CN102216495A - 用于电解处理的基本单元和相关模块化电解装置 - Google Patents

Abstract

一种适合于氯碱电解的、设有分隔体的电解单元，其具有平面柔性阴极和由支撑分隔体的穿孔板或网状物组成的阳极，所述阴极通过被电流分配器按压的弹性导电元件而与分隔体保持接触。该单元适合于被单独地预组装，并且被用作模块化排列的基本单元以形成电解装置，仅所述电解装置的末端单元与电源相连接；相邻单元之间的电连续性是通过固定于限定每个单元的壳的外部阳极壁上的导电接触带来确保的。在确保接触带上的合适的机械负载的同时，阴极电流分配器和阳极结构的刚性以及导电元件的弹性协同用于以均一的压力分布保持阴极与分隔体的均匀接触。

Description

用于电解处理的基本单元和相关模块化电解装置

工业电解处理，例如用于生产氢气和氧气的水电解，以及碱盐水的电解，特别是旨在生产氯气、苛性钠和氢气的氯化钠盐水的电解，这些处理通常在图1中所示类型的电解装置中进行，其中附图标记表示：1为电解装置；2为基本单元，其模块化排列构成所述电解装置；3和4分别是到外部整流器的正极和负极的接线；5为多个基本单元的支撑物，其可位于电解装置的下方或者作为替代方式其可被成形为悬臂，所述悬臂沿电解装置的侧面成对放置；6和7为通过连接杆或液压千斤顶(图中未示出)施加的压力，其与外周衬垫(图中未示出)一起确保工艺流体相对于环境的严密密封，并且在一些类型的电解装置中还旨在改善各个单元之间的电连续性。该电解装置还配备有允许提供待电解的溶液以及回收产物和残留的废溶液的合适的喷嘴和液压连接(为了更好的可读性也在图中省略)。

图2表示与负极相连接的电解装置的末端部分沿箭头8指示的方向所取的截面，其示出了根据工业实践中的普通设计的末端元件和多个个体双极元件。附图标记表示：

9为末端阴极元件，其包括壁10和由阴极竖向带12所支撑的穿孔板或网状物构成的阴极11；

13为个体双极元件，其包括壁10、阴极11和阳极14，所述阴极11和阳极14由穿孔板或网状物构成且分别由阴极竖向带12和阳极竖向带15支撑；

16和17为在外部连接杆或千斤顶产生的压迫下紧固分隔体18(例如多孔隔膜或离子交换膜)的外周衬垫，其确保阴极隔室和阳极隔室中包含的电解质和电解产物相对于环境的严密密封。

在图2的简图中，分隔示出了各个内部组件以便于更好地理解：实际上，分隔体18与支撑所述分隔体的阳极14相接触，而阴极11被间隔开，例如间隔1-2mm的间隙。考虑到可高1-1.5米且长2-3米的双极元件13的尺寸，显然如何获得阴极和阳极的所需的平面性和平行性带来了显著的构造难度。此外，电解装置1的组装需要操作人员特别仔细，操作人员必须执行一系列操作，包括周期性地重复以下步骤：在相关支撑物上竖向放置双极元件，在其两面上提供用粘合剂固定的所需的外周衬垫，其中阳极表面面向操作者；然后将分隔体施加到阳极表面和衬垫上：在这样的组装序列的难点中，要注意的是分隔体向下滑动的趋势，这使得分隔体的精准定位复杂化，并且必须保持不同双极元件的相互对准。位于支撑物上的多个双极元件最终被外部连接杆或液压千斤顶压迫，以便确保所需的相对于外部环境的严密密封：在这个阶段，各个双极元件的任何微小失准或甚至极小的分隔体滑动都可能导致后者的损坏，阻碍其正常运行。即使当不发生这种情况时，从关于阴极对阳极的平行性和相关间隙的容差的可能偏离也会引起电流分布的不均匀，从而对电解的品质和分隔体的寿命具有负面影响，尤其是当分隔体由离子交换膜组成时。此外，在双极元件和/或分隔体出现故障的情形中，更换的介入措施(intervention)使得由外部连接杆或液压千斤顶施加的压迫被释放，从而导致双极元件有可能相对于分隔体相互滑动：这种情况可以在随后重新压紧连接杆或液压千斤顶的过程中导致另外的损坏。

图3的简图示出了一种不同类型的电解装置的负末端部分的沿箭头8指示方向所取的截面。在这种情形中，电解装置由多个根据单一单元类型设计的个体单元19形成。每个个体单元19包括两个壳，阴极壳20和阳极壳21，它们通过沿外部周界设置的一系列螺栓22相互压紧：在螺栓产生的压迫下，阴极衬垫23和阳极衬垫24将分隔体25紧固在其之间，从而确保相对于外部环境的严密密封。两个壳20和21设有分别以26和27表示的阴极竖向内部带和阳极竖向内部带，向其分别固定阴极28穿孔板或网状物和阳极29穿孔板或网状物，以及最后是放置在阳极壳21的外表面上、对应于阴极内部带和阳极内部带的竖向接触带30，其旨在确保电解装置的各个个体单元之间的电连续性。如同图2中的情形，为了更好地理解单元内部结构，在图3中阴极、阳极和分隔体也被表示为分离的元件：实际上，分隔体与支撑阳极相接触，而阴极间隔有预定的有限的间隙。单一单元型的每个个体单元还包括与接触带30对齐并且由电绝缘材料制成的一系列隔离片31和32，所述电绝缘材料优选为PTFE，这是由于其具有化学惰性。隔离片31和32的功能极为重要，并且特别体现了单一单元设计的特征：在外部连接杆或液压千斤顶压迫的作用下，厚度经仔细校准过(例如厚度被设定为1-2mm且机械容差低于0.1mm)的隔离片将分隔体相互紧固而不使其损坏，这允许调整外周衬垫压迫并导致即使有也很小的结构偏差，从而也在一致地偏离结构容差的情况下以实际上恒定且预定的间隙确保很好的平行性。此外，隔离片允许将外部连接杆或液压千斤顶的机械载荷集中在外部接触带上，从而产生足以保证将电阻最小化的压力。隔离片压力作用于其上的阳极表面部分当然被适当地平坦化以避免损坏分隔体。

上述所示设计的优点主要由在水平位置单独组装每个单一单元的可能性所提供，在设备的组装区段：水平位置极大地方便了壳、衬垫、隔离片、和尤其是分隔体的相互定位。一旦组装操作以外周螺栓的锁合而结束，单一单元被放置在支撑物上，并且一旦放置了全部的多个个体单元，在外部连接杆或液压千斤顶的作用下将该组装体紧固，从而实现各个单元之间的电连续性以及阴极和阳极之间以预定间隙的平行性。最终，所述单一单元设计允许防止对分隔体的任何破坏，并且通过阴极和阳极之间的预定间隙的平行性而实现均匀的电流分布，从而确保电解处理更好的品质和更长的分隔体寿命。此外，如果单一单元出现故障，在这种情形中的维护程序也需要释放由外部连接杆或液压千斤顶施加的压力，但无需将这些个体单元打开，从而各个内部组件的内部器材(asset)不被触及：因此，用于更换出故障的单一单元的可能介入措施在随后的连接杆或液压千斤顶的紧固阶段中不带来任何损坏。

阴极-阳极间隙被设定为约1-2mm的上述技术，在工业实践中的特征为到目前为止令人满意的每单位产物的比电能消耗：然而，电能价格的不断增长推动了能够提供明显能量节约的新设计。

下文所示的新型单一单元设计通过消除阴极到阳极的间隙(如图4所示)实现了这个目标，图4示出了个体单元的顶视图。与图3中相同的元件(壳、外周衬垫、分隔体、阳极竖向带、阳极和接触带)用相同的附图标记表示；不同的元件包括：固定有穿孔板或网状物34的降低的阴极带33、弹性元件35、以及充当阴极的薄穿孔板或柔性平面网状物36，所述弹性元件35例如由并置的两个或更多个波纹状的导电金属织物组成，或者是由从一个或更多金属线获得的互穿线圈形成的垫子组成。阴极竖向带33的降低允许为放入弹性元件35产生必要的空间。当预组装的单元被安装在支撑物上并经受由连接杆或液压千斤顶施加的压力时，板或网状物34压迫弹性元件35，进而向着由阳极29支撑的分隔体25压迫阴极36。元件35的弹性确保了阴极36与分隔体保持连续且均匀的接触，而与阳极29以及板或网状物34相对于理想平面性和平行性的不可避免的小偏离无关，所述板或网状物实际上充当了到弹性元件并且跨过所述弹性元件到柔性阴极的电流分配元件。以这种方式，保证了在操作期间以均匀地方式分配电流，且因此保证了决定能量消耗的个体单元电压被最小化。在图4的简图中可以注意到，弹性元件35的使用使得消除了具有明显风险的隔离片31和32，所述风险为：对应于从板或网状物34以及阳极29的平行性的偏离，可以产生分隔体25对阳极的过大压迫，从而损坏膜。如果板或网状物34以及阳极29被加固以增加其刚性和/或如果相邻阴极带33和阳极带27之间的距离减小，则该风险可以被降低：但这两种措施都意味着因增加的材料使用而导致额外的成本，并因此需要增加接触带30的数量。一个替代性的实施方案规定仅增加板或网状物34的厚度，从而通过在每一对阳极带27之间放入V形竖向元件37来确保所需的阳极刚性：竖向元件37可以由塑料材料制成，在该情形中将其强制性地插入；或者可以由金属制成，在该情形中任选通过焊点来固定。元件37的顶点38充当阳极29的板或网状物的线性邻接表面，从而阳极29的挠曲被大大减小从而不必增加其厚度、或阳极带及因此接触带的数量。如果尺寸适当，元件37也可以有益地充当内部再循环促进器。最后，元件37的边缘有助于部分地释放由弹性元件35施加到阳极带27的根部以及接触带30的根部的压力，从而有效地帮助保持每一对相邻单元之间的低接触电阻。

应用这种利用连接到弹性元件的、柔性平面板或网状物形式的阴极的阴极至阳极零间隙设计，特别适合于单一单元型技术，其中，正如所讨论的，可以在继续进行定位到电解装置支撑物上之前进行单元的预组装。具体而言，以处在水平位置的单元来实现在相关组装设备区段中进行的预组装：因此除分隔体的定位以外，还大大促进了阴极和相关弹性压力元件的定位。相反，图2中由多个双极元件组成的电解装置类型的应用据证明是非常有问题的，这是因为除了已经提到过的分隔体滑动和双极元件失准的风险之外，还可能会发生阴极滑动和弹性元件向下偏移和滑动的不利：因此，在将多个双极元件与相关的衬垫、分隔体、阴极和弹性元件进行紧固时，可能会发生压力分布的异常，从而对随后运行的规律性产生负面影响。

在用于膜氯碱电解的试验性电解装置上对该阴极至阳极零间隙设计的功效进行验证，所述设计使用了连接到弹性压力元件的阴极。该电解装置配备有在水平位置预组装并且随后被安装在其支撑物上的八个单一单元。这些单元具有标准的工业尺寸(1.2米高且2.7米长)，每一个都包括：由镍制成的阴极壳以及相关内部组件(阴极带、充当电流分配器的刚性网状物、由通过直径为约0.2mm的互穿双线线圈形成的0.6m高且2.7m长的两个垫子组成的弹性元件、和设有用于析氢的催化涂层的柔性平面阴极)，由钛制成的阳极壳以及相关内部组件(阳极带、V形支撑元件、设有用于析氯的催化涂层的阳极、由钛制成且涂覆有镍膜以将接触电阻最小化的外部接触带)，化学耐受性橡胶的衬垫和由DuPont/USA生产的N2030型阳离子交换膜。使用32重量％的苛性钠、氯化钠盐水以如下参数操作该电解装置：210g/l的出口浓度、90℃和5kA/m²的电流密度。在约一星期的稳定时期之后，所述单元的特征为2.90V的平均电压，该平均电压在6个月的操作之后基本不变，此时中断电解并且将两个单一单元从其支撑物上取下、打开、并且对其组件进行视觉检查。所述检查未证明任何明显的改变；特别地，两个膜呈现出的表面几乎没有因阴极的异常压迫而产生的褶痕或其它痕迹。将这两个单元重新组装并再次安装到电解装置的支撑物上，然后启动该电解装置：包括被检查过的两个单元的这些单一单元的电压回到了关断之前的值。作为对比，在配备有具有相同结构的单元但没有压力垫子并且其特征为阴极至阳极间隙为1.5mm的电解装置的情形中，根据图3的结构，具有相同膜和操作条件的平均单元电压为约3.15V，这对应于每吨苛性钠产物约170kWh的能量消耗显著增加。

Claims (7)

1.基本电解单元，该基本电解单元包括通过外周螺栓相互紧固的阴极壳和阳极壳，插入有外周阴极衬垫、外周阳极衬垫和分隔体，所述阴极壳包含固定在竖向内部阴极带上的穿孔板或网状物形式的电流分配器、与所述电流分配器电接触并且与所述分隔体均匀接触的穿孔板或网状物形式的柔性阴极、位于所述电流分配器和所述柔性阴极之间的导电弹性元件；所述阳极壳包含与固定在竖向内部阳极带上的所述分隔体均匀接触的穿孔板或网状物形式的阳极、和与内部阳极带直接对应地在外部定位的导电阳极接触带。

2.根据权利要求1的单元，其中所述阳极还被在每一对所述内部阳极带之间放入的V形元件的顶点支撑。

3.根据权利要求1的单元，其中所述弹性元件由至少两个并置且波纹状的织物组成。

4.根据权利要求1的单元，其中所述弹性元件由互穿线圈的垫子组成。

5.根据权利要求4的单元，其中所述互穿线圈由至少两根金属线形成。

6.根据上述权利要求中任一项的单元，其中所述分隔体是离子交换膜，所述阴极壳、所述刚性电流分配器、所述阴极带、所述阴极和所述弹性元件由镍制成，所述阳极壳、所述内部阳极带和所述阳极由钛制成，所述外部阳极接触带由涂覆有镍层的钛制成。

7.电解装置，其由多个单独预组装的基本单元的模块化排列组成，所述基本单元如上述权利要求中任一项所述。

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