[发明专利]一种用于安全经济地操作电解器的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于操作电解器的方法。一种方法被应用于确定电解器的至少一个电池元件的一个安全经济且取决于电流密度的电压和/或比能耗工作范围。

本发明还涉及一种包含至少一个电池元件的电解器。

背景技术

电解器中的一个电池元件的电压U以及施加的电流负荷，表征为具有电流强度I的电解电流，，都是电解技术背景中重要的量，因为电解器的电流或能量消耗EV取决于这些物理量。

由于实际评估的原因，一个电解器的能量消耗通常是相对于产物的质量，并由此以比例形式表示。根据伯格纳(Bergner)的“碱金属氯化物电解的现有技术水平”，第2部分(“Entwicklungsstand der Alkalichlorid-Elektrolyse，Teil 2”)，化学工程技术(Chemie-Ingenieur-Technik)，66(1994)，第八期，经典的氯-碱电解中比能耗与电压之间的正比例关系可如下计算：

(1)EV＝U/(F x S)[kWh/t]

在此F表示一个针对产物的法拉第常数，单位为[t/kAh]，由摩尔法拉第常数与产物的摩尔质量的商形成，由于产物的电化学形成直接取决于电流强度并因此取决于使用的电荷。

第二个重要的比例因数是电流效率S，其给出了实际形成的产物的量M_P与基于所用电荷的理论可能产物的量M_T的百分比值：

(2)S＝100x M_P/M_T[％]

由于杂散电流、热力学副反应或甚至隔膜损坏导致的电荷漏泄造成产物损失，电流效率总是低于100％。

由于电解器的能量损耗是工业电解设备的经济运行的决定性标准，电流强度和电池或电解器电压的关系足以用来评估经济运行，假设所有单电池元件的电流效率是恒定的。但是，如果电流效率S不是恒定的，对一个电池元件的经济运行的最精确评估只能通过确定和监测比能耗EV来进行。

除了在电压U的情况下，不可能直接测量每一个单电池元件的电流效率S。相反，每一个电池元件的实际产物量将由实际分析来确定，以便获得足以确定能量消耗的可用结果。考埃尔(Cowell)，马丁(Martin)和雷维尔(Revill)已经在“一种用于在隔膜电池中确定氢氧化钠电流效率的新型改进方法”中(A new improved method for the deter最小ation of sodium hydroxide current efficiency in membrane cells)，现代氯-碱技术(Modern Chlor-Alkali Technology)，卷5，SCI伦敦(1992)，对基于阴极侧或阳极侧产物平衡的已知经验方法给出了详细的描述。

还有不同手段用于通过直接分析法替代间接分析法来确定电流效率—所谓的在线测量程序，比如电压测量。在U.S.7,122,109中兰塔拉(Rantala)和维尔塔宁(Virtanen)描述了一种基于电压方法，该方法关于如何通过使用一个比例因数对所测量的和理论期望的电压值进行差分分析来大致确定电流效率。在WO 2010/118533 A1中，特伦布莱(Tremblay)等描述了另一种可能的方法，其中电流效率是借助于一个提前用合适模型以经验方式确定的电池参数、由来自在非线性回归上依赖于时间的电压特性曲线的低电解电流计算得到的。

这样的在线模型精确度的合理性和/或验证是困难的，因为即使电流效率的分析式确定迄今总是表明了以下困难：比如在电池电压测量的情况下，准确率百分比不能在差错传播和差错添加的基础上通过仪器和分析结果获得。通过电池电压测量和建模来测量电流效率的手段同样是有缺点的，因为这些手段只能记录由历史和对特定电池设计以及过程条件的验观察来确定的参数，所以这些手段由于微小变化和组件的老化效应变得不准确，甚至完全失败。

例如，如考埃尔(Cowell)、马丁(Martin)和雷维尔(Revill)所阐明的，一种来自数量测量和分析的电流效率经验测定法给出了最精确的结果，这是使用现有技术中已知方法来适当地确定比能耗所要求的。

为了辨识一种可以保证电池元件取决于电解电流的可靠经济运行的方法，电压作为参比变量是关键的。

电池元件的电压U和电解电流I之间的关系通常由在技术上重要的范围1.5kA/m²和7kA/m²之间的电流-电压特性给出：

(3)U＝C+kxj(C,k＝常数)