有限间隙电解槽的改装方法.pdf

本发明涉及一种隔膜电解槽的改装方法，其中通过与阴极支撑件相应的区段的塑性形变对刚性阴极进行整形；将预先成形的导电弹性元件覆盖到所述刚性阴极上，所述弹性元件具有对应于所述阴极支撑件的压缩区段；将设置有催化涂层的柔性平面阴极覆盖到所述导电弹性元件上。本发明还涉及相应地改装的电解槽。

1.  电解槽的改装方法，所述电解槽包括通过离子交换隔膜隔开的由阴极后壁分界的阴极隔室和阳极隔室，所述阴极隔室包含固定到阴极支撑件的刚性平面阴极，所述刚性平面阴极与所述离子交换隔膜间隔0.4-4mm，所述阳极隔室包含与所述离子交换隔膜相接触的阳极，所述方法包括以下同时或顺序的步骤：
-通过与所述阴极支撑件相应的区段的塑性形变对所述刚性阴极进行整形；
-将预先成形的导电弹性元件覆盖到所述刚性阴极上，所述导电弹性元件具有对应于所述阴极支撑件的压缩区段；
-把设置有催化涂层的柔性平面阴极覆盖到所述导电弹性元件上。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中与所述离子交换隔膜接触的所述阳极是格棚形状的阳极，所述方法包括将设置有催化涂层的平面阳极网格覆盖和固定到所述格棚形状的阳极上的附加步骤。

3.  根据权利要求1或2任一项所述的方法，其中通过与所述阴极支撑件相应的区段的处于1-5mm范围内的塑性形变对所述平面刚性阴极进行整形。

4.  根据权利要求1、2或3任一项所述的方法，其中所述预先成形的导电弹性元件具有对应于所述阴极支撑件的厚度低于1mm的压缩区段。

5.  根据权利要求1、2、3或4任一项所述的方法，其中所述平面刚性阴极包括由镍制成的冲压板或膨胀板或网格，设置有用于氢气析出的电催化膜。

6.  根据权利要求2所述的方法，其中所述平面阳极网格由钛制成并且设置有用于氯气析出的电催化膜。

7.  根据权利要求1-6的任一项所述的方法，其中所述阴极支撑件包括设置所述刚性阴极与所述阴极后壁之间的距离的平行肋条。

8.  包括通过离子交换隔膜隔开的由阴极后壁分界的阴极隔室和阳极隔室的电解槽，所述阴极隔室包含阴极支撑件，刚性电流分配器，所述刚性电流分配器具有被包括在所述阴极支撑件之间的沿着垂直轴塑性形变1-5mm的区段，导电弹性元件，具有对应于所述阴极支撑件的厚度处于0.1-1mm范围内的区段，柔性阴极，包括在一侧与所述导电弹性元件均匀接触并且在另一侧与所述离子交换隔膜均匀接触的厚度范围从0.2-0.5mm的冲压板或网格，所述阳极隔室包含与所述离子交换隔膜均匀接触的阳极。

9.  根据权利要求8所述的电解槽，其中所述阳极由具有厚度范围从0.3-1mm的平面冲压板或网格的格棚形状的基底制成，并且设置有固定在其上的电催化膜。

10.  电解器，包括根据权利要求8或9中的任一项所述的多个基本的槽的模块化设置。

有限间隙电解槽的改装方法
技术领域
本发明涉及一种利用有限电极间间隙装配的隔膜电解槽的改装方法。
背景技术
工业电解处理，例如碱盐水的电解，特别是旨在生产氯气、苛性钠和氢气的氯化钠盐水的电解，通常在电解器中实施，该电解器包括通过分隔物(例如离子交换隔膜)划分的多个电解槽，被划分成分别包含电极的两个隔室(阳极和阴极)。
通常所利用的基本设计使得阳极隔室包含刚性阳极，该刚性阳极通常包括涂覆有表面电催化膜的冲压(punched)板或膨胀(expanded)板或金属网格，该表面电催化膜包括贵金属氧化物。阴极隔室的结构可以提供不同类型的机械设置。更确切地说，可以根据两种基本机械设计来进行在阴极隔室中阴极的安装。第一种设计提供与隔膜直接接触的阴极(被本领域技术人员称作“零间隙”的设计)，第二种设计提供与隔膜间隔开1-3mm间隙的阴极(被本领域技术人员称作“有限间隙”的设计)。在该第二种技术中，需要在阳极与阴极表面之间保持特定距离(大约2-3mm)，使得槽电压受到与由阴极和隔膜之间的液相电流输送而生成的电阻电压降相关的分量的惩罚：由于槽电压与能量消耗(通常以kWh每吨氯气或苛性钠表示)成正比，由此可见所述过程的总体经济性是不利的。为了克服该问题，隔膜电解槽(特别是用于氯碱电解)的设计随着时间经历了重大改变，出现了能够使得阴极的表面与隔膜接触的阴极结构，即由前面提到的“零间隙”限定所指的结果。鉴于由完全去除和替换“有限间隙”槽引起的日益增高的能量成本以及不适宜的经济性和可行性，已经证实需要一种技术以允许利用现有的槽设计和材料把存在于电解装置中的这种槽转化成更加高效的“零间隙”技术。
发明内容
在所附权利要求书中阐述了本发明的各个方面。
在一方面，本发明涉及一种电解槽的改装方法，所述电解槽包括通过离子交换隔膜分开的由后壁分界的阴极隔室和阳极隔室，所述阴极隔室包含固定到阴极支撑件的平面几何结构的刚性阴极，所述平面刚性阴极被保持在与离子交换隔膜1-3mm的间隙处，所述阳极隔室包含与离子交换隔膜接触的阳极，所述方法包括以下同时或顺序步骤：
-通过对被包括在与所述阴极支撑件的接触表面之间的区段的塑性形变对所述刚性阴极进行整形；
-将预先成形的导电弹性元件覆盖到所述刚性阴极上，所述导电弹性元件具有对应于所述阴极支撑件与所述阴极的接触表面的压缩区段；
-把设置有催化涂层的柔性平面阴极覆盖到所述导电弹性元件上。
通过上述方法，能够在不浪费材料的情况下将“有限间隙”技术设计的电解槽有利地转化成“零间隙”技术设计的电解槽。实际上，除了提供操作期间的更加均匀的电流分布，从而最小化能量消耗所基于的单个电解槽的电压的优点之外，这样的转化还允许将阴极复用为集流器。不焊接(unwelding)阴极，从而避免了为每一个槽提供新的阴极集流器的随之发生的需求。
这里使用的术语“通过塑性形变进行整形”意味着使得刚性阴极永久性弯曲的形变，从而产生能够接纳适当地预先成形的导电弹性元件的体积。
本发明的方法可以被应用于包含例如采取厚度处于0.4-4mm之间的镍冲压金属板或网格的形式的刚性平面阴极的电解槽。
所述柔性平面阴极可以采取设置有电催化膜的厚度处于0.2和0.5mm之间的薄镍冲压板或柔性平面网格的形式。
在一个实施例中，当在将要改装的槽中存在所谓的格栅几何结构的阳极时，根据本发明的方法包括以下附加步骤：把设置有催化涂层的平面阳极网格覆盖并且固定到所述格栅形状的阳极上。
这里使用的术语“格栅几何结构”意味着通过在金属板上的水平平行的和交错的行中做出适当长度的切口，并且随后使得所述板对应于所述切口形变从而形成多个瓦(tile)而获得的几何结构，正如在EP1641962中所描述的那样。
例如通过焊接把平面几何结构的阳极网格覆盖并且固定到格栅阳极允许隔膜(根据“零间隙”设计压缩在阴极侧上)与阳极建立充分的接触而不会受到损 坏。
在一个实施例中，根据本发明的方法使得通过被包括在与阴极支撑件的接触表面之间的区段的处于1-5mm范围内的塑性形变对刚性平面阴极进行整形。
在一个实施例中，预先成形的导电弹性元件具有对应于刚性阴极与阴极支撑件的接触表面的厚度低于1mm的压缩区段。
所述阴极支撑件可以采取固定刚性阴极与阴极后壁之间的距离的平行肋条的形式。
所述阴极支撑件和阳极支撑件可以分别由镍和钛制成。
所述导电弹性元件可以例如通过两个或更多导电皱褶金属网叠加而获得，或者可以从通过贯通(interpenetrated)的线圈形成的垫层获得，所述线圈是从一个或多个由镍制成的总厚度通常为2.5-5mm的金属线开始而获得的。
当改装的槽是用于氯碱电解的槽时，施加在阴极和阳极上的催化膜是具有本领域内已知的成分的催化膜，用于在阴极侧释出氢气并且在阳极侧释出氯气。
在另一方面，本发明涉及一种包括通过离子交换隔膜分开的由阴极后壁分界的阴极隔室和阳极隔室的电解槽，所述阴极隔室包含阴极支撑件、具有被包括在与所述阴极支撑件的接触表面之间的沿着垂直轴塑性形变1-5mm的区段的刚性电流分配器、具有对应于所述刚性电流分配器与阴极支撑件的接触表面的厚度处于0.1-1mm范围内的区段的导电弹性元件、包括在一侧与导电弹性元件均匀接触并且在另一侧与离子交换隔膜均匀接触的厚度范围从0.2-0.5mm的冲压板或网格的柔性阴极，所述阳极隔室包含与离子交换隔膜均匀接触的阳极。
在所述电解槽的一个实施例中，所述阳极由格栅形状的基底形成，其具有厚度范围从0.3-1mm的平面冲压板或网格并且设置有固定在其上的电催化膜。
在另一方面中，本发明涉及一种包括通过根据本发明的前面描述的方法获得的多个基本的槽的模块化设置。
现在将参考附图来描述例示根据本发明的改装的方法的一些实现方式，附图的唯一目的是相对于本发明的所述具体实现方式来说明不同元件的相互设置；具体来说，附图不一定是按比例绘制的。
附图说明
图1示出了根据被称作“有限间隙”的技术的机械设计的包括在两个阴极支 撑件之间的槽的部分的组装。
图2示出了根据本发明的方法改装之后的包括在两个阴极支撑件之间的槽的部分的组装。
图3示出了根据本发明改装之后的整个槽的组装。
具体实施方式
图1示出了根据被称作“有限间隙”的技术的机械设计的包括在两个阴极支撑件4和两个阳极支撑件11之间的槽部分的正视图，充当阴极1的平面几何结构的刚性电流分配器以有限间隙10面对离子交换隔膜2。隔膜2又被具有格栅几何结构3的阳极覆盖并且与之接触。
图2示出了图3的细节的视图。更确切地说，其中示出了根据本发明的包括在两个阴极支撑件4和两个阳极支撑件11之间的槽部分的正视图。通过在对应于所述阴极支撑件4的区段12中弯曲图1的阴极1而获得电流分配器1。预先成形的导电弹性元件5在一侧与电流分配器1接触并且在另一侧与柔性阴极6接触，后者与离子交换隔膜2密切接触。在离子交换隔膜2下方描绘了阳极，该阳极包括焊接在格栅几何结构3的金属板的一部分上的涂覆催化的平面网格7。
图3示出了根据本发明的电解槽的正视图，其中示出了分别由8和9标示的两个阴极和阳极外壳、阴极电流分配器1、分别由4和11标示的阴极和阳极支撑件、包括焊接到平面催化阳极网格7上的格栅板3的阳极以及柔性阴极6。
示例1
根据本发明的方法装配了电解槽，得到根据图3的方案。从根据“有限间隙”设计装配的槽的组件开始，实施以下操作。在与阴极支撑件的接触表面之间的区域中，在大约2.5mm的区域内弯曲采取1mm厚度板的形式的刚性阴极。还通过辊压(rolling)对由具有大约0.2mm直径的双镍线的贯通线圈形成的导电弹性元件进行整形，从而获得对应于刚性阴极与阴极支撑件接触的区域的压缩区域。随后与导电弹性元件密切接触地覆盖设置有催化层的0.3mm厚的柔性阴极网格。在槽的阳极隔室中，将涂覆有催化层的0.5mm厚的平面钛网格焊接到预先存在的格栅阳极上，所述催化层由铂族金属的混合氧化物构成。随后装配上述元件，从而获得根据图3的槽结构。
示例2
在被用于氯碱隔膜电解的试验(pilot)电解器上测试了取消阴极-隔膜间隙的功效，取消阴极-隔膜间隙通过如在示例1中描述的对最初具有“有限间隙”类型的内部几何结构的槽的阴极进行改装并且安装耦合到压缩弹性元件的新的阴极而实现。电解器配备有八个单个的槽。电解器在210g/l的出口浓度下、在90℃以及5kA/m²的电流密度下利用32％比重的苛性钠、氯化钠盐水操作。在大约1周的稳定时期之后，当电解停止并且从支撑件中提取出两个单个的槽，将其打开并且对组件进行视觉检查时，槽的特征在于2.90V的平均电压，电压在6个月的操作之后基本上保持不变。所述检查没有强调任何值得注意的改动，特别是两个隔膜所给出的表面基本上没有凹痕或者由阴极的异常压缩而生成的其它类型的痕迹。作为比较，与配备有改装之前的特征在于1.5mm的隔膜-阴极间隙的原始槽的电解器相比，前面描述的电解器表现出每吨产品苛性钠大约150kWh的能量节省。
前面的说明不应当被视为限制本发明，可以在不背离本发明的范围的情况下根据所述不同实施例来使用本发明，并且本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
贯穿本发明的说明和权利要求书，术语“包括”及其变型不意图排除其它元件、组件或附加处理步骤的存在。
在本说明书中包括的文献、动作、材料、器件、制品等等的讨论仅仅是为了提供用于本发明的背景。并不暗示或表示在本申请的每个权利要求的优先权日期之前这些内容中的任何或全部构成现有技术基础的一部分，或者是与本发明相关的领域中的公知常识。