CN1142326C - 生产卤素气体的电解装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种从含水的碱金属卤化物溶液生产卤素气体的电解装置，包括多个并排成一堆叠和互相电接触的板状电解槽，它们各有一个由两个导电材料制的半壳组成的外壳，在至少一个外壳后壁上外壳有一些在外侧的接触条，外壳各有两个基本上平面的电极(阳极和阴极)，阳极和阴极设有用于流过电解原料和电解产物的百叶窗式的透孔并通过隔板互相分开和彼此平行地排列，以及它们借助于金属增强装置与外壳各相关的后壁导电连接。本发明的目的是提供一种装置，它即使在电流密度大于4kA/m²并因而在边界层内更多地产生气体的情况下也能保持薄膜持久的使用寿命和只有少量脉动地工作。为达到此目的，阳极(8)和阴极(9)百叶窗式的透孔(8B、9B)布置成相对于水平面倾斜。

Description

生产卤素气体的电解装置

技术领域

本发明涉及一种从含水的碱金属卤化物溶液生产卤素气体的电解装置，包括多个并排成一堆叠和电接触的板状电解槽，它们各有一个由两个导电材料制的半壳组成的外壳，在至少一个外壳后壁上，外壳有一些在外侧的接触条，其中，外壳有供入电解电流和电解原料的装置和输出电解电流和电解产物的装置以及分别有两个基本上平面的电极(阳极和阴极)，阳极和阴极设有百叶窗式的透孔用于流过电解原料和电解产物并通过隔板互相分开以及彼此平行地排列，它们借助于金属增强装置与外壳各相关的后壁导电连接。

背景技术

各电解槽按这样的方式制造，即，各自的外壳分别由两个半壳以及连接在半壳之间的必要的装置和阴极、阳极以及隔板组成并借助于金属增强装置将这些部分固定在一起，以及阳极与外壳和阴极与外壳互相导电地固定，接着，将如此制成的板状电解槽导电地并排成一堆叠，以及在堆叠中为了持久地接触彼此夹紧。

电解电流在堆叠的一个外部槽处输入槽堆中，电流沿基本上垂直于板状电解槽中面的方向穿过槽堆并在堆叠的另一个外部槽处输出。就中面而言，电解电流的平均电流密度值至少达到4kA/m²。

由申请人的DE 196 41 125 A1已知这种电解装置。在此已知的电解装置中，阳极和阴极通过垂直的横挡状金属增强装置与半个外壳各自的后壁连接。在阳极后侧和阴极半壳上分别装有为与相邻的结构相同的电解槽电接触的垂直接触条。电流经接触条通过后壁流入横挡状垂直的金属增强装置内，并从那里电流从金属的接触部位(增强装置/阳极)出发沿阳极分布。在电流通过隔板(薄膜)后进入阴极，以便经由横挡状垂直的增强装置流入在阴极一侧的后壁内，然后又进入接触条并从那里流入下一个电解槽。在这里导电构件的连接借助于焊接实现。在焊接部位电解电流集中成峰值电流密度。

横挡状垂直的金属增强装置设计为与接触条对齐的横挡，它们的侧边沿后壁和阳极或阴极的整个高度贴靠在后壁和阳极或阴极上。

垂直的横挡将在各自的半壳内部的电极室分成一个个导引电解液的区段。为了沿各半壳的深度不会导致电解液完全不均匀的浓度分布，在每个半壳下面设一进口分配器，电解原料可通过此进口分配器输入半壳内由横挡形成的各区段内。

借助于这样设计的电解器实施产生气体的电解过程，例如碱金属氯化物电解、盐酸电解或碱性的水电解。在碱金属氯化物电解时，含水的碱金属卤化物溶液，例如氯化钠和氯化钾，在电解槽内在电流影响下分解为含水的碱液，例如苛性钠溶液或苛性钾溶液，以及卤素气体，例如氯和氢。在水电解时水被分解，在电极处生成氢和氧。

电极室在空间上的分割借助于前言所述的隔板实现，更一般地说是借助于隔膜或所谓离子交换膜。隔膜用一种多孔的材料构成，这种材料对于进入电解槽中的介质、温度和压力在化学、热力学和力学方面是稳定的。离子交换膜通常涉及穿孔的碳氢化合物。这些薄膜不透气和几乎是液体密封的，但允许在电场内离子传送。

这种电解过程的特殊性在于，隔膜或离子交换膜压靠在至少两个电极之一上。这是有必要的，因为由此固定此隔板并因而基本上没有机械负荷。往往允许隔板只靠放在两个电极之一上，因为只有以此方式才能使所有的构件(电极和隔板)达到尽可能长的使用寿命。在隔板与两个电极直接接触时，在有些情况下，隔板与电极或与在电极处生成的气体之间产生化学反应。例如在碱金属氯化物电解时在薄膜与阴极之间确立一个间距，因为要不然会从电极溶解出电催化剂，或在非活性的镍阴极溶解出镍。三氧化二镍隔膜是另一种例子，它们应用于碱性的水电解中。在离生成氢的电极有一个小的距离的情况下，三氧化二镍还原为镍并因而是导电的，其结果是最终导致短路。

薄膜或隔膜靠放在至少一个电极上，使得在发生气体的过程中导致在电极与薄膜或隔膜之间的电解质边界层内气体塞堵。在这方面甚至涉及前言所论及的电极，它们设计为可被电解原料和电解产物流过。这些电极优选地制有透孔(孔板、板网形金属、编织品或有百叶窗式透孔的薄板)，所以尽管它们平面地布置在电解槽内，电解时在边界层内形成的气体仍可能比较容易地进入电解槽的后腔内。

尤其电解槽中透孔方向向下的边缘或棱边内，聚结着在电解质内升起的气泡，并在那里留驻在邻近的隔板(薄膜)与透孔边缘之间的楔形区内。这些气泡干扰物流输送，亦即干扰通过隔板输送物料，因为它阻塞了薄膜的交流面并因而使之不能通过，亦即被钝化。

在本申请人成功地减少这种气体塞堵并在德国专利文件DE 44 15146 C2中说明的一种电极设计中，电极例如通过制有沟槽和孔成型。以此方式，一方面气体能易于离开，以及另一方面新鲜的电解质能重新到达电极与薄膜之间电解活性的边界层内。但是，当这种成型电极加入4kA/m²以上的电流密度时，气体的发生进一步增加并接着导致此成型的电极达到其气体排出能力的极限。

此外在发生气体的电解反应中，例如在碱金属氯化物电解发生阳极的氯气或碱性的水电解发生阳极的氧气时出现的情况那样，存在分离问题，亦即发生的气体与电解质不分离，从而导致形成泡沫。尤其在电流密度大于4kA/m²时这一问题会使电流密度的分布不均匀。由此，一方面限制了活性的电解槽构件，如薄膜、隔膜和电极活性装置等的使用寿命。另一方面电解器因此也在最大电流密度方面被限制为约4kA/m²。此外，形成泡沫导致在电化学槽内部的压力波动，因为泡沫至少暂时封闭了用于所形成的气体的槽的出口。此出口由于在槽内部压力的小量增高而重新吹通，其结果是导致已知的涌浪流动效应以及已提及的压力波动。这些对于电解器的工作是有害的。

此外，尤其薄膜的使用寿命受浓度分布的影响。例如在碱金属氯化物电解器阳极室内氯化钠的浓度越均匀，薄膜的使用寿命越长。为了达到均匀地分布电解质，或借助于设在外部的泵造成附加的循环，或通过在电解槽内安装导流板基于密度差引起的内部循环。

发明内容

本发明的目的是创造一种电解装置，它即使在电流密度大于4kA/m²并因而在边界层内更多地产生气体的情况下也能保持薄膜持久的使用寿命和只有少量脉动地工作。

此目的借助于前言所述类型的电解装置按本发明采取这样的措施达到，即，阳极和阴极的百叶窗式透孔相对于水平面倾斜地布置。

根据本发明，提出一种从含水的碱金属卤化物溶液生产卤素气体的电解装置，包括多个并排布置成一个堆叠并互相电接触的板状电解槽，它们各有一个由两个导电材料制的半壳组成的外壳，该外壳在至少一个外壳后壁上具有一些在外侧的接触条，其中，所述外壳具有供入电解电流和电解原料的装置和输出电解电流和电解产物的装置并且总是具有两个平面的电极，即，阳极和阴极，其中，所述阳极和阴极设有用于流过电解原料和电解产物的百叶窗式的透孔并通过隔板互相分开以及彼此平行地排列，它们借助于金属增强装置与所述外壳各相配的后壁导电连接，其特征为：阳极和阴极的百叶窗式的透孔相对于水平面倾斜地布置，所述百叶窗式的透孔相对于水平面的倾斜角在7°与10°之间。

如已指出的那样，采用按本发明的设计可以改善气体从薄膜附近的电解质边界层排出，从而第一次在保持薄膜有持久的使用寿命的条件下电流密度达到6至8kA/m²。由于电极棒相对于水平面倾斜，所形成的气泡在下边缘处沿电极滚动，与仍粘附在电极边缘处的气泡汇合和聚合。其结果是进一步导致气泡由于体积增大而加速，也就是说获得了一种自动加速的效果。与此同时处于电活性区的气体体积减小，由此使电解槽压力较小。由于气泡沿电极边缘运动引起的抽吸效果，保证将新鲜电解质吸入薄膜或隔膜与电极之间的电活性区内，这例如在碱金属氯化物电解时是保证薄膜长的使用寿命必要的前提条件。此外，这样做导致一种定向的流动，因为所有的气泡沿一个方向强迫导引。因此在一侧由于气体含量增加减小了电解质/气体混合物的密度，其结果是导致内部的循环，此循环与发生在电解质流动内的相比强10至100倍。由此实现电解质杰出的均匀化。

应强调指出，特别有利的是百叶窗式透孔相对于水平面的倾斜角在7°与10°之间。

在特别优选的结构设计中规定，各外壳的下侧平行于水平面布置以及阳极和阴极的百叶窗式透孔相对于各自外壳的下侧倾斜地布置。因此，此电解装置与已知的电解装置相比只是略有修改，仅仅是阳极和阴极必须倾斜地安装以及相应地设计边缘侧，以便它们能相应地安装。

按替换形式，也可以规定各自外壳的下侧相对于水平面倾斜地布置。因此各个外壳与迄今已知的外壳相比实际上无需改变，它们只需要相对于水平面倾斜地安装，这样一来阴极和阳极的百叶窗式透孔也自动地相对于水平面布置成倾斜的。

附图说明

下面借助于附图作为举例进一步说明本发明。其中

图1通过电解装置两个并列的电解槽的剖面；

图2图1的局部透视图；以及

图3图1的局部放大同样表示为透视图。

具体实施方式

总体用1表示的用于由含水的碱金属卤化物溶液生产卤素气体的电解装置有多个并排成一堆叠和互相电接触的板状电解槽2，在图1中作为范例表示了并列设置的其中两个这样的电解槽2。每一个这种电解槽2有一个由两个半壳3、4组成的外壳，半壳设有法兰状边缘，边缘之间借助于密封装置5夹紧一隔板(薄膜)6。薄膜6的夹紧必要时也可用别的方式实现。

沿各电解槽2外壳后壁4A的整个深度设多个互相平行的接触条7，它们通过焊接或类似方法固定或安装在所涉及的外壳后壁4A的外侧。这些接触条7使得与相邻的电解槽2电接触，亦即与所涉及的外壳后壁3A电接触，在那里不设自己的接触条。

在各自的外壳3、4的内部，分别与薄膜6相邻地设平面状阳极8和平面状阴极9，阳极8或阴极9分别与和接触条7对齐地布置的增强装置连接，它们设计为横挡10。在这里，横挡10优选地沿其整个侧边10A金属导电地固定在阳极或阴极8、9上。为了能供入电解原料以及能排出电解产物，横挡10从侧边10A起直至相邻的侧边10B其宽度逐渐缩小，并在那里有一个与接触条7高度相等的高度。因此横挡以其两个边缘10B沿接触条7的整个高度固定在外壳后壁12A或4A与接触条7处于相对位置的背面上。

为了供入电解产物为各电解槽2设一恰当的装置，图中用11表示这种装置。同样在每个电解槽中设一个用于排出电解产物的装置，不过图中没有表示。

电极(阳极8和阴极9)按这样的方式设计，即，它们允许通过或流过电解的输入产品或输出产品3，为此，阳极和阴极设计成百叶窗式，也就是说它们分别由一个个百叶窗式电极棒组成，在电极棒之间存在百叶窗式透孔。这既适用于阳极8又适用于阴极9，在图2和3中只分别表示了一个电极8、9。在那里用8A或9A表示各电极棒，而百叶窗式透孔用8B或9B表示。在这里，对于本发明重要的是，这些百叶窗式透孔8B、9B相对于水平面倾斜地布置，优选地具有倾斜角在7°与10°之间。在图2中此角度用α表示。

如图2和3所示，电极8或9的后室通过垂直的横挡10隔成分室(也就是再分成多个室)。如所指出的那样，这种设计导致生成的气泡由于电极棒8A、9A倾斜排列而沿阳极8或阳极9的下边缘滚动，然后与仍粘附在电极边缘处的气泡相遇并聚合。其结果是，由于体积越来越大气泡便加速，所以产生自动加速的效果。与此同时，存在于电活性区的气体体积减少，因此使电解槽压力较小。由于气泡沿电极边缘运动引起的抽吸作用，保证将新鲜电解质吸入薄膜6或隔膜与电极8、9之间的电活性区内，这例如在碱金属卤化物电解时是保证薄膜长的使用寿命必要的前提条件。此外，这样做导致一种定向的流动，因为所有的气泡沿一个方向强迫导引。在图2中用箭头表示此流动。因此在一侧由于气体含量增加减小了电解质/气体混合物的密度，其结果是导致内部的循环，它与进入的电解质流动相比强10至100倍。由此实现电解质杰出的均匀化。

除此以外，此电解装置的结构与已知的电解装置没有区别。多个板状电解槽的排列成行在一个所谓电解槽机架的机架内实现。板状电解槽2悬挂在电解槽机架两个上部纵向支架之间，使它们的板平面垂直于纵向支架轴线。为了使板状电解槽2的重量能传给纵向支架的上部法兰上，板状电解槽在板上边缘处在每一侧有一悬臂支承。此支承水平地沿板平面方向延伸并伸出法兰的边缘。在悬挂在机架内的板状电解槽中，悬臂支承的下边缘靠放在上部法兰上。

比较地说，板状电解槽2就象文件夹在悬挂式卡片箱内那样悬挂在电解槽机架内。在电解槽机架内，电解槽的板表面机械和电接触，因此它们似乎堆叠在一起。这种结构形式的电解器称为悬挂堆叠式电解器。

通过按悬挂堆叠的结构方式将多个电解槽2排列成行，并借助于已知的夹紧装置使电解槽2通过接触条7分别与堆叠内相邻的电解槽2导电连接。于是，电流从接触条7通过半壳经横挡10流入阳极8。在穿过薄膜6后，电流进入阴极9，以便经横挡10流入另外的半壳内或其后壁3A内，并在这里流入下一个电解槽的接触条7内。以此方式，电解电流通过整个电解槽堆叠，在这种情况下，它在一个外部电解槽引入以及在另一个外部电解槽引出。

电解槽2在具有电解质进口的下部区内的设计没有在图中详细表示。电解质的进入既可以逐点地也可以借助所谓的进口分配器实现。在这里进口分配器设计为装在单元内的一根制有孔的管子。因为半壳通过作为在后壁3A或4A与电极8、9之间的连接装置的横挡10分成区段，所以当两个半壳3、4配备一个进口分配器时获得了一种最佳的浓度分布，在这种情况下装在半壳内的进口分配器的长度与半壳的宽度一致，以及每个区段通过进口分配器内的至少一个孔供入相关的电解质。在这种情况下，在进口分配器内的孔横截面积总和应小于或等于分配器管子的管内径。

由图1可以看出，两个半壳3、4在法兰区制有法兰，它们用螺钉连接。如此结构的电解槽悬挂或安装在图中未表示的电解槽机架内。在电解槽机架内的悬挂或安装借助于图中未表示的位于法兰处的支承装置进行。电解装置1可由一单个电解槽构成，或优选地通过多个电解槽2按悬挂堆叠的结构方式排列成行。若由若干单个电解槽按悬挂堆叠的原则组成，则在夹紧装置闭合前各个电解槽必须平行定向，因为要不然将不能通过接触条7实现电流从一个电解槽到下一个电解槽的传输。为了使电解槽在悬挂或安装在电解槽机架内后能平行定向，有必要使这些在空的状态通常约重210kg的单元能轻易地运动。为满足此前提条件，没有表示的支承装置或处于电解槽框架和电解槽机架上的支承面设有涂层。在这里，位于单元法兰框架上的支承装置加塑料底衬，如PE、PP、PVC、PFA、FEP、E/TFE、PVIF或PTFE，而在电解槽机架上的支承面同样有这些塑料之一的涂层。塑料可以只是涂上，或通过一个槽导引、粘结、焊接或用螺钉固定。重要的只是将塑料垫层固定住。由于两个塑料面互相接触，所以处于机架内的各个单元易于运动，从而无需附加的升降或推移设备，用手便可使它们平行定向。在夹紧装置闭合时，这些单元由于它们在电解槽机架内可轻易地移动而沿整个后壁实施面接触，从而满足电流均匀分布的先决条件。此外，以此方式，电解槽相对于电解槽机架是电绝缘的。

当然，本发明不受图中所表示的实施形式的限制。也可以有其它一些不脱离此基本思想的设计。例如，为了使两个电极8、9的百叶窗式透孔8B、9B或电极棒8A、9A如所表明的那样相对于水平面倾斜，各电极8、9可相应地倾斜安装在各自的电解槽2内。但也可以采用替换形式，即整个电解槽斜置，使各半壳的下侧相对于水平面倾斜布置，从而同样迫使百叶窗式透孔8A、9B倾斜布置并获得参见图2和3所说明的效果。

Claims (3)

1.从含水的碱金属卤化物溶液生产卤素气体的电解装置，包括多个并排布置成一个堆叠并互相电接触的板状电解槽，它们各有一个由两个导电材料制的半壳组成的外壳，该外壳在至少一个外壳后壁上具有一些在外侧的接触条，其中，所述外壳具有供入电解电流和电解原料的装置和输出电解电流和电解产物的装置并且总是具有两个平面的电极，即，阳极和阴极，其中，所述阳极和阴极设有用于流过电解原料和电解产物的百叶窗式的透孔并通过隔板互相分开以及彼此平行地排列，它们借助于金属增强装置与所述外壳各相配的后壁导电连接，其特征为：阳极(8)和阴极(9)的百叶窗式的透孔(8B、9B)相对于水平面倾斜地布置，所述百叶窗式的透孔(8B、9B)相对于水平面的倾斜角在7°与10°之间。

2.按照权利要求1所述的电解装置，其特征为：各外壳(3、4)的下侧平行于水平面以及阳极(8)和阴极(9)的百叶窗式透孔(8B、9B)相对于各自外壳(3、4)的下侧倾斜地布置。

3.按照权利要求1所述的电解装置，其特征为：各外壳(3、4)的下侧相对于水平面倾斜地布置。

Images