TW446758B - Method of electrochemical processing of HCl gas to high-purity chlorine - Google Patents

Description

446758 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（J ) 本發明關於一種電化學加工HC1氣體成高純度氯之方法， 其中HC1氣相電解與氫氣酸電解結合在具或不具可消耗之 氧陰極下形成一種HC1循環單元。 許多不同化學反應之HC1氣體副產物通常是被轉化成氯 氣，然後其可再度返回製造循環中。在一種已知此方法中， 藉氣相水解將HC1氣體轉化成氯氣。但是，所得氯氣總是 仍包含一特定量未經完全轉化的HC1氣體。藉基本上已知 的技術將HC1氣體自氣氣中分離出來。在整過高壓液化過 程中，冷卻不只造成純液態氣的生成，並且也生成HC1氣 體之"塔頂餾出氣體"。液態氯的高壓蒸餾進一步自氣中排除 殘留的HC1。氯化氫氣相電解成氯氣是描述於，例如專利說 明書 U$541 1641。 上述之已知分離方法具有因冷卻和再加熱操作而使自氯中 分離出HC1氣體高耗能和複雜的以及HC1的分離不完全的 等缺點。而且，其無法避免操作相當大量的液態氯以實際 上可啟動形成氣化氫副產物的方法。代替方法-氯化氫液體 氣體儲存設備甚至是較不吸引人的，因為在此例中甚至必 須使用較高壓力以液化HC1氣體。 EP785294A1描述一種電解方法，其中含最高濃度為20%之 水性氯化氫在一個隔膜電解槽中於陽極反應成氣氣。此反 本紙張又度適用中國國家標準（CNS ) A4現格（210X297公釐） ^ ^ 裝 I 訂 系 (請先閱讀背面之注意事項再矿¾本頁) A7 B7 446758 五、發明説明（2 ) 應與可消耗氧之陰極進行陰極操作。此方法連續操作中可 達到的電流密度的極限是至約4仟安培/平方米。 (請先聞讀背面之注意事項再资寫本頁) 所以，以上述先前技術為基礎，其需要一種加工HC1氣體 成元素氣之簡單方法，其可避免複雜的HC1和/或氣的液化 並且可以相當高電流密度進行操作即在能量消耗上是較有 利的，而且可容易地與與任何其他獲得HC1氣體產物的連 續方法結合。 根據本發明藉電化學加工HC1氣體成高純度氯之方法可達 到此目的，其也形成本發明的目標和其特色 在於HC1氣體在第一個氣相電解階段中反應獲得包含HC1 氣體的氣氣， 在於消耗的液體氫氣酸作為吸收劑的第二個階段中，將含 HC1氣氣萃取精製形成增濃的氫氯酸，因此氣氣自HC1氣 體逸出， ' 經濟部中央標隼局負工消費合作社印製 在於增濃的氫氣酸在液相電解的第三個階段中分裂成氯氣 並形成消耗的氫氯酸，而且特別是當使用可消耗氧陰極時 可形成氯氣和水。 在於將消耗的氫氯酸送回吸收階段 -4- 本紙張尺度適用中國國家榇準（CNS ) A4g ( 210X297公釐） 446758 A7 B7 五、發明説明（3 ) 以及在於取出在氣相電解階段和在液相電解階段所產生的 氣氣流，若想要可合併之及若想要可乾燥之。 接著氣氟流可再度進行消耗氯之化學方法。 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再^寫本頁) 例如以許多化學方法如製造異氰酸酯或聚碳酸酯的副產物 方式所獲得的純HC1氣體在第一個階段是以非常高的電流 密度進行反應以形成氯氣和氫氣。此反應可以高產率在低 壓下或甚至在大氣壓下操作。反應所形成的氯氣在相當小 的HC1吸收單元中自未反應的HC1氣體成份中逸出。此吸 收單元以循環方式連接在下游具可消耗氧陰極之氫氣酸電 解階段或連接在可產生氯氣和氫氣並且基本上從先前技術 已知的電解階段。在此階段中，稀氫氯酸，特別是濃度為 12-14%(如從下游電解所得的陽極電解液）的氫氯酸逆流通 過含HC1氯氣，使已增濃高氣含量的氫氣酸可通過第二個 電解階段。由於氯氣接著以低強度氫氯酸純化，溼但事實 上無HC1的氯氣當作第一子流通過以進行乾燥。由於此方 法，故其無氧。 氣相電解階段和/或液相電解階段的產物最好不只包含氣氣 而且包含氫氣或水。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297公釐） 446758 A7 B7 五、發明説明（4 ) 在第一個階段中未反應的HC]成份在下游氫氯酸電解階段 中反應，相似地生成高純度氣氣（氯含量至少為9%)，其 與來自第一階段的氣主流一起自下游乾燥階段之蒸汽分裂 成份中逸出。 在個較仏方法中，液相電解和/或氣相電解階段是以可消 耗之氧陰極操作。 特別地，在陰極反應例子令液相電解階段所形成的水被送 回至吸收階段的氫氣酸回路中。 在-種本發明方法的變體令，設定氣相電解階段的電解條 件使^〇1的轉化率是從4〇%至9〇〇/&。 另個較佳方法的特徵在於設定液相電解階段的電解條件 使消耗的氫氣酸濃度是從5%至19%，特別是從12%至]4% 及增濃的氫氣酸濃度是從6%至2〇%，特別是從〗3%至 】5%，相當於適中可達到的導電度。' 在第一個階段所產生的氫氣量可藉供應較多或較少過量的 HC1至氡相電解而作調整。當過量程度增加時’逐漸地建立 更有利的電解條件，因此造成可能氫氣副產物的能量需长 下降。所以其可藉在第個階段中操作省能量的可消耗氧陰 -6- 本紙張尺奴 請 先 聞 背 面 之 注 再 f 本 % 訂 經濟部t央標準局員工消費合作社印m 4 4 6 7 5 8 A7 ---- B7 五、發明説明（5 ) 極調整所產生的能量。 第二個電解階段的產物’特別是以通過隔膜之質子與陰極 還原的氧反應之副產物是水，其是以弱氫氯酸（<】。/。)形式獲 得的。部份這些水可返回氫氱酸回路中以補償與氣氣一起 排掉和通過隔膜的水份。其造成氣氣/HC1的淨損失保持很 低。而且，其也可能藉此方式補償來自連結氫氣分離之氣 相電解的陰極電解液回路損失。 氣氣的乾燥發生在一種包括例如兩個階段之程序中。勒期 乾燥可在一個含稀硫酸的塔柱中進行，接下來的乾燥可在 構型如液體環狀幫浦的鼓風機中進行，並為了此目的在此 風鼓機中裝入濃硫酸。然後將在此階段所排出的硫酸送入 上述塔柱中。根據先前技術之已知方法，當然濃硫酸可送 入第二個乾燥塔柱中。 在此變體中，鼓風機僅具有克服回路上游化工設備的壓力 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 損失之功能。根據本發明方法所獲得極佳的氣氣品質來 看’其他慣用氯氣壓縮和液化階段都可忽略。 供應氧氣至主要的裝置之增濃緩衝器（rUp_Up buffer)最好是 第二階段氫氯酸回路之儲存，為了此目的尺寸必須是適當 地。最初來自氫氣酸電解的氯氣可用以啟動主裝置^在此 -7 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 446 758 A7 五、發明説明（6) 所獲得的HC1氣體首先可古拉、、，、& ^ ,,,^ ^, 了直接达入第二階段的吸收中直到 日D造產生足量的HC1氣體以啟動第一階段。 & ! 了化于目的’其不可能在一個特別的位置上配置所得 )氣冑個1¾段也以可；肖耗之氧陰極進行操作，其中可 消耗之氡陰極構成更顯著的能量節省。 本發明方法的其他優點如下： $對於k用的HC1循環程序，新财法具有較低的總能量 而求〇。此方法產生極佳的氣氣品質（特別是純度大於或等於 99-9%)。此方法不包含任何費力的清潔程序。在產物中氮氣 的比例叮被控制在_定的極限内，若想要可下降至〇。整個 尚又緊⑴之第一個階段的結構（約】/3電極和慣用電解液的 隔膜表面積）’根據至今的試驗其可在大氣壓立下以高達12 仟安培/平方米操作，並籍明顯降低吸收的效能，相對於慣 用的電解，其可能達到較不複雜的結構，因此較少的資金 成本。 、 經濟部甲央樣準局員工消費合作社印製 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁> -'-η _娘. 此方法的特點是非常低的淨氯氣損失。自反應水和自穿過 隔膜之傳送以弱氫氯酸形式（<1%)產生極少廢水並且水純 化時Na〇H的消耗量不大，因為在第一個階段的陰極電解 液主要是以近〗N氫氯酸進行操作，並且在陽極側陰極電 6紙張尺度適用中國國家標準（〇^)六4规格（21〇乂297公釐） 8 A7 B7 五、發明説明（7) 解液的壓力是高於HC1氣壓使氫氣中未必有氣不純物。 運作本發明方法的裝置最好可以高度彈性當作任何想要的 消耗氣化學方法之辅助裝置而操作。 在個本方去之較佳變體中，此方法以液相電極啟動以形 成任何想要的化學方法之氣氣，此化學方法中使用氯氣並 形成HC1氣體。從所連結的化學方法所獲得的Ηα氣體首 先被引導通過第一個階段氣相電解並且直接進入吸收階 段。只有當所產生的HC1氣體量大的足以在此獲得令人滿 思的操作條件％ ’才將其送入第一個階段氣相電解。 參考圖1 ’以實例方式詳細說明本發明於下。 實例 操作在大氣壓力下及活性表面積為109平方厘米之氣相電 解槽卜經由含作為產物氣體通道和吸收剩餘HC1含量之稀 硫酸的儲槽2與實驗室池的陽極電解液槽5相連，其中陽 極電解液槽5是以活性面積為3 〇平方厘米之可消耗氧陰極 進行操作。 在氣相電解槽1的溫度經由熱交換器以幫浦循環3、4中之 陰極電解液酸（近1 N氫氯酸）的幫助保持在78°C。藉調整各 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) " " ~~ ----------— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 棘· 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 4467 5 8 A7 B7 五、發明説明（8 ) 例中此槽内的電流密度使儲槽中所吸收的HC1量在氫氣酸 電解令以可消耗氧陰極轉化，將具有可消耗之氧陰極的槽6 之陽極電解液回路中酸的濃度保持在從12至14%HC1範圍 内。在此回路3、4中的溫度是以熱交換器的方式被保持固 ·# 定在57°C。 以採樣方式分析所獲得的氣體產物可測定氣相電解1之轉 化率；以轉子流速計測量HC1的進入量。兩種氯氣流在乾 燥器6中合併並測定最初的氯濃度。 丟棄反應副產物-來自從氣相/電解和反應水的氫以及來自具 可消耗氧陰極之槽5的濃縮物。 表1中所示結果是在3次運轉中獲得。在現有的排列中， 以較高的電流密度，其在氣相電解中只能達到45%的轉化 率而未造成不成比例之電壓增加。 表1 (請先閲讀背面之注意事項再皆寫本頁) -、νβ 牌· 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 槽1的電 槽1的 HC1轉 槽2的電 槽2的 最初氣 流密度 電壓 4匕率 流密度 電壓 濃度 1(仟安培 υ(伏 (%) 1(仟安培 U(伏 (%總量） /平方米） 特） /平方米） 特） -10- 本紙張尺度適用中國國家捸準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） A7 B7 運轉1 6 1.60 83 2.8 1.18 99.9 運轉2 8 1.68 76.5 3.6 1.27 99.8 運轉3 10 1.73 84 4.4 1.36 >99.9 446 7 5 8 五、發明説明（9 ) (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 446758 A7 B7 年a曰 五、發明說明（ 修乓 爾· 紙？一 2. 圖式簡單說明 圖1說明本發明之方法 圖式中符號之說明 1電解槽 2儲槽 3原迴路 4原迴路 5槽 6乾燥器 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝------訂 i 1------ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -Π-Ι- 87505-元件符號 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. ' 446 7 5 R --------------——, 公鲁本丨 六、申請專利範圍 專利申請案第87120691號 ROC Patent Appln. No.87120691 修正之申請專利範圍中文本一附件（一） Amended Claims in Chinese - Enel. (I) (民國90年1月/?日送呈） (Submitted on January , 2001) 1. 一種將HC1氣體電化學加工成高純度氯之方法，其 特徵 在於HC1氣體在氣相電解階段（1)中反應獲得包含 HC1氣體的氣氣， 在於消耗的液體氫氯酸作為吸收劑的吸收階段（2) 中，將含HC1氯氣萃取精製形成增濃的氫氯酸，因 此氯氣自HC1氣體逸出， 在於增濃的氫氣酸在液相電解階段（3)中轉化成氯氣 並形成消耗的氫氣酸， 在於將消耗的氫氯酸送回（3.4)吸收階段（2) 以及在於取出在氣相電解階段（1)和在液相電解階段 (5)所產生的氯氣流，若想要可合併之及若想要可乾 燥之。 2. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中在氣相電解 階段（1)中和/或在液相電解階段（5 )中所形成的產物 除了氣氣之外是氫氣和水。 -12 - 87505b 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 」t--------IT---------^ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 46 7 5 8 A8SC8D8 L· ^ 地ί年 -'—

   ;1£ 六、申請專利範圍

   經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 3. 根據申請專利範圍第1項之方法、其申液相電解階 段（5)是以可消耗氧電極進行操作。 4. 根據申請專利範圍第2或3項之方法，其中將在液 相電解階段（5)中的陰極反應所獲得的含HC1水送回 吸收階段（2)的氫氣酸回路中。 5·根據申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其 中氣相電解階段（1)是以可消耗氧電極進行操作。 6 ·根據申请專利範圍第1至3項中任一項之方法，其 中氣相電解階段（1)中HC1的轉化率是從40%至 90%。 7. 根據申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其 中來自液相電解階段（5)之消耗的氫氣酸濃度是從 5%至19% ’特別是從12%至14%以及增濃的氫氣 酸濃度是從6%至20°/。’特別是從13%至1 5%。 8. 根據申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其 中該方法係以液相電解階段（5)啟動以形成氣氣作為 任何可形成HC1氣體之想要的化學方法之起始物， 以及從所連結的方法所獲得的HC1氣體被送入氣相 電解階段（1)中。 -13 - 本紙張尺度通用中B國家標準（CNS>A4规格（210 X 297公* > (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) r 線.