Электролитическая ячейка для получения хлора и щелочи - RU2062307C1

Чертежи

Показать все 8 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к области электрохимических производств.

Целью изобретения является упрощение конструкции.

На фиг.1 вид сбоку ячейки, выполненной в соответствии с настоящим изобретением. На фиг. 2 разрез ячейки по линии Х-Х'. На фиг.3 разрез ячейки по линии У-У'. На фиг. 4 ячейка с устройством для циркуляции. На фиг.5 - выполнение ячейки с вертикальным каналом для циркуляции.

На фиг. 1 корпус 1 снабжен разгораживающей стенкой 2, и левым и правым фланцами, как показано на фиг.2 и 3, где одна сторона стенки 2 имеет несколько вертикальных ребер 3, на которых держится анод 4, видимый как вертикальная зигзагообразная линия. И наоборот, другая сторона стенки имеет несколько ребер 5, на которых держится катод 6, показанный вертикальной зигзагообразной линией. Поэтому анодный oтсек (правый) и катодный отсек (левый) имеют свое определенное место.

Ряд, описанных выше одиночных ячеек, собран в линию, тогда как катионообменная мембрана и два электрода на обеих ее сторонах размещены между одиночными ячейками, причем как анодный, так и катодный отсек заканчиваются на конце конструкции.

Позиция 7 представляет собой входное отверстие для свежего анолита 8, представляет собой выходное отверстие для отработанного анолита и выделяемых хлорных газов 9, представляет собой входное отверстие для свежего католита 10 и представляет собой выходное отверстие для отработавшего католита и выделяемого газообразного водорода. Ребра 3 и 5 образуют углубленное пространство позади анодов и катодов, где находятся соответственно каналы 11 и 12, имеющие вертикальную часть 13 и горизонтальную часть 14, выполненные параллельно плоским электродам 4 и 6. Канал имеет верхнее отверстие 15 на верхней кромке и нижнее отверстие 16 на нижней кромке.

Во время работы, если рассматривать например анодный отсек, газ хлора, выделяемый на аноде 4, не входит в канал 11, потому что в канале нет больше отверстий, кроме 15 и 16, а если что-то и входит в канал, так это отработанный анолит, содержащий скудный газ, более тяжелый, чем газосодержащая жидкость. За счет этого внутренняя часть канала приобретает такую большую плотность по сравнению с внешней частью канала, что канал создает определенный направленный вниз поток.

Более точно отработанный анолит, имеющий низкую концентрацию соляного раствора и кислотность, течет внутрь по верхнему отверстию 15, которое прилаживается вблизи к выходному отверстию 8, и отработанный анолит вытекает через отверстие 16, которое прилаживается вблизи входного отверстия 7. Таким образом, свежий анолит, имеющий высокую концентрацию соляного раствора и кислотность, смешивается с отработанным анолитом, имеющим низкую концентрацию и кислотность, настолько регулярно, что реализуется выравнивание концентрации и кислотности анолита. То же справедливо для катодного отсека, где находится канал 12.

На фиг. 4 показан другой пример устройства канала. В этом примере выполнено множество вертикальных частей 13 с одним каналом 11. Это эффективно для тех случаев, когда отделение газа происходит слабо, или когда мертвая зона потока образуется в электролите. Однако необходимо отметить, что чрезмерные вертикальные части 13 могут превратить заднее пространство в малопригодное для течения электролита. Тем самым вызываются слабое газоотделение и увеличение напряжения. Открытый конец крайней вертикальной трубы размещен на расстоянии 1/3 или менее от патрубка вывода электролита.

На фиг.5 показан пример выполнения канала, подходящего для ячейки с малой поперечной длиной. В тех случаях, когда поперечная длина не больше 50 см, примерно в центре ячейки предпочтительно устройство канала, состоящего из вертикальной части 11 без горизонтальной части.

Что касается катионообменной мембраны, используемой в настоящем изобретении, то можно выбирать мембрану любого типа, лишь бы она подходила для хлоро-щелочного электролита. В настоящее время считается, что данному случаю соответствует мембрана, состоящая из перфтороуглерода, содержащего карбоксильные кислотные группы, и в условиях хлоро-щелочного электролиза она годится в пределах эффективности тока. Этот тип мембраны наиболее пригоден для данного изобретения.

В процессе хлоро-щелочного электролиза, в основном, обратная миграция гидроксильных ионов от катодного отсека к анодному отсеку через мембрану должна быть нейтрализована за счет дополнения кислоты в анодный отсек. В противном случае она вызывает накопление хлората в анодном отсеке, возрастание газообразного водорода в хлорном газе, быстрый износ материала покрытия анодов и другие повреждения.

С другой стороны, карбоксилитные кислотные группы в мембране становятся неразложимыми, когда она встречается с высококонцентрированной кислотой. И поэтому возникает возрастание напряжения электролиза. Если бы эта операция продолжалась принудительно, то это могло бы привести к появлению вздутия или даже к поломке мембраны. Однако при работе ячейки, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, имеется возможность подачи соляного раствора высокой кислотности для нейтрализации обратной миграции гидроксильных ионов, так как ячейка, по настоящему изобретению, способна к выравниванию распределения кислоты в анодном отсеке, тем самым предотвращая повреждение мембраны и увеличение напряжения электролиза.

Что касается электрода, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, то для его изготовления годится пористый плоский электрод, например из цельнотянутой металлической решетки, сетки или сетчатого металла, перфорированного металлического листа. Кроме того, могут использоваться вытянутые металлические стержни. Что касается анода, то приемлемы любые материалы, используемые обычно для хлоро-щелочного электролиза. А именно, титан, цирконий, тантал, ниобий и сплавы этих металлов служат в качестве основы, поверхность которой покрывается активным материалом, который для анода содержит окисел металла платиновой группы (например, окисел рутения) в качестве основной составляющей. Материалом катода может быть железо, никель и их сплавы, которые используются непосредственно, или покрываются для катода активным материалом, например никелем Рейни, никелем Родана, окислом никеля. Что касается хлоро-щелочного водного раствора в данном изобретении, сохраняется потребность в промышленном применении поваренной соли, хлористого калия, но при этом нет больше существенных ограничений.

Как описано выше, электролитическая ячейка, выполненная в соответствии с настоящим изобретением, способна уравнивать отклонение концентрации, распределение рН и температуры в электролите, тем самым создавая следующие преимущества:
1. Работа при высокой плотности тока 30 а/дм² или выше.

2. Пониженное напряжение.

3. Большая продолжительность жизни катионообменной мембраны, а также анода.

4. Более высокое качество продукта химической реакции в виде хлорного газа и гидроокиси щелочного металла.

В электролитической ячейке, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, выполнен канал в отсеке для осуществления естественной циркуляции электролита, тем самым создавая возможность получения следующих преимуществ.

5. Низкая стоимость возведения установки и ее эксплуатации.

6. Неизменно сохраняется соответствующая циркуляция даже тогда, когда помимо канала, по данному изобретению, выполнено отверстие во входном канале для свежего электролита для уравнивания скорости подачи к каждой ячейке.

Пример 1.

В биполярной системе электролитической ячейки, имеющей конструкцию, показанную на фиг. 1, был выполнен электролиз водного раствора хлористого натрия. Область приложения тока определяется размерами 115 см высоты и 235 см поперек. Глубина выемки заднего пространства, смежного с электродом, составляет 3 см. Анод был выполнен из перфорированной титановой пластины, имеющей толщину 1 мм и покрытой окислом рутения. Катод был выполнен из перфорированной низкоуглеродистой стали в виде пластины толщиной 1 мм. В заднем пространстве рядом с катодом был устроен канал, выполненный из нержавеющей стали в виде пластинки толщиной 1 мм, а в заднем пространстве рядом с анодом выполнен канал, изготовленный из титановой пластинки толщиной 1 мм, имеющий в основном прямоугольное сечение 2,5 см х 8 см, причем верхние отверстия этих каналов находятся как раз под выходным отверстием для отработанного электролита и электролитического продукта на высоте 105 см. Нижние их отверстия находятся в 2 см от входного отверстия для свежего электролита.

Мембранный полимер был изготовлен путем сополимеризации тетрафтороэтилена и перфторо-3,6-диокси-4-метил-7-октенесульфонильного фторида. Два сорта полимеров, один из которых имеет эквивалентный вес 1350 (полимер 1), а другой имеет эквивалентный вес 1100 (полимер 2), были получены в результате реакции. Затем эти два полимера были подвергнуты тепловой обработке и за счет этого был изготовлен двухслойный состав путем комбинации 35 микрон полимера 1 и 100 микрон полимера 2, а на него внедрено покрытие из Тефлона со стороны полимера 2 вакуумным нанесением. Этот покрытый слой был затем омылен. Содержащая группу сульфокислоты ионообменная мембрана была подвергнута понижающей обработке с целью выработки групп карбоксильной кислоты только относительно поверхности со стороны полимера 1. Мембрана, используемая в данном примере, была изготовлена, как описано выше.

Что касается работы, то в анодные отсеки был подан водный раствор поваренной соли, 5,3 N, при 60^oС со скоростью 130 лит/час, а в катодные отсеки со скоростью 130 лит/час подавался слабый водный раствор NаОН с тем, чтобы отвести электролитическое тепло. Операция управлялась таким образом, чтобы сохранялась температура 90^oС; 6,5 N на выходном отверстии.

После того, как через 2 3 часа работа привелась к равновесию при плотности тока 40 а/дм², к анолиту был добавлен 5 N НСL. Между тем, в девяти точках были взяты пробы, и эти образцы были исследованы для определения концентраций NаСL и NаОН. Затем была определена однородность распределения (далее "однородность") отношением наибольшего показателя концентрации к наименьшему показателю, измеренным в отсеке.

Результаты приведены в таблице 1, где в качестве контрольного эксперимента добавлен результат, полученный при принудительной циркуляции на скорости 1 м³/час для обоих электролитов. Эффективность тока составляла 95% на основе выработанного NаОН.

Таблица, приведенная выше показывает, что в случае с каналом получены результаты, которые заслуживают внимания для сравнения с работой с принудительной циркуляцией, и что в случае без канала происходит увеличение напряжения из-за ослабления однородности и частичного неразложения группы карбоксильной кислоты ионообменной мембраны ввиду увеличения концентрации кислоты.

Пример 2.

Кроме изменения концентрации кислоты в анолите до 0,20 N, пример 2 осуществлен при тех же условиях, что и пример 1, в основном для определения эффекта за счет высоты канала. Результаты показаны в таблице 2.

Приведенные результаты доказывают, что соответствующей высотой канала может быть высота более 50 см.

Пример 3.

Создавались те же условия работы, как и в примере 2, и проверялось воздействие изменений расположения верхнего и нижнего отверстий канала за счет использования того же канала высотой 100 см. Эксперименты осуществлены при условии, что когда верхнее положение изменяется, нижнее положение зафиксировано на 5 см над входным отверстием для электролита, и при условии, что когда нижнее положение изменяется, верхнее положение остается нетронутым как раз под выходным отверстием.

Полученные результаты приведены в таблице 3.

Результаты, приведенные в таблице 3 показывают, что верхнее положение меньше влияет на однородность и изменения напряжения. И, наоборот, нижнее положение имеет определенное влияние на указанные параметры. В заключение необходимо отметить, что нижнее положение должно предпочтительно настраиваться по отношению к входному отверстию в пределах 1/3 длины ячейки, предпочтительно в пределах 10 см.

Пример 4.

В соответствии с примером 2, где исследовалось влияние выступающей области канала на область приложения тока. Во время экспериментов вертикальные каналы были расположены в линию с интервалами 10 см, начиная с положения как раз под выходным отверстием на потолке. Указанные выше вертикальные каналы были соединены горизонтальным каналом, при этом его высота контролировалась на 105 см, а нижнее отверстие устраивалось в 2 см от входного отверстия.

В таблице 4 показана тенденция, что при большем числе вертикальных каналов повышается однородность, но там, где общая выступающая область вертикальных каналов превышает 1/3 длины ячейки, электролитическое напряжение неблагоприятно увеличивается. Это может быть происходит от того, что каналы блокируют проход вверх, выделяемых газов.

На графике приведены данные, которые показывают, что наилучшие результаты получают при размещении открытого конца горизонтальной трубы на расстоянии 1/3 или менее длины ячейки от патрубка ввода электролита и верхнего открытого конца вертикальной трубы на таком же расстоянии от патрубка вывода.

В известном электролизере имеется устройство для циркуляции, выполненное в виде канала, одна часть которого является внешней, а вторая внутренней по отношению к каждому электроду, причем внутренний канал расположен в толще электрода, в предложенном устройство для циркуляции размещено в пространстве между электродами, что упрощает конструкцию. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 ТТТ1 ТТТ2 ТТТ3 ТТТ4

Реферат

Изобретение относится к электрохимическим производствам и позволяет упростить конструкцию. Изобретение касается электролитической ячейки для получения хлора и щелочи, включающей корпус, два электрода, разделенных катионообменной мембраной, патрубки ввода и вывода, устройство для циркуляции, размещенное между электродом и перегородкой и выполненное в виде горизонтальной трубы и 1-15 вертикальных труб, соединенных с горизонтальной трубой, открытый конец горизонтальной трубы размещен на расстоянии 1/3 или менее длины ячейки от патрубка ввода, а открытый конец крайней вертикальной трубы размещен на таком же расстоянии от патрубка вывода. 5 ил., 4 табл.

Формула