CN203700537U - 一种利用熔融氢氧化钠制备金属钠的电解装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种利用熔融氢氧化钠制备金属钠的电解装置。本实用新型设置有排气口，可以保证电解产生的气体及时排放，在阴极电解质腔中的排钠管的管壁上开有限位孔，在使用过程中，排钠管***阴极电解质底部，使限位孔位于排钠管与阴极电解质的交界处，这样可以保证电解装置电解反应平稳进行，提高电解装置的安全性能，Na-β-Al2O3膈膜管顶部设置有保护气入口，可以采用通入一定压力的保护气使电解产生的高于限位孔的阴极电解质适时压入金属钠收集器中。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电解装置，更具体地说，本实用新型涉及一种利用熔融氢氧化钠制备金属钠的电解装置，属于金属钠的电解制备装置技术领域。
背景技术
钠是化工、冶金、原子能和国防等工业的重要原料或材料。它用于制电镀用***、漂白剂用过氧化钠、制造新能源钠—硫电池,从稀有金属化合物中还原稀有金属,国防工业作核反应堆的热载体以及潜艇上用的供氧剂超氧化钠。
目前我国制钠用的工业方法有电解熔融氯化钠的东斯(Downs)法和电解熔融氢氧化钠的卡斯特纳(Caotner)法。卡斯特纳法操作温度低、设备结构简单,但该法具有电流效率低(理论值只有50%)，电耗大，成本高的缺点。东斯法是世界主要生产方法,它具有电流效率高、电耗小、原料消耗低等优点，但操作温度高、电极消耗大、设备投资费用高、产品纯度低是东斯法的不足之处。
国家知识产权局于2013.4.24公开了一件公告号为CN202898560U，名称为“一种用于制备金属钠的熔融电解装置”的实用新型专利，该专利涉及一种用于制备金属钠的熔融电解装置，属于金属钠的电解制备装置技术领域。包括加热装置、装有阳极电解质的电解槽、阳极、阴极以及装有阴极电解质的隔膜管，所述的电解槽设置在加热装置内，所述的隔膜管和阳极从电解槽顶部***电解槽内并且部分***阳极电解质中，所述的隔膜管和阳极的顶部露出在电解槽外，所述的隔膜管为Na-β-Al2O3隔膜管，所述的阴极从隔膜管的顶部***隔膜管并且部分***阴极电解质中，阴极的顶部露出在隔膜管外，隔膜管的顶部还设置有用于排出金属钠的排钠管，该装置在进行电解反应时几乎无副反应，反应效率接近100%，能耗低，所产金属钠纯度较高。
上述专利中的制备金属钠的熔融电解装置虽然解决了目前电解制备金属钠的一些问题，但是仍然存在电解时产生的气体不能及时排出，电解反应、排钠时不够平稳，致使电解装置的安全性不高的问题。
实用新型内容
本实用新型旨在解决现有技术中的制备金属钠的熔融电解装置电解时产生的气体不能及时排出，电解反应、排钠时不够平稳，致使电解装置的安全性不高的问题，提供一种利用熔融氢氧化钠制备金属钠的电解装置，能够提高电解反应的平稳度和安全性。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：
一种利用熔融氢氧化钠制备金属钠的电解装置，包括电解槽、加热装置、Na-β-Al2O3膈膜管、阴极和阳极，其特征在于：所述的电解槽置于加热装置上，电解槽的顶部设置有阳极电解质投料口，电解槽的内部为阳极电解质腔，所述的Na-β-Al2O3膈膜管和阳极从电解槽的顶部插在阳极电解质腔中，Na-β-Al2O3膈膜管和阳极的顶部露出在电解槽外，电解槽顶部还设置有排气口，所述的排气口设置在阳极和Na-β-Al2O3膈膜管之间；所述的Na-β-Al2O3膈膜管的内部为阴极电解质腔，所述的阴极从Na-β-Al2O3膈膜管的顶部插在阴极电解质腔中，阴极的顶部露出在Na-β-Al2O3膈膜管外，Na-β-Al2O3膈膜管顶部设置有保护气体入口和排钠管，所述的排钠管一端插在阴极电解质腔中，另一端连接金属钠收集器，在阴极电解质腔中的排钠管的管壁上开有限位孔。
本实用新型所述的电解槽上设置有热电偶，所述的热电偶从电解槽的顶部插在阳极电解质腔中，热电偶顶部露出在电解槽外。
本实用新型所述的阳极和排气口都为2个，分别位于Na-β-Al2O3膈膜管两侧，且对称设置。
本实用新型所述的排钠管与金属钠收集器之间采用旋转阀连接。
本实用新型所述的旋转阀上设置有与所述的排钠管连通的保护气体出入口。
本实用新型所述的旋转阀和所述的金属钠收集器之间的排钠管上设置有排钠管阀门。
其中Na-β-Al2O3为本领域的公知材料，即Beta- Al2O3，Na-β-Al2O3隔膜管又称为β管。β氧化铝是一族含有单价阳离子的多铝酸盐类。它的通式是M20·11A1203,M可以是元素周期表中ΙA族中的Li、Na、K和Rb等,或者可以是ΙB族的Ag等,此类化合物中目前最有实用价值的含Na的β氧化铝, Beta-Al2O3一词若无特殊说明，一般指Na-β-Al2O3。
文献可见：
宋树丰、阴宛珊、芦苇。钠硫电池研发关键问题。东方电气评论，2011年第25卷。
温廷琏。β氧化铝—一种快离子导体。硅酸盐学报，综合评述，1979年第七卷第四期。
本实用新型所述的阳极电解质和阴极电解质在常温都是固体，工作时为熔融状态，阳极电解质是氢氧化钠，阴极电解质为纯度大于等于99.99%的高纯钠。
本实用新型带来的有益技术效果：
1、本实用新型的利用熔融氢氧化钠制备金属钠的电解装置解决了现有技术中的制备金属钠的熔融电解装置电解时产生的气体不能及时排出，电解反应、排钠时不够平稳，致使电解装置的安全性不高的问题，由于设置有排气口，可以保证电解产生的气体及时排放，在阴极电解质腔中的排钠管的管壁上开有限位孔，在使用过程中，排钠管***阴极电解质底部，使限位孔位于排钠管与阴极电解质的交界处，这样可以保证电解装置电解反应平稳进行，提高电解装置的安全性能，Na-β-Al2O3膈膜管顶部设置有保护气入口，可以采用通入一定压力的保护气使电解产生的高于限位孔的阴极电解质适时压入金属钠收集器中。
2、目前各种工业电解制钠法不仅产品纯度不高，达不到原子能等工业部门的要求，而且电流效率低，能耗大的问题，本实用新型提供的利用熔融氢氧化钠制备金属钠的电解装置，电流效率高、制钠纯度高、结构简单、使用该装置的工艺流程简单。
3、本实用新型的隔膜管采用Na-β-Al2O3隔膜管，Na-β-A12O3是近十几年来发展起来的一种新型固体电解质材料，它的特点是在电场作用下，钠离子可以在其中自由地迁移，其他离子则不能或较难通过，以Na-β-A12O3管为隔膜，将阳极氢氧化钠和阴极高纯钠分离开来，进行熔融电解制备作业，制备金属钠，该装置结构简单、工艺流程简单，电解时几乎无副反应，电流效率接近100%；所制得的金属钠纯度可达99.99%以上。
3、本实用新型电解槽的顶部设置有阳极电解质投料口，可以实现连续电解操作。
4、本实用新型电解槽上设置有用于测温的热电偶，可实时监测电解温度。
5、本实用新型设置两个排气口可以保证阳极电解质上方压力均衡，液面平稳，防止单个排气口造成的阳极电解质液面上方局部压力不均而引起的液面飞溅造成的安全事故和腐蚀组件问题及阳极液面跌宕起伏而引起的工作电流起伏进而影响反应的平稳性；使反应产生的水蒸气和氧气平稳快速排出，进而防止其腐蚀隔膜管,提高隔膜管的使用寿命。设置两个阳极可解决因电流密度不均而造成的隔膜管钠沉积及电解反应的平稳进行。由于隔膜管为圆管单个阳极使隔膜管周围电流密度不均，从而造成电解反应不平稳；隔膜管正对着阳极的这一面电流密度大，远离的一面电流密度小，由于电流不均而损坏隔膜管。电流密度过大会导致钠在隔膜管内沉积，影响隔膜管的使用寿命。
6、本实用新型排钠管与金属钠收集器的连接采用旋转阀装置，可以用来适时更换金属钠收集器。
7、本实用新型旋转阀装置上设置有保护气体出入口，可以使未加料的整个装置排空充满保护气，也可以防止在更换金属钠收集器时空气进入进而影响金属钠的纯度。
附图说明
图1为本实用新型熔融电解装置的结构示意图。
图2为本实用新型的阳极和排气口为分别为2个时的结构示意图。
附图标记：1为电解槽、2为加热装置、3为Na-β-Al2O3膈膜管、4为阴极、5为阳极、6为阳极电解质投料口、7为阳极电解质腔、8为排气口、9为阴极电解质腔、10为保护气体入口、11为排钠管、12为金属钠收集器、13为限位孔、14为热电偶、15为旋转阀、16为保护气体出入口、17为排钠管阀门。
具体实施方式
实施例1
一种利用熔融氢氧化钠制备金属钠的电解装置，包括电解槽1、加热装置2、Na-β-Al2O3膈膜管3、阴极4和阳极5，所述的电解槽1置于加热装置2上，电解槽1的顶部设置有阳极电解质投料口6，电解槽1的内部为阳极电解质腔7，所述的Na-β-Al2O3膈膜管3和阳极5从电解槽1的顶部插在阳极电解质腔7中，Na-β-Al2O3膈膜管3和阳极5的顶部露出在电解槽1外，电解槽1顶部还设置有排气口8，所述的排气口8设置在阳极5和Na-β-Al2O3膈膜管3之间；所述的Na-β-Al2O3膈膜管3的内部为阴极电解质腔9，所述的阴极4从Na-β-Al2O3膈膜管3的顶部插在阴极电解质腔9中，阴极4的顶部露出在Na-β-Al2O3膈膜管3外，Na-β-Al2O3膈膜管3顶部设置有保护气体入口10和排钠管11，所述的排钠管11一端插在阴极电解质腔9中，另一端连接金属钠收集器12，在阴极电解质腔9中的排钠管11的管壁上开有限位孔13。
实施例2
一种利用熔融氢氧化钠制备金属钠的电解装置，包括电解槽1、加热装置2、Na-β-Al2O3膈膜管3、阴极4和阳极5，所述的电解槽1置于加热装置2上，电解槽1的顶部设置有阳极电解质投料口6，电解槽1的内部为阳极电解质腔7，所述的Na-β-Al2O3膈膜管3和阳极5从电解槽1的顶部插在阳极电解质腔7中，Na-β-Al2O3膈膜管3和阳极5的顶部露出在电解槽1外，电解槽1顶部还设置有排气口8，所述的排气口8设置在阳极5和Na-β-Al2O3膈膜管3之间；所述的Na-β-Al2O3膈膜管3的内部为阴极电解质腔9，所述的阴极4从Na-β-Al2O3膈膜管3的顶部插在阴极电解质腔9中，阴极4的顶部露出在Na-β-Al2O3膈膜管3外，Na-β-Al2O3膈膜管3顶部设置有保护气体入口10和排钠管11，所述的排钠管11一端插在阴极电解质腔9中，另一端连接金属钠收集器12，在阴极电解质腔9中的排钠管11的管壁上开有限位孔13。
在上述基础上：
优选的，所述的电解槽1上设置有热电偶14，所述的热电偶14从电解槽1的顶部插在阳极电解质腔7中，热电偶14顶部露出在电解槽1外。
优选的，所述的阳极5和排气口8都为2个，分别位于Na-β-Al2O3膈膜管3两侧，且对称设置。
排气口可设为2、4或6个，设为两两对称位置。阳极为两个阳极或圆筒形，位置以隔膜管为中心对称。
优选的，所述的排钠管11与金属钠收集器12之间采用旋转阀15连接。
优选的，所述的旋转阀15上设置有与所述的排钠管11连通的保护气体出入口16。
优选的或者更进一步的，所述的旋转阀15和所述的金属钠收集器12之间的排钠管11上设置有排钠管阀门17。
实施例3
为进一步说明本实用新型装置的内容，以下结合具体实施方式及附图对本实用新型的最有实施方案作详细的描述:
如图1所示，
一种利用熔融氢氧化钠制备高纯金属钠的电解装置。利用Na-β-Al2O3在电场作用下，钠离子可以在其中自由地迁移，其他离子则不能或较难通过的特点；以Na-β-Al2O3为隔膜管3将阳极电解质腔7中的阳极电解质（氢氧化钠）和阴极电解质腔9中的阴极电解质（高纯钠）分离开来，在阳极5和阴极4上通以直流电进行熔融电解制备作业，制备高纯金属钠。
用加热装置2对电解槽1进行加热；从阳极电解质投料口6中投料并适时补充氢氧化钠；用热电偶14适时监测温度；电解时在阳极5上产生的气体从排气口8排出；从保护气体入口10适时通入一定压力的保护气使Na-β-Al2O3为隔膜管3内产生的高于限位孔13的高纯金属钠从排钠管11压入金属钠收集器12；待金属钠收集器12收集一定的高纯钠后，通过旋转阀15及时更换金属钠收集器12，更换时保护气从保护气体出入口16通入，防止空气进入螺口处，实现装置的连续性生产。
Claims (6)
1.一种利用熔融氢氧化钠制备金属钠的电解装置，包括电解槽（1）、加热装置（2）、Na-β-Al2O3膈膜管（3）、阴极（4）和阳极（5），其特征在于：所述的电解槽（1）置于加热装置（2）上，电解槽（1）的顶部设置有阳极电解质投料口（6），电解槽（1）的内部为阳极电解质腔（7），所述的Na-β-Al2O3膈膜管（3）和阳极（5）从电解槽（1）的顶部插在阳极电解质腔（7）中，Na-β-Al2O3膈膜管（3）和阳极（5）的顶部露出在电解槽（1）外，电解槽（1）顶部还设置有排气口（8），所述的排气口（8）设置在阳极（5）和Na-β-Al2O3膈膜管（3）之间；所述的Na-β-Al2O3膈膜管（3）的内部为阴极电解质腔（9），所述的阴极（4）从Na-β-Al2O3膈膜管（3）的顶部插在阴极电解质腔（9）中，阴极（4）的顶部露出在Na-β-Al2O3膈膜管（3）外，Na-β-Al2O3膈膜管（3）顶部设置有保护气体入口（10）和排钠管（11），所述的排钠管（11）一端插在阴极电解质腔（9）中，另一端连接金属钠收集器（12），在阴极电解质腔（9）中的排钠管（11）的管壁上开有限位孔（13）。
2.根据权利要求1所述的一种利用熔融氢氧化钠制备金属钠的电解装置，其特征在于：所述的电解槽（1）上设置有热电偶（14），所述的热电偶（14）从电解槽（1）的顶部插在阳极电解质腔（7）中，热电偶（14）顶部露出在电解槽（1）外。
3.根据权利要求1所述的一种利用熔融氢氧化钠制备金属钠的电解装置，其特征在于：所述的阳极（5）和排气口（8）都为2个，分别位于Na-β-Al2O3膈膜管（3）两侧，且对称设置。
4.根据权利要求1所述的一种利用熔融氢氧化钠制备金属钠的电解装置，其特征在于：所述的排钠管（11）与金属钠收集器（12）之间采用旋转阀（15）连接。
5.根据权利要求4所述的一种利用熔融氢氧化钠制备金属钠的电解装置，其特征在于：所述的旋转阀（15）上设置有与所述的排钠管（11）连通的保护气体出入口（16）。
6.根据权利要求4或5所述的一种利用熔融氢氧化钠制备金属钠的电解装置，其特征在于：所述的旋转阀（15）和所述的金属钠收集器（12）之间的排钠管（11）上设置有排钠管阀门（17）。
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