一种生产葡萄糖酸的双极膜装置

摘要

本发明公开了一机械装置，具体是指一种用于生产葡萄糖酸的装置。本发明通过夹紧钢板、极液流道板、铂电极、双极膜、弹性隔板、氢氧根难透过均相阳膜等组成，其中电极采用效率更高的钛合金或铂电极，在弹性隔板上涂一层弹性涂层用于密封，在在夹紧钢板上有料液进口、料液出口、氢氧化钠液出口、氢氧化钠液进口，有利于运输过程中不易损坏，对导液孔进行了改进，采用了椭圆形导液孔。本发明的优点是产率高、无污染，以及运行成本低，以及方便运输等。本发明可广泛应用于葡萄糖生产企业。

权利要求

1.一种生产葡萄糖酸的双极膜装置，它包括夹紧钢板(10)、极液流道板(8)、电极(22)、弹性隔板(3)、均相阳膜(2)，双极膜(4)、紧固螺栓(6)、料液进口(7)、极液流道板(8)、阳极接线柱(9)、阴极接线柱(13)、椭圆形导液孔(17)、网心隔网(18)，其特征在于，阴极接线柱(13)与阴极垂直焊接，阳极接线柱(9)与阳极垂直焊接；在阴极与阳极之间形成一个膜堆空间；

在膜堆空间内放置膜组，膜组的放置为：均相阳膜(2)、弹性隔板(3)、双极膜(4)、弹性隔板(3)，依次排列；在膜堆空间内的膜组为1～500组；在膜片之间放置有网心隔网(18)；

在弹性隔板(3)的边框(15)上开有半椭圆形导液孔及流道(16)、椭圆形导液孔(17)、极液导液孔(20)；膜堆的最外两层均为均相阳膜(2)；

若干组膜组由一对极液流道板(8)夹住；在极液流道板(8)上有阳极液进口(1)、阴极液进口(5)、阳极液出口(23)、阴极液出口(24)；在极液流道板(8)的外面由一对夹紧钢板(10)通过紧固螺栓(6)夹紧、固定；

阳极接线柱(9)、阴极接线柱(13)分别位于夹紧钢板(10)的中央位置；

在夹紧钢板(10)上有料液进口(7)、料液出口(11)、氢氧化钠液出口(12)、氢氧化钠液进口(14)。

2.根据权利要求1所述的一种双极膜装置，其特征在于所述的电极(22)为1～3毫米厚的纯钛，或钛合金基板上电镀1～5微米厚的铂层，或铂板。

3.根据权利要求1所述的一种双极膜装置，其特征在于所述的阳极接线柱(9)、阴极接线柱(13)分别采用直径14～24mm的钛丝杆垂直焊接在电极(22)背面对角线中点上。

4.根据权利要求3所述的一种双极膜装置，其特征在于在钛丝杆顶端开有一个10～

20毫米深、直径为6～8mm的接线柱孔道(21)。

5.根据权利要求1所述的一种双极膜装置，其特征在于所述弹性隔板(3)上涂一层弹性涂层(19)，弹性涂层(19)用硅橡胶型、液体聚硫橡胶型、聚氨酯橡胶型、丙烯酸酯橡胶型、氟橡胶型、聚异丁烯橡胶、柔性PVC、弹性环氧胶中的一种或几种材料。

6.根据权利要求1所述的一种双极膜装置，其特征在于所述均相阳膜(2)为氢氧根不能透过的均相阳膜(2)。

说明书

一种生产葡萄糖酸的双极膜装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种机械装置，具体是指一种用于生产葡萄糖酸的装置。技术背景

[0002] 葡萄糖酸衍生物是由葡萄糖酸通过一定的化合反应而得到的物质。葡萄糖酸衍生物系列产品如葡萄糖酸锌、葡萄糖酸亚铁、葡萄糖酸铜、葡萄糖酸-δ-内酯等等是一类很有价值的产品，是对人体完全无害、有效、安全、必要的食品添加剂和营养补助剂。其衍生物的主要产品已在医药食品、化工、建筑等工业领域得到了较为广泛的应用。

[0003] 20年来，我国葡萄糖酸衍生物开发应用取得了显著的成果，产品的开发越来越快，大量产品走出了国门。目前，国内葡萄糖酸衍生物已从过去比较单一的品种发展到现在的多品种，规模已从过去比较低的上千吨年产量发展到现在年产26万吨的水平。如果把双极膜法生产葡萄糖酸替换现在的传统生产工艺，将在节能减排、降低生产成本、提高产品质量方面产生显著效果。由于国内对双极膜的生产、相应装置的开发一直比较滞后，造成该技术未能有效的推广。

[0004] 双极膜是一种具有特殊功能的离子交换膜，在电场作用下其中间层发生水解离，-产生H+和OH 离子。而双极膜电渗析技术就是将这种特殊功能复合到普通电渗析中，从而可以实现即时酸/碱的生产/再生，或者酸化和/或碱化。将双极膜电渗析技术应用于传统葡萄糖酸生产过程中，不仅可以实现葡萄糖酸钠的转化，而且产生的NaOH可以回用于葡萄糖的催化氧化。如此则能大大降低离子交换树脂再生过程中的废酸污染，实现物料的工艺内循环，提高葡萄糖酸产品的品质以及降低生产成本，这显著优于现有的葡萄糖酸生产工艺。

[0005] 虽然双极膜法制备葡萄糖酸的方法早就有人提出，也做了不少研究，并取得许多成果，但到目前为止，国内还没有能用于葡萄糖酸生产的双极膜设备。其原因就是许多研究人员只对该方法进行了实验研究以及双极膜的制备，并没有对双极膜法生产葡萄糖酸的装置设备进行开发。

[0006] 本发明的目的在于填补目前国内还没有能用于生产葡萄糖酸的双极装置的制造技术。目前国内用于实验室试验的双极膜装置如果直接放大，会存在：1运行电流密度太2
小，一般不大于400A/m，无法使用大电流运行，使相等处理量的装置膜面积过大；2料液室与氢氧化钠室的溶液相互串漏而导至电流效率太低、葡萄酸产品转化率过低、氢氧化钠液的浓度过低、能耗太大等缺点；3没有选用合适的氢氧根难透过均相阳膜，使氢氧化钠液的浓度无法提高，也使氢氧化钠透过阳膜与生成的葡萄糖酸重新中和使运行效率低下；4选用的隔板只适用于异相膜，直接用于双极膜装置，会导致内漏、外漏；5葡萄糖酸的损失太高，葡萄糖酸根会透过双极膜或阳膜到氢氧化钠室，从而形成葡萄糖酸的损失。

[0007] 我们针对以上现状，在前人研究的基础上，针对双极膜生产装置的特殊要求，进行了系列研究与开发，经过多方面试验研究，终于开发出了具有防内漏与防外漏、防漏电的双极膜隔析，充分解决了许多外在因素的干扰影响，保证试验数据的准确性与重复性；在此基础上，根据双极膜法生产葡萄糖酸的要求，继续对双极膜、单极阳膜、电极、夹紧装置、降温装置、流道设计、电流密度、流速进行研究与优化，最终开发出可以用于葡萄糖酸生产的大型双极膜装置。

发明内容

[0008] 本发明针对现有技术中的不足，提供了一种克服现有双极膜装置不能实现葡萄糖酸经济、批量生产的制造技术。可以进行经济、环保的双极膜法生产葡萄糖酸的运行参数。

[0009] 本发明是通过下述技术方案得以实现的：

[0010] 一种生产葡萄糖酸的双极膜装置，它包括夹紧钢板、极液流道板、铂电极、弹性隔板、均相阳膜，双极膜、紧固螺栓、料液进口、极液流道板、阳极接线柱、阴极接线柱、圆形导液孔、网心隔网，其特征在于，

[0011] 阴极接线柱与阴极垂直焊接，阳极接线柱与阳极垂直焊接；在阴极与阳极之间形成一个膜堆空间；

[0012] 在膜堆空间内放置膜组，膜组的放置为：均相阳膜、弹性隔板、双极膜、弹性隔板，依次排列；在膜堆空间内的膜组为1～500组；在膜片之间放置有网心隔网；在弹性隔板的边框上开有半椭圆形导液孔及流道、椭圆形导液孔、极液导液孔；膜堆的最外两层均为均相阳膜，即在膜组安装完成后，再加一层均相阳膜；

[0013] 若干组膜组由一对极液流道板夹住；在极液流道板上有阳极液进口、阴极液进口、阳极液出口、阴极液出口；在极液流道板的外面由一对夹紧钢板通过紧固螺栓夹紧、固定；

[0014] 阳极接线柱、阴极接线柱分别位于夹紧钢板的中央位置；

[0015] 在夹紧钢板上有料液进口、料液出口、氢氧化钠液出口、氢氧化钠液进口。

[0016] 作为优选，上述双极膜装置中所述的电极为1～3毫米厚的纯钛，或钛合金基板上电镀1～5微米厚的铂层，或铂板。

[0017] 作为优选，上述双极膜装置中的阳极接线柱、阴极接线柱分别采用直接14～24mm的钛丝杆垂直焊接在电极背面对角线中点上。作为更佳选择，在钛丝杆顶端开有一个接线柱孔道。

[0018] 作为优选，上述双极膜装置中的弹性隔板上涂一层弹性涂层，弹性涂层用硅橡胶型、液体聚硫橡胶型、聚氨酯橡胶型、丙烯酸酯橡胶型、氟橡胶型、聚异丁烯橡胶、柔性PVC、弹性环氧胶中的一种或几种材料。

[0019] 本发明针对运行电流密度不能提高的问题，从提高电极性能、减小接线柱接触电阻、做好电极密封等方面来提高电流密度。本发明中优选的1-3毫米厚的纯钛或钛合金基板上电镀1-5微米厚的铂层；采用M14-M24的钛丝杆垂直焊接在钛电极背面对角线中点上，使电流分布更均匀，另一头穿过极液流道板朝外，并在朝外的一头，打一深为10-20毫米深的M6或M8的内孔用于外接线，减小接线的接触电阻；电极与极液流道板之间的密封采用弹性硅酮胶或弹性环氧胶来密封，杜绝极液的漏液。从而可以使运行的电流大幅提高到2
1000A/m 以上。在相同处理的装置膜面积大为减低，为普通电流密度的膜面积的1/2-1/4，大大降低装置的投资成本。

[0020] 本发明的极液导液板采用侧面出入极液，阴阳极液分开单独循环，每边采用6个极液导液孔，使电极表面的极液流动更均匀，有效降低电极表面的电压损耗。

[0021] 本发明的料液的进出口与氢氧化钠液的进出口采用耐腐蚀的缩乙酸、四氟等材料加工的快速接头，水管采用卫生级的PE软管，在不影响流速的情况下，有效的提高了耐腐蚀能力与膜堆安装、运输的便利性。

[0022] 本发明针对目前双极膜装置料液室相互串漏、外漏、漏电的缺点，采用了双极膜专用弹性隔板，该隔板在在专利200920201823.5的弹性隔板的基础上，对导液孔进行了改进，采用了椭圆形导液孔，从而在不减小膜有效率的情况下，增大导液孔的流量，也使每个导液孔的流道数更多，可达8-10道，每个流道宽度为0.15-0.25mm，每边使用3-4个导液孔，这样在压力小于0.1MPa的情况下使膜的表面流速可达10cm/s以上。并且对隔板的表面涂层进行了改性，在涂层配方里添加柔软剂，如柔软PVC、硅胶等，使该隔板能使用于大型的双极膜装置，并且其密封效果不差于小装置。

[0023] 本发明针对双极膜生产葡萄糖酸的特点，采用了氢氧根难透过均相膜，如CSV、HSV、CSO等商业化均相阳膜，相对普通均相阳膜，其对氢氧根的阻挡率更高，使氢氧化钠室的浓度更高、葡萄糖酸的损失率更低。

[0024] 本发明采用二隔室安装方式来制造葡萄糖酸的制备膜堆。三隔室双极膜电渗析过程中葡萄糖酸根离子要透过阴膜，由于葡萄糖酸根离子的半径过大，经过阴膜的阻力过大，2
试验过程中水温上升较快，阴膜变形也比较严重，只有在电流密度小于300A/m 时膜变形才不明显。所以三隔室双极膜电渗析虽然有分离葡萄糖的优点，但相对于二隔室，有膜寿命过短、膜成本高、试验条件难控制的缺点。因此本发明采用二隔室的膜堆组合方式。

[0025] 本发明中，单张膜尺寸为400*800mm或550*1100mm，单个膜堆的有效膜面积可达2 2
60m 或120m，制备40％葡萄糖酸的生产能力可达20吨/日或40吨/日。运行条件为葡萄糖
2
酸钠料液浓度5-40％、氢氧化钠室的浓度可达2-15％、电流密度300-1000A/cm、膜表面流速3-15cm/s、进料压力为0.06-0.12MPa、管道流速为0.5-1.5m/s、导液孔流速为0.3-0.7m/s，经500小时以上无故障运行。其电流效率85-95％，葡萄糖酸转化率98.5％以上，制酸能耗低于400度/吨酸，综合运行成本远低于传统工艺。

[0026] 有益效果：本发明所涉及的双极膜装置用于生产葡萄糖酸，可使葡萄糖酸钠的转化率为98.5％以上、电流效率达88％以上、制酸能耗低于400度/吨、酸生产成本远低于传统工艺、无废酸与废碱排出、产出的碱可以循环用于葡萄糖酸钠的生产，实现较好的经济效益与社会效益，且装置在运输、安装等过程中不会出现损坏，即使有部件有损坏，也容易更换，而传统的装置由于料液出口、氢氧化钠液出口的布置不合理，在运输过程中出现部件损坏会导致整个装置的损坏。

附图说明

[0027] 图1双极膜装置的原理示意图

[0028] 图2双极膜装置截面示意图

[0029] 图3双极膜装置侧面示意图

[0030] 图4弹性隔板、网心隔网装配结构示意图

[0031] 图5电极、夹紧钢板装配结构示意图

[0032] 图6本发明在生产过程中工艺流程图

[0033] 图7传统法生产葡萄糖酸的工艺流程图

[0034] 1、阳极液进口 2、均相阳膜 3、弹性隔板 4、双极膜 5、阴极液进口 6、紧固螺栓 7、料液进口 8、极液流道板 9、阳极接线柱 10、夹紧钢板 11、料液出口12、氢氧化钠液出口 13、阴极接线柱 14、氢氧化钠液进口 15、边框16、半椭圆形导液孔及流道17、椭圆形导液孔 18、网心隔网 19、弹性涂层20、极液导液孔 21、接线柱孔道 22、电极 23、阳极液出口 24、阴极液出口

具体实施方式

[0035] 下面结合附图，对本发明的实施作具体说明：

[0036] 实施例1

[0037] 按图2、图3、图4、图5中所示结构，安装一台双极膜装置，包括夹紧钢板10、极液流道板8、电极22、弹性隔板3、均相阳膜2，双极膜4、紧固螺栓6、料液进口7、极液流道板8、阳极接线柱9、阴极接线柱13、椭圆形导液孔17、网心隔网18，阴极接线柱13与阴极连接，阳极接线柱9与阳极连接；在阴极与阳极之间形成一个膜堆空间；在膜堆空间内放置膜组，膜组的放置为：均相阳膜2、弹性隔板3、双极膜4、弹性隔板3、均相阳膜2，依次排列；在膜片之间放置有网心隔网18；在弹性隔板3的边框15上开有半椭圆形导液孔及流道16、圆形导液孔17、极液导液孔20；若干组膜组由一对极液流道板8夹住；在极液流道板8上有阳极液进口1、阴极液进口5、阳极液出口23、阴极液出口24；在极液流道板8的外面由一对夹紧钢板10通过紧固螺栓6夹紧、固定；阳极接线柱9、阴极接线柱13分别位于夹紧钢板10的中央位置；在夹紧钢板10上有料液进口7、料液出口11、氢氧化钠液出口12、氢氧化钠液进口14。

[0038] 其中的电极22为3毫米厚的纯钛；阳极接线柱9、阴极接线柱13分别采用直接16mm的钛丝杆垂直焊接在电极22背面对角线中点上。在钛丝杆顶端开有一个10毫米深、直接为6mm的接线柱孔道21，其中弹性涂层19是柔性PVC，其中的均相阳膜2为氢氧根不能透过的均相阳膜2。

[0039] 采用400*800规格的膜，共50组，有效膜面积12.5平方，采用国产双极膜、阳膜采用HSF膜，隔板厚度为0.7mm，导液孔并列3组，每个导液孔的流道为8道，流道宽度为2
0.2mm，葡萄糖酸钠料液浓度40％、氢氧化钠室的浓度15％、电流密度1000A/cm 恒流操作、膜表面流速12cm/s、进料压力为0.08MPa、管道流速为1.0m/s、导液孔流速为0.5m/s，膜堆锁紧扭矩为25牛.米，连续运行500小时。在运行过程中，除了料液温度上升需进行降温处理外，没有漏液、电流效率下降、电压升高等故障出现。运行结果为：葡萄糖酸转化率
99.0％，制酸能耗低于385度/吨酸，综合运行成本720元/吨，远低于传统工艺1400元/吨左右。

[0040] 实施例2

[0041] 采用实施例1中装置，其中弹性涂层19是聚氨酯橡胶型、采用400*800规格的膜，共150组，有效膜面积37.5平方，电极22为2毫米厚钛合金基板上电镀1微米厚的铂层，采用国产双极膜、阳膜采用CSO膜，隔板厚度为0.7mm，导液孔并列3组，每个导液孔的流道为8道，流道宽度为0.2mm，葡萄糖酸钠料液浓度30％、氢氧化钠室的浓度10％、电流密度2
600A/cm 恒流操作、膜表面流速8cm/s、进料压力为0.06MPa、管道流速为1.0m/s、导液孔流速为0.5m/s，膜堆锁紧扭矩为45牛.米，连续运行50小时。在运行过程中，除了料液温度上升需进行降温处理外，没有漏液、电流效率下降、电压升高等故障出现。运行结果为：葡萄糖酸转化率99.0％，制酸能耗低于370度/吨酸，综合运行成本705元/吨，远低于传统工艺。

[0042] 实施例3

[0043] 采用实施例1中的装置，弹性隔板3上涂一层硅橡胶型：液体聚硫橡胶型：柔性PVC弹性共混按质量比2∶1∶0.5的弹性涂层19。采用550*1100规格的膜，共50组，有效膜面积25平方，电极22为2毫米厚铂板，采用国产双极膜、阳膜采用HSF膜，隔板厚度为0.7mm，导液孔并列4组，每个导液孔的流道为8道，流道宽度为0.2mm，葡萄糖酸钠料液浓
2
度30％、氢氧化钠室的浓度10％、电流密度600A/cm 恒流操作、膜表面流速9cm/s、进料压力为0.07MPa、管道流速为1.0m/s、导液孔流速为0.5m/s，膜堆锁紧扭矩为35牛.米，连续运行50小时。在运行过程中，除了料液温度上升需进行降温处理外，没有漏液、电流效率下降、电压升高等故障出现。运行结果为：葡萄糖酸转化率98.8％，制酸能耗360度/吨酸，综合运行成本710元/吨，远低于传统工艺。