CN112376075B - 一种电化学氟化外循环柔性电解系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电化学氟化外循环柔性电解系统，包括阴极铜排、阳极铜排、阴极电缆、阳极电缆、电解槽、循环泵、冷却器Ⅰ、气液分离器、气体冷凝器、冷却器Ⅱ，所述电解槽的槽体内设置有左端极阴极板、右端极阴极板、若干电解组Ⅰ，所述电解槽由n个电解组Ⅰ并联而成，每一所述电解组Ⅰ由2个电解组Ⅱ并联而成，每一所述电解组Ⅱ由2‑20个电解小室串联而成。本发明将电解槽高度集成化，使用已开发成功的双极性串并联组合压滤式电解槽，电极反应产生的热量通过电解槽外部的冷却器完成，降低电解液通道腐蚀危险，解决了某一小室堵塞造成的系统风险。

Description

一种电化学氟化外循环柔性电解系统

技术领域

本发明涉及有机电化学氟化技术领域，尤其涉及一种电化学氟化外循环柔性电解系统。

背景技术

有机物电化学氟化系统分电解液内部循环及外部循环两种，电解液内部循环系统通常在西蒙斯氟化电解系统基础上改进优化，但电解液不循环，电极反应产生的热通过电解槽内部热交换管中的冷媒带出系统，造成氟化电解槽体积大、效率低的问题难以根本解决。

电解液外部循环系统借鉴氯碱化工电解生产氢氧化钾或氢氧化钠的系统，设计开发出压滤式双极性电解系统，此类型电解槽小室数量多、电压高，在电解液进、出通道产生杂散电流引起电解系统发生电化学腐蚀，有机物电化学氟化系统的电解电压多为5-6V，副反应很多，电解通道腐蚀很快，造成外循环电解系统稳定性差。

若电解小室中某一小室堵塞造成电解电压高于8V，则阳极电极反应产生氟气造成腐蚀的同时还会发生爆炸，一个小室发生问题就必须将整个电解槽拆解维修。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种电化学氟化外循环柔性电解系统，其将电解槽高度集成化，使用已开发成功的双极性串并联组合压滤式电解槽，电极反应产生的热量通过电解槽外部的冷却器完成，电解槽的产气量调节通过阳极单项开关的闭合实现，电解组Ⅰ采用中间正，两端负的结构将电解总电压减半，降低电解液通道腐蚀危险，采用若干电解组Ⅰ并联保证电解系统的产量，若出现某一电解小室堵塞造成电解电压高于8V的情况，只需将该电解组Ⅰ中的单项开关打开，其它电解组Ⅰ还能不受干扰继续工作，解决了某一小室堵塞造成的系统风险。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

电化学氟化外循环柔性电解系统，包括阴极铜排、阳极铜排、阴极电缆、阳极电缆、电解槽、循环泵、冷却器Ⅰ、气液分离器、气体冷凝器、冷却器Ⅱ，所述电解槽的槽体内设置有左端极阴极板、右端极阴极板、若干电解组Ⅰ、每一所述电解组Ⅰ由2个电解组Ⅱ构成；电解槽由n个电解组Ⅰ并联而成，每一所述电解组Ⅰ由2个电解组Ⅱ并联而成，每一所述电解组Ⅱ由若干个电解小室串联而成。

优选的，所述电解槽的电解组Ⅰ为中间正两端负结构，电解组Ⅰ中间极板通过阳极电缆连接到阳极铜排上，电解组Ⅰ两端极板通过阴极电缆连接到阴极铜排上。

优选的，所述电解组Ⅱ由2-20个电解小室串联而成。

优选的，阳极电缆上设置单相电开关QF1-n，所述单相电开关QF1-n的接通或断开用于控制电解槽的电解小室服役数，柔性调节产气量。

优选的，所述气液分离器包括气动球阀及远传液位计，二者构成连锁关系，当液位低时分别控制气动球阀各自的打开时间将成比例的电解质与氟化氢补入系统。

优选的，还包括第一冷媒调节阀、第二冷媒调节阀、第一铂电阻、第二铂电阻、第三铂电阻、第四铂电阻、第五铂电阻，其中第一铂电阻与第二冷媒调节阀构成连锁关系，控制电解槽中电解反应的温度；第五铂电阻与第一冷媒调节阀构成连锁关系，控制产品气的温度。

优选的，还包括压力调节阀和压力变送器，所述压力变送器与压力调节阀构成连锁关系，用于控制电解系统的压力。

优选的，所述电解系统还包括直流电源、整流变压器，所述整流变压器与高压电源电连，所述直流电源分别与整流变压器和电解槽电连，所述直流电源为电解槽提供直流电源。

优选的，所述电解系统还包括DCS柜，所述DCS柜与电解槽、第一铂电阻、第二铂电阻、第三铂电阻、第四铂电阻、第五铂电阻、远传液位计、压力变送器和控制阀电连。

优选的，直流电源输出直流电，由可控硅整流或IGBT高频开关电源整流。

本发明具有以下有益效果：

1、将电解槽高度集成化，将电极反应产生的热量通过电解槽外部的冷却器完成，电解槽的产气量调节通过阳极单项开关的打开、闭合实现，电解组Ⅰ采用中间正，两端负的结构将电解总电压减半，降低电解液通道腐蚀危险；

2、采用若干电解组Ⅰ并联保证电解系统的产量，若出现某一电解小室堵塞造成电解电压高于8V的情况，只需将该电解组Ⅰ中的单项开关打开，其它电解组Ⅰ还能不受干扰继续工作，解决了某一小室堵塞造成的系统风险。

附图说明

图1为本发明流程示意图。

图中：1代表DCS柜、2代表直流电源、3代表整流变压器、4代表阴极铜排、5代表阳极铜排、6代表阴极电缆、7代表阳极电缆、8代表电解槽、9代表循环泵、10代表冷却器Ⅰ、11代表气液分离器、12代表气体冷凝器、13代表冷却器Ⅱ、14代表第一冷媒调节阀(简称TV01)、15代表第二冷媒调节阀(简称TV02)、16代表压力调节阀(简称PV01)、17代表远传液位计、18代表第一铂电阻(简称TE01)、19代表第二铂电阻(简称TE02)、20代表第三铂电阻(简称TE03)、21代表第四铂电阻(简称TE04)、22代表第五铂电阻(简称TE05)、23代表压力变送器、24代表气动球阀(简称QZ01)、25代表气动球阀(简称QZ02)。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，一种电化学氟化外循环柔性电解系统，包括DCS柜、直流电源、整流变压器、阴极铜排、阳极铜排、阴极电缆、阳极电缆、电解槽、循环泵、冷却器Ⅰ、气液分离器、气体冷凝器、冷却器Ⅱ、冷媒调节阀、压力调节阀、远传液位计、铂电阻、压力变送器、气动球阀，电解槽由n个电解组Ⅰ并联而成，每一电解组Ⅰ由2个电解组Ⅱ并联而成，每一电解组Ⅱ由2-20个电解小室串联而成。

电解液从电解槽左下端进入，电解质发生电化学反应后从电解槽右上端流出。

直流电源输出直流电，可以采用可控硅整流或IGBT高频开关电源整流，通过铜排将其正极与阳极铜排相连，负极与阴极铜排相连，电解槽为双极性压滤性柔性电解槽，槽体内设置有左端极阴极板、右端极阴极板、若干电解组Ⅰ、每一电解组Ⅰ由2个电解组Ⅱ，每一电解组Ⅱ由若干电解小室，电解组Ⅰ中间极板通过阳极电缆连接到阳极铜排上，阳极电缆上连接单相电开关接通或断开电源，电解组Ⅰ两端极板通过阴极电缆连接到阴极铜排上。

系统中电解槽是整套系统的核心，直流电源为电解槽提供直流电源，循环泵通过管道连接至电解槽左下端，驱动电解液在系统中循环，电解液在阴、阳电极发生发生电化学反应后从电解槽右上端流出，流进冷却器Ⅱ与冷媒换热后，进入气液分离器，在其中完成气体与液体的分离，气体上浮进入气体冷凝器降温冷凝后通过压力调节阀流出系统，液体下沉流进冷却器Ⅰ与冷媒换热后进入电解槽。

气动球阀与远传液位计构成连锁关系，液位低则控制气动球阀各自的打开时间将成比例的电解质与氟化氢补入系统。

铂电阻采集温度，其中第一铂电阻TE01与第二冷媒调节阀TV02构成连锁关系，控制电解槽中电解反应的温度，第五铂电阻TE05与第一冷媒调节阀TV01构成连锁关系，控制产品气的温度，最大限度将易挥发的氟化氢冷凝回流到电解液系统中。

压力变送器与压力调节阀构成连锁关系，用于控制电解系统的压力。

整流变压器将10KV电压降压为直流电源提供输入电源，DCS柜是电解系统的大脑，控制系统中的仪表、控制阀门等，实现系统无人化运行。

电解槽阳极电缆上所连的单相电开关QF1-n接通或断开，控制电解槽的电解小室服役数，柔性调节产气量。

电解槽的电解组Ⅰ为中间正两端负结构，可以将n个电解组Ⅰ采用并联的方式扩大电解槽的产量，同时改变双极性串联电解槽高电压、低电流造成的电解槽极板流道腐蚀。

气动球阀与远传液位计构成连锁关系，液位低则控制气动球阀各自的打开时间将成比例的电解质与氟化氢补入系统。

压力变送器与压力调节阀构成连锁关系，用于控制电解系统的压力。

电解系统还包括直流电源、整流变压器，整流变压器与高压电源电连，直流电源分别与整流变压器和电解槽电连，直流电源为电解槽提供直流电源。

电解系统还包括DCS柜，DCS柜与电解槽、铂电阻、远传液位计、压力变送器和控制阀电连，DCS柜用来控制整个系统的运转。

本发明中电解槽8为整体系统的核心，DCS柜1是电解系统的大脑，控制系统中的远传液位计、铂电阻、电源、控制阀等，实现系统无人化运行。

实施例1：系统实施强制循环

DCS柜1启动，将电解质与氟化氢以一定比例通过控制阀进入气液分离器11，持续进料至电解液液位至阳极气液分离器11中的远传液位计三分之一处，停止补料，电解系统氮气吹扫后启动循环泵M01，直流电源2启动送电，在直流电源的作用下，电解槽8中发生阴、阳极反应。

阳极气、阴极气裹挟着电解液分别气液分离器11中。

气相再升入气体冷凝器12中，充分回收携带的液体组份后，再经过控制阀等流出电解系统；液相在重力作用下进入冷却器Ⅰ中换热完成后在循环泵的驱动下进入电解槽8，此实施例电解液强制循环，电解槽运行温度精准，热量管理可靠。

实施例2：系统实施自然循环

DCS柜1启动，将电解质与氟化氢以一定比例通过控制阀进入气液分离器11，持续进料至电解液液位至阳极气液分离器11中的远传液位计三分之一处，停止补料，电解系统氮气吹扫后启动循环泵M01，直流电源2启动送电，在直流电源的作用下，电解槽8中发生阴、阳极反应。

阳极气、阴极气裹挟着电解液分别气液分离器11中。

气相再升入气体冷凝器12中，充分回收携带的液体组份后，再经过控制阀等流出电解系统；液相在重力作用下进入冷却器Ⅰ中换热完成后进入电解槽8，电解液推动力靠电解产生的阴、阳气体及电解液的密度差完成，系统安全可靠。以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电化学氟化外循环柔性电解系统，包括阴极铜排(4)、阳极铜排(5)、阴极电缆(6)、阳极电缆(7)、电解槽(8)、循环泵(9)、冷却器Ⅰ(10)、气液分离器(11)、气体冷凝器(12)、冷却器Ⅱ(13)，其特征在于：所述电解槽(8)的槽体内设置有左端极阴极板、右端极阴极板、若干电解组Ⅰ、每一所述电解组Ⅰ由2个电解组Ⅱ构成；电解槽(8)由n个电解组Ⅰ并联而成，每一所述电解组Ⅰ由2个电解组Ⅱ并联而成，每一所述电解组Ⅱ由若干个电解小室串联而成；

阳极电缆(7)上设置单相电开关QF1-n，所述单相电开关QF1-n的接通或断开用于控制电解槽的电解小室服役数，柔性调节产气量；

还包括压力调节阀(16)和压力变送器(23)，所述压力变送器(23)与压力调节阀(16)构成连锁关系，用于控制电解系统的压力；

循环泵(9)连接至电解槽(8)左下端，电解槽右上端连接冷却器Ⅱ(13)，冷却器Ⅱ(13)连接气液分离器(11)，气液分离器(11)气体出口连接气体冷凝器(12)，气液分离器(11)液体出口连接冷却器Ⅰ(10)，冷却器Ⅰ(10)连接电解槽。

2.根据权利要求1所述的一种电化学氟化外循环柔性电解系统，其特征在于，所述电解槽(8)的电解组Ⅰ为中间正两端负结构，电解组Ⅰ中间极板通过阳极电缆(7)连接到阳极铜排上，电解组Ⅰ两端极板通过阴极电缆(6)连接到阴极铜排上。

3.根据权利要求1所述的一种电化学氟化外循环柔性电解系统，其特征在于，所述电解组Ⅱ由2-20个电解小室串联而成。

4.根据权利要求1所述的一种电化学氟化外循环柔性电解系统，其特征在于，所述气液分离器(11)包括气动球阀(24、25)及远传液位计(17)，二者构成连锁关系，当液位低时分别控制气动球阀(24、25)各自的打开时间将成比例的电解质与氟化氢补入系统。

5.根据权利要求1所述的一种电化学氟化外循环柔性电解系统，其特征在于，还包括第一冷媒调节阀(14)、第二冷媒调节阀(15)、第一铂电阻(18)、第二铂电阻(19)、第三铂电阻(20)、第四铂电阻(21)、第五铂电阻(22)，其中第一铂电阻(18)与第二冷媒调节阀(15)构成连锁关系，控制电解槽(8)中电解反应的温度；第五铂电阻(22)与第一冷媒调节阀(14)构成连锁关系，控制产品气的温度。

6.根据权利要求1所述的一种电化学氟化外循环柔性电解系统，其特征在于，所述电解系统还包括直流电源(2)、整流变压器(3)，所述整流变压器(3)与高压电源电连，所述直流电源(2)分别与整流变压器(3)和电解槽(8)电连，所述直流电源(2)为电解槽(8)提供直流电源。

7.根据权利要求4或5所述的一种电化学氟化外循环柔性电解系统，其特征在于，所述电解系统还包括DCS柜(1)，所述DCS柜(1)与电解槽(8)、第一铂电阻(18)、第二铂电阻(19)、第三铂电阻(20)、第四铂电阻(21)、第五铂电阻(22)、远传液位计(17)、压力变送器(23)和控制阀电连。

8.根据权利要求7所述的一种电化学氟化外循环柔性电解系统，其特征在于，直流电源输出直流电，由可控硅整流或IGBT高频开关电源整流。

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