TWI686511B - 電解裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種用於液體之電解處理的電解裝置，其具有經由一離子交換膜彼此分開之一陽極腔室及一陰極腔室，其中該等腔室具備針對流動電解液之一入口開口及一出口開口且在每一狀況下具備一電極，且其中該陽極腔室及/或該陰極腔室之內空間藉由關於該等電極橫向地延伸之腹板或肋狀物細分，其中該等腹板或肋狀物至少區域地具備孔洞或切口，其中根據本發明，該等腹板或肋狀物包含未提供孔洞或切口的至少一下部區。根據本發明之電解裝置具有優點：不僅僅足夠的混合在縱向方向上在上部泡沫相中提供，而且同時藉由下部區中之上升氣泡所引起的氣升泵效應得以維持。

Description

電解裝置

發明領域 本發明係關於一種用於液體之電解處理的電解裝置，其具有經由一離子交換膜彼此分開之一陽極腔室及一陰極腔室，其中該等腔室具備針對流動電解液之一入口開口及一出口開口且在每一狀況下具備一電極，且其中該陽極腔室及/或該陰極腔室之內空間藉由關於該等電極橫向地延伸之腹板或肋狀物細分，其中該等腹板或肋狀物至少區域地具備孔洞或切口。

發明背景 為了使電極腔室之內部中的電解過程正確地起作用，要求電解液在整個腔室高度及腔室寬度之上的最均勻可能分佈，且為此原因，尋求兩個電解腔室中之良好液體混合。在氯鹼電解池之狀況下，該液體混合在陽極液腔室(陽極腔室)中為尤其重要的，此係因為離子交換膜僅在相對窄範圍之氯化物濃度、溫度及pH下最佳地工作。不可排除，在流動方面不適宜的陽極腔室區中，氯化物之耗盡由於陽極液的停滯而發生，此情形可導致局部膜損壞。

在陽極液腔室中，某一自然混合由於氯氣之浮力效應而在垂直方向上發生。陽極液腔室中在水平方向上之平均流動速度為低，且因此，自然混合在水平方向上的程度亦為非常低的。此外，在電解液中上升之氣泡傾向於組合以在上部區中形成閉合泡沫層。該泡沫形成愈大，則電解池負載愈大且電解池愈高。因為泡沫中之電阻高於電解液之其餘部分中的電阻，所以膜表面之上之電流分佈及因此膜負載藉此變為非均勻的。

DE 42 24 492 C1揭示具有介紹中所提及之特徵的電解裝置，其中尋求兩個電解腔室中之更好的液體混合。流區域地通過所圍繞的呈具備流導引腹板之劃分板形式的至少一劃分元件將被提供，以用於在每一陽極腔室及/或陰極腔室中形成經界定混合流。在電極處形成之氣泡實際上用作輸送輔助，此係因為氣泡在整個腔室空間之上的分佈得以防止。由於僅在電極之區中的劃分板之一側上形成的氣泡，向上指引之流得以產生。因為劃分元件被形成以使得其能夠被洗遍，所以結果為腔室中之自然垂直循環。

含有串聯配置之多個雙極單元電解池的雙極類型之電解裝置描述於EP 0 220 659 B1中，其中每一電解池係自陽極側槽形主體及陰極側槽形主體建構，該等主體中之每一者包含鉤形凸緣、框架壁及劃分壁，其中陽極及陰極各自經由導電肋狀物(腹板)焊接至劃分壁。該等導電肋狀物中之每一者在其整個高度之上具備彼此間隔開配置的孔洞，以便允許電解液及電解產物通過肋狀物。

在先前提及之類型的電解裝置中，膜在每一狀況下正常地非常接近於電極而定位。在電極之間且在其橫向方向上延伸的肋狀物或腹板將電解裝置之內空間細分為多個隔室。實心肋狀物或腹板之使用可導致鹽水對膜之不足供應，此情形導致在平面陽極被使用時在膜處形成水泡。

然而，另一方面，在腹板之整個高度之上具有切口或孔洞的腹板之提供，如上文所引用之EP 0 220 659 B1中提出，因此以便在整個電解池腔室中達成改良的縱向混合具有缺點：電解池腔室之個別隔室中的所要之氣升泵效應不再被提供。術語「氣升泵效應」被理解為指代藉由Carl Immanuel Löscher所述之現象：藉由在液位下方引入至液體中的氣泡，液位可升高某一量。此效應在所謂的氣升泵中用於輸送液體。因為氣泡在電解期間在電解液中形成且接著在液體中向上上升，所以氣升泵效應在此處發生，由於此，電解液之垂直混合得以實現，此情形在根據本發明之電解裝置中在一定程度上為合乎需要的。

DE 696 07 197 T2揭示用於壓濾機類型之電解槽的電極配置，其中使用了關於面電極在橫向方向上延伸之陽極隔片及陰極隔片。Z形隔片亦被稱為上部隔片，而U形或C形隔片定位於其下方。然而，該等Z形或U形隔片水平地配置於電解池中，然而，亦即，其關於電解池之高度方向橫向地延伸。該等隔片具有不同大小之圓形或者卵形穿孔。該等穿孔為電解液之垂直混合服務，其中，由於相對大的穿孔，在電解液中上升之氣體的氣流應得以改良。電解池在縱向方向上之細分，亦即在隔片之縱向範圍之方向上的細分，並未在此處提供。

具有氣體擴散電極之電解池描述於DE 199 54 247 A1中，其中電解池藉由水平延伸之腹板細分為疊置的多個空間，使得氣體自底部向上以曲折方式流過氣體空間，且在過程中在每一狀況下水平地在個別空間中流動。電解池藉由在高度方向上垂直地延伸之腹板進行的進一步細分並未在此處提供。

US 5,693,202 A同樣地描述了具有離子交換膜之電化學電解池，其中下部入口開口及上部出口開口得以提供。關於電極在橫向方向上在電解池中延伸的是連接元件，其在水平方向上延伸且將電解池細分為彼此疊置之多個腔室，且其中多個規則配置的開口經提供，該等開口用以允許氣體在電解池之高度方向上通過。電解液之垂直混合得以提供，而電解池藉由垂直延伸之腹板進行的進一步細分並非明顯的。

發明概要 本發明之目標為提供具有在介紹中所提及之一般類型之特徵的電解裝置，其中不僅在縱向方向上之足夠混合得以提供，而且同時氣升泵效應得以維持。

對前述目標之解決方案係藉由具有請求項1之特徵的介紹中所提及之類型的電解裝置提供。

為了更好地理解本發明，根據本發明之類型之電解池中的幾何條件在此時定義。電解池在各自彼此正交之三個空間維度上延伸。電解池大體具有其最大延伸之該空間方向定義為「縱向方向」。面形成之電極在該縱向方向上且在高度方向上延伸。與電極之表面成法向的方向在本文中被稱為「橫向方向」。氣泡對抗重力自底部向上在電解池中上升。自底部向上之此方向在本文中稱為「高度方向」。

電解液在高度方向上之習知混合，該混合亦在先前技術中提供，在本申請案中被稱為「垂直混合」。電解液在電解池之縱向方向上的混合將與此區分，為電解液在電解池之縱向方向上之混合的目的，根據本發明所提供之垂直腹板具有電解液能夠流過的孔洞或切口。該等腹板因此根據以上定義在電解池之高度方向上或實質上在垂直方向上延伸，其中其亦在電解池之橫向方向上延伸，亦即關於面電極橫向地延伸。因此，由於該等腹板，電解池在其縱向方向上作為多個隔室之細分得以提供。電解液通過此等腹板中之孔洞或切口的流因此實質上為在電解池之縱向方向上的流，且亦在本文中稱為「水平混合」。

本文所使用之術語「底部」及「頂部」指代電解池在高度方向上的範圍。因此，在本發明之上下文內，當在電解池之高度方向上檢視時，「上部」區與「下部」區相比向上位於較高處。

根據本發明，提供了，腹板或肋狀物在電解裝置之高度方向上延伸且如在高度方向上檢視而包含其無孔洞或切口的至少一下部區，亦即無孔洞或切口提供於該區中。鑒於如下事實：在下部區中，腹板或肋狀物為實心的且不包含孔洞或切口，無障礙之氣升泵效應得以在該區中確保。因此以下情況係可能的：在下部區中，在電解期間形成之氣泡在電解池的藉由腹板分開之隔室中無障礙地向上上升。垂直流在此下部區中佔主導，且此處不存在電解介質之重大縱向混合。對比而言，根據本發明，孔洞或切口存在於腹板或肋狀物之上部區中。在此上部區中，電解介質之泡沫相係藉由上升的氣泡形成，且縱向混合因此在此處為合乎需要的。該縱向混合係藉由腹板或肋狀物中之孔洞或切口達成，該等孔洞或切口准許電解介質通流至電解池的鄰近隔室中。

電極延伸之方向在本申請案中將被理解為電解裝置的「縱向方向」。若因此在本文中陳述腹板或肋狀物關於電極橫向地延伸，則此意欲意謂著腹板或肋狀物實質上在電解裝置之橫向方向上且較佳地近似與電極成直角來延伸。兩個電解腔室大體各自包含容納電解液之近似立方形內空間。因此，在以上定義之含義內，腹板或肋狀物實質上在垂直方向上及在橫向方向上在電解池中延伸。亦在習知電解池中提供之垂直混合對應於實質上平行於腹板或肋狀物的電解液流，亦即，在每一狀況下在兩個腹板或肋狀物之間的個別隔室中在電解池之高度方向上的流。對比而言，在本申請案中所述之縱向混合的情況下，電解液在實質上水平方向上流過腹板之孔洞，且因此電解液經由腹板之孔洞自一隔室流至鄰近隔室中。縱向混合因此在實質上水平流動方向上實現，該方向基本上與高度方向上之垂直混合正交而定向，亦即與在電解液中上升之氣泡正交或至少與該等氣泡為橫向。

本文所使用之術語「孔洞」不包括對特定輪廓形狀之任何限制。孔洞可例如具有圓形、卵形、伸長或多邊形輪廓。本文所使用之術語「切口」首先包含連續孔洞，該等孔洞具有任何所要之輪廓形狀且藉由腹板之材料在所有側上環繞，且然而亦包含材料之穿孔，該等穿孔准許電解介質通過但並未藉由腹板之材料在所有側上環繞，亦即，若適當，其亦可在其周邊上在一或多個點處開放。

由於腹板或肋狀物的根據本發明之組態，兩個效應因此有利地彼此組合。首先，氣升泵效應係在腹板之下部區中獲得(其導致橫向混合)，且其次縱向混合仍在腹板的上部區中實現。因此，在陽極處之流入物與所運送鹽水的最佳混合藉由氣升泵效應在整個電解池高度之上得以確保，且同時，在陽極處之最佳鹽水運送藉由在上部泡沫相中的腹板中之孔洞或切口在電解池寬度之上達成。以此方式，對隔膜之損壞得以防止，若例如氯鹼電解在電解池中實行，則對隔膜之損壞另外由於NaCl之供應不足而發生。鹽水對膜之此不足供應促進水泡在膜處形成，該情形可詳言之以永久高電流密度在操作期間觀測到。

對根據本發明之目標的解決方案之一較佳改進提供，如在電解池之高度方向上檢視，腹板或肋狀物包含具有孔洞或切口的至少一上部區。由於腹板或肋狀物之上部區中的此等孔洞或切口，縱向混合在該處係可能的。在該區中，泡沫相係藉由上升之氣泡形成，在該相之區中，電解液的縱向混合為有利的。

較佳地，腹板或肋狀物不包含孔洞或切口之下部區至少近似地在腹板或肋狀物之整個高度的下半部之上延伸，詳言之至少在腹板或肋狀物之整個高度的下半部之上延伸。下部區之末端當然取決於各別電解池中之個別條件。舉例而言，可憑經驗地判定需要氣升泵效應達至腹板之何高度且縱向混合應被防止，且在每一狀況下泡沫相開始於何高度。實驗已揭露，以下情況為大體有利的：至少近似地腹板或肋狀物之下半部，詳言之至少腹板或肋狀物之下半部將具有實心形式，亦即在無孔洞或切口之情況下形成。孔洞開始之區可因此在特定狀況下例如取決於電解池之參數、在每一狀況下所使用之電解液的類型及電解發生的條件而變化，該等條件諸如溫度、pH、電流密度等。

本發明之一較佳改進提供，腹板或肋狀物不包含孔洞或切口之下部區至少近似地在腹板或肋狀物之整個高度的下三分之二之上，詳言之在下三分之二之上延伸。在此可能之變體中，腹板或肋狀物具有實心形式之區因此向上延伸超過腹板或肋狀物的中間，而孔洞或切口在泡沫相形成之處僅在近似上三分之一中，詳言之在上三分之一中提供。

根據本發明之一較佳改進，提供，腹板或肋狀物包含孔洞或切口之上部區至少近似地在腹板或肋狀物之整個高度的上四分之一之上，詳言之在上四分之一之上延伸。在此可能之變體中，腹板或肋狀物具有實心形式之區因此進一步向上延伸，而孔洞或切口在泡沫相形成之處至少近似地在上四分之一中，詳言之在上四分之一中提供。

特定較佳地，腹板或肋狀物包含孔洞或切口之上部區至少近似地在腹板或肋狀物之整個高度的上三分之一之上延伸，詳言之至少在腹板或肋狀物之整個高度的上三分之一之上延伸。

本發明之一較佳改進提供，腹板或肋狀物在至少一上部區中包含藉由在腹板或肋狀物之高度方向上的實心區彼此間隔開的多個孔洞或切口。

根據本發明之裝置的另一較佳改進提供，腹板或肋狀物在至少一上部區中包含輪廓至少部分地近似為圓形之孔洞。在此時，僅藉由實例提及鑰孔。然而，用於孔洞或切口之任何其他所要的輪廓形狀在原則上亦為可想到的。舉例而言，有可能提供具有不同輪廓形狀及不同大小之孔洞或切口，此例如取決於縱向混合效應之所要強度及應在每一狀況下每單位時間流過孔洞或切口進入鄰近隔室之電解液的體積。

本發明之另一較佳改進提供，腹板或肋狀物在至少一上部區中包含如在腹板或肋狀物之高度的方向上檢視而具有距彼此之不同間距的多個孔洞或切口。此情形提供使縱向方向上之混合效應變化的另一可能性在於，儘管使用了在每一狀況下具有近似相等大小之孔洞或切口，但其彼此之間距在腹板或肋狀物之高度之上變化，使得對於彼此更靠近配置的孔洞或切口而言，腹板之每單位面積之孔洞的較大總面積得以提供。若使用不同大小之孔洞或切口，則類似效應當然亦可實現。然而，歸因於腹板或肋狀物之寬度，對於孔洞或切口之直徑或寬度的上限出於腹板單獨之機械穩定性的原因而存在，使得在此狀況下，用於縱向混合之較大孔洞面積經由孔洞與後者更靠近在一起的配置而實現。

舉例而言，與上部區的朝向頂部毗連之第二區段中相比，上部區之第一下部區段中之腹板或肋狀物中的孔洞或切口可以距彼此之較小間距來配置。

在本發明之架構內，孔洞或切口將具有特定最小大小以便達成所要之混合效應為有利的。因此，至少一孔洞或切口之自由橫截面較佳地總計為至少大約10 mm²，特定較佳至少大約15 mm²。較佳地，所有孔洞或切口之自由橫截面總體總計為至少大約300 mm²且個別孔洞具有上述最小橫截面，其中此亦取決於總體提供之孔洞或切口的數目及其在每一狀況下距彼此之間距。

本發明之另一標的物為一種用於對具有如請求項1至10中任一項之特徵的一電解裝置中之一可流動介質進行電解處理的方法。

較佳地，根據本發明之方法包含氯鹼電解。本文所述之類型的電解裝置以特定方式適用於氯鹼電解。然而，根據本發明之電解裝置亦可用於其他電解過程。

較佳實施例之詳細說明 下文中，參看圖1更詳細地解釋該類型之電解裝置的基本結構。大體而言，電解池10在每一狀況下包含具有兩個半殼之一外殼，即陰極半殼11及陽極半殼12，陰極半殼11及陽極半殼12各自在頂部及底部處具備凸緣狀邊緣，其間在每一狀況下藉由密封劑夾持有一膜13。該膜13在陰極半殼11(其對應於陰極腔室或陰極液腔室)與陽極半殼12(其對應於陽極腔室或陽極液腔室)之間形成劃分壁。陰極半殼11及陽極半殼經由在橫向方向上定向之螺桿14，在每一狀況下在其凸緣狀邊緣之區中，在頂部及底部處彼此連接，以形成電解池10。在下部區中，在兩個半殼11、12中之每一者中，在每一狀況下用於電解液溶液之一入口分配器管15、16在電解池的縱向方向上延伸，且所消耗之電解液經由出口管17自電解池排放。陽極及陰極各自在各別半殼中靠近膜在垂直方向上以平面方式延伸。

如圖1中可見，傾斜定向之導板18在上部區中提供於陽極半殼中，使得，在該導板18的面對陽極之側上，氣體裝載液體在箭頭的方向上上升，且在導板之後側上，裝載有較少程度之氣體或根本未裝載有氣體的液體下降。此導致陽極液在下部區中循環，此情形導致垂直混合。該循環補償流入物與電解池中之液體之間的電解液(例如，NaCl)之濃度差。

在依據圖2之電解池的視圖中，用於兩個半殼之兩個入口分配器管15、16及各自指派給一半殼之出口管17可被看見。外圍框架19可此外見於圖2中，在其區中，兩個半殼之凸緣狀邊緣彼此擰緊。

圖2中所說明之電解池係在圖3中在縱向方向上切開說明。此處，可見，在此類型之電解池的狀況下，兩個半殼中之兩個電極的後空間在每一狀況下藉由在近似垂直方向上及在橫向方向上延伸的腹板20細分為個別隔室。該等腹板亦為陰極及陽極之加強及支撐而服務。在依據圖4之橫截面圖中，該等腹板20中之一者可在左手側在圖式中清晰地看見。可見，腹板20在上部區中具備孔洞24，電解液之縱向混合經由孔洞24得以實現。下文將以依據圖5之個別部分圖式為基礎來更詳細地解釋關於該等腹板20之形成及功能的進一步細節。

依據圖5之說明展示個別腹板20，該腹板20在其下部末端區21中成斜面且因此在其朝向下部末端之寬度上連續地變尖。如在其高度之方向上檢視，該腹板原則上具有兩個不同地形成之區，即下部區22及上部區23。下部區22為實心的，無孔洞或切開提供於其中。在依據圖5之示範性實施例中，該下部區22稍微超過腹板20之整個高度的下三分之二而延伸。腹板20之上部區23朝向頂部毗連下部區22，其中腹板20在該上部區23中具備孔洞24，電解液可在電解池之縱向方向上通過孔洞24以使得電解液的縱向混合在該上部區23中實現。該處，電解液之泡沫相由於上升之氣泡而定位。

如圖5中可見，彼此間隔開之多個孔洞24的數目得以提供。在示範性實施例中，五個此等孔洞24係藉由實例而說明。此外可見，與上部孔洞相比，兩個下部孔洞24 a如在腹板20之高度方向上檢視而具有距彼此的較小間距。孔洞24之數目及其距彼此之各別間距可以在本發明之範疇內的任何所要方式或多或少地變化。

10‧‧‧電解池 11‧‧‧陰極半殼 12‧‧‧陽極半殼 13‧‧‧膜 14‧‧‧螺桿 15、16‧‧‧入口分配器管 17‧‧‧出口管 18‧‧‧導板 19‧‧‧外圍框架 20‧‧‧腹板 21‧‧‧下部末端區，成斜面 22‧‧‧下部區，實心 23‧‧‧上部區，具有孔洞 24‧‧‧孔洞 24 a‧‧‧下部孔洞，具有相對小之間距

下文參考所附圖式以示範性實施例為基礎來更詳細地解釋本發明。在圖式中： 圖1示意性地展示通過依據第一實施例變體的根據本發明之示範性電解裝置的橫截面之簡化視圖； 圖2展示根據本發明之示範性電解裝置的視圖； 圖3展示圖2中所說明之電解裝置之縱向方向上的剖視圖； 圖4展示圖2中所說明之電解裝置之橫向方向上的剖視圖； 圖5展示具有用於電解液之縱向混合的孔洞之個別腹板的詳細視圖。

20‧‧‧腹板

21‧‧‧下部末端區，成斜面

22‧‧‧下部區，實心

23‧‧‧上部區，具有孔洞

24‧‧‧孔洞

24a‧‧‧下部孔洞，具有相對小之間距

Claims (14)

1. 一種用於液體之電解處理的電解裝置，其具有透過一離子交換膜而彼此分開之一陽極腔室及一陰極腔室，其中該等腔室供有對於一流動電解液之至少一入口開口及一出口開口，且至少在每一狀況下具備一電極，且其中該陽極腔室及/或該陰極腔室之內空間係藉由相對於該等電極橫向地延伸之腹板或肋狀物而細分，其中該等腹板或肋狀物係至少區域地供有孔洞或切口，該電解裝置之特徵在於該等腹板或肋狀物係在該電解裝置之高度方向上延伸，且當在該高度方向上檢視時，該等腹板或肋狀物包含無孔洞或切口的至少一下部區。
2. 如請求項1之電解裝置，其特徵在於當在該高度方向上檢視時，該等腹板或肋狀物包含具有孔洞或切口之至少一上部區。
3. 如請求項1或2之電解裝置，其特徵在於無孔洞或切口之該等腹板或肋狀物，至少近似地在該等腹板或肋狀物之整個高度的下半部之上延伸。
4. 如請求項1之電解裝置，其特徵在於該等腹板或肋狀物不包含孔洞或切口之該下部區至少近似地在該等腹板或肋狀物之該整個高度的下三分之二之上延伸。
5. 如請求項1之電解裝置，其特徵在於該等腹板或肋狀物包含孔洞或切口之該上部區至少近似地在該等腹板或肋狀物之該整個高度的上四分之一之上延伸。
6. 如請求項1之電解裝置，其特徵在於該等 腹板或肋狀物包含孔洞或切口之該上部區至少近似地在該等腹板或肋狀物之該整個高度的上三分之一之上延伸。
7. 如請求項2之電解裝置，其特徵在於該等腹板或肋狀物在該至少一上部區中包含多個孔洞或切口，該等孔洞或切口係藉由在該等腹板或肋狀物之高度方向上的實心區彼此間隔開。
8. 如請求項2之電解裝置，其特徵在於該等腹板或肋狀物在該至少一上部區中至少部分地具有具近似圓形輪廓之孔洞。
9. 如請求項2之電解裝置，其特徵在於該等腹板或肋狀物在該至少一上部區中包含多個孔洞或切口，當在該等腹板或肋狀物之高度方向上檢視，該等孔洞或切口彼此間具有不同間距。
10. 如請求項9之電解裝置，其特徵在於與該上部區的朝向頂部毗連之一第二區段中的該等腹板或肋狀物中孔洞或切口相比，配置於該上部區之一第一下部區段中的該等腹板或肋狀物中孔洞或切口係配置成彼此間具有較小的間距。
11. 如請求項1之電解裝置，其特徵在於至少一孔洞或一切口之自由橫截面等於至少大約10mm²。
12. 如請求項1之電解裝置，其特徵在於至少一孔洞或一切口之自由橫截面等於至少大約15mm²。
13. 一種用於可流動介質的電解處理之方法，該方法係在具有如請求項1至12中任一項之特徵的一電解 裝置中進行。
14. 如請求項13之方法，其特徵在於其包含氯鹼電解(chlor-alkali electrolysis)。

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