的壓力保持在去除富液體相的管內(nèi)出現(xiàn)的壓降以下，另一方面電解池頂部該壓力的最低值從來也不應(yīng)下降到去除富含液體相的管內(nèi)原壓降減去線(10)和法蘭(1)邊緣限定的液體高度的值以下。
圖5和6示出了本發(fā)明的另外的實施方案，其中各部件設(shè)有富含液體相的出口管，位于水平位置。
如圖5a所示，富含氣體相的管(4)與富含液體相的管(3)相連，其與電解池出口的距離大，大于具有垂直出口(圖1中2，3，4)的電解池中的通常距離。事實上，將氣相管(4)伸入液相管(3)是在并不很關(guān)鍵的位置進(jìn)行的，唯一要求是電解池的出口和兩管連接處之間的管(3，4)之截面積和長度滿足上面討論的電解池內(nèi)穩(wěn)定液位所必須的條件。圖5b和6a示出了兩種大尺寸電解池方案，其中設(shè)有1根以上的富含氣體相的管(4)，與液相管的連接有兩種不同的方式，分別在設(shè)有氣體和液體出口的氣體分離器(12)(圖5b)以及在適當(dāng)液壓壓頭下直接進(jìn)入氣體分離器(12)(圖6a)。
圖6b示出了本發(fā)明的其它實施方案，其中氣相管與含有適當(dāng)量的電解液液壓密封體系(15)相連并裝有氣體出口(16)。
從實際角度看，該實施方案可由所有富含氣體相管(4)與普通收集器相連而得，其中壓力由單一液壓密封體系或等同設(shè)備控制。
圖7示出了本發(fā)明另一實施方案，其中分別除去液相和氣相的兩管((3)和(4))是同心的，該方案優(yōu)點是免除了氣相管(4)和法蘭(1)之間的連接件，因此降低了生產(chǎn)費用并提高了部件的機(jī)械可靠性。
實施例1單極試驗電解器用6個陽極件，5個陰極件，2個如圖1所示類型的端陰極件組裝成，每一部件1200mm高，1500mm寬，面積達(dá)1.8m2，陽極件經(jīng)管(3)與陽極氣體分離器相連，陰極件類似地與陰極分離器相連。
每一件頂均設(shè)2個連接件，用以按本發(fā)明所述分別去除富含氣體和富液體的相。更具體地講，兩管(3，4)的直徑分別40和10mm，元件出口和管(4)插入點間構(gòu)造的管(3)部分長150mm，線(10)和法蘭(1)邊緣間構(gòu)成的氣體區(qū)域最大高度30mm。
3個陽極件和3個陰極件還帶有測壓計。該電解器內(nèi)設(shè)12塊離子交換膜，為Du Pont生產(chǎn)的Nafion(R)961。陽極室中注入濃度300g/l的氯化鈉液，陽極室中注入濃度約30%的氫氧化鈉液。電流密度3000安/m2，電解器中總電流66000安，操作時平均溫度85℃，電壓3.1伏。在這些條件下的電解液循環(huán)為0.5m3/h/m2膜，壓力波動最大約20mm水柱，頻率大致0.1-0.2Hz。類似測定也在類似的工業(yè)電解器中進(jìn)行，其中設(shè)有單一的氣/液混合物出口，分別為陽極件的氯/氯化鈉鹽水和陰極件的氫/氫氧化鈉液。在這種情況下壓力波動最大強(qiáng)度陽極件為約200mm，陰極件為約250mm，頻率范圍為0.5-0.6Hz。
實施例2進(jìn)行實施例1的氯堿電解，采用雙極電解器，包括10個雙極件和2個端件，如圖5b所示，1200mm高，3000長，其中設(shè)有12塊膜，為Du Powt生產(chǎn)的Nafion(R)961。
在這種情況下電流密度也為3000安/m2，總電流11000安，總電壓36伏。
2個雙極件頂裝有測壓計。
電解液循環(huán)0.4m3/h/m2膜，壓力波動最大強(qiáng)度20-30mm水柱，頻率0.1-0.2Hz。
作為比較，還在類似的工業(yè)電解器中進(jìn)行了測定。其中的器件裝有氣液混合物單一出口。壓力波動在陽極和陰極均很大，為500-600mm水柱，頻率0.6-0.8Hz。
權(quán)利要求
1.降低電解池中壓力波動的設(shè)備，電解池隔成形成氣態(tài)產(chǎn)物的室，其底設(shè)有待電解液的設(shè)施，其頂設(shè)有去除氣態(tài)產(chǎn)物和電解液的設(shè)施，其特征是a)該設(shè)施包括分別去除富含液體和富含氣體相的分開的管；b)去除富含氣體相的該管(4)第一端在去除富含液體相的該管(3)的連接件上的位置與該室頂相連；c)去除富含氣體相的該管(4)的另一端受壓。
2.權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征是去除富含氣體相的該管(4)的另一端插入去除富含液體相的管(3)中。
3.權(quán)利要求2的設(shè)備，其特征是去除富含氣體相的該管(4)的另一端位于去除富含液體相的管(3)中。
4.權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征是在去除富含氣體相的該管(4)的另一端的壓力為氣體分離器內(nèi)液位形成的液壓壓頭。
5.權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征是在去除富含氣體相的該管(4)的另一端的壓力由去除富含氣體相的該管(4)與之相連的液壓密封。
6.權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征是在去除富含氣體相的該管(4)的另一端的壓力由去除富含氣體相的該管與之相連的普通收集器的壓力維持。
7.權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征是在去除富含氣體相的該管(4)的另一端的壓力由位于去除富含液體相的該管(3)另一端的調(diào)節(jié)閥維持。
8.權(quán)利要求1的設(shè)備的應(yīng)用，其特征是在去除富含氣體相的該管(4)的另一端的最高壓力值由去除富含液體相的該管(3)內(nèi)的總壓降限定。
9.權(quán)利要求1的設(shè)備的應(yīng)用，其特征是在去除富含氣體相的該管(4)的另一端的最高壓力值由去除富含液體相的該管(3)的總壓降減去分別去除富含氣體相和富含液體相管與電解室的連接件位置之間構(gòu)成的液體高度而進(jìn)行限定。
全文摘要
從隔室，尤其是隔膜電解池中去除氣-液混合物而不出現(xiàn)壓力波動的設(shè)備中每室特征是設(shè)有混合物分成富含液體和富含氣體相后去除的兩根管，每管一端與電解池頂部相連，而富含氣體相管(4)另一端插入富含液體相管(3)中，以使液體僅存于電解池連接件和富含氣體相入口間的管段中，后一段流體為送入氣體分離器的氣-液混合物，其中電解池上部氣體分離區(qū)可維持足夠壓力而防止富含液體相進(jìn)入富含氣體相管。
文檔編號C25B15/08GK1065104SQ9210189
公開日1992年10月7日 申請日期1992年3月21日 優(yōu)先權(quán)日1991年3月21日
發(fā)明者C·特萊尼 申請人:奧羅茨奧·諾拉電化學(xué)工廠聯(lián)合股票公司