专利名称：现场产生气体的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种现场产生气体，特别是但不仅仅是氯气的方法和装置。
在一些使用少量氯气的装置中，对能产生较少量体积氯气的现场气体发生器也有市场需求。这些装置包括水纯化和污水处理厂和冷却塔，所用水要在这些塔内被氯化。为避免储存大量液氯或粒状或球状固体氯，这些装置可以利用能现场产生且随用随制型的设备来产生氯气。氯气和次氯酸钠也可用作消毒剂。
此外，较小的氯气发生器可以用于农村地区，来纯化从小水坝或河流中汲取的水，使其成为可饮用水。
除了产生氯气的装置外，按随用随制或现场产生原则的产生其它气体的装置也有一定市场。这些气体包括用作农业土壤杀菌剂且对杀灭土壤线虫类虫害特别有效的卤素溴。
通过电解方法产生氯气的装置是众所周知的。这些装置由有氯化钠溶液流过的电解槽阳极产生氯气，在阴极产生氢气和氢氧化钠。
许多上述装置适用于且已用于现场产生氯气。美国专利4308123公开了一个实例，该实例中，使用了一种阳极和阴极被一个仅能渗透正电荷的化学阻隔离子交换膜彼此分开的电解槽。阳极室装入酸性氯化钠溶液，而阴极室装入碱性水溶液。当电流通过电极室时就在阳极产生氯气并在阴极产生氢氧化钠。所产生的氯气和氢氧化钠可化合成次氯酸钠。
上述装置的缺点是必须有阳极或阴极料罐或储罐及缓冲罐。在不能坚持进行严格的安全管理的半工业化环境中，这些罐尤其会存在一些潜在的危险。
并且，许多已知的气体发生器需要电解液循环泵，这些泵需要能源，且更复杂的还需要控制系统。此外，它们还需要定期维护，在偏远地区，这将是一个不利之处，尤其是对所产生气体带来潜在危险性。
发明目的本发明的目标是提供一种至少能部分克服上述缺点的现场产生气体，特别是氯气的方法和装置。
本发明进一步提供通过用一或各个电解槽所产生的气泡夹带方式并用管线从一或各个电解槽引向基本垂直的一或各个气体分离器，由此提供一种气举效应，来促进电解液循环的方法本发明还提供将溶液中电解质的浓度提高的方法，若需要的话，通过流经电解质盐溶解管(优选为水平安装)的方法用任意的补充水饱和，以及用新鲜盐替换管内的电解质盐，优选由料斗加入的方法。
本发明进一步提供电解质溶液为金属卤化物，优选是氯化钠或氯化钾，在电解槽阳极一侧所产生的气体是卤素气体，优选是氯气，且在电解槽阴极产生氢气和氢氧化钠或氢氧化钾的方法。
本发明进一步提供一或各个电解槽的阳极电解液区和阴极电解液区被一种只能允许钠或钾离子透过而不允许氯、氢气或氢氧根离子透过的离子选择性膜，优选为全氟聚合物膜彼此分隔的装置。
本发明进一步提供将水，优选蒸馏水或软化水加入到电解槽阴极侧的氢氧化钠或氢氧化钾溶液中，以维持钠或钾在阴极电解液溶液中的浓度的方法。
本发明还提供一种包括将本发明方法所产生的氯气与氢氧化钠或氢氧化钾混合来生产次氯酸钠或次氯酸钾方法。
本发明还进一步扩大到现场产生气体的装置，包括至少一个有阳极电解液区和阴极电解液区的电解槽，至少一个区，通过流体管线与流体加热器连接，使用中，在电解液进入电解槽的所述区之前对其加热，利用温差效应促进电解液在装置循环通过，电解液可离解成正电离子和负电离子，其中至少一种离子是气体元素的离子，加热元件可通过流体管线再与电解液补足设备连接，至少有一个气体分离器，使用中将电解槽内产生的气体与电解液分离，装置中没有用来储存电解液的储罐。
本发明进一步提供一或各个气体分离器位于一或各个电解槽的上方操作，它们之间的连接管线基本是垂直方向排列操作，以便于电解液利用气举效应进行循环操作的装置。
本发明还提供补料设备为基本水平排列的电解液溶解管，来自一或各个气体分离器的电解液在流入加热元件之前通过此管，盐溶解管与电解质盐补料斗连接，补料斗装有所需的盐，盐溶解管连接与加热元件相连的盐分离器，优选为粗滤器，用于在送入加热元件之前除去电解质中的颗粒盐的装置。
本发明进一步提供电解质为金属卤化物溶液，优选是氯化钠或氯化钾，在电解槽阳极一侧所产生的气体是卤素气体，优选是氯气，且在电解槽阴极一侧产生氢气和氢氧化钠或氢氧化钾的装置。
本发明进一步提供一或各个电解槽的阳极电解液区和阴极电解液区被一种只能允许钠或钾离子透过而不允许氯、氢气或氢氧根离子透过的离子选择性膜，优选为全氟聚合物膜彼此分隔的装置。
本发明进一步提供将水，优选蒸馏水或软化水加入到电解槽阴极侧的氢氧化钠或氢氧化钾溶液中，以维持钠或钾在阴极电解液溶液中的浓度的装置。
本发明还提供一种包括将本发明方法所产生的氯气与氢氧化钠或氢氧化钾混合来生产次氯酸钠或次氯酸钾装置。
图3A到C分别为图2装置所采用的电解槽组件的正面图、平面图和局部截面侧视图。
发明详述参考
图1，现场产生气体的方法包括如下步骤a)制成第一可离解的氯化钠或盐水电解液(1)，将其通过管线(2)输送到电解槽(7)的阳极电解液区(3)，第二可离解的碱性水溶液(4)通过管线(5)输送到电解槽(7)的阴极电解液区(6)，阳极电解液区和阴阳极电解液区之间被一个只能允许钠离子透过而氯、氢和氢氧根离子不能渗透的全氟聚合物膜(8)所隔开；b)在第一可离解电解液(1)输送到电解槽(7)的阳极电解液区(3)之前对其进行加热，利用温差效应使其能通过管线和电解槽(7)进行循环和再循环；c)在阳极电解液区(3)释放出氯气，并在阴极电解液区(6)释放出氢气；d)氢气和氯气夹带在电解液中，利用气举手段促进电解液的循环，并收集氯气(9)和氢气(10)；e)本方法的的特点在于不用在储罐内储存电解液。
上述实施方案中，电解槽(7)在阳极电解液区(3)有一个阳极且在阴极电解液区(6)有一个阴极。阳极和阴极分别连接到直流电源(11)的正负极，在此实施方案中，电源(11)为一个直流整流器。直流整流器(11)接受来自适当交流电源的交变电流(12)。
随着第一可离解电解液(1)中盐的消耗，要从供盐料斗(14)向基本水平流向的电解液盐溶解管补加新鲜盐，第一氯化电解液在粗滤、加热并再循环回电解槽(7)之前循环通过此管，随着阳极侧溶液的体积消耗，要向系统中加入纯的新鲜盐水(200)。此新鲜盐水由(201)项补给，其中主要水流经一个单独的类似上面系统(1)所述的盐溶解管，包括一个单独的盐分离器/粗滤器，只是纯溶液经过管线(200)送入电解液系统(1)之前，要将这样形成的饱和溶液通过一个含适当树脂的塔，来去除重金属阴离子杂质。通过加入来自水源(13)经过水软化单元(15)后的水将第二可离解电解液(4)更新。
除了氯气和氢气外，本方法包括在反应器(16)内生产次氯酸钠。通过将分别在电解槽(7)的阳极和阴阳极电解液区(3和6)所生成的氯气和氢氧化钠化合来形成次氯酸钠。一旦生成次氯酸钠就将其储存在储存设备(17)中。也可将电解槽(7)的阴极电解液区(6)生成的氢氧化钠取出并储存在储存设备(18)中。
参考图2A、B和C，现场产生氯气的装置(20)包括至少一个有阳极电解液区和阴极电解液区的电解槽(21)。至少一个区，本方案中是阳极电解液区通过管线(22)与流体加热器(23)连接，使用中，在电解液进入电解槽(21)的所述区之前对其加热，利用温差效应促进电解液在装置循环通过。
电解液可离解成正电离子和负电离子，其中至少一种离子是气体元素的离子。在此方案中，产生氯气，且当氯气与水接触形成盐酸时，装置阳极电解液区的电解液变成酸性氯化钠溶液，可离解成正电的钠和氢离子和负电的氯和氢氧根离子。氯和氢离子与其他类似离子联合形成氯气和氢气，各自随电解液一起经气体分离器(24和25)循环通过，分别从电解液中分离出氢气和氯气。在此方案中，氢气是废弃产品，排放到大气中。氯气则用来或进一步处理，通过同是装置产物的氯与氢氧化钠的化合来生产次氯酸钠。
每个电解槽(21)被一种只能允许钠离子透过而不允许氯、氢或氢氧根离子透过的全氟聚合物膜分隔成阳极电解液区和阴极电解液区。该膜能有效将装置及电解槽分隔成阳极电解液区和阴极电解液区。
电解液通过电解槽(21)的阳极电解液区，在阳极形成氯气，并夹带在用过的电解液中。夹带的气泡通过气举效应来促进电解液与夹带的气泡一起循环到氯气分离器(24)。通过氯气分离器(24)后，用过的电解液流经管线(26)，进入基本水平流向的电解质盐溶解管(27)，由盐料斗(28)通过料槽(29)向溶解管(27)供盐。电解液在盐溶解管(27)中进行更新。将更新后的电解液溶液通过盐分离器和粗滤器(30)来除去盐晶体，再返回到流体加热器进行重复操作。
当电解液通过电解槽(21)的阴极电解液区时，在阴极产生氢气。类似氯气的情况，氢气泡夹带在电解液中，促进它们循环通过氢气分离器(25)。移出氢气和氢氧化钠后，加入经塔(31)软化后的水来更新阴极电解液，再通过电解槽(21)的阴极电解液区。
阴极电解液不象阳极电解那样进行直接加热，而是在电解槽(21)中与加热的阳极电解液接触被加热。预计在阳极电解液引入电解槽之前加热到最佳温度能改善气体产生过程的效果。阳极、阴极和加热器的电流由电网交流电源提供。电流通过一个直流变压器(未示出)供应给阳极和阴极。
参考图3A、B和C，示出多个图2所用装置串联的详细情况。在此方案中，有两个电解槽(40)，各自被只能允许钠离子透过而不允许氯、氢或氢氧根离子透过的全氟聚合物膜(41)分隔。
每个电解槽(40)有一个产生氯气的阳极(42)，和一个产生氢气的阴极(43)。一系列板用螺栓拧在一起形成电解槽(40)，其中两块端板(44)上有阳极电解液入口(45)和出口(46)及阴极电解液入口(47)和出口(48)。内隔板(100)形成逆流，阳极电解液在板的底角流过，再流过电解槽，从相对的顶角流出，类似方式，阴极电解液由相对阳极电解液的另一底角进入电解槽，从相对的顶角流出。阳极电解液和阴极电解液就这样以逆流方式流动，在使用中获得最好效果。用支撑板(101)和螺栓(102)拧在一起成为完整组件。
在不背离本发明宗旨的前提下，可以对上述本发明方案作一些适当改动。实际上，方案描述了产生氯气和氢气的方法和装置。同样的装置可以用于产生溴气，或者实际上可用于产生任何能通过电解反应生产的气体。
权利要求
1.一种现场产生气体的方法，包括如下步骤a)制成一种在使用中可以离解成正电荷离子和负电荷离子的可离解电解液，其中至少一种电荷离子是气体元素的离子；b)加热至少一个电解槽上游的电解液，利用温差效应使其循环和反复循环通过管线，并通过一或各个电解槽；c)在一或各个电解槽的一个电极处，气体从溶液中释放出来；d)将释放出的气体和电解液通过至少一个气体分离器，气体与电解液分离之后，将电解液再循环通过电解槽；且e)不在储罐中储存电解液。
2.一种按权利要求1的现场产生气体的方法，其中通过用一或各个电解槽所产生的气泡夹带方式并用管线从一或各个电解槽引向基本垂直的一或各个气体分离器，由此提供一种气举效应，来促进电解液循环。
3.一种按权利要求1或2的现场产生气体的方法，其中将溶液中的电解质浓度提高，若需要的话，可将电解质和补充水通过电解质盐溶解管方法用任意的补充水饱和。
4.一种按权利要求3的现场产生气体的方法，其中电解质盐溶解管为基本水平安装。
5.一种按权利要求4的现场产生气体的方法，其中用来自料斗的新鲜盐替换电解质溶解管内的盐。
6.一种按前面权利要求任一项的现场产生气体的方法，其中电解质溶液为金属卤化物且在电解槽阳极一侧所产生的气体是卤素气体。
7.一种按权利要求6的现场产生气体的方法，其中金属卤化物是氯化钠且在电解槽阳极一侧所产生的气体是氯气。
8.一种按权利要求6的现场产生气体的方法，其中金属卤化物是氯化钾且在电解槽阳极一侧所产生的气体是氯气。
9.一种按权利要求6到8任一项的现场产生气体的方法，其中电解槽阴极一侧产生氢气和氢氧化钠或氢氧化钾。
10.一种按前面权利要求任一项的现场产生气体的方法，其中一或各个电解槽的阳极电解液区和阴极电解液区被一种只能允许钠离子透过而不允许卤素、氢气或氢氧根离子透过的离子选择性膜彼此分隔。
11.一种按权利要求10的现场产生气体的方法，其中离子选择性膜为全氟聚合物膜。
12.一种按前面权利要求任一项的现场产生气体的方法，其中将水加入到电解槽阴极侧的氢氧化钠或氢氧化钾溶液中，以维持氢氧化钠或钾在阴极电解液溶液中的浓度。
13.一种按权利要求12的现场产生气体的方法，其中水为蒸馏水或软化水。
14.一种按权利要求6到13任一项的现场产生气体的方法，其中通过氯气与氢氧化钠或氢氧化钾混合来生产次氯酸钠或次氯酸钾。
15.一种基本按本文参照并例示的附图所述的现场产生气体的方法。
16.一种现场产生气体的装置，包括至少一个有阳极电解液区和阴极电解液区的电解槽，至少一个区，通过流体管线与流体加热器连接，使用中，在电解液进入电解槽的所述区之前对其加热，利用温差效应促进电解液在装置循环通过，电解液可离解成正电离子和负电离子，其中至少一种离子是气体元素的离子，加热元件可通过流体管线再与电解液补足设备连接，至少有一个气体分离器，使用中将电解槽内产生的气体与电解液分离，装置中没有用来储存电解液的储罐。
17.一种按权利要求16的现场产生气体的装置，其中一或各个气体分离器位于一或各个电解槽的上方操作，它们之间的连接管线基本是垂直方向排列操作，以便于电解液利用气举效应进行循环操作。
18.一种按权利要求16或17的现场产生气体的装置，其中补料设备为基本水平排列的电解液溶解管，来自一或各个气体分离器的电解液在流入加热元件之前通过此管。
19.一种按权利要求18的现场产生气体的装置，其中盐溶解管与电解质盐补料斗连接，补料斗装有所需的盐，盐溶解管还连接与加热元件相连的盐分离器，用于在送入加热元件之前除去电解质中的颗粒盐。
20.一种按权利要求19的现场产生气体的装置，其中盐分离器为粗滤器。
21.一种按权利要求16到20任一项的现场产生气体的装置，其中电解质为金属卤化物溶液，在电解槽阳极一侧所产生的气体是卤素气体且在电解槽阴极一侧产生氢气和氢氧化钠或氢氧化钾。
22.一种按权利要求21的现场产生气体的装置，其中电解质为氯化钠，在电解槽阳极一侧所产生的气体是氯气，且在电解槽阴极一侧产生氢气和氢氧化钠。
23.一种按权利要求21的现场产生气体的装置，其中电解质为氯化钾，在电解槽阳极一侧所产生的气体是氯气，且在电解槽阴极一侧产生氢气和氢氧化钾。
24.一种按权利要求16到24任一项的现场产生气体的装置，其中一或各个电解槽的阳极电解液区和阴极电解液区被一种只能允许钠或钾离子透过而不允许氯和氢气透过的离子选择性膜彼此分隔。
25.一种按权利要求24的现场产生气体的装置，其中离子选择性膜为全氟聚合物膜。
26.一种按权利要求16到25任一项的现场产生气体的装置，其中将水加入到电解槽阴极侧的氢氧化钠或氢氧化钾溶液中，以维持氢氧化钠或钾在阴极电解液溶液中的浓度。
27.一种按权利要求26的现场产生气体的装置，其中水为蒸馏水或软化水。
28.一种按权利要求22到27任一项的现场产生气体的装置，其中通过将装置所生成的氯气与氢氧化钠或氢氧化钾混合来生产次氯酸钠或次氯酸钾。
29.一种基本按本文参照并例示的附图所述的现场产生气体的装置。
全文摘要
本发明涉及一种现场产生少量卤素气体的方法和装置。装置有至少一个有阳极电解液区和阴极电解液区的电解槽，这些区中至少一个区通过流体管线与流体加热器连接，在电解液进入电解槽的所述区之前对其加热。加热还便于利用温差效应促进电解液在装置循环通过，加热元件线再与电解液补足设备连接。装置包括至少一个气体分离器，将气体与电解液分离。装置中没有用来储存电解液的储罐。
文档编号C25B15/00GK1420945SQ01806911
公开日2003年5月28日 申请日期2001年2月21日 优先权日2000年2月25日
发明者约翰·科勒 申请人:环球专利开发公司