电解槽转让专利
申请号 : CN200580019745.1
文献号 : CN1969062B
文献日 : 2010-04-14
发明人 : R·贝克曼 , K-H·杜勒 , F·丰克 , R·基弗 , P·沃尔特林
申请人 : 乌德诺拉股份公司
摘要 :
一种具有单个元件结构形式的电解槽，其计划用于例如生产氯气、氢气和/或苛性钠并且设计为使得非活性膜片表面部分借助于优化的凸缘类型最小化以使得半壳体凸缘表面和活性膜片表面之间的比率可被设置为小于0.045，半壳体或膜片都没有用于容纳夹紧元件的孔径或凹陷。
权利要求 :
1.一种用于电解设备的单室型元件，其由两个半壳体限定，每个半壳体具有背壁和周边凸缘，绝缘元件布置在该周边凸缘上并且由安装在凸缘区域中的夹紧元件所夹紧，所述单室型元件包括两个电极，并且一个膜片置于两个电极之间，该半壳体没有用来允许夹紧元件栓接的孔径或凹陷，并且与所述膜片重叠的凸缘表面和活性膜片表面之间的比率小于0.09。
2.如权利要求1的单室型元件，其中凸缘表面和活性膜片表面之间的所述比率小于0.045。
3.如权利要求1或2的单室型元件，其中所述膜片没有用于将其定位在半壳体中或者用于允许夹紧元件栓接的孔径或开口。
4.如权利要求1的单室型元件，其中夹紧元件滑动到凸缘上或施加于其上。
5.如权利要求1的单室型元件，其中夹紧元件被设计为栓接单体元件、夹具型夹条或栓接夹条，所述元件具有至少两个被压靠在半壳体凸缘上的平行且相对的绝缘元件。
6.如权利要求1的单室型元件，其中布置在面向凸缘表面一侧上的绝缘元件仅仅一部分由所述凸缘直接支撑，至少一个间隔件安装在未被支撑的绝缘元件表面之间或者一个或两个绝缘体被成形为使得它们具有突出或悬臂区段，以使得位于所述凸缘之外的缝隙至少部分地被填充。
7.如权利要求6的单室型元件，其中所述至少一个间隔件具有较厚和较薄区段，较厚区段从凸缘突出，较薄区段与所述膜片一起被夹紧在两个半壳体的凸缘之间。
8.如权利要求7的单室型元件，其中从凸缘突出的所述间隔件区段具有孔径或开口。
9.如权利要求6至8中任一的单室型元件，其中从凸缘突出的所述间隔件的厚度或者绝缘元件的所述突出或悬臂区段的厚度近似相当于装配状态下凸缘的厚度，包括插入元件的厚度。
说明书 :
技术领域
本发明涉及具有单个元件结构形式的电解槽，即所谓的“单室电解槽元件”，所述电解槽被开发为例如生产氯气、氢气和/或苛性钠溶液等并且设计为使得非活性膜片表面部分借助于优化的凸缘构造最小化以使得半壳体凸缘表面和活性膜片表面之间的比率可调节至小于0.045并且膜片或半壳体都没有用于供夹紧元件穿过的孔径或凹陷。
背景技术
用于生产单质氯气、氢气和/或苛性钠溶液的电解槽是公知的并且其现有技术的设计已经有充分的描述。在常规的现有技术中，在工业应用中广泛使用两种类型的电解槽：一种是压滤设计，另一种是所述电串联的“单室电解槽元件”。
比如DE 19641125、DE 19740637或DE 19641125中所述的这些电解槽本身由一个阴极和一个阳极半壳体构成，所述阴极和阳极半壳体分别容纳阴极或阳极并且每个具有不同的表面结构。离子交换膜片布置在电极之间并且远远地超出半壳体凸缘之上。所述半壳体凸缘被充分地定尺寸以确保足够的压力表面以避免对离子交换膜片的损害。
根据常规的现有技术，半壳体凸缘和布置在其间的膜片设有用于安全地定位和固定膜片的孔径或开口，以使得为每个孔径或开口提供一个栓接夹紧元件。借助于栓接作用在半壳体上的密封压力就经由置于半壳体凸缘任一侧上的垫圈型绝缘元件被传递。
根据已知的现有技术，多个这种夹紧元件布置在单室电解槽的凸缘圆周上以确保电解槽的紧密度和膜片上几乎均匀的密封压力。
这种现有技术的电解设备的主要缺点是，超过10％的离子交换膜片是非活性的并且不会参与电解过程，因为膜片由凸缘包围或者甚至延伸到凸缘之上以利于装配以及因为这种非常昂贵的材料在单室电解槽的装配期间仅用于定位所述膜片以及在操作期间改进机械稳定性。
比如DE 19641125、DE 19740637或DE 19641125中所述的这些电解槽本身由一个阴极和一个阳极半壳体构成，所述阴极和阳极半壳体分别容纳阴极或阳极并且每个具有不同的表面结构。离子交换膜片布置在电极之间并且远远地超出半壳体凸缘之上。所述半壳体凸缘被充分地定尺寸以确保足够的压力表面以避免对离子交换膜片的损害。
根据常规的现有技术，半壳体凸缘和布置在其间的膜片设有用于安全地定位和固定膜片的孔径或开口，以使得为每个孔径或开口提供一个栓接夹紧元件。借助于栓接作用在半壳体上的密封压力就经由置于半壳体凸缘任一侧上的垫圈型绝缘元件被传递。
根据已知的现有技术，多个这种夹紧元件布置在单室电解槽的凸缘圆周上以确保电解槽的紧密度和膜片上几乎均匀的密封压力。
这种现有技术的电解设备的主要缺点是，超过10％的离子交换膜片是非活性的并且不会参与电解过程，因为膜片由凸缘包围或者甚至延伸到凸缘之上以利于装配以及因为这种非常昂贵的材料在单室电解槽的装配期间仅用于定位所述膜片以及在操作期间改进机械稳定性。
发明内容
本发明的目的是避免或最小化上述不利之处以及提供膜片表面积利用的优化。
本发明的目的通过使整个电解槽的整个凸缘更小、省略通常供栓接通过所需的孔径和凹陷、以及与膜片重叠的半壳体凸缘表面积和活性膜片表面积之间的比率小于0.09或者优选地小于0.07或者在理想实施例中小于0.045而实现。
本发明提供了一种用于电解设备的单室型元件，其由两个半壳体限定，每个半壳体具有背壁和周边凸缘，绝缘元件布置在该周边凸缘上并且由安装在凸缘区域中的夹紧元件所夹紧，所述单室型元件包括两个电极，并且一个膜片置于两个电极之间，该半壳体没有用来允许夹紧元件栓接的孔径或凹陷，并且与所述膜片重叠的凸缘表面和活性膜片表面之间的比率小于0.09。
根据如本发明所规定的电解槽的理想实施例，膜片的形状被设计为使得其既没有孔径也没有凹陷，所述孔径或凹陷通常用来将膜片定位在一个或两个半壳体中或者穿过夹紧元件。
所述设备还具有夹紧元件，其施加于凸缘的外侧或者滑到后者上并且其用来夹紧和密封阳极和阴极半壳体以形成单体元件。
在本发明一个有利实施例中，所述夹紧元件是分别的栓接元件。一个理想的变型是使用夹具型夹条或栓接型夹条作为用来固定半壳体的元件，所述元件在市场上作为预制元件销售。所述元件的其它形状适于此目的，只要它们具有至少两个压靠在半壳体的凸缘上并且平行且相对的绝缘元件。
此外，本发明所述的电解槽包括一设备，该设备仅允许布置在面对半壳体凸缘的一侧上的部分绝缘元件由所述凸缘直接支撑，一部分表面区域从凸缘突出。至少一个间隔件布置在没有被支撑的绝缘元件表面之间，或者一个或两个绝缘元件被成形为使得间隔件本身或者连同其它绝缘元件一起填充位于凸缘之上区域中的缝隙。这样形成的绝缘体在面对凸缘的表面区域中设有例如突出或悬臂部件。
本发明的一个有利实施例提供了具有较厚和较薄区段的间隔件并且在装配时较厚部分从凸缘突出而较薄区段与膜片一起被夹紧在半壳体的凸缘之间。上述变型的一个实施例提供了一种间隔件，其突出区段具有能容纳螺栓或夹具的孔径或开口。在此情况下，从凸缘突出的间隔件区段的厚度大致相当于装配之后的凸缘厚度，即包括了用于操作的插入部件的厚度。
因此，主要优点是非活性膜片表面区域的显著减小，同时活性膜片区域的尺寸保持不变。
除了活性膜片增大的比率之外，又一重要优点是，膜片总表面面积变得更小并且有利于膜片封装。必不可少地是在装配之前形成任何膜片孔径或开口。有孔径的膜片类型应当在装配之前提供有孔径，现在取消了这个步骤。这个步骤通常意味着对膜片的损害，因为不能完全排除膜片涂层或基体材料的损害或污染。
凸缘尺寸的减小还允许了半壳体由比如线圈之类能在全球市场上以标准尺寸购买的半成品制造，在此之前这个过程是不可能。因此，就半壳体的材料成本而言能实现两个显著且正面的效果，即简化的采购和减小的尺寸。
本发明的目的通过使整个电解槽的整个凸缘更小、省略通常供栓接通过所需的孔径和凹陷、以及与膜片重叠的半壳体凸缘表面积和活性膜片表面积之间的比率小于0.09或者优选地小于0.07或者在理想实施例中小于0.045而实现。
本发明提供了一种用于电解设备的单室型元件，其由两个半壳体限定，每个半壳体具有背壁和周边凸缘，绝缘元件布置在该周边凸缘上并且由安装在凸缘区域中的夹紧元件所夹紧，所述单室型元件包括两个电极，并且一个膜片置于两个电极之间，该半壳体没有用来允许夹紧元件栓接的孔径或凹陷，并且与所述膜片重叠的凸缘表面和活性膜片表面之间的比率小于0.09。
根据如本发明所规定的电解槽的理想实施例，膜片的形状被设计为使得其既没有孔径也没有凹陷，所述孔径或凹陷通常用来将膜片定位在一个或两个半壳体中或者穿过夹紧元件。
所述设备还具有夹紧元件，其施加于凸缘的外侧或者滑到后者上并且其用来夹紧和密封阳极和阴极半壳体以形成单体元件。
在本发明一个有利实施例中，所述夹紧元件是分别的栓接元件。一个理想的变型是使用夹具型夹条或栓接型夹条作为用来固定半壳体的元件，所述元件在市场上作为预制元件销售。所述元件的其它形状适于此目的，只要它们具有至少两个压靠在半壳体的凸缘上并且平行且相对的绝缘元件。
此外，本发明所述的电解槽包括一设备，该设备仅允许布置在面对半壳体凸缘的一侧上的部分绝缘元件由所述凸缘直接支撑，一部分表面区域从凸缘突出。至少一个间隔件布置在没有被支撑的绝缘元件表面之间，或者一个或两个绝缘元件被成形为使得间隔件本身或者连同其它绝缘元件一起填充位于凸缘之上区域中的缝隙。这样形成的绝缘体在面对凸缘的表面区域中设有例如突出或悬臂部件。
本发明的一个有利实施例提供了具有较厚和较薄区段的间隔件并且在装配时较厚部分从凸缘突出而较薄区段与膜片一起被夹紧在半壳体的凸缘之间。上述变型的一个实施例提供了一种间隔件，其突出区段具有能容纳螺栓或夹具的孔径或开口。在此情况下，从凸缘突出的间隔件区段的厚度大致相当于装配之后的凸缘厚度，即包括了用于操作的插入部件的厚度。
因此，主要优点是非活性膜片表面区域的显著减小，同时活性膜片区域的尺寸保持不变。
除了活性膜片增大的比率之外，又一重要优点是，膜片总表面面积变得更小并且有利于膜片封装。必不可少地是在装配之前形成任何膜片孔径或开口。有孔径的膜片类型应当在装配之前提供有孔径，现在取消了这个步骤。这个步骤通常意味着对膜片的损害，因为不能完全排除膜片涂层或基体材料的损害或污染。
凸缘尺寸的减小还允许了半壳体由比如线圈之类能在全球市场上以标准尺寸购买的半成品制造，在此之前这个过程是不可能。因此，就半壳体的材料成本而言能实现两个显著且正面的效果，即简化的采购和减小的尺寸。
附图说明
附图中一个示出了现有技术的典型“单室电解槽元件”，两个示出了根据本发明的电解设备，不过其它实施例或变化也是可行的。
具体实施方式
图1中的横截视图示出了根据现有技术的电解槽的局部。所述视图清楚地示出了阳极半壳体1和相对的阴极半壳体2、阳极3和阴极4。半壳体1和2显示了两个区段，壁9和圆周凸缘8。凸缘8具有用于固定夹紧元件10的孔，螺栓10.1插入所述孔。所述夹紧元件还包括将密封压力保持为恒定的弹簧垫圈10.2，它是对材料特性由于膜片的不同膨胀条件所导致的变化进行补偿的零件。两个环形绝缘元件10.3与凸缘8的金属表面直接接触，并且因此与该半壳体接触，所述元件用来传递力。而且，位于凸缘颈部区域中的螺栓10.1插入绝缘软管10.4。膜片5布置在阳极3和阴极4之间。
图中示出了，膜片5的尺寸被设定为使得其延伸超过容纳用于夹紧元件的孔径的区段。以类似于凸缘的方式，膜片也在这个区段设有开口。凸缘8装备有一个扁平垫板和绝缘元件6，该绝缘元件6构成框架并且类似地设有与凸缘8的孔径相关联的孔径。在凸缘8的区域中布置在半壳体之间的两个圆周密封绳11确保了半壳体的紧密度。图1、2和3中所示的内部零件7用来确保电解槽上部中的平稳流动。
图2示出了没有夹紧设备的本发明电解槽，凸缘8的尺寸显著较小并且既没有孔也没有孔径。这里所示的变型垫板6从凸缘8突出并且其延伸超过凸缘框架6.1的上部设有孔径6.2，一个夹紧元件的螺栓10.1插入其中。垫板6的内部部分，即夹紧区域6.3，位于半壳体1和2的凸缘部分之间。在此情况下，能省略如图1所示保护螺栓10.1的绝缘软管10.4，因为螺栓不会变得与凸缘相接触。
图3示出了本发明的电解槽，其具有附接的夹紧和密封元件10、垫板6的由两个分离零件构成的框架6.1和夹紧区域6.3，所述两个分离零件彼此间没有被牢固地连接。
作为一个变型，可以成形一个或两个绝缘元件，其方式为使得它们具有突出和悬臂部件，并且位于上部的突出部件构成间隔件本身。然而，这个变型在附图中并未示出。
很明显，由于省略了孔径，根据本发明的设备不仅允许了较小的膜片表面积(其增大了活性膜片表面部分)而且还允许了夹紧设备及其配合元件的设计中一定程度的自由。
在真实生产条件下在试验台上对本发明所规定的两个电解槽进行试验，时间为5000工作小时。两种工业电解槽每个都具有2.72m2的活性膜片表面、15.5mm的凸缘宽度，并且因此，所述表面积比现有技术的电解槽表面积小超过60％。在整个试验期间施加的电解槽电压在约6kA/m2下约为3.2V并且电解槽温度约为90℃。供给是每升NaCl溶液300克。
苛性钠溶液的平均排放浓度为32％，并且NaCl残余浓度小于20ppm。而且，产生了气体Cl2和H2，平均能量消耗为每吨NaOH大约2200kWh。
在整个试验期间，借助于根据本发明的单室电解槽可以获得高的转换速率、生产质量等，即附图所示设备等同于更大且更昂贵的现有技术单室电解槽，并且就安全性、紧密度或维修而言都没有缺点。
本发明所述的设计特点允许将非活性膜片表面部分从现有技术中获得的11％降低到小于4.2％。
试验系列的目的是观察膜片行为和恶化以及单室电解槽的紧密度，因为膜片受到由于振动和膨胀或收缩所产生的机械应力。
就电解槽紧密度和膜片的牢固定位而言没有检测到任何异常。在整个试验期间，没有发现任何操作问题或泄漏，并且无需膜片或其它部件的调整或修正以避免扰动。
很惊奇地发现，电解槽的维修更加方便并且显著改善了已经使用过的膜片重新使用的可能性。这是由于，在打开单室电解槽时，启动了膜片收缩过程，即以前经常导致孔径附近变坏区段中的膜片材料撕裂并且因而导致膜片不能再使用的标准。由于根据本发明的电解槽在打开之前置于水平位置，在半壳体移走(未固定)时膜片就立即变得自由以使得随后的均匀收缩不能导致膜片变形或损坏。
已经观察到，装配单室电解槽所需的时间能够缩短，因为考虑到无需与孔径匹配以及膜片端部只需与凸缘边缘大致平齐的事实，现在膜片调整非常方便。这种对齐不甚重要，因为从平行于边缘的任何偏差都是可以忽略的。
附图标记清单
1阳极侧上的外部半壳体
2阴极侧上的外部半壳体
3阳极
4阴极
5膜片
6间隔件
6.1框架
6.2孔径
6.3夹紧区域
7内部零件
8半壳体凸缘
9半壳体的升高上部
10夹紧元件
10.1螺栓
10.2弹簧垫圈
10.3绝缘元件
10.4绝缘软管
10.5间隔件
11密封绳
图中示出了，膜片5的尺寸被设定为使得其延伸超过容纳用于夹紧元件的孔径的区段。以类似于凸缘的方式，膜片也在这个区段设有开口。凸缘8装备有一个扁平垫板和绝缘元件6，该绝缘元件6构成框架并且类似地设有与凸缘8的孔径相关联的孔径。在凸缘8的区域中布置在半壳体之间的两个圆周密封绳11确保了半壳体的紧密度。图1、2和3中所示的内部零件7用来确保电解槽上部中的平稳流动。
图2示出了没有夹紧设备的本发明电解槽，凸缘8的尺寸显著较小并且既没有孔也没有孔径。这里所示的变型垫板6从凸缘8突出并且其延伸超过凸缘框架6.1的上部设有孔径6.2，一个夹紧元件的螺栓10.1插入其中。垫板6的内部部分，即夹紧区域6.3，位于半壳体1和2的凸缘部分之间。在此情况下，能省略如图1所示保护螺栓10.1的绝缘软管10.4，因为螺栓不会变得与凸缘相接触。
图3示出了本发明的电解槽，其具有附接的夹紧和密封元件10、垫板6的由两个分离零件构成的框架6.1和夹紧区域6.3，所述两个分离零件彼此间没有被牢固地连接。
作为一个变型，可以成形一个或两个绝缘元件，其方式为使得它们具有突出和悬臂部件，并且位于上部的突出部件构成间隔件本身。然而，这个变型在附图中并未示出。
很明显，由于省略了孔径，根据本发明的设备不仅允许了较小的膜片表面积(其增大了活性膜片表面部分)而且还允许了夹紧设备及其配合元件的设计中一定程度的自由。
在真实生产条件下在试验台上对本发明所规定的两个电解槽进行试验，时间为5000工作小时。两种工业电解槽每个都具有2.72m2的活性膜片表面、15.5mm的凸缘宽度，并且因此，所述表面积比现有技术的电解槽表面积小超过60％。在整个试验期间施加的电解槽电压在约6kA/m2下约为3.2V并且电解槽温度约为90℃。供给是每升NaCl溶液300克。
苛性钠溶液的平均排放浓度为32％，并且NaCl残余浓度小于20ppm。而且，产生了气体Cl2和H2，平均能量消耗为每吨NaOH大约2200kWh。
在整个试验期间，借助于根据本发明的单室电解槽可以获得高的转换速率、生产质量等，即附图所示设备等同于更大且更昂贵的现有技术单室电解槽，并且就安全性、紧密度或维修而言都没有缺点。
本发明所述的设计特点允许将非活性膜片表面部分从现有技术中获得的11％降低到小于4.2％。
试验系列的目的是观察膜片行为和恶化以及单室电解槽的紧密度，因为膜片受到由于振动和膨胀或收缩所产生的机械应力。
就电解槽紧密度和膜片的牢固定位而言没有检测到任何异常。在整个试验期间，没有发现任何操作问题或泄漏，并且无需膜片或其它部件的调整或修正以避免扰动。
很惊奇地发现，电解槽的维修更加方便并且显著改善了已经使用过的膜片重新使用的可能性。这是由于，在打开单室电解槽时，启动了膜片收缩过程，即以前经常导致孔径附近变坏区段中的膜片材料撕裂并且因而导致膜片不能再使用的标准。由于根据本发明的电解槽在打开之前置于水平位置，在半壳体移走(未固定)时膜片就立即变得自由以使得随后的均匀收缩不能导致膜片变形或损坏。
已经观察到，装配单室电解槽所需的时间能够缩短，因为考虑到无需与孔径匹配以及膜片端部只需与凸缘边缘大致平齐的事实，现在膜片调整非常方便。这种对齐不甚重要，因为从平行于边缘的任何偏差都是可以忽略的。
附图标记清单
1阳极侧上的外部半壳体
2阴极侧上的外部半壳体
3阳极
4阴极
5膜片
6间隔件
6.1框架
6.2孔径
6.3夹紧区域
7内部零件
8半壳体凸缘
9半壳体的升高上部
10夹紧元件
10.1螺栓
10.2弹簧垫圈
10.3绝缘元件
10.4绝缘软管
10.5间隔件
11密封绳