CN113481521B - 一种连续式氯碱工业电解制碱装置和方法 - Google Patents

一种连续式氯碱工业电解制碱装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种连续式氯碱工业电解制碱装置和方法；在电极槽中设置阳离子交换膜将电极槽分隔为阳极室和阴极室，阳极室设有阳极，阴极室设有阴极；将浓氯化钠水溶液流入阳极室，将水流入阴极室，并且使氯化钠水溶液和水在阳极室和阴极室中逆向流动，同时阳极和阴极通入直流电电解，从阳极室流出稀氯化钠水溶液，从阴极室流出含有氢氧化钠的碱液。本发明在保证电解反应连续进行的同时，钠离子始终保持顺浓度梯度迁移，并且保持较为稳定的顺浓度差，避免了电解反应停止、干烧电极等现象的发生，减少了电能损耗和电极损耗，实现了连续式、高效率、低能耗的氯碱生产。

Description

一种连续式氯碱工业电解制碱装置和方法
技术领域
本发明涉及氯碱工业技术领域，具体涉及一种连续式氯碱工业电解制碱装置和方法。
背景技术
氯碱工业是国民经济的基础工业，产品广泛用于农业、石油化工、轻工、纺织、化学建材、电力国防军工等国民经济各个领域，在我国经济发展中具有举足轻重的地位。然而氯碱工业是我国石油和化工行业中的高耗能行业，主要体现在烧碱生产的电耗方面。因此降低电解能耗对实现国民经济的可持续发展具有重要意义。
众所周知，目前氯碱生产的主要电化学反应方程式为：
阳极反应：2Cl--2e-＝Cl2↑(氧化反应)
阴极反应：2H++2e-＝H2↑(还原反应)
世界上比较先进的电解制碱技术是离子交换膜法。离子交换膜电解槽主要由阳极、阴极、离子交换膜、电解槽框和导电铜棒等组成，每台电解槽由若干个单元槽串联或并联组成，阳离子交换膜把电解槽隔成阴极室和阳极室。
精制的饱和食盐水进入阳极室；纯水(加入一定量的NaOH溶液)加入阴极室。通电时，H2O在阴极表面放电生成H2，Na+穿过离子膜由阳极室进入阴极室，导出的阴极液中含有NaOH；Cl-则在阳极表面放电生成Cl2。电解后的淡盐水从阳极室导出，可重新用于配制食盐水。
但是目前的氯碱生产中，食盐水和纯水均是间歇式注入阳极室和阴极室的，待电解一定时间后再放出阳极室和阴极室中的液体。该方法存在以下缺点：
1、电解一定时间后需要停车换液，电解不能连续进行。
2、电解反应开始时，阳极室和阴极室之间钠离子浓度差异极大，电解效率不高。电解反应末期时，阳极室和阴极室之间可能会存在钠离子逆浓度差，造成电解反应停止、干烧电极等现象。
发明内容
本发明的目的是提供一种连续式氯碱工业电解制碱装置和方法，实现连续进行氯碱生产，并且提高生产效率、降低能耗。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：
本发明提供了一种连续式氯碱工业电解制碱装置，所述装置包括电解槽，所述电解槽包括设置有阳极的阳极室和设置有阴极的阴极室，所述阳极室和阴极室之间由阳离子交换膜分隔，所述电解槽一端设有浓氯化钠水溶液流入口和碱液流出口，所述浓氯化钠水溶液流入口与阳极室连通，所述碱液流出口与阴极室连通，所述电解槽另一端设有稀氯化钠水溶液流出口和水流入口，所述稀氯化钠水溶液流出口与阳极室连通，所述水流入口与阴极室连通。
作为优选的技术方案，所述装置包括两个以上串联的电解槽，前一个电解槽的稀氯化钠水溶液流出口与后一个电解槽的浓氯化钠水溶液流入口连通，后一个电解槽的碱液流出口与前一个电解槽的水流入口连通。
作为优选的技术方案，所述阳极为钛电极、铂电极、银电极、不锈钢电极和石墨电极中的一种或几种组合，所述阴极为不锈钢电极、石墨电极和钛电极中的一种或几种组合。
本发明还提供了一种连续式氯碱工业电解制碱方法，在电极槽中设置阳离子交换膜将电极槽分隔为阳极室和阴极室，阳极室设有阳极，阴极室设有阴极；将浓氯化钠水溶液流入阳极室，将水流入阴极室，并且使氯化钠水溶液和水在阳极室和阴极室中逆向流动，同时阳极和阴极通入直流电电解，从阳极室流出稀氯化钠水溶液，从阴极室流出含有氢氧化钠的碱液。
作为优选的技术方案，流入阴极室的水中还添加有氢氧化钠。
作为优选的技术方案，将两个以上的电解槽串联，将前一个电解槽的阳极室流出液流入后一个电解槽的阳极室，将后一个电解槽的阴极室流出液流入前一个电解槽的阴极室。
作为优选的技术方案，所述电极槽的工作电压为2.5-5V。
本发明的有益效果：
本发明创新地在氯碱生产中采用逆流电解技术，让氯化钠水溶液和水在阳极室和阴极室中逆向流动，在保证电解反应连续进行的同时，钠离子始终保持顺浓度梯度迁移，并且保持较为稳定的顺浓度差，避免了电解反应停止、干烧电极等现象的发生，减少了电能损耗和电极损耗，实现了连续式、高效率、低能耗的氯碱生产。
附图说明
图1为实施例1的工艺原理示意图；
图2为对比例1的工艺原理示意图。
图3为实施例2的工艺原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
实施例1
如图1所示一种连续式氯碱工业电解制碱装置，所述装置包括电解槽1，所述电解槽1包括设置有阳极2的阳极室3和设置有阴极4的阴极室5，所述阳极室3和阴极室5之间由阳离子交换膜6分隔，所述电解槽1一端设有浓氯化钠水溶液流入口和碱液流出口，所述浓氯化钠水溶液流入口与阳极室3连通，所述碱液流出口与阴极室5连通，所述电解槽1另一端设有稀氯化钠水溶液流出口和水流入口，所述稀氯化钠水溶液流出口与阳极室3连通，所述水流入口与阴极室5连通。
所述阳极为钛电极，所述阴极为不锈钢电极。
电解时，将浓氯化钠水溶液流入阳极室3，将水流入阴极室5，并且使氯化钠水溶液和水在阳极室3和阴极室5中逆向流动，同时阳极2和阴极4通入直流电电解，从阳极室3流出稀氯化钠水溶液，从阴极室5流出含有氢氧化钠的碱液。
如图1所示，氯化钠水溶液和水在阳极室3和阴极室5中逆向流动，在阳极室3的入口端钠离子浓度较高，经过电解迁移，在阳极室3的出口端钠离子浓度降低；而在阴极室5的入口端钠离子浓度较低，经过电解迁移，在阴极室5的出口端钠离子浓度升高。因此，阳极室3和阴极室5之间钠离子始终保持顺浓度梯度迁移，并且保持较为稳定的顺浓度差，避免了电解反应停止、干烧电极等现象的发生，减少了电能损耗和电极损耗，实现了连续式、高效率、低能耗的的氯碱生产。
需要说明的是：流入阴极室的水中可以适当添加氢氧化钠，适当提高阴极室入口端的钠离子浓度，以增加导电性。
对比例1
如图2所示一种氯碱工业电解制碱装置，与实施例1相比区别在于：所述电解槽1一端设有浓氯化钠水溶液流入口和水流入口，所述浓氯化钠水溶液流入口与阳极室3连通，所述水流入口与阴极室5连通，所述电解槽1另一端设有稀氯化钠水溶液流出口和碱液流出口，所述稀氯化钠水溶液流出口与阳极室3连通，所述碱液流出口与阴极室5连通。
所述阳极为钛电极，所述阴极为不锈钢电极。
电解时，将浓氯化钠水溶液流入阳极室3，将水流入阴极室5，并且使氯化钠水溶液和水在阳极室3和阴极室5中同向流动，同时阳极2和阴极4通入直流电电解，从阳极室3流出稀氯化钠水溶液，从阴极室5流出含有氢氧化钠的碱液。
如图2所示，氯化钠水溶液和水在阳极室3和阴极室5中同向流动，在阳极室3的入口端钠离子浓度较高，经过电解迁移，在阳极室3的出口端钠离子浓度降低；而在阴极室5的入口端钠离子浓度较低，经过电解迁移，在阴极室5的出口端钠离子浓度升高。因此，电解反应开始时，阳极室3和阴极室5之间钠离子浓度差异极大，电解效率不高；电解反应末期时，阳极室3和阴极室5之间可能会存在钠离子逆浓度差，造成电解反应停止、干烧电极等现象。
按照实施例1和对比例1的方法电解完成的实验数据如下：
Figure BDA0003201086610000041
从上表中可以看出，实施例1的逆流电解与对比例1的顺流电解相比，实施例1的电流效率更高，碱液浓度更高。
实施例2
如图3所示一种连续式氯碱工业电解制碱装置，其处理流程、处理***与实施例1相同，为提高处理量，其特点是将两个以上的电解槽1串联，前一个电解槽1的稀氯化钠水溶液流出口与后一个电解槽1的浓氯化钠水溶液流入口连通，后一个电解槽1的碱液流出口与前一个电解槽1的水流入口连通。电解时，将前一个电解槽1的阳极室3流出液流入后一个电解槽1的阳极室3，将后一个电解槽1的阴极室5流出液流入前一个电解槽1的阴极室5。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种连续式氯碱工业电解制碱装置，其特征在于：所述装置包括电解槽，所述电解槽包括设置有阳极的阳极室和设置有阴极的阴极室，所述阳极室和阴极室之间由阳离子交换膜分隔，所述电解槽一端设有浓氯化钠水溶液流入口和碱液流出口，所述浓氯化钠水溶液流入口与阳极室连通，所述碱液流出口与阴极室连通，所述电解槽另一端设有稀氯化钠水溶液流出口和水流入口，所述稀氯化钠水溶液流出口与阳极室连通，所述水流入口与阴极室连通。
2.根据权利要求1所述的连续式氯碱工业电解制碱装置，其特征在于：所述装置包括两个以上串联的电解槽，前一个电解槽的稀氯化钠水溶液流出口与后一个电解槽的浓氯化钠水溶液流入口连通，后一个电解槽的碱液流出口与前一个电解槽的水流入口连通。
3.根据权利要求1或2所述的连续式氯碱工业电解制碱装置，其特征在于：所述阳极为钛电极、铂电极、银电极、不锈钢电极和石墨电极中的一种或几种组合，所述阴极为不锈钢电极、石墨电极和钛电极中的一种或几种组合。
4.一种利用权利要求1至3任意一项所述的连续式氯碱工业电解制碱装置进行的连续式氯碱工业电解制碱方法，其特征在于：在电解槽中设置阳离子交换膜将电解槽分隔为阳极室和阴极室，阳极室设有阳极，阴极室设有阴极；将浓氯化钠水溶液流入阳极室，将水流入阴极室，并且使氯化钠水溶液和水在阳极室和阴极室中逆向流动，同时阳极和阴极通入直流电电解，从阳极室流出稀氯化钠水溶液，从阴极室流出含有氢氧化钠的碱液。
5.根据权利要求4所述的连续式氯碱工业电解制碱方法，其特征在于：流入阴极室的水中还添加有氢氧化钠。
6.根据权利要求4所述的连续式氯碱工业电解制碱方法，其特征在于：将两个以上的电解槽串联，将前一个电解槽的阳极室流出液流入后一个电解槽的阳极室，将后一个电解槽的阴极室流出液流入前一个电解槽的阴极室。
7.根据权利要求4至6任意一项所述的连续式氯碱工业电解制碱方法，其特征在于：所述电解槽的工作电压为2.5-5V。
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