CN105990593B - 一种高纯钒电池电解液的制备系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于化工、材料领域。具体地，本发明公开了一种高纯钒电池电解液的制备系统及方法，以工业级三氯氧钒为原料，经精馏提纯得到4N以上纯度的高纯三氯氧钒后，进行水解及氯含量调控，并进一步配加硫酸制备得到高纯钒电池硫酸‑盐酸混酸解电液。本发明具有原料适应性强、流程简单、清洁无污染、生产能耗和操作成本低、电解液质量可控等优点，适用于高纯钒电池电解液的大规模连续化生产，具有良好的经济效益和社会效益。

Description

一种高纯钒电池电解液的制备系统及方法
技术领域
本发明属于化工、材料领域，特别涉及一种高纯钒电池电解液的制备系统及方法。
背景技术
随着能源技术的不断革新，现有的以化石燃料为主的能源结构，将逐步被太阳能、风能等新能源所更替，相应地适应新型能源结构的大规模储能技术将被广泛应用。全钒液流电池(VRB)以其设计灵活性大、易于模块组合、受设置场地限制小、蓄电规模易于调节等优点，在未来太阳能和风电发展中将具有巨大的需求空间。VRB的活性物质-含钒电解液(含钒离子的酸性水溶液)是其重要组成部分，如何低成本制备性能优异的电解液是VRB大规模推广应用的关键问题之一。
VRB的能量密度在较大程度上取决于电解液中的钒离子浓度，但是随着钒离子浓度的提高，电解液容易发生沉淀析出、稳定性降低。为了保证电池运行过程中电解液的稳定性，通常硫酸体系中的钒离子浓度不能大于1.7mol/L，对应的能量密度～25Wh/L。而在盐酸-硫酸混合酸体系中，钒离子浓度可维持在2.5mol/L以上，对应的能量密度可达40Wh/L以上，且电池稳定工作温度范围可由10～40℃扩展到-5～50℃(Advanced EnergyMaterials,2011,1:394–400)。可见，盐酸-硫酸混合酸体系的钒电池电解液具有更为优异的电化学储能性能。
同时，VRB运行实践表明电解液中存在的杂质，尤其是碱土金属和硅等，会使正/负极室的隔膜-质子交换膜发生损害或老化，从而降低电池的能量效率和使用寿命；且杂质离子还易引起电解液的沉淀，降低其稳定性从而影响电池性能。因此，钒电池电解液的纯度是决定其性能的重要因素之一。目前，通常以高纯五氧化二钒原料，将其溶于硫酸溶液后，经过电化学处理或还原性气体还原可得到正极和负极电解液，如中国专利申请CN102011135A、CN102354762A、CN103066312A和CN103346343A等。
为了保证电解液的纯度，须要使用纯度99.95％以上的高纯五氧化二钒作为原料，而高纯五氧化二钒需要以普通钒原料，如多钒酸铵、偏钒酸铵、工业级五氧化二钒为原料，采用溶解-除杂-沉淀-煅烧等冗长复杂的工艺才能制备得到(如CN103515642A、CN102730757A和CN102730757A等)。这使得高纯钒电池电解液的制备成本过高，严重制约了VRB的大规模推广应用，这也严重阻碍了新能源产业的良好发展。
因此，如何选用廉价易得的钒原料，经过工艺技术创新，大幅度简化制备流程，以适用性能优异的高纯钒电池电解液的规模化生产，是促进VRB的推广应用的关键所在。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种高纯钒电池电解液的制备系统及方法，以工业级三氯氧钒为原料，经精馏提纯、氯含量调控和配加硫酸制备得到高纯钒电池电解液，提高原料适应性、简化制备工艺、降低生产能耗和操作成本。为了达到这些目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明的高纯钒电池电解液的制备系统，所述系统包括工业级三氯氧钒储罐1、精馏提纯装置2、中间产物蒸馏器3、水解调氯反应釜4、配加硫酸反应釜5、尾气淋洗吸收器6和排风机7；
所述精馏提纯装置2包括蒸馏釜2-1、精馏塔2-2、馏出物冷凝器2-3、回流液收集罐2-4、含硅三氯氧钒储罐2-5、酸封罐2-6、高纯三氯氧钒冷凝器2-7和高纯三氯氧钒储罐2-8；
所述中间产物蒸馏器3包括中间产物蒸馏釜3-1、化工级三氯氧钒冷凝器3-2和化工级三氯氧钒储罐3-3；
所述工业级三氯氧钒储罐1的出料口通过管道与所述精馏塔2-2的进料口相连接；所述蒸馏釜2-1的蒸气出口通过管道与所述精馏塔2-2的蒸气入口相连接；所述蒸馏釜2-1的回流口通过管道与所述精馏塔2-2底部的液体回流出口相连接；所述精馏塔2-2顶部的气体出口通过管道与所述馏出物冷凝器2-3的气体入口相连接；所述馏出物冷凝器2-3的液体出口通过管道与所述回流液收集罐2-4的液体入口相连接；所述回流液收集罐2-4的回流液体出口通过管道与所述精馏塔2-2顶部的回流液体入口相连接；所述回流液收集罐2-4的排料口与所述含硅三氯氧钒储罐2-5的入口通过管道相连接；所述含硅三氯氧钒储罐2-5的乏气出口通过管道与所述酸封罐2-6的气体入口相连接；所述酸封罐2-6的气体出口通过管道与所述尾气淋洗吸收器6的气体入口相连接；所述精馏塔2-2的精馏物出口通过管道与所述高纯三氯氧钒冷凝器2-7的气体入口相连接；所述高纯三氯氧钒冷凝器2-7的液体出口与所述高纯三氯氧钒储罐2-8的入口通过管道相连接；
所述蒸馏釜2-1底部的底流出口、所述含硅三氯氧钒储罐2-5底部的液体出口均通过管道与中间产物蒸馏釜3-1的进料口相连接；所述中间产物蒸馏釜3-1的底部设置了废料排出口；所述中间产物蒸馏釜3-1的蒸气出口通过管道与所述化工级三氯氧钒冷凝器3-2的气体入口相连接；所述化工级三氯氧钒冷凝器3-2的液体出口通过管道与所述化工级三氯氧钒储罐3-3的进料口相连接；
所述高纯三氯氧钒储罐2-8的出料口通过管道与所述水解调氯反应釜4的三氯氧钒进料口相连接；所述水解调氯反应釜4的超纯水入口通过管道与超纯水总管相连接；所述水解调氯反应釜4的气体出口通过管道与所述尾气淋洗吸收器6的气体入口相连接；
所述水解调氯反应釜4的出料口通过管道与所述配加硫酸反应釜5的进料口相连接；所述配加硫酸反应釜5的硫酸入口通过管道与纯硫酸总管相连接；所述配加硫酸反应釜5的气体出口通过管道与所述尾气淋洗吸收器6的气体入口相连接；
所述尾气淋洗吸收器6的气体出口与所述排风机7的气体入口通过管道相连接。
本发明的基于上述系统的高纯钒电池电解液的制备方法，包括以下步骤：
工业级三氯氧钒由所述工业级三氯氧钒储罐1进入所述精馏塔2-2和所述蒸馏釜2-1后进行精馏操作，得到富含高沸点杂质的底流、富含低沸点杂质的含硅三氯氧钒蒸气和高纯三氯氧钒蒸气；高纯三氯氧钒蒸气经所述高纯三氯氧钒冷凝器2-7冷凝至液体后送入所述高纯三氯氧钒储罐2-8中；含硅三氯氧钒蒸气经所述馏出物冷凝器2-3冷凝至液体后，部分经回流液收集罐2-4回流至精馏塔2-2，其余部分送入所述含硅三氯氧钒储罐2-5中；含硅三氯氧钒储罐2-5中产生的乏气经所述酸封罐2-6后送入所述尾气淋洗吸收器6进行吸收处理；
所述含硅三氯氧钒储罐2-5中的含硅三氯氧钒液体和所述蒸馏釜2-1排出的底流进入所述中间产物蒸馏釜3-1中进行蒸馏操作，得到富含杂质的富钒废料用于后续回收钒，产生的三氯氧钒蒸气经化工级三氯氧钒冷凝器3-2冷凝至液体后送入所述化工级三氯氧钒储罐3-3中；
所述高纯三氯氧钒储罐2-8中的高纯三氯氧钒进入所述水解调氯反应釜4，与来自超纯水总管的超纯水进行水解反应，并产生含氯化氢和氯气的水解调氯尾气，所述水解调氯尾气送入所述尾气淋洗吸收器6进行吸收处理；水解调氯产生的浆料进入所述配加硫酸反应釜5后，配加纯硫酸得到混酸体系的高纯钒电池电解液，产生酸雾气体送至所述尾气淋洗吸收器6进行吸收处理；所述尾气淋洗吸收器6碱液吸收处理后排出的气体经所述排风机7进行排空处理。
本发明的特征之一在于：在精馏塔2-2内，所述精馏操作精馏段的塔板数为5～10块，提馏段的塔板数为10～20块；在精馏操作过程中，保持回流比(即塔顶回流量与排料量之比)为15～40。
本发明的特征之二在于：在水解调氯反应釜4内，所述水解调氯过程的反应温度为40～80℃，反应时间为30～120min。
本发明的特征之三在于：在配加硫酸反应釜5内，所述配加硫酸的操作温度为60～90℃，反应时间30～120min。
本发明制得的高纯三氯氧钒纯度均在4N以上。本发明所述的工业三氯氧钒纯度为93～96％，所述化工级三氯氧钒纯度为98.0～99.5％。
本发明制得的高纯钒电池电解液中，氯离子浓度为3～8mol/L以上，钒离子浓度可达2mol/L以上，其能量密度可达35Wh/L以上。
相对于现有技术，本发明具有如下突出的优点：
(1)以廉价易得的工业级三氯氧钒为原料，可充分利用其含有的氯作为盐酸-硫酸混合酸电解液的氯离子来源，避免了高纯五氧化二钒原料过高的生产能耗和成本；
(2)采用精馏提纯可得到纯度4N以上的高纯三氯氧钒，提高原料的适应性，并将分离低沸点和高沸点组分进行蒸馏除杂后得到化工催化剂用的三氯氧钒产品；
(3)将高纯三氯氧钒直接溶于水溶液中，并利用五价钒的氧化作用，将溶液中的氯离子氧化至氯气，达到调节氯离子浓度和将五价钒还原至四价钒的双重目的。
本发明具有原料适应性强、流程简单、清洁无污染、生产能耗和操作成本低、电解液质量可控等优点，适用于高纯钒电池电解液的大规模连续化生产，具有良好经济效率和社会效益。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步阐释，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施列一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明的高纯钒电池电解液制备系统的配置示意图。
附图标记
1工业级三氯氧钒储罐
2精馏提纯装置
2-1蒸馏釜 2-2精馏塔 2-3馏出物冷凝器
2-4回流液收集罐 2-5含硅三氯氧 2-6酸封罐钒储罐
2-7高纯三氯氧钒 2-8高纯三氯氧冷凝器 钒储罐
3中间产物蒸馏器
3-1中间产物蒸馏釜 3-2化工级三氯氧钒 3-3化工级三氯氧冷凝器 钒储罐
4水解调氯反应釜 5配加硫酸反应釜 6尾气淋洗吸收器 7排风机
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。值得说明的是，实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。图1为本发明的一种高纯钒电池电解液的制备系统示意图。
结合图1，本实施例所使用的高纯钒电池电解液的制备系统，包括工业级三氯氧钒储罐1、精馏提纯装置2、中间产物蒸馏器3、水解调氯反应釜4、配加硫酸反应釜5、尾气淋洗吸收器6和排风机7；
精馏提纯装置2包括蒸馏釜2-1、精馏塔2-2、馏出物冷凝器2-3、回流液收集罐2-4、含硅三氯氧钒储罐2-5、酸封罐2-6、高纯三氯氧钒冷凝器2-7和高纯三氯氧钒储罐2-8；
中间产物蒸馏器3包括中间产物蒸馏釜3-1、化工级三氯氧钒冷凝器3-2和化工级三氯氧钒储罐3-3；
工业级三氯氧钒储罐1的出料口通过管道与精馏塔2-2的进料口相连接；蒸馏釜2-1的蒸气出口通过管道与精馏塔2-2的蒸气入口相连接；蒸馏釜2-1的回流口通过管道与精馏塔2-2底部的液体回流出口相连接；精馏塔2-2顶部的气体出口通过管道与馏出物冷凝器2-3的气体入口相连接；馏出物冷凝器2-3的液体出口通过管道与回流液收集罐2-4的液体入口相连接；回流液收集罐2-4的回流液体出口通过管道与精馏塔2-2顶部的回流液体入口相连接；回流液收集罐2-4的排料口与含硅三氯氧钒储罐2-5的入口通过管道相连接；含硅三氯氧钒储罐2-5的乏气出口通过管道与酸封罐2-6的气体入口相连接；酸封罐2-6的气体出口通过管道与尾气淋洗吸收器6的气体入口相连接；精馏塔2-2的精馏物出口通过管道与高纯三氯氧钒冷凝器2-7的气体入口相连接；高纯三氯氧钒冷凝器2-7的液体出口与高纯三氯氧钒储罐2-8的入口通过管道相连接；
蒸馏釜2-1底部的底流出口、含硅三氯氧钒储罐2-5底部的液体出口均通过管道与中间产物蒸馏釜3-1的进料口相连接；中间产物蒸馏釜3-1的底部设置了废料排出口；中间产物蒸馏釜3-1的蒸气出口通过管道与化工级三氯氧钒冷凝器3-2的气体入口相连接；化工级三氯氧钒冷凝器3-2的液体出口通过管道与化工级三氯氧钒储罐3-3的进料口相连接；
高纯三氯氧钒储罐2-8的出料口通过管道与水解调氯反应釜4的三氯氧钒进料口相连接；水解调氯反应釜4的超纯水入口通过管道与超纯水总管相连接；水解调氯反应釜4的气体出口通过管道与尾气淋洗吸收器6的气体入口相连接；
水解调氯反应釜4的出料口通过管道与配加硫酸反应釜5的进料口相连接；配加硫酸反应釜5的硫酸入口通过管道与纯硫酸总管相连接；配加硫酸反应釜5的气体出口通过管道与尾气淋洗吸收器6的气体入口相连接；
尾气淋洗吸收器6的气体出口与排风机7的气体入口通过管道相连接。
本实施例利用上述系统制备高纯钒电池电解液，具体方法包括：工业级三氯氧钒由工业级三氯氧钒储罐1进入精馏塔2-2和蒸馏釜2-1后进行精馏操作，得到富含高沸点杂质的底流、富含低沸点杂质的含硅三氯氧钒蒸气和高纯三氯氧钒蒸气；高纯三氯氧钒蒸气经高纯三氯氧钒冷凝器2-7冷凝至液体后送入高纯三氯氧钒储罐2-8中；含硅三氯氧钒蒸气经馏出物冷凝器2-3冷凝至液体后，部分经回流液收集罐2-4回流至精馏塔2-2，其余部分送入含硅三氯氧钒储罐2-5中；含硅三氯氧钒储罐2-5中产生的乏气经酸封罐2-6后送入尾气淋洗吸收器6进行吸收处理；
含硅三氯氧钒储罐2-5中的含硅三氯氧钒液体和蒸馏釜2-1排出的底流进入中间产物蒸馏釜3-1中进行蒸馏操作，得到富含杂质的富钒废料用于后续回收钒，产生的三氯氧钒蒸气经化工级三氯氧钒冷凝器3-2冷凝至液体后送入化工级三氯氧钒储罐3-3中；
高纯三氯氧钒储罐2-8中的高纯三氯氧钒进入水解调氯反应釜4，与来自超纯水总管的超纯水进行水解反应，并产生含氯化氢和氯气的水解调氯尾气，所述水解调氯尾气送入尾气淋洗吸收器6进行吸收处理；水解调氯产生的浆料进入配加硫酸反应釜5后，配加纯硫酸得到混酸体系的高纯钒电池电解液，产生酸雾气体送至尾气淋洗吸收器6进行吸收处理；尾气淋洗吸收器6碱液吸收处理后排出的气体经排风机7进行排空处理。
本实例使用的原料是纯度为95％的工业级三氯氧钒，电子级超纯水以及优级纯硫酸。
在精馏塔2-2内，精馏操作精馏段的塔板数5块，提馏段的塔板数10块，精馏操作的回流比15；在水解调氯反应釜4内，水解调氯过程的反应温度为40℃，反应时间为120min；在配加硫酸反应釜5内，配加硫酸的操作温度为90℃，反应时间30min的条件下，高纯三氯氧钒的纯度达99.993％(4N3)；电解液氯离子浓度为6.0mol/L，钒离子浓度为2.5mol/L，经测试其能量密度为41Wh/L。
在精馏塔2-2内，精馏操作精馏段的塔板数10块，提馏段的塔板数20块，精馏操作的回流比15；在水解调氯反应釜4内，水解调氯过程的反应温度为80℃，反应时间为30min；在配加硫酸反应釜5内，配加硫酸的操作温度为60℃，反应时间120min的条件下，高纯三氯氧钒的纯度达99.999％(5N)；电解液的氯离子浓度为5.8mol/L，钒离子浓度为2.4mol/L，经测试其能量密度为40Wh/L。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
当然，本发明还可以有多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明的公开做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种高纯钒电池电解液的制备系统，其特征在于，所述系统包括工业级三氯氧钒储罐(1)、精馏提纯装置(2)、中间产物蒸馏器(3)、水解调氯反应釜(4)、配加硫酸反应釜(5)、尾气淋洗吸收器(6)和排风机(7)；
所述精馏提纯装置(2)包括蒸馏釜(2-1)、精馏塔(2-2)、馏出物冷凝器(2-3)、回流液收集罐(2-4)、含硅三氯氧钒储罐(2-5)、酸封罐(2-6)、高纯三氯氧钒冷凝器(2-7)和高纯三氯氧钒储罐(2-8)；
所述中间产物蒸馏器(3)包括中间产物蒸馏釜(3-1)、化工级三氯氧钒冷凝器(3-2)和化工级三氯氧钒储罐(3-3)；
所述工业级三氯氧钒储罐(1)的出料口通过管道与所述精馏塔(2-2)的进料口相连接；所述蒸馏釜(2-1)的蒸气出口通过管道与所述精馏塔(2-2)的蒸气入口相连接；所述蒸馏釜(2-1)的回流口通过管道与所述精馏塔(2-2)底部的液体回流出口相连接；所述精馏塔(2-2)顶部的气体出口通过管道与所述馏出物冷凝器(2-3)的气体入口相连接；所述馏出物冷凝器(2-3)的液体出口通过管道与所述回流液收集罐(2-4)的液体入口相连接；所述回流液收集罐(2-4)的回流液体出口通过管道与所述精馏塔(2-2)顶部的回流液体入口相连接；所述回流液收集罐(2-4)的排料口与所述含硅三氯氧钒储罐(2-5)的入口通过管道相连接；所述含硅三氯氧钒储罐(2-5)的乏气出口通过管道与所述酸封罐(2-6)的气体入口相连接；所述酸封罐(2-6)的气体出口通过管道与所述尾气淋洗吸收器(6)的气体入口相连接；所述精馏塔(2-2)的精馏物出口通过管道与所述高纯三氯氧钒冷凝器(2-7)的气体入口相连接；所述高纯三氯氧钒冷凝器(2-7)的液体出口与所述高纯三氯氧钒储罐(2-8)的入口通过管道相连接；
所述蒸馏釜(2-1)底部的底流出口和所述含硅三氯氧钒储罐(2-5)底部的液体出口均通过管道与中间产物蒸馏釜(3-1)的进料口相连接；所述中间产物蒸馏釜(3-1)的底部设置了废料排出口；所述中间产物蒸馏釜(3-1)的蒸气出口通过管道与所述化工级三氯氧钒冷凝器(3-2)的气体入口相连接；所述化工级三氯氧钒冷凝器(3-2)的液体出口通过管道与所述化工级三氯氧钒储罐(3-3)的进料口相连接；
所述高纯三氯氧钒储罐(2-8)的出料口通过管道与所述水解调氯反应釜(4)的三氯氧钒进料口相连接；所述水解调氯反应釜(4)的超纯水入口通过管道与超纯水总管相连接；所述水解调氯反应釜(4)的气体出口通过管道与所述尾气淋洗吸收器(6)的气体入口相连接；
所述水解调氯反应釜(4)的出料口通过管道与所述配加硫酸反应釜(5)的进料口相连接；所述配加硫酸反应釜(5)的硫酸入口通过管道与纯硫酸总管相连接；所述配加硫酸反应釜(5)的气体出口通过管道与所述尾气淋洗吸收器(6)的气体入口相连接；
所述尾气淋洗吸收器(6)的气体出口与所述排风机(7)的气体入口通过管道相连接。
2.一种基于权利要求1所述系统的高纯钒电池电解液的制备方法，包括以下步骤：
工业级三氯氧钒由所述工业级三氯氧钒储罐(1)进入所述精馏塔(2-2)和所述蒸馏釜(2-1)后进行精馏操作，得到富含高沸点杂质的底流、富含低沸点杂质的含硅三氯氧钒蒸气和高纯三氯氧钒蒸气；高纯三氯氧钒蒸气经所述高纯三氯氧钒冷凝器(2-7)冷凝至液体后送入所述高纯三氯氧钒储罐(2-8)中；含硅三氯氧钒蒸气经所述馏出物冷凝器(2-3)冷凝至液体后，部分经回流液收集罐(2-4)回流至所述精馏塔(2-2)，其余部分送入所述含硅三氯氧钒储罐(2-5)中；含硅三氯氧钒储罐(2-5)中产生的乏气经所述酸封罐(2-6)后送入所述尾气淋洗吸收器(6)进行吸收处理；
所述含硅三氯氧钒储罐(2-5)中的含硅三氯氧钒液体和所述蒸馏釜(2-1)排出的底流进入所述中间产物蒸馏釜(3-1)中进行蒸馏操作，产生的三氯氧钒蒸气经化工级三氯氧钒冷凝器(3-2)冷凝至液体后送入所述化工级三氯氧钒储罐(3-3)中；
所述高纯三氯氧钒储罐(2-8)中的高纯三氯氧钒进入所述水解调氯反应釜(4)，与来自超纯水总管的超纯水进行水解反应，并产生含氯化氢和氯气的水解调氯尾气，所述水解调氯尾气送入所述尾气淋洗吸收器(6)进行吸收处理；水解调氯产生的浆料进入所述配加硫酸反应釜(5)后，配加纯硫酸得到混酸体系的高纯钒电池电解液，产生酸雾气体送至所述尾气淋洗吸收器(6)进行吸收处理；
所述尾气淋洗吸收器(6)碱液吸收处理后排出的气体经所述排风机(7)进行排空处理。
3.根据权利要求2所述的高纯钒电池电解液制备方法，其特征在于，在所述精馏塔(2-2)内，所述精馏操作精馏段的塔板数为5～10块，提馏段的塔板数为10～20块。
4.根据权利要求2所述的高纯钒电池电解液制备方法，其特征在于，所述精馏操作的回流比为15～40。
5.根据权利要求2所述的高纯钒电池电解液制备方法，其特征在于，在所述水解调氯反应釜(4)内，所述水解调氯过程的反应温度为40～80℃，反应时间为30～120min。
6.根据权利要求2所述的高纯钒电池电解液制备方法，其特征在于，所述配加硫酸的操作温度为60～90℃，反应时间30～120min。
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