JP2024507353A - Use of electrolytic cells, electrolyzers, and electrolytic cells for chlor-alkali electrolysis - Google Patents
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Abstract
本発明は、アノード（４）を収容するため、かつ電解液を収容するためのアノード室（２）を備えるクロルアルカリ電解用の電解セル（１）であって、アノード室（２）は、電解液の循環を向上させるための循環用構造体（５）と、電解液の水平方向の均一性を向上させるための少なくとも１つのバッフルプレート（６）とを備える、電解セル（１）、並びにそのような電解セル（１）を備える電解装置、及びクロルアルカリ電解用の電解セル（１）の使用に関する。【選択図】図１The present invention is an electrolytic cell (1) for chlor-alkali electrolysis comprising an anode chamber (2) for accommodating an anode (4) and for accommodating an electrolyte, the anode chamber (2) An electrolysis cell (1) comprising a circulation structure (5) for improving the circulation of the liquid and at least one baffle plate (6) for improving the horizontal homogeneity of the electrolyte; The present invention relates to an electrolyzer comprising such an electrolytic cell (1) and the use of the electrolytic cell (1) for chlor-alkali electrolysis. [Selection diagram] Figure 1
Description
本発明は、クロルアルカリ電解用の電解セル及び電解装置、並びにクロルアルカリ電解のためのそれらの使用に関する。 The present invention relates to electrolytic cells and devices for chlor-alkali electrolysis and their use for chlor-alkali electrolysis.
クロルアルカリ電解は、電気エネルギー及び電解セルを用いて、アルカリ塩化物水溶液から塩素ガス、水素及び水酸化物ガスを生成するプロセスである。アルカリ塩化物としては、一般に、塩化ナトリウム又は塩化カリウムが用いられる。塩化ナトリウム水溶液の電気分解の反応式は、以下の通りである。 Chlor-alkali electrolysis is a process that uses electrical energy and an electrolytic cell to produce chlorine gas, hydrogen, and hydroxide gas from an aqueous alkali chloride solution. As the alkali chloride, sodium chloride or potassium chloride is generally used. The reaction formula for electrolysis of an aqueous sodium chloride solution is as follows.
２ＮａＣｌ＋２Ｈ２Ｏ→Ｃｌ２＋Ｈ２＋２ＮａＯＨ 2NaCl+ 2H2O → Cl2 + H2 +2NaOH
クロルアルカリ電解用の電解セル及び電解装置の一般的な構成は、従来技術から周知である。例えば、米国特許第６，２８２，７７４号明細書、国際公開第２００９／００７３６６号、国際公開第２００４／０４００４０号、及び国際公開第２０１０／０５５１５２号は、クロルアルカリ電解用の電解セル及び電解装置に関する。 The general construction of electrolytic cells and electrolyzers for chlor-alkali electrolysis is well known from the prior art. For example, US Patent No. 6,282,774, International Publication No. 2009/007366, International Publication No. 2004/040040, and International Publication No. 2010/055152 disclose electrolysis cells and electrolyzers for chlor-alkali electrolysis. Regarding.
電解プロセス中、電解液が電極表面で消費され、電極表面でガスが生成される。言い換えれば、電極の表面で電解液の密度、温度、及び組成が変化し、電極の表面で気泡が発生する。電解液中で、気泡があること、又は電解質、密度及び温度の分布が不均一であることは、安定で効率的な電解プロセスにとって好ましいことではない。 During the electrolysis process, electrolyte is consumed at the electrode surface and gas is generated at the electrode surface. In other words, the density, temperature, and composition of the electrolyte changes at the surface of the electrode, causing bubbles to form at the surface of the electrode. Air bubbles or uneven distribution of electrolyte, density and temperature in the electrolyte are not favorable for a stable and efficient electrolytic process.
独国特許出願公開第４４１５１４６号明細書は、特殊成形された電極を用いてガスの蓄積を防止することにより、クロルアルカリ電解の効率性を向上させることを目的としている。そのような電解セルは電流の比消費量が低く、かつ電極及び膜表面に電流を均等に分布させており、これは、膜及び電極の耐用年数に有利な効果がある。 DE 44 15 146 A1 aims to improve the efficiency of chlor-alkali electrolysis by using specially shaped electrodes to prevent gas accumulation. Such electrolytic cells have a low specific current consumption and an even distribution of the current over the electrode and membrane surfaces, which has an advantageous effect on the service life of the membrane and electrodes.
米国特許第６，５０３，３７７号明細書もまた、電極からガス気泡をより高い効率で除去することを目的としている。電極は、生成されたガス気泡を蓄積させて取り除くために特殊成形されている。これにより、電極の表面の周囲に循環がもたらされる。 US Pat. No. 6,503,377 also aims to remove gas bubbles from electrodes with higher efficiency. The electrodes are specially shaped to accumulate and remove any gas bubbles that are created. This provides circulation around the surface of the electrode.
米国特許出願公開第２００６／００４２９３５号明細書では、電解液内の電解質がより均一に分布するための垂直バッフルプレート又は円筒ダクトの使用について述べられている。 US Patent Application Publication No. 2006/0042935 describes the use of vertical baffle plates or cylindrical ducts to more evenly distribute the electrolyte within the electrolyte.
米国特許出願公開第２０１７／０３０６５１３号明細書には、循環路を有するイオン交換膜電解セルが開示されており、その循環路は、アノード室及び／又はカソード室のベースプレート上に設けられた１つ又は複数の循環用プレートによって形成されている。循環プレートが特殊形状のプレートの構造を有する場合、電解用セルの垂直方向の循環だけでなく、電解用セルの奥行き方向の循環も促進され得る。 US Pat. Or it is formed by a plurality of circulation plates. When the circulation plate has a specially shaped plate structure, not only the circulation of the electrolysis cells in the vertical direction but also the circulation of the electrolysis cells in the depth direction can be promoted.
米国特許第６２００４３５号明細書には、隔壁に形成された凹凸のある表面を有する垂直型電解槽ユニットを備える電解槽が記載されている。凹凸の表面は、互いに重なり合って一体化しており、隔壁の凸部に電極プレートが接続されている。 US Pat. No. 6,200,435 describes an electrolytic cell comprising a vertical electrolytic cell unit having a textured surface formed on the partition wall. The uneven surfaces overlap each other and are integrated, and an electrode plate is connected to the convex portion of the partition wall.
米国特許第６７７３５６１号明細書には、アノード区画の上部に配置されたバッフルプレートをアノード区画に備えるユニットセルが開示されており、バッフルプレートは、バッフルプレートとアノードとの間に上向き流路が形成され、バッフルプレートとアノード区画の裏側内壁との間に下向き流路が形成されるように配される。 U.S. Pat. No. 6,773,561 discloses a unit cell in which the anode compartment includes a baffle plate disposed above the anode compartment, the baffle plate forming an upward flow path between the baffle plate and the anode. and is arranged so that a downward flow path is formed between the baffle plate and the back inner wall of the anode compartment.
以上のように、電解プロセスの安定性及び効率性を向上させるためにいくつかの試みがなされてきた。しかし、電解プロセスの安定性及び効率性をさらに向上させる必要がある。本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、電解プロセスの安定性及び効率性を向上させるために、電解液の均一性を向上させることを目的とする。 As described above, several attempts have been made to improve the stability and efficiency of electrolytic processes. However, there is a need to further improve the stability and efficiency of electrolytic processes. The present invention has been made in view of this problem, and an object of the present invention is to improve the uniformity of the electrolytic solution in order to improve the stability and efficiency of the electrolytic process.
本発明の第１の態様では、アノードを収容するため、かつ電解液を収容するためのアノード室を備えるクロルアルカリ電解用の電解セルを、本発明者らは提案する。当該電解セルは、アノード室が、電解液の循環を向上させるための循環用構造体と、電解液の均一性を向上させるための、好ましくは電解液の水平方向の均一性を向上させるための少なくとも１つのバッフルプレートとを備えることを特徴とする。 In a first aspect of the invention, we propose an electrolytic cell for chlor-alkali electrolysis comprising an anode chamber for accommodating an anode and for accommodating an electrolyte. The electrolytic cell has an anode chamber having a circulation structure for improving circulation of the electrolyte and a structure for improving the uniformity of the electrolyte, preferably horizontal uniformity of the electrolyte. and at least one baffle plate.
循環用構造体と少なくとも１つのバッフルプレートとは異なる構造体である。本発明者らは、これらの構造体を用いることにより、電解液内の化学分子の濃度についての電解液の均一性が、予想外の方法で向上することを見出した。実証された効果は、電解液内の密度及び温度の均一性についても想定され得る。 The circulation structure and the at least one baffle plate are different structures. The inventors have discovered that by using these structures, the uniformity of the electrolyte with respect to the concentration of chemical molecules within the electrolyte is improved in an unexpected manner. The demonstrated effect can also be envisaged for density and temperature uniformity within the electrolyte.
電解液は、アノード液を表してもよい。電解液は、好ましくは、塩化ナトリウム水溶液又は塩化カリウム水溶液を含む。好ましくは、電解液は、１００～４００ｇ／Ｌ、より好ましくは１５０～３００ｇ／Ｌ、さらに好ましくは１８０～２８０ｇ／Ｌの塩化ナトリウム又は塩化カリウムと水とを含む。好ましくは、アノード室は電解液を含む。 Electrolyte may represent an anolyte. The electrolytic solution preferably contains an aqueous sodium chloride solution or an aqueous potassium chloride solution. Preferably, the electrolyte contains 100 to 400 g/L, more preferably 150 to 300 g/L, even more preferably 180 to 280 g/L of sodium chloride or potassium chloride and water. Preferably, the anode chamber contains an electrolyte.
「電解液の均一性」という用語は、電解液中の塩化ナトリウム及び／又は塩化カリウムの密度及び／又は温度及び／又は濃度が、アノード室内の様々な箇所で均等又は同様であることを意味する。 The term "electrolyte homogeneity" means that the density and/or temperature and/or concentration of sodium chloride and/or potassium chloride in the electrolyte is equal or similar at various locations within the anode chamber. .
「電解液の均一性を向上させる」という用語は、電解液中の塩化ナトリウム及び／又は塩化カリウムの密度及び／又は温度及び／又は濃度を、アノード室内の様々な箇所で、より均等又は同様にすることを意味する。言い換えれば、「電解液の均一性を向上させる」という用語は、電解液中の塩化ナトリウム及び／又は塩化カリウムの密度及び／又は温度及び／又は濃度を、アノード室内の様々な箇所で近似化／整列化／同調化／同等化することを意味する。 The term "improving the homogeneity of the electrolyte" means that the density and/or temperature and/or concentration of sodium chloride and/or potassium chloride in the electrolyte can be made more uniform or similar at various points within the anode chamber. It means to do. In other words, the term "improve the homogeneity of the electrolyte" means that the density and/or temperature and/or concentration of sodium chloride and/or potassium chloride in the electrolyte is approximated/improved at various points within the anode chamber. It means to align/synchronize/equalize.
「電解液の水平方向の均一性を向上させる」という用語は、電解液中の塩化ナトリウム及び／又は塩化カリウムの密度及び／又は温度及び／又は濃度を、アノード室内の様々な箇所でより均等又は同様にし、ここでは、電解液を水平層のスタックと見なし、電解液中の塩化ナトリウム及び／又は塩化カリウムの密度及び／又は温度及び／又は濃度を、少なくとも１つの水平層内でより均等又は同様にすることを意味する。好ましくは、この少なくとも１つの水平層は、アノード室の（重心の方向の）下端部にあり、かつ／又はアノード室の入口の近くにある。 The term "improving the horizontal uniformity of the electrolyte" means making the density and/or temperature and/or concentration of sodium chloride and/or potassium chloride in the electrolyte more uniform or more uniform at various locations within the anode chamber. Similarly, here we consider the electrolyte as a stack of horizontal layers, with the density and/or temperature and/or concentration of sodium chloride and/or potassium chloride in the electrolyte being more equal or similar within at least one horizontal layer. It means to make. Preferably, this at least one horizontal layer is at the lower end (in the direction of the center of gravity) of the anode chamber and/or near the entrance of the anode chamber.
「電解液中の塩化ナトリウム及び／又は塩化カリウムの同様の密度及び／又は温度及び／又は濃度」という用語は、アノード室内及び／又は水平層内の様々な箇所の間で、最大差が５、１０、１５、２０、２５、３０、又は３５％であることを意味する。 The term "similar density and/or temperature and/or concentration of sodium chloride and/or potassium chloride in the electrolyte" means that there is a maximum difference of 5, 10, 15, 20, 25, 30, or 35%.
アノード室はアノードを備える。好ましくは、アノードは、アノード室内で本質的に垂直に配置される。好ましくは、アノード室は、垂直方向に最も長い寸法／膨張性を有する。 The anode chamber includes an anode. Preferably, the anode is arranged essentially vertically within the anode chamber. Preferably, the anode chamber has the longest dimension/expansion in the vertical direction.
アノードは、単一の構造要素であってもよく、又はいくつかの構造要素を備えてもよい。アノードは、メッシュの形態を有してもよい。 The anode may be a single structural element or may comprise several structural elements. The anode may have the form of a mesh.
クロルアルカリ電解用電解セルは、当業者に知られていてクロルアルカリ電解を行うのに役立つさらなる要素を備えてもよい。 The electrolysis cell for chlor-alkali electrolysis may include further elements known to those skilled in the art and useful for carrying out chlor-alkali electrolysis.
そのような要素は、例えば、カソードを収容するため、かつカソード液を収容するためのカソード室である。一実施形態では、電解セルは、カソードを収容するため、かつカソード液を収容するためのカソード室を備える。一実施形態では、カソード室は、カソード及びカソード液を備える。カソードは、単一の構造要素であってもよく、又はいくつかの構造要素を備えてもよい。カソードは、メッシュの形態を有してもよい。 Such an element is, for example, a cathode chamber for accommodating the cathode and for accommodating the catholyte. In one embodiment, the electrolysis cell includes a cathode chamber for housing the cathode and for housing the catholyte. In one embodiment, the cathode chamber includes a cathode and a catholyte. The cathode may be a single structural element or may comprise several structural elements. The cathode may have the form of a mesh.
好ましくは、アノード室及びカソード室は、イオン交換膜によって分離される。好ましくは、前記膜は半透過性である。言い換えれば、前記膜により、好ましくは、アノード室とカソード室との間でナトリウムイオン及び／又はカリウムイオンの交換が可能になる。言い換えれば、電解セルは、好ましくはイオン交換膜を備える。 Preferably, the anode and cathode compartments are separated by an ion exchange membrane. Preferably, the membrane is semi-permeable. In other words, the membrane preferably allows the exchange of sodium and/or potassium ions between the anode and cathode compartments. In other words, the electrolytic cell preferably includes an ion exchange membrane.
上記の循環用構造体により、アノード室内では電解液の循環が向上する。しかし、前記のように循環が向上すれば、イオン交換膜を通過するアルカリの流量が増加するため、カソード反応にも有益である。 The circulation structure described above improves the circulation of the electrolyte within the anode chamber. However, improved circulation as described above is also beneficial to the cathode reaction, as the flow rate of alkali through the ion exchange membrane is increased.
電解セルは、ガスと液体との分離器、電流分配器、入口、生成物出口などの当業者に知られている要素をさらに含んでもよい。例えば、アノード室は、１５０～４５０ｇ／Ｌ、好ましくは２００～４００ｇ／Ｌ、より好ましくは２５０～３５０ｇ／Ｌ、最も好ましくは約３００ｇ／Ｌの塩化ナトリウム及び／又は塩化カリウムと水とを含む流れのための少なくとも１つの入口を有してもよい。さらに、アノード室は、好ましくは（重心から離れた）アノード室の上端部に、塩素ガスのための１つの生成物出口を有してもよい。さらに、アノード室は、塩化ナトリウム水溶液及び／又は塩化カリウム水溶液を含む流れのための１つの出口を有してもよい。 The electrolytic cell may further include elements known to those skilled in the art such as gas and liquid separators, current distributors, inlets, product outlets, etc. For example, the anode chamber may contain a stream containing 150 to 450 g/L, preferably 200 to 400 g/L, more preferably 250 to 350 g/L, most preferably about 300 g/L of sodium chloride and/or potassium chloride and water. may have at least one inlet for. Furthermore, the anode chamber may have one product outlet for chlorine gas, preferably at the upper end of the anode chamber (away from the center of gravity). Furthermore, the anode chamber may have one outlet for a stream comprising an aqueous sodium chloride solution and/or an aqueous potassium chloride solution.
アノード室は、（重心から離れた）上端部及び（重心の方向の）下端部を有する。 The anode chamber has an upper end (away from the center of gravity) and a lower end (toward the center of gravity).
電解セルはゼロギャップセルであってもよい。 The electrolytic cell may be a zero gap cell.
「備える」及び「含む」という動詞及びそれらの活用形は、「からなる」という動詞及びその活用形を含む。 The verbs "comprise" and "comprise" and their conjugations include the verb "consist of" and their conjugations.
「少なくとも１つ」という用語は、「１つ」という用語を含む。「１つ」という用語は、「少なくとも１つ」という用語を含む。 The term "at least one" includes the term "one." The term "one" includes the term "at least one."
クレームには、好ましい実施形態が含まれる。 The claims include preferred embodiments.
好ましくは、循環用構造体は、その循環用構造体の周囲で電解液を循環させるための構造体である。言い換えれば、循環用構造体の周囲での電解液の循環は、ループ状であることが好ましい。これにより、循環用構造体が相応に設計されている場合、アノード室全体の均一性が高められる。 Preferably, the circulation structure is a structure for circulating an electrolyte around the circulation structure. In other words, it is preferable that the electrolyte be circulated around the circulation structure in a loop shape. This increases the uniformity of the entire anode chamber if the circulation structure is designed accordingly.
好ましくは、循環用構造体は、電解液を本質的に垂直に循環させるための構造体である。 Preferably, the circulation structure is a structure for essentially vertical circulation of the electrolyte.
アノード室内のアノードは、電解液から塩素ガス気泡を発生させる。このガス気泡は、周囲の電解液よりも密度が低く、（重心から離れて）アノード室の上端部に流れる。上昇するガス気泡は、アノード室の下部からさらに電解液を引き寄せる。本発明では、この「ガスリフト効果」を用いる。アノードの区域に隣接して循環用構造体を配置することで、ガスリフト効果により高度な垂直循環を生じさせる。高度な循環によって電解液が混ざり合い、電解液の均一性が向上する。したがって循環用構造体は、好ましくは、電解液の垂直方向の均一性を向上させるための構造体である。 The anode within the anode chamber generates chlorine gas bubbles from the electrolyte. This gas bubble is less dense than the surrounding electrolyte and flows to the top of the anode chamber (away from the center of gravity). The rising gas bubbles attract more electrolyte from the bottom of the anode chamber. In the present invention, this "gas lift effect" is used. Placing the circulation structure adjacent to the area of the anode creates a high degree of vertical circulation due to the gas lift effect. The high degree of circulation mixes the electrolyte and improves electrolyte uniformity. Therefore, the circulation structure is preferably a structure for improving the vertical uniformity of the electrolyte.
「電解液の垂直方向の均一性を向上させる」という用語は、電解液中の塩化ナトリウム及び／又は塩化カリウムの密度及び／又は温度及び／又は濃度を、アノード室内の垂直方向の様々な箇所で、より均等又は同様にすることを意味する。 The term "improving the vertical uniformity of the electrolyte" refers to increasing the density and/or temperature and/or concentration of sodium chloride and/or potassium chloride in the electrolyte at various vertical locations within the anode chamber. , means to make more equal or similar.
好ましくは、循環用構造体は、アノード室内に少なくとも１つの下降管を形成している。「下降管」という用語は、垂直方向に延在し、その上部及びその下端部で開いている少なくとも部分的に画定されたアノード室の領域を表すものとする。より好ましくは、循環用構造体は、アノード室内に複数の下降管を形成している。下降管の形状により、垂直方向の均一性を向上させるための特に良好な垂直循環が可能になる。 Preferably, the circulation structure forms at least one downcomer pipe within the anode chamber. The term "downcomer" shall refer to an at least partially defined region of the anode chamber that extends vertically and is open at its upper and lower ends. More preferably, the circulation structure forms a plurality of downcomers within the anode chamber. The shape of the downcomer allows particularly good vertical circulation to improve vertical uniformity.
好ましくは、循環用構造体及び／又は少なくとも１つの下降管は、アノードと本質的に平行に配置される。 Preferably, the circulation structure and/or the at least one downcomer are arranged essentially parallel to the anode.
循環用構造体は、アノード室を上昇流区域と下降流区域とに分割し、それぞれには電解液が含まれる。上昇流区域は、アノードから（重心から離れて）アノード室の上端部に流れるガス気泡を特徴とする。 The circulation structure divides the anode chamber into an upflow section and a downflow section, each containing an electrolyte. The upflow zone is characterized by gas bubbles flowing from the anode to the upper end of the anode chamber (away from the center of gravity).
好ましくは、上昇流区域は、アノードと循環用構造体との間に配置される。 Preferably, the upflow section is located between the anode and the circulation structure.
一実施形態では、上昇流区域は、アノードに面している循環用構造体の表面とアノードとの間に配置される。さらに、下降流区域は、アノードとは反対側の循環用構造体の表面に配置される。 In one embodiment, the upflow section is located between the surface of the circulation structure facing the anode and the anode. Additionally, the downflow section is located on the surface of the circulation structure opposite the anode.
好ましくは、下降流区域の断面に対する上昇流区域の断面の割合は、１又は１未満、好ましくは０．８～０．３、より好ましくは０．６～０．４、最も好ましくは約０．４３である。この割合により、特定の均一な電解液となり得る。 Preferably, the ratio of the cross section of the upflow section to the cross section of the downflow section is 1 or less than 1, preferably from 0.8 to 0.3, more preferably from 0.6 to 0.4, most preferably about 0. It is 43. This ratio allows for a specific homogeneous electrolyte.
好ましくは、上昇流区域の断面プラス下降流区域の断面は、５～１００ｃｍ２、より好ましくは７～５０ｃｍ２である。 Preferably, the cross section of the upflow section plus the cross section of the downflow section is between 5 and 100 cm 2 , more preferably between 7 and 50 cm 2 .
一実施形態では、少なくとも１つの下降管は、（上面視で）Ｖ字形を有する／形成している。別の実施形態では、少なくとも１つの下降管は、（上面視で）トラフの形状を有する／形成している。別の実施形態では、少なくとも１つの下降管は、（上面視で）正六角形の半分の形状を有する／形成している。上記の各形状により、優れた循環が可能になる。好ましくは、Ｖ字の頂点はアノードの方を向いている。好ましくは、トラフはアノードに向かって開いている。 In one embodiment, the at least one downcomer has/forms a V-shape (in top view). In another embodiment, the at least one downcomer has/forms a trough (in top view). In another embodiment, the at least one downcomer has/forms the shape (in top view) of a regular hexagon half. Each of the above shapes allows for excellent circulation. Preferably, the apex of the V points towards the anode. Preferably the trough is open towards the anode.
アノード及び循環用構造体は、アノード室の高さ区域に沿って延在する。 The anode and circulation structure extends along the height section of the anode chamber.
好ましくは、循環用構造体及び／又は少なくとも１つの下降管は、高さが、アノードの高さの５０～１００％、好ましくは６０～９８％、より好ましくは７０～９６％である。この高さにより、特定の均一な電解液となり得る。一実施形態では、９２～９９％が好ましく、９３～９８％がさらに好ましい。別の実施形態では、６０～８５％が好ましく、６５～８０％がさらに好ましい。 Preferably, the circulation structure and/or the at least one downcomer have a height of 50-100%, preferably 60-98%, more preferably 70-96% of the height of the anode. This height allows for a specific homogeneous electrolyte. In one embodiment, 92-99% is preferred, and 93-98% is more preferred. In another embodiment, 60-85% is preferred, and 65-80% is even more preferred.
好ましくは、循環用構造体及び／又は少なくとも１つの下降管は、アノードの高さの５０～１００％、好ましくは６０～９８％、より好ましくは７０～９６％に沿って延在する。この高さにより、特定の均一な電解液となり得る。一実施形態では、９２～９９％が好ましく、９３～９８％がさらに好ましい。別の実施形態では、６０～８５％が好ましく、６５～８０％がさらに好ましい。 Preferably, the circulation structure and/or the at least one downcomer extend along 50-100%, preferably 60-98%, more preferably 70-96% of the height of the anode. This height allows for a specific homogeneous electrolyte. In one embodiment, 92-99% is preferred, and 93-98% is more preferred. In another embodiment, 60-85% is preferred, and 65-80% is even more preferred.
好ましくは、アノードは、長さが１００～１６０ｃｍ、より好ましくは１２０～１４０ｃｍである。 Preferably, the anode has a length of 100-160 cm, more preferably 120-140 cm.
好ましくは、循環用構造体及び／又は少なくとも１つの下降管は、長さが５０～１６０ｃｍ、より好ましくは６０～１４０ｃｍである。 Preferably, the circulation structure and/or the at least one downcomer pipe has a length of 50 to 160 cm, more preferably 60 to 140 cm.
特にゼロギャップセルでは、イオン交換膜がカソード室からの圧力によってアノードに押し付けられていることが一般的であり、アノードを機械的に安定化することが好ましい。好ましくは、循環用構造体及び／又は少なくとも１つの下降管は、アノードを（機械的に）支持するための構造体である。好ましくは、循環用構造体及び／又は少なくとも１つの下降管は、特にカソード室からの圧力に対抗してアノードを（機械的に）支持している。 Particularly in zero-gap cells, it is common for the ion exchange membrane to be pressed against the anode by pressure from the cathode chamber, and it is preferable to mechanically stabilize the anode. Preferably, the circulation structure and/or the at least one downcomer are structures for (mechanically) supporting the anode. Preferably, the circulation structure and/or the at least one downcomer support (mechanically) the anode, in particular against pressure from the cathode chamber.
一実施形態では、１つのバッフルプレートが好ましい。 In one embodiment, one baffle plate is preferred.
少なくとも１つのバッフルプレートは、水平又は本質的に水平に配置される。「本質的に水平」という用語は、「水平である」、又は「水平な線に対して４５°より小さい、特に３０、２０、１０、又は５°より小さい傾斜を有する」ことを意味する。水平のバッフルプレートは、循環用構造体によってもたらされる垂直循環と組み合わせて均一性を向上させるのに特に有用である。 The at least one baffle plate is arranged horizontally or essentially horizontally. The term "essentially horizontal" means "horizontal" or "having an inclination of less than 45°, especially less than 30, 20, 10, or 5° relative to a horizontal line." Horizontal baffle plates are particularly useful in combination with the vertical circulation provided by the circulation structure to improve uniformity.
好ましくは、各バッフルプレートは、長さが１０～２３５ｃｍ、好ましくは２６～２３５ｃｍ、かつ／又は幅が５～２０ｃｍ、好ましくは７～１５ｃｍである。 Preferably, each baffle plate has a length of 10 to 235 cm, preferably 26 to 235 cm, and/or a width of 5 to 20 cm, preferably 7 to 15 cm.
好ましくは、バッフルプレートは、水平及び／又は水平面である。 Preferably, the baffle plate is horizontal and/or horizontally planar.
バッフルプレートは、摂動を引き起こすための穿孔を有してもよく、これにより、アノード室における電解液の均一性が向上する。 The baffle plate may have perforations to cause perturbations, which improve the homogeneity of the electrolyte in the anode chamber.
少なくとも１つのバッフルプレートは、アノード室の少なくとも１つの入口からの流れがバッフルプレートに衝突するように配置される。言い換えれば、アノード室の少なくとも１つの入口からの流れは、バッフルプレートに向けられる。好ましくは、アノード室の少なくとも１つの入口は、アノード室の（重心の方向の）下端部にある。前記流れは、１５０～４５０ｇ／Ｌ、好ましくは２００～４００ｇ／Ｌ、より好ましくは２５０～３５０ｇ／Ｌ、最も好ましくは約３００ｇ／Ｌの塩化ナトリウム及び／又は塩化カリウムと水とを含む。バッフルプレートは摂動を生じさせ、これにより、アノード室において電解液との混合が向上し、アノード室における電解液の均一性が向上する。 The at least one baffle plate is positioned such that flow from the at least one inlet of the anode chamber impinges on the baffle plate. In other words, flow from at least one inlet of the anode chamber is directed to the baffle plate. Preferably, at least one inlet of the anode chamber is at the lower end (in the direction of the center of gravity) of the anode chamber. Said stream comprises 150-450 g/L, preferably 200-400 g/L, more preferably 250-350 g/L, most preferably about 300 g/L sodium chloride and/or potassium chloride and water. The baffle plate creates a perturbation that improves mixing with the electrolyte in the anode chamber and improves uniformity of the electrolyte in the anode chamber.
少なくとも１つのバッフルプレートは、循環用構造体及び／又は少なくとも１つの下降管から（すなわち下降流区域から）の電解液の流れが、バッフルプレートに衝突するように配置される。言い換えれば、循環用構造体及び／又は少なくとも１つの下降管から（すなわち下降流区域から）の電解液の流れは、バッフルプレートに向けられる。これにより、アノード室における電解液の均一性が向上する。 The at least one baffle plate is arranged such that a flow of electrolyte from the circulation structure and/or the at least one downcomer (ie from the downcomer zone) impinges on the baffle plate. In other words, the flow of electrolyte from the circulation structure and/or the at least one downcomer (ie from the downflow section) is directed to the baffle plate. This improves the uniformity of the electrolyte in the anode chamber.
少なくとも１つのバッフルプレートは、アノード室の少なくとも１つの入口からの流れがバッフルプレートに衝突し、循環用構造体及び／又は少なくとも１つの下降管から（すなわち下降流区域から）の電解液の流れがバッフルプレートに衝突するように配置される。これにより、特に、アノード室における電解液の混合が向上し、アノード室における電解液の均一性が向上する。一実施形態では、アノード室の少なくとも１つの入口からの流れは、少なくとも１つのバッフルプレートの底面に衝突し、循環用構造体の下端部及び／又は少なくとも１つの下降管から（すなわち下降流区域から）の電解液の流れは、バッフルプレートの上面に衝突する。好ましくは、アノード室の少なくとも１つの入口は、アノード室の（重心の方向の）下端部にある。 The at least one baffle plate is arranged such that the flow from the at least one inlet of the anode chamber impinges on the baffle plate and the flow of electrolyte from the circulation structure and/or the at least one downcomer (i.e. from the downflow section) impinges on the baffle plate. arranged to impinge on the baffle plate. This particularly improves the mixing of the electrolyte in the anode chamber and improves the homogeneity of the electrolyte in the anode chamber. In one embodiment, the flow from the at least one inlet of the anode chamber impinges on the bottom surface of the at least one baffle plate and from the lower end of the circulation structure and/or the at least one downcomer (i.e. from the downcomer area). ) the electrolyte flow impinges on the top surface of the baffle plate. Preferably, at least one inlet of the anode chamber is at the lower end (in the direction of the center of gravity) of the anode chamber.
本発明の第２の態様では、本発明は、本発明による少なくとも１つの電解セルを備えるクロルアルカリ電解用の電解装置に関する。 In a second aspect of the invention, the invention relates to an electrolyzer for chlor-alkali electrolysis comprising at least one electrolytic cell according to the invention.
このような電解装置は、電解槽を表してもよい。 Such an electrolyzer may represent an electrolytic cell.
電解装置は、本発明による複数の電解セルを備える。 The electrolyzer comprises a plurality of electrolytic cells according to the invention.
電解装置は、フィルタプレス電解槽及び／又はバイポーライオン交換膜プロセス電解槽であってもよい。 The electrolyzer may be a filter press cell and/or a bipolar ion exchange membrane process cell.
クロルアルカリ電解用の電解装置は、当業者に知られていてクロルアルカリ電解を行うのに役立つさらなる要素を備えてもよい。 The electrolyzer for chlor-alkali electrolysis may comprise further elements known to those skilled in the art and useful for carrying out chlor-alkali electrolysis.
本発明の第３の態様では、本発明は、クロルアルカリ電解用の本発明による電解セル又は本発明による電解装置の使用に関する。 In a third aspect of the invention, the invention relates to the use of an electrolysis cell according to the invention or an electrolysis device according to the invention for chlor-alkali electrolysis.
本発明の各態様の本明細書記載の実施形態は、任意の方法で組み合わされてもよい。さらに、本発明の３つの態様について記載した実施形態は、任意の方法で組み合わされてもよい。 The embodiments described herein of each aspect of the invention may be combined in any manner. Furthermore, the embodiments described for the three aspects of the invention may be combined in any manner.
ここで、選択した本発明の実施形態について、以下の図を用いて記載する。 Selected embodiments of the invention will now be described using the following figures.
クロルアルカリ電解用の本発明による電解セル１を図１に示す。
An
電解セル１は、アノード室２及びカソード室３を備える。アノード室２は、アノード４、電解液（図示せず）、循環用構造体５、及び１つのバッフルプレート６を備える。電解液は、水と約１８０～２８０ｇ／Ｌの塩化ナトリウムとを含む。アノード４及び循環用構造体５は、アノード室２の高さ区域に沿って延在する。
The
循環用構造体５は、アノード室２を上昇流区域７と下降流区域８とに分割する。下降流区域８の断面に対する上昇流区域７の断面の割合は１未満である。循環用構造体５は、ガスリフト効果をもたらし、循環用構造体５の周囲に、本質的に垂直な電解液の高度な循環を生じさせる。
The
アノード４は、電解液から塩素ガス気泡を発生させる。このガス気泡は、周囲の電解液よりも密度が低く、アノード室２の上端部に流れるが、これが上昇流区域７を特徴付けるものである。上昇するガス気泡は、アノード室２の下部から電解液を引き寄せる。同時に、電解液は、アノード室２の上端部からのガス気泡によって引きずられ、かつ／又は排出され、これにより、下降流区域８が生じる。下降流区域８からの電解液の流れは、バッフルプレート６の上面に衝突する。高度な垂直循環によって電解液が混ざり合い、電解液の均一性が向上する。
The
本発明による電解装置は、本発明による少なくとも１つの電解セル１、好ましくは複数の電解セル１を備える。
The electrolysis device according to the invention comprises at least one
図１に示すように、バッフルプレート６及び入口９は、アノード室２の（重心方向の）下端部に配置されている。水平のバッフルプレート６は、図２により詳細に示されている。
As shown in FIG. 1, the
バッフルプレート６は、アノード室２の２つの入口９からの流れがバッフルプレート６に衝突するように配置されている。前記流れは、水と約３００ｇ／Ｌの塩化ナトリウムとを含む。バッフルプレート６は、前記流れと、水及び約１８０～２８０ｇ／Ｌの塩化ナトリウムを含む電解液との混合を強制的に行う摂動を引き起こす。これにより、アノード室２における電解液の均一性、特に水平方向の均一性が向上する。
The
図１から分かるように、下降流区域８からの電解液の流れもまた、バッフルプレート６に衝突する。これにより、アノード室２の中は、特定の均一な電解液となる。
As can be seen in FIG. 1, the flow of electrolyte from the
図３Ａ及び図３Ｂは、下降管の好ましい実施形態を上面視で示している。循環用構造体５は、下降管を形成している。下降管はイオン交換膜に対抗してアノード４を機械的に支持しており、イオン交換膜はカソード室からの圧力によってアノード４に押し付けられていてもよい。図３Ａでは、下降管はトラフの形状を有している。トラフは、アノード４に向かって開いている。図３Ｂでは、下降管は正六角形の半分の形状を有している。図３Ａ及び図３Ｂでは、下降管はＶ字形を形成している。Ｖ字の頂点はアノード４の方を向いている。
3A and 3B show a preferred embodiment of the downcomer in top view. The
ここで、選択した本発明の実施形態によって達成される効果について、実験を用いて記載する。 The effects achieved by selected embodiments of the invention will now be described experimentally.
下降流区域８の断面に対する上昇流区域７の断面の割合の影響を試験するために、以下の実験１及び２を行った。
To test the effect of the ratio of the cross section of the
本発明及び図１に則して、電解セル１を作製した。
An
循環用構造体５で、アノード室２を上昇流区域７と下降流区域８とに分割した。実験１では、下降流区域８の断面に対する上昇流区域７の断面の割合は１であった。
A
前記電解セルでクロルアルカリ電解を開始した。３００ｇ／Ｌの塩化ナトリウムを含む塩化ナトリウム水溶液をセルに供給した。電解セルの６つの異なる高さの１８の異なる箇所で、電解液中の塩化ナトリウムの濃度を測定した。結果を表１に示す。 Chlor-alkali electrolysis was started in the electrolysis cell. An aqueous sodium chloride solution containing 300 g/L of sodium chloride was supplied to the cell. The concentration of sodium chloride in the electrolyte was measured at 18 different locations at 6 different heights of the electrolytic cell. The results are shown in Table 1.
表1:電解セルの18の異なる箇所での電解液中の塩化ナトリウムの濃度(g/L単位の値)。 Table 1: Concentration of sodium chloride in the electrolyte (values in g/L) at 18 different points in the electrolysis cell.
１８箇所の間の最も高い検出濃度差は、３０ｇ／Ｌ（２３２ｇ／Ｌ－２０２ｇ／Ｌ）であった。 The highest detected concentration difference among the 18 locations was 30 g/L (232 g/L-202 g/L).
実験２を類似の方法で行った。実験２では、下降流区域８の断面に対する上昇流区域７の断面の割合は０．４３であった。結果を表２に示す。
表2:電解セルの18の異なる箇所での電解液中の塩化ナトリウムの濃度(g/L単位の値)。 Table 2: Concentration of sodium chloride in the electrolyte (values in g/L) at 18 different points in the electrolysis cell.
１８箇所の間の最も高い検出濃度差は、２２ｇ／Ｌ（２２２ｇ／Ｌ－２００ｇ／Ｌ）であった。 The highest detected concentration difference among the 18 locations was 22 g/L (222 g/L-200 g/L).
１８箇所の間の最大差は、実験２ではより低かった。さらに、実験２の濃度差は、セルの高さ方向でより低かった。
The maximum difference between the 18 locations was lower in
したがって、均一な電解液を有するには、下降流区域８の断面に対する上昇流区域７の断面の割合が１未満であることが有利である。
Therefore, in order to have a homogeneous electrolyte, it is advantageous for the ratio of the cross section of the
アノード４の高さに対する循環用構造体５の高さの影響を試験するために、以下の実験３～５を行った。
In order to test the influence of the height of the
本発明及び図１に則して、電解セル１を作製した。
An
実験３では、循環用構造体５の高さは、アノード４の高さの７１％であった。
In
前記電解セルでクロルアルカリ電解を開始した。３００ｇ／Ｌの塩化ナトリウムを含む塩化ナトリウム水溶液をセルに供給した。異なる２回の運転（すなわちｎ＝２）で、電解セルの６つの異なる高さの６つの異なる箇所で、電解液中の塩化ナトリウムの濃度を測定した。結果を表３に示す。 Chlor-alkali electrolysis was started in the electrolysis cell. An aqueous sodium chloride solution containing 300 g/L of sodium chloride was supplied to the cell. The concentration of sodium chloride in the electrolyte was measured at six different locations at six different heights of the electrolytic cell in two different runs (i.e. n=2). The results are shown in Table 3.
表3:電解セルの6つの異なる高さの6つの異なる箇所での、異なる2回の運転における電解液中の塩化ナトリウムの濃度(g/L単位の値)。 Table 3: Concentration of sodium chloride in the electrolyte (values in g/L) in two different runs at six different locations at six different heights of the electrolytic cell.
最も高い平均濃度差は１７ｇ／Ｌであった。 The highest average concentration difference was 17 g/L.
実験４を類似の方法で行った。実験４では、循環用構造体５の高さは、アノード４の高さの９１％であった。結果を表４に示す。
表4:電解セルの6つの異なる高さの6つの異なる箇所での、異なる2回の運転における電解液中の塩化ナトリウムの濃度(g/L単位の値)。 Table 4: Concentration of sodium chloride in the electrolyte (values in g/L) in two different runs at six different locations at six different heights of the electrolytic cell.
最も高い平均濃度差は２１ｇ／Ｌであった。 The highest average concentration difference was 21 g/L.
実験５を同様の方法で行った。実験５では、下降管の高さは、アノード４の高さの９６％であった。
前記電解セルでクロルアルカリ電解を開始した。３００ｇ／Ｌの塩化ナトリウムを含む塩化ナトリウム水溶液をセルに供給した。異なる３回の運転（すなわちｎ＝３）で、電解セルの５つの異なる高さの５つの異なる箇所で、電解液中の塩化ナトリウムの濃度を測定した。結果を表５に示す。 Chlor-alkali electrolysis was started in the electrolysis cell. An aqueous sodium chloride solution containing 300 g/L of sodium chloride was supplied to the cell. The concentration of sodium chloride in the electrolyte was measured at five different locations at five different heights of the electrolytic cell in three different runs (i.e. n=3). The results are shown in Table 5.
表5:電解セルの5つの異なる高さの5つの異なる箇所での、異なる3回の運転における電解液中の塩化ナトリウムの濃度(g/L単位の値)。 Table 5: Concentration of sodium chloride in the electrolyte (values in g/L) in three different runs at five different locations at five different heights of the electrolytic cell.
最も高い平均濃度差は１４ｇ／Ｌであった。 The highest average concentration difference was 14 g/L.
バッフルプレート６の影響を試験するために、以下の実験６～７を行った。
To test the effect of
本発明及び図１、図２に則して、電解セル１を作製した。水平のバッフルプレート６を水平に配置した。バッフルプレートは、アノード室２の２つの入口９からの流れがバッフルプレート６に衝突するように配置した。
An
前記電解セルでクロルアルカリ電解を開始した。３００ｇ／Ｌの塩化ナトリウムを含む塩化ナトリウム水溶液をセルに供給した。電解セルの下端部において、同じ高さの３つの異なる箇所で、電解液中の塩化ナトリウム濃度を測定した。結果を表６に示す。 Chlor-alkali electrolysis was started in the electrolysis cell. An aqueous sodium chloride solution containing 300 g/L of sodium chloride was supplied to the cell. At the lower end of the electrolytic cell, the sodium chloride concentration in the electrolyte was measured at three different locations at the same height. The results are shown in Table 6.
表6:電解セルの下端部における、同じ高さの3つの異なる箇所での電解液中の塩化ナトリウムの濃度(g/L単位の値)。 Table 6: Concentration of sodium chloride in the electrolyte (values in g/L) at three different points at the same height at the lower end of the electrolytic cell.
３箇所の間の最も高い検出濃度差は、４ｇ／Ｌ（２２７ｇ／Ｌ－２２３ｇ／Ｌ）であった。 The highest detected concentration difference between the three locations was 4 g/L (227 g/L-223 g/L).
実験７を類似の方法で行った。本発明によるものではないこの対照実験では、バッフルプレート６を用いなかった。結果を表７に示す。
表7:電解セルの下端部における、同じ高さの3つの異なる箇所での電解液中の塩化ナトリウムの濃度(g/L単位の値)。 Table 7: Concentration of sodium chloride in the electrolyte at three different points at the same height at the lower end of the electrolytic cell (values in g/L).
３箇所の間の最も高い検出濃度差は、１６ｇ／Ｌ（２２８ｇ／Ｌ－２１２ｇ／Ｌ）であった。 The highest detected concentration difference between the three locations was 16 g/L (228 g/L-212 g/L).
この実験から、バッフルプレート６によって電解液の水平方向の均一性が向上することが明らかである。
From this experiment, it is clear that the
１ 電解セル
２ アノード室
３ カソード室
４ アノード
５ 循環用構造体
６ バッフルプレート
７ 上昇流区域
８ 下降流区域
９ 入口
1
Claims (9)
前記アノード室（２）は、前記電解液の循環を向上させるための循環用構造体（５）と、前記電解液の中の化学分子の濃度、密度又は温度についての水平方向の均一性を向上させるための少なくとも１つのバッフルプレート（６）とを備え、
前記循環用構造体（５）と前記少なくとも１つのバッフルプレート（６）とは異なる構造体であり、
前記アノード（４）及び前記循環用構造体（５）は、前記アノード室の高さ区域に沿って延在し、
前記循環用構造体（５）は、前記アノード室（２）を上昇流区域（７）と下降流区域（８）とに分割し、
前記少なくとも１つのバッフルプレート（６）は、水平に、又は水平な線に対して４５°未満の傾きで配置され、
前記少なくとも１つのバッフルプレート（６）は、前記アノード室（２）の少なくとも１つの入口（９）からの流れが前記バッフルプレート（６）に衝突するように配置され、
前記少なくとも１つのバッフルプレート（６）は、前記循環用構造体（５）からの電解液の流れが前記バッフルプレート（６）に衝突するように配置される、
電解セル（１）。 An electrolytic cell (1) for chlor-alkali electrolysis, the electrolytic cell (1) accommodating an anode (4) and comprising an anode chamber (2) for accommodating an electrolyte,
The anode chamber (2) has a circulation structure (5) for improving the circulation of the electrolyte and the horizontal uniformity of the concentration, density or temperature of chemical molecules in the electrolyte. at least one baffle plate (6) for causing
The circulation structure (5) and the at least one baffle plate (6) are different structures,
the anode (4) and the circulation structure (5) extend along the height section of the anode chamber;
The circulation structure (5) divides the anode chamber (2) into an upflow area (7) and a downflow area (8),
said at least one baffle plate (6) is arranged horizontally or at an inclination of less than 45° to a horizontal line;
said at least one baffle plate (6) is arranged such that flow from at least one inlet (9) of said anode chamber (2) impinges on said baffle plate (6);
said at least one baffle plate (6) is arranged such that a flow of electrolyte from said circulation structure (5) impinges on said baffle plate (6);
Electrolytic cell (1).
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|---|---|---|---|
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