CN113388849B - 离子膜法盐酸电解方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离子膜法盐酸电解方法，包括多个并列设置的复极式离子膜电解槽单元、阴极循环系统和阳极循环系统，每个复极式离子膜电解槽单元分别包括阴极室(1)和阳极室(2)，阴极室(1)和阳极室(2)之间设置有磺酸型离子交换膜(3)，所述阴极室中的阴极(4)和阳极室中的阳极(5)分别采用金属材料制成，所述阴极循环系统包括位于阴极室(1)内下部的阴极室布液管(6)，阴极室布液管(6)的管壁上设有多个出液孔，阴极室布液管(6)的进液口与阴极室补液管(7)的出液口相通。其目的是提供一种能耗低、耐盐酸腐蚀性好，在保证氯气、氢气高纯度的质量前提下，实现盐酸的稳定、高效资源利用的离子膜法盐酸电解方法。

Description

离子膜法盐酸电解方法
技术领域
本发明涉及盐酸电解领域，具体涉及一种盐酸资源化利用的离子膜法盐酸电解方法。
背景技术
氯气是一种重要的化工原料，化工产品中以氯气为原料生产的产品所占比例较大。在氯的使用过程中，在获得氯产品的同时也生产大量的副产物--盐酸。由于盐酸腐蚀性强，若处理不当，不仅会造成资源浪费，降低企业的经济效益，还会对环境造成严重影响。据统计，中国每年副产盐酸约为2000万吨，采用电解法，利用电解装置对副产品盐酸进行无害化处理，可实现资源再利用，既解决了盐酸的处理问题，也消除了氯气运输中的风险，从而实现绿色环保生产。
目前采用的电解盐酸方法有隔膜法盐酸电解工艺技术和拜耳公司开发的去极化氧阴极盐酸电解法工艺技术。隔膜法阴阳电极材料都是石墨、隔膜采用PVC或PVDF，电解过程中存在电解能耗高、氯气纯度低、非金属槽体易变性、电极使用寿命短等缺陷。而去极化氧阴极技术的电极制造成本非常高，电极使用寿命较短，电极更换投资非常大。
目前采用的电解盐酸方法有隔膜法盐酸电解工艺技术和拜耳公司开发的去极化氧阴极盐酸电解法工艺技术。其中拜耳公司开发的去极化氧阴极技术，其包括电槽，该电槽由含阳极的阳极区、含耗氧阴极的阴极区和阳离子交换膜构成，电解过程中，盐酸水溶被导入阳极区，将含氧气体导入阴极区，O2与从阳离子交换膜扩散过来的H+反应生成水。过量的含氧气体和水经调节器从不同的出口排出，产生的Cl2经调节器排出。
但上述现有技术存在着电解过程中存在电解能耗高、氯气纯度低的缺陷。
本发明结合多年离子膜电解槽及电极生产研发技术，开发出安全、高效、寿命长的离子膜法盐酸电解工艺装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种能耗低、耐盐酸腐蚀性好，在保证氯气、氢气高纯度的质量前提下，实现盐酸的稳定、高效资源利用，可安全、高效的规模化生产的离子膜法盐酸电解方法。
本发明的离子膜法盐酸电解方法，包括多个并列设置的复极式离子膜电解槽单元、阴极循环系统和阳极循环系统，每个复极式离子膜电解槽单元分别包括阴极室和阳极室，所述阴极室和阳极室之间设置有磺酸型离子交换膜，所述阴极室中的阴极和阳极室中的阳极分别采用金属材料制成，所述阴极循环系统包括位于阴极室内下部的阴极室布液管，阴极室布液管的管壁上设有多个出液孔，阴极室布液管的进液口与阴极室补液管的出液口相通，阴极室补液管的进液口与阴极室液环罐的出液口相通，阴极室液环罐内装有重量百分比浓度为0.1％—8％的盐酸溶液或重量百分比浓度为10％—25％的氢氧化钠溶液或重量百分比浓度为10％—20％的氯化钠溶液，阴极室液环罐的进液口与阴极室回液管的出液口相通，阴极室回液管的进液口与阴极室气液分离装置的出液口相通，阴极室气液分离装置位于阴极室的上部，阴极室回液管的中部串联有用于调控温度的阴极室回液换热器和温度检测传感器，阴极室气液分离装置的上部设有氢气排出口，阴极室气液分离装置的氢气排出口通过管路与氢气收集处理装置相通，阴极室补液管上或阴极室回液管上串联有阴极液循环泵；
所述阴极室内电解液的温度为35℃—60℃；
所述阳极循环系统包括位于阳极室内下部的阳极室布液管，阳极室布液管的管壁上设有多个出液孔，阳极室布液管的进液口与阳极室补液管的出液口相通，阳极室补液管的进液口与阳极室液环罐的出液口相通，阳极室液环罐内装有重量百分比浓度为8％—20％的盐酸溶液，阳极室液环罐的进液口与阳极室回液管的出液口相通，阳极室回液管的进液口与阳极室气液分离装置的出液口相通，阳极室气液分离装置位于阳极室的上部，阳极室回液管的中部串联有用于调控温度的阳极室回液换热器和温度检测传感器，阳极室气液分离装置的上部设有氯气排出口，阳极室气液分离装置的氯气排出口通过管路与氯气收集处理装置相通，阳极室补液管上或阳极室回液管上串联有阳极液循环泵；
所述阳极室内电解液的温度为40℃—60℃。
优选的，所述阴极室补液管上设有阴极液盐酸浓度分析仪，阳极室补液管上设有阳极液盐酸浓度分析仪。
优选的，所述阳极室采用钛或钛钯合金材料制成，所述阴极室采用904L双相不锈钢、钛、钛钯合金、B2/B3/C-276哈氏合金、锆或锆合金金属中的任意一种材料制成。
优选的，所述阴极室液环罐和/或阴极室回液管通过串联有阴极室盐酸补充泵的管路与高纯度盐酸储蓄罐相通，阴极室液环罐和/或阴极室回液管分别通过管路与去离子水水源相通，阴极室液环罐和/或阴极室回液管分别通过管路与催化剂添加装置相通，所述阳极室液环罐和/或阳极室回液管通过串联有阳极室盐酸补充泵的管路与高纯度盐酸储蓄罐相通。
优选的，所述催化剂添加装置中的催化剂为钌金属盐、铂金属盐或钯金属盐。
优选的，所述阳极室内自上而下倾斜地设置有多个循环板。
优选的，所述阴极室的上部设有导流结构。
本发明的离子膜法盐酸电解方法，采用了多个本发明特有的技术特征，具体包括所述阴极室和阳极室之间设置有磺酸型离子交换膜，阴极室补液管的进液口与阴极室液环罐的出液口相通，阴极室液环罐内装有重量百分比浓度为0.1％—8％的盐酸溶液或重量百分比浓度为10％—25％的氢氧化钠溶液或重量百分比浓度为10％—20％的氯化钠溶液，阴极室液环罐的进液口与阴极室回液管的出液口相通，阴极室回液管的进液口与阴极室气液分离装置的出液口相通，阴极室气液分离装置位于阴极室的上部，阴极室回液管的中部串联有用于调控温度的阴极室回液换热器和温度检测传感器，阴极室气液分离装置的上部设有氢气排出口，阴极室气液分离装置的氢气排出口通过管路与氢气收集处理装置相通，阴极室补液管上或阴极室回液管上串联有阴极液循环泵；所述阴极室内电解液的温度为35℃—60℃；阳极室补液管的进液口与阳极室液环罐的出液口相通，阳极室液环罐内装有重量百分比浓度为8％—20％的盐酸溶液，阳极室液环罐的进液口与阳极室回液管的出液口相通，阳极室回液管的中部串联有用于调控温度的阳极室回液换热器和温度检测传感器，阳极室补液管上或阳极室回液管上串联有阳极液循环泵；所述阳极室内电解液的温度为40℃—60℃。由于有了以上本发明特有的技术特征，由此让本发明具有能耗低、耐盐酸腐蚀性好，在保证氯气、氢气高纯度的质量前提下，实现盐酸的稳定、高效资源利用，可安全、高效的规模化生产的特点。因此，本发明的离子膜法盐酸电解方法相对于现有技术毋庸置疑地具有突出的实质性特点和显著的进步。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚的说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
附图说明
图1是本发明的离子膜法盐酸电解方法的原理图；
图2是本发明的离子膜法盐酸电解方法的一个复极式离子膜电解槽单元的主视剖面图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的离子膜法盐酸电解方法，包括多个并列设置的复极式离子膜电解槽单元、阴极循环系统和阳极循环系统，每个复极式离子膜电解槽单元分别包括阴极室1和阳极室2，阴极室1和阳极室2之间设置有磺酸型离子交换膜3，所述阴极室中的阴极4和阳极室中的阳极5分别采用金属材料制成，所述阴极循环系统包括位于阴极室1内下部的阴极室布液管6，阴极室布液管6的管壁上设有多个出液孔，阴极室布液管6的进液口与阴极室补液管7的出液口相通，阴极室补液管7的进液口与阴极室液环罐8的出液口相通，阴极室液环罐8内装有重量百分比浓度为0.1％—8％的盐酸溶液或重量百分比浓度为10％—25％的氢氧化钠溶液或重量百分比浓度为10％—20％的氯化钠溶液，阴极室液环罐8的进液口与阴极室回液管9的出液口相通，阴极室回液管9的进液口与阴极室气液分离装置14的出液口相通，阴极室气液分离装置14位于阴极室1的上部，阴极室回液管9的中部串联有用于调控温度的阴极室回液换热器10和温度检测传感器，利用阴极室回液换热器10通过蒸汽加热或循环水冷却实现对阴极电解液温度监测和自动控制，阴极室气液分离装置14的上部设有氢气排出口，阴极室气液分离装置14的氢气排出口通过管路与氢气收集处理装置12相通，阴极室补液管7上或阴极室回液管9上串联有阴极液循环泵13；
上述磺酸型离子交换膜3可以让阴阳极都是磺酸层，在满足离子迁移需要的同时，有效阻止阴、阳极电解液的通过，同时保证电解产出气体纯度。
上述复极式离子膜电解槽单元可以将盐酸进行电解，生成氯气和氢气，盐酸浓度降低。复极式离子膜电解槽单元设计电流密度3—8KA/㎡，运行电流密度3—7KA/㎡，产生的氯气纯度≥98.0％，氢气纯度≥99％。
所述阴极室1内电解液的温度为35℃—60℃；
所述阳极循环系统包括位于阳极室2内下部的阳极室布液管26，阳极室布液管26的管壁上设有多个出液孔，阳极室布液管26的进液口与阳极室补液管27的出液口相通，阳极室补液管27的进液口与阳极室液环罐28的出液口相通，阳极室液环罐28内装有重量百分比浓度为8％—20％的盐酸溶液，阳极室液环罐28的进液口与阳极室回液管29的出液口相通，阳极室回液管29的进液口与阳极室气液分离装置15的出液口相通，阳极室气液分离装置15位于阳极室2的上部，阳极室回液管29的中部串联有用于调控温度的阳极室回液换热器20和温度检测传感器，利用阳极室回液换热器20通过蒸汽加热或循环水冷却实现对阳极电解液温度监测和自动控制，阳极室气液分离装置15的上部设有氯气排出口，阳极室气液分离装置15的氯气排出口通过管路与氯气收集处理装置22相通，阳极室补液管27上或阳极室回液管29上串联有阳极液循环泵23；
所述阳极室2内电解液的温度为40℃—60℃。
上述氯气收集处理装置22包括阳极气体水洗洗涤塔，氢气收集处理装置12包括阴极气体碱洗洗涤塔。
作为本发明的进一步改进，上述阴极室补液管7上设有阴极液盐酸浓度分析仪11，阳极室补液管27上设有阳极液盐酸浓度分析仪21。
作为本发明的进一步改进，上述阳极室2采用钛或钛钯合金材料制成，所述阴极室1采用904L双相不锈钢、钛、钛钯合金、B2/B3/C-276哈氏合金、锆或锆合金金属中的任意一种材料制成。其中进一步优选的哈氏合金牌号为B3，优选的双相不锈钢牌号为904L，优选的钛钯合金优选钯含量在0.1—0.2％之间。使用上述金属材料，可以让阴极室1、阳极室2结构变形小，电极间极距可控，且材料能够耐受盐酸腐蚀，让阴极室1、阳极室2具有更长的使用寿命。
作为本发明的进一步改进，上述阴极室液环罐8和/或阴极室回液管9通过串联有阴极室盐酸补充泵30的管路与高纯度盐酸储蓄罐31相通，阴极室液环罐8和/或阴极室回液管9分别通过管路与去离子水水源相通，阴极室液环罐8和/或阴极室回液管9分别通过管路与催化剂添加装置相通，催化剂添加装置可以定期向阴极系统中添加催化剂。所述阳极室液环罐28和/或阳极室回液管29通过串联有阳极室盐酸补充泵32的管路与高纯度盐酸储蓄罐相通。
作为本发明的进一步改进，上述催化剂添加装置中的催化剂为有助于进一步降低电解槽电压、并能增加电极的催化活性及使用寿命的钌金属盐、铂金属盐或钯金属盐。催化剂添加装置可以定期向阴极系统中添加催化剂。催化剂溶液浓度为0.1—10g/l的含铂氯化物或含钯氯化物，或二者混合溶液。
作为本发明的进一步改进，上述阳极室2内自上而下倾斜地设置有多个循环板33。循环板33可以增加阳极室内部循环量，使阳极室2内电解液浓度更加均匀，温度偏差更小，反应环境的一致性更好。
作为本发明的进一步改进，上述阴极室1的上部设有导流结构34，导流结构34可减少阴极液在阴极室1上部空间的滞留时间，降低阴极液滞留导致阴极液对阴极室1上部结构的间隙腐蚀。
本发明的离子膜法盐酸电解方法在使用时，让31％—37％盐酸进入高纯度盐酸储蓄罐31，高纯度盐酸储蓄罐31中的盐酸再进入阳极室液环罐28，在阳极室液环罐28内被配置成8％—20％浓度的盐酸溶液，然后用阳极液循环泵23经由阳极室补液管27、阳极室布液管26打入阳极室2内，以保持阳极液在阳极室2内循环量。
重量百分比浓度为8％—20％的盐酸在阳极室中进行电解，产生氯气，同时HCl浓度降低，电解后产生的氯气和稀盐酸的混合物通过软管汇排入阳极室气液分离装置15，并在阳极室气液分离装置15中进行氯气和盐酸溶液分离，其中的盐酸溶液经过阳极室回液管29、阳极室回液换热器20进行换热，使盐酸溶液的被温度控制在40℃—60℃之间，并在此管线上添加来自高纯度盐酸储蓄罐31的高浓度盐酸，通过加入31％—37％的浓盐酸，让阳极室回液管29中的盐酸浓度提升至8％—20％，重新参与电解反应，多余的稀盐酸也可以被送出去。
氯气在氯气主管中进行收集后再被送出界区，氯气压力由安装在氯气主管线上的压差变送器实时检测，由自动调节阀进行压力控制，氯气压力控制范围2—24KPa。
与此同时，让高纯度盐酸储蓄罐31中的盐酸进入阴极室液环罐8，在阴极室液环罐8内被配置成0.1％—8％浓度的盐酸溶液，然后用阴极液循环泵13经由阴极室补液管7、阴极室布液管6打入阴极室1内，以保持阴极液在阴极室1内循环量。
经过电解，阴极室1会中产生氢气，氢气和盐酸的混合物通过软管排出到阴极室气液分离装置14，并在阴极室气液分离装置14中分离成氢气和盐酸溶液。分离后的盐酸溶液经过阴极室回液管9、阴极室回液换热器10进行换热，使盐酸溶液的被温度控制在35℃—60℃之间，并在此管线上添加来自高纯度盐酸储蓄罐31的高浓度盐酸，通过加入31％—37％的浓盐酸，让阳极室回液管29中的盐酸浓度提升至0.1％—8％，重新参与电解反应，多余的稀盐酸也可以被送出去。
氢气在氢气主管线中进行汇集，并送到阴极液循环槽顶部。在此，氢气中的水分被分离并滴落。然后，氢气被送到碱洗工序，氢气的压力由安装在氢气主管线上的压差变送器实时检测，由自动调节阀进行压力控制，氢气压力控制范围22Kpa以下。
实施例1
本实施例中，阳极液的盐酸经换热后入槽温度55℃、浓度13％-15％；阴极液的盐酸经换热后入槽温度50℃、浓度1％-8％；运行电流密度为4—5KA/㎡。经过90天连续运行后获得如下工艺数据如下表1：
表1

Claims (6)

1.离子膜法盐酸电解方法，包括多个并列设置的复极式离子膜电解槽单元、阴极循环系统和阳极循环系统，每个复极式离子膜电解槽单元分别包括阴极室(1)和阳极室(2)，其特征在于：所述阴极室(1)和阳极室(2)之间设置有磺酸型离子交换膜(3)，所述阴极室中的阴极(4)和阳极室中的阳极(5)分别采用金属材料制成，所述阴极循环系统包括位于阴极室(1)内下部的阴极室布液管(6)，阴极室布液管(6)的管壁上设有多个出液孔，阴极室布液管(6)的进液口与阴极室补液管(7)的出液口相通，阴极室补液管(7)的进液口与阴极室液环罐(8)的出液口相通，阴极室液环罐(8)内装有重量百分比浓度为0.1％—8％的盐酸溶液，阴极室液环罐(8)的进液口与阴极室回液管(9)的出液口相通，阴极室回液管(9)的进液口与阴极室气液分离装置(14)的出液口相通，阴极室气液分离装置(14)位于阴极室(1)的上部，阴极室回液管(9)的中部串联有用于调控温度的阴极室回液换热器(10)和温度检测传感器，阴极室气液分离装置(14)的上部设有氢气排出口，阴极室气液分离装置(14)的氢气排出口通过管路与氢气收集处理装置(12)相通，阴极室补液管(7)上或阴极室回液管(9)上串联有阴极液循环泵(13)；
所述阴极室(1)内电解液的温度为35℃—60℃；
所述阳极循环系统包括位于阳极室(2)内下部的阳极室布液管(26)，阳极室布液管(26)的管壁上设有多个出液孔，阳极室布液管(26)的进液口与阳极室补液管(27)的出液口相通，阳极室补液管(27)的进液口与阳极室液环罐(28)的出液口相通，阳极室液环罐(28)内装有重量百分比浓度为8％—20％的盐酸溶液，阳极室液环罐(28)的进液口与阳极室回液管(29)的出液口相通，阳极室回液管(29)的进液口与阳极室气液分离装置(15)的出液口相通，阳极室气液分离装置(15)位于阳极室(2)的上部，阳极室回液管(29)的中部串联有用于调控温度的阳极室回液换热器(20)和温度检测传感器，阳极室气液分离装置(15)的上部设有氯气排出口，阳极室气液分离装置(15)的氯气排出口通过管路与氯气收集处理装置(22)相通，阳极室补液管(27)上或阳极室回液管(29)上串联有阳极液循环泵(23)；
所述阳极室(2)内电解液的温度为40℃—60℃；
所述阴极室补液管(7)上设有阴极液盐酸浓度分析仪(11)，阳极室补液管(27)上设有阳极液盐酸浓度分析仪(21)；
所述电解电流的密度为3—7KA/㎡。
2.按照权利要求1所述的离子膜法盐酸电解方法，其特征在于：所述阳极室(2)采用钛或钛钯合金材料制成，所述阴极室(1)采用904L双相不锈钢、钛、钛钯合金、B2/B3/C-276哈氏合金、锆或锆合金金属中的任意一种材料制成。
3.按照权利要求1或2所述的离子膜法盐酸电解方法，其特征在于：所述阴极室液环罐(8)和/或阴极室回液管(9)通过串联有阴极室盐酸补充泵(30)的管路与高纯度盐酸储蓄罐(31)相通，阴极室液环罐(8)和/或阴极室回液管(9)分别通过管路与去离子水水源相通，阴极室液环罐(8)和/或阴极室回液管(9)分别通过管路与催化剂添加装置相通，所述阳极室液环罐(28)和/或阳极室回液管(29)通过串联有阳极室盐酸补充泵(32)的管路与高纯度盐酸储蓄罐相通。
4.按照权利要求3所述的离子膜法盐酸电解方法，其特征在于：所述催化剂添加装置中的催化剂为钌金属盐、铂金属盐或钯金属盐。
5.按照权利要求4所述的离子膜法盐酸电解方法，其特征在于：所述阳极室(2)内自上而下倾斜地设置有多个循环板(33)。
6.按照权利要求5所述的离子膜法盐酸电解方法，其特征在于：所述阴极室(1)的上部设有导流结构(34)。
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