CN116635574A - 电解池、用于氯碱电解的电解装置和电解池用于氯碱电解的用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于氯碱电解的电解池(1)，其包括用于容纳阳极(4)并且用于容纳电解质溶液的阳极室(2)，其中，阳极室(2)包括用于提高电解质溶液的循环的循环结构(5)和用于提高电解质溶液的水平均匀性的至少一个挡板(6)，本发明还涉及一种包括这种电解池(1)的电解装置以及电解池(1)用于氯碱电解的用途。
Description
技术领域
本发明涉及一种电解池和用于氯碱电解的电解装置以及其用于氯碱电解的用途。
背景技术
氯碱电解是用于使用电能和电解池从碱金属氯化物水溶液产生氯气、氢气和氢氧化物气体的工艺。通常，使用氯化钠或氯化钾作为碱金属氯化物。电解氯化钠水溶液的反应方程式为：
2NaCl+2H2O→Cl2+H2+2NaOH
用于氯碱电解的电解池和电解装置的一般设置在现有技术中是众所周知的。例如，US 6,282,774 B1、WO 2009/007366 A2、WO 2004/040040 A1和WO 2010/055152 A1涉及用于氯碱电解的电解池和电解装置。
在电解工艺期间，电解质溶液在电极表面上消耗，而气体在电极表面上产生。换言之，电解质溶液的密度、温度和成分在电极的表面上改变，并且在电极的表面上生成气泡。气泡或者电解质(electrolyte)、密度和温度在电解质溶液中的不均匀分布对于稳定和高效的电解工艺是有害的。
DE 4415146 A1旨在通过使用特定形状的电极来提高氯碱电解的效率，从而防止气体在其上积聚。这种电解池具有较低的比电流消耗并且将电流均匀地分布在电极和膜表面上，这对膜和电极的使用寿命具有有利效果。
US 6,503,377 B1同样旨在以较高速率从电极中去除气泡。电极具有特定形状，以便积聚和驱走所产生的气泡。这会影响电极表面周围的循环。
US 2006/0042935 A1提及使用竖直挡板或圆柱形导管以便实现电解质在电解质溶液内更均匀的分布。
US 2017/0306513 A1公开了一种具有由一个或多个循环板形成的循环通道的离子交换膜电解池，循环板设置在阳极和/或阴极室的基板上。当循环板具有特定形状板的结构时，不仅可以促进电解池的竖直循环，而且可以促进在电解池的深度方向上的循环。
US 6200435 B1描述了一种电解器，其包括具有形成在分隔壁上的不规则表面的竖直式电解单元。不规则表面彼此重叠并且一体化，并且电极板连接到分隔壁的凸部。
US 6773561 B1公开了一种单元电池，其在阳极室中包括设置在阳极室上部的挡板，其中，挡板定位成使得在挡板与阳极之间形成向上的通路，并且在挡板与阳极室的背侧内壁之间形成向下的流动通路。
因此，已经进行了一些尝试来提高电解工艺的稳定性和效率。然而，需要进一步提高电解工艺的稳定性和效率。本发明是鉴于该问题而提出的，其目的在于提高电解质溶液的均匀性，以提高电解工艺的稳定性和效率。
发明内容
在本发明的第一方面，发明人提出了一种用于氯碱电解的电解池，其包括用于容纳阳极和用于容纳电解质溶液的阳极室，其特征在于，阳极室包括用于提高电解质溶液循环的循环结构和用于提高电解质溶液均匀性、优选用于提高电解质溶液的水平均匀性的至少一个挡板。
循环结构和至少一个挡板是不同的结构。发明人已经发现，这些结构的使用以意想不到的方式提高了电解质溶液在电解质溶液内的化学分子浓度方面的均匀性。对于电解质溶液内的密度和温度的均匀性，也可以假设所证明的效果。
电解质溶液可以称为阳极电解质溶液。电解质溶液优选包括氯化钠水溶液或氯化钾水溶液。电解质溶液优选包括水和100至400g/L、更优选150至300g/L、甚至更优选180至280g/L的氯化钠或氯化钾。优选地，阳极室包括电解质溶液。
术语“电解质溶液的均匀性”是指在阳极室内的不同位置处，电解质溶液中氯化钠和/或氯化钾的密度和/或者温度和/或是浓度是均匀的或相似的。
术语“提高电解质溶液的均匀性”是指使在阳极室内的不同位置处，电解质溶液中氯化钠和/或氯化钾的密度和/或者温度和/或是浓度更均匀或相似。换言之，术语“提高电解质溶液的均匀性”是指在阳极室内的不同位置处，电解质溶液中氯化钠和/或氯化钾的密度和/或者温度和/或是浓度是相似的/对准的/一致的/相等的。
术语“提高电解质溶液的水平均匀性”是指使在阳极室内的不同位置处，电解质溶液中氯化钠和/或氯化钾的密度和/或者温度和/或是浓度更均匀或相似，其中，电解质溶液被认为是水平层的堆叠，其中，在至少一个水平层内使电解质溶液中氯化钠和/或氯化钾的密度和/或者温度和/或是浓度更均匀或相似。优选地，该至少一个水平层位于阳极室的底端(沿重心方向)和/或靠近阳极室入口。
术语“电解质溶液中氯化钠和/或氯化钾的密度和/或者温度和/或是浓度相似”是指在阳极室内和/或水平层内的不同位置之间的最大差值为5％、10％、15％、20％、25％、30％或35％。
阳极室包括阳极。优选地，阳极基本竖直地布置在阳极室内。优选地，阳极室在竖直方向上具有最长的尺寸/膨胀度。
阳极可以是一个单一的结构元件或包括几个结构元件。阳极可以具有网的形式。
用于氯碱电解的电解池可以包括本领域技术人员已知的并且有助于进行氯碱电解的其他元件。
这样的元件例如是用于容纳阴极和用于容纳阴极电解质的阴极室。在一个实施例中，电解池包括用于容纳阴极和用于容纳阴极电解质的阴极室。在一个实施例中，阴极室包括阴极和阴极电解质。阴极可以是一个单一的结构元件或包括几个结构元件。阴极可以具有网的形式。
优选地，阳极室和阴极室由离子交换膜隔开。优选地，该膜是半渗透的。换言之，膜优选地允许钠和/或钾离子在阳极室与阴极室之间交换。换言之，电解池优选地包括离子交换膜。
由于循环结构，提高了电解质溶液在阳极室内的循环。然而，提高的循环也有助于阴极反应，这是由于通过离子交换膜的碱通量增加。
电解池还可以包括本领域技术人员已知的元件，例如气液分离器、电流分配器、入口、产物出口等。例如，阳极室可以具有至少一个入口，用于包括水和150至450g/L、优选200至400g/L、更优选250至350g/L、最优选约300g/L氯化钠和/或氯化钾的流。此外，阳极室可以具有一个用于氯气的产物出口，优选在阳极室的顶端(远离重心)。此外，阳极室可以具有用于包括氯化钠水溶液和/或氯化钾水溶液的流的一个出口。
阳极室具有顶端(远离重心)和底端(在重心的方向上)。
电解池可以是零间隙电池。
动词“包括”和“包含”及其变位包括动词“由……构成”及其变形。
术语“至少一个”包括术语“一个”。术语“一个”包括术语“至少一个”。
优选实施例包括在权利要求中。
优选地，循环结构是用于实现电解质溶液在循环结构周围的循环的结构。换言之，优选的是，电解质溶液围绕循环结构的循环为回路的形式。如果相应地设计循环结构，则这允许增加整个阳极室中的均匀性。
优选地，循环结构是用于实现电解质溶液的基本竖直的循环的结构。
阳极室中的阳极从电解质溶液中生成氯气气泡。这些气泡具有比周围电解质溶液更低的密度，并且流向阳极室的顶端(远离重心)。上升的气泡从阳极室的下部进一步拖曳电解质溶液。在本发明中利用了这种“气升效应”。将循环结构布置成邻近阳极的一部分致使气升效应产生高度的竖直循环。高度的循环允许混合电解质溶液的混合，并且提高电解质溶液的均匀性。因此，循环结构优选为用于提高电解质溶液的竖直均匀性的结构。
术语“提高电解质溶液的竖直均匀性”是指使在阳极室内的不同竖直位置上，电解质溶液中氯化钠和/或氯化钾的密度和/或者温度和/或是浓度更均匀或相似。
优选地，循环结构在阳极室内形成至少一个降液管。术语“降液管”应当表示阳极室的至少部分限定的区域，该区域在竖直方向上延伸并且在其顶端和其底端开口。更优选地，循环结构在阳极室内形成多个降液管。降液管的形状允许特别好的竖直循环以提高竖直均匀性。
优选地，循环结构和/或至少一个降液管基本平行于阳极布置。
循环结构将阳极室划分成各自包括电解质溶液的上升流部段和下降流部段。上升流部段的特征在于气泡从阳极流向阳极室的顶端(远离重心)。
优选地，上升流部段布置在阳极与循环结构之间。
在一个实施例中，上升流部段布置在循环结构的面向阳极的表面与阳极之间。此外，下降流部段布置在循环结构的表面的背离阳极的一侧上。
优选地，上升流部段的横截面与下降流部段的横截面的比率为1或小于1、优选为0.8至0.3、更优选为0.6至0.4、最优选为约0.43。该比率允许特别均匀的电解质溶液。
优选地，上升流部段的横截面加上下降流部段的横截面为5至100cm2、更优选为7至50cm2。
在一个实施例中，至少一个降液管具有/形成V形(从俯视图看)。在另一个实施例中，至少一个降液管具有/形成槽的形状(从俯视图看)。在另一个实施例中，至少一个降液管具有/形成正六边形的一半的形状(从俯视图看)。上述形状允许良好的循环。优选地，V的峰指向阳极。优选的是，槽朝向阳极开口。
阳极和循环结构沿着阳极室的高度部段延伸。
优选地，循环结构和/或至少一个降液管的高度为阳极高度的50％至100％、优选60％至98％、更优选70％至96％。该高度允许特别均匀的电解质溶液。在一个实施例中，92％至99％是优选的，而93％至98％甚至更优选。在另一个实施例中，60％至85％是优选，而65％至80％甚至更优选。
优选地，循环结构和/或至少一个降液管沿阳极高度的50％至100％、优选60％至98％、更优选70％至96％延伸。该高度允许特别均匀的电解质溶液。在一个实施例中，92％至99％是优选的，而93％至98％甚至更优选。在另一个实施例中，60％至85％是优选，而65％至80％甚至更优选。
优选地，阳极的长度为100至160cm，更优选地为120至140cm。
优选地，循环结构和/或至少一个降液管的长度为50至160cm、更优选为60至140cm。
通常，特别是在零间隙电池中，离子交换膜被来自阴极室的压力压靠在阳极上，并且优选机械地稳定阳极。优选地，循环结构和/或至少一个降液管是用于(机械地)支撑阳极的结构。优选地，循环结构和/或至少一个降液管(机械地)支撑阳极，特别是抵抗来自阴极室的压力。
在一个实施例中，优选一个挡板。
至少一个挡板水平地或基本水平地布置。术语“基本水平”是指“水平”或“与水平线相比，具有小于45°、特别是小于30°、20°、10°或5°的斜度”。水平挡板对于结合由循环结构实现的竖直循环来提高均匀性特别有用。
优选地，每个挡板具有10至235cm的长度、优选26至235cm、和/或5至20cm的宽度、优选7至15cm。
优选地，挡板是水平的和/或平面的。
挡板可以具有用于引起扰动的穿孔，这提高了阳极室中电解质溶液的均匀性。
至少一个挡板布置为使得来自阳极室的至少一个入口的流与挡板相碰撞。换言之，来自阳极室的至少一个入口的流被引导至挡板。优选地，阳极室的至少一个入口位于阳极室的底端(沿重心方向)。流包括水和150至450g/L、优选200至400g/L、更优选250至350g/L、最优选约300g/L氯化钠和/或氯化钾。挡板引起扰动，这提高了与阳极室中的电解质溶液的混合，并且提高了阳极室内的电解质溶液的均匀性。
该至少一个挡板布置成使得来自循环结构和/或至少一个降液管(即，来自下降流部段)的电解质溶液流与挡板相碰撞。换言之，来自循环结构和/或至少一个降液管(即，来自下降流部段)的电解质溶液流被引导至挡板。这提高了阳极室中电解质溶液的均匀性。
该至少一个挡板布置成使得来自阳极室的至少一个入口的流与挡板相碰撞，并且来自循环结构和/或至少一个降液管(即，来自下降流部段)的电解质溶液流与挡板相碰撞。这特别提高了阳极室中电解质溶液的混合，并且提高了电解质溶液在阳极室的均匀性。在一个实施例中，来自阳极室的至少一个入口的流与至少一个挡板的底表面相碰撞，并且来自循环结构的底端和/或至少一个降液管(即，来自下降流部段)的电解质溶液流与挡板的顶表面相碰撞。优选地，阳极室的至少一个入口位于阳极室的底端(沿重心方向)。
在本发明的第二方面，本发明涉及一种用于氯碱电解的电解装置，其包括至少一个根据本发明的电解池。
这样的电解装置可以表示为电解器。
电解装置包括多个根据本发明的电解池。
电解装置可以是压滤机电解池和/或双极离子交换膜工艺电解池。
用于氯碱电解的电解装置可以包括本领域技术人员已知的并且有助于进行氯碱电解的其他元件。
在本发明的第三方面，本发明涉及本发明的电解池或本发明的电解装置用于氯碱电解的用途。
这里描述的本发明的每个方面的实施例可以以任何方式组合。此外，针对本发明的三个方面描述的实施例可以以任何方式组合。
附图说明
现在使用以下附图来描述本发明的所选实施例：
图1示出根据本发明的用于氯碱电解的电解池。
图2示出布置成使得来自阳极室的两个入口的流与挡板相碰撞的一个挡板。
图3A和图3B示出支撑阳极的降液管。
具体实施方式
图1中示出了根据本发明的用于氯碱电解的电解池1。
电解池1包括阳极室2和阴极室3。阳极室2包括阳极4、电解质溶液(未示出)、循环结构5和一个挡板6。电解质溶液包括水和大约180至280g/L的氯化钠。阳极4和循环结构5沿着阳极室2的高度部段延伸。
循环结构5将阳极室2划分成上升流部段7和下降流部段8。上升流部段7的横截面与下降流部段8的横截面的比率小于1。循环结构5产生气升效应并且产生电解质溶液围绕循环结构5的高度的基本竖直循环：
阳极4从电解质溶液中产生氯气气泡。这些气泡具有比周围电解质溶液更低的密度，并且流到阳极室2的顶端，其表征上升流部段7。上升的气泡从阳极室2的下部拖曳电解质溶液。同时，电解质溶液被气泡从阳极室2的顶端拖曳和/或排出，这产生了下降流部段8。来自下降流部段8的电解质溶液流碰撞挡板6的顶表面。高度的竖直循环允许混合电解质溶液并提高电解质溶液的均匀性。
本发明的电解装置包括至少一个本发明的电解池1、优选多个电解池1。
如图1所示，挡板6和入口9布置在阳极室2的底端(沿重心方向)。在图2中更详细地示出了水平挡板6。
挡板6布置为使得来自阳极室2的两个入口9的流与挡板6相碰撞。该流包括水和约300g/L的氯化钠。挡板6引起扰动，这迫使液流与包括水和大约180至280g/L氯化钠的电解质溶液混合。这提高了阳极室2中的电解质溶液的均匀性、特别是水平均匀性。
如图1可见，来自下降流部段8的电解质溶液流也与挡板6相碰撞。这致使阳极室2中的特别均匀的电解质溶液。
图3A和图3B示出降液管的优选实施例的俯视图。循环结构5形成降液管。降液管抵靠离子交换膜机械地支撑阳极4，离子交换膜可通过来自阴极室的压力压靠阳极4。在图3A中，降液管具有槽的形状。这些槽朝向阳极4开口。在图3B中，降液管具有正六边形的一半的形状。在图3A和图3B中，降液管形成V形。V的峰指向阳极4。
现在使用实验来描述本发明的所选实施例实现的效果：
为了测试上升流部段7的横截面与下降流部段8的横截面的比率的影响，进行以下实验1和2。
制备符合本发明和图1的电解池1。
循环结构5将阳极室2划分成上升流部段7和下降流部段8。在实验1中，上升流部段7的横截面与下降流部段8的横截面的比率为1。
在电解池中开始氯碱电解。将包含300g/L氯化钠的氯化钠水溶液加入到池中。在电解池的六个不同高度的18个不同位置处测量电解质溶液中氯化钠的浓度。结果在表1中示出。
| 209 | 202 | 204 |
| 211 | 218 | 213 |
| 223 | 220 | 218 |
| 225 | 220 | 225 |
| 230 | 220 | 225 |
| 232 | 227 | 227 |
表1：在电解池的18个不同位置处的电解质溶液中氯化钠的浓度(以g/L为单位的值)。
18个位置之间的最高检测浓度差为30g/L(232g/L-202g/L)。
实验2以相似的方式进行。在实验2中，上升流部段7的横截面与下降流部段8的横截面的比率为0.43。结果在表2中示出。
| 204 | 204 | 200 |
| 218 | 218 | 213 |
| 218 | 218 | 222 |
| 220 | 219 | 222 |
| 220 | 218 | 220 |
| 218 | 217 | 217 |
表2：在电解池的18个不同位置处的电解质溶液中氯化钠的浓度(以g/L为单位的值)。
18个位置之间的最高检测浓度差为22g/L(222g/L-200g/L)。
18个位置之间的最大差在实验2中较低。此外，实验2中的浓度差在电池的高度各处较低。
因此，上升流部段7的横截面与下降流部段8的横截面的比率小于1对于具有均匀的电解质溶液是有利的。
为了测试循环结构5的高度相对于阳极4的高度的影响，进行以下实验3至5。
制备符合本发明和图1的电解池1。
在实验3中，循环结构5的高度是阳极4的高度的71％。
在电解池中开始氯碱电解。将包含300g/L氯化钠的氯化钠水溶液加入到池中。在两次不同的运行中(即n＝2)，在电解池的六个不同高度的六个位置处测量电解质溶液中氯化钠的浓度。结果在表3中示出。
表3：在两次不同运行中，在电解池的六个不同高度的六个位置处电解质溶液中氯化钠的浓度(以g/L为单位的值)。
最高平均浓度差为17g/L。
实验4以类似的方式进行。在实验4中，循环结构5的高度是阳极4的高度的91％。结果在表4中示出。
表4：在两次不同运行中，在电解池的六个不同高度的六个位置处电解质溶液中氯化钠的浓度(以g/L为单位的值)。
最高平均浓度差为21g/L。
实验5以类似的方式进行。在实验5中，降液管的高度为阳极4的高度的96％。
在电解池中开始氯碱电解。将包含300g/L氯化钠的氯化钠水溶液加入到池中。在三次不同的运行中(即n＝3)，在电解池的五个不同高度的五个位置处测量电解质溶液中氯化钠的浓度。结果在表5中示出。
表5：在三次不同运行中，在电解池的五个不同高度的五个位置处电解质溶液中氯化钠的浓度(以g/L为单位的值)。
最高平均浓度差为14g/L。
为了测试挡板6的影响，进行以下实验6至7。
制备符合本发明和图1、图2的电解池1。水平挡板6水平地布置。挡板布置为使得来自阳极室2的两个入口9的气流与挡板6相碰撞。
在电解池中开始氯碱电解。将包含300g/L氯化钠的氯化钠水溶液加入到池中。在电解池底端相同高度的三个不同位置处测量电解质溶液中氯化钠的浓度。结果在表6中示出。
| 227 | 226 | 223 |
表6：在电解池底端相同高度的三个不同位置处电解质溶液中氯化钠的浓度(以g/L为单位的值)。
三个位置之间的最高检测浓度差为4g/L(227g/L-223g/L)。
实验7以类似的方式进行。在这个不根据本发明的对照实验中，没有使用挡板6。结果在表7中示出。
| 214 | 212 | 228 |
表7：在电解池底端相同高度的三个不同位置处电解质溶液中氯化钠的浓度(以g/L为单位的值)。
三个位置的最高检测浓度差为16g/L(228g/L-212g/L)。
该实验清楚地表明，挡板6提高了电解质溶液的水平均匀性。
附图标记表
1 电解池
2 阳极室
3 阴极室
4 阳极
5 循环结构
6 挡板
7 上升流部段
8 下降流部段
9 入口
Claims (9)
1.一种用于氯碱电解的电解池(1)，包括容纳阳极(4)并且用于容纳电解质溶液的阳极室(2)，
其中，所述阳极室(2)包括用于提高所述电解质溶液的循环的循环结构(5)和用于提高关于所述电解质溶液内的化学分子浓度、密度或温度的水平均匀性的至少一个挡板(6)，
其中，所述循环结构(5)和所述至少一个挡板(6)是不同的结构，
其中，所述阳极(4)和所述循环结构(5)沿着所述阳极室的高度部段延伸，
其中，所述循环结构(5)将所述阳极室(2)划分成上升流部段(7)和下降流部段(8)，
其中，所述至少一个挡板(6)水平地或者以相较于水平线小于45°的斜度布置，
其中，所述至少一个挡板(6)布置为使得来自所述阳极室(2)的至少一个入口(9)的流与所述挡板(6)相碰撞，
其中，所述至少一个挡板(6)布置为使得来自所述循环结构(5)的电解质溶液流与所述挡板(6)相碰撞。
2.根据权利要求1所述的的电解池(1)，其特征在于，所述循环结构(5)平行于所述阳极(4)布置。
3.根据权利要求1或2所述的电解池(1)，其特征在于，所述上升流部段(7)的横截面与所述下降流部段(8)的横截面的比率为1或小于1、优选为0.8至0.3、更优选为约0.43。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电解池(1)，其特征在于，所述循环结构(5)的高度位于所述阳极(4)的高度的50％至100％、优选为60％至98％、更优选为70％至96％。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电解池(1)，其特征在于，所述循环结构(5)为用于支撑所述阳极(4)的结构和/或支撑所述阳极(4)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电解池(1)，其特征在于，所述循环结构(5)形成所述阳极室(2)内的至少一个降液管。
7.根据权利要求6所述的电解池(1)，其特征在于，所述至少一个降液管具有V形形状。
8.一种用于氯碱电解的电解装置，包括多个根据权利要求1至7中任一项所述的电解池(1)。
9.根据权利要求1至7中至少一项所述的电解池(1)或根据权利要求8所述的电解装置用于氯碱电解的用途。
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