CN111279017B - 电解装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对液体进行电解处理的电解装置，电解装置具有经由离子交换膜彼此分离的阳极室和阴极室，其中，这些室设置有用于流动电解液的入口开口和出口开口并且分别设置有一个电极，并且其中，阳极室和/或阴极室的内部空间由相对于电极横向延伸的腹板(20)或肋来划分，其中，腹板或肋至少区域地设置有孔(24)或缺口，其中，根据本发明，腹板(20)或肋包括至少一个下部区域(22)，在至少一个下部区域中没有设置孔(24)或缺口。根据本发明的电解装置的优点在于，不仅在纵向方向上在上部泡沫相中提供充分的混合，而且同时通过在下部区域中的上升气泡维持气升泵效应。

Description

电解装置

技术领域

本发明涉及一种用于对液体进行电解处理的电解装置，该电解装置具有经由离子交换膜彼此分离的阳极室和阴极室，其中，这些室设置有用于流动的电解液的入口开口和出口开口并且分别设置有一个电极，并且其中，阳极室和/或阴极室的内部空间由相对于电极横向延伸的腹板或肋来划分，其中，腹板或肋至少区域地设置有孔或缺口。

背景技术

为了使电极室内部的电解过程正确运行，需要电解液在整个室高和室宽上尽可能均匀地分布，因此寻求在两个电解室中进行良好的液体混合。在氯碱池的情况下，所述液体混合在阳极液室(阳极室)中尤其重要，这是由于离子交换膜仅在相对窄的范围的氯化物浓度、温度和pH内最佳地工作。不能排除的是，在阳极室的在流动方面不利的区域中，由于阳极液的停滞而发生氯化物的耗尽，这可能导致局部膜损坏。

在阳极液室中，由于氯气的浮力效应，在竖直方向上发生一定的自然混合。阳极液室中水平方向上的平均流速低，因此水平方向上的自然混合程度也非常低。此外，在电解液中上升的气泡趋于结合而在上部区域中形成封闭的泡沫层。所述泡沫形成越大，池负载就越大并且池越高。由于泡沫的电阻高于电解液的其余部分的电阻，因此在膜表面上的电流分布以及因此膜负载变得不均匀。

DE 42 24 492 C1公开了一种具有引言中所提及的特征的电解装置，其中寻求在两个电解室中进行更好的液体混合。为了在每个阳极室和/或阴极室中形成所定义的混合流，设置至少一个分隔元件，该分隔元件为设置有导流腹板的分隔板的形式，流围绕该分隔元件区域地流动。在电极处形成的气泡实际上用作输送辅助，这是由于防止了气泡分布到整个室空间上。由于仅在电极区域中的分隔板的一侧上形成的气泡，因此产生向上引导的流。由于分隔元件形成为使得其能够被冲洗，因此结果为室中的自然竖直循环。

在EP 0 220 659 B1中描述了包含串联布置的多个双极单元池的双极型电解装置，其中，每个池由阳极侧槽形体和阴极侧槽形体构成，每个槽形体包括钩形凸缘、框架壁和分隔壁，其中阳极和阴极各自经由导电肋(腹板)焊接到分隔壁。每个所述导电肋在其整个高度上设置有彼此间隔开布置的孔，以便允许电解液和电解产物通过这些肋。

在先前提及的类型的电解装置中，膜通常位于分别非常靠近电极的位置。在电极之间以及在其横向方向上延伸的肋或腹板将电解装置的内部空间划分为多个隔室。使用实心肋或腹板可能导致向膜供应的盐水不足，这导致在使用平面阳极时在膜处形成水泡。

然而，另一方面，如在上面引用的EP 0 220 659 B1中所提出的，在腹板的整个高度上设置具有缺口或孔的腹板，以便由此在整个池室中实现改善的纵向混合，其缺点在于，不再在池室的个别隔室中提供期望的气升泵效应。术语“气升泵效应”应当理解为指CarlImmanuel

所描述的现象，也就是说通过将气泡引入低于液面的液体中，可以将液面升高一定量。这种效应在所谓气升泵中用于输送液体。由于气泡在电解期间在电解液中形成，然后在液体中向上上升，在此发生气升泵效应，因此实现电解液的竖直混合，这在根据本发明的电解装置中在一定程度上是期望的。

DE 696 07 197 T2公开了一种用于压滤式电解池的电极装置，其中使用相对于面电极在横向方向上延伸的阳极间隔件和阴极间隔件。Z形间隔件也称为上间隔件，而U形或C形间隔件位于其下方。然而，所述Z形或U形间隔件水平地布置在电解池中，也就是说，它们相对于电解池的高度方向横向延伸。这些间隔件具有不同尺寸的圆形或椭圆形穿孔。所述穿孔用于电解液的竖直混合，其中，由于相对大的穿孔，在电解液中上升的气体的气流应当改善。这里没有提供电解池在纵向方向上的划分，也就是说在间隔件的纵向范围的方向上的划分。

在DE 199 54 247 A1中描述了一种具有气体扩散电极的电解池，其中，池被水平延伸的腹板划分为彼此上下定位的多个空间，使得气体以蜿蜒的方式从底部向上流过气体空间，并且在该过程中分别在个别空间中水平地流动。这里没有提供通过在高度方向上竖直延伸的腹板对电解池的进一步划分。

US 5,693,202 A同样描述了一种具有离子交换膜的电化学池，其中设置有下部入口开口和上部出口开口。连接元件在池中相对于电极在横向方向上延伸，连接元件在水平方向上延伸并且将池划分为彼此上下定位的多个室，并且在室中设置有多个规则布置的开口，所述开口用于允许气体在电解池的高度方向上通过。提供了电解液的竖直混合，而通过竖直延伸的腹板进一步划分池是不明显的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电解装置，该电解装置具有在引言中提及的一般类型的特征，其中不仅提供在纵向方向上的充分混合，而且同时维持气升泵效应。

上述目的的解决方案由本发明的特征的电解装置来提供。

为了更好地理解本发明，在此定义根据本发明的类型的电解池中的几何条件。电解池在彼此正交的三个空间维度上延伸。电解池通常具有其最大延伸的空间方向定义为“纵向方向”。面形成的电极在所述纵向方向和高度方向上延伸。电极表面的法线方向在本文中称为“横向方向”。气泡在电解池中逆着重力从底部向上上升。这种从底部向上的方向在本文中称为“高度方向”。

电解液在高度方向上的常规混合(现有技术中也提供该混合)在本申请中称为“竖直混合”。电解液在电解池的纵向方向上的混合与此不同，为此目的，根据本发明提供的竖直腹板具有孔或缺口，电解液能够流过该孔或缺口。因此，所述腹板在根据上述定义的电解池的高度方向上或基本上在竖直方向上延伸，其中，它们还在电解池的横向方向上延伸，也就是说相对于面电极横向延伸。因此，由于所述腹板，电解池在其纵向方向上被划分为多个隔室。因此，通过这些腹板中的孔或缺口的电解液的流动基本上是在电解池的纵向方向上的流动，并且在本文中也称为“水平混合”。

本文所使用的术语“底部”和“顶部”是指电解池在高度方向上的范围。因此，在本发明的上下文中，当在电解池的高度方向上观察时，“上部”区域位于比“下部”区域更高的位置。

根据本发明，设置为腹板或肋在电解装置的高度方向上延伸，并且当在高度方向上观察时包括至少一个下部区域，在下部区域中，腹板或肋没有孔或缺口，也就是说，在所述区域中没有设置孔或缺口。由于在下部区域中，腹板或肋是实心的并且不包括孔或缺口，因此在所述区域中确保了畅通的气升泵效应。因此，在下部区域中，在电解期间形成的气泡可以向上上升，而不会在电解池的由腹板分离的隔室中受到阻碍。在该下部区域中竖直流动占主导，并且这里电解介质没有显著的纵向混合。相反，根据本发明，孔或缺口存在于腹板或肋的上部区域中。在该上部区域中，电解介质的泡沫相通过上升的气泡形成，因此在此期望纵向混合。所述纵向混合通过腹板或肋中的孔或缺口来实现，这些孔或缺口允许电解介质流动到电解池的相邻隔室中。

在本申请中，电极延伸的方向应理解为电解装置的“纵向方向”。如果在此如此陈述，腹板或肋相对于电极横向延伸，则这意味着腹板或肋基本上在电解装置的横向方向上延伸，并且优选地大致与电极成直角。两个电解室通常各自包括容纳电解液的大致长方体的内部空间。因此，在上述定义的含义内，腹板或肋基本上在竖直方向和横向方向上在电解池中延伸。常规电解池中也提供的竖直混合对应于电解液的基本上平行于腹板或肋的流动，也就是说对应于分别在两个腹板或肋之间的个别隔室中在电解池的高度方向上的流动。相反，通过本申请中描述的纵向混合，电解液在基本上水平的方向上流过腹板的孔，因此电解液通过腹板的孔从一个隔室流入相邻隔室。纵向混合因此在基本上水平的流动方向上实现，其基本上正交于高度方向上的竖直混合来定向，也就是说正交于或至少横向于电解液中上升的气泡来定向。

这里使用的术语“孔”不包括对特定轮廓形状的任何限制。孔可以例如具有圆形、椭圆形、细长形或多边形的轮廓。这里使用的术语“缺口”首先包括连续的孔，这些孔具有任何期望的轮廓形状并且在所有侧面被腹板的材料围绕，然而也包括材料的穿孔，这些穿孔允许电解介质通过，但是并未也在所有侧面上被腹板的材料围绕，也就是说，如果合适的话，也可以在其外围在一个或多个点处开放。

作为根据本发明的腹板或肋的构造的结果，因此两个效应彼此有益地结合。首先，在腹板的下部区域中获得气升泵效应(这导致横向混合)，其次，在腹板的上部区域中仍然实现纵向混合。因此，通过气升泵效应确保了在阳极处流入和输送的盐水在整个池高度上的最佳混合，同时通过在上部泡沫相中的腹板中的孔或缺口在池宽度上实现了在阳极处的最佳盐水输送。以这种方式，防止了隔膜的损坏，否则，如果例如在电解池中进行氯碱电解，则由于NaCl的供应不足而发生隔膜的损坏。这种不足的盐水向膜的供应促进了在膜处形成水泡，这尤其可以在具有永久高电流密度的操作期间观察到。

对根据本发明的目的的解决方案的一个优选改进设置为，当在电解池的高度方向上观察时，腹板或肋包括具有孔或缺口的至少一个上部区域。由于腹板或肋的上部区域中的这些孔或缺口，在这里纵向混合是可能的。在所述区域中，由上升气泡形成泡沫相，在所述泡沫相的区域中，电解液的纵向混合是有利的。

优选地，腹板或肋不包括孔或缺口的下部区域至少大致在腹板或肋的整个高度的下半部分上延伸，特别是至少在腹板或肋的整个高度的下半部分上延伸。当然，下部区域的端部取决于相应电解池中的个别条件。例如，可以凭经验确定气升泵效应所需的腹板高度和防止纵向混合所需的腹板高度，以及泡沫相分别开始的高度。实验已经表明，通常有利的是，至少大致腹板或肋的下半部分，特别是至少腹板或肋的下半部分为实心形式，也就是说形成为没有孔或缺口。因此，在特定情况下，孔开始的区域可以例如根据电解池的参数、在每一种情况下所使用的电解液的类型和发生电解的条件(例如温度、pH、电流密度等)而变化。

本发明的一个优选改进设置为，腹板或肋不包括孔或缺口的下部区域至少大致在腹板或肋的整个高度的下部三分之二上延伸，特别是在下部三分之二上延伸。在这种可能的变型中，腹板或肋为实心形式的区域因此向上延伸越过腹板或肋的中部，而孔或缺口仅大致设置在上部三分之一中，特别是在上部三分之一中，在形成泡沫相的位置处。

根据本发明的一个优选改进，腹板或肋包括孔或缺口的上部区域至少大致在腹板或肋的整个高度的上部四分之一上延伸，特别是在上部四分之一上延伸。在该可能的变型中，腹板或肋为实心形式的区域因此进一步向上延伸，而孔或缺口至少大致设置在上部四分之一中，特别是在上部四分之一中，在形成泡沫相的位置处。

特别优选地，腹板或肋包括孔或缺口的上部区域至少大致在腹板或肋的整个高度的上部三分之一上延伸，特别是至少在腹板或肋的整个高度的上部三分之一上延伸。

本发明的一个优选改进设置为，腹板或肋在至少一个上部区域中包括多个孔或缺口，这些孔或缺口在腹板或肋的高度方向上通过实心区域彼此间隔开。

根据本发明的装置的进一步优选的改进设置为，腹板或肋在至少一个上部区域中包括孔，这些孔具有至少部分大致圆形的轮廓。在此，仅以举例的方式提及一个键孔。然而，孔或缺口的任何其他期望的轮廓形状原则上也是可想到的。例如，可以设置具有不同轮廓形状和不同尺寸的孔或缺口，例如取决于期望的纵向混合效应的强度和每单位时间分别应当流过孔或缺口进入相邻隔室的电解液的体积。

本发明的另一优选改进设置为，腹板或肋在至少一个上部区域中包括多个孔或缺口，当在腹板或肋的高度方向上观察时，这些孔或缺口具有彼此不同的间隔。这提供了改变纵向方向上的混合效应的另一可能性，这是由于尽管分别使用尺寸近似相等的孔或缺口，但是孔或缺口彼此的间隔在腹板或肋的高度上变化，使得对于彼此布置得更靠近的孔或缺口，提供了腹板的每单位面积上的孔的更大的总面积。如果使用不同尺寸的孔或缺口，当然也可以实现类似的效应。然而，由于腹板或肋的宽度，仅出于腹板的机械稳定性的原因，存在孔或缺口的直径或宽度的上限，使得在这种情况下，用于纵向混合的更大的孔面积可以通过孔与后者更靠近在一起的布置而实现。

例如，腹板或肋中的孔或缺口在上部区域的第一下部区段中可以布置成彼此间的间隔小于上部区域的朝向顶部邻接的第二区段中的间隔。

在本发明的框架内，孔或缺口具有特定的最小尺寸以实现期望的混合效应是有利的。因此，至少一个孔或缺口的自由横截面优选为至少约10mm²，特别优选为至少约15mm²。优选地，所有孔或缺口的自由横截面总计至少约300mm²，并且个别孔具有上述最小横截面，其中，这还取决于总共设置的孔或缺口的数量及在每一种情况下距彼此的间隔。

本发明的另一主题是一种用于对前述电解装置中的可流动介质进行电解处理的方法。

优选地，根据本发明的方法包括氯碱电解。本文所述类型的电解装置特别适用于氯碱电解。然而，根据本发明的电解装置也可用于其他电解过程。

附图说明

下面将参考附图基于示例性实施例更详细地解释本发明。在附图中：

图1示出了根据第一实施例变型的通过根据本发明的示例性电解装置的横截面的示意性简化视图；

图2示出了根据本发明的示例性电解装置的视图；

图3示出了图2所示的电解装置在纵向方向上的截面图；

图4示出了图2所示的电解装置在横向方向上的截面图；

图5示出了具有用于纵向混合电解液的孔的个别腹板的详细视图。

具体实施方式

下面，参照图1更详细地解释所述类型的电解装置的基本结构。通常，电解池10分别包括一个具有两个半壳(即阴极半壳11和阳极半壳12)的壳体，两个半壳各自在顶部和底部设置有凸缘状边缘，在凸缘状边缘之间分别通过密封件夹持一个膜13。所述膜13在阴极半壳11(其对应于阴极室或阴极液室)和阳极半壳12(其对应于阳极室或阳极液室)之间形成划分壁。阴极半壳11和阳极半壳在顶部和底部(分别在它们的凸缘状边缘的区域中)通过在横向方向上定向的螺钉14彼此连接，以形成电解池10。在下部区域中，在两个半壳11、12的每一个中，在每种情况下，用于电解溶液的一个入口分配管15、16在电解池的纵向方向上延伸，并且消耗的电解液经由出口管17从电解池排出。阳极和阴极各自在相应的半壳中靠近膜在竖直方向上以平面方式延伸。

如图1中可以看出，倾斜定向的导向板18设置在阳极半壳的上部区域中，使得在所述导向板18的面向阳极的一侧，载有气体的液体在箭头的方向上上升，并且在导向板的后侧，载有气体程度较小或未载有气体的液体下降。这导致阳极液在下部区域中循环，这造成了竖直混合。所述循环补偿了流入液和池中的液体之间的电解液(例如NaCl)的浓度差。

在根据图2的电解池的视图中，可以看出用于两个半壳的两个入口分配管15、16和各自分配给一个半壳的出口管17。在图2中还可以看出外围框架19，在外围框架19的区域中，两个半壳的凸缘状边缘彼此螺纹连接。

图2所示的电解池示出为在图3中的纵向方向上切开。这里，可以看出，在这种类型的电解池的情况下，两个半壳中的两个电极的后部空间分别通过在大致竖直方向和横向方向上延伸的腹板20被划分成个别隔室。所述腹板还用于增强和支撑阴极和阳极。在根据图4的剖视图中，在图中在左侧可以清楚地看出一个所述腹板20。可以看出，腹板20在上部区域中设置有孔24，通过孔24实现电解液的纵向混合。下面，将基于根据图5的个别部件的附图更详细地解释关于所述腹板20的形成和功能的另外的细节。

根据图5的图示示出了个别腹板20，该腹板20在其下端区域21中斜切，因此在其宽度上朝向下端连续地逐渐变细。当在其高度方向上观察时，所述腹板原则上具有两个不同地形成的区域，即下部区域22和上部区域23。下部区域22是实心的，其中没有设置孔或缺口。在根据图5的示例性实施例中，所述下部区域22在略大于腹板20的整个高度的下部三分之二上延伸。腹板20的上部区域23朝向顶部邻接下部区域22，其中腹板20在所述上部区域23中设置有孔24，电解液可以在电解池的纵向方向上通过孔24，从而在所述上部区域23中实现电解液的纵向混合。在那里，由于上升气泡，因此存在电解液的泡沫相。

如在图5中可以看出，设置有彼此间隔开的多个孔24。在示例性实施例中，以示例的方式示出了五个这样的孔24。此外可以看出，在腹板20的高度方向上观察时，两个下部孔24a彼此具有比上部孔更小的间隔。在本发明的范围内，孔24的数量及其彼此的相应间隔可以以任何期望的方式或多或少地变化。

附图标记表

10 电解池

11 阴极半壳

12 阳极半壳

13 膜

14 螺钉

15 入口分配管

16 入口分配管

17 出口管

18 导向板

19 外围框架

20 腹板

21 下端区域，斜切

22 下部区域，实心

23 上部区域，具有孔

24 孔

24a 下部孔，具有相对较小的间隔

Claims (13)

1.一种用于对液体进行电解处理的电解装置，所述电解装置用于氯碱电解，所述电解装置具有经由离子交换膜彼此分离的阳极室和阴极室，其中，所述室设置有用于流动的电解液的至少一个入口开口和一个出口开口并且分别设置有至少一个电极，并且其中，所述阳极室和/或所述阴极室的内部空间由相对于所述电极横向延伸的腹板(20)或肋划分，其中，所述腹板或肋至少区域地设置有孔(24)或缺口，其特征在于，所述腹板(20)或肋在所述电解装置的高度方向上延伸，并且在所述高度方向上观察时包括至少一个下部区域(22)，在所述至少一个下部区域(22)中，所述腹板(20)或肋没有孔(24)或缺口，所述腹板(20)或肋没有孔(24)或缺口的所述下部区域(22)至少大致在所述腹板(20)或肋的整个高度的下半部分上延伸，以在该至少一个下部区域(22)中确保气升泵效应。

2.根据权利要求1所述的电解装置，其特征在于，当在所述电解池的高度方向上观察时，所述腹板(20)或肋包括具有孔(24)或缺口的至少一个上部区域(23)。

3.根据权利要求1至2之一所述的电解装置，其特征在于，所述腹板(20)或肋不包括孔(24)或缺口的所述下部区域(22)至少大致在所述腹板(20)或肋的整个高度的下部三分之二上延伸。

4.根据权利要求1至2之一所述的电解装置，其特征在于，所述腹板(20)或肋包括孔(24)或缺口的所述上部区域(23)至少大致在所述腹板(20)或肋的整个高度的上部四分之一上延伸。

5.根据权利要求1至2之一所述的电解装置，其特征在于，所述腹板(20)或肋包括孔或缺口的所述上部区域(23)至少大致在所述腹板(20)或肋的整个高度的上部三分之一上延伸。

6.根据权利要求1-2之一所述的电解装置，其特征在于，所述至少一个上部区域(23)中的所述腹板(20)或肋包括多个孔(24)或缺口，所述孔或缺口在所述腹板(20)或肋的高度方向上通过实心区域彼此间隔开。

7.根据权利要求1-2之一所述的电解装置，其特征在于，所述至少一个上部区域(23)中的所述腹板(20)或肋至少部分地具有孔(24)，所述孔(24)具有大致圆形的轮廓。

8.根据权利要求1-2之一所述的电解装置，其特征在于，所述至少一个上部区域(23)中的所述腹板(20)或肋包括多个孔(24、24a)或缺口，当在所述腹板(20)或肋的高度方向上观察时，所述孔或缺口具有彼此不同的间隔。

9.根据权利要求8所述的电解装置，其特征在于，所述上部区域(23)的第一下部区段中的所述腹板(20)或肋中的孔(24a)或缺口布置成彼此间的间隔小于所述上部区域(23)的朝向顶部邻接的第二区段中的间隔。

10.根据权利要求1-2、9之一所述的电解装置，其特征在于，至少一个孔(24)或一个缺口的自由横截面为至少10mm²。

11.根据权利要求10所述的电解装置，其特征在于，至少一个孔(24)或一个缺口的自由横截面为至少15mm²。

12.一种用于对具有根据权利要求1至11之一所述的特征的电解装置中的可流动介质进行电解处理的方法。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，其包括氯碱电解。

Images