[发明专利]离子交换隔膜双极电解槽

说明书

现有技术说明

现今，氯和苛性苏打都是在工厂里进行工业生产的，这些工厂以汞阴极技术、隔膜技术或离子交换隔膜技术为基础。虽然头两种技术被认为已作了充分研究，并且只可以预见一些边缘的改进，但第三种技术近来是唯一在新兴工厂使用的技术，并处于持续发展之下。最近所作的一些修改基本上是针对获得较低能耗、降低投资成本，及解决影响这项技术的一些有代表性的问题，如：

·美国专利No.4,340,452说明了电解槽的一种内部结构，即所谓的“零间隙”结构，其中各阳极和阴极被离子交换隔膜分开，将它们相互压紧。这样，直接影响能耗的阳极-阴极间隙就只用隔膜表示。借助于一种造价昂贵的电极结构(挠性金属丝网和弹性金属垫)则得到这种结果。

·美国专利No.4,655,886公开了一种隔膜，该隔膜具有多孔亲水性薄膜，该多孔亲水性薄膜加到隔膜两个表面上，防止气泡(在阴极侧是氢气，而在阳极侧是氯气)附着在隔膜上。这样，整个隔膜表面都保持与电解液接触，因此避免了危险的电流集中，电流集中会增加能耗。

·美国专利No.4,448,946公开了一种结构，其中各元素设置一些凸出部分，这些凸出部分用热成形或冷成形法得到。将各电极连接到所述凸出部分上，而没有任何隔离物插在其间。使用例如美国专利No.4,111,779中所述的隔离物涉及一个附加的复杂生产步骤，使这种结构造价更昂贵。在美国专利No.4,448,946中所公开的省去隔离物的思想，在美国专利No.5,314,591中也有。

·然而在美国专利NOS.4,448,946和5,314,591中所述的结构涉及这种可能性，即连接到各凸出部分上的电极会引起阻塞区域的形成，其中气泡会聚集，并妨碍电流流动和损坏隔膜。另外，各元件设置如美国专利Nos.4,448,946和5,314,591所述的凸出物，妨碍电解液循环，特别是妨碍内部混合。已经提出了各种技术方案：

·美国专利No.4,294,671说明了一种电极，该电极由一种厚金属网制成，该金属网具有一些大的开口，冷态压制以便形成凹坑。这些凹坑是一些点，在这里将孔板固定到各元件的凸出部分上。随后在所述孔板上加一额外的薄孔板，该薄孔板设置一层电催化涂层，以便形成电极。生产，亦即压紧和连接是自动进行的，因此，仅是采用薄孔板就使生产成本增加。

·美国专利No.53372,692讲述了采用隔离物，将该隔离物加到元件壁各凸出部分的上面部分上。这种操作可以自动进行，并且比美国专利No.4,111,779所公开的操作成本要低，但是由于必需对大量隔离物准确定位，随后将电极固定在这些隔离物上，所以仍然是很复杂和很难以处理的。

·第二个问题，也就是电解液内部混合不充分问题，在美国专利No.5,314,591中，通过采用一个下面的分配器、一个上面的收集器和一种各凸出部分偏置定位而解决了。这种技术方案肯定难以处理，因为在分配器和收集器中甚至少数孔阻塞也会导致电解液浓度的显著变化，这种浓度变化即使是局部的，但肯定会损坏离子交换隔膜。此外，在美国专利No.5,314,591中所述的技术方案能保证在水平面(也就是沿着一垂直于向上运动的平面)中电解液浓度的均匀性，但肯定在垂直方向上的浓度总体上是无效的。为了使所述浓度保持在隔膜的容许极限之内，电解液采用大流量是必要的，电解液采用大流量意味着采用大尺寸的外部泵，结果增加了能耗。必须考虑到，上述情况也适用于温度。在用新式的商品隔膜情况下，现在有关浓度和温度梯度的这些考虑比过去更重要，新式的商品隔膜其特征在于低的欧姆压降，这样能降低电解槽的工作电压，并因此而降低了比能耗。这些隔膜对电解液中的杂质特别敏感，此外对温度和温度梯度也特别敏感。总之，在这种观点下，不能把美国专利No.5,314,591中所述的装置看作是特别有效的。

·一种可供替换的技术方案在于：利用气体分离器来保证很高的流速，该气体分离器位于电解槽上方，并利用下导管将其连接到电解液入口上(“现代氯碱工艺学”，第5卷，化工学会，Elsevier 1992，第93页)。

该系统很有效，但涉及一些附加成本，特别是涉及大尺寸的电解槽-气体分离器-下导管组合装置，这常常与工厂内可用的房间不相容。

·在美国专利No.4,557,816中具体说明另一种系统，其中各元件设置一个内部下导管，该内部下导管连接到一个下面的分配器上。该装置提供了使电解液均匀问题的部分技术方案，因为无气体的液流有限的横截面不允许有高的循环速度。