JPH06200392A - 電解槽からの気−液混合物の除去方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電解槽から気−液混合物を取り出す装置を提
供すること。 【構成】 本発明はコンパートメントに分割された電解
槽、特に膜型電解槽から圧力変動を生ずることなく、気
−液混合物を取り出す装置であって、前記電解槽中の各
コンパートメントが混合物を気体富化相と液体富化相と
に分離した後に取り出すための２種類のダクトを備え、
各ダクトがその第１端部において電解槽の頂部に連結
し、気体富化相ダクト（４）の他方端部が液体富化相ダ
クト（３）中に挿入されているため、液体が電解槽への
連結点と気体富化相の入口点との間に含まれるダクト部
分にのみ存在することを特徴とする装置に関する。この
後の部分では流れは気−液混合物として存在し、気体離
脱装置に進められる。気体富化相ダクト（４）の他方端
部が液体富化相ダクト（３）中に挿入されているため、
電解槽の上部気体分離領域では充分な圧力が維持され
て、液体富化相が気体富化相ダクト（４）に入ることが
阻止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】最近、工業的電気分解の分野では、例えば
ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ^R）／デュポン デ ネマー
ス（ＤｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ）、フレミオ
ン（Ｆｌｅｍｉｏｎ^R）／旭ガラス、等のようなイオン
交換ポリマー膜の開発及び商業化によって変革が生じて
いる。このようなイオン交換膜は０．２ｍｍから最大
０．５ｍｍまでの範囲内の厚さを有する、かなりサイズ
でさえあるシート形状で製造される。強化用布帛を備え
てもまだ、膜は特に摩耗及び曲げに対する機械的抵抗力
が低いことによって影響を受けやすい。

【０００２】シート状膜が入手されやすいために、電解
槽はその厚さと容積を減じて、本質的にフラット型に再
設計されなければならなかった。この結果、新しい設計
の膜電解槽は電解質の不均一な内部分布並びに、例えば
塩素−アルカリ又は水の電解におけるように電解生成物
が気体である場合の気−液混合物の不充分な除去に関す
る問題を有する。前記セルのカソードコンパートメント
及びアノードコンパートメントの両方から気−液混合物
を除去する問題は非常に重大である。実際に、出口設計
が不適当である場合には両コンパートメント内で強い圧
力変動が起こり、極めて短期間後に膜に損傷を与えるこ
とになる。これらの異常な圧力変動は電解槽の頂部の出
口ダクトに気体相−液体相が交互に入ることに帰せられ
る。圧力変動に関連した不便さは、膜電解相に典型的で
あるとは言え、他の種類の電解槽、一般に、関連するコ
ンパートメントと共にアノードとカソードが例えば上記
のようなイオン交換膜、孔質隔膜等のような何らかの種
類のセパレーターによって分割されている分割型電解槽
にも共通する問題である。

【０００３】技術文献はこの問題に対処するための幾つ
かの方法を開示しており、実質的に下記の２解決法を生
じている： ー「モダン クロルーアルカリ テクノロジー（Ｍｏｄ
ｅｒｎ Ｃｈｌｏｒ−Ａｌｋａｌｉ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ）」、４巻、ソシエティ オブ ケミカルインダス
トリー（Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉ
ｎｄｕｓｔｒｙ）、エルセビール １９９０に述べられ
ているように、電解槽内部［ウーデ社（Ｕｈｄｅ Ｇｍ
ｂｈ）］又は電解槽外部［クロリン エンジニャース
（Ｃｈｌｏｒｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）］に配置さ
れる降下管を通して気−液相を回収する。この種の装置
は落下フィルム型の流れを生じ、液体（落下フィルムが
ダクトの内面を被覆する）と気体（中央部分内、液体を
含まない）の経時的に定常な流れを生じ、効果的に圧力
変動を除去する。それにも拘わらず、上記装置は強制循
環下で作動する電解槽にのみ使用可能であり、発生ガス
によって生ずる自然循環（ガスリフト又はガスドラフ
ト）による電解槽では使用できない。自然循環膜電解槽
はその高い再循環容量のために、例えば電解質酸性度
（ｐＨ）の制御が容易であり、例えば塩素−アルカリ電
解では発生塩素ガス中の酸素含量の適当な調節を可能に
すると言うような、特別の利点を提供するので、上記限
界は非常に重大である。

【０００４】ー電解槽自体の内側に配置されたダクトを
通して気体相と液体相を除去する［ダウケミカル社（Ｄ
ｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．）に譲渡された、米国
特許第４，８３９，０１２号］。電解槽と同じ長さの水
平管ダクトから成るこのコレクターは電解槽の高い縁に
平行であり、できる限りそれに密接する。気体相と液体
相が取り出される口に連結したコレクターは外側母線
（ｓｕｐｅｒｉｏｒ ｇｅｎｅｒａｔｒｉｘ）によって
大体設定される、適当な孔を備える。圧力変動減衰装置
と呼ばれるこの装置は、強制循環電解槽と自然循環電解
槽の両方に設置するために適する。それにも拘わらず、
このような装置の効率は部分的にすぎない、この理由は
残留絶対圧力差が水柱２００〜３００ｍｍの範囲内であ
り、最悪の場合には膜の両面の間に水柱６００ｍｍのオ
ーダーの圧力パルス差を生じ、縁近くでの膜曲げ及び電
極表面の摩擦の結果としての膜の摩耗によって生ずる疲
労のために損傷が起こる可能性があるからである。

【０００５】本発明は、圧力変動を実質的に除去し、そ
の結果として摩耗又は疲労による損傷の危険性を実際に
防止することによって膜の有用な耐用寿命を延長するた
めの、膜電解槽の気体相と液体相の取り出し装置を開示
する。さらに一般的には、前記装置はあらゆる型のいわ
ゆる分割電解槽に有用である。

【０００６】技術的見地と経済的見地の両方から極めて
重要である、この意外な結果は電解槽（生成物が気体で
ある）の各コンパートメントに、電解槽コンパートメン
ト頂部において分離する気体富化相と液体富化相とをそ
れぞれ取り出すための２個の別々のダクトを備えること
によって達成される。気体相ダクトは電解槽自体と液体
相ダクトとの連結点の上方から電解槽に入り；さらに前
記気体ダクトの他方の端部は、全く重要ではないが電解
槽の頂部への液体相ダクトの連結点からの距離に関する
必要条件のみを満たす位置において液体相ダクト中に挿
入される、このような距離は連結自体の等しい直径の少
なくとも数倍（例えば３倍）に実質的に維持されるべき
である。気体ダクトの他方の端部の液体相ダクト中への
挿入は本発明の重要な特徴を表す；このようにして、気
体富化相によって満たされた電解槽の頂部に適当な圧力
が維持され、液体レベルは液体自体が気体相ダクトに流
入するのを阻止し、気体富化相が液体相ダクトに注入さ
れるのを阻止するような位置に安定化される。この結
果、液体の最低レベルは電解槽と液体相ダクトとの間の
連結部分への上部接点（ｓｕｐｅｒｉｏｒ ｐｏｉｎ
ｔ）より下方には決して低下しない。気体によって満た
される電解槽部分の高さは、液体からの気体の分離から
当然生ずる飛沫と波によるイオン交換膜の定常な濡れを
保証するために、数ｃｍの範囲内の臨界値を越えるべき
ではない。前記条件は膜の規則的でかつ持続する作動の
ために重要であり、これに反すると、膜は乾燥と気体拡
散のために迅速に脆くなる。電解槽の頂部内の前記圧力
は代替え実施態様、以下で説明するような液圧ヘッドと
調節弁によっても得られる。

【０００７】次に、下記図面を参照しながら本発明をさ
らに詳述する。

【０００８】図１は本発明の装置を備えた膜電解装置の
電解槽の正面図である。

【０００９】図２は本発明による装置の詳細を示す。

【００１０】図３は２極電解装置である図２に示した電
解槽の断面図である。

【００１１】図４は単極電解装置の電解槽の同様な断面
図である。図５、６及び７は本発明の装置の種々な実施
態様による膜電解槽の正面図である。

【００１２】図１は、いわゆる「フィルタープレス形
状」に電解装置を形成するように組み立てられる幾つか
の電解槽の縁に沿った耐水性シールを、適当なガスケッ
トと共に、保証するためのフレーム（１）を備えた膜電
解装置の電解槽を示す。電解槽は例えば、必要に応じ
て、適当な電気接触性（ｅｌｅｃｔｒｏｃａｔａｌｙｔ
ｉｃ）コーチング；入口（６）と出口ダクト（３）；供
給及び取り出しループへの連結用のフランジ（７、５）
を技術上公知であるように備えた、エクスパンデットシ
ート又は孔あきシート又はスクリーンのような多孔質シ
ートから成る電極（２）をも含む。１端が電解槽の頂部
に連結し、他端が液体富化相の取り出し用出口ダクト
（３）の中央部分に連結した、気体富化生成物取り出し
用ダクト（４）を備えた電解槽も本発明によって提供さ
れる。

【００１３】図２は２ダクト（４、３）を含む電解槽の
詳細を示す。

【００１４】図３では、電極（２）が電解槽の剛性と電
流伝達及び分布との両方のために中心体（９）から突出
したスタッド（８）に機械的に固定又は溶接されている
ことが見られる。中心体（９）とスタッド（８）は図
３、４、７に説明した設計とは異なる設計を有するが、
本発明の有用性を減ずることはない。電極表面（２）で
の気体発生は上方移動中に気体−電解質混合物の形成を
生ずる。電解槽の頂部では、混合物が気体富化相と液体
富化相に再び分離する傾向がある；単一型出口（図３に
示すダクト（３）又は同様な装置）を特徴とする先行技
術では、２相の分離が圧力変動の発生を伴い、電極
（２）に隣接するイオン交換膜（１１）の有用な耐用寿
命に不利な影響を与える。

【００１５】本発明の装置の使用は圧力変動を意外にも
最小にして、それによって有用なイオン交換膜の耐用寿
命に対するその不利な影響を阻止する。このような有利
で、非常に重要な結果の理由は現時点では明確には解明
されていないが、電解槽の頂部の流動構造（ｆｌｕｉｄ
ｍｅｃｈａｎｉｃｓ）にこの説明があると考えられ
る。図３に見られるように、液体相レベルが出口上の接
線（１０）の上方であって出口（４）が配置されるフラ
ンジ（１）の下縁より下方に維持されるならば、定常な
流体取り出しが達成される。特に、電解槽の頂部におい
てライン（１０）とフランジ（１）の下縁との間に含ま
れる気体相は少量の液体と共に、排他的にダクト（４）
中に運ばれる。気体残渣をまだ含む液体相はダクト
（３）から取り出される。前記状況は先行技術とは根本
的に異なる、先行技術では単一出口が備えられ、電解槽
の頂部において分離された気体相と液体相が強制的に交
互に出る。 ライン（１０）とフランジ（１）縁との間
での液体レベルの安定化は、液体富化相取り出し用ダク
ト内で起こる圧力低下より低く電解槽頂部内の圧力を維
持するために、電解槽からの出口と２管が会合する点と
の間に含まれる部分においてダクト（３、４）の断面と
長さの適当な釣り合いを必要とする；他方では、電解槽
の頂部内の前記圧力の最低値は、ライン（１０）とフラ
ンジ（１）縁とによって画定される液体高さによって減
ぜられる、液体富化相取り出し用ダクト内の総圧力低下
の値より減少してはならない。

【００１６】図５と６は本発明の他の実施態様を示す、
これらの実施態様では要素は水平状態にある液体富化相
の出口ダクトを備える。

【００１７】図５ａに認められるように、気体富化相ダ
クト（４）は水平出口を有する電解槽（図１、２、３、
４）における通常の距離よりも顕著に大きい電解槽出口
からの距離において液体富化相ダクト（３）と連結す
る。実際問題として、気体相ダクト（４）の液体相ダク
ト（３）中への挿入は、全く重要ではないが電解槽の出
口と２ダクトの連結点との間のダクト（３、４）の断面
積と長さとが電解槽内の液体レベル安定化に必要な上記
条件を満たす位置において、実行される。図５ｂと６ａ
は２個以上の気体富化相ダクトを、液体相ダクトへの２
種類の連結方法によって、それぞれ気体出口と液体出口
とを備えた気体離脱装置（１２）の前（図５ｂ）と適当
な液圧ヘッド下で直接気体離脱装置（１２）中に（図６
ａ）備えた大型電解槽の２実施態様を概略的に示す。

【００１８】図６ｂは本発明の代替え実施態様を示し、
気体相ダクトは適当量の電解質を含み、気体出口（１
６）を備えた液圧シール系（１５）に連結する。実用性
の見地から、前記実施態様は全ての気体富化相ダクト
（４）を総コレクターに連結し、圧力を単液圧シール系
もしくは同等の装置によって制御することによって得ら
れる。

【００１９】図７は液体相と気体相とを別々に取り出す
２ダクト（３と４）が共軸である、本発明の他の実施態
様を示す；この実施態様は気体相ダクト（４）とフラン
ジ（１）との間の連結を除去し、その結果、製造費を減
じ、要素の機械的信頼性を高めるという利点を有する。

【００２０】実施例１ 単極型実験用電解装置をアノード要素６個、カソード要
素５個、図１に示したような末端カソード要素、それぞ
れが１２００ｍ高さと１５００ｍ幅であり、１．８ｍ²
の面積を生ずる要素２個を用いて組み立てた；アノード
要素はダクト（３）を介してアノード気体離脱装置に連
結し、カソード要素はカソード気体離脱装置に同様に連
結する。

【００２１】各要素の頂部には、本発明に開示するよう
に、気体富化相と液体富化相とを別々に取り出すための
２接続管を備える。特に、２ダクト（３、４）の直径は
それぞれ４０、１０ｍｍであり、要素からの出口とダク
ト（４）の挿入点との間に含まれるダクト（３）部分の
長さは１５０ｍｍであり、ライン（１０）とフランジ
（１）の縁との間に含まれる気体領域の最大高さは３０
ｍｍである。

【００２２】アノード要素３個とカソード要素３個には
圧力計をも備える。この電解装置には１２個のイオン交
換膜、デュポンによるナフィオン９６１^Rを備えた。ア
ノードコンパートメントには塩化ナトリウム溶液３００
ｇ／ｌを供給し、カソードコンパートメントには約３０
％の水酸化ナトリウムを供給した。電解装置に供給した
総電流６６，０００アンペアに対して電流密度は３００
０アンペア／ｍ²であり、運転中の平均温度は８５℃で
あり、電圧は３．１ボルトであった。これらの条件下で
の電解装置循環は０．５ｍ³／膜ｍ²の範囲内であり、圧
力変動は水柱約２０ｍｍの最大偏位を示し、周波数は約
０．１〜０．２Ｈｅｒｔｚであった。同様な測定を気体
／液体混合物に対して、それぞれアノード要素の塩素／
塩化ナトリウムブライン、カソード要素の水素／水酸化
ナトリウム溶液に対して単一出口を備えた、同様な工業
用電解装置において実施した。この場合の圧力変動はア
ノード要素では最大強度２００ｍｍであり、カソード要
素では約２５０ｍｍであり、周波数は約０．５〜０．６
Ｈｅｒｔｚであった。

【００２３】実施例２ 実施例１に述べたような塩素−アルカリ電解を、２極要
素１０個、図５ｂに示すような、１２００ｍｍ高さと３
０００ｍｍ長さの末端要素２個から成り、１２個の膜、
デュポンによるナフィオン９６１^Rを備えた２極電解装
置において実施した。

【００２４】この場合も、総電流１１０００アンペア及
び総電圧３６Ｖｏｌｔに対して電流密度は３０００アン
ペア／ｍ²であった。

【００２５】２極要素はそれらの頂部に圧力計を備え
た。

【００２６】電解質循環、０．４ｍ³／時／膜ｍ²によっ
て、圧力変動は水柱約２０〜３０ｍｍの範囲内の最大強
度を示し、周波数は約０．１〜０．２Ｈｅｒｔｚであっ
た。比較のために、気−液混合物に対して単一出口を備
えた要素を有する同様な工業用電解装置において測定を
実施した。この場合の圧力変動はアノード要素とカソー
ド要素の両方において、水柱５００〜６００ｍｍの範囲
内の顕著な強度を有し、周波数は約０．６〜０．８Ｈｅ
ｒｔｚであった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の装置を備えた膜電解装置の電解槽の正
面図である。

【図２】本発明による装置の詳細を示す。

【図３】２極電解装置である図２に示した電解槽の断面
図である。

【図４】単極電解装置の電解槽の同様な断面図である。

【図５】

【図６】

【図７】本発明の装置の種々な実施態様による膜電解槽
の正面図である。

【符号の説明】

１． フランジ縁 ２． 電極 ３、４．ダクト ５、７．フランジ ６． 入口 ８． スタッド １１． イオン交換膜 １２． 気体離脱装置

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【手続補正書】

【提出日】平成５年１０月８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の装置を備えた膜電解装置の電解層の正
面図である。

【図２】本発明の２つのダクトを備えた電解槽の詳細を
示す図である。

【図３】２極電解装置である図２に示した電解槽の断面
図である。

【図４】本発明の単極電解装置の電解槽の断面図であ
る。

【図５】本発明の装置の一実施態様による膜電解槽の正
面図である。

【図６】本発明の装置の他の一実施態様による膜電解槽
の正面図である。

【図７】本発明の装置の更に他の一実施態様による膜電
解槽の正面図である。

【符号の説明】 １． フランジ縁 ２． 電極 ３． ダクト ４． ダクト ５． フランジ ６． 入口 ７． フランジ ８． スタッド １１． イオン交換膜 １２． 気体離脱装置

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コンパートメントに分割され、前記コン
   パートメントの底部が電解すべき電解質の供給手段を備
   え、前記コンパートメントの頂部が気体生成物と前記電
   解質との取り出し手段を備える電解槽における圧力変動
   を減衰させるための装置であって、 （ａ）前記取り出し手段が液体富化相と気体富化相とを
   別々に取り出すための別々のダクトを含み； （ｂ）気体富化相の取り出し用前記ダクト（４）の第１
   端部が前記コンパートメントの頂部に、液体富化相の取
   り出し用前記ダクト（３）の連結点の上方の位置におい
   て接続し； （ｃ）気体富化相の取り出し用前記ダクト（４）の他方
   の端部が圧力下に維持されることを特徴とする装置。
2. 【請求項２】 気体富化相の取り出し用前記ダクト
   （４）の前記他方の端部が液体富化相の取り出し用の前
   記ダクト（３）中に挿入されることを特徴とする請求項
   １記載の装置。
3. 【請求項３】 気体富化相の取り出し用前記ダクト
   （４）が液体富化相の取り出し用前記ダクト（３）の内
   側に配置されることを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 【請求項４】 気体富化相の取り出し用前記ダクト
   （４）の前記他方の端部における前記圧力が気体離脱装
   置（ｇａｓ−ｄｉｓｅｎｇａｇｅｒ）内の液体レベルに
   よって形成される液圧ヘッドであることを特徴とする請
   求項１記載の装置。
5. 【請求項５】 気体富化相の取り出し用前記ダクト
   （４）の他方の端部における前記圧力が、気体富化相の
   取り出し用前記ダクト（４）が連結する液圧シールによ
   って与えられることを特徴とする請求項１記載の装置。
6. 【請求項６】 気体富化相の取り出し用前記ダクト
   （４）の他方の端部における前記圧力が、 気体富化相
   の取り出し用前記ダクトが連結する総コレクター内の圧
   力によって維持されることを特徴とする請求項１記載の
   装置。
7. 【請求項７】 気体富化相の取り出し用前記ダクト
   （４）の他方の端部における前記圧力が、 液体富化相
   の取り出し用前記ダクト（３）の前記他方の端部がに配
   置された調整弁によって維持されることを特徴とする請
   求項１記載の装置。
8. 【請求項８】 気体富化相の取り出し用前記ダクト
   （４）の他方の端部における最大値が液体富化相の取り
   出し用前記ダクト（３）内の総圧力低下によって画定さ
   れることを特徴とする請求項１記載の装置の使用方法。
9. 【請求項９】 気体富化相の取り出し用前記ダクト
   （４）の他方の端部における最低値が、気体富化相と液
   体富化相の別々の取り出し用前記ダクトの電解槽コンパ
   ートメントへの連結点のレベル間に形成される液体の高
   さによって減ぜられる、液体富化相の取り出し用前記ダ
   クト（３）内の総圧力低下によって画定されることを特
   徴とする請求項１記載の装置の使用方法。