CN203700541U - 一种垂直一体化熔融电解制备金属钠的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种垂直一体化熔融电解制备金属钠的装置。本实用新型电解槽的底部开有金属钠出口；Na-β-Al2O3膈膜管的底部与电解槽的底部连接，所述的电解槽下方设置有排钠管，所述的排钠管一端与所述的金属钠出口连通，另一端连接有金属钠收集器。本实用新型的垂直一体化熔融电解制备金属钠的装置的金属钠出口位于电解槽的底部，在电解过程中阴极产物金属钠在重力的作用下即可方便的排出并收集，不需通入保护气体在加压状态下才能排出金属钠，提高了效率，降低了成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种熔融电解装置，更具体地说，本实用新型涉及一种垂直一体化熔融电解制备金属钠的装置，属于金属钠的电解制备装置技术领域。
背景技术
金属钠可用于生产石油脱硫剂、氧化剂、漂白剂、染料、农药、医药中间体、催化剂、香料、有机化合物生产用的钠化合物和含铅汽油添加剂, 也用于钾、钛、锆、铌、钒、钽等金属生产，制生氧剂Na2O2及制钾、钠合金；近年来随着相关领域的技术进步及市场的需要，开始应用于核反应堆导热、钠电池、电光源等方面。
1807年英国化学家戴维(H.Davy)用电解氢氧化钠的方法制得金属钠。1890年英国人卡斯特纳(H.Y.Castner)在英国建厂，用电解氢氧化钠的方法生产金属钠。1921年美国人东斯 (J.C.Downs)研究成功电解熔融氯化钠制取金属钠。
制备金属钠的生产技术主要有烧碱熔融电解法、食盐熔融电解法和电解钠汞齐法等。
目前工业化生产以东斯法为主。小规模生产偶尔用到卡斯特纳法。电解钠汞齐法因环境保护的问题已基本不采用。
无论是东斯法的电解装置还是卡斯特纳法的电解装置都存在电解效率不够高、能耗较大的问题。
国家知识产权局于2013.4.24公开了一件公告号为CN202898560U，名称为“一种用于制备金属钠的熔融电解装置”的实用新型专利，该专利涉及一种用于制备金属钠的熔融电解装置，属于金属钠的电解制备装置技术领域。包括加热装置、装有阳极电解质的电解槽、阳极、阴极以及装有阴极电解质的隔膜管，所述的电解槽设置在加热装置内，所述的隔膜管和阳极从电解槽顶部插入电解槽内并且部分插入阳极电解质中，所述的隔膜管和阳极的顶部露出在电解槽外，所述的隔膜管为Na-β-Al2O3隔膜管，所述的阴极从隔膜管的顶部插入隔膜管并且部分插入阴极电解质中，阴极的顶部露出在隔膜管外，隔膜管的顶部还设置有用于排出金属钠的排钠管，该装置在进行电解反应时几乎无副反应，反应效率接近100%，能耗低，所产金属钠纯度较高。
上述制备金属钠的熔融电解装置其排钠出口位于隔膜管顶部，阴极产物金属钠的排出、收集不便；需通入保护气体在加压状态下才能排出金属钠。
实用新型内容
本实用新型旨在解决现有制备金属钠的熔融电解装置中出钠不便的问题，提供一种垂直一体化熔融电解制备金属钠的装置，达到方便排出并收集阴极产物金属钠的目的。
为了实现上述目的，本实用新型的具体技术方案如下：
一种垂直一体化熔融电解制备金属钠的装置，包括电解槽、加热装置、Na-β-Al2O3膈膜管、阴极和阳极，其特征在于：所述的电解槽的顶部设置有阳极电解质投料口和尾气出口，所述的尾气出口通过管道连接有尾气处理装置，电解槽的底部开有金属钠出口；所述的电解槽内部空间为阳极电解质腔，所述的阳极从电解槽顶部插在所述的阳极电解质腔中，阳极部分露出在电解槽外；所述的Na-β-Al2O3膈膜管设置在阳极电解质腔中，Na-β-Al2O3膈膜管的顶部密封，Na-β-Al2O3膈膜管的底部与电解槽的底部连接，Na-β-Al2O3膈膜管内部为阴极电解质腔，所述的阴极电解质腔与所述的金属钠出口连通，所述的阴极分别为第一阴极和第二阴极，从电解槽底部插在所述的阴极电解质腔中，第一阴极和第二阴极部分露出在电解槽外；所述的电解槽下方设置有排钠管，所述的排钠管一端与所述的金属钠出口连通，另一端连接有金属钠收集器。
本实用新型所述的阳极电解质投料口与所述的电解槽之间通过管道连接，在管道上设置有阳极电解质投料口阀门。
本实用新型所述的垂直一体化熔融电解制备金属钠的装置还包括温度传感器，所述的温度传感器从电解槽顶部插在所述的阳极电解质腔中，温度传感器部分露出在电解槽外。
本实用新型所述的排钠管上，从所述的金属钠出口到金属钠收集器之间依次设置有计量器和排钠管阀门。
本实用新型所述的计量器和排钠管阀门之间的排钠管上设置有阴极端保护气体入口。
本实用新型所述的阴极端保护气体入口通过管道与排钠管连通，管道上设置有阴极端保护气体入口阀门。
本实用新型中Na-β-Al2O3为本领域的公知材料，即Beta-Al2O3，Na-β-Al2O3隔膜管又称为β管。Beta-Al2O3是一大类铝酸盐的总称，它的通式为M2Ox·Al2O3，M可为碱金属离子以及Tl+、Ga+、H3O+、NH4 +等一系列阳离子，其中以Na-β- Al2O3最具实际意义，Beta- Al2O3一词如无特殊说明，一般指Na-β- Al2O3。
文献可见：
宋树丰、阴宛珊、卢苇。钠硫电池研发关键问题。东方电气评论，2011年第25卷。
N.Weber,J.T.Kummer,Sodium-Sulfur Secondary batteries,Proc.21st Annual Power Sources Conference,1967,21:37-39.
本实用新型所述的阳极电解质和阴极电解质在常温是固体，工作时为熔融状态，阳极电解质是氢氧化钠（AR级），阴极电解质是纯度为≥99.9%的金属钠。
本实用新型带来的有益技术效果：
1、本实用新型的垂直一体化熔融电解制备金属钠的装置的金属钠出口位于电解槽的底部，在电解过程中阴极产物金属钠在重力的作用下即可方便的排出并收集，不需通入保护气体在加压状态下才能排出金属钠，提高了效率，降低了成本。
2、本实用新型的垂直一体化熔融电解制备金属钠的装置，利用Na-β-Al2O3材料中可允许钠离子在其中迁移，而其它的离子不容易或者不能够在其中迁移的特性；以Na-β-Al2O3管为隔膜，分离阳极氢氧化钠和阴极金属钠；进行熔融电解作业，制备金属钠；该装置结构简单、工艺流程简单；电解时几乎无副反应，反应效率接近100%；所产金属钠纯度较高，纯度可达99.9%以上。
3、本实用新型阴极端有保护气体，可在熔融电解过程中避免阴极电解质与空气或水等的反应。
4、本实用新型附带投料口，可实现连续制备。
5、本实用新型设置有金属钠收集器，可避免空气或水等与金属钠的反应。
6、本实用新型设置有温度传感器，可实时监测电解温度。
7、本实用新型设置计量器，可对阴极电解产物金属钠的产量进行实时计量。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
附图标记：1为电解槽、2为加热装置、3为Na-β-Al2O3膈膜管、4为阳极、5为阳极电解质投料口、6为金属钠出口、7为阳极电解质腔、8为阴极电解质腔、9为第一阴极、10为第二阴极、11为排钠管、12为金属钠收集器、13为尾气出口、14为尾气处理装置、15为阳极电解质投料口阀门、16为温度传感器、17为计量器、18为排钠管阀门、19为阴极端保护气体入口、20为阴极端保护气体入口阀门。
具体实施方式
实施例1
一种垂直一体化熔融电解制备金属钠的装置，包括电解槽1、加热装置2、Na-β-Al2O3膈膜管3、阴极和阳极4，所述的电解槽1的顶部设置有阳极电解质投料口5和尾气出口13，所述的尾气出口13通过管道连接有尾气处理装置14，电解槽1的底部开有金属钠出口6；所述的电解槽1内部空间为阳极电解质腔7，所述的阳极4从电解槽1顶部插在所述的阳极电解质腔7中，阳极4部分露出在电解槽1外；所述的Na-β-Al2O3膈膜管3设置在阳极电解质腔7中，Na-β-Al2O3膈膜管3的顶部密封，Na-β-Al2O3膈膜管3的底部与电解槽1的底部连接，Na-β-Al2O3膈膜管3内部为阴极电解质腔8，所述的阴极电解质腔8与所述的金属钠出口6连通，所述的阴极分别为第一阴极9和第二阴极10，从电解槽1底部插在所述的阴极电解质腔8中，第一阴极9和第二阴极10部分露出在电解槽1外；所述的电解槽1下方设置有排钠管11，所述的排钠管11一端与所述的金属钠出口6连通，另一端连接有金属钠收集器12。
实施例2
一种垂直一体化熔融电解制备金属钠的装置，包括电解槽1、加热装置2、Na-β-Al2O3膈膜管3、阴极和阳极4，所述的电解槽1的顶部设置有阳极电解质投料口5和尾气出口13，所述的尾气出口13通过管道连接有尾气处理装置14，电解槽1的底部开有金属钠出口6；所述的电解槽1内部空间为阳极电解质腔7，所述的阳极4从电解槽1顶部插在所述的阳极电解质腔7中，阳极4部分露出在电解槽1外；所述的Na-β-Al2O3膈膜管3设置在阳极电解质腔7中，Na-β-Al2O3膈膜管3的顶部密封，Na-β-Al2O3膈膜管3的底部与电解槽1的底部连接，Na-β-Al2O3膈膜管3内部为阴极电解质腔8，所述的阴极电解质腔8与所述的金属钠出口6连通，所述的阴极分别为第一阴极9和第二阴极10，从电解槽1底部插在所述的阴极电解质腔8中，第一阴极9和第二阴极10部分露出在电解槽1外；所述的电解槽1下方设置有排钠管11，所述的排钠管11一端与所述的金属钠出口6连通，另一端连接有金属钠收集器12。
优选的，所述的阳极电解质投料口5与所述的电解槽1之间通过管道连接，在管道上设置有阳极电解质投料口阀门15。
优选的，所述的垂直一体化熔融电解制备金属钠的装置还包括温度传感器16，所述的温度传感器16从电解槽1顶部插在所述的阳极电解质腔7中，温度传感器16部分露出在电解槽1外。
优选的，所述的排钠管11上，从所述的金属钠出口6到金属钠收集器12之间依次设置有计量器17和排钠管阀门18。
更进一步的，所述的计量器17和排钠管阀门18之间的排钠管11上设置有阴极端保护气体入口19。
更进一步的，所述的阴极端保护气体入口19通过管道与排钠管11连通，管道上设置有阴极端保护气体入口阀门20。
实施例3
为进一步说明本实用新型的内容，以下结合具体实施方式及附图对本实用新型作进一步详细的描述。
如图1所示，利用Na-β-Al2O3材料中可允许钠离子在其中迁移，而其它的离子不容易或者不能够在其中迁移的特性；以Na-β-Al2O3膈膜管3为隔膜，分离阳极电解质腔7中的阳极电解质和阴极电解质腔8中的阴极电解质；从阳极电解质投料口5加入阳极电解质，阳极电解质没过Na-β-Al2O3膈膜管3，部分没过阳极4和温度传感器16。
在电解槽1中通过加热装置进行加热、电解；用温度传感器16监测温度；阳极电解质的添加由阳极电解质投料口阀门15控制；在阳极4、第一阴极9和第二阴极10上通以直流电进行电解作业；阴极端保护气体从阴极端保护气体入口19进入，由阴极端保护气体入口阀门20控制，阴极电解质也可以从阴极端保护气体入口19进入；生成的金属钠经计量器17计量后进入金属钠收集器12中储存，由排钠管阀门18控制；产生的尾气由尾气出口13排到尾气处理装置14中进行处理。
采用本实用新型所述的制备金属钠的熔融电解装置，在进行熔融电解时几乎无副反应，反应效率接近100%，能耗低；阴极端有保护气体，可在熔融电解过程中避免阴极电解质与空气或水等的反应；附产尾气可实时处理；附带金属钠收集装置，可避免空气或水等与金属钠的反应；所产金属钠纯度较高。
Claims (6)
1.一种垂直一体化熔融电解制备金属钠的装置，包括电解槽（1）、加热装置（2）、Na-β-Al2O3膈膜管（3）、阴极和阳极（4），其特征在于：所述的电解槽（1）的顶部设置有阳极电解质投料口（5）和尾气出口（13），所述的尾气出口（13）通过管道连接有尾气处理装置（14），电解槽（1）的底部开有金属钠出口（6）；所述的电解槽（1）内部空间为阳极电解质腔（7），所述的阳极（4）从电解槽（1）顶部插在所述的阳极电解质腔（7）中，阳极（4）部分露出在电解槽（1）外；所述的Na-β-Al2O3膈膜管（3）设置在阳极电解质腔（7）中，Na-β-Al2O3膈膜管（3）的顶部密封，Na-β-Al2O3膈膜管（3）的底部与电解槽（1）的底部连接，Na-β-Al2O3膈膜管（3）内部为阴极电解质腔（8），所述的阴极电解质腔（8）与所述的金属钠出口（6）连通，所述的阴极分别为第一阴极（9）和第二阴极（10），从电解槽（1）底部插在所述的阴极电解质腔（8）中，第一阴极（9）和第二阴极（10）部分露出在电解槽（1）外；所述的电解槽（1）下方设置有排钠管（11），所述的排钠管（11）一端与所述的金属钠出口（6）连通，另一端连接有金属钠收集器（12）。
2.根据权利要求1所述的一种垂直一体化熔融电解制备金属钠的装置，其特征在于：所述的阳极电解质投料口（5）与所述的电解槽（1）之间通过管道连接，在管道上设置有阳极电解质投料口阀门（15）。
3.根据权利要求1所述的一种垂直一体化熔融电解制备金属钠的装置，其特征在于：所述的垂直一体化熔融电解制备金属钠的装置还包括温度传感器（16），所述的温度传感器（16）从电解槽（1）顶部插在所述的阳极电解质腔（7）中，温度传感器（16）部分露出在电解槽（1）外。
4.根据权利要求1所述的一种垂直一体化熔融电解制备金属钠的装置，其特征在于：所述的排钠管（11）上，从所述的金属钠出口（6）到金属钠收集器（12）之间依次设置有计量器（17）和排钠管阀门（18）。
5.根据权利要求4所述的一种垂直一体化熔融电解制备金属钠的装置，其特征在于：所述的计量器（17）和排钠管阀门（18）之间的排钠管（11）上设置有阴极端保护气体入口（19）。
6.根据权利要求5所述的一种垂直一体化熔融电解制备金属钠的装置，其特征在于：所述的阴极端保护气体入口（19）通过管道与排钠管（11）连通，管道上设置有阴极端保护气体入口阀门（20）。
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| CN201420060446.9U Expired - Lifetime CN203700541U (zh) | 2014-02-10 | 2014-02-10 | 一种垂直一体化熔融电解制备金属钠的装置 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN203700541U (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110284155A (zh) * | 2019-07-29 | 2019-09-27 | 富民薪冶工贸有限公司 | 一种含高铋的铅电解方法 |
| CN113073357A (zh) * | 2021-03-19 | 2021-07-06 | 西南石油大学 | 一种基于固态电解质隔膜材料的电解装置及利用该电解装置制钠的方法 |
-
2014
- 2014-02-10 CN CN201420060446.9U patent/CN203700541U/zh not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110284155A (zh) * | 2019-07-29 | 2019-09-27 | 富民薪冶工贸有限公司 | 一种含高铋的铅电解方法 |
| CN113073357A (zh) * | 2021-03-19 | 2021-07-06 | 西南石油大学 | 一种基于固态电解质隔膜材料的电解装置及利用该电解装置制钠的方法 |
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