CN2496883Y

CN2496883Y - 单极式离子膜法电解槽

Info

Publication number: CN2496883Y
Application number: CN01259368.0U
Authority: CN
Inventors: 邢家悟; 康建忠; 韩艳华; 刘秀明; 赵国瑞
Original assignee: BEIJING CHEMICAL MACHINERY WORKS
Current assignee: Lanxing (Beijing) Chemical Machinery Co., Ltd.
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2002-06-26
Anticipated expiration: 2011-09-06

Abstract

本实用新型涉及一种单极式离子膜法电解槽,属于氯碱行业中的机械设备领域。该单极式离子膜法电解槽主要由阳极单元槽、阴极单元槽及离子交换膜构成,离子交换膜由密封垫片密封在阳极单元槽及阴极单元槽之间,阳极单元槽及阴极单元槽分别由四条边框构成的框架、框架两侧固定的电极网及位于框架内与电极网连接的筋板构成,在阳极单元槽及阴极单元槽的下端分别连接有电解液入口接管,上端分别连接有电解液出口接管,在阳极单元槽及阴极单元槽内的中间固定有棒状复合导体,棒状复合导体与筋板垂直固定连接在一起。本实用新型电化学性能先进,稳定性好,并且制作工艺简便,成本较低,易于控制。

Description

单极式离子膜法电解槽

(一)技术领域

本实用新型涉及一种单极式离子膜法电解槽，属于化工工业的氯碱行业中的机械设备领域。

(二)背景技术

目前在单极式离子膜法电解装置中，电解反应主体是由多个电极单元和离子交换膜通过密封垫片及采用拉杆紧固组合方式，由多组电解单元构成。而电极单元的结构直接影响到电流分布，电流分布均匀与否，不仅影响电流效率和电解电压，而且影响造价昂贵的离子膜寿命。因为电流分布不均匀，不仅造成阳极液和阴极浓度不均，还会使膜局部过电流，使膜受到损伤。现有的单极式离子膜法电解装置的阴极单元结构如图1所示，电流均匀轴向输入阴极多孔网面，电解质在阴极多孔网表面进行电解反应，同时该阴极多孔网面又兼作主要金属导体，将轴向均布输入电流集中，沿径向导出阴极电解单元。在电流集中沿径向导出方向上，阴极多孔网面径向断面电流密度呈梯度上升趋势，根据法拉第电解定律：电流的大小与反应物的减少量、生成物的增加量成正比。因此，电流密度分布不均，必然导致阴、阳极电解单元内物质浓度的不均匀。由电化学基础理论可知：浓差极化的产生会使过电位升高，电解电压升高，直接导致电耗上升，也极易使离子膜局部过电流而导致膜损伤。

(三)技术方案

本实用新型的目的是解决阴极表面电流密度分布不均匀的问题，降低结构电压，延长活性阴极的使用寿命，避免单元槽框的应力集中。

本实用新型所设计的单极式离子膜法电解槽主要由多组电解单元组装构成，电解单元主要由阳极单元槽、阴极单元槽及离子交换膜组成，离子交换膜由密封垫片密封在阳极单元槽及阴极单元槽之间，阳极单元槽及阴极单元槽分别由四条边框构成的框架、框架两侧固定的电极网及位于框架内与电极网连接的筋板构成，在阳极单元槽及阴极单元槽的下端分别连接有电解液入口接管，上端分别连接有电解液出口接管，在阳极单元槽及阴极单元槽内的中间固定有棒状复合导体，棒状复合导体与筋板垂直固定连接在一起。

在实用新型中，阳极单元槽内的棒状复合导体的截面形状为圆形，阴极单元槽内的棒状复合导体的截面形状为类椭圆形。

在本实用新型中，阴极单元槽内的阴极是活性阴极。

本实用新型的阳极单元槽及阴极单元槽中，阳、阴极筋板通过缓冲波浪板与边框固定焊接在一起，以防止应力集中，破坏边框。

本实用新型所设计的单极式离子膜法电解槽的电解单元和离子交换膜通过密封垫片，采用拉杆紧固组合方式，形成多组电解单元，并结合串、并连导电连接组件，进而组装成为电解装置主体，外围配以阴、阳极气液分离器和阴、阳循环总管组合形成的循环系统，最终组成一套完整的单极式离子膜电解装置。

本实用新型的优点在于：

1.阴极单元结构采用电极→筋极→复合导体的电流导出结构形式，使结构电阻减小，使电极网面径向传导电流密度相对趋于均匀；由于复合导体形状设计合理，因此有利于电解质循环充分、均匀；

2.使用活性阴极，在实际工作中可保持比较长时期的稳定性和高电效，并且该电极制造工艺比较简单，易于控制；

3.原有的单极式离子膜法电解装置的导电形式及结构，决定了其电极单元的偏心结构特点，因而存在严重的应力集中的问题，多次导致框架出现裂纹，发渗漏的致命缺陷；而本实用新型采用缓冲波浪板来连接固定阳极筋板及边框，有效保护边框主体不被破坏，从根本上解决了阳极单元的渗漏问题。

本实用新型结构合理，电流分布均匀、合理，制造成本低，使用寿命长，可广泛应用于氯碱行业。

(四)附图说明

图1是现有的单极式离子膜法电解槽中阴极单元结构示意图。

图2是本实用新型的单极式离子膜法电解槽的结构示意图。

图3是本实用新型中单极式离子膜法电解槽中阴极单元电流导向示意图。

图4是本实用新型中阴极单元结构示意图。

图5是阳极单元的边框与筋板连接结构示意图。

图6是图5的A部局部放大图。

(五)具体实施方式

如图2所示的单极式离子膜法电解槽主要由阴极单元槽1、阳极单元槽2及离子交换膜3构成，由密封垫片4、5将离子交换膜3密封在阴极单元槽1及阳极单元槽2之间，阳极单元槽及阴极单元槽分别由四条边框构成阴极框架6及阳极框架7；阳极单元由阳极网8、复合棒9及筋板10焊接形成，复合棒9的轴线垂直于筋板10，复合棒9的截面形状为圆形，复合棒9与筋板10焊接构成阳极骨架，阳极网8焊接于骨架的两侧。阳极8由钛基体涂以贵金属四元涂层，使其坚固耐用，寿命长。阳极骨架与阳极框架7焊接形成阳极单元槽2，其焊接处的结构如图5、6所示，将筋板10通过缓冲波浪板11与阳极框架7焊接，以保护边框不会因应力集中而受到破坏。而阴极单元与现有的铜基材镀镍阴极单元结构明显不同，由阴极网12、复合导体13及筋板14焊接形成，复合导体13的截面形状为类椭圆形，其与筋板14垂直焊接构成阴极骨架，阴极网12焊接于阴极骨架的两侧。阴极网12是采用不锈钢基材经碱刻蚀活化处理后形成的。阴极骨架与阴极框架6焊接形成阴极单元槽1，同样采取缓冲波浪板的焊接方式。在阴、阳极单元槽1、2的下端分别连接有电解液入口接管，上端分别连接有电解液出口接管。多组电解单元采用拉杆紧固组合方式，并结合串并连导电连接组件，外围配以阴、阳极气液分离器和阴阳极循环总管组合形成循环系统，最终可组成完整的单极式离子膜电解装置。

与现有的结构相比，本实施例中的单极式离子膜法电解槽的主要优点在于：

1.电流导出的结构合理。以阴极单元为例：

原有的单极式离子膜法电解装置的阴极单元结构如图1所示：电流均匀轴向输入阴极多孔网面，电解质在阴极多孔网表面进行电解反应，即电化学反应。同时，该阴极多孔网面又兼作主要金属导体，将轴向均布输入电流集中，沿径向导出阴极电解单元。在电流集中沿径向导出方向上，阴极多孔网面径向断面电流密度呈梯度上升趋势。电极是电化学反应的催化基体，根据法拉第电解定律：电流的大小与反应物的减少量、生成物的增加量成正比。因此，电流密度分布不均，必然导致阴、阳极电解单元内电解质浓度的不均匀。由电化学基础理论可知：浓差极化的产生会使过电位升高，电解电压升高，从而直接导致电耗上升。实践证明：离子膜局部过电流是导致膜损伤的最常见也是最主要的原因之一。如图3、4所示，使流向阳极网面的轴向均布电流沿轴向继续流入筋板，由筋板导向复合导体，复合导体将电流沿径向导出阴极单元。该结构形式有效缩短电极网面径向传导电流路径，使电极网面径向传导电流密度相对趋于均匀。经理论计算表明：改进部分的结构电阻(10-6Ω)比原有结构相应部分的电阻(10-5Ω)要小一个数量级；当操作电流密度为3.33kA/m²时，金属导体的结构电压降比原有结构降低了90(mV)。同样，阳极也采用复合棒-筋板-电极的导电形式，从而降低结构电阻，降低电压降。

2.采用合理的结构，降低成本。

原有的单极式离子膜法电解装置的阴极多孔网面，既作为电解反应的电极，又兼作主要金属导体，为此，就对阴极材质提出更严格的要求：优良的导电性能和在电解情况下的抗腐蚀性能。一般高导电材料大都对于碱金属氢氧化物缺乏足够的电化学稳定性，原阴极单元采用铜基材+镍镀层作为阴极，此种电极制作工艺复杂，电极表面镀层要求非常致密，且不得有任何划伤等缺陷，成品率低，造价昂贵。从现运行的实际效果可以看出，阴极析氢过电位升高比较快，而且存在不同程度的析铜，导致阴极活性中毒，阴极将较快被腐蚀的趋势不可逆转。本实用新型由不锈钢基材经碱刻蚀活化处理后，做为电解装置的阴极，测试析氢电位≤1.25V(Vs SCE)，等同于上述铜基材+镍镀层阴极初期的性能指标。但本实用新型使用的活性阴极由于活化处理用介质基本等同于实际操作运行时的工作介质，因而在实际工作中可保持比较长时期的稳定性和高电效；该电极性能优良，使用寿命长，可再生恢复活性，并且制作工艺简便，成本较低，易于控制。从运行结果看，优势显著。

再者，原有的单极式离子膜法电解装置的导电形式，决定了其电极单元的偏心结构特点，这种电解装置的阳极单元的结构设计，在生产实践中已经证实：存在严重的应力集中问题，多次导致框架出现裂纹发生渗漏的致命缺陷。采用缓冲波浪板设计，有效保护边框主体不被破坏，从根本上解决了阳极单元的渗漏问题。此外，缓冲波浪板外形尺寸设计经严格计算，不会影响气液循环通道的畅通。

本实用新型中，电极单元外框架由贵金属方形空心管构成，阴、阳极单元均采用复合导体→筋板→电极的导电形式，且复合导体均采用棒状，阴极单元的复合导体采用特殊的类椭圆截面形状，以减小电解过程中的阻力，有利于电解时电解槽内的电解液浓度均匀，阴极网由特殊材料－不锈钢316L小孔拉网板经活化处理而制成，阳极由钛基体(Ti)涂以贵金属四元涂层而制成，电极坚固耐用，寿命长。整台电解装置采用串、并连组合的导电形式，以此实现高电流、低电压操作。

当把浓度为200～220g/l的NaCl溶液(杂质含量严格按常规离子膜法电解工艺控制)加入阳极单元，同时把去离子的水加入阴极单元，则在槽温75～90℃、操作电流密度1.5～4.5kA/m²时，阴极单元电解产物：NaOH溶液的浓度高达32～35％，且碱中含盐NaCl浓度≤15ppm。阳极单元电解产物：氯气Cl₂纯度高达97.5％～99.5％，含氧O₂为0.5～1.5％。整台装置电流效率高达95～96％。

采用上述改进结构的电解槽组装的单极式离子膜法电解装置，经中试运行考核，测评结果：直流电耗为2100～2110DC.kWh/t 100％NaOH，比原有单极式离子膜法电解装置电耗指标2120～2200DC.kWh/t100％NaOH的低限值，降低20～10kWh。

采用本实用新型的单极式离子膜法电解槽组成的电解装置性能稳定，产品质量好。其电解电流密度分布均匀合理、活性阴极寿命长、制造成本较低、电槽结构稳定可靠。

Claims

1.一种单极式离子膜法单元电解槽，主要由多组电解单元组装构成，电解单元主要由阳极单元槽、阴极单元槽及离子交换膜组成，离子交换膜由密封垫片密封在阳极单元槽及阴极单元槽之间，阳极单元槽及阴极单元槽分别由四条边框构成的框架、框架两侧固定的电极网及位于框架内与电极网连接的筋板构成，在阳极单元槽及阴极单元槽的下端分别连接有电解液入口接管，上端分别连接有电解液出口接管，其特征是：在阳极单元槽及阴极单元槽内的中间固定有棒状复合导体，棒状复合导体与筋板垂直固定连接在一起。

2.根据权利要求1所述的单极式离子膜法电解槽，其特征还在于：阳极单元槽内的棒状复合导体的截面形状为圆形，阴极单元槽内的棒状复合导体的截面形状为类椭圆形。

3.根据权利要求1所述的单极式离子膜法电解槽，其特征还在于：阳极单元槽及阴极单元槽中，阳、阴极筋板通过缓冲波浪板与边框固定焊接在一起。

4.根据权利要求1所述的单极式离子膜法电解槽，其特征还在于：阴极单元槽内的阴极是活性阴极。