专利名称：一种电解槽的电路和用于减小该电解槽附近的电磁场的方法
一种电解槽的电路和用于减小该电解槽附近的电磁场的方法本发明涉及电解槽，特别涉及这种电解槽的电源。本发明更特别地涉及用于给双极电极电解槽提供整流电流的电路。被提供以直流的电解槽，特别是《*电极电解槽，通常用于电化学工业。 这样的电解槽通常被用于电解氯化钠的水溶液以产生氯、氢氧化钠的水溶液 或氯酸钠的水溶液。鉴于双极电极电解槽中所采用的高电流密度，所以通常用整流的交流电 代替直流电。该整流的交流电通常具有若干相，这些相的频率和幅值依赖于 所使用的整流器。此外，公知的是高电磁场强度，特别是那些由整流的交流电所产生的高 电磁场由于极可能在人体中产生感应电流而可能在极端的情况下对人的身 体产生有害的后果。因此，采W^施以保护工业装置附近的人员或减小那里 的电磁场强^A非常重要的。而且关于这点，已经发布了若干标准，要求减小工业场所的电磁场强度。在这些标准中，欧洲标准89/391/EEC是特别严 格的。本发明的目的是提供一种用于向工业电解槽提供大电流的设计新颖的 电路。特别地，本发明的目的是提供一种电路，用该电路可以将电解槽附近的 电磁场减小到足够低的值以遵守前述的欧洲标准。更特别地，本发明的目的是减小沿着双极电极电解槽的侧壁而延伸的通 道上的电磁场强度。因此，本发明涉及一种用于减小电解槽附近电磁场的电路，所述电路包 括主电路，主电路本身包括电解槽和电线路，所述电线路包括用于将电解槽 中流动的电流返回的至少一个母线，所述电路还包括至少部分地设置在主电 路附近的次级电路，所述次级电路用于使一电流按照与主电路中的电流流向 相反的方向流动，以补偿由主电路所产生的电磁场。根据本发明，次级电路被设置在主电路的附近.在次级电路中以相反方 向流动的电流用来产生电磁场，该电磁场至少部分地抵消主电路电流所产生
的电磁场。因此，次级电路必须能够输送足够强的电流以获得需要的补偿。 为了获得好的场补偿，次级电路必须被尽可能设置在主电路附近。考虑到可 能使得有必要在特定位置处将两个电路分开的结构要求，建议次级电路的一 个部分应该附着到电解槽，而另一部分应该优选地附着到母线，以便于获得 场的最佳补偿。为了使补偿最优化，次级电路的特定段通常分布在多个并联 连接的导体上。可以使用主电路的电源经由控制电阻器给次级电M电。然 而，建议应该对次级电路的至少位于返回线路附近的部分单独供电。分开供电也具有优点，即次级电路的频率能够被修改以便于优先地消除由电解槽 所产生的磁场的某些特别有问题的频率。通常，建议次级电路的位于母线附 近的部分应该输送的电流强于(优选至少5倍地强于)附着到电解槽的部分 中流动的电流，其电流比是母线和电解槽之间距离的函数。还建议位于整流器和电解装置之间的电路部分应该被配置以获得好的场补偿.因此要注意电流馈送和返回导体是彼此接近的。为此，建议这些导体应该被分支成多个并联连接的元件，以使得这些导体能够彼此交织，例如 每个导体的元件交替层叠。本发明应用于任何类型的电解槽，如单极或双极水银、隔膜或膜电解槽。 然而，本发明特别应用于具有基本上垂直的双极电极的电解槽。这种电解槽 在工程中众所周知，其中它们广泛地用于电解金属卣化物的7jc溶液，尤其是氯化钠。这些电极一般由一连串金属框架形成，每个金属框架包括双极电极， 这些框架以压滤机方式被并列i殳置(Morden Chlor-Alkali Technology(现 代氯碱技术)，巻3， SCI， 1986，笫13章"Operating experience gained with the bipolar Hoechst-Uhde membrane cell (用双极Hoechst-Uhd膜室获得的l^作经 验);MordernChlor-Alkali Technology (现代氯碱技术)，巻4， SCI， 1990， 第 20 章 "Hoechst-Uhde single element membrane electrolyzer: concept-experiences-applications (Hoechst—uhde单元件膜电解槽概念-经^~应 用)")。所述框架通常具有正方形或矩形轮廓以使得当它们以压滤机的方式 被并列放置时，它们形成电解槽的上壁、下或底壁以及两个侧壁。电解槽通 常被供以直流或更一般地被供以整流的交变电流。直流或整流的电流从直流 源或整流器的一个端子经过电极，然后经由位于电解槽外部的电流线路返回 到直流源或整流器的另一个端子。根据本发明的电路最好被供以整流的交变电流。三相交变电流整流提供 一电流，所述电流的振荡具有为三相电流基频的六倍高的基频(例如50Hz 的6倍)和完全谐波频语。 在本发明的一个推荐的实施方式中，电路包括使用至少两个整流器的电 源以便输送的电流的波形彼此有相移。电解电路最好被供以三相交变电流。根据本实施方式，至少两个相互相移的整流器的4吏用<吏得可以增加揭_供 给电解槽的整流电流的振荡频率。给定电解槽中所涉及的电流的强度和特定设置，那么根据本发明的电路使得可以充分减小装置附iOC射的电磁场。在本实施方式的一种有益变形中，电路包括两个整流器，所述整流器的相移在29°和31°之间，优选地接近30。。在这种变形中，所获得的电流波形 具有为未整流的三相电流的基频12倍高的基频。在电路的这个实施方式的另一有益的变形中，电路更进一步包括耦合至 少两个整流器的输出的至少一个排流线圏。该排流线圏用来在整流器输出之 间建立反并联的电抗。所述线圏最好通过组装铁的板和片来形成，以限制热 损失。整流器的输出以相反的方向输入排流线團中，以使得存在于输出之一 中的电流扰动通过电抗在来自另 一输出的电流中感应出相反的扰动。从而当 通过并联连接将两个输出叠加时，获得较少干扰的总电流。在根据本发明的电路的一种优选的变形中，返回电流线路包括至少一个 母线，设置在电解槽的下面或上面。根据有关电解槽的结构和双私板的组装 模式的考虑来规定选择是将母线设置在电解槽的下面还是上面。作为变形， 前述的电流线路可以包括一个设置在电解槽下面的母线，以及设置在电解槽 上面的另一母线。根据另一变形，电解槽也可以包括在电解槽下面的多个母 线和/或在电解槽上面的多个母线。在实践中，考虑到关于电解槽的组装和 维护，通常优选地是前述的电流线路应该不包括在电解槽上面的母线。在所有其他方面都一样的条件下，发现，本发明的电路充分减小了双 极电极电解槽附近的、主要是沿着电解槽侧壁的电磁场，尤其减小了通常沿 着侧壁存在而且由操作和维护人员所使用的通道上的电磁场。在根据本发明的电路中，母线的材料对于本发明的限定是不重要的。一 般地，母线用铜、铝或铝Air制成。在根据本发明的电路中，母线的横截面的轮廓对于本发明的限定是不重 要的。它可以是例如正方形、矩形、圓形或多边形。在根据本发明的电路的第一具体实施方式
中，母线具有矩形剖面并且定 向为使得它的大的面基本上水平。在所有其他方面都一样得情况下，已经观 察到如果选择矩形截面的、水平设置在电解槽的下面和上面的母线，将把电 解槽附近的电磁场的大小减到最小。还观察到当母线的厚度和宽度之间的比
小时，电解槽附近的电磁场的减小量相当大。因此，实践中优选使用金属板 作为母线。作为变形，可以使用并排设置在电解槽下面或上面的多个金属板。在所有其他方面都一样的情况下，更进一步观察到当将母线靠近电解槽 的壁设置时，电解槽附近的电磁场的大小减小。因此，在根据本发明的电路的第二实施方式中，将母线紧邻电解槽的壁 设置。在本发明的这个实施方式中，取决于母线是位于电解槽的下面还是上 面，电解槽的所述壁是电解槽下或底部的壁或是它的上壁。在本发明的这个 实施方式中，表述"紧邻电解槽的壁"意味着这个壁和母线之间的距离最多 等于五倍(优选三倍)的母线厚度。优选地，这个距离不超过母线的厚度。在本发明的前述第二实施方式的优选的变形中，母线被附着到电解槽的 所述壁。在本发明的这个优选的替代实施例中，母线最好是金属板，所述金 属板的大面中的一个附着到所述壁，只有必要的电绝缘体的厚度将母线和壁 分开。金属板可以附着到所述壁的表面区域的一部分。优选地，金属板应该 被附着到所述壁的基本上整个表面区域。在本发明的第三具体实施方式
中，前述的电线路更进一步包括两个附加 的母线，分别紧邻电解槽的两个侧壁设置。在本发明的这个实施方式中，表 述"紧邻"对应于上述第二实施方式中的所给出的定义。在所有其他方面都一样的情况下，附加母线的存在减小了电解槽附近的 电磁场的大小。在根据本发明的这个第三实施方式中，附加的母线可以具有与电解槽的 结构兼容的任何形状。它们可以是例如正方形、矩形、多边形、椭圆或圆形 剖面。而且附加的母线可以具有相同的或不同的剖面，而且它们可以具有相 同的尺度或不同的尺度.然而，实践中优选地，附加的母线应该具有相同的 剖面和相同的尺度。进一步优选地，附加的母线应该具有矩形剖面，而且它 们应该分别经由它们的大面被附着到电解槽的两个侧壁。在刚刚描述的本发明的第三实施方式中，根据想要的在这些母线之间分 配电流的方式，来确定被设置在电解槽下面和/或上面的附加母线各自的尺 度以及所述母线或每个母线各自的尺度。在本发明特别有益的第四实施方式中，电路的电流回路的位置使得产生 关于电解槽的垂直中心面基本上对称的电磁场。通过对所述母线或每个母线 适当地确定尺度和定位来获得这个实施方式的目的(产生关于电解槽的垂直 中心面基本上对称的电磁场)。最佳的尺度和最佳的位置的选择由本领域的
技术人员确定，特别是才艮据电解槽的形状和尺度来确定。实践中，这个结果 通常可以通过关于电解槽的垂直中心面对称地设置母线而获得.根据本发明的电路充分减小了双极电极电解槽附近的电磁场。因此，本发明也涉及用于减少电解槽的电路附近的电磁场的方法，所述 电路包括主电路，主电路本身包括电解槽和电线路，所述电线路包括用于将电解槽中流动的电流返回的至少一个母线；才艮据该方法，l吏一电流以与主电 路中的电流流向相反的方向流过设置在主电路附近的次级电路.根据本发明的方法的优选的变形，主电路包括使用两个整流器的电源以 输送波形相对于彼此相移30°的电流.在这个变形的有利的版本中，主电路更进一步包括耦合两个整流器的输 出的排流线圏。根据本发明的电路特别应用于电解槽，所述电解槽用于连续电解水或水 溶液，如碱金属卣化物的7jc溶液，特别是氯化钠。在本发明的优选的实施方式中，电解槽因此包括用于连续输入水电解液的管道和用于连续排出水电解 液的管道。本发明特别应用于通过电解氯化钠的水溶液来制造氯酸钠的电解槽。本 发明特别好地应用于通过电解氯化钠的水溶液制造氯和氢氧化钠的水溶液 的电解槽，这些电解槽包括可选择地渗透阳离子、被插入在双极电;^之间的 膜。根据本发明的电路应用于包括至少一个垂直双极电极电解槽的任何电 解装置。因此，本发明也涉及电解装置，所述电解装置包括至少一个双极电极电 解槽，其被连接到根据本发明的电路。根据本发明的装置可以包括单电解槽， 或被串联或并联电连接的多个电解槽。本发明特别涉及使用该装置产生氯和氢氧化钠水溶液。根据下面对附图的说明，将使本发明的特征和细节变得明了，这些附图 示出本发明的某些具体的实施方式。
图1示出才艮据本发明的特定实施方式的电解装置的总体布局的平面图；图2是根据本发明的电解装置的另一特定实施方式的纵向正视示意图；图3是图2的平面III-III上的垂直横截面视图4是类似于图3的根据本发明的装置的另一实施方式的视图；图5是图4中的装置的优选的变形；图6和7类似于图4和5，但是它们也示出了次级电路。在这些图中，相同的元件由相同的参考符号表示。图1示意的电解装置包括三个电解槽1、 2和3，其被i殳计为通过电解氯 化钠的水溶液来产生氯、氢和氢氧化钠。电解槽1、 2和3是具有垂直双极 电极的类型。通过并列放置垂直矩形框架4而形成电解槽，每个垂直矩形框 架包含垂直双极电极(未示出)。框架4以压滤机的方式被并列放置。选择 性地渗透阳离子的膜被插入在框架4之间以便于交替地界定阳极腔室和阴极 腔室。电解槽l、 2和3的阳极腔室与用于连续输入氯化钠水溶液的管道(未 示出)相连通。此外，它们还与用于连续排出氯的歧管(未示出)相连通。 电解槽1、 2和3的阴极腔室与两歧管相连，所述两歧管分别用于连续地抽 出氲和连续地抽出氢氧化钠水溶液。电解槽l、 2和3通过排流线圏19电串联地借助于一电路合到两个整流 器5a和5b，所述电路一方面包括介于电解槽l、 2和3之间的导体条6，另 一方面包拾没置在电解槽1、 2和3外部的返回电流线7。由交流电流源18 以30o相移向整流器5a和5b供电。图1示意的电解装置中，三个电解槽1、 2和3中的每个可以例如包括 30至40个基本电解单元，而且电源包括例如能够输送8到20kA电流的520V 直流整流器。根据电极的表面面积，这可以形成每平方米阳极面积2. 5至6kA 的阳极电流密度。但是，这些数值是纯描述性的，并不限制本发明和随后的 权利要求的范围。当双极开关闭合时，经过整流的电流顺序地流入电解槽1、 2和3中， 通过它们的双极电极并流入到返回线路7中。这个电流在该装置周围产生电 磁场。根据本发明，包括段17a和17b的次级电路被设置在电解槽和返回线路 的附近。图2和3示意的电解装置说明了本发明的一特定实施方式。次级电路未 被示出在这两个图中。只有电解槽3示出在这些图中。在图2和3的装置中， 返回电流线路7包括被设置在电解槽3下壁11下方的两条母线9和10。母 线9和10是作为电的良导体的金属(优选铜或铝)的棱柱条。这些条^J" 称地设置在电解槽的垂直中心面X-X的每一侧。而且，条9和10还被设置
在电解槽3下壁11的附近.以图3示意的方式设置母线9和10的作用是要 减小通道12上的电磁场，所述通道12沿着电解槽3的侧壁13而延伸而且 由电解槽的IMt人员^吏用。在所有其他方面都一样的情况下，已经观察到当条9和10接近于中心 面X-X和下壁11时，在通道12上的电磁场强度是相当小的。还已经观察到 在通道12上的电磁场的大小通过减小条9和10的厚度和宽度比而被减小。 因此对母线可优选地^f吏用水平板或片。在图4示意的实施方式中，其中次级电路同样地没有被示出，返回电流 线路7包括附着到电解槽下壁11而且基本上覆盖整个此壁的金属板或片14。在图5的装置中，返回电流线路7包括倚靠着电解槽3下壁11设置的 金属板14和分别沿着电解槽3的两个侧壁13延伸的两个附加母线15和16。 这两个附加母线15和16最好是附着到侧壁13的金属板或片。在类似于图4和5的图6和7的装置中，示出了电路17a、 17b。电流在 导体17b中流动，电流方向与在板14中的电流流向相反。这种情况同样适 用于导体17a和板15和板16。
权利要求
1.一种用于减小电解槽(1、2、3)附近电磁场的电路，包括主电路，包括所述电解槽和电线路(7)，所述电线路包括用于将所述电解槽中流动的电流返回的至少一个母线(9、10、14)。次级电路(17a、17b)，至少部分地设置在所述主电路附近，用于使一电流以与主电路中的电流流向相反的方向流动，以补偿由所述主电路所产生的电磁场。
2. 根据权利要求l所述的电路，其特征在于母线(9、 10、 14)被设 置在所述电解槽(3)的下面和/或上面。
3. 根据权利要求1所述的电路，其特征在于所述母线(14 )附着到 所述电解槽(3)的壁(11)。
4. 根据前一权利要求所述的电路，其特征在于所述壁是所述电解槽 的底壁(11)。
5. 根据权利要求3或4所述的电路，其特征在于所述母线是金属板 (14)，所述母线的大面中的一个附着到所述壁(11)。
6. 根据在先权利要求中的任何一项所述的电路，其特征在于电线路 (7 )进一步包括两个附加母线(15、 16 )，所述附加母线分别附着到所述电解槽(3)的两个侧壁(13)。
7. 根据在先权利要求中的任何一项所述的电路，其特征在于电线路 (7 )被定位成产生关于所述电解槽的垂直中心面(X-X)基本上对称的电磁场。
8. 根据在先权利要求中的任何一项所述的电路，其特征在于所述电 解槽包括用于连续地输入水电解液的管道和用于连续地排出水电解液的 管道。
9. 根据前一权利要求所述的电路，其特征在于所述电解槽包括选择 性地渗透阳离子、介于所述双极电极之间的两个膜。
10. 根据在先权利要求中的任何一项所述的电路，其中所述主电路包 括使用两个整流器(5a、 5b )以输送波形相对于彼此有相移的电流的电源。
11. 根据前一权利要求所述的电路，更进一步包括耦合所述两个整流 器的输出的排流线圏(19)。
12. —种用于减小电解槽(l、 2、 3)的电路附近的电磁场的方法， 所述电路包括主电路，所述主电路包括所述电解槽和电线路(7)，所述电 线路包括用于将所述电解槽中流动的电流返回的至少一个母线，才艮据该方 法， 一电流以与主电路中的电流流向相反的方向流过i殳置在主电路附近的 次级电路(17a、 17b)。
13. 根据前一权利要求所述的方法，其中所述主电路包括使用两个整 流器以输送波形相对于彼此有30度相移的电流的电源。根据前一权利要求所述的方法，其中所述主电路进一步地包括耦合所 述两个整流器的输出的排流线圏(19)。
全文摘要
用于减小电解槽附近的电磁场的电路，所述电路包括为电解槽供电的主电路和设置在主电路附近的次级电路，所述次级电路中的电流流向与主电路中的电流流向相反以便于补偿由主电路所产生的电磁场。
文档编号H05K9/00GK101129105SQ200680006414
公开日2008年2月20日 申请日期2006年2月27日 优先权日2005年3月1日
发明者约阿希姆·朗格 申请人:索尔维公司