使用氧去极化阴极进行电解的设备和方法技术

提出了使用氧去极化阴极进行电解的设备，包括(a)一个电解槽1，其(b)在反应物侧通过入口控制阀2与氧气源3相连，并且(c)在产物侧具有至少一个废气管道4，(d)其具有至少一个压力调节器(PT)5，至少一个气体分析器(QI)6，至少一个流量控制器(FT)7和至少一个出口控制阀8，其中(e)压力调节器5控制入口控制阀2，(f)气体分析器6控制流量控制器7或出口控制阀8和/或(g)流量控制器7控制出口控制阀8。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利
本专利技术涉及电解
并且涉及一种用于运行具备氧去极化阴极的电解电池的改进方法。现有技术在氯-碱电解和氯化氢电解中，已经发现使用所谓的氧去极化阴极(ODCs)特别有用。在该技术中阴极不会析出氢气。而是通过气体扩散电极(阴极)加入氧气。氧气在阴极还原并通过与水反应形成氢氧根离子。该电极，例如记载于欧洲专利申请EP02398101A1(BAYER)，是设置于电解质和气体空间之间的开孔膜，并具有含有催化剂的导电层。这种布局实现了在电解质、催化剂和及其接近电解质的氧气之间的三相边界处的氧气还原。该反应极大地降低了电极电势，与析氢气电极相比导致能量节省约30％。ODC技术中的显著需求是提供纯氧气，例如纯度大于99.5体积％的低温氧气。使用OCCs用于氯-碱电解的现有技术设备通常设计为环流反应器。这包括测量进入一列电串联的电解电池中的氧气体积流速，所述电解电池平行装有液体(电解槽)，并借助控制阀将其调节至目标值。在这种情况下必须确保为电解槽供应充足氧气，不发生惰性气体的聚集，并且由于副反应形成的氢气维持在低量。为此，首先，以高化学计量过量提供氧气并且将部分未消耗的氧气与不想要的惰性气体和氢气释放至废空气。将剩余量压缩并与新鲜氧气混合返回至电解槽。以这种方式，在电解槽出口建立恒定的氧气、惰性气体和氧气浓度。专利说明书EP1499756B1(Bayer)记载了一种方法，其中在大于过程压力的压力下通过气体射流泵供给反应气体，并且在气体射流泵中将反应气体压缩至过程压力，从而提供低于过程压力的吸入压力。另一个可能性是在循环回路中压缩氧气。在盐酸电解中，在一个变体中，相同的过程用于氧气。然而额外必要的是在其被气体射流泵吸入前纯化氧气，并且更特别地是移除其中存在的氢气(参见EP1664386B1，BAYER)。为此，通过净气器导入氧气流并且使用碱溶液移除HCl和氯。在下游除雾器中，移除夹带的碱液滴。随后，借助热交换机加热氧气流并且通过氢气移除反应器。随后冷却气体并移除浓缩水。只有这样可以将纯化氧气与新鲜氧气混合并循环回电解槽。但是在这种操作模式中惰性气体也聚积在回路中，并因此部分气体流必须被释放至大气并由此流失。因此，现有技术的电解方法的通常缺陷是由于惰性气体和氢气的不想要的聚积，部分未消耗的氧气被不可避免的排出。这种由于所谓的“清洗流”产生的损失可以非常显著—即将近50体积％，当没有氧气循环时—并且这种方式非常有害地影响该方法的经济性。因此本专利技术解决的复杂问题是解决上述现有技术中的缺陷。更特别地，提供了一种方法，用于使用ODCs进行电解，其同时·产生较少的氧气损失或较少体积的清洗流，·其中避免了复杂并因此昂贵的氧气纯化，特别是在HCl电解的情况下，并且·可以降低电解槽运行中的氧气过量。
技术实现思路
首先本专利技术涉及使用氧去极化阴极进行电解的设备，包括(a)一个电解槽1，其(b)在反应物侧通过入口控制阀2与氧气源3相连，并且(c)在产物侧具有至少一个废气管道4，(d)其具有至少一个压力调节器(PT)5，至少一个气体分析器(QI)6，至少一个流量控制器(FT)7和至少一个出口控制阀8，其中(e)压力调节器5控制入口控制阀2，(f)气体分析器6控制流量控制器7或出口控制阀8和/或(g)流量控制器7控制出口控制阀8。其次本专利技术涉及一种用于使用氧去极化阴极进行电解的补足方法，其中(i)借助氧气源3通过入口控制阀2将氧气引入电解槽1，(ii)通过至少一个废气管道4排出电解中未消耗的氧气，(iii)借助至少一个压力调节器5测量电解槽出口的压力，(iv)通过比较真实值与预设目标值控制入口控制阀2，并由此在电解槽入口建立想要的压力，并且(v)借助流量控制器7调节出口控制阀8，使得至少1体积％的氧气流被连续排出，并且气体分析器确保了氢气含量低于4体积％/S*N，优选地保持低于2体积％/N，安全因数为2，其中N是测量序列中电化学元件的数量并且S是安全因数，其为大于1并且优选为2至5的数。因此气体分析器优选是能够测定系统中氢气量的单元。然而理论上其他可用的元件是测定惰性气体，尤其包括氮气含量的那些。已经令人惊讶地发现控制压力供应氧气完全解决了上述的复杂问题。在控制体积供应氧气的情况下，释放至废空气的约20体积％的氧气损失是典型的，在使用本专利技术的设备的情况下或根据本专利技术进行方法的情况下可将其降低至1体积％。氧气过量可以被限制至约1体积％至约10体积％并且尤其是约5体积％至约8体积％，使得可能不再需要环流反应器，如在现有技术中可能必须的。本专利技术的设备，通过清洗、去雾、加热、氢气移除和冷却这一系列步骤，额外地可以免除氧气流的技术复杂的纯化，其根据现有技术到目前为止是强制性需求。结果是不仅是在方法运行中，尤其是在HCl水解的情况下，可以更低廉的进行，而且可以节省用于建造相应纯化系统的高基建费。假设新鲜氧气浓度为99.5体积％，电流密度为4kA/m2并且氧气化学计量比过量为5体积％，电解槽出口氧气浓度仍然为90体积％，而废气流中氢气量为186ppmv/v，电解槽由144个元件构成并且副反应产生的氢气量为3.6l(STP)/h。如果在一个电池中得到所有氢气这对应氢气浓度为2.6体积％并且因此低于爆炸极限。在过量8体积％的情况下，可以在电解池出口处真正实现94体积％的氧气浓度，在总流体中氢气含量为121ppmv/v或在单一元件中最大为1.7体积％。因此该数值以安全余量低于爆炸下限。这意味着，由于高氧气浓度仍然可用，本方法不会对电池电压施加任何负面作用，即不会降低经济可行性。一个重要因素是遵守氢气/氧气混合物的爆炸下限。氢气析出，作为副反应，可以在整个电解槽中均匀进行，或者由于故障仅在一个元件中进行。在评估废空气中氢气量时应当考虑这种极限情况。纯氧中氢气的爆炸下限被假设为4体积％。如果气体分析器例如用于100个元件，则假设仅有一个元件产生氢气，由于稀释该分析器将仅显示测量的百分之一。如果这100个元件被分为两个所谓的台架(racks)并且一个分析器用于一个，在这种情况下测量为所考虑极端情况下的五十分之一。通常在测量序列(N)中必须考虑废气中氢气的最大允许量，爆炸极限，安全余量(S≥1)以及元件数量。这导致测量序列的废气中最大氢气浓度为4体积％/S*N。本专利技术的设备在最简单的构造中，本专利技术的设备包括一个电解槽1，其在反应物侧通过入口控制阀2与氧气源3本文档来自技高网...

【技术保护点】
使用氧去极化阴极进行电解的设备，包括(a)一个电解槽1，其(b)在反应物侧通过入口控制阀2与氧气源3相连，并且(c)在产物侧具有至少一个废气管道4，(d)其具有至少一个压力调节器(PT)5，至少一个气体分析器(QI)6，至少一个流量控制器(FT)7和至少一个出口控制阀8，其中(e)压力调节器5控制入口控制阀2，(f)气体分析器6控制流量控制器7或出口控制阀8和/或(g)流量控制器7控制出口控制阀8。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.07.08 DE 102013011298.21.使用氧去极化阴极进行电解的设备，包括
(a)一个电解槽1，其
(b)在反应物侧通过入口控制阀2与氧气源3相连，并且
(c)在产物侧具有至少一个废气管道4，
(d)其具有至少一个压力调节器(PT)5，至少一个气体分析器(QI)6，至少一个流量控制
器(FT)7和至少一个出口控制阀8，
其中
(e)压力调节器5控制入口控制阀2，
(f)气体分析器6控制流量控制器7或出口控制阀8和/或
(g)流量控制器7控制出口控制阀8。
2.一种用于使用氧去极化阴极进行电解的方法，其中
(i)借助氧气源3将氧气通过入口控制阀2输入电解槽1，
(ii)将电解中未消耗的氧气通过至少一个废气管道4排出，
(iii)借助至少一个压力调节器5测量电解槽出口的压力，
(iv)通过比较真实值和预设目标值控制入口控制阀2并从而在电解槽入口建立想要的
压力，并且
(v)借助流量调节器7调节出口控制阀8，使得化学计量比上电化学反应所需的至少1体
积％并且优选约3体积％至约8体积％的氧气流被连续排出。
3.根据权利要求1所述的方法，其中通过气体分析器6监控未消耗氧气中的氢气含量，
当超过预设极限时，借助流量控制器7或直接控制出口控制阀8，排出一...

【专利技术属性】
技术研发人员：格雷戈尔·波尔茨因，菲利普·霍夫曼，斯蒂芬·克贝勒，彼得·沃尔特林，德米特里·东斯特，延斯·威廉·库尔曼，彼得·托洛斯，弗兰克·丰克，塞巴斯蒂安·奥斯腾菲尔德，约尔格·维尔弗里德·科尔比，
申请(专利权)人：意大利蒂森克虏伯伍德氯工程公司，
类型：发明
国别省市：意大利;IT