TWI534300B - Efficient production of chlorine dioxide electrolysis device - Google Patents

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Description

高效生產二氧化氯之電解裝置
本發明係有關以電解方式生產二氧化氯之電解裝置，特別是，本發明設有可輔助該電解裝置作高效生產二氧化氯之溫控系統。
電解裝置係為習知，其可用來冶金、精鍊，可用來對加工件之表面作各種增益覆層，亦可用來以電化學機制生產各種氣體產物。
有關以電解方式生產二氧化氯的歷程，自從美國之LINDSTAEDT於1982年首次發表以食鹽為原料之電解生產二氧化氯的技術以來，歷經多家廠商陸續開發各種類似之生產改良而逐漸普及；分析各種電解生產方式，歸納出電解生產二氧化氯時，對電解電力之調控、電解濃度之時序調控，及電解時之溫度調控極為重要，調控該三大要項至最佳參數，可得到理想之成效及品質。
為了防止電解作業時溫度過度升高，廠商們在電解槽外緣配置降溫裝置，該降溫裝置大至如第7圖所示，該電解槽120係配置在一箱體132內，箱體132之左下方設有一冷卻水輸入口135，箱體132之右上方設有一冷卻水溢流口136，冷卻水從冷卻水輸入口135流入後再從冷卻水溢流口136流出；整體來說，由於該冷卻水係從一端流入，然後於另一端流出，這種配置很顯然會在水槽內部形成多處冷卻水不易流通之冷卻死角，因此 成效不但不佳，而且因為冷卻水必須長時間持續泵送流動而很浪費電力。
此外，在接收電解所釋出之二氧化氯的氣液混合成品儲槽中，由於外圍環境溫度之對流，會造成儲槽內部溫度之相對上升；又由於二氧化氯之沸點只有11℃，因此成品儲槽內部所儲之二氧化氯氣液混合溶劑的濃度會被溫昇氣化，如此而形成一面電解生產增加濃度一面又氣化降低濃度之不合理現象；這種不合理現象不但會降低濃度減少產量，而且會增加電解作業之時間；非預期的增加電解作業時間，會破壞上述『三大要項』之最佳參數而產生不良之惡性循環，結果會使電解產物之品質不穩定，並且會因增加電力而造成電極構件之提早劣化。
由於上述溫控問題仍有待解決，因此，本發明人以多年從事電解實務之歷練，在此提供一種高效生產二氧化氯之電解裝置。本發明之電解裝置包括一用來生產二氧化氯之電解槽，及一用來接收該二氧化氯之成品儲槽，以及一溫控系統。該溫控系統包含一用來提供一冷卻劑之冷卻劑供應單元，及各別配置在該電解槽及該成品儲槽外周之冷卻槽，以及一個方向閥；其中，該等冷卻槽在其本體與電解槽及成品儲槽之間區隔一冷卻劑儲存空間，並且在其本體之上側及下側各設有冷卻劑出入口，以供冷卻劑流入其內進行熱交換；為了達到實質徹底之熱交換，該等冷卻劑儲存空間各設有環繞該電解槽及該成品儲槽外周緣之螺旋狀環流通道，流入其內之冷卻劑據此而可螺旋狀環繞電解槽及成品儲槽周緣之方式，作由下往上之環流式流動，以達預期之冷卻效果。
該方向閥可被控制在一第一位置及一第二位置間變換流路 之方向，在該方向閥之換向導流下，冷卻劑可被控制地單獨流通該成品儲槽之冷卻槽或同時流通該成品儲槽及該電解槽之冷卻槽；藉由該環流式流通，該電解槽及該成品儲槽因此可獲得實質上全面性之熱交換，而能可靠地保持在預定之溫控狀態，俾該電解裝置可高效生產二氧化氯。
10，10A，10B‧‧‧電解槽
11‧‧‧電解槽主體
12‧‧‧二氧化氯釋出口
13‧‧‧二氧化氯輸出管
15‧‧‧陽極
16‧‧‧陰極
18‧‧‧電解液輸入口
19a，19b‧‧‧冷卻劑入口閥
20，20A，20B‧‧‧冷卻槽
21‧‧‧冷卻槽體
22a‧‧‧冷卻劑入口
22b‧‧‧冷卻劑出口
23‧‧‧螺旋狀環繞件
24‧‧‧螺旋狀環流通道
25‧‧‧可調式溫度感測器
26‧‧‧冷卻劑儲存空間
30，30A，30B，30C‧‧‧成品儲槽
31‧‧‧儲槽主體
33‧‧‧抽氣泵
40，40A，40B，40C‧‧‧冷卻槽
41‧‧‧冷卻槽體
42a‧‧‧冷卻劑入口
42b‧‧‧冷卻劑出口
43‧‧‧螺旋狀環繞件
44‧‧‧螺旋狀環流通道
45‧‧‧可調式溫度感測器
46‧‧‧冷卻劑儲存空間
47‧‧‧方向閥
49a，49b，49c‧‧‧冷卻劑入口閥
50‧‧‧電控單元
60‧‧‧電解液供應單元
63‧‧‧電解液供應泵
70‧‧‧冷卻劑供應單元
71‧‧‧冷卻機
72a‧‧‧出口
72b‧‧‧回流口
73‧‧‧冷卻劑供應泵
74‧‧‧冷卻劑儲槽
【先前技術之符號說明】
120‧‧‧電解槽
132‧‧‧箱體
135‧‧‧冷卻水輸入口
136‧‧‧冷卻水溢流口
第1圖係本發明之電解裝置的第一較佳實施例之配置示意圖。
第2圖係第1圖之電解裝置的運作示意圖，其顯示冷卻劑以環流方式單獨流通成品儲槽。
第3圖係第1圖之電解裝置的另一運作示意圖，其顯示冷卻劑以環流方式同時流通成品儲槽及電解槽。
第4圖係本發明之電解裝置的第二較佳實施例之配置示意圖。
第5圖係第4圖之電解裝置的運作示意圖。
第6圖係第4圖之電解裝置的另一運作示意圖。
第7圖係先前技術之電解槽的配置示意圖。
茲將本發明之實施例根據圖面詳細說明如下，各圖中相同之符號係表示相同或同等之構件。
請同時參閱第1，第2，及第3圖，此三圖係顯示本發明之第一較佳實施例。本發明係提供一種高效生產二氧化氯之電解裝置，其包括：一用來生產二氧化氯(ClO2)之電解槽10；及一電控單元50，其可提供一正電及一負電以用來供電給電解槽10之陽極15及陰極16；以及一成品儲槽30， 其內部預先儲存了適量之純水，並且設有一氣液混合機構(圖未示)及一抽氣泵33，該抽氣泵33依序往外連接電解槽10之二氧化氯輸出管13及釋出口12，可將電解槽10產出之二氧化氯氣體抽取入內，並經由氣液混合機構(圖未示)將該二氧化氯與該純水混合形成二氧化氯溶劑；以及，一溫控系統，其包含一冷卻劑供應單元70，及各別配置在該電解槽10及該成品儲槽30外周緣之冷卻槽(20，40)。
一般電解槽概分為軸向呈矩形幾何斷面造型之箱形槽，及軸向呈圓形幾何斷面造型之圓形槽，本案之電解槽10係採圓形槽設計。採用圓形槽設計有很多優點，例如可在其內配置圓筒形之電解分離膜及圓筒形網狀或板狀電極構件(圖未示)，藉由圓形幾何斷面之力學優勢，可提供較佳之力學強度來降低分離膜及電極構件之本體厚度，除了可節省成本、結構簡化(不需剛性補強件)，並可進一步降低電解電流及電解液流之阻抗及縮減電解泡沫之體積；又如，圓筒形陽極及陰極之主體可彼此同心等間距地配置在電解槽內作均勻無死角之電通作業，不但可提高電解效率，而且可防止因供電死角而產生之局部電解鈣化結垢。
該電解槽10及成品儲槽30皆具有軸向呈圓形幾何斷面之電解槽主體11及儲槽主體31，該等冷卻槽(20，40)各具有包覆電解槽主體11及儲槽主體31之冷卻槽體(21，41)。在該等冷卻槽體(21，41)與電解槽主體11及儲槽主體31之間各別隔出一冷卻劑儲存空間(26，46)，該冷卻劑儲存空間(26，46)平常係儲滿冷卻劑。該等冷卻槽體(21，41)之右下側及左上側各設有呈偏心徑向外凸之冷卻劑入口(22a，42a)及出口(22b，42b)，以供冷卻劑流入其內進行熱交換。此外，該冷卻劑入口(22a，42a)的內部各設有入口逆 止閥(圖未示)以阻止流入內儲之冷卻劑往外逆流。
為了達到實質上徹底之熱交換，該等冷卻槽(20，40)在其內部之冷卻劑儲存空間(26，46)各設有環繞該電解槽及該成品儲槽外周緣之螺旋狀環流通道(24，44)，其用來提供螺旋狀之環流式流路，因此流入冷卻劑儲存空間(26，46)之冷卻劑實質上係以環繞電解槽主體11及儲槽主體31之方式，作由下往上之螺旋狀環流式流動。
該等螺旋狀環流通道(24，44)係以螺旋狀環繞件(23，43)各別以螺旋狀環繞電解槽主體11及儲槽主體31外周緣之方式，於對應冷卻劑入口(22a，42a)之位置軸向的朝向冷卻劑出口(22b，42b)之位置環繞區隔成形。
該等冷卻槽(20，40)皆各別設有可調式溫度感測器(25，45)，當該等可調式溫度感測器(25，45)個別所測之溫度到達預設值時將提供訊息給電控單元50，以令冷卻劑供應泵73將冷卻劑泵送前往降溫。由於生產二氧化氯之電解作業溫度介於45至65℃之間，因此配屬電解槽10之可調式溫度感測器25的溫設上限為65℃下限為35℃。由於二氧化氯之沸點只有11℃，因此配屬成品儲槽30之可調式溫度感測器45的溫設上限為10℃下限為5℃。
該冷卻劑供應單元70包含一用來儲存冷卻劑之冷卻劑儲槽74，及一用來降溫之冷卻機71，以及一用來將冷卻劑外泵之冷卻劑供應泵73。為了要隨時滿足成品儲槽30之冷卻溫控條件，該冷卻劑儲槽74內部所儲冷卻劑之溫度被冷卻機71控制在3至9℃之間。
由於電解作業時，電解槽10及成品儲槽30有時會同時溫昇，為了解決這問題，較佳之對策，以串聯之概念，以及利用成品儲槽30溫控 值低於電解槽10溫控值之差異，可先令冷卻劑流經成品儲槽30然後才流給電解槽10降溫；更佳之對策，係在電解槽10、成品儲槽30，及冷卻劑儲槽74三者之間設立一個可改變流向之方向閥47，該方向閥47較佳採用電磁或馬達致動以利電控單元50自動驅控。該方向閥47較佳採用二位三口之型式，該型式很容易市購獲得。該方向閥47之三口各別連接冷卻劑儲槽74之冷卻劑回流口72b、冷卻槽40之冷卻劑出口42b，及冷卻槽20之冷卻劑入口22a；該方向閥47之二位係代表一第一位置及一第二位置。該方向閥47常態係處於該第一位置，其可被電控單元50自動驅控而換向至該第二位置；在該第一位置時，其內部流路只供冷卻劑單獨流通該成品儲槽30之冷卻槽40(如第2圖所示)；在該第二位置時，其內部流路可供冷卻劑先流通該成品儲槽30之冷卻槽40，然後才流通該電解槽10之冷卻槽20(如第3圖所示)。
接下來說明本發明之運作，首先，將純水從入水口(圖未示)注入成品儲槽30，此時成品儲槽30所配屬之可調式溫度感測器45如果溫測高於預設值則發訊電控單元50，以令冷卻劑供應泵73將冷卻劑泵送前往降溫，流入冷卻槽40之冷卻劑沿著箭頭所指之方向作螺旋狀環流式之全面性流動降溫(如第2圖所示)，直至可調式溫度感測器45之高溫訊息消除才停止，至此即完成產品儲槽30之冷卻恆溫備用作業。下一步驟則以常規程序啟動電解作業(在此不再贅述)。電解作業時，陸續產出之二氧化氯氣體將透過二氧化氯釋出口12往外沿著二氧化氯輸出管13被抽氣泵33抽送至成品儲槽30內部，經氣液混合機構(圖未示)之處理，而與純水混合形成二氧化氯溶劑；在電解槽30產氣及抽氣泵33抽氣作業過程中，如果電控單元50再度接獲可調式溫度感測器45之溫昇訊息，將重複上述之動作，再度令冷卻劑 供應泵73將冷卻劑泵送前往冷卻降溫。
由於電解作業時電解槽10之溫度會持續上升，如果電控單元50接獲可調式溫度感測器25之溫昇訊息，則令方向閥47換向至第二位置，以及令冷卻劑供應泵73運作；被泵送之冷卻劑首先流經冷卻槽40，然後透過冷卻槽40之冷卻劑出口42b沿著箭頭所指之方向流往方向閥47，由於方向閥47已換向至第二位置，因此冷卻劑將依序透過方向閥47、冷卻槽20之冷卻劑入口22a，然後流入冷卻槽20內部給予電解槽10降溫(如第3圖所示)，直至可調式溫度感測器25之溫昇訊息消除，電控單元50才令冷卻劑供應泵73停止泵送。
請同時參閱第4，第5，及第6圖，此三圖係顯示本發明之第二較佳實施例。由於電解作業之流程係階段性進行，其第一階段為將電解液送進電解槽及將純水送進成品儲槽之進料階段；第二階段為電解作業時之等待階段；第三階段為排出電解殘液、清洗電解槽，及將二氧化氯溶劑釋出之整理階段；分析這三階段，其中最耗時的電解作業階段約需費時90分鐘，而形成每進行一生產流程將會有90分鐘之〝等待時間〞。因此，本例採三座成品儲槽(30A，30B，30C)搭配二台電解槽(10A，10B)之配置方式來進一步說明本發明之優點。
採用本例之電解作業，可於每日開工時先以編號30A之成品儲槽搭配編號10A之電解槽進行第一輪之階段性作業；當電解槽10A進行電解作業時，即可將編號30B之成品儲槽搭配編號10B之電解槽進行第二輪之階段性作業；當電解槽10B進行電解作業時，即可將純水預先送進編號30C之成品儲槽內部以預備第三輪之作業；當編號30C之成品儲槽裝完純水時， 第一輪之電解作業也將告完成，如此即可進行下一輪之階段性作業，依此類推，整個作業過程將合理化的進行，而不會有上述之電解〝等待時間〞。
由於本例採用三座成品儲槽搭配二台電解槽之方式配置，因此在各槽體之冷卻劑入口的上游處各別設有冷卻劑入口閥(19a，19b，49a，49b，49c)，以用來區隔各冷卻劑入口之間的互通。該等冷卻劑入口閥(19a，19b，49a，49b，49c)常態係處於關閉狀態，其可被電控單元50驅控而各別打開流路。
接下來說明該第二實施例之運作，請參閱第5圖，本圖示範電解槽10A處於溫昇上限。此時可調式溫度感測器25隨即發訊給電控單元50(本圖未示電控單元)以令冷卻劑入口閥19a打開流路，及令方向閥47換向至第二位置，同時，電控單元50將依據三座冷卻槽(40A，40B，40C)所屬配置之可調式溫度感測器45當時所測之溫度值予自動比較，然後開啟溫度較高之冷卻槽的冷卻劑入口閥(依本圖箭頭所示為編號49a之冷卻劑入口閥)，以供冷卻劑可沿著箭頭所導引之方向流往目標處予適時冷卻降溫。
第六圖顯示該第二實施例之另一示範性運作，依據圖中之顯示，冷卻劑正依序流進編號40B之冷卻槽及編號20B之冷卻槽內部冷卻降溫，因此可判定方向閥47係被驅控換向至第二位置，而且兩個冷卻劑入口閥(19b，49b)係被打開流路，如此冷卻劑才可沿著箭頭所導引之方向流往目標處。
有關本發明之進步性、優點、效益，及產業價值：依據本發明，由於流入冷卻槽(20，40)內部之冷卻劑可在電解槽10及成品儲槽30之外周緣作由下往上之螺旋狀環流式流動，進行徹底之熱交換；又由於在該方 向閥47之換向導流下，冷卻劑可被控制的單獨流通成品儲槽30之冷卻槽40或同時流通成品儲槽30及電解槽10之冷卻槽(40，20)，藉由這種獨特之全面性環流式流通，該電解槽10及該成品儲槽30可保持在最佳之溫控狀態；在這良好之溫控環境下，電解槽10可在預設之電力參數下穩定的生產高品質之二氧化氯氣體，二氧化氯氣體陸續進入成品儲槽30混合成二氧化氯溶劑後，在良好之溫控下，其濃度可快速累積到目標值，使電解槽10之運作可在預設之時間參數下進行及準時或提前完成；在該成品儲槽30及電解槽10相輔相成之良性循環下，不但可減緩電解槽10構件之質變，使電解槽10經久耐用，而且可較先前技術獲得較高之產量及純度。
此外，先前技術之電解槽的降溫裝置必須長時間持續泵送冷卻水(如第7圖所示)，在本發明，冷卻劑供應泵73平常係靜止不動，只有在降溫需求時才泵送冷卻劑前往降溫，因此可大幅減少電力支出。
以上配合圖式說明了本發明，了解此技術之人士，根據本發明的原理，仍然可作各種變化、改造或等效應用，惟所有之變化、改造或應用，皆在本發明尋求保護之申請專利範圍所界定之範疇內。
10‧‧‧電解槽
20‧‧‧冷卻槽
24‧‧‧螺旋狀環流通道
26‧‧‧冷卻劑儲存空間
30‧‧‧成品儲槽
40‧‧‧冷卻槽
44‧‧‧螺旋狀環流通道
46‧‧‧冷卻劑儲存空間
47‧‧‧方向閥
50‧‧‧電控單元
60‧‧‧電解液供應單元
70‧‧‧冷卻劑供應單元

Claims (7)

  1. 一種高效生產二氧化氯之電解裝置，其包括：一用來生產二氧化氯之電解槽；以及，一用來接收該二氧化氯之成品儲槽；以及，一溫控系統，其包含一用來提供一冷卻劑之冷卻劑供應單元，及一方向閥，以及各別配置在該電解槽及該成品儲槽外周之冷卻槽，該等冷卻槽之內部各設有環繞該電解槽及該成品儲槽外周緣之螺旋狀環流通道，在該方向閥之換向導流下，該冷卻劑可被控制地單獨流通該成品儲槽之螺旋狀環流通道或依序流通該成品儲槽及該電解槽之螺旋狀環流通道。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之高效生產二氧化氯之電解裝置，其中，該等螺旋狀環流通道係以螺旋狀環繞件各別以環繞電解槽及成品儲槽外周緣之方式區隔成形。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之高效生產二氧化氯之電解裝置，其中，該方向閥係採用二位三口之型式。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之高效生產二氧化氯之電解裝置，其中，該方向閥係採用電磁或馬達致動。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之高效生產二氧化氯之電解裝置，其中，該冷卻劑係先流通該成品儲槽之冷卻槽，然後才流通該電解槽之冷卻槽。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之高效生產二氧化氯之電解裝置，其中，配置該成品儲槽之冷卻槽設有可調式溫度感測器，其溫設上限10℃，下限5℃。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之高效生產二氧化氯之電解裝置，其中，配置該電解槽之冷卻槽設有可調式溫度感測器，其溫設上限65℃，下限35℃。
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