CN1048041C - 单极式离子膜电解装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于单极式离子膜电解装置，主要由多个单元电解槽、导电连接件及气液分离器组成。单元电解槽由阳、阴极单元槽及离子膜构成，离子膜由密封垫片密封在阳、阴极单元槽之间。单元电解槽的出液口接管与圆筒形的气液分离器连通，单元电解槽中间固定有中间导电板，中间导电板由复合材料制成，其中间层的铜板从单元槽侧部伸出，与弹性接电极固定连接。本发明节省材料，导电均匀，工作稳定，产品质量好，易于加工制造，成本低。
Description
本发明属于电解装置，尤其与单极式离子膜电解装置有关。
目前，在化工工业的氯碱行业中，电解碱金属氯化物水溶液生产碱金属氢氧化物，一般均优先选用离子膜法电解技术。而与之相应的离子膜电解装置则是保证生产过程中优质、高效、节能以及减小污染的关键。就单极式电解装置而言，主要是由多个电解单元并联组合供电的电解装置，而电解单元由单元电解槽构成。单元电解槽的结构直接影响到产品的质量、成本等。现有的一种较先进的单极式离子膜电解装置的单元电解槽的阳极单元槽如图1所示，其边框为贵金属制成的方管围成，侧边框伸入数根钛-铜复合导电棒01，通过焊接其上的数块贵金属导电筋板02将电流导向电极网。但这种结构的单元电解槽由于相邻两根复合棒间有一定的距离，所以靠近复合棒部位的电极网面的电流密度将较强，而相邻两根复合棒的中间部位的电极网面距复合棒较远，电流电阻较大，电流密度将较弱，造成电极网面上电流密度分布的均匀性较差，又由于复合棒01的远端与近端电流传导的距离差别较大，受复合棒的电阻的影响将产生电流密度的梯度较大。又因复合棒01横置在电解室内，明显阻碍了电解液靠电解过程中产生的气体带动液体上行，容易造成气液流动不畅和死区，导致气液在电解室内同一部位积存时间过长，室内电解液浓度不均等不良现象，影响电解设备的使用寿命，并且影响电解的产品的质量。另外，这种单极式离子膜电解装置中，其导电连接件的结构为“柱形连接器”结构，如图2所示，其为将伸出单元槽外的数根复合棒01的铜芯用两件开有数个半圆缺口的方形铜条03夹紧，然后在方形铜条上连接挠性导电柱与外部连接。这种结构的最大缺点是制造精度要求极高，不易保证很好的导电接触效果，且导电接触面积受到限制。首先，数根导电复合棒铜芯之间的间距要极其精确才能与方形铜条的等间距半圆缺口相对应组合，这对在单元槽边框上组焊复合棒的位置精度要求是极高的，控制组对组焊间隙和焊接变形对复合棒位置精度的影响在工艺制造上是非常困难的。另外复合棒铜芯外径与方形铜条半圆缺口的直径也必须有极严格的公差配合，否则很难使半圆缺口与铜棒的圆弧接触达到吻合。再有每个单元槽上夹紧的所有方形铜条在整台电槽组装后必须在一个平面上，才能使组间连接铜板与各单元槽均有较好的导电效果。这些都给制造上带来了难题，其中任一环节出现误差，都会使电解槽的性能指标降低。
本发明的目的是设计一种单极式离子膜电解装置，其结构简单，易加工制造，成本低，所电解的产品质量稳定。
本发明所设计的单极式离子膜电解装置主要包括多个单元电解槽、导电连接件及气液分离器，单元电解槽由阳极单元槽、阴极单元槽及离子膜构成，离子膜由密封垫片密封在阳极单元槽及阴极单元槽之间，阳极单元槽及阴极单元槽分别由四条边框构成的框架、框架两侧固定的电极网及位于框架内与电极网连接的筋板构成，在阳极单元槽及阴极单元槽的下端分别连接有电解液入口接管，上端分别连接有电解液出口接管，电解液出口接管通至气液分离器中。在阳极单元槽及阴极单元槽的框架内的中间固定有平板状的中间导电板，中间导电板与筋板垂直固定连接在一起，中间导电板的内层铜板从单元槽侧部伸出，与导电连接件固定连接。
在本发明所设计的单极式离子膜电解装置中，单元电解槽的阳极单元槽内的中间导电板为三层爆炸复合板，中间层为铜板，铜板两侧为钛板。
在本发明所设计的单极式离子膜电解装置中，单元电解槽的阴极单元槽内的中间导电板由中间层的铜板、铜板两侧焊接有碳钢板条及碳钢板条外层的阴极用金属板材组合焊接在一起构成。
本发明所设计的单极式离子膜电解装置中阳极单元槽及阴极单元槽的框架的上边框为贵金属材料制成的方管形结构，侧边框及下边框由表面为贵金属材料、中间为碳钢体的组合板材构成，以降低框架的成本，并且使框架易于加工。
为使电解液在电极网的每一部位均衡的上行流动，在单极式离子膜电解装置中阳极单元槽及阴极单元槽的下部分别设置有液分散角板，液分散角板的两侧板面上带有出液孔。
为使导电接触面充分接触，以补偿制造安装中产生的误差，本发明中所设计的与从单元槽侧部伸出的中间导电板的内层铜板连接的导电连接件为弹性接电板。
为防止多个单元电解槽在工作过程中，由于温度、压力或密封垫片弹性、厚度发生变化时，电解槽发生泄漏，本发明所设计的单极式离子膜电解装置中采用在多个单元电解槽外端设置两个紧固框，通过8～20根拉杆及在每根拉杆上加有一组蝶形弹簧件的结构对电解槽拉紧固定，每组蝶形弹簧件可有2～10个蝶形弹簧组成。
在本发明所设计的单极式离子膜电解装置中，所设计的气液分离器为卧式圆筒形，以节省材料及易于加工。
本发明所设计的单极式离子膜电解装置的优点是：
1.在该装置中的单元电解槽内的导电性能好，电极网面的电流分布均匀，保证电解的产品性能稳定、质量可靠。由于采用中间导电板将电流导入电解槽内，并且通过筋板导至电极网上，与现有的通过复合导电棒传导电流的方式相比，导电板比导电棒导电均匀，明显改善由于复合棒和电极网自身电流传导产生的电流分布不均和产生电流梯度的问题，且在电解过程中气液上行时沿导电板上行，不会产生阻力，循环极为通畅，而液分散角板的设置使进入电解槽内的电解液均衡上行流动，因此保证了电解槽内各部位的电解液浓度比较均匀，电解出的产品质量可靠、稳定。
2.有效地保护离子膜，延长了电解槽装置的使用寿命。在电解槽装置中离子膜是较昂贵且易损坏的部件，一旦损坏，电解槽装置将不能工作。由于所设计的单元电解槽上边框为方管形结构，电解生成的气液混合物在方管中聚集后排出，减轻了对电解室上部离子膜的冲击，电解槽内电解液及电极网上的电流分布均匀，使离子膜各部分的工作状态较一致，从而有效地保护了离子膜，延长了离子膜的使用寿命，即延长了单元电解槽装置的使用寿命。并且提高了电极网和离子膜的有效利用率。
3.易加工，成本低。由于所设计的单极式离子膜电解装置中阳极单元槽及阴极单元槽的框架的上边框的方管由四条耐腐蚀的金属板条焊接而成，其中作为密封面可有足够的厚度进行平面机械加工。下边框及侧边框的主体为价格低廉的碳钢，仅位于电解槽内的内表面和两密封面为贵金属材料，即与电解液接触的表面及与密封垫片压紧的部位为耐腐蚀的贵金属表面。与现有的框架的边框均为贵金属制成的方管结构相比较，加工方便，且节省大量的贵金属材料，大大降低单极式单元电解槽的成本。另外在该装置中的气液分离器采用卧式圆筒形，易于制造及加工，节省材料。
4.减小了导电连接件的阻力，降低导电连接件的加工精度要求。由于本发明的导电连接件采用弹性接电板，因此大大降低了对槽间连接及各导电部件制造的尺寸精度要求，各部分连接具有适量的活动性，使各导电面达到了充分的压紧接触，减小了导电连接件的接触阻力。
5.密封可靠，不易泄漏。在本发明中多组单元电解槽安装固定时采用拉杆及蝶形弹簧加以压紧固定，在电解过程中由于温度、压力或密封垫片的弹性、厚度发生变化时，蝶形弹簧的弹性变形和弹力可有效地调整密封所需的压力和尺寸，防止电解槽发生泄漏。
本发明所设计的单极式离子膜电解装置适用于氯碱工业中。
图1是现有的单极式离子膜电解装置中阳极单元槽的结构图。
图2是现有的单极式离子膜电解装置中导电连接件的示意图。
图3是本发明所设计的单极式离子膜电解装置的结构示意图。
图4是图3中单元电解槽并联组合示意图。
图5是图3中单元电解槽的结构图。
图6是图5的正视图。
图7是本发明所设计的单极式离子膜电解装置中拉杆紧固结构图。
下面将结合附图对本发明所设计的单极式离子膜电解装置的实施方式及其效果作进一步说明。
图3、4是本发明所设计的单极式离子膜电解装置的结构示意图。它主要包括多个单元电解槽、弹性接电板12、气液分离器31构成。单元电解槽如图5、6所示，主要由阳极单元槽15、阴极单元槽16及离子膜10构成，由密封垫片9将离子膜10密封在阳极单元槽15及阴极单元槽16之间，阳极单元槽15的框架的上边框18为钛材的方管，电解液出口接管22与之连接，阳极单元槽15的下边框19及侧边框11的主体为碳钢，其表面组合焊接一层钛板。电解液的入口接管23从下边框19通入阳极单元槽15内。在阳极单元槽15内的下部的下边框19处设置有一液分散角板6，将电解液的入口接管23遮盖住，液分散角板两侧板面带有出液孔24。在阳极单元槽框架的两侧焊接有阳极网17，阳极网17用钛金属拉制而成，表面涂以钌、钛、铱、锆等贵金属。框架内设置有一阳极中间导电板21，通过筋板4将阳极中间导电板21与阳极网17连接起来。阳极中间导电板21为钛-铜-钛爆炸复合板。中间层为铜板，外表层为钛板。阴极单元槽16与阳极单元槽15的结构相同，所不同的是阴极单元槽16的框架的上边框2为超低碳不锈钢材料制成的方管，下边框7及侧边框的主体为碳钢，其表面组合焊接一层超低碳不锈钢。在阴极单元槽框架两侧焊接的阴极网5由碳钢或不锈钢或镍材拉制成，表面镀有镍或阮内镍(Raney)活性层。在阴极单元槽16内的阴极中间导电板3由铜、碳钢及超低碳不锈钢组合而成，铜板位于中间，通过碳钢板条与外表的超低碳不锈钢焊接在一起。在所设计的单极式单元电解槽中，凡接触电解液的金属表面均由贵金属材料制成。此单元电解槽大部分结构采用复合板或组合板，节省了大量的贵金属材料。中间导电板的应用，不仅使电流分布均匀，电流传递过程中阻力小，而且减小了单元电解槽内液体流动的阻力。此单元电解槽是一个较经济、可靠和使用寿命长的结构。单元电解槽的阴极单元槽及阳极单元槽的中间导电板从单元电解槽的侧部伸出，其伸出部分的铜板上覆有锡铅导电过渡层，与弹性接电板12连接。弹性接电板12由多片铜片组合而成，并且弹性接电板12的中间部位形成对称的圆弧状曲面。弹性接电板12通过螺栓32与中间导电板固定连接，形成双面夹紧接触，所以具有足够的导电接触面积，加上铜表面锡铅导电过渡层的良好导电效果，使整个电解槽的金属导电电阻值可忽略不计。多个单元电解槽中的与阳极单元槽的中间导电板相连的弹性接电板与一公用的导电板34固定，导电板34接电源正极，与阴极单元槽的中间导板相连的弹性接电板与一公用的导电板33固定，导电板33接电源负极。在多个弹性接电板与公用的导电板固定连接过程中，由于弹性接电板带有圆弧状曲面，具有一定的弹性效果，大大降低了对槽间连接及各导电部件制造的尺寸精度要求，使各导电面达到充分的压紧接触。单元电解槽的电解液出口接管与气液分离器31连接，气液分离器31采用卧式圆筒形状，这种形状的气液分离器具有易于制造，耐非正常内压冲击、容积大、重量轻、节省材料等优点。另外，为防止漏电，在气液分离器31中的与阴极单元槽连接的气液分离器内采取分段结构，通过法兰35将各段密封连接。所设计的单极式离子膜电解装置由三组电解槽串压密封形成，在三组电解槽的两外端装置两个紧固框36，利用两紧固框通过14根拉杆将所有的单元电解槽压紧密封，拉杆37如图7所示，在每根拉杆上加有一组蝶形弹簧件13，蝶形弹簧件13由4个蝶形弹簧组成。根据蝶形弹簧的弹性曲线，我们选用压缩变形量至3/4处时，多个蝶形弹簧的弹力和恰等于我们电解槽运行时所需的压紧密封力。当电解槽运行过程中，由于温度、压力或密封垫片的弹性、厚度发生变化时，蝶形弹簧件13的弹性变形和弹力可有效地调整密封所需的压力和尺寸，防止电解槽发生泄漏。用此单极式离子膜电解装置电解氯化钠水溶液生产氢氧化钠时，将浓度为300g/l的氯化钠溶液稀释后加入阳极室，把去离子水加入阴极室，在90℃的温度、电极表面3KA/m2的电流密度，阴极室液压比阳极室高100～1000mm水柱，并使用美国杜邦(DUPONT)公司生产的型号为Nafion-966的离子膜时，电流效率可达到96％以上，单元电解槽的电压在3.12V以下，产品氢氧化钠的浓度为32％。
Claims (8)
1.一种单极式离子膜电解装置，主要包括多个单元电解槽、导电连接件及气液分离器，单元电解槽由阳极单元槽、阴极单元槽及离子膜构成，离子膜由密封垫片密封在阳极单元槽及阴极单元槽之间，阳极单元槽及阴极单元槽分别由四条边框构成的框架、框架两侧固定的电极网及位于框架内与电极网连接的筋板构成，在阳极单元槽及阴极单元槽的下端分别连接有电解液入口接管，上端分别连接有电解液出口接管，电解液出口接管通至气液分离器中，其特征是：在阳极单元槽及阴极单元槽的框架内的中间固定有平板状的中间导电板，中间导电板与筋板垂直固定连接在一起，中间导电板的内层铜板从单元槽侧部伸出，与导电连接件固定连接。
2.根据权利要求1所述的单极式离子膜电解装置，其特征是：阳极单元槽内的中间导电板为三层爆炸复合板，中间层为铜板，铜板两侧为钛板。
3.根据权利要求1所述的单极式离子膜电解装置，其特征是：阴极单元槽内的中间导电板由中间层的铜板、铜板两侧焊接的碳钢板条及碳钢板条外层的阴极用金属板材组合焊接在一起构成。
4.根据权利要求1所述的单极式离子膜电解装置，其特征是：阳极单元槽及阴极单元槽的框架的上边框为贵金属材料制成的方管形结构，侧边框及下边框由表面为贵金属材料、中间为碳钢体的组合板材构成。
5.根据权利要求1所述的单极式离子膜电解装置，其特征是：阳极单元槽及阴极单元槽的下部分别设置有液分散角板，液分散角板的两侧板面上带有出液孔。
6.根据权利要求1所述的单极式离子膜电解装置，其特征是：与从单元槽侧部伸出的中间导电板的内层铜板连接的导电连接件为弹性接电板。
7.根据权利要求1所述的单极式离子膜电解装置，其特征是：在两个以上的单元电解槽外端设置两个紧固框，通过8～20根拉杆及在每根拉杆上加有一组蝶形弹簧件的结构对电解槽拉紧固定，每组蝶形弹簧件可有2～10个蝶形弹簧组成。
8.根据权利要求1所述的单极式离子膜电解装置，其特征是：气液分离器为卧式圆筒形。
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