用於電解處理的基本單元和相關模塊化電解裝置的製作方法

2023-10-23 15:58:12 3

專利名稱：用於電解處理的基本單元和相關模塊化電解裝置的製作方法
用於電解處理的基本單元和相關模塊化電解裝置工業電解處理，例如用於生產氫氣和氧氣的水電解，以及鹼鹽水的電解，特別是旨在生產氯氣、苛性鈉和氫氣的氯化鈉鹽水的電解，這些處理通常在

圖1中所示類型的電解裝置中進行，其中附圖標記表示1為電解裝置；2為基本單元，其模塊化排列構成所述電解裝置；3和4分別是到外部整流器的正極和負極的接線；5為多個基本單元的支撐物，其可位於電解裝置的下方或者作為替代方式其可被成形為懸臂，所述懸臂沿電解裝置的側面成對放置；6和7為通過連接杆或液壓千斤頂(圖中未示出)施加的壓力，其與外周襯墊(圖中未示出)一起確保工藝流體相對於環境的嚴密密封，並且在一些類型的電解裝置中還旨在改善各個單元之間的電連續性。該電解裝置還配備有允許提供待電解的溶液以及回收產物和殘留的廢溶液的合適的噴嘴和液壓連接(為了更好的可讀性也在圖中省略)。圖2表示與負極相連接的電解裝置的末端部分沿箭頭8指示的方向所取的截面， 其示出了根據工業實踐中的普通設計的末端元件和多個個體雙極元件。附圖標記表示9為末端陰極元件，其包括壁10和由陰極豎向帶12所支撐的穿孔板或網狀物構成的陰極11 ；13為個體雙極元件，其包括壁10、陰極11和陽極14，所述陰極11和陽極14由穿孔板或網狀物構成且分別由陰極豎向帶12和陽極豎向帶15支撐；16和17為在外部連接杆或千斤頂產生的壓迫下緊固分隔體18 (例如多孔隔膜或離子交換膜)的外周襯墊，其確保陰極隔室和陽極隔室中包含的電解質和電解產物相對於環境的嚴密密封。在圖2的簡圖中，分隔示出了各個內部組件以便於更好地理解實際上，分隔體18 與支撐所述分隔體的陽極14相接觸，而陰極11被間隔開，例如間隔l_2mm的間隙。考慮到可高1-1. 5米且長2-3米的雙極元件13的尺寸，顯然如何獲得陰極和陽極的所需的平面性和平行性帶來了顯著的構造難度。此外，電解裝置1的組裝需要操作人員特別仔細，操作人員必須執行一系列操作，包括周期性地重複以下步驟在相關支撐物上豎向放置雙極元件， 在其兩面上提供用粘合劑固定的所需的外周襯墊，其中陽極表面面向操作者；然後將分隔體施加到陽極表面和襯墊上在這樣的組裝序列的難點中，要注意的是分隔體向下滑動的趨勢，這使得分隔體的精準定位複雜化，並且必須保持不同雙極元件的相互對準。位於支撐物上的多個雙極元件最終被外部連接杆或液壓千斤頂壓迫，以便確保所需的相對於外部環境的嚴密密封在這個階段，各個雙極元件的任何微小失準或甚至極小的分隔體滑動都可能導致後者的損壞，阻礙其正常運行。即使當不發生這種情況時，從關於陰極對陽極的平行性和相關間隙的容差的可能偏離也會引起電流分布的不均勻，從而對電解的品質和分隔體的壽命具有負面影響，尤其是當分隔體由離子交換膜組成時。此外，在雙極元件和/或分隔體出現故障的情形中，更換的介入措施(intervention)使得由外部連接杆或液壓千斤頂施加的壓迫被釋放，從而導致雙極元件有可能相對於分隔體相互滑動這種情況可以在隨後重新壓緊連接杆或液壓千斤頂的過程中導致另外的損壞。圖3的簡圖示出了一種不同類型的電解裝置的負末端部分的沿箭頭8指示方向所取的截面。在這種情形中，電解裝置由多個根據單一單元類型設計的個體單元19形成。每個個體單元19包括兩個殼，陰極殼20和陽極殼21，它們通過沿外部周界設置的一系列螺栓 22相互壓緊在螺栓產生的壓迫下，陰極襯墊23和陽極襯墊M將分隔體25緊固在其之間， 從而確保相對於外部環境的嚴密密封。兩個殼20和21設有分別以沈和27表示的陰極豎向內部帶和陽極豎向內部帶，向其分別固定陰極觀穿孔板或網狀物和陽極四穿孔板或網狀物，以及最後是放置在陽極殼21的外表面上、對應於陰極內部帶和陽極內部帶的豎向接觸帶30，其旨在確保電解裝置的各個個體單元之間的電連續性。如同圖2中的情形，為了更好地理解單元內部結構，在圖3中陰極、陽極和分隔體也被表示為分離的元件實際上，分隔體與支撐陽極相接觸，而陰極間隔有預定的有限的間隙。單一單元型的每個個體單元還包括與接觸帶30對齊並且由電絕緣材料製成的一系列隔離片31和32，所述電絕緣材料優選為PTFE，這是由於其具有化學惰性。隔離片31和32的功能極為重要，並且特別體現了單一單元設計的特徵在外部連接杆或液壓千斤頂壓迫的作用下，厚度經仔細校準過(例如厚度被設定為l_2mm且機械容差低於0. Imm)的隔離片將分隔體相互緊固而不使其損壞，這允許調整外周襯墊壓迫並導致即使有也很小的結構偏差，從而也在一致地偏離結構容差的情況下以實際上恆定且預定的間隙確保很好的平行性。此外，隔離片允許將外部連接杆或液壓千斤頂的機械載荷集中在外部接觸帶上，從而產生足以保證將電阻最小化的壓力。隔離片壓力作用於其上的陽極表面部分當然被適當地平坦化以避免損壞分隔體。上述所示設計的優點主要由在水平位置單獨組裝每個單一單元的可能性所提供， 在設備的組裝區段水平位置極大地方便了殼、襯墊、隔離片、和尤其是分隔體的相互定位。 一旦組裝操作以外周螺栓的鎖合而結束，單一單元被放置在支撐物上，並且一旦放置了全部的多個個體單元，在外部連接杆或液壓千斤頂的作用下將該組裝體緊固，從而實現各個單元之間的電連續性以及陰極和陽極之間以預定間隙的平行性。最終，所述單一單元設計允許防止對分隔體的任何破壞，並且通過陰極和陽極之間的預定間隙的平行性而實現均勻的電流分布，從而確保電解處理更好的品質和更長的分隔體壽命。此外，如果單一單元出現故障，在這種情形中的維護程序也需要釋放由外部連接杆或液壓千斤頂施加的壓力，但無需將這些個體單元打開，從而各個內部組件的內部器材(asset)不被觸及因此，用於更換出故障的單一單元的可能介入措施在隨後的連接杆或液壓千斤頂的緊固階段中不帶來任何損壞。陰極-陽極間隙被設定為約l_2mm的上述技術，在工業實踐中的特徵為到目前為止令人滿意的每單位產物的比電能消耗然而，電能價格的不斷增長推動了能夠提供明顯能量節約的新設計。下文所示的新型單一單元設計通過消除陰極到陽極的間隙(如圖4所示)實現了這個目標，圖4示出了個體單元的頂視圖。與圖3中相同的元件(殼、外周襯墊、分隔體、陽極豎向帶、陽極和接觸帶)用相同的附圖標記表示；不同的元件包括固定有穿孔板或網狀物34的降低的陰極帶33、彈性元件35、以及充當陰極的薄穿孔板或柔性平面網狀物36，所述彈性元件35例如由並置的兩個或更多個波紋狀的導電金屬織物組成，或者是由從一個或更多金屬線獲得的互穿線圈形成的墊子組成。陰極豎向帶33的降低允許為放入彈性元件35產生必要的空間。當預組裝的單元被安裝在支撐物上並經受由連接杆或液壓千斤頂施加的壓力時，板或網狀物34壓迫彈性元件35，進而向著由陽極四支撐的分隔體25壓迫陰極36。元件35的彈性確保了陰極36與分隔體保持連續且均勻的接觸，而與陽極四以及板或網狀物34相對於理想平面性和平行性的不可避免的小偏離無關，所述板或網狀物實際上充當了到彈性元件並且跨過所述彈性元件到柔性陰極的電流分配元件。以這種方式， 保證了在操作期間以均勻地方式分配電流，且因此保證了決定能量消耗的個體單元電壓被最小化。在圖4的簡圖中可以注意到，彈性元件35的使用使得消除了具有明顯風險的隔離片31和32，所述風險為對應於從板或網狀物34以及陽極四的平行性的偏離，可以產生分隔體25對陽極的過大壓迫，從而損壞膜。如果板或網狀物34以及陽極四被加固以增加其剛性和/或如果相鄰陰極帶33和陽極帶27之間的距離減小，則該風險可以被降低但這兩種措施都意味著因增加的材料使用而導致額外的成本，並因此需要增加接觸帶30的數量。 一個替代性的實施方案規定僅增加板或網狀物；34的厚度，從而通過在每一對陽極帶27之間放入V形豎向元件37來確保所需的陽極剛性豎向元件37可以由塑料材料製成，在該情形中將其強制性地插入；或者可以由金屬製成，在該情形中任選通過焊點來固定。元件37 的頂點38充當陽極四的板或網狀物的線性鄰接表面，從而陽極四的撓曲被大大減小從而不必增加其厚度、或陽極帶及因此接觸帶的數量。如果尺寸適當，元件37也可以有益地充當內部再循環促進器。最後，元件37的邊緣有助於部分地釋放由彈性元件35施加到陽極帶27的根部以及接觸帶30的根部的壓力，從而有效地幫助保持每一對相鄰單元之間的低接觸電阻。應用這種利用連接到彈性元件的、柔性平面板或網狀物形式的陰極的陰極至陽極零間隙設計，特別適合於單一單元型技術，其中，正如所討論的，可以在繼續進行定位到電解裝置支撐物上之前進行單元的預組裝。具體而言，以處在水平位置的單元來實現在相關組裝設備區段中進行的預組裝因此除分隔體的定位以外，還大大促進了陰極和相關彈性壓力元件的定位。相反，圖2中由多個雙極元件組成的電解裝置類型的應用據證明是非常有問題的，這是因為除了已經提到過的分隔體滑動和雙極元件失準的風險之外，還可能會發生陰極滑動和彈性元件向下偏移和滑動的不利因此，在將多個雙極元件與相關的襯墊、 分隔體、陰極和彈性元件進行緊固時，可能會發生壓力分布的異常，從而對隨後運行的規律性產生負面影響。在用於膜氯鹼電解的試驗性電解裝置上對該陰極至陽極零間隙設計的功效進行驗證，所述設計使用了連接到彈性壓力元件的陰極。該電解裝置配備有在水平位置預組裝並且隨後被安裝在其支撐物上的八個單一單元。這些單元具有標準的工業尺寸(1.2米高且2. 7米長)，每一個都包括由鎳製成的陰極殼以及相關內部組件(陰極帶、充當電流分配器的剛性網狀物、由通過直徑為約0. 2mm的互穿雙線線圈形成的0. 6m高且2. 7m長的兩個墊子組成的彈性元件、和設有用於析氫的催化塗層的柔性平面陰極)，由鈦製成的陽極殼以及相關內部組件(陽極帶、V形支撐元件、設有用於析氯的催化塗層的陽極、由鈦製成且塗覆有鎳膜以將接觸電阻最小化的外部接觸帶)，化學耐受性橡膠的襯墊和由DuPont/USA 生產的N2030型陽離子交換膜。使用32重量％的苛性鈉、氯化鈉鹽水以如下參數操作該電解裝置210g/l的出口濃度、90°C和5kA/m2的電流密度。在約一星期的穩定時期之後，所述單元的特徵為2. 90V的平均電壓，該平均電壓在6個月的操作之後基本不變，此時中斷電解並且將兩個單一單元從其支撐物上取下、打開、並且對其組件進行視覺檢查。所述檢查未證明任何明顯的改變；特別地，兩個膜呈現出的表面幾乎沒有因陰極的異常壓迫而產生的褶痕或其它痕跡。將這兩個單元重新組裝並再次安裝到電解裝置的支撐物上，然後啟動該電解裝置包括被檢查過的兩個單元的這些單一單元的電壓回到了關斷之前的值。作為對比， 在配備有具有相同結構的單元但沒有壓力墊子並且其特徵為陰極至陽極間隙為1. 5mm的電解裝置的情形中，根據圖3的結構，具有相同膜和操作條件的平均單元電壓為約3. 15V， 這對應於每噸苛性鈉產物約170kWh的能量消耗顯著增加。
權利要求
1.基本電解單元，該基本電解單元包括通過外周螺栓相互緊固的陰極殼和陽極殼，插入有外周陰極襯墊、外周陽極襯墊和分隔體，所述陰極殼包含固定在豎向內部陰極帶上的穿孔板或網狀物形式的電流分配器、與所述電流分配器電接觸並且與所述分隔體均勻接觸的穿孔板或網狀物形式的柔性陰極、位於所述電流分配器和所述柔性陰極之間的導電彈性元件；所述陽極殼包含與固定在豎向內部陽極帶上的所述分隔體均勻接觸的穿孔板或網狀物形式的陽極、和與內部陽極帶直接對應地在外部定位的導電陽極接觸帶。
2.根據權利要求1的單元，其中所述陽極還被在每一對所述內部陽極帶之間放入的V 形元件的頂點支撐。
3.根據權利要求1的單元，其中所述彈性元件由至少兩個並置且波紋狀的織物組成。
4.根據權利要求1的單元，其中所述彈性元件由互穿線圈的墊子組成。
5.根據權利要求4的單元，其中所述互穿線圈由至少兩根金屬線形成。
6.根據上述權利要求中任一項的單元，其中所述分隔體是離子交換膜，所述陰極殼、所述剛性電流分配器、所述陰極帶、所述陰極和所述彈性元件由鎳製成，所述陽極殼、所述內部陽極帶和所述陽極由鈦製成，所述外部陽極接觸帶由塗覆有鎳層的鈦製成。
7.電解裝置，其由多個單獨預組裝的基本單元的模塊化排列組成，所述基本單元如上述權利要求中任一項所述。
全文摘要
一種適合於氯鹼電解的、設有分隔體的電解單元，其具有平面柔性陰極和由支撐分隔體的穿孔板或網狀物組成的陽極，所述陰極通過被電流分配器按壓的彈性導電元件而與分隔體保持接觸。該單元適合於被單獨地預組裝，並且被用作模塊化排列的基本單元以形成電解裝置，僅所述電解裝置的末端單元與電源相連接；相鄰單元之間的電連續性是通過固定於限定每個單元的殼的外部陽極壁上的導電接觸帶來確保的。在確保接觸帶上的合適的機械負載的同時，陰極電流分配器和陽極結構的剛性以及導電元件的彈性協同用於以均一的壓力分布保持陰極與分隔體的均勻接觸。
文檔編號C25B9/04GK102216495SQ200980145589
公開日2011年10月12日 申請日期2009年11月16日 優先權日2008年11月17日
發明者A·奧塔維爾尼, A·帕斯克努奇, D·奧達尼, F·費德瑞科, M·裴瑞格 申請人:烏德諾拉股份公司