CN2173247Y

CN2173247Y - 阴极转动分隔式电解槽

Info

Publication number: CN2173247Y
Application number: CN 93242517
Authority: CN
Inventors: 马淳安
Original assignee: ZHEJIANG POLYTECHNICAL COLLEGE
Current assignee: ZHEJIANG POLYTECHNICAL COLLEGE
Priority date: 1993-10-18
Filing date: 1993-10-18
Publication date: 1994-08-03
Anticipated expiration: 2003-10-18

Abstract

一种阴极转动分隔式电解槽，包含有电解槽槽体 (2)、电解槽槽盖(5)和导电汞杯(8)，电解槽槽体(2) 内部设置阳极(18)和半圆筒状搅拌式阴极(17)，它们之间由袋状阳离子交换膜(3)分隔，各自构成阳极室 (22)和阴极室(1)。由于采用半圆筒状搅拌式阴极 (17)、袋状阳离子交换膜(3)和导电汞杯(8)等特有结构，使该电解槽传质效率高，电流密度分布均匀，时空效率高，适合于大电流导电，具有较大的实用价值和工业化生产前景。

Description

本实用新型属于电解合成的反应装置，尤其是电解合成有机物的阴极转动分隔式电解槽，该装置适用于电解合成有机产品的场合。

在本实用新型作出之前，用于有机化合物电解合成的电解槽大致有四类，第一类是常规的板框式压滤型电解槽，它由相互平行的多对正、负极板组成，极间距较小，电流分布较均匀，设备安装较简便，但这类电解槽的电解液采用槽内外强制循环的方法，传质效果差，能耗大，且出、入口易堵塞；第二类是美国专利US3645864提供的填充床或固定床电解槽，它以颗粒状电极作阴极，工作表面积很大，阴极极化电位较低，可避免或减少副产物的生成，但由于颗粒状电极直径很小，相互间非常松散，极难与外电源中的接触元件相连接，尤其是工业化电解生产时，需要极高的电流输入电极内，故目前难以解决在大电流下的电接触问题；第三类是中国专利CN1050058A提供的旋转圆盘电极（RDE）电解槽，它用一串圆盘电极作阴极，并与外界电动机相连，构成转动系统，由于RDN电极上各圆盘内的各处位置与阳极之间的距离各不相同，电流密度分布很不均匀，使各圆盘内部极化电位很不一样，盘内产生电压降，长期运转，电极寿命较短，另外，盘与盘之间的电解液在转动时既成死角，传质效果不太理想，故难以在工业化过程中实施；第四类是中国专利CN1064900A提供的阴极回转搅拌式多级串联电解槽，这种电解槽的最大优点是能间歇式流动操作，但由于电解过程中各槽之间的阴极液浓度各不相同，阴极电位各不一样，控制过程较为复杂，另外，该电解槽的阳极室封闭在转动状态下的筒状阴极内，阳极上产生的氧气很难排出槽外，阳极室内电解耗用的水极难从外部加入，长期运转难以实施，设置的筒状离子交换膜用平板型全氟复合膜制作，由于表面积大，密封范围广，氟材料与隔膜固定框之间极难粘合，因此，筒状离子交换膜的固定和密封难以解决，生产过程极易泄漏，甚至无法投入生产。

针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种在电解槽内部设置半圆筒状搅拌式阴极、袋状阳离子交换膜和串联式阳极室，以及导电汞杯，使电解过程传质速率高，电流密度分布均匀，能大电流导电，膜固定和装配简便，易于工业化生产的有机化合物电解合成的阴极转动分隔式电解槽。

阴极转动分隔式电解槽由电解槽槽体（2）、电解槽槽盖（5）和导电汞杯（8）所组成，以有机化合物为电解原料，电解槽槽体（2）内部设置阳极（18）和半圆筒状搅拌式阴极（17），它们之间由袋状阳离子交换膜（8）分隔，各自构成阳极室（22）和阴极室（1），电解槽槽体（2）底部设置氮气进口（20）、氮气分布板（19）和阴极液出料口（21），氮气进口（20）和氮气分布板（19）主要用于消除阴极液中溶解的氧，电解槽槽体（2）与电解槽槽盖（5）之间用卡口紧固螺钉连接，电解槽槽盖（5）上部配置阴极进料口（25）、参比电极入口（27）、回流冷凝管入口（28）和热电偶进口（24），其中参比电极和热电偶分别控制阴极室（1）内电解时的阴极电位和温度，回流冷凝管（12）则用于气化有机化合物的冷凝、回流及平衡体系的压力，电解槽槽盖（5）的盖面中间与导电汞杯（8）相连，其间配置滚珠轴承（7），以固定转动轴（11），转动轴（11）上连导电汞杯（8）和皮带轮（10），下连半圆筒状搅拌式阴极（17），在外界马达带动下使半圆筒状搅拌式阴极（17）转动，导电汞杯（8）内盛金属汞（14），其上覆盖异丙醇或水，由金属汞（14）与转动轴（11）中的导电密封套（9）接触导通，适合大电流导电，通过导电汞杯（8）杯体上的阴极电流接头（13）和阳极电流接头（16）与外电源构成电解回路，电解槽槽体（2）内设置4－12个阳极室（22），它们之间由阳极液循环接口（23）和阳极室连接管（26）相连，其中第一个阳极室（22）上部配置阳极液入口（6），最后一个阳极室（22）配置阳极液循环兼氧气出口（15），它们与外界阳极液容器兼气液分离器相连，可构成阳极液自循环和氧气自分离系统。

半圆筒状搅拌式阴极（17）由内外搅拌桨（33）、多孔阴极片（30）和阴极转动轴（29）所组成，多孔阴极片（30）由两个半圆形金属片制成，用螺钉紧固在上、下阴极支撑板（31）上，两个半圆多孔金属片之间设置阴极液内外流动通道（34）与阴极片孔（32），使多孔阴极片（30）内外的阴极液充分流动，阴极支撑极（31）和内外搅拌桨（33）固定在具有螺纹的阴极转动轴（29）上。

多孔阴极片（30）可以由紫铜或汞齐化铜或铜镍合金或铜钼合金或铜铋合金材料制成。

阳极室（22）外观为管状式，内装阳极（18），外套袋状阳离子交换膜（3），其间用圆柱形聚丙烯框架（4）支撑，圆柱形聚丙烯框架（4）用塑料焊条焊接在电解槽槽盖（5）上，使之形成一体。

阳极（18）由纯铅或铅银合金或二氧化铅或镀铂钛材料制成。

袋状阳离子交换膜（3）其形状类似圆筒状的袋子，上口敞开，下口封闭，由全氟基体材料和磺酸活性基团构成，用塑料扎扣紧固在圆柱形聚丙烯框架（4）上。

参比电极入口（27）配置的参比电极为同液动态氢电极（DHE），该电极在任何溶液体系中都可以直接使用，它可以直接控制电解过程中的阴极电位及反应终点。

导电汞杯（8）由铜材或镍材制成，内盛的金属汞（14）可以直接与转动轴（11）中的导电密封套（9）相接触，适合于大电流导电的场合。

本实用新型与现有技术相比，其主要优点是采用半圆筒状搅拌式阴极（17）取代了现今电解槽中的静止阴极及电流密度分布不均匀的RDE阴极，用袋状阳离子交换膜（3）代替了目前转动电极中难以固定和密封的平板型阳离子交换膜，由多个串联式阳极室（22）替代了现在阳极液难以自循环及装配困难的单一阳极室，用导电汞杯（8）取代了目前在转动情况下难以大电流导电的石墨碳刷，使电解过程传质效率高，电流密度分布均匀，时空效率高，膜固定简便牢固，阳极液保持自循环，阴极液能连续进料，适合大电流导电，且内设参比电极、热电偶、回流冷凝管和氮气分布板，可随时控制电解过程的阴极电位、反应温度、体系压力及消除阴极液中溶解的氧，完全避免了目前有机化合物电解合成过程中所存在的一些不足，因此，本实用新型可取代其它有机电解合成中的电解槽，广泛用于硝基化合物电解合成制备氨基或氨基酚类化合物的工业化生产，具有较大的实用价值和社会经济效益。

图1、2为阴极转动分隔式电解槽结构示意图。

其中：1┉阴极室，2┉电解槽槽体，3┉袋状阳离子交换膜，4┉圆柱形聚丙烯框架，5┉电解槽槽盖，6┉阳极液入口，7┉滚珠轴承，8┉导电汞杯，9┉导电密封套，10┉皮带轮，11┉转动轴，12┉回流冷凝管，13┉阴极电流接头，14┉金属汞，15┉阳极液循环兼氧气出口，16┉阳极电流接头，17┉半圆筒状搅拌式阴极，18┉阳极，19┉氮气分布板，20┉氮气入口，21┉阴极液出料口，22┉阳极室，23┉阳极液循环接口，24┉热电偶进口，25┉阴极液进料口，26┉阳极室连接管，27┉参比电极入口，28┉回流冷凝管入口。

图3、4为半圆筒状搅拌式阴极（17）结构示意图。

其中：29┉阴极转动轴，30┉多孔阴极片，31┉阴极支撑板，32┉阴极片孔，33┉内外搅拌桨，34┉阴极液内外流动通道。

图1至图4是本实用新型的具体实施例。

实施例1：

如图1至图4所示，阴极转动分隔式电解槽中的阳极（18）为二氧化铅电极，半圆筒状搅拌式阴极（17）中的多孔阴极片（30）由汞齐化铜制成，袋状阳离子交换膜（3）用F₄₆阳离子交换膜制成，直接套在圆柱形聚丙烯框架（4）上，不会漏液。阴极液由60升25％硫酸水溶液、12公斤硝基苯和20g十六烧基三甲基溴化铵相转移催化剂组成，从阴极液进料口（25）连续往阴极室（1）进料。阳极液为25％硫酸水溶液，从外界阳极液容器兼气液分离器进入阳极液入口（6），先后经过6个阳极室（22）后，自阳极液循环兼氧气出口（15）返回外界阳极液容器兼气液分离器，构成阳极液自循环和氧气自分离系统。皮带轮（10）与外界马达相连，使半圆筒状搅拌式阴极（17）转动，在内外搅拌桨（33）作用下，阴极液经阴极片孔（32）和阴极液内外流动通道（34）在多孔阴极片（30）内外充分流动，转速为500rpm。电解前，氮气从氮气入口（20）输入阴极室（1），在氮气分布板（19）作用下，氮气均匀分布在阴极液中，通氮气时间为40分钟，以除去阴极液中溶解的氧。阴极转动分隔式电解槽中的阴极电流接头（13）和阳极电流接头（16）与外电源连接，通过金属汞（14）与导电密封套（9）接触，使半圆筒状搅拌式阴极（17）的电流导通，构成电解回路，反应电流500A，导电汞杯（8）不发热。电解过程，由参比电极入口（27）中的同液动态氢电极控制阴极电位－0.15V－－0.35V，由热电偶进口（24）中的热电偶控制电解温度90＋2℃，电流密度为1000A／m²。经电解、分离后，对氨基苯酚收率达80.5％，含量为98.1％，硝基苯转化率95.0％，因此，本电解槽具有传质效率高、电流密度分布均匀、膜固定简便牢固、阳极液自循环、阴极液连续进料、操作简便稳定、产品收率高等特点，适合于工业化电解生产有机产品的场合。

Claims

1、一种阴极转动分隔式电解槽，包含有电解槽槽体(2)、电解槽槽盖(5)和导电汞杯(8)，其特征在于电解槽槽体(2)内部设置阳极(18)和半圆筒状搅拌式阴极(17)，它们之间由袋状阳离子交换膜(3)分隔，各自构成阳极室(22)和阴极室(1)，电解槽槽体(2)底部设置氮气进口(20)、氮气分布板(19)和阴极液出料口(21)，电解槽槽体(2)与电解槽槽盖(5)之间用卡口紧固螺钉连接，电解槽槽盖(5)上部设有阴极进料口(25)、参比电极入口(27)、回流冷凝管入口(28)和热电偶进口(24)，电解槽槽盖(5)的盖面中间与导电汞杯(8)相连，其间配置滚珠轴承(7)，以固定转动轴(11)，转动轴(11)上连导电汞杯(8)和皮带轮(10)，下连半圆筒状搅拌式阴极(17)，导电汞杯(8)内盛金属汞(14)，其上覆盖异丙醇或水，由金属汞(14)与转动轴(11)中的导电密封套(9)接触导通，通过导电汞杯(8)杯体上的阴极电流接头(13)和阳极电流接头(16)与外电源构成电解回路，电解槽槽体(2)内设置4-12个阳极室(22)，它们之间由阳极液循环接口(23)和阳极室连接管(26)相连，其中第一个阳极室(22)上部配置阳极液入口(6)，最后一个阳极室(22)上部配置阳极液循环兼氧气出口(15)，它们与外界阳极液容器兼气液分离器相连，可构成阳极液自循环和氧气自分离系统。

2、如权利要求1所述的阴极转动分隔式电解槽，其特征在于半圆筒状搅拌式阴极（17）由内外搅拌桨（33）、多孔阴极片（30）和阴极转动轴（29）所组成，多孔阴极片（30）由两个半圆形金属片制成，用螺钉紧固在上、下阴极支撑板（31）上，两个半圆多孔金属片之间设置阴极液内外流动通道（34），阴极支撑板（31）和内外搅拌桨（33）固定在具有螺纹的阴极转动轴（29）上。

3、如权利要求1或2所述的电解槽，其特征在于多孔阴极片（30）可以由紫铜或汞齐化铜或铜镍合金或铜钼合金或铜铋合金制成。

4、如权利要求1所述的电解槽，其特征在于阴极室（22）外观为管状式，内装阳极（18），外套袋状阳离子交换膜（3），其间由圆柱形聚丙烯框架（4）支撑，圆柱形聚丙烯框架（4）用塑料焊条焊接在电解槽槽盖（5）上使之形成一体。

5、如权利要求1或4所述的电解槽，其特征在于阳极（18）由纯铅或铅银合金或二氧化铅或镀铂钛材料制成。

6、如权利要求1或4所述的电解槽，其特征在于袋状阳离子交换膜（3）其形状类似圆筒状的袋子，上口敞开，下口封闭，由全氟基体材料和磺酸活性基团构成，用塑料扎扣紧固在圆柱形聚丙烯框架（4）上。

7、如权利要求1所述的电解槽，其特征在于参比电极入口（27）配置的参比电极为同液动态氢电极（DHE），用于控制电解过程中的阴极电位及反应终点。

8、如权利要求1所述的电解槽，其特征在于导电汞杯（8）由铜材或镍材制成。