專利名稱：陰極轉(zhuǎn)動分隔式電解槽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于電解合成的反應(yīng)裝置，尤其是電解合成有機(jī)物的陰極轉(zhuǎn)動分隔式電解槽，該裝置適用于電解合成有機(jī)產(chǎn)品的場合。
在本實用新型作出之前，用于有機(jī)化合物電解合成的電解槽大致有四類，第一類是常規(guī)的板框式壓濾型電解槽，它由相互平行的多對正、負(fù)極板組成，極間距較小，電流分布較均勻，設(shè)備安裝較簡便，但這類電解槽的電解液采用槽內(nèi)外強(qiáng)制循環(huán)的方法，傳質(zhì)效果差，能耗大，且出、入口易堵塞；第二類是美國專利US3645864提供的填充床或固定床電解槽，它以顆粒狀電極作陰極，工作表面積很大，陰極極化電位較低，可避免或減少副產(chǎn)物的生成，但由于顆粒狀電極直徑很小，相互間非常松散，極難與外電源中的接觸元件相連接，尤其是工業(yè)化電解生產(chǎn)時，需要極高的電流輸入電極內(nèi)，故目前難以解決在大電流下的電接觸問題；第三類是中國專利CN1050058A提供的旋轉(zhuǎn)圓盤電極(RDE)電解槽，它用一串圓盤電極作陰極，并與外界電動機(jī)相連，構(gòu)成轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，由于RDN電極上各圓盤內(nèi)的各處位置與陽極之間的距離各不相同，電流密度分布很不均勻，使各圓盤內(nèi)部極化電位很不一樣，盤內(nèi)產(chǎn)生電壓降，長期運(yùn)轉(zhuǎn)，電極壽命較短，另外，盤與盤之間的電解液在轉(zhuǎn)動時既成死角，傳質(zhì)效果不太理想，故難以在工業(yè)化過程中實施；第四類是中國專利CN1064900A提供的陰極回轉(zhuǎn)攪拌式多級串聯(lián)電解槽，這種電解槽的最大優(yōu)點是能間歇式流動操作，但由于電解過程中各槽之間的陰極液濃度各不相同，陰極電位各不一樣，控制過程較為復(fù)雜，另外，該電解槽的陽極室封閉在轉(zhuǎn)動狀態(tài)下的筒狀陰極內(nèi)，陽極上產(chǎn)生的氧氣很難排出槽外，陽極室內(nèi)電解耗用的水極難從外部加入，長期運(yùn)轉(zhuǎn)難以實施，設(shè)置的筒狀離子交換膜用平板型全氟復(fù)合膜制作，由于表面積大，密封范圍廣，氟材料與隔膜固定框之間極難粘合，因此，筒狀離子交換膜的固定和密封難以解決，生產(chǎn)過程極易泄漏，甚至無法投入生產(chǎn)。
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型的目的是提供一種在電解槽內(nèi)部設(shè)置半圓筒狀攪拌式陰極、袋狀陽離子交換膜和串聯(lián)式陽極室，以及導(dǎo)電汞杯，使電解過程傳質(zhì)速率高，電流密度分布均勻，能大電流導(dǎo)電，膜固定和裝配簡便，易于工業(yè)化生產(chǎn)的有機(jī)化合物電解合成的陰極轉(zhuǎn)動分隔式電解槽。
陰極轉(zhuǎn)動分隔式電解槽由電解槽槽體(2)、電解槽槽蓋(5)和導(dǎo)電汞杯(8)所組成，以有機(jī)化合物為電解原料，電解槽槽體(2)內(nèi)部設(shè)置陽極(18)和半圓筒狀攪拌式陰極(17)，它們之間由袋狀陽離子交換膜(8)分隔，各自構(gòu)成陽極室(22)和陰極室(1)，電解槽槽體(2)底部設(shè)置氮氣進(jìn)口(20)、氮氣分布板(19)和陰極液出料口(21)，氮氣進(jìn)口(20)和氮氣分布板(19)主要用于消除陰極液中溶解的氧，電解槽槽體(2)與電解槽槽蓋(5)之間用卡口緊固螺釘連接，電解槽槽蓋(5)上部配置陰極進(jìn)料口(25)、參比電極入口(27)、回流冷凝管入口(28)和熱電偶進(jìn)口(24)，其中參比電極和熱電偶分別控制陰極室(1)內(nèi)電解時的陰極電位和溫度，回流冷凝管(12)則用于氣化有機(jī)化合物的冷凝、回流及平衡體系的壓力，電解槽槽蓋(5)的蓋面中間與導(dǎo)電汞杯(8)相連，其間配置滾珠軸承(7)，以固定轉(zhuǎn)動軸(11)，轉(zhuǎn)動軸(11)上連導(dǎo)電汞杯(8)和皮帶輪(10)，下連半圓筒狀攪拌式陰極(17)，在外界馬達(dá)帶動下使半圓筒狀攪拌式陰極(17)轉(zhuǎn)動，導(dǎo)電汞杯(8)內(nèi)盛金屬汞(14)，其上覆蓋異丙醇或水，由金屬汞(14)與轉(zhuǎn)動軸(11)中的導(dǎo)電密封套(9)接觸導(dǎo)通，適合大電流導(dǎo)電，通過導(dǎo)電汞杯(8)杯體上的陰極電流接頭(13)和陽極電流接頭(16)與外電源構(gòu)成電解回路，電解槽槽體(2)內(nèi)設(shè)置4－12個陽極室(22)，它們之間由陽極液循環(huán)接口(23)和陽極室連接管(26)相連，其中第一個陽極室(22)上部配置陽極液入口(6)，最后一個陽極室(22)配置陽極液循環(huán)兼氧氣出口(15)，它們與外界陽極液容器兼氣液分離器相連，可構(gòu)成陽極液自循環(huán)和氧氣自分離系統(tǒng)。
半圓筒狀攪拌式陰極(17)由內(nèi)外攪拌槳(33)、多孔陰極片(30)和陰極轉(zhuǎn)動軸(29)所組成，多孔陰極片(30)由兩個半圓形金屬片制成，用螺釘緊固在上、下陰極支撐板(31)上，兩個半圓多孔金屬片之間設(shè)置陰極液內(nèi)外流動通道(34)與陰極片孔(32)，使多孔陰極片(30)內(nèi)外的陰極液充分流動，陰極支撐極(31)和內(nèi)外攪拌槳(33)固定在具有螺紋的陰極轉(zhuǎn)動軸(29)上。
多孔陰極片(30)可以由紫銅或汞齊化銅或銅鎳合金或銅鉬合金或銅鉍合金材料制成。
陽極室(22)外觀為管狀式，內(nèi)裝陽極(18)，外套袋狀陽離子交換膜(3)，其間用圓柱形聚丙烯框架(4)支撐，圓柱形聚丙烯框架(4)用塑料焊條焊接在電解槽槽蓋(5)上，使之形成一體。
陽極(18)由純鉛或鉛銀合金或二氧化鉛或鍍鉑鈦材料制成。
袋狀陽離子交換膜(3)其形狀類似圓筒狀的袋子，上口敞開，下口封閉，由全氟基體材料和磺酸活性基團(tuán)構(gòu)成，用塑料扎扣緊固在圓柱形聚丙烯框架(4)上。
參比電極入口(27)配置的參比電極為同液動態(tài)氫電極(DHE)，該電極在任何溶液體系中都可以直接使用，它可以直接控制電解過程中的陰極電位及反應(yīng)終點。
導(dǎo)電汞杯(8)由銅材或鎳材制成，內(nèi)盛的金屬汞(14)可以直接與轉(zhuǎn)動軸(11)中的導(dǎo)電密封套(9)相接觸，適合于大電流導(dǎo)電的場合。
本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其主要優(yōu)點是采用半圓筒狀攪拌式陰極(17)取代了現(xiàn)今電解槽中的靜止陰極及電流密度分布不均勻的RDE陰極，用袋狀陽離子交換膜(3)代替了目前轉(zhuǎn)動電極中難以固定和密封的平板型陽離子交換膜，由多個串聯(lián)式陽極室(22)替代了現(xiàn)在陽極液難以自循環(huán)及裝配困難的單一陽極室，用導(dǎo)電汞杯(8)取代了目前在轉(zhuǎn)動情況下難以大電流導(dǎo)電的石墨碳刷，使電解過程傳質(zhì)效率高，電流密度分布均勻，時空效率高，膜固定簡便牢固，陽極液保持自循環(huán)，陰極液能連續(xù)進(jìn)料，適合大電流導(dǎo)電，且內(nèi)設(shè)參比電極、熱電偶、回流冷凝管和氮氣分布板，可隨時控制電解過程的陰極電位、反應(yīng)溫度、體系壓力及消除陰極液中溶解的氧，完全避免了目前有機(jī)化合物電解合成過程中所存在的一些不足，因此，本實用新型可取代其它有機(jī)電解合成中的電解槽，廣泛用于硝基化合物電解合成制備氨基或氨基酚類化合物的工業(yè)化生產(chǎn)，具有較大的實用價值和社會經(jīng)濟(jì)效益。


圖1、2為陰極轉(zhuǎn)動分隔式電解槽結(jié)構(gòu)示意圖。
其中1┉陰極室，2┉電解槽槽體，3┉袋狀陽離子交換膜，4┉圓柱形聚丙烯框架，5┉電解槽槽蓋，6┉陽極液入口，7┉滾珠軸承，8┉導(dǎo)電汞杯，9┉導(dǎo)電密封套，10┉皮帶輪，11┉轉(zhuǎn)動軸，12┉回流冷凝管，13┉陰極電流接頭，14┉金屬汞，15┉陽極液循環(huán)兼氧氣出口，16┉陽極電流接頭，17┉半圓筒狀攪拌式陰極，18┉陽極，19┉氮氣分布板，20┉氮氣入口，21┉陰極液出料口，22┉陽極室，23┉陽極液循環(huán)接口，24┉熱電偶進(jìn)口，25┉陰極液進(jìn)料口，26┉陽極室連接管，27┉參比電極入口，28┉回流冷凝管入口。
圖3、4為半圓筒狀攪拌式陰極(17)結(jié)構(gòu)示意圖。
其中29┉陰極轉(zhuǎn)動軸，30┉多孔陰極片，31┉陰極支撐板，32┉陰極片孔，33┉內(nèi)外攪拌槳，34┉陰極液內(nèi)外流動通道。
圖1至圖4是本實用新型的具體實施例。
實施例1如
圖1至圖4所示，陰極轉(zhuǎn)動分隔式電解槽中的陽極(18)為二氧化鉛電極，半圓筒狀攪拌式陰極(17)中的多孔陰極片(30)由汞齊化銅制成，袋狀陽離子交換膜(3)用F46陽離子交換膜制成，直接套在圓柱形聚丙烯框架(4)上，不會漏液。陰極液由60升25％硫酸水溶液、12公斤硝基苯和20g十六燒基三甲基溴化銨相轉(zhuǎn)移催化劑組成，從陰極液進(jìn)料口(25)連續(xù)往陰極室(1)進(jìn)料。陽極液為25％硫酸水溶液，從外界陽極液容器兼氣液分離器進(jìn)入陽極液入口(6)，先后經(jīng)過6個陽極室(22)后，自陽極液循環(huán)兼氧氣出口(15)返回外界陽極液容器兼氣液分離器，構(gòu)成陽極液自循環(huán)和氧氣自分離系統(tǒng)。皮帶輪(10)與外界馬達(dá)相連，使半圓筒狀攪拌式陰極(17)轉(zhuǎn)動，在內(nèi)外攪拌槳(33)作用下，陰極液經(jīng)陰極片孔(32)和陰極液內(nèi)外流動通道(34)在多孔陰極片(30)內(nèi)外充分流動，轉(zhuǎn)速為500rpm。電解前，氮氣從氮氣入口(20)輸入陰極室(1)，在氮氣分布板(19)作用下，氮氣均勻分布在陰極液中，通氮氣時間為40分鐘，以除去陰極液中溶解的氧。陰極轉(zhuǎn)動分隔式電解槽中的陰極電流接頭(13)和陽極電流接頭(16)與外電源連接，通過金屬汞(14)與導(dǎo)電密封套(9)接觸，使半圓筒狀攪拌式陰極(17)的電流導(dǎo)通，構(gòu)成電解回路，反應(yīng)電流500A，導(dǎo)電汞杯(8)不發(fā)熱。電解過程，由參比電極入口(27)中的同液動態(tài)氫電極控制陰極電位－0.15V－－0.35V，由熱電偶進(jìn)口(24)中的熱電偶控制電解溫度90＋2℃，電流密度為1000A／m2。經(jīng)電解、分離后，對氨基苯酚收率達(dá)80.5％，含量為98.1％，硝基苯轉(zhuǎn)化率95.0％，因此，本電解槽具有傳質(zhì)效率高、電流密度分布均勻、膜固定簡便牢固、陽極液自循環(huán)、陰極液連續(xù)進(jìn)料、操作簡便穩(wěn)定、產(chǎn)品收率高等特點，適合于工業(yè)化電解生產(chǎn)有機(jī)產(chǎn)品的場合。
權(quán)利要求1.一種陰極轉(zhuǎn)動分隔式電解槽，包含有電解槽槽體(2)、電解槽槽蓋(5)和導(dǎo)電汞杯(8)，其特征在于電解槽槽體(2)內(nèi)部設(shè)置陽極(18)和半圓筒狀攪拌式陰極(17)，它們之間由袋狀陽離子交換膜(3)分隔，各自構(gòu)成陽極室(22)和陰極室(1)，電解槽槽體(2)底部設(shè)置氮氣進(jìn)口(20)、氮氣分布板(19)和陰極液出料口(21)，電解槽槽體(2)與電解槽槽蓋(5)之間用卡口緊固螺釘連接，電解槽槽蓋(5)上部設(shè)有陰極進(jìn)料口(25)、參比電極入口(27)、回流冷凝管入口(28)和熱電偶進(jìn)口(24)，電解槽槽蓋(5)的蓋面中間與導(dǎo)電汞杯(8)相連，其間配置滾珠軸承(7)，以固定轉(zhuǎn)動軸(11)，轉(zhuǎn)動軸(11)上連導(dǎo)電汞杯(8)和皮帶輪(10)，下連半圓筒狀攪拌式陰極(17)，導(dǎo)電汞杯(8)內(nèi)盛金屬汞(14)，其上覆蓋異丙醇或水，由金屬汞(14)與轉(zhuǎn)動軸(11)中的導(dǎo)電密封套(9)接觸導(dǎo)通，通過導(dǎo)電汞杯(8)杯體上的陰極電流接頭(13)和陽極電流接頭(16)與外電源構(gòu)成電解回路，電解槽槽體(2)內(nèi)設(shè)置4-12個陽極室(22)，它們之間由陽極液循環(huán)接口(23)和陽極室連接管(26)相連，其中第一個陽極室(22)上部配置陽極液入口(6)，最后一個陽極室(22)上部配置陽極液循環(huán)兼氧氣出口(15)，它們與外界陽極液容器兼氣液分離器相連，可構(gòu)成陽極液自循環(huán)和氧氣自分離系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的陰極轉(zhuǎn)動分隔式電解槽，其特征在于半圓筒狀攪拌式陰極(17)由內(nèi)外攪拌槳(33)、多孔陰極片(30)和陰極轉(zhuǎn)動軸(29)所組成，多孔陰極片(30)由兩個半圓形金屬片制成，用螺釘緊固在上、下陰極支撐板(31)上，兩個半圓多孔金屬片之間設(shè)置陰極液內(nèi)外流動通道(34)，陰極支撐板(31)和內(nèi)外攪拌槳(33)固定在具有螺紋的陰極轉(zhuǎn)動軸(29)上。
3.如權(quán)利要求1或2所述的電解槽，其特征在于多孔陰極片(30)可以由紫銅或汞齊化銅或銅鎳合金或銅鉬合金或銅鉍合金制成。
4.如權(quán)利要求1所述的電解槽，其特征在于陰極室(22)外觀為管狀式，內(nèi)裝陽極(18)，外套袋狀陽離子交換膜(3)，其間由圓柱形聚丙烯框架(4)支撐，圓柱形聚丙烯框架(4)用塑料焊條焊接在電解槽槽蓋(5)上使之形成一體。
5.如權(quán)利要求1或4所述的電解槽，其特征在于陽極(18)由純鉛或鉛銀合金或二氧化鉛或鍍鉑鈦材料制成。
6.如權(quán)利要求1或4所述的電解槽，其特征在于袋狀陽離子交換膜(3)其形狀類似圓筒狀的袋子，上口敞開，下口封閉，由全氟基體材料和磺酸活性基團(tuán)構(gòu)成，用塑料扎扣緊固在圓柱形聚丙烯框架(4)上。
7.如權(quán)利要求1所述的電解槽，其特征在于參比電極入口(27)配置的參比電極為同液動態(tài)氫電極(DHE)，用于控制電解過程中的陰極電位及反應(yīng)終點。
8.如權(quán)利要求1所述的電解槽，其特征在于導(dǎo)電汞杯(8)由銅材或鎳材制成。
專利摘要一種陰極轉(zhuǎn)動分隔式電解槽，包含有電解槽槽體(2)、電解槽槽蓋(5)和導(dǎo)電汞杯(8)，電解槽槽體(2)內(nèi)部設(shè)置陽極(18)和半圓筒狀攪拌式陰極(17)，它們之間由袋狀陽離子交換膜(3)分隔，各自構(gòu)成陽極室(22)和陰極室(1)。由于采用半圓筒狀攪拌式陰極(17)、袋狀陽離子交換膜(3)和導(dǎo)電汞杯(8)等特有結(jié)構(gòu)，使該電解槽傳質(zhì)效率高，電流密度分布均勻，時空效率高，適合于大電流導(dǎo)電，具有較大的實用價值和工業(yè)化生產(chǎn)前景。
文檔編號C25B9/00GK2173247SQ9324251
公開日1994年8月3日 申請日期1993年10月18日 優(yōu)先權(quán)日1993年10月18日
發(fā)明者馬淳安 申請人:浙江工學(xué)院