CN107287610A - 一种高电密低电耗电解单元槽装置及其气液分离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高电密低电耗电解单元槽装置及气液分离方法，本发明气液分离方法按如下步骤：a、氯气和淡盐水分离：阳极侧电解产生的氯气和未参加电解的氯化钠形成了氯气和淡盐水气液混合，氯气和淡盐水经过阳极折流板，进入阳极侧气液分离区进行气液分离。b、氢气和氢氧化钠分离：由相邻阳极侧的钠离子和水一起穿过离子交换膜移动到阴极室，在阴极室电解产生的氢气和氢氧化钠经过阴极折流板，进入阴极侧气液分离区进行气液分离。
Description
技术领域
本发明涉及电解槽装置及其气液分离方法，属于氯碱工业，具体涉及一种高电密低电耗电解单元槽及其气液分离方法。
背景技术
电解单元槽主要作用是通过消耗精制盐水进行下列主要的电化学反应。
氯化钠按下列反应在阳极室的盐水溶液中被分解：NaCl→Na++Cl-
主要的阳极反应有氯离子的氧化反应生成气态Cl2：2Cl→Cl2+2e-
阳极室中的钠离子和水一起穿过离子交换膜移动到阴极室，水在阴极室中被电解，反应式如下：2H2O+2e-→H2+2OH-
主要的阴极反应是氢离子的还原产生气态H2和氢氧离子，钠离子与氢氧根离子结合生成氢氧化钠：Na++OH-→NaOH
整个电化学反应可被概括成如下反应：2NaCl+2H2O→2NaOH+Cl2+H2
把纯水加入到循环氢氧化钠管线中以便调节阴极室中烧碱的浓度。淡盐水和氯气一起排到阳极室外部。阴极室产生的氢氧化钠和氢气一起排放到阴极室外部。用纯水将循环的氢氧化钠溶液稀释，加入到阴极室中。作为高能耗产业，节约能源，提高效率，采用新技术新方法降低能耗是首要考虑的，传统的电解槽主要由离子交换膜以及分别设置于离子交换膜两侧的阳极室和阴极室组成，阳极网和阴极网之间距离约2～3mm，会产生电压降，而电解过程中，电解液消耗需要补充新的电解液，新补充的电解液和原电解液存在着浓度差，补充的电解液容易直接从溢流口流出，不能与原电解液充分混合，气液分离效果不好，会造成电解不完全，影响电解效果，也容易造成电解槽内局部温度过高，对电解槽和膜造成损坏。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种高电密低电耗电解单元槽装置。
本发明高电密低电耗电解单元槽装置，包括离子交换膜、阴极、阴极折流板、阳极折流板、阳极、离子交换膜、复极极框，水和循环氢氧化钠入口连接于阴极室下端，精制盐水入口连接于阳极室下端，氢气和氢氧化钠出口连接于复极极框上端阴极侧中空框架阳极顶部室，氯气和淡盐水出口连接在复极极框上端阳极侧中空框架阴极顶部室；所述的离子交换膜、阴极、阴极折流板、阳极折流板、阳极、离子交换膜)固定于复极极框上；所述的离子交换膜)、阴极折流板固定于复极极框上，构成阴极室，所述的阳极折流板、离子交换膜固定于复极极框上，构成阳极室；所述单元槽内，阴极侧有阴极气液分离区，阴极侧气液分离区连接于阴极室上端、复极极框上端中空框架内；所述单元槽内，阳极侧有阳极气液分离区，阳极侧气液分离区连接于阳极室上端，复极极框上端中空框架内。单元槽内复极极框框架上增加阴极侧气液分离区和阳极侧气液分离区。
优选的，阴极侧气液分离区包括细长形分离狭缝、下导管、气液分离室、阴极顶部室。
优选的，阳极侧气液分离区包括细长形分离狭缝、下导管、气液分离室、阴极顶部室。
优选的，阴极区有阴极网和阴极折流板。
优选的，阳极区有阳极网和阳极折流板。
优选的，阴极网采用圈形弹簧和细编织网，阴极折流板形状采用连续V形。。
优选的，阳极网采用精细网结构，阳极折流板形状采用连续V形。
优选的，离子交换膜采用Flemion 8934型号。
优选的，阴极网材料选用镍材。
优选的，阳极网材料采用钛材
优选的，细编织网为一片式编织网。
优选的，复极极框采用凹槽和胁状突起交错排列。
优选的，氢气和氢氧化钠出口、氯气和淡盐水出口管采用特氟隆涂料。
本发明还公开了一种高电密低电耗电解单元槽气液分离方法，其按如下步骤：
a、氯气和淡盐水分离：阳极侧电解产生的氯气和未参加电解的氯化钠形成了氯气和淡盐水气液混合，氯气和淡盐水经过阳极折流板，进入阳极侧气液分离区进行气液分离。
b、氢气和氢氧化钠分离：由相邻阳极侧的钠离子和水一起穿过离子交换膜移动到阴极室，在阴极室电解产生的氢气和氢氧化钠经过阴极折流板，进入阴极侧气液分离区进行气液分离。
优选的，阳极侧气液分离区内有气液分离室、下导管、细长形分离狭缝和阳极顶部室，氯气和淡盐水经过下导管后，进入气液分离室，再经过细长形分离狭缝，到达阳极顶部室，氯气和淡盐水在很小的压力波动下以溢流模式从出口溢出，并在出口分配管分离成氯气和淡盐水，从而最终分离。
优选的，阴极侧气液分离区内有气液分离室、下导管、细长形分离狭缝和阴极顶部室，氢气和氢氧化钠经过了下导管后，进入气液分离室，再经过细长形分离狭缝，到达阴极顶部室，氢气和氢氧化钠在很小的压力波动下以溢流模式从出口溢出，并在出口分配管分离成氢气和氢氧化钠，从而最终分离。
本发明高电密低电耗电解单元槽气液分离方法，阴极折流板和阳极折流板形状由梯形修改为V型，使得液体在电解单元槽内部的浓度分布更加均匀，降低了液体电压降；阴极采用圆形弹簧和编织细网的形式，形成了高弹性的缓冲层，使阴极与盘接触点增加150％，电流分布更均匀，降低了结构电压降；阳极采用精细网结构，将极距降至最小，槽电压更低；单元槽内阴极侧气液分离区和阳极侧气液分离区增加细长形分离狭缝，采用很小的压力波动下溢流分离模式，复极极框采用凹槽和胁状突起交错排列，使气液分离效果更好，电解单元槽内部浓度分布更均匀，保护了电解单元槽和膜。
附图说明
图1一种高电密低电耗电解单元槽装置结构图。
图2阴极气液分离示意图。
图3阳极气液分离示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明优选实施例作详细说明。
离子膜电解槽是由多个复极极框与离子交换膜交替串联组成，复极极框内排列着阴极、阴极折流板、阳极折流板、阳极，每个电解槽包括91个电解单元槽。
如图1所示，本实施例高电密低电耗电解单元槽装置包括离子交换膜3-1、阴极1、阴极折流板21、阳极折流板22、阳极2、离子交换膜3-2依次固定在复极极框8上，离子交换膜3-1、阴极折流板21固定在复极极框8上，构成阴极室23，阳极折流板22、离子交换膜3-2固定在复极极框8上，构成阳极室24。水和氢氧化钠入口6连接在阴极室23下端，阴极侧气液分离区9在阴极室23上端、复极极框8阴极侧中空框架内，与阴极室23相通，氢气和氢氧化钠出口4与复极极框8上端阴极侧中空框架内阴极顶部室16相连，精制盐水入口7连接在阳极室24下端，阳极侧气液分离区10在阳极室24上端，复极极框8阳极侧中空框架内，与阳极室24相通，氯气和淡盐水出口5与复极极框8上端阳极侧中空框架内阳极顶部室20相连。
如图2所示，阴极侧气液分离区9包括下导管14、气液分离室15、细长形分离狭缝13、阴极顶部室16，下导管14在气液分离室15内，气液分离室15向上连接细长形分离狭缝13，细长形狭缝13连接阴极顶部室16。
如图3所示，阳极侧气液分离区10包括下导管18、气液分离室19、细长形分离狭缝17、阳极顶部室20，下导管18在气液分离室19内，气液分离室19向上连接细长形分离狭缝17，细长形狭缝17连接阳极顶部室20。
精制盐水通过入口7进入到阳极室24，在阳极室24内氯化钠被电解：NaCl→Na++Cl-，主要的阳极反应有氯离子氯化反应生成氯气：2Cl→Cl2+2e-。
阳极室24中的钠离子和水一起穿过离子交换膜3-2移动到相邻的阴极室，完成相应的阴极电解反应，相邻的阳极室中的钠离子和水一起穿过离子交换膜3-1进入到阴极室23，主要的阴极反应是水在阴极室中被电解，反应式如下：2H2O+2e-→H2+2OH-，钠离子与氢氧根离子结合生成氢氧化钠：Na++OH-→NaOH，
整个电化学反应可被概括成如下反应：2NaCl+2H2O→2NaOH+Cl2+H2。
本发明还公开了一种基于高电密低电耗电解单元槽装置的气液分离方法，如图1所示，此电解槽气液分离方法的步骤为：
a、氯气和淡盐水分离：阳极室24的氯气和淡盐水一起通过阳极折流板22，气液分布更加均匀后，进入阳极上侧气液分离区10内，在阳极侧气液分离区10内氯气和淡盐水经过了下导管18后增加了气液体的湍流度，进入气液分离室19，再经过细长形分离狭缝17，到达阳极顶部室20，氯气和淡盐水在很小的压力波动下以溢流模式从出口5溢出，并在出口分配管分离成氯气和淡盐水，从而最终分离。
b、氢气和氢氧化钠分离：纯水经过入口6通过循环氢氧化钠管线以便调节阴极室23中氢氧化钠的浓度，阴极室23产生的氢气和氢氧化钠一起通过阴极折流板21，气液分布更加均匀后，进入阴极侧气液分离区9内，在阴极侧气液分离区9内氢气和氢氧化钠经过下导管14后增加了气液体的湍流度，进入气液分离室15，再经过细长形分离狭缝13，到达阴极顶部室16，氢气和氢氧化钠在很小的压力波动下以溢流模式从出口4溢出，并在出口分配管分离成氢气和氢氧化钠，从而最终分离。
在电解槽内维持阳极淡盐水溶液和阴极氢氧化钠溶液的液位于每个复极极框的上方中空框架中，并且膜不暴露到气体区，该装置气体管采用透明的特氟隆管和电解液采取溢流模式，透过该管可以目测每个极框内的溢流情况，如果膜发生了某些损坏，通过观察就能检测到异常情况，特氟隆管中氯气的正常颜色为黄色，当从阴极侧浸入的氢氧化钠经膜的针孔与氯气反应时，管中气体颜色变浅；采取溢流模式，使膜完全浸入到电解液中，消除了直接与氯气相接触而引起的电化学和物理降解；在膜上有针孔的情况下，浸入阳极室的氢气和氢氧化钠是很有限的，以至于不存在氯气中氢气过量增加以及对阳极严重损坏的危险；在复极极框内部不发生气体压力波动的情况，可以避免对膜的物理破坏，确保了膜的较长寿命。
阳极液系统：盐水通过循环盐水支管加入到入口分配管，然后分配到阳极室，在阳极室盐水分解成氯气和钠离子，盐水的流速由流量控制阀自动控制进入电解槽。淡盐水及湿氯气气-液两相液流从阳极室出口溢出，并在出口分配管分离成淡盐水和氯气，淡盐水通过重力作用进入阳极液接收槽。在淡盐水进入阳极液接收槽前，在淡盐水中加入盐酸溶液以使之酸化。产品氯气送至氯气处理工段。在离开阳极液接收槽时，阳极液淡盐水分成两股支流，一股支流循环返回电解槽，另一股支流去脱氯塔脱氯。纯水在停车时用来稀释阳极液以防止结晶，在开车时用来调整阳极液浓度以达到离子交换膜要求的浓度，同时缓慢渗透到阴极侧，缓慢稀释阴极电解液，阳极液中氯化钠的浓度维持在200±10g/L。
阴极液系统：循环氢氧化钠液通过碱交换器加入到入口分配管，然后分配到阴极室，在阴极室发生阴极反应使水分解成氢气和氢氧根离子。循环氢氧化钠液的流速由流量控制表控制。氢氧化钠溶液和氢气混合的气-液两相液流从阴极室出口溢出，在出口分配管分离成氢氧化钠溶液和氢气流。氢氧化钠溶液通过重力作用流到循环碱液槽。氢氧化钠溶液在离开循环碱液槽的时候形成两股支流：一股支流是产品氢氧化钠溶液，另一股支流循环返回电解槽。循环氢氧化钠浓度由碱液密度计监控，在不正常操作条件时会发生过高或过低的报警，维持在最佳的膜操作浓度约为32.2±0.2wt％，它通过向循环氢氧化钠液流中加入纯水来调节，每4小时检测一次，当氢氧化钠的浓度达超过正常范围时，按照分析的出槽的氢氧化钠浓度调节纯水的流量，以便使氢氧化钠浓度维持在32.2±0.2wt％。通过碱液交换器来加热和冷却循环的氢氧化钠液，维持电解槽的操作温度在85～90℃之间，阳极液中氢氧化钠浓度大约为32wt％，电解槽阴极室压力维持在500mmH2O。
电解槽运行条件：电流负荷在8kA～18kA可调，氢氧化钠浓度32.2±0.2wt％，淡盐水浓度：190～210g/L，电解槽温度85～90℃，电解槽的电压为2.6V～3.1V，溢流平稳，阳极液呈黄色。
定期通过透明的特氟隆管用肉眼检查伴随着产生气体的阳极液和阴极液从每个极框中溢流出来的情况，定期检查淡盐水和溢流氢氧化钠的浓度，如果淡盐水出口处的氯化钠浓度低于190g/L，应立即增加精制盐水流量保证储槽淡盐水浓度在正常范围。
用便携式伏特表在现场每天一次测量并记录单元槽的电压，每8小时检测一次，检测单元槽电压波动也能检测出膜的异常情况，如果某一单元槽电压比相邻的单元槽低30mV，那么膜可能有针孔。
为了避免由于振动及压力波动造成膜的损伤，阴极侧压力要总高于阳极侧的压力，这是很关键的。过大的差压会把膜压入阳极网内而损伤膜并使电压升高，或者造成阳极和膜之间淡盐水的供应不充足。因此，氯气和氢气之间的压差要保持在500±20mmH2O。
为了避免由于阴极和阳极之间的压力差对膜造成机械损伤，提供一个氢气放空管，能够安全地向大气中排放氢气，保持氢气放空管密封液位，以维持氢气侧压力比氯气侧压力高，调整氢气放空管溢流管，维持氢气侧压力不低于大气压，始终维持氢气放空管中的密封水，以实现连续溢流。
为了防止膜干燥，装配好的电解槽应立即充液，将2wt％氢氧化钠溶液充入电解槽阴极室，同时阳极室充入纯水，当阳极侧和阴极侧的所有溢流管都开始溢流了，停止向电解槽供应纯水和2wt％的氢氧化钠。
在精制盐水的管线上，装有高流量和低流量的流量控制器，保持精制盐水流量恒定；在纯水管线上配有一个现场流量计，检查纯水的流量并在电解槽维修时合理地稀释阳极液；在电解槽的阴极液出口配有温度指示器，用来监测电解槽温度，在温度过高时会发生报警；电槽的电压由电解槽电压变送器连续监测，出现意外情况导致槽电压高高可联锁停装置。
下面对本发明方法的具体实施例作详细说明，各实施例包括相应参数以及最终获取的试验数据。
实施例1(8kA运行)
装配好的电解槽充液，将2wt％氢氧化钠溶液充入电解槽阴极室，同时阳极室充入纯水，当阳极侧和阴极侧的所有溢流管都开始溢流了，停止向电解槽供应纯水和2wt％的氢氧化钠，向阴极侧送入恒定流量的32％氢氧化钠液并开始连续循环，氢氧化钠液流量控制在0.3m3/h.cell；向阳极侧送入合格的精制盐水(305～315g/l)，盐水流量调整为0.1m3/h.cell；接通极化电流，电压为1.6～1.8V；电解槽通过阴极循环碱液交换器加热，当温度为65℃以上，循环氢氧化钠浓度＞25％以及其他安全条件均满足时，通电运行。
精制盐水通过盐水支管加入到入口分配器，进入到阳极室，在阳极室盐水中的氯离子氧化成Cl2，电解后形成的淡盐水及湿氯气的气-液两相液流从阳极侧气液分离区溢出，并在电槽阳极总管气液分离器进一步分离，氯气进入氯气总管，淡盐水自流进入淡盐水循环槽，并通过加入盐酸，维持阳极液的PH值2左右；淡盐水循环槽内的淡盐水部分送出界区，电流负荷升至5kA时，将部分淡盐水与精制盐水按1:1流量混合后继续进入电解槽阳极室进行电解；
循环氢氧化钠通过碱热交换器加热后进入到阴极液分配管，分配到阴极室，阳极侧的钠离子和水经过离子交换膜膜渗透到阴极室，在阴极室发生阴极反应使水分解成氢气和氢氧根离子，氢氧根离子与钠离子结合为氢氧化钠，氢氧化钠溶液和氢气混合的气-液两相液流从阴极侧气液分离区溢出，并在电槽阴极总管气液分离器进一步分离，氢气进入氢气总管，氢氧化钠溶液进入阴极液循环槽，进入循环槽的氢氧化钠溶液部分加入纯水循环进入阴极室继续电解，部分作为产品碱则送至外界。
电流升至8kA时，调整阳极液加盐酸量，控制阳极液pH为2左右，阳极液浓度200g/l左右；通过向循环氢氧化钠中加入纯水调节氢氧化钠浓度控制为32wt％左右。
控制阴极与阳极的压差为500mm水柱。
结果：溢流口平稳流动，阳极液呈黄绿色，氯气浓度98％以上，氢气纯度99％以上，单元槽电压2.6v。
实施例2(13.5kA运行)
工艺过程与实施例1相同，同时调整阳极侧精盐水流量，加盐酸量及阴极侧加纯水量，调整后各工艺参数为：
出电解槽淡盐水浓度：201g/L
阳极液循环槽淡盐水pH：1.95
出电解槽循环碱浓度：32.05％
电解槽的单元电压为：2.8V
电解槽温度为：85℃
电流负荷：13.5kA
结果：溢流口平稳流动，阳极液呈黄绿色，氯气浓度98％以上，氢气纯度99％以上，单元槽电压2.6v。
实施例3
工艺过程与实施例1相同，同时调整阳极侧精盐水流量，加盐酸量及阴极侧加纯水量，调整后各工艺参数为：
出电解槽淡盐水浓度：198g/L
阳极液循环槽淡盐水PH值：2.0
出电解槽循环碱浓度：32.1％
电解槽的电压为：2.95V
电流负荷：18kA；
电解槽温度为：87℃
结果：溢流口平稳流动，阳极液呈黄绿色，氯气浓度98％以上，氢气纯度99％以上，单元槽电压2.6v。
在本发明中，电解过程是现有技术，例如：电解阳极产生氯气和钠离子，阴极产生氢气和氢氧根的过程。
当然，上述气液分离方法也可以基于其他装置或系统来实现，不限于上述单元槽电解气液分离装置。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (11)
1.一种高电密低电耗电解单元槽装置，其特征是包括离子交换膜(3-1)、阴极(1)、阴极折流板(21)、阳极折流板(22)、阳极(2)、离子交换膜(3-2)、复极极框(8)，水和循环氢氧化钠入口(6)连接于阴极室(23)下端，精制盐水入口(7)连接于阳极室(24)下端，氢气和氢氧化钠出口(4)连接于复极极框(8)上端阴极侧中空框架阳极顶部室(20)，氯气和淡盐水出口(5)连接在复极极框(8)上端阳极侧中空框架阴极顶部室(16)；
所述的离子交换膜(3-1)、阴极(1)、阴极折流板(21)、阳极折流板(22)、阳极(2)、离子交换膜(3-2)固定于复极极框(8)上；
所述的离子交换膜(3-1)、阴极折流板(21)固定于复极极框(8)上，构成阴极室(23)，所述的阳极折流板(22)、离子交换膜(3-2)固定于复极极框(8)上，构成阳极室(24)；
所述单元槽内，阴极侧有阴极气液分离区(9)，阴极侧气液分离区(9)连接于阴极室(23)上端、复极极框(8)上端中空框架内；
所述单元槽内，阳极侧有阳极气液分离区(10)，阳极侧气液分离区(10)连接于阳极室(24)上端，复极极框(8)上端中空框架内。
2.如权利要求1所述的一种高电密低电耗电解单元槽装置，其特征在于：所述阴极侧气液分离区(9)包括细长形分离狭缝(13)、下导管(14)、气液分离室(15)、阴极顶部室(16)。
3.如权利要求1所述的一种高电密低电耗电解单元槽装置，其特征在于：所述阳极侧气液分离区(10)包括细长形分离狭缝(17)、下导管(18)、气液分离室(19)、阴极顶部室(20)。
4.如权利要求1所述的一种高电密低电耗电解单元槽装置，其特征在于：所述阴极(1)有阴极网(11)和阴极折流板(21)。
5.如权利要求1所述的一种高电密低电耗电解单元槽装置，其特征在于：所述阳极(2)有阳极网(12)和阳极折流板(22)。
6.如权利要求1所述的一种高电密低电耗电解单元槽装置，其特征在于：所述离子交换膜(3-1)、(3-2)采用Flemion 8934型号。
7.如权利要求1所述的一种高电密低电耗电解单元槽装置，其特征在于：所述复极极框(8)采用凹槽和胁状突起交错排列。
8.如权利要求1所述的一种高电密低电耗电解单元槽装置，其特征在于：所述氢气和氢氧化钠出口(4)、氯气和淡盐水出口(5)管采用特氟隆材料。
9.一种高电密低电耗电解单元槽气液分离方法，其特征是按照如下步骤：
a、氯气和淡盐水分离：阳极侧电解产生的氯气和未参加电解的氯化钠形成了氯气和淡盐水气液混合，氯气和淡盐水经过阳极折流板(22)，进入阳极侧气液分离区(10)进行气液分离。
b、氢气和氢氧化钠分离：由相邻阳极侧的钠离子和水一起穿过离子交换膜(3-1)移动到阴极室(23)，在阴极室电解产生的氢气和氢氧化钠经过阴极折流板(21)，进入阴极侧气液分离区(9)进行气液分离。
10.如权利要求9所述一种高电密低电耗电解单元槽气液分离方法，其特征是：所述阳极侧气液分离区(10)内有气液分离室(19)、下导管(18)、细长形分离狭缝(17)和阳极顶部室(20)，氯气和淡盐水通过气液分离室(19)，经过下导管(18)后，再经过细长形分离狭缝(17)，到达阳极顶部室(20)，氯气和淡盐水在很小的压力波动下以溢流模式从氯气和淡盐水出口(5)溢出，并在出口分配管分离成氯气和淡盐水，从而最终分离。
11.如权利要求9所述一种高电密低电耗电解单元槽气液分离方法，其特征是：所述阴极侧气液分离区(9)内有气液分离室(15)、下导管(14)、细长形分离狭缝(13)和阴极顶部室(16)，氢气和氢氧化钠通过气液分离室(15)，经过了下导管(14)后，再经过细长形分离狭缝(13)，到达阴极顶部室(16)，氢气和氢氧化钠在很小的压力波动下以溢流模式从出口(4)溢出，并在出口分配管分离成氢气和氢氧化钠，从而最终分离。
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