專(zhuān)利名稱(chēng)：?jiǎn)螛O式離子膜法電解槽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種單極式離子膜法電解槽，屬于化工工業(yè)的氯堿行業(yè)中的機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域。
(三)技術(shù)方案本實(shí)用新型的目的是解決陰極表面電流密度分布不均勻的問(wèn)題，降低結(jié)構(gòu)電壓，延長(zhǎng)活性陰極的使用壽命，避免單元槽框的應(yīng)力集中。
本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的單極式離子膜法電解槽主要由多組電解單元組裝構(gòu)成，電解單元主要由陽(yáng)極單元槽、陰極單元槽及離子交換膜組成，離子交換膜由密封墊片密封在陽(yáng)極單元槽及陰極單元槽之間，陽(yáng)極單元槽及陰極單元槽分別由四條邊框構(gòu)成的框架、框架兩側(cè)固定的電極網(wǎng)及位于框架內(nèi)與電極網(wǎng)連接的筋板構(gòu)成，在陽(yáng)極單元槽及陰極單元槽的下端分別連接有電解液入口接管，上端分別連接有電解液出口接管，在陽(yáng)極單元槽及陰極單元槽內(nèi)的中間固定有棒狀復(fù)合導(dǎo)體，棒狀復(fù)合導(dǎo)體與筋板垂直固定連接在一起。
在實(shí)用新型中，陽(yáng)極單元槽內(nèi)的棒狀復(fù)合導(dǎo)體的截面形狀為圓形，陰極單元槽內(nèi)的棒狀復(fù)合導(dǎo)體的截面形狀為類(lèi)橢圓形。
在本實(shí)用新型中，陰極單元槽內(nèi)的陰極是活性陰極。
本實(shí)用新型的陽(yáng)極單元槽及陰極單元槽中，陽(yáng)、陰極筋板通過(guò)緩沖波浪板與邊框固定焊接在一起，以防止應(yīng)力集中，破壞邊框。
本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的單極式離子膜法電解槽的電解單元和離子交換膜通過(guò)密封墊片，采用拉桿緊固組合方式，形成多組電解單元，并結(jié)合串、并連導(dǎo)電連接組件，進(jìn)而組裝成為電解裝置主體，外圍配以陰、陽(yáng)極氣液分離器和陰、陽(yáng)循環(huán)總管組合形成的循環(huán)系統(tǒng)，最終組成一套完整的單極式離子膜電解裝置。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于1.陰極單元結(jié)構(gòu)采用電極→筋極→復(fù)合導(dǎo)體的電流導(dǎo)出結(jié)構(gòu)形式，使結(jié)構(gòu)電阻減小，使電極網(wǎng)面徑向傳導(dǎo)電流密度相對(duì)趨于均勻；由于復(fù)合導(dǎo)體形狀設(shè)計(jì)合理，因此有利于電解質(zhì)循環(huán)充分、均勻；2.使用活性陰極，在實(shí)際工作中可保持比較長(zhǎng)時(shí)期的穩(wěn)定性和高電效，并且該電極制造工藝比較簡(jiǎn)單，易于控制；3.原有的單極式離子膜法電解裝置的導(dǎo)電形式及結(jié)構(gòu)，決定了其電極單元的偏心結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因而存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中的問(wèn)題，多次導(dǎo)致框架出現(xiàn)裂紋，發(fā)滲漏的致命缺陷；而本實(shí)用新型采用緩沖波浪板來(lái)連接固定陽(yáng)極筋板及邊框，有效保護(hù)邊框主體不被破壞，從根本上解決了陽(yáng)極單元的滲漏問(wèn)題。
本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)合理，電流分布均勻、合理，制造成本低，使用壽命長(zhǎng)，可廣泛應(yīng)用于氯堿行業(yè)。


圖1是現(xiàn)有的單極式離子膜法電解槽中陰極單元結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實(shí)用新型的單極式離子膜法電解槽的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本實(shí)用新型中單極式離子膜法電解槽中陰極單元電流導(dǎo)向示意圖。
圖4是本實(shí)用新型中陰極單元結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是陽(yáng)極單元的邊框與筋板連接結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是圖5的A部局部放大圖。
具體實(shí)施方式
如圖2所示的單極式離子膜法電解槽主要由陰極單元槽1、陽(yáng)極單元槽2及離子交換膜3構(gòu)成，由密封墊片4、5將離子交換膜3密封在陰極單元槽1及陽(yáng)極單元槽2之間，陽(yáng)極單元槽及陰極單元槽分別由四條邊框構(gòu)成陰極框架6及陽(yáng)極框架7；陽(yáng)極單元由陽(yáng)極網(wǎng)8、復(fù)合棒9及筋板10焊接形成，復(fù)合棒9的軸線垂直于筋板10，復(fù)合棒9的截面形狀為圓形，復(fù)合棒9與筋板10焊接構(gòu)成陽(yáng)極骨架，陽(yáng)極網(wǎng)8焊接于骨架的兩側(cè)。陽(yáng)極8由鈦基體涂以貴金屬四元涂層，使其堅(jiān)固耐用，壽命長(zhǎng)。陽(yáng)極骨架與陽(yáng)極框架7焊接形成陽(yáng)極單元槽2，其焊接處的結(jié)構(gòu)如圖5、6所示，將筋板10通過(guò)緩沖波浪板11與陽(yáng)極框架7焊接，以保護(hù)邊框不會(huì)因應(yīng)力集中而受到破壞。而陰極單元與現(xiàn)有的銅基材鍍鎳陰極單元結(jié)構(gòu)明顯不同，由陰極網(wǎng)12、復(fù)合導(dǎo)體13及筋板14焊接形成，復(fù)合導(dǎo)體13的截面形狀為類(lèi)橢圓形，其與筋板14垂直焊接構(gòu)成陰極骨架，陰極網(wǎng)12焊接于陰極骨架的兩側(cè)。陰極網(wǎng)12是采用不銹鋼基材經(jīng)堿刻蝕活化處理后形成的。陰極骨架與陰極框架6焊接形成陰極單元槽1，同樣采取緩沖波浪板的焊接方式。在陰、陽(yáng)極單元槽1、2的下端分別連接有電解液入口接管，上端分別連接有電解液出口接管。多組電解單元采用拉桿緊固組合方式，并結(jié)合串并連導(dǎo)電連接組件，外圍配以陰、陽(yáng)極氣液分離器和陰陽(yáng)極循環(huán)總管組合形成循環(huán)系統(tǒng)，最終可組成完整的單極式離子膜電解裝置。
與現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)相比，本實(shí)施例中的單極式離子膜法電解槽的主要優(yōu)點(diǎn)在于1.電流導(dǎo)出的結(jié)構(gòu)合理。以陰極單元為例原有的單極式離子膜法電解裝置的陰極單元結(jié)構(gòu)如圖1所示電流均勻軸向輸入陰極多孔網(wǎng)面，電解質(zhì)在陰極多孔網(wǎng)表面進(jìn)行電解反應(yīng)，即電化學(xué)反應(yīng)。同時(shí)，該陰極多孔網(wǎng)面又兼作主要金屬導(dǎo)體，將軸向均布輸入電流集中，沿徑向?qū)С鲫帢O電解單元。在電流集中沿徑向?qū)С龇较蛏?，陰極多孔網(wǎng)面徑向斷面電流密度呈梯度上升趨勢(shì)。電極是電化學(xué)反應(yīng)的催化基體，根據(jù)法拉第電解定律電流的大小與反應(yīng)物的減少量、生成物的增加量成正比。因此，電流密度分布不均，必然導(dǎo)致陰、陽(yáng)極電解單元內(nèi)電解質(zhì)濃度的不均勻。由電化學(xué)基礎(chǔ)理論可知濃差極化的產(chǎn)生會(huì)使過(guò)電位升高，電解電壓升高，從而直接導(dǎo)致電耗上升。實(shí)踐證明離子膜局部過(guò)電流是導(dǎo)致膜損傷的最常見(jiàn)也是最主要的原因之一。如圖3、4所示，使流向陽(yáng)極網(wǎng)面的軸向均布電流沿軸向繼續(xù)流入筋板，由筋板導(dǎo)向復(fù)合導(dǎo)體，復(fù)合導(dǎo)體將電流沿徑向?qū)С鲫帢O單元。該結(jié)構(gòu)形式有效縮短電極網(wǎng)面徑向傳導(dǎo)電流路徑，使電極網(wǎng)面徑向傳導(dǎo)電流密度相對(duì)趨于均勻。經(jīng)理論計(jì)算表明改進(jìn)部分的結(jié)構(gòu)電阻(10-6Ω)比原有結(jié)構(gòu)相應(yīng)部分的電阻(10-5Ω)要小一個(gè)數(shù)量級(jí)；當(dāng)操作電流密度為3.33kA/m2時(shí)，金屬導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)電壓降比原有結(jié)構(gòu)降低了90(mV)。同樣，陽(yáng)極也采用復(fù)合棒-筋板-電極的導(dǎo)電形式，從而降低結(jié)構(gòu)電阻，降低電壓降。
2.采用合理的結(jié)構(gòu)，降低成本。
原有的單極式離子膜法電解裝置的陰極多孔網(wǎng)面，既作為電解反應(yīng)的電極，又兼作主要金屬導(dǎo)體，為此，就對(duì)陰極材質(zhì)提出更嚴(yán)格的要求優(yōu)良的導(dǎo)電性能和在電解情況下的抗腐蝕性能。一般高導(dǎo)電材料大都對(duì)于堿金屬氫氧化物缺乏足夠的電化學(xué)穩(wěn)定性，原陰極單元采用銅基材+鎳鍍層作為陰極，此種電極制作工藝復(fù)雜，電極表面鍍層要求非常致密，且不得有任何劃傷等缺陷，成品率低，造價(jià)昂貴。從現(xiàn)運(yùn)行的實(shí)際效果可以看出，陰極析氫過(guò)電位升高比較快，而且存在不同程度的析銅，導(dǎo)致陰極活性中毒，陰極將較快被腐蝕的趨勢(shì)不可逆轉(zhuǎn)。本實(shí)用新型由不銹鋼基材經(jīng)堿刻蝕活化處理后，做為電解裝置的陰極，測(cè)試析氫電位≤1.25V(Vs SCE)，等同于上述銅基材+鎳鍍層陰極初期的性能指標(biāo)。但本實(shí)用新型使用的活性陰極由于活化處理用介質(zhì)基本等同于實(shí)際操作運(yùn)行時(shí)的工作介質(zhì)，因而在實(shí)際工作中可保持比較長(zhǎng)時(shí)期的穩(wěn)定性和高電效；該電極性能優(yōu)良，使用壽命長(zhǎng)，可再生恢復(fù)活性，并且制作工藝簡(jiǎn)便，成本較低，易于控制。從運(yùn)行結(jié)果看，優(yōu)勢(shì)顯著。
再者，原有的單極式離子膜法電解裝置的導(dǎo)電形式，決定了其電極單元的偏心結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這種電解裝置的陽(yáng)極單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在生產(chǎn)實(shí)踐中已經(jīng)證實(shí)存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中問(wèn)題，多次導(dǎo)致框架出現(xiàn)裂紋發(fā)生滲漏的致命缺陷。采用緩沖波浪板設(shè)計(jì)，有效保護(hù)邊框主體不被破壞，從根本上解決了陽(yáng)極單元的滲漏問(wèn)題。此外，緩沖波浪板外形尺寸設(shè)計(jì)經(jīng)嚴(yán)格計(jì)算，不會(huì)影響氣液循環(huán)通道的暢通。
本實(shí)用新型中，電極單元外框架由貴金屬方形空心管構(gòu)成，陰、陽(yáng)極單元均采用復(fù)合導(dǎo)體→筋板→電極的導(dǎo)電形式，且復(fù)合導(dǎo)體均采用棒狀，陰極單元的復(fù)合導(dǎo)體采用特殊的類(lèi)橢圓截面形狀，以減小電解過(guò)程中的阻力，有利于電解時(shí)電解槽內(nèi)的電解液濃度均勻，陰極網(wǎng)由特殊材料－不銹鋼316L小孔拉網(wǎng)板經(jīng)活化處理而制成，陽(yáng)極由鈦基體(Ti)涂以貴金屬四元涂層而制成，電極堅(jiān)固耐用，壽命長(zhǎng)。整臺(tái)電解裝置采用串、并連組合的導(dǎo)電形式，以此實(shí)現(xiàn)高電流、低電壓操作。
當(dāng)把濃度為200～220g/l的NaCl溶液(雜質(zhì)含量嚴(yán)格按常規(guī)離子膜法電解工藝控制)加入陽(yáng)極單元，同時(shí)把去離子的水加入陰極單元， 則在槽溫75～90℃、操作電流密度1.5～4.5kA/m2時(shí)，陰極單元電解產(chǎn)物NaOH溶液的濃度高達(dá)32～35％，且堿中含鹽NaCl濃度≤15ppm。陽(yáng)極單元電解產(chǎn)物氯氣Cl2純度高達(dá)97.5％～99.5％，含氧O2為0.5～1.5％。整臺(tái)裝置電流效率高達(dá)95～96％。
采用上述改進(jìn)結(jié)構(gòu)的電解槽組裝的單極式離子膜法電解裝置，經(jīng)中試運(yùn)行考核，測(cè)評(píng)結(jié)果直流電耗為2100～2110DC.kWh/t 100％NaOH，比原有單極式離子膜法電解裝置電耗指標(biāo)2120～2200DC.kWh/t100％NaOH的低限值，降低20～10kWh。
采用本實(shí)用新型的單極式離子膜法電解槽組成的電解裝置性能穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量好。其電解電流密度分布均勻合理、活性陰極壽命長(zhǎng)、制造成本較低、電槽結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。
權(quán)利要求1.一種單極式離子膜法單元電解槽，主要由多組電解單元組裝構(gòu)成，電解單元主要由陽(yáng)極單元槽、陰極單元槽及離子交換膜組成，離子交換膜由密封墊片密封在陽(yáng)極單元槽及陰極單元槽之間，陽(yáng)極單元槽及陰極單元槽分別由四條邊框構(gòu)成的框架、框架兩側(cè)固定的電極網(wǎng)及位于框架內(nèi)與電極網(wǎng)連接的筋板構(gòu)成，在陽(yáng)極單元槽及陰極單元槽的下端分別連接有電解液入口接管，上端分別連接有電解液出口接管，其特征是在陽(yáng)極單元槽及陰極單元槽內(nèi)的中間固定有棒狀復(fù)合導(dǎo)體，棒狀復(fù)合導(dǎo)體與筋板垂直固定連接在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單極式離子膜法電解槽，其特征還在于陽(yáng)極單元槽內(nèi)的棒狀復(fù)合導(dǎo)體的截面形狀為圓形，陰極單元槽內(nèi)的棒狀復(fù)合導(dǎo)體的截面形狀為類(lèi)橢圓形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單極式離子膜法電解槽，其特征還在于陽(yáng)極單元槽及陰極單元槽中，陽(yáng)、陰極筋板通過(guò)緩沖波浪板與邊框固定焊接在一起。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單極式離子膜法電解槽，其特征還在于陰極單元槽內(nèi)的陰極是活性陰極。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種單極式離子膜法電解槽,屬于氯堿行業(yè)中的機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域。該單極式離子膜法電解槽主要由陽(yáng)極單元槽、陰極單元槽及離子交換膜構(gòu)成,離子交換膜由密封墊片密封在陽(yáng)極單元槽及陰極單元槽之間,陽(yáng)極單元槽及陰極單元槽分別由四條邊框構(gòu)成的框架、框架兩側(cè)固定的電極網(wǎng)及位于框架內(nèi)與電極網(wǎng)連接的筋板構(gòu)成,在陽(yáng)極單元槽及陰極單元槽的下端分別連接有電解液入口接管,上端分別連接有電解液出口接管,在陽(yáng)極單元槽及陰極單元槽內(nèi)的中間固定有棒狀復(fù)合導(dǎo)體,棒狀復(fù)合導(dǎo)體與筋板垂直固定連接在一起。本實(shí)用新型電化學(xué)性能先進(jìn),穩(wěn)定性好,并且制作工藝簡(jiǎn)便,成本較低,易于控制。
文檔編號(hào)C25B9/06GK2496883SQ01259368
公開(kāi)日2002年6月26日 申請(qǐng)日期2001年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月6日
發(fā)明者邢家悟, 康建忠, 韓艷華, 劉秀明, 趙國(guó)瑞 申請(qǐng)人:北京化工機(jī)械廠