专利名称：从电解池中除去气-液混合物的设备的制作方法
最近开发和投放市场一些离子交换聚合膜，如Nafion(R)/Du Pond Nemours，Flemion(R)/Asahi Glass和其它，从而在工业电解业引发了一场革命。这些离子交换膜制成带，尺寸较大，厚度最大0.2-0.5mm。虽然加了增强织物，但其机械性能，尤其是耐磨和抗弯曲性低，使膜的应用受到影响。
因膜以带状制成，电解池必须重新设计成基本上平的形状，并缩小其厚度和体积。这种新设计使膜电解池可能出现问题，如电解液内部分布不均匀以及在电解产物为气态，如在氯-碱或水电解时，液-气混合物除去不充分，而最为关心的是电解池阴极和阳极室去除气-液混合物的问题。事实上，出口设计不合理会使两室中出现很大的压力波动，短时间内使膜受到损害。这些不寻常的压力波动可能是由于进入电解池顶部出口管的气-液相改变造成的。这种压力波动缺陷虽然对膜电解池较普遍，但在其它类型电解池中也是出现的，一般是隔膜电解池，其中用任何隔片，如上述离子交换膜和多孔膜等将阳极和阴极连同相应室隔开。
技术文献中公开了几种解决这一问题的方案，主要有以下两种经泄料管收集气-液相，泄料管可位于电解池内(Uhde GmbH)或位于电解池外(Chlorine Engineers)，已见于‘Modern Chlor-Alkali Technology’.Vol.4.Society of Chemical Industry，Elsevier 1990，这种装置中形成向下层流，包括恒定液流(管内表面层流)和气流(中心段，无液体)并可有效地清除压力波动。但这种设备仅用于强制循环工作电解池，而不适宜于自然循环电解池，由生成气体引起(气体提升或携带)，这种限制很关键，因为自然循环膜电解池因其高再循环能力带来的优点，如可容易地控制电解液酸度(pH)而可在例如氯-碱电解中适当地调节生成氯气中的氧含量;
经电解池内置管去除气和液相(US 4，839，012属The Duw Chemical Co)，这种收集器包括长度与电解池相同的水平管，与电解池上边缘平行且尽可能与其靠近，该收集器与去除气和液相的出口管相连，其中还设有适当孔，由高精度钻具确定，该设备称之为降低压力波动设备，适用于强制和自然循环电解池，但其效率尽达到一部分，因为剩余绝对压力脉冲为200-300mm水柱，在最坏的情况下这可能使膜两表面之间的压力脉冲差达到600mm水柱左右，进而可能使膜边缘处挠曲而造成疲劳损坏，并使膜摩擦电极表面而出现磨损。
本发明公开了一种去除膜电解池中气和液相的设备，基中可基本上消除压力波动，防止膜磨损或疲劳损坏，因此可延长膜使用寿命。更一般来说，这种设备适用于所有种类的所谓隔膜电解池。
这一惊人的结果从技术和经济角度看都是极其重要的，其中电解池(其产物为气态)的每一室设有两根在电解室顶分开的分别去除富含气体和富含液体相的管。气相管在电解池本身和液相管之间的连接件上进入电解池，而且该气相管的另一端受压或插入液相管，其位置并不很关键，唯一的要求是其离液相管与电解池顶的连接点的距离，该距离应至少基本上保持为连接件本身的当量直径的倍数(如3倍)。将富含气相管的另一端插入富含液相管之内代表了本发明的重要特点，因此可在充满富含气相的电解池顶部保持适当的压力，并将液体水平稳定在适当位置，从而防止液体本身流入气相管和富含气体相注入液相管。结果是从来就不会有最少量的液相在切线之下滴落到电解池和液相管之间的连接段。充满气体的电解池面高度不应超过关键值，范围的几个厘米，为的是使离子交换膜达到恒定润湿，由气液分离自然出现的喷流和波引起。该条件对于长期有规律操作膜是关键性的，否则膜会因干燥和气体扩散而迅速脆化。
电解池顶部的该压力可按几种方案，如下述的液压压头和调节阀而获得。
现参照附图详述本发明。
图1为装有本发明设备的膜电解池正视图。
图2为本发明设备细节。
图3为图2所示双极电解池的截面图。
图4为类似单极电解池截面图。
图5，6和7为具有本发明设备不同实施方案的膜电解池正视图。
图1示出了膜电解池，其中设有框架(1)，用以与适当夹套一起沿几个电解池的边缘防水，这几个电解池以所谓的“滤压构型”形成电解器。电解池还包括电极(2)，由多孔带，如膨胀或有孔带或筛制成，必要时涂有适当的电催化涂层;入口(6)和出口管(3);法兰(7，5)，用以连接到进料和排料循环，这正如本专业所知。本发明电解池还设有富含气体的产品的管(4)，其一端与电解池顶相连且另一端与去除富含液体相的出口管(3)的中间部分相连。
图2示出了包括两管(4，3)的电解池细节。
从3可以看出，电极(2)机械办法固定或焊在从中心体(9)伸出的柱(8)上，用以保证电解池的刚性并传输和分布电流。在保证本发明用途情况下，体(9)和轴(8)设计方案可不同于图3，4和7所示。电极(2)表面上气体的生成致使向上形成气体-电解质混合物。在电解池顶部，混合物倾于反向分成富含气体和富含液体的相，在现有技术中特点为单一类型的管(如图3所示管(3)或类似设备)，去除两相会导致压力波动，对邻近电极(2)的离子交换膜(11)的使用寿命带来不利影响。
应用本发明设备可惊人地使压力波动达到最小，因此可防止其对离子交换膜使用寿命的不利影响。目前对获这一有利且极其重要的结果的原因还不能清楚地被人理解，可在电解池顶部的流体力学中寻求解释。如图3所示，若液位保持在出口上的切线(10)以上，但在出口(4)所在法兰(1)下边缘以下，那么就可恒定地去除流体。更具体地讲，在线(10)和法兰(1)下边缘之间的电解池顶部所含气相仅与少量液体一起送入管(4)中。仍含气体剩余物的液相从管(3)中抽出。这种状况从本质上讲不同于现有技术，其中设单一出口且气相和液相，一旦在电解池顶部分开，就强制交叉。
液位稳定在线(10)和法兰(1)边缘之间要求该段面和管(3，4)长在电解池出口和两管相交点之间的区域里达到适当平衡，目的是将电解池顶部的压力保持在去除富液体相的管内出现的压降以下，另一方面电解池顶部该压力的最低值从来也不应下降到去除富含液体相的管内原压降减去线(10)和法兰(1)边缘限定的液体高度的值以下。
图5和6示出了本发明的另外的实施方案，其中各部件设有富含液体相的出口管，位于水平位置。
如图5a所示，富含气体相的管(4)与富含液体相的管(3)相连，其与电解池出口的距离大，大于具有垂直出口(图1中2，3，4)的电解池中的通常距离。事实上，将气相管(4)伸入液相管(3)是在并不很关键的位置进行的，唯一要求是电解池的出口和两管连接处之间的管(3，4)之截面积和长度满足上面讨论的电解池内稳定液位所必须的条件。图5b和6a示出了两种大尺寸电解池方案，其中设有1根以上的富含气体相的管(4)，与液相管的连接有两种不同的方式，分别在设有气体和液体出口的气体分离器(12)(图5b)以及在适当液压压头下直接进入气体分离器(12)(图6a)。
图6b示出了本发明的其它实施方案，其中气相管与含有适当量的电解液液压密封体系(15)相连并装有气体出口(16)。
从实际角度看，该实施方案可由所有富含气体相管(4)与普通收集器相连而得，其中压力由单一液压密封体系或等同设备控制。
图7示出了本发明另一实施方案，其中分别除去液相和气相的两管((3)和(4))是同心的，该方案优点是免除了气相管(4)和法兰(1)之间的连接件，因此降低了生产费用并提高了部件的机械可靠性。
实施例1单极试验电解器用6个阳极件，5个阴极件，2个如图1所示类型的端阴极件组装成，每一部件1200mm高，1500mm宽，面积达1.8m2，阳极件经管(3)与阳极气体分离器相连，阴极件类似地与阴极分离器相连。
每一件顶均设2个连接件，用以按本发明所述分别去除富含气体和富液体的相。更具体地讲，两管(3，4)的直径分别40和10mm，元件出口和管(4)插入点间构造的管(3)部分长150mm，线(10)和法兰(1)边缘间构成的气体区域最大高度30mm。
3个阳极件和3个阴极件还带有测压计。该电解器内设12块离子交换膜，为Du Pont生产的Nafion(R)961。阳极室中注入浓度300g/l的氯化钠液，阳极室中注入浓度约30%的氢氧化钠液。电流密度3000安/m2，电解器中总电流66000安，操作时平均温度85℃，电压3.1伏。在这些条件下的电解液循环为0.5m3/h/m2膜，压力波动最大约20mm水柱，频率大致0.1-0.2Hz。类似测定也在类似的工业电解器中进行，其中设有单一的气/液混合物出口，分别为阳极件的氯/氯化钠盐水和阴极件的氢/氢氧化钠液。在这种情况下压力波动最大强度阳极件为约200mm，阴极件为约250mm，频率范围为0.5-0.6Hz。
实施例2进行实施例1的氯碱电解，采用双极电解器，包括10个双极件和2个端件，如图5b所示，1200mm高，3000长，其中设有12块膜，为Du Powt生产的Nafion(R)961。
在这种情况下电流密度也为3000安/m2，总电流11000安，总电压36伏。
2个双极件顶装有测压计。
电解液循环0.4m3/h/m2膜，压力波动最大强度20-30mm水柱，频率0.1-0.2Hz。
作为比较，还在类似的工业电解器中进行了测定。其中的器件装有气液混合物单一出口。压力波动在阳极和阴极均很大，为500-600mm水柱，频率0.6-0.8Hz。
权利要求
1.降低电解池中压力波动的设备，电解池隔成形成气态产物的室，其底设有待电解液的设施，其顶设有去除气态产物和电解液的设施，其特征是a)该设施包括分别去除富含液体和富含气体相的分开的管；b)去除富含气体相的该管(4)第一端在去除富含液体相的该管(3)的连接件上的位置与该室顶相连；c)去除富含气体相的该管(4)的另一端受压。
2.权利要求1的设备，其特征是去除富含气体相的该管(4)的另一端插入去除富含液体相的管(3)中。
3.权利要求2的设备，其特征是去除富含气体相的该管(4)的另一端位于去除富含液体相的管(3)中。
4.权利要求1的设备，其特征是在去除富含气体相的该管(4)的另一端的压力为气体分离器内液位形成的液压压头。
5.权利要求1的设备，其特征是在去除富含气体相的该管(4)的另一端的压力由去除富含气体相的该管(4)与之相连的液压密封。
6.权利要求1的设备，其特征是在去除富含气体相的该管(4)的另一端的压力由去除富含气体相的该管与之相连的普通收集器的压力维持。
7.权利要求1的设备，其特征是在去除富含气体相的该管(4)的另一端的压力由位于去除富含液体相的该管(3)另一端的调节阀维持。
8.权利要求1的设备的应用，其特征是在去除富含气体相的该管(4)的另一端的最高压力值由去除富含液体相的该管(3)内的总压降限定。
9.权利要求1的设备的应用，其特征是在去除富含气体相的该管(4)的另一端的最高压力值由去除富含液体相的该管(3)的总压降减去分别去除富含气体相和富含液体相管与电解室的连接件位置之间构成的液体高度而进行限定。
全文摘要
从隔室，尤其是隔膜电解池中去除气-液混合物而不出现压力波动的设备中每室特征是设有混合物分成富含液体和富含气体相后去除的两根管，每管一端与电解池顶部相连，而富含气体相管(4)另一端插入富含液体相管(3)中，以使液体仅存于电解池连接件和富含气体相入口间的管段中，后一段流体为送入气体分离器的气-液混合物，其中电解池上部气体分离区可维持足够压力而防止富含液体相进入富含气体相管。
文档编号C25B15/08GK1065104SQ9210189
公开日1992年10月7日 申请日期1992年3月21日 优先权日1991年3月21日
发明者C·特莱尼 申请人:奥罗茨奥·诺拉电化学工厂联合股票公司