(一)技术领域

本发明涉及一种复极式自然循环离子膜电解槽，属于化学工业中氯碱工 业中的电解设备领域。

(二)背景技术

目前，世界上多数国家在氯碱工业用各种各样的离子膜电解槽，复极式 自然循环离子膜电解槽是一种低压差、小流量、溶液内循环电解槽。现有的 复极式自然循环离子膜电解槽主要由多个单元电解槽构成，在单元电解槽之 间由密封垫密封有离子交换膜，单元电解槽由背靠背配置的、在导电通路上 连接的阴极盘和阳极盘、由四个边框构成的框架、通过导电筋板焊接到阴、 阳极盘上的阴极和阳极及阴、阳极室上部分的气液分离盒组成，阴极盘和阳 极盘为四周带侧壁的盘状构件，在阴极盘和阳极盘的侧壁分别带有供电解物 料进入的进口及供电极产物流出的出口，进口分别位于阴、阳极盘的下侧壁 上，出口分别位于阴、阳极盘上侧壁上，在阳极的底部固定安装有导流管。 该种结构的复极式自然循环离子膜电解槽在应用时虽能够生产碱液，但其在 使用过程中容易在短期内将离子交换膜损坏，这是由于在电解槽反应过程中， 阳极室内下面溶液上升性较差，形成下部的溶液浓度较低，在距离底部0～ 20cm处引起膜起泡，造成膜损坏，槽电压升高，而离子交换膜较昂贵，离子 交换膜的损坏必须会升高成本，影响生产；另外在靠近盐水入口的上部，由 于排氯不畅，离子膜出现夹层；气液分离盒刚度不够，容易泄露。并且该复 极式离子膜电解槽制造工艺复杂，制造成本高。

(三)技术内容

针对上述问题，本发明设计出一种结构合理，易于加工制造的复极式自 然循环离子膜电解槽，它不仅能够使阳极室内溶液浓度趋于均匀，防止离子 膜起泡损坏，而且保证电解槽不易变形，延长电解槽的使用寿命。

本发明中的复极式自然循环离子膜电解槽主要由单元电解槽、端部半单 元电解槽、安装在单元电解槽之间的密封垫及离子交换膜构成，单元电解槽、 端部的半单元电解槽及离子交换膜通过固定挤压装置密封安装成电解 槽整体，其中单元电解槽由背靠背配置的、在导电通路上连接的阴极盘、阳 极盘及四周边框构成的槽框构成，阳极盘和阴极盘为四周带侧壁的盘状构 件，阳极和阴极通过导电筋板分别焊接到阳极盘和阴极盘上，在阳极盘和阳 极内形成阳极室，在阴极盘和阴极内形成阴极室，阳、阴极室的上部分别带 有与阳、阴极室连通的气液分离盒，在阴极盘和阳极盘的侧壁分别带有供电 解物料进入的进口及供电解产物流出的出口，进口分别位于阴、阳极盘的下 侧壁上，出口分别位于阴、阳极盘上侧壁上，所说的阳极室中带有导流管及 分液板，在阳极室进口端纵向带有导流管和分散板，中部带有纵向导流管， 横向距离底部2～15mm处固定安装有横向导流管，其下面带有出液孔，在 阳极室中靠近出口端的一侧安装有两根或两根以上的纵向的导流管，分液板 位于横向导流管外侧下部靠近进口一端，分液板的底边距阳极室的底部的距 离不少于1.5mm。

上述的结构中，分液板的长度不小于横向导流管长度的一半。

在上述结构中阳极室内的靠近出口端的纵向导流管的高度不小于阳极 室纵向高度的2/3。

在阳极室内的中间部位也安装有纵向导流管，其高度在阳极室纵向高 度的1/2～1/3范围内，以增强阳极室内液体混合均匀。

阳极室内的横向导流管下部所带的出液孔位于靠近出口端一侧。

为节约贵金属材料、方便加工及减少阴、阳极盘面的变形，在阴、阳 极盘的侧边框及底部边框采用插板式固定连接结构，边框外表的密封面内侧 中间带有插板，边框主体带有对应的插槽，插板与插槽插紧后穿销钉配合形 成边框，阴阳极盘的四周与密封面焊接固定。在阴极室的上部边框由阴极盘 面折弯与边框主体直接焊接形成，而阳极室的上部边框则由阳极盘面折弯与 边框主体铆钉连接。

为了提高气液分离盒的刚度和强度，在阴、阳极盘上部的气液分离盒 由底部的多孔板及密封侧板与阴、阳极盘焊接形成。

为能够更好的将阳极产生的氯气排出，保护离子膜，本发明在阳极的 气液分离盒侧部安装氯气排出管。

本发明的单元槽内的阴极是由不锈钢基材经碱腐蚀活化处理后制成 的，以增强活性，延长寿命。

本发明所设计的复极式自然循环离子膜电解槽在应用时，利用其本身特 有导流结构及电解时产生气体形成的气举效应和浓度差别形成的密度差，使 阴、阳极液在电解槽内部进行循环流动，并使溶液在内部混合均匀，在低压 差、小流量情况下进行有效的电解。尤其是在阳极室内，消除在循环过程中 的底部死区，使阳极液全部参与循环流动，保护离子膜不受损害。

本发明所设计的复极式自然循环离子膜电解槽具有下述优点：

1.单元电解槽不易变形，配合精度高。这是由于采用了插板式组合边框 条结构，不仅成本低，可解决阴、阳极不同材料之间的连接问题，而且所形 成的框架刚性较强，在使用中不易变形，其密封面可以通过普通的机加工达 到精确的尺寸要求，保证准确的极距尺寸；

2.电解槽中的各部件易于加工，尤其是阴、阳极盘，用一般设备即可成 形，且易于安装；

3.密封面密封可靠，不易泄漏；

4.槽内部循环充分，阳极室下部不会形成反应死区，不会造成离子膜下 部起泡；

5.气体排出通畅，不会导致离子膜因气体瘀积干烧而损坏。

本发明所设计的复极式自然循环离子膜电解槽主要用于生产高纯度碱金 属氢氧化物。

(四)附图说明

图1是本发明所设计的电解槽装置的结构示意图。

图2是图1中单元电解槽的结构示意图。

图3是图2中两侧和下部边框处连接简图。

图4是图2中上部边框处连接简图。

图5是图2中单元电解槽槽框组装示意图。

图6是图2中阳极室侧的结构简图。

图7是图6中阳极气液分离盒所连接的氯气排气管结构图。

图8是另一种氯气接出管连接方式简图。

图9是气液分离盒结构简图。

(五)具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式及其效果作进一步描述。

如图1所示的本发明所设计的复极式自然循环离子膜电解槽装置，主要 由多个单元电解槽4、两端的半单元电解槽包括阳极终端槽5及阴极终端槽2 组成，单元电解槽4及半单元电解槽2、5由侧杆3串接，侧杆3通过前固定 端头1和后固定端头7固定安装，在相邻的单元电解槽之间及单元电解槽与 半单元电解槽之间通过密封垫密封安装有离子膜，通过油压装置8推动活动 端头6将单元槽的槽框压紧，槽框的出入口与集液总管相连，形成一台完整 的电解槽。

在该电解槽装置中，单元电解槽的结构如图2所示，主要由背靠背配置 的在导电通路上连接的阴极盘41、阳极盘33及四周边槽框构成，槽框由四周 边组焊在一起的边框条31做为边框主体，边框条31两侧放进阴极盘41和阳 极盘33，阴、阳极盘上分别加焊阴极导电筋板40和阳极导电筋板34，在阴、 阳极导电筋板上分别焊上阴极42和阳极35，分别由盘、筋板、电极组成阴、 阳极室，两个盘中间焊上多根导电板44，导电板44为钛钢复合板，进行导电 连接。阴极室上部设有阴极液气液分离室43，阳极室上部设有阳极气液分离 室32，阳极室还设有导流管36和分液板37。阴极盘41可由耐应力腐蚀的高 铬镍不锈钢、镍板材料折弯成型，阳极盘33可由钛板折弯成型，阴极42可 用不锈钢碱腐蚀活性阴极，阳极35可用涂覆钌铱钛锆等多元铂系金属氧化物 的钛拉网板或多孔板；阴极导电筋板40可用不锈钢、镍等耐碱腐蚀材料，阳 极导电筋板34可用钛板等材料。阴极盘41与阴极42、阴极筋板40组成阴极 室，阳极盘33与阳极35、阳极筋板34组成阳极室，二室通过中间多根导电 板44进行导电连接，导电板44直接焊接在阴、阳极盘上。阴极侧密封面39 可用不锈钢、镍等耐碱腐蚀材料，阳极室密封面38可用钛钯合金板等防间隙 腐蚀材料。阴极侧密封面39及阳极侧密封面38固定于阴、阳极的侧边框及 下边框外表，其连接结构如图3所示，密封面与边框采用插接式连接方式， 密封面通过插入板条61和销钉62与边框条31进行刚性固定连接，盘与密封 面间进行焊接连接，当单元电解槽受挤压时，挤压力通过密封面、边框条传 递，不影响盘内导电筋板和电极结构，使盘内结构更加稳定。这种结构不仅 解决了不同材质之间固定连接无法焊接的问题，而且与现有的两边夹板结构 形式相比，减少了贵金属使用量，避免因重复焊接影响焊缝质量，使电槽泄 漏隐患增大的问题，且使槽框外表更加美观。阳极密封面使用抗缝隙腐蚀极 佳的钛钯板，阴极密封面使用超低碳不锈钢板。密封面与盘组焊后再进行表 面铣加工，确保槽框密封面平面度。阴、阳极的上边框的结构如图4所示， 阴极盘41折弯成型后与边框条31直接焊接固定，阳极盘33上部折弯壁与 边框条31采用铆钉72连接，解决了无法直接焊接的二种不同材质之间的连 接问题，既方便，又实用，不用专用设备加工盘，且连接后刚性还要好于现 行的盘折弯后插扁钢条形式。

在相邻的单元电解槽之间封装有离子膜23，其结构如图5所示，阴极 侧密封面上贴上阴极密封橡胶垫片22，阳极侧密封面上贴上阳极密封橡胶垫 片24，一个槽框的阴极室对着另一个槽框的阳极室，中间夹着一张离子膜23。 当槽框受到一定的压紧力挤紧时，槽框密封面在阴阳极垫片的作用下，密封 性能良好，不会发生电解液泄漏。

阳极密封垫24采用胶垫与包覆四氟防腐薄膜整体硫化新工艺制作的密 封垫片，使用寿命长。

在单元电解槽的阳极采用如图6所示的结构，阳极液入口接管84带有牺 牲电极，它的对角处是阳极液出口接管88，阳极的背侧阴极室下部带有阴极 液入口接管89，它的对角处是阴极液出口接管81。阳极室为了室内电解液循 环充分，设有至少两根右部纵向导流管87，一根中部的纵向导流管80，一根 下部横向导流管85及至少一根左部导流管82，入口处设有分散板83，下部 设有分液板86。纵向导流管87的高度为阳极室纵向高度的2/3，纵向导流管 80的高度为阳极室纵向高度的1/3，阳极侧上部设有气液分离盒，阳极室下部 靠近底侧7mm处安装下部导流管85，下部导流管靠近入口侧一半部分与底侧 间焊上分液板86，分液板86下侧与底部盘内壁约1.5mm。阳极液出口处下部 至少设置两根右部导流管，才能使电解液内循环进行充分，反应完全。

为了克服已有技术电解槽阳极底部溶液循环出现死区，造成溶液浓度偏 低，损坏离子膜，电解槽采用上述结构。由于槽边框底侧溶液不容易上升， 循环不充分容易造成浓度下降，为了使底侧溶液浓度得到充分保证，使下部 横向导流管85提高于底部7mm，入口盐水在分散板83的作用下，向下部导 流管86与盘间的短距离空间流动，从而改善底侧溶液。为了使入口盐水充分 达到最右侧，在左下侧添加一段分液板86，使分液板86下端与底盘内壁间距 保证到1.5mm。为了增加导流管85的导流效果，在下部导流管85下壁上加 工Ф3导流孔90多个，使下部导流管85内溶液一小部分能与底侧溶液混合， 这不仅加大电解室内部循环量，而且改善底部溶液浓度分布均匀性。

另外，在阳极液出口处还安装有气体排出管91，其结构如图7所示，也 可以采用如图8所示的气体排出管92的结构形式。安装气体排出管91或气 体排出管92是由于阳极侧电解室内产物氯气本身粘滞性强，在低循环量情况 下，不容易随液体排出室外，而且气体在随电解液溢流出去时，是以间歇形 式排出的，形成气液湍动，造成阳极液入口接管89处上方靠近气液分离盒处 容易形成高气泡率区，此外离子膜在高电流密度运行时易干烧损坏。增加气 体排出管91后，氯气排出通过专用管路与集液管连接，使气液分离速度和气 体排出速度加快，彻底解决高气泡率区问题，延长膜的使用寿命，或者在阳 极液入口处上方边框条上引出至少一根气体排出管92，用于导引端部气体顺 畅排出，彻底解决端部气体集结不容易排出的问题。

在上述结构中气液分离盒采用如图9所示的结构，阳极盘33、阳极密封 面板112和多孔板113组成阳极侧气液分离盒，阴极盒41、阴极密封面侧板 115和多孔板116组成阴极侧气液分离盒。密封面板112及115采用较厚板材， 分别与多孔板113和116间断焊后，再与阳极盘33及阴极盘41搭接，然后 再铣加工密封面和台阶110和117，这种形式的气液分离盒结构刚性好，在受 到挤压时不易变形，密封性能好，克服了已有技术薄板柔性结构在使用中变 形、易泄漏的缺点。

在应用时，在阳极液入口处注入饱和盐水，盐水在入口接管84上方受到 分散板83作用，向左侧、右上侧、右下侧流动。左部导流管82内外溶液由 于气液分布不匀，造成密度不一样，管内溶液密度大于管外溶液，溶液在密 度差作用下，管内溶液不断下流，带动管外溶液不断补充，形成左部溶液内 循环，左侧不断补充的新鲜盐水，与左部溶液混合，不使左部溶液密度下降 到规定值以下。中右部溶液不断与新鲜补充盐水混合，并向右侧流动。右部 上方溶液由于气泡率较高，导流管内外溶液密度差大，管内溶液不断顺着导 流管87往下流，管外一定高度处溶液不断流进去补充，形成右部溶液循环。 管内向下流动的溶液顺着下部导流管85流出与入口处新鲜盐水混合，重新加 入反应。下部导流管85内溶液一部分通过导流孔90流出与底侧流动性极弱 的溶液混合，同时底部溶液也与入口侧过来的新鲜盐水混合，使底部溶液保 证在一定的浓度，以防形成反应死区。

使用上述方案制造的电解槽在电流密度3.34KA/m2，注入盐水浓度为 305g/l，压差保持在300mmH2O情况下，生产32％烧碱，稳定运行了一段时 间，单槽电压稳定在3.1V左右，离子膜下表面没有发现任何水泡，上端角部 没有任何损坏，电槽性能稳定。这表明此种设计已经彻底解决了室框底部溶 液过反应后造成离子膜表面大量起泡的问题和电槽结构变形问题。此发明电 解槽由于使用刚性密封面结构，在长时间压紧时，不会产生由于结构变形导 致膜、垫片上串从而导致电解槽不能正常工作的问题，保证电解槽能够长时 间高质量正常运行。

上述实施例为一具体实施方案，可根据实际情况对各参数进行调整。保 护范围由权利要求作为限定。