CN102925917B - 氧阴极电解槽和制碱装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种氧阴极电解槽和制碱装置及方法。其中，所述电解槽包括阳极框、阴极框、阳极盘、阴极盘、复合板和设置在阳极框上的阳极电极，所述氧阴极电解槽还包括氧阴极电极、氧气进口总管、氧气出口总管和出液口；所述阳极框和所述阴极框通过所述复合板隔开；所述氧气进口总管设置在所述阴极框的上端；所述氧气出口总管设置在所述阴极框的下端；所述出液口设置在所述阴极框的侧面。本发明的氧阴极电解槽增加了氧气参加电解反应，从根本上降低了分解电压，达到了节能和降低能耗的目的。

Description

氧阴极电解槽和制碱装置及方法

技术领域

本发明涉及一种制碱装置，特别是涉及一种用于制碱行业的氧阴极电解槽以及使用该氧阴极电解槽的制碱装置及方法。

背景技术

氯碱工业通过电解食盐水产生烧碱和氯气，同时产生副产物氢气，是在国民经济中占有重要地位的基础化工原料工业。目前国内制碱有隔膜法和离子膜法，生产成本中电耗成本约占60%，因此降低电耗对于提高氯碱行业经济效益具有很重要的意义。

具体的说，氯碱厂生产1吨烧碱，同时产生0.886吨氯气及1200多立方米的氢气，约需要耗电2500度，是化学工业中的“电老虎”，每年耗电占化工用电整体的20%。多年来人们一直致力于降低氯碱工业的能耗，所采取的措施包括改进隔膜，改进电槽结构，将石墨阳极改造为金属阳极等。但是，从根本上讲，氯碱工业的巨大耗电量是由其化学反应本身所决定的。因此，必须从根本上改变电解食盐水的电化学反应，从而降低理论分解电压，达到节能目的。众所周知，目前氯碱生产的主要电化学反应方程式为：

阳极：2Cl^--2e＝Cl₂

阴极：2H₂O+2e＝H₂+2OH^-

其中，Ф_阳=1.359伏  Ф_阴=-0.828伏

所以，其理论分解电压：E=Ф_阳－Ф_阴＝1.359-（-0.828）=2.187伏

如果将电极过程的总反应改变为：

2NaCl+H₂O+1/2O₂=2NaOH+Cl₂↑

阳极：2Cl^--2e=Cl₂

阴极：2H₂O+1/2O₂+2e＝2OH^-

其中，Ф_阳=1.359伏  Ф_阴=0.391伏

所以，其理论分解电压：E=Ф_阳－Ф_阴＝1.359－0.391=0.968伏

从以上两种电极过程可以看出，它们的阳极反应过程没有变，阴极由原来的水在电能作用下分解为氢气和氢氧根改变为水与空气中的氧作用生成氢氧根，使其不再产生氢气。根据理论分解电压比较可以看出，理论分解电压降低了1.22伏。因此，在氯碱装置中使用氧阴极电解槽具有很重要的意义。

因为从根本上改变了阴极反应，因此需要使用氧阴极电极，而氧阴极电极和现有的阴极电极不同，因此需要提供一种适用于安装氧阴极电极的氧阴极电解槽，尤其是提供一种可以在现有电解槽上直接改进的氧阴极电解槽。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术的问题，提供一种结构简单、使用方便的氧阴极电解槽及制碱装置及制碱方法。

本发明的技术方案如下：

一种氧阴极电解槽，包括阳极框、阴极框、阳极盘、阴极盘、复合板和设置在阳极框上的阳极电极，所述阳极框和阳极盘组成阳极室，所述阴极框和阴极盘组成阴极室，所述氧阴极电解槽还包括氧阴极电极、氧气进口总管、氧气出口总管和出液口；

所述阳极盘和所述阴极盘通过所述复合板隔开；

所述氧气进口总管设置在所述阴极框的上端；所述氧气出口总管设置在所述阴极框的下端；

所述出液口设置在所述阴极框的侧面。

在其中一个实施例中，所述氧阴极电解槽还包括阴极筋板和阳极筋板，所述阴极筋板设置在所述阴极盘和所述氧阴极电极之间，所述阳极筋板设置在所述阳极电极和所述阳极盘之间。

在其中一个实施例中，在所述氧阴极电极与所述阴极筋板之间还设置有支撑网和第一缓冲网，所述支撑网设置在所述第一缓冲网的下方；在所述氧阴极电极上设置有第二缓冲网和面网，所述面网设置在所述第二缓冲网的上方。

在其中一个实施例中，所述阴极盘和所述氧阴极电极之间形成第一气室，所述第一气室的高度为2~17毫米。

在其中一个实施例中，所述氧阴极电极和所述面网之间形成第一液室，所述第一液室的高度为2~3毫米。

在其中一个实施例中，在所述阴极框的内部设置有氧阴极框，所述氧阴极框固定在所述阴极盘上，所述氧阴极设置在所述氧阴极框上。

在其中一个实施例中，所述氧阴极框的数量为3个，所述氧阴极框将所述阴极框分为3个第一腔室、第二腔室和第三腔室，所述氧气入口总管与所述各个腔室之间设置有接管，所述氧气出口总管与所述各个腔室之间设置有接管。

一种制碱装置，包括离子膜，还包括所述的氧阴极电解槽；

所述氧阴极电解槽并排放置，所述离子膜设置在相邻的两个氧阴极电解槽之间。

一种应用如上所述的制碱装置的制碱方法，在制碱时，所述氧气的纯度大于94%。

在其中一个实施例中，在制碱时，氧阴极电极的面积为2.3~2.5m²，所述电流密度为3~4KA/m²，所述氯化钠溶液的浓度为305g/l。

本发明的有益效果是：

1本发明的氧阴极电解槽增加了氧气参加电解反应，从根本上降低了分解电压，达到了节能和降低能耗的目的；

2本发明的氧阴极电解槽结构，在原有阴极框的基础上增加了氧阴极框，并且将阴极室分为3室，这样方便氧阴极材料的安装；

3本发明的氧阴极电解槽能够很方便的在原有电解槽的基础上进行改进，这样可以节省改造费用。

附图说明

以下结合具体附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。

图1为本发明的氧阴极电解槽的一个实施例的整体示意图；

图2为本发明的氧阴极电解槽的阴极的一个实施例的整体示意图；

图3为图2所示的氧阴极电解槽的A—A的剖面视图；

图4为本发明的氧阴极电解槽的氧阴极框的一个实施例的整体示意图；

图5为本发明的制碱装置的一个实施例的示意图。

具体实施方式

实施例一

参见图1~图4，作为一种可实施方式，一种氧阴极电解槽，包括阳极框2、阴极框1、复合板3、阴极盘3a、阳极盘3b和设置在阳极框上的阳极电极，所述阳极框2和阳极盘3b组成阳极室，所述阴极框1和阴极盘3a组成阴极室，还包括氧阴极电极21、氧气进口总管4、氧气出口总管5和出液口6；所述阳极盘3b和所述阴极盘3a通过所述复合板3隔开；所述氧气进口总管4设置在所述阴极框1的上端；所述氧气出口总管5设置在所述阴极框1的下端；所述出液口6设置在所述阴极框1的侧面。

本实施例中，阳极框和阴极框为一个整体框架，阳极框和阴极框之间通过复合板和阴阳极盘隔开，也就是说氧阴极电解槽被复合板和阴阳极盘分为阳极室和阴极室，即阳极框和阳极盘组成阳极室，所述阴极框和阴极盘组成阴极室，本实施例中的复合板与阳极室接触的一面为钛层，与阴极室接触的一面为不锈钢层；阳极电极安装在阳极框上，氧阴极电极安装在阴极框上；本实施例中的阴极框上还设置有氧气进口总管和氧气出口总管，这样可以通过氧气进口总管输入氧气，使氧气参与阴极反应，从而达到降低分解电压，降低能耗的目的；未参与反应的氧气可以通过氧气出口总管输出，方便氧气的循环利用。本实施例中的氧阴极电解槽在阴极一侧形成气室和液室，气室和液室通过氧阴极电极隔开，也就是说氧阴极电极与阴极盘之间形成第一气室，而氧阴极电极的另一侧形成第一液室，这样氧气进入气室后，在氧阴极电极附近形成OH^-，与通过离子膜的Na⁺结合生成NaOH。本实施例中的氧气参与了反应，使得阴极不产生氢气，从而从根本上降低了分解电压。

较佳地，作为一种可实施方式，所述氧阴极电解槽还包括阴极筋板12和阳极筋板22，所述阴极筋板12设置在所述阴极盘3a和所述氧阴极电极21之间，所述阳极筋板设置在所述阳极电极和所述阳极盘3b之间。本实施例中的阴极筋板和阳极筋板能够起到支撑和导电的双重作用，阴极筋板一方面对氧阴极电极起到支撑作用，从而使整个氧阴极电极的表面平整，使得阴极反应能够充分在氧阴极电极表面发生，同时阴极筋板还起到导电的作用，采用均匀设置的阴极筋板使得氧阴极电解槽导电性能好，电极网面的电流分布均匀，保证了电解的产品性能稳定，质量可靠。同理，阳极筋板也对阳极电极起到支撑和导电的双重作用。参见图1，本实施例中设置有多个阴极筋板。本实施例中，阴极筋板的材质为N6。

本实施例中，所述阴极筋板12和所述阳极筋板22均匀设置，所述相邻两个阴极筋板之间的距离为85~105mm，优选95mm，所述相邻两个阳极筋板之间的距离85~105mm，优选95mm，。这样一方面能够很好的支撑电极，另一方面可以使电流分布均匀。本实施例中，阴极筋板和阳极筋板在氧阴极电解槽中均匀设置，这样可以使得氧阴极电解槽电流分布均匀，使得氧阴极反应均匀。

较佳地，作为一种可实施方式，所述阴极筋板包括第一接触端121和垂直部分122，所述第一接触端121与所述阴极盘3a接触，所述垂直部分122的一端与所述第一接触端121连接，所述垂直部分122的另一端与所述氧阴极电极21接触。本实施例中，设置第一接触端是为了增加阴极筋板与阴极盘的接触面积，将第一接触端与阴极盘接触，这样可以保证导电传输效果。

较佳地，作为一种可实施方式，所述阴极筋板还包括第二接触端123，所述垂直部分122的另一端与所述第二接触端123连接，所述第二接触端123与所述氧阴极电极21接触。本实施例中，设置第二接触端是为了使阴极筋板与氧阴极电极更好的接触，第二接触端使得阴极筋板与氧阴极电极的接触面积增大，保证了电流传输。

较佳地，作为一种可实施方式，所述阴极筋板12的第一接触端121与所述阴极筋板的垂直部分122垂直设置，所述阴极筋板的第二接触端123与所述阴极筋板的垂直部分122垂直设置。这样设置可以使得导电单元路线短。

较佳地，作为一种可实施方式，所述阳极筋板22与所述阴极筋板12的结构相同，所述阳极筋板与所述阴极筋板对称设置。本实施例中，阳极筋板和阴极筋板对称设置，这样可以提高电流效率。

较佳地，作为一种可实施方式，在所述氧阴极电极21与所述阴极筋板12之间还设置有支撑网13和第一缓冲网14，所述支撑网设置在所述第一缓冲网的下方。本实施例中，支撑网和第一缓冲网焊接在阴极筋板上，主要用于氧阴电极极的支撑和导电，这样可以保证气室有相对稳定的空间。本实施例中，支撑网的材质为N6，采用N6板拉制而成。第一缓冲网的材质为N6，采用N6丝编制而成。

较佳地，作为一种可实施方式，在所述氧阴极电极21的上方设置有第二缓冲网15和面网16，所述面网16设置在所述第二缓冲网15的上方。本实施例中，面网和氧阴极之间形成液室，第二缓冲网和面网通过四周焊接固定在氧阴极上，主要用于离子膜的支撑和电解槽的导电，确保阴极液能够在液室中均匀流通，确保液室的容积，进而进一步降低电压。第二缓冲网和面网的材质均为N6，采用N6丝编制而成。

较佳地，作为一种可实施方式，所述阴极盘3b和所述氧阴极电极21之间形成第一气室，所述第一气室的高度为2~17毫米。第一气室的高度为2~17毫米，优选3~7毫米，这样使得氧气能够快速均匀的流动，能够增加氧气的置换速度。为了使第一气室的高度为2~17毫米，并且使本发明的氧阴极电解槽可以直接在现有的电解槽上进行改进，本实施例在第一气室中设置填充板23，填充板的材质为橡胶。

较佳地，作为一种可实施方式，所述氧阴极电极21和所述面网16之间形成第一液室，所述第一液室的高度2~3mm。

较佳地，作为一种可实施方式，在所述阴极框1的内部设置有氧阴极框7，所述氧阴极框7固定在所述阴极盘3a上，所述氧阴极电极21设置在所述氧阴极框7上。本实施例中，所述氧阴极框的材质为SUS310S，所述氧阴极框采用满焊焊接在复合板上。设置氧阴极框的目的是为了更好的支撑氧阴极电极，方便氧阴极电极的安装。氧阴极电极是一种气体扩散电极，气体扩散电极是由“气孔”、“液孔”和“固相”三种网络交织而成的较薄的三相多孔电极。由于氧阴极电极的制造比较复杂，氧阴极电极的面积较小，因此氧阴极电极的面积与现有的电解槽的面积不相符合。为了将氧阴极安装在氧阴极电解槽上，并且为了方便现有电解槽的改造，在阴极框内设置氧阴极框，这样就可以将小面积的氧阴极电极安装在电解槽上，这样即方便氧阴极电极的安装，又能节省改造费用。

较佳地，作为一种可实施方式，所述氧阴极框包括第一边框71、第二边框72、第三边框73和第四边框74，所述氧阴极框的第一边框、第二边框、第三边框和第四边框与所述阴极框的边框接触。本实施例中，氧阴极框包括四个边框分别与阴极框的边框相对应。并且为了增大氧阴极电极的面积，氧阴极框的边框应当与阴极框的边框接触。

较佳地，作为一种可实施方式，所述氧阴极框的第一边框71、第二边框72、第三边框73和第四边框74形成一个矩形边框，所述第一边框和第二边框平行，所述第三边框和第四边框平行。本实施例中，阴极框的形状为矩形，则氧阴极框为矩形。

较佳地，作为一种可实施方式，所述氧阴极框7还包括设置在氧阴极框内部与所述第三边框平行的第一内框75，所述氧阴极框将所述阴极框分为2个腔室。在氧阴极框内部添加第一内框，这样氧阴极框将阴极框分为2个腔室，这2个腔室大小可以相同，也可以不同，这样氧阴极电极安装在氧阴极框上时，可以分别安装。

较佳地，作为一种可实施方式，所述氧阴极框还包括设置在氧阴极框内部与所述第三边框平行的第二内框76，所述氧阴极框将所述阴极框分为3个腔室。本实施例中，所述3个腔室分别为第一腔室101、第二腔室102和第三腔室103。3个腔室的大小可以相同也可以不同。为了方便氧阴极电极的安装以及维护，采用氧阴极框将阴极室分为3个腔室，这样氧阴极材料可以作为一个整体安装，也可以分为3部分独立安装。本实施例中，可以根据阴极框的面积以及氧阴极电极的面积在氧阴极框内部设置多个内框。

较佳地，作为一种可实施方式，所述氧阴极电极与所述氧阴极框之间设置有密封垫片8。在氧阴极与阴极框之间设置密封垫片，通过螺钉9将氧阴极电极固定在框上，防止氧气向液室泄露或者防止阴极液向气室泄露。密封垫片的材质为EPDM。

较佳地，作为一种可实施方式，所述氧阴极框将所述阴极框分为3个腔室，所述3个腔室分别为第一腔室101、第二腔室102和第三腔室103，所述氧气入口总管与所述各个腔室之间设置有进气接管10，所述氧气出口总管与所述各个腔室之间设置有出气接管11。为了方便氧阴极电极的安装以及维护，采用氧阴极框将阴极室分为3个腔室，这样氧阴极材料可以为一个整体，也可以分为3部分独立安装；同时为了使各个腔室的氧气反应均匀，氧气进口总管与各个腔室之间均设置有进气接管，氧气通过进气接管进入各个腔室；氧气出口总管与各个腔室之间设置有出气接管，未参与反应的氧气通过出气接管进入到氧气出口总管然后排出。

较佳地，作为一种可实施方式，所述氧气入口总管与各个腔室之间的进气接管的数量均为2个，所述氧气出口总管与各个腔室的出气接管的数量均为2个。根据氧阴极框的尺寸，本实施例中的进气接管和出气接管在各个腔室中均匀设置。本实施例中，氧气进口总管为扁方管，材质为SUS310S，进气接管的材质为SUS310S，氧气出口总管为扁方管，材质为SUS310S，出气接管的材质为SUS310S。

较佳地，作为一种可实施方式，在所述氧阴极电解槽的阴极框的上端还设置有用于排出气室中多余的气体阴极排气管17。

实施例二

参见图5，一种制碱装置，包括离子膜30，还包括实施例一所述的氧阴极电解槽；

所述氧阴极电解槽并排放置，所述离子膜设置在相邻的两个氧阴极电解槽之间。本实施例的离子膜为阳离子膜。

本实施例中，氧阴极电解槽并排放置，也就是说阴极室和阳极室交替排列，所述离子膜设置在阴极室和阳极室之间。

在氧阴极电解槽工作过程中，电解液（氯化钠溶液）进入阳极室电解为钠离子和氯离子，钠离子通过离子膜移动至阴极室，而阴极室中通过电解反应产生氢氧根离子，氢氧根离子和钠离子结合生成氢氧化钠。

实施例三

一种应用实施例二所述的制碱装置的制碱方法，在制碱时，所述氧气的纯度大于94%。

在实施例二所述的制碱装置中电解氯化钠水溶液（浓度为305g/l），在该电解槽中，阳极电极为钛TA1，氧阴极电极为镍N6，电解液温度为80℃，电解在3KA/m²的电流密度下进行，氧阴极电极的面积为2.3m²，所述电流密度为3KA/m²，所述氧气的纯度为95%。

在电解过程中，产生的氢氧化钠溶液浓度为30％，电流效率95%。

实施例四

一种应用实施例二所述的制碱装置的制碱方法，在实施例二所述的制碱装置中电解氯化钠水溶液（浓度为305g/l），在该电解槽中，阳极电极为钛TA1，氧阴极电极为镍N6，电解液温度为90℃，电解在4KA/m²的电流密度下进行，氧阴极电极的面积为2.5m²，所述电流密度为4KA/m²，所述氧气的纯度为96%。

在电解过程中，产生的氢氧化钠溶液浓度为32%，电流效率95%。

最后，需要说明的是，在本专利文件中，诸如第一、第二等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何关系或者顺序。而且，在本专利文件中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体，其意在涵盖而非排他性包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备，不仅包括这些要素，而且还包括没有明确列出而本领域技术人员能够知晓的其他要素，或者还包括为这些过程、方法、物品或者设备所公知的必不可少的要素。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种氧阴极电解槽，包括阳极框、阴极框、阳极盘、阴极盘、复合板和设置在阳极框上的阳极电极，所述阳极框和阳极盘组成阳极室，所述阴极框和阴极盘组成阴极室，其特征在于，所述氧阴极电解槽还包括氧阴极电极、氧气进口总管、氧气出口总管和出液口；

所述阳极盘和所述阴极盘通过所述复合板隔开；

所述氧气进口总管设置在所述阴极框的上端；所述氧气出口总管设置在所述阴极框的下端；

所述出液口设置在所述阴极框的侧面；所述氧阴极电解槽还包括阴极筋板和阳极筋板，所述阴极筋板设置在所述阴极盘和所述氧阴极电极之间，所述阳极筋板设置在所述阳极电极和所述阳极盘之间；

在所述氧阴极电极与所述阴极筋板之间设置有支撑网和第一缓冲网，所述支撑网设置在所述第一缓冲网的下方；

在所述氧阴极电极上还设置有第二缓冲网和面网，所述面网设置在所述第二缓冲网的上方，所述氧阴极电极和所述面网之间形成第一液室；所述第二缓冲网设置在所述第一液室中；

所述阴极盘和所述氧阴极电极之间形成第一气室。

2.根据权利要求1所述的氧阴极电解槽，其特征在于，所述第一气室的高度为2～17毫米。

3.根据权利要求1所述的氧阴极电解槽，其特征在于，所述第一液室的高度为2～3毫米。

4.根据权利要求3所述的氧阴极电解槽，其特征在于，在所述阴极框的内部设置有氧阴极框，所述氧阴极框固定在所述阴极盘上，所述氧阴极电极设置在所述氧阴极框上。

5.一种制碱装置，包括离子膜，其特征在于，还包括若干个权利要求1～4任意一项所述的氧阴极电解槽；所述氧阴极电解槽并排放置，所述离子膜设置在相邻的两个氧阴极电解槽之间。

6.一种应用如权利要求5所述的制碱装置的制碱方法，其特征在于，在制碱时，氧气的纯度大于94％；氧阴极电极的面积为2.3～2.5m²，电流密度为3～4kA/m²，氯化钠溶液的浓度为305g/L。