CN107475740A - 一种大型旋转电极电解氟化反应器 - Google Patents

Abstract

一种大型旋转电极电解氟化反应器，包括外壳，外壳的壳体口的支撑法兰盘槽孔中的滚珠和电解槽连接板处下面边缘的滚珠槽相连，电解槽连接板上连接多个电解槽极板组件，电解槽连接板上连有可旋转的阳极导电柱和阴极导电套，阳极导电柱和阴极导电套中设有绝缘层。该电解氟化反应器在槽体上引入了一种特殊承重旋转装置，将电解槽极板组的重量转移到电解槽槽体上，解决了传统旋转电极电解氟化反应器因减速机负荷过大造成的机械故障，无法产业化大型旋转电极电解氟化反应器的技术难题。电解氟化反应器优选电解槽极板组件的每组极板按照竖向且按一定的倾斜度安装，收率能提高约20%。电解氟化反应器优选采用变频电机，使旋转电极的旋转速度更便于调节，可适用于各种电解产物的制备。

Description

一种大型旋转电极电解氟化反应器

技术领域

本发明涉及有机电化学合成的电解反应器，尤其涉及的是，一种大型旋转电极电解氟化反应器。

背景技术

电解氟化法于1941年由美国J.H.Simons发明，该方法使用液体无水HF为溶剂，镍作为阳极，铁或镍作为阴极，在5-8V电压下电解有机化合物，得到全氟代有机化合物的方法，这种方法被称为Simons法。它的发明,正如后来Dresdner所述“为氟碳化合物的制备开辟了一条崭新而又奇妙的途径”。传统的Simons电解氟化法的不足之处在于：Simons电解氟化法电解槽通常使用一种单极式电极组件，通过电极按线柱将各个电极并串联到低压直流电源（例如4～8V）上，这种电解槽可以制成在低于1A至高于100A的电流下工作的小型实验室电解槽，也可制成在高达10000A甚至更高的电流下工作的大型工业电解槽，工业电解槽需要更大功率的和价格高的输电导线和回流母线。这类电解槽可以按连续式、半连续式和间续式操作，但是产品的产量对单极式电极组件电流值的限制影响很大，由于在电极组件接线柱处的电阻发热问题又限制了该电流值的大小。Simons电解氟化电解槽不易分隔成单独的电解室和阴极室，老式的Simons电解槽通常借助电解产生的气泡来实现电解液的气体提升或气泡驱动以促使电解液从各个单极或电极之间通过而引进循环。但这种物料的循环是有限的，电解槽的效益及产品质量的控制都受到一定的影响，各国从事电解氟化的工作者都致力于改进这些问题。

2003年6月，美国明尼苏达矿产制造公司（3M公司）在中国授权公示申请的发明专利ZL99107127.1提供了一种新型的电化学氟化方法，它是继传统的Simons电解槽在电解氟化上的更为改进方法。相对传统的Simons电解氟化法，专利ZL99107127.1不仅利用双极式电极系统，而且还利用了强制对流，以泵压法来使液体混合物通过电极组件和组件系统，使用强制对流可以有效地带走产生的热，并且能使液体与电极表面达到均匀的接触，这样就能比通常依赖于气泡驱动循环的常规电解氟化法要获得较高的传热系数和传质系数，并且能较好地控制反应物浓度和物料的转移。另外，利用较简单的多通道方式可以使上述的液体混合物的平行流动的方式。通过电极组件或组件系统，并因此能使整个电解槽获得比串联流动方式更低的压降和更低的温升。传统极板处于静止状态，槽液极差浓度不均匀，当进行电解氟化时，极板当中部分氟化或者过度氟化，而周围没有氟化，因此收率低，能耗高。发明专利ZL99107127.1虽在电解氟化过程中的传热及传质上的所改善，也在电解槽压降和温升有一定进步，但在电解氟化中仍然不能有效解决槽液温度过高造成的物耗和能耗的增加；电解氟化时当磺酰氟氟化后C-F键浓度大于C-H键浓度，易使极板上高聚物积聚，产生电流效应，增大能耗；而且该技术在工业装置大型化上不易实现。

三星堆向心电解槽工艺技术将传统的Simons式电解槽一个极堆改进为向心的三个极堆，让中间留有循环通道。此技术在目的产品收率上有较大提高，现在为国内的大多数企业采用。为进一步降低物耗和能耗， 提高产品收率，部分企业研究了外循环电解氟化工艺技术，在槽下开了一个口，用循环泵将槽液从开口抽出，然后再返回电解槽。外循环技术解决了极板的静止状态补加新电解质带来的极差浓度不均匀的问题，物耗和能耗有所降低。但是也存在以下问题：第一，循环泵容易腐蚀；第二，极板间隙为3mm，容易造成短路。

ZL200710076607.8一种氟化电解的反应器和反应方法，公开了一种可以旋转的氟化电解的反应器，该反应器包括电解反应釜、电极板、阴阳电极引出端、阴阳极定位螺杆、上夹板、下夹板、旋转轴、电机、倒流环；各性状相同的电极板按预设间距叠置，中间设置至少一个第一导流孔，各第一导流孔形成第一导流槽；各电极板设置一对阴阳极定位孔，定位螺杆用于通过定位孔固定各电极板，并分别与各夹板固定连接；旋转轴与上夹板固定连接，电机与旋转轴连接。通过旋转电极板方式，使极板间电解液能有序流动，提高了产品的产率。

但是该方法存在以下问题：（1）电极板是按预设间距水平平行叠置。那么极板上产生的H₂，易附着于在阴极板上，使阴极板有效导电面积减少，电解效率变差；阳极板，虽然旋转，但是由于是水平平行叠置，产生不了离心力，因此电解产生的产物也在阳极板上附着，不能及时的离开极板，氟化物就存在断链和增长链，槽液中的高低氟化物增多，大分子附着在极板上，物耗增加。随着极板上高聚物增多，流动和扩散困难，能耗也随之增高。（2）当电机旋转时，极板重量都加附在减速机上，减速机既要承担扭力又要承担轴向重力，减速机负荷过大。这种设计当电解槽比较小时，如120L以下，减速机可能还能正常运行，一旦要制备产业化设备，如500L、1000L、10000L及更大容积时，减速机负荷过大，设备将运行不了。

因此制备产业化大型旋转电极电解氟化反应器的技术成为制约目前电解氟化行业的技术难题。

发明内容

本发明一种大型旋转电极电解氟化反应器要解决的技术问题是：（1）普通旋转电极电解槽仅只适用小型槽体，无法在500L以上槽体使用。因为当前旋转电极电解槽要做大时，极板重量都加附在减速机上，减速机既要承担扭力又要承担重力，减速机负荷过大，所以无法实现。为了解决该技术问题，在目前的电解氟化反应器的壳体上引入了一种特殊承重旋转装置，将电解槽极板组的重量转移到电解槽槽体法兰上，这样减速机承担体系带来的扭力，而不承担拉力。（2）目前水平平行叠置的电极板，极板上产生的H₂，易附着于在阴极板上，电解产生的产物也在阳极板上附着，造成极板的电流效率低，物耗能耗增加。为了解决该技术问题，电极板按预设间距竖直向并排，且按一定角度倾斜，电解氟化时H₂能迅速从极板间逸出，不会影响到电流效率；电极旋转时产生的离心力，能有效将电解产物从极板分离，槽内液体发生相对运动，浓度能趋于一致，有效避免了氟化不足和氟化过度，提高了目的产物的收率，较传统工艺比，收率能提高约20% 。

本发明一种旋转电极氟化电解反应器，包括外壳，外壳的壳体口的支撑法兰盘半圆形槽孔中的滚珠和电解槽连接板处下面边缘的滚珠槽相连，电解槽连接板上连接多个电解槽极板组件，电解槽连接板上连有可旋转的阳极导电柱和阴极导电套，阳极导电柱和阴极导电套中设有绝缘层。

所述外壳包括：壳体、上壳盖。

所述的壳体包括：电解槽夹套、电解槽槽体、支撑法兰盘、电解槽连接板、电解槽极板组件、滚珠；

其中支撑法兰盘设有半圆形槽孔，槽孔中放置滚珠，滚珠和电解槽连接板处下面边缘的滚珠槽相连，由电解槽连接板、滚珠和支撑法兰盘组成电解槽特殊承重旋转装置。

所述的上壳盖包括：电解槽槽盖、和电解槽槽盖相连的标准法兰盘。

所述的电解槽极板组件包括：电解槽极板组，与电解槽极板组相连的正极性导电柱和负极性导电柱，正极性导电柱和负极性导电柱另一头和电解槽连接板相连。

本发明一种旋转电极电解氟化反应器的优点是：

（1）本发明的电解氟化反应器，在槽体上引入了一种特殊承重旋转装置，将电解槽极板组的重量转移到电解槽槽体上，当变频电机启动时，传动轴带动电解槽连接板转动，电解槽连接板带动电解槽极板组件旋转和滚珠滚动，从而实现电解槽极板组件的旋转。电解槽连接板和旋转轴只承担体系带来的扭力，而不承担轴向重力，解决了传统旋转电极电解槽因减速机负荷过大造成的机械故障。这样旋转电极电解槽就可以做大到500L以上，千升级甚至万升级，解决了产业化大型旋转电极电解槽的技术难题。

（2）本发明优点是每组极板按照竖向且按一定的倾斜度安装，优选每组极板倾斜度为1-6°，通过四组极板组不间断的旋转，将电解槽液体物料逐渐推向中心，形成极板与物料间的相对运动；电解液类似搅拌的有效的运动可以显著改善物料的传热和传质，降低物耗和能耗，提高目的产品的收率。

（3）本发明的电解槽装置，优选采用变频电机，使旋转电极的旋转速度更便于调节，可适用于各种电解产物的制备。

附图说明

图1是本发明的反应器的结构示意图；

图2 图1B部分的放大图；

图3 电解槽壳体的俯视图；

图4 电解槽极板组件与机械旋转装置的装配示意图；

图5 电解槽极板组件的左视图或者右视图；

图6 图5中C部分的放大图；

图7 图5中D部分的放大图；

图8 本发明的电解槽极板组件安装角度示意图；

图9 电解槽特殊承重旋转装置的截面图。

具体实施方式

以下对本发明的较佳实施例加以详细的说明。

图1所示，本发明提供一种大型旋转电极电解氟化的反应器，其包括电解槽夹套1、电解槽槽体2，电解槽连接板3，滚珠4，电解槽槽盖5，机械密封装置6，阳极导电柱7，阴极导电套8，电解槽极板组件12（≥4个），支撑法兰盘11，标准法兰盘9。其中电解槽连接板3、滚珠4、支撑法兰盘11组成电解槽特殊承重旋转装置。

图4， 电解槽极板组件12与机械旋转装置的装配示意图：其中电解槽极板组件12的正极性导电柱105和负极性导电柱106通过螺栓固定在电解槽连接板3下面，螺栓与电解槽连接板3之间设有绝缘垫。阴极导电部分8为钢制，连接电解槽极板组件12负极，同时作为机械旋转装置。阳极导电部分7连接电解槽极板组件12正极，与8同步旋转。

图8为本发明的电解槽极板组件安装角度示意图：其中优选每组极板按照竖向且按一定的倾斜度安装，最优选每组极板倾斜度为1-6°，通过四组极板组不间断的旋转，将电解槽壁附件的液体逐渐推向中心。

图5为电解槽极板组件的左视图或者右视图：正极性导电柱105一端设置有绝缘垫，通过螺栓固定在电解槽连接板3下面，另一端与同极性极板间导电部分102相连；阴极板101与阳极板104交替垂直平行安装，距离为3mm；阳极板104与同极性极板间导电部分102相连方式如图6，阴极板101、阳极板104与不同极性极板间绝缘部件103的连接方式如图七。

图9为电解槽特殊承重旋转装置的截面图：电解槽特殊承重旋转装置由电解槽连接板3、滚珠4、支撑法兰盘11组成。其中滚珠4由多个直径为20-50mm球形物组成；支撑法兰盘11是在距标准法兰盘边缘15mm的地方设置28个半圆形槽孔，刚好可将滚珠4放置在上面；电解槽连接板3为圆形板材，板体边缘设有滚珠槽，与滚珠4的球体的上部分相连，如图2所示。

当电机启动时，旋转轴8带动电解槽连接板3转动，电解槽连接板3带动电解槽极板组件12旋转和滚珠4滚动，从而实现电解槽极板组件的旋转，同时将极板组件的重量通过电解槽连接板3分散到槽体2上。这样电解槽连接板3和旋转轴8只承担体系带来的扭力，而不承担向下的重力，解决了当旋转电极电解槽要做大时，极板组重量都加附在减速机上，减速机负荷过大，容易造成机械断裂的问题。

Claims (9)

1.一种大型旋转电极电解氟化反应器，包括外壳，其特征在于：外壳的壳体口的支撑法兰盘槽孔中的滚珠和电解槽连接板处下面边缘的滚珠槽相连，电解槽连接板上连接多个电解槽极板组件，电解槽连接板上连有可旋转的阳极导电柱和阴极导电套，阳极导电柱和阴极导电套中设有绝缘层。

2.根据权利要求1所述的一种大型旋转电极电解氟化反应器，其特征在于：所述外壳包括：壳体、上壳盖。

3.根据权利要求1所述的一种大型旋转电极电解氟化反应器，其特征在于，所述的电解槽极板组件包括：电解槽极板组，与电解槽极板组相连的正极性导电柱和负极性导电柱，正极性导电柱和负极性导电柱另一头和电解槽连接板相连。

4.根据权利要求1所述的一种大型旋转电极电解氟化反应器，其特征在于：电解槽连接板为圆形板材，板体下面边缘设有滚珠槽，与滚珠的球体的上部分相连。

5.根据权利要求1所述的一种大型旋转电极电解氟化反应器，其特征在于：所述电解槽极板组件的每组极板按照竖向且按一定的倾斜度安装。

6.根据权利要求1所述所的一种大型旋转电极电解氟化反应器，其特征在于：优选采用变频电机，使旋转电极的旋转速度更便于调节。

7.根据权利要求2所述的一种大型旋转电极电解氟化反应器，其特征在于，所述的壳体包括：电解槽夹套、电解槽槽体、支撑法兰盘、电解槽连接板、电解槽极板组件、滚珠；其中支撑法兰盘设有半圆形槽孔，槽孔中放置滚珠，滚珠和电解槽连接板处下面边缘的滚珠槽相连，由电解槽连接板、滚珠和支撑法兰盘组成电解槽特殊承重旋转装置。

8.根据权利要求2所述的一种大型旋转电极电解氟化反应器，其特征在于，所述的上壳盖包括：电解槽槽盖、和电解槽槽盖相连的标准法兰盘。

9.根据权利要求5所述的一种大型旋转电极电解氟化反应器，其特征在于：所述电解槽极板组件的每组极板按照竖向且按一定的倾斜度安装，每组极板倾斜度为1-6°。