筒状嵌入式电化学反应器、电解系统及应用

1.本发明涉及一种筒状嵌入式电化学反应器、电解系统及应用，尤其是在电解合成丁二酸反应中的应用。

背景技术：

2.丁二酸(succinic acid)，又名琥珀酸，分子式为c4h6o4，是一种重要的有机合成原料，被广泛用于医药合成、食品加工、日化、高分子合成、涂料染料改性、表面活性剂生产等行业。随着生物可降解塑料聚丁二酸丁二醇酯(pbs)产量的不断提高，其原料丁二酸的需求量也随之不断提升。
3.电化学反应器作为有机电合成反应的核心装置，目前按照结构划分，可分为三类：箱式电化学反应器；板框式或压滤机式电化学反应器；结构特殊的电化学反应器。这三种反应器各自存在一些优缺点，如箱式电化学反应器结构简单，容易设计和制作，但时空产率低，难以适应大规模连续生产，不能满足传质过程的严格控制；板框式或压滤机式电化学反应器具有压力损失小、空间利用率高、槽压低等优点，但也会存在一些死区对电解反应造成负面影响，同时会减少离子膜的使用寿命，对于某些电解质浓度较低的电解液，由于电流密度较小，可能会导致电解反应产率偏低。为了满足不同的生产需求，工作者设计出了一些特殊结构的电化学反应器来提高时空产率，如毛细间隙和薄膜反应器、旋转电极反应器及泵吸式反应器、固定床和流化床反应器等。三维电极电化学反应器因其比表面积大、时空产率高等优点，在废水处理(如cn210559547u和cn205635001u)方面和电化学电解(如cn110791773a)方面得到了广泛的应用。
4.目前合成丁二酸的方法有很多，化学法有石蜡氧化法、催化加氢法、丙烯酸羰基合成法、乙炔法、甲酯氰化法等；此外还有生物发酵法和电化学法可用于生产丁二酸。其中电化学合成丁二酸具有设备投资少、反应条件温和、反应副产物少、产品纯度高及母液可循环利用等优点，己成为目前丁二酸合成工业中的主要方法。并且其可以通过母液循环利用实现废水零排放，是一种真正的绿化学合成技术。
5.目前，己经开发出了成对电合成法、无隔膜法、隔膜法等多种合成丁二酸的电化学合成技术。其中应用电化学法，对顺丁烯二酸进行阴极还原加氢使用最为普遍。且已开发出了多种电化学合成丁二酸的技术(如cn2158409y和cn2651267y)。目前生产丁二酸使用的电化学反应器应用种类非常多，但是由于其存在各种各样的不足之处。如工业应用中普遍使用的无隔膜板框式电化学反应器，采用间歇式循环生产，由于需要外力使电解液循环，所消耗的电能较大，泄漏点多，常有滴漏现象，使操作控制困难；相较于目前普遍使用的无隔膜板框电化学反应器，虽然固定床与流化床电化学反应器的时间-空间产率较高，但是其填充物多为金属球或者纤维材料，容易造成槽压过高或者短路，体积利用率低，并且进行母液套用时容易因结晶而短路。对最终产物的品质也有一定的影响，所以开发一种新型的电化学反应器来改善目前的情况具有很大的意义。

技术实现要素：

6.为了解决无隔膜电化学反应器电流效率和产率低，一些电解反应需多段电流密度电解的问题，本发明提供了一种筒状嵌入式电化学反应器、电解系统及应用。
7.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
8.本发明所述的筒状嵌入式电化学反应器，其特征在于：包括筒状反应室和设置在所述筒状反应室中的电极；
9.所述筒状反应室包括反应器主体、顶盖以及底盖，所述反应器主体为两端开口的空心筒，所述反应器主体的侧壁上设有连通反应器主体内腔的出液口；所述顶盖和所述底盖分别可拆卸地设置于所述反应器主体的两端开口处；所述顶盖上设有阴极接线口和阳极接线口，用于引出导线或接线柱；所述底盖上设有进液口；
10.所述电极由若干同轴套设在一起的环形柱组成，相邻两层所述环形柱之间、最外层所述环形柱与所述反应器本体内壁之间均留有环状的介质流道；所述环形柱的侧壁打孔，且从内向外，所述孔的位置依次上下循环交替排布，其中最内圈环形柱上方打孔、最外圈的所述环形柱下方打孔；最内圈的环形柱的内腔与所述底盖的进液口连通、上部与供电电源的正极电连接，作为阳极；最外圈的环形柱与供电电源的负极电连接，作为阴极，电流通过串联的电极流过电解槽时，中间各电极的一面为阳极，另一面为阴极。
11.作为优选，所述环形柱为圆环柱。
12.作为优选，所述环形柱根据孔的位置分为阳极和阴极两类，其中上方打孔的环形柱为阳极，下方打孔的环形柱为阴极，且所述阳极和所述阴极上的孔均为电极出液口。
13.作为优选，从内向外方向，所述电极上的孔的直径依次增大。此特殊结构的电化学反应器为复极式结构，并且具有电流密度从内到外依次降低的特点，在很多电化学反应中相较于固定电流密度可以产生更好的效果，在电解合成丁二酸反应中可以使得到的丁二酸产品产率更高，副产物富马酸含量更低。
14.作为优选，所述阳极和所述阴极的个数相等，均为可导电的金属板，且所述阳极、所述阴极从内向外依次交替排布。
15.作为优选，最内圈的所述阳极通过导线或阳极接线柱与供电电源正极电连接，最外圈的所述阴极通过导线或阴极接线柱与供电电源负极电连接。
16.作为优选，本发明所述的筒状嵌入式电化学反应器是圆筒，但不仅限于圆筒，也可以是空心的长方体、正方体、多边体以及一些特殊形状的筒状结构。
17.作为优选，所述底盖的中心处设置进液口。
18.作为优选，本发明所述筒状嵌入式电化学反应器为圆筒形状，底盖上的进液口为倒三角形，死体积小。
19.作为优选，所述顶盖、所述底盖与所述反应器主体之间通过螺杆、螺母彼此相互连接。
20.作为优选，所述顶盖的内表面设有数个半径不同但同心的第一环形凹槽；所述的底盖的内表面设有数个半径不同但同心的第二环形凹槽，且所述第二环形凹槽与所述第一环形凹槽一一对应。
21.作为优选，所述反应器本体的外表面包覆绝缘层或者本身采用绝缘材料制成。更优选的，所述反应器本体为绝缘材料制成，如玻璃外壳。
22.作为优选，所述环形柱的两端分别卡在相应的所述第一环形凹槽、所述第二环形凹槽中。
23.作为优选，所述电极的材质为铅、铅合金、钛或钛基涂层材料，其中所述铅合金选用的是铅的二元、三元、四元或五元耐强酸合金，如铅锑合金，铅钙锡合金，二氧化铅-碳化钨-氧化钌-氧化铱合金，铅钙银锡合金；所述钛基涂层材料选用钛基钌铑涂层、铱钽涂层、二氧化锰涂层或二氧化锡涂层。
24.作为优选，所述环形柱为带孔的金属板，并由顶盖与底盖之间的螺纹挤压固定或者螺钉固定在反应器主体中，所述顶盖上的阴极接线口、阳极接线口均为螺纹孔，顶部带有弹簧的钛螺钉拧在底盖的螺纹孔上，所述电极导线由钛螺钉引出。所述电极板为圆环柱形状，其直径为10-1000mm，电极的环形柱上的孔为圆孔，并且孔的孔径为1-3mm。更优选的，所述电极板为圆环柱形状，阴极直径分别为20、28、36、
……
、(20+2n)mm，阳极直径分别为16、24、32、
……
(16+2n)mm，相邻环形柱之间的间距为2mm，其中n为正整数。
25.作为优选，所述环形柱的厚度为2-3mm，高度为10cm。更优选的，所述电极的厚度为2mm，高度为10cm。
26.作为优选，每个所述环形柱的侧壁沿周向均设有6个孔。
27.作为优选，所述顶盖上的阴阳极连接口为螺纹孔，导线可直接由电极引出。
28.作为优选，所述底盖上的进液口使用耐酸的四氟接口，进液口为倒圆锥形状。
29.作为优选，所述筒状嵌入式电化学反应器由顶盖和底盖连接的螺杆挤压固定。
30.作为优选，阴极使用钛作为电极，阳极为钛基dsa涂层电极。
31.作为优选，所述绝缘外壳为玻璃材质。
32.本发明所述的一种电解系统，其特征在于：包括所述筒状嵌入式电化学反应器、储液槽、循环槽、热交换器和磁力循环泵；
33.所述储液槽的底部出液口与所述循环槽的顶部进液口管道连接，所述循环槽的底部出液口与所述筒状嵌入式电化学反应器的进液口之间依次连通有磁力循环泵、三通阀和流量计；所述循环槽的顶部进液口与所述筒状嵌入式电化学反应器的出液口管道连接；
34.所述热交换器的热交换进出口与所述循环槽相应的热交换进出口管路连通；
35.所述三通阀的剩余端与阀门相连接。
36.具体的，本发明所述的一种电解系统包括所述的筒状嵌入式电化学反应器、储液槽、循环槽、热交换器和磁力循环泵，所述储液槽的底部出液口与所述循环槽的顶部进液口管道连接，所述循环槽的底部出液口与三通阀的一端连接；所述热交换器设置在循环槽与所述筒状嵌入式电化学反应器的外部；所述三通阀的另一端与流量计的进口管道相连接，所述流量计的出口管道与所述筒状嵌入式电化学反应器的进液口管道连接，所述三通阀的剩余端与阀门相连接；所述筒状嵌入式电化学反应器的出液口与所述循环槽的顶部进液口管道连接。
37.作为优选，电极从内向外依次为最内圈的环形柱、第二块环形柱、
…
、最外圈的环形柱。
38.作为优选，电解液在电化学反应器中的流动为由底盖的进液口进入最内圈的环形柱内腔，充满最内圈的环形柱内腔后，从最内圈环形柱上方侧壁上的孔流出到最内圈电极与第二块环形柱的介质流道中，充满该介质流道后从第二块环形柱下方侧壁的孔流入第二
块电极与第三块环形柱的介质流道中，直至充满整个电化学反应器，最终从反应器主体侧壁上方的出液口流出。
39.作为优选，所述的储液槽和循环槽垂直放置，循环槽与筒状嵌入式电化学反应器平行，循环槽低于筒状嵌入式电化学反应器，连接储液槽、循环槽、电化学反应器的管路均采用pvc管或者硅胶管连接。
40.如本发明所述电解系统的应用，其特征在于，包括以下步骤：
41.(1)配置原始电解液，并将配置好的原始电解液冷却至10-15℃，其中所述原始电解液为质量浓度为3-10％的顺丁烯二酸酐和质量浓度为0-5％的硫酸的混合溶液；
42.(2)将步骤(1)得到的温度稳定后的原始电解液输入筒状嵌入式电化学反应器；控制筒状嵌入式电化学反应器中的温度为45-50℃，电流密度为500-1000a/m2，对电化学反应器中的液体进行通电电解，直至电解液的电解时间满足如下公式时，反应结束，得到最终的电解完成液：
43.t＝0.5466m/ni
ꢀꢀꢀ①
44.式中t为电解时间(h)；m为顺丁烯二酸酐投料质量(g)；n为阴极的数量，i为实际电解时通入的电流(a)；
45.(3)将步骤(2)获得的电解完成液取出后，经过冷却结晶、过滤、干燥，得到丁二酸固体。
46.作为优选，所述筒状嵌入式电化学反应器中阴极、阳极电流密度之比遵循如下公式：
47.j
阳1
/j
阴2
/j
阳3
/j
阴4
/j
阳5
/j
阴6
/
……
/j
阳n-1
/j
阴n
＝rn/r
n-1
/
……
/r6/r5/r4/r3/r2/r1ꢀꢀꢀ②
48.式中j
阳1
为作为阳极的最内圈环形柱的电流密度，j
阴2
为作为阴极的第二块环形柱的内表面的电流密度，j
阳3
为作为阳极的第二块环形柱的外表面的电流密度，j
阴4
为作为阴极的第三块环形柱的内表面的电流密度，j
阳5
为作为阳极的第三块环形柱的外表面的电流密度，j
阴6
为作为阴极的第四块环形柱的内表面的电流密度，j
阳n-1
为最外层阳极电流密度，j
阴n
为最外层阴极电流密度；r
1-r6分别为对应的电极表面底面圆的半径，r
n-1
为最外层阳极对应电极底面圆半径，rn为最外层阴极对应电极底面圆半径；电流密度单位为a/m2。
49.作为优选，步骤(3)中，在电解过程中，为控制电解时间，使未完全电解的电解液经筒状嵌入式电化学反应器的出液口流回循环槽并冷却至10-15℃，并经磁力循环泵使电解液在循环槽、筒状嵌入式电化学反应器之间循环，直至电解完全。
50.更优选的，未完全电解的电解液经筒状嵌入式电化学反应器的出液口流回循环槽并冷却至10℃。步骤(1)中的原始电解液，顺丁烯二酸酐的质量浓度为5％，硫酸质量浓度为1％；步骤(2)中的反应器内部温度为50℃；电流密度为1000a/m2。
51.本发明的积极效果在于：
52.1)本发明设计的筒状嵌入式电化学反应器，通过调整进液口形状为倒三角形，减少了反应器的死体积；
53.2)本发明设计的筒状嵌入式电化学反应器，电极面积大，电流密度从内到外依次降低，解决了传统电化学反应器电解生成丁二酸时需要多段电流电解的问题；
54.3)本发明设计的筒状嵌入式电化学反应器电极面积大，可以在使用大电流密度的同时，减少对空间的占用。
附图说明
55.图1是本发明具体实施方式采用的筒状嵌入式电化学反应器的示意图(箭头代表液体流动方向)；其中：100-筒状反应室，200-电极，1-储液槽，2-循环槽，3-热交换器，4-磁力循环泵，5-三通阀，6-流量计，7-筒状嵌入式电化学反应器。
56.图2是本发明具体实施方式采用的筒状嵌入式电化学反应器的结构示意图，其中：8-阳极接线柱，9-阴极接线柱，10-螺杆，11-顶盖，12-出液口，13-底盖，14-螺母，15-阴极，16-阳极，17-外壳，18-电极出液口，19-第二环形凹槽，20-进液口，22-第一环形凹槽。
57.图3是本发明具体实施方式采用的筒状嵌入式电化学反应器的顶盖和底盖的结构图，其中：21-螺杆孔。
58.图4是实施例10的液相谱图。
具体实施方式
59.以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
60.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
61.下面将参考附图并结合示例性实施例来详细说明本发明。
62.本发明所述的筒状嵌入式电化学反应器7，包括筒状反应室100和设置在所述筒状反应室中的电极200；
63.所述筒状反应室100包括反应器主体17、顶盖11以及底盖13，所述反应器主体17为两端开口的空心筒，所述反应器主体17的侧壁上设有连通反应器主体内腔的出液口12；所述顶盖11和所述底盖13分别可拆卸地设置于所述反应器主体17的两端开口处；所述顶盖上设有阴极接线口和阳极接线口，用于引出导线或接线柱；所述底盖13上设有进液口20；
64.所述电极200由若干同轴套设在一起的环形柱组成，相邻两层所述环形柱之间、最外层所述环形柱与所述反应器本体内壁之间均留有环状的介质流道；所述环形柱的侧壁打孔，且从内向外，所述孔的位置依次上下循环交替排布，其中最内圈环形柱上方打孔、最外圈的所述环形柱下方打孔；最内圈的环形柱的内腔与所述底盖的进液口连通、上部与供电电源的正极电连接；最外圈的环形柱与供电电源的负极电连接。
65.在一种实施例中，所述环形柱为圆环柱。
66.在一种实施例中，所述环形柱根据孔的位置分为阳极和阴极两类，其中上方打孔的环形柱为阳极16，下方打孔的环形柱为阴极15，且所述阳极16和所述阴极15上的孔均为电极出液口18。
67.在一种实施例中，从内向外方向，所述电极200上的孔的直径依次增大。此特殊结构的电化学反应器为复极式结构，并且具有电流密度从内到外依次降低的特点，在很多电化学反应中相较于固定电流密度可以产生更好的效果，在电解合成丁二酸反应中可以使得到的丁二酸产品产率更高，副产物富马酸含量更低。
68.在一种实施例中，所述阳极16和所述阴极15的个数相等，均为可导电的金属板，所述阳极、所述阴极从内向外依次交替排布。
69.在一种实施例中，最内圈的所述阳极16通过阳极接线柱8与供电电源正极电连接，
最外圈的所述阴极15通过阴极接线柱9与供电电源负极电连接。
70.在一种实施例中，本发明所述的筒状嵌入式电化学反应器7是圆筒，但不仅限于圆筒，也可以是空心的长方体、正方体、多边体以及一些特殊形状的空心筒状结构。
71.在一种实施例中，所述底盖13的中心处设置进液口20。
72.在一种实施例中，本发明所述筒状嵌入式电化学反应器7为圆筒形状，底盖13上的进液口20为倒三角形，死体积小。
73.在一种实施例中，所述顶盖11、所述底盖13与所述反应器主体17之间通过螺杆10、螺母14彼此相互连接。
74.在一种实施例中，所述环形柱为带孔的金属板，并由顶盖11与底盖13之间的螺纹挤压固定或者螺钉固定在反应器主体17中，所述顶盖11上的阴极接线口9、阳极接线口8均为螺纹孔，顶部带有弹簧的钛螺钉拧在底盖13的螺纹孔上，所述电极导线由钛螺钉引出。所述电极板为圆环柱形状，阴极直径分别为20，28，36mm，阳极直径分别为16，24，32mm，电极的环形柱上的孔为圆孔，并且孔的孔径为2mm。
75.在一种实施例中，所述顶盖11的内表面设有数个半径不同但同心的第一环形凹槽22；所述的底盖13的内表面设有数个半径不同但同心的第二环形凹槽19，且所述第二环形凹槽19与所述第一环形凹槽22位置一一对应。
76.在一种实施例中，所述顶盖和所述底盖沿周向均设有6个用于穿设螺栓的螺栓孔21。
77.在一种实施例中，所述反应器本体17的外表面包覆绝缘层。
78.在另一种实施例中，所述反应器本体17为绝缘材料制成，如玻璃外壳。
79.在一种实施例中，所述环形柱的两端分别卡在相应的所述第一环形凹槽22、所述第二环形凹槽19中。
80.在一种实施例中，所述电极200的材质为铅、铅合金、钛或钛基涂层材料，其中所述铅合金选用的是铅的二元、三元、四元或五元耐强酸合金，如铅锑合金，铅钙锡合金，二氧化铅-碳化钨-氧化钌-氧化铱合金，铅钙银锡合金；所述钛基涂层材料选用钛基钌铑涂层、铱钽涂层、二氧化锰涂层或二氧化锡涂层。
81.在一种实施例中，所述环形柱的厚度为2mm，高度为10cm。
82.在一种实施例中，每个所述环形柱的侧壁沿周向均设有6个孔，目的是作为电解液在不同环形柱空隙流通的通道。
83.在一种实施例中，所述顶盖11上的阳极连接口8、阴极连接口9为螺纹孔，导线可直接由电极引出。
84.在一种实施例中，所述底盖13上的进液口20使用耐酸的四氟接口，进液口20为倒圆锥形状。
85.在一种实施例中，阴极使用钛作为电极，阳极为钛基dsa涂层电极。
86.本发明所述的一种电解系统，包括所述筒状嵌入式电化学反应器7、储液槽1、循环槽2、热交换器3和磁力循环泵4；
87.所述储液槽1的底部出液口与所述循环槽2的顶部进液口管道连接，所述循环槽2的底部出液口与所述筒状嵌入式电化学反应器7的进液口之间顺液体流动方向依次连通有磁力循环泵4、三通阀5和流量计6；所述循环槽2的顶部进液口与所述筒状嵌入式电化学反
应器7的出液口管道连接；
88.所述热交换器3的热交换进出口与所述循环槽2相应的热交换进出口管路连通；
89.所述三通阀5的剩余端与阀门相连接。
90.具体的，本发明所述的一种电解系统包括所述的筒状嵌入式电化学反应器7、储液槽1、循环槽2、热交换器3和磁力循环泵4，所述储液槽1的底部出液口与所述循环槽2的顶部进液口管道连接，所述循环槽1的底部出液口与三通阀5的一端连接；所述热交换器3设置在循环槽1与所述筒状嵌入式电化学反应器7的外部；所述三通阀5的另一端与流量计6的进口管道相连接，所述流量计6的出口管道与所述筒状嵌入式电化学反应器7的进液口管道连接，所述三通阀5的剩余端与阀门相连接；所述筒状嵌入式电化学反应器7的出液口与所述循环槽2的顶部进液口管道连接。
91.在一种实施例中，电极从内向外依次为最内圈的环形柱、第二块环形柱、
…
、最外圈的环形柱。
92.在一种实施例中，电解液在电化学反应器中的流动为由底盖的进液口进入最内圈的环形柱内腔，充满最内圈的环形柱内腔后，从最内圈环形柱上方侧壁上的孔流出到最内圈电极与第二块环形柱的介质流道中，充满该介质流道后从第二块环形柱下方侧壁的孔流入第二块电极与第三块环形柱的介质流道中，直至充满整个电化学反应器，最终从反应器主体侧壁上方的出液口流出。
93.在一种实施例中，所述的储液槽1和循环槽2垂直放置，循环槽与筒状嵌入式电化学反应器7平行，循环槽2低于筒状嵌入式电化学反应器7，连接储液槽1、循环槽2、筒状嵌入式电化学反应器7的管路均采用pvc管或者硅胶管连接。
94.在一种实施例中，所述流量计6为内衬四氟转子流量计。
95.结合附图1、图2、图3，本发明提供的所述电解系统在电解合成丁二酸中的应用，所述应用包括以下步骤：
96.(1)配置原始电解液，并将配置好的原始电解液通入循环槽2，利用热交换器3将循环槽2中，冷却至10-15℃；
97.(2)利用磁力循环泵将循环槽2，将步骤(1)得到的温度稳定后的原始电解液输入筒状嵌入式电化学反应器7；
98.(3)通过热交换器3控制筒状嵌入式电化学反应器7中的温度为45-50℃，电流密度为500-1000a/m2，对电化学反应器中的液体进行通电电解，使未完全电解的电解液经筒状嵌入式电化学反应器7的出液口12溢流回循环槽2冷却至10～15℃，并经磁力循环泵4使电解液在循环槽2、筒状嵌入式电化学反应器7之间循环，直至电解液的电解时间满足如下公式时，反应结束，得到最终的电解完成液：
99.t＝0.5466m/ni
ꢀꢀꢀ①
100.式中t为电解时间(h)；m为顺丁烯二酸酐投料质量(g)；n为阴极的数量，i为实际电解时通入的电流(a)；
101.(4)将步骤(2)获得的电解完成液由三通阀5取出后，经过冷却结晶、过滤、干燥，得到丁二酸固体。
102.所述筒状嵌入式电化学反应器中阴极、阳极电流密度之比遵循如下公式：
103.j
阳1
/j
阴2
/j
阳3
/j
阴4
/j
阳5
/j
阴6
/
……
/j
阳n-1
/j
阴n
＝rn/r
n-1
/
……
/r6/r5/r4/r3/r2/r1ꢀꢀꢀ②
104.式中j
阳1
为作为阳极的最内圈环形柱的电流密度，j
阴2
为作为阴极的第二块环形柱的内表面的电流密度，j
阳3
为作为阳极的第二块环形柱的外表面的电流密度，j
阴4
为作为阴极的第三块环形柱的内表面的电流密度，j
阳5
为作为阳极的第三块环形柱的外表面的电流密度，j
阴6
为作为阴极的第四块环形柱的内表面的电流密度，j
阳n-1
为最外层阳极电流密度，j
阴n
为最外层阴极电流密度；r
1-r6分别为对应的电极表面底面圆的半径，r
n-1
为最外层阳极对应电极底面圆半径，rn为最外层阴极对应电极底面圆半径；电流密度单位为a/m2。
105.在一种实施例中，步骤(4)中，在电解过程中，为控制电解时间，使未完全电解的电解液经筒状嵌入式电化学反应器的出液口流回循环槽并冷却至10-15℃，并经磁力循环泵使电解液在循环槽、筒状嵌入式电化学反应器之间循环，直至电解完全。
106.实施例1
107.采用去离子水配制200ml原始电解液，原始电解液的组成为顺丁烯二酸酐质量浓度9.8％、硫酸质量浓度0％，阴极材质为钛，阳极为钛基涂铱钽电极。电解液温度控制在50℃；，电流为4.5a，j
阳1
＝1000a/m2，极间距为2mm；电解通电量为理论电量的100％。电解开始时，将配好的电解液由高位的储液槽进料至循环槽，经磁力循环泵使电解液形成循环的闭合回路，电解结束后，电解完成液置于冰箱中，在-2℃条件下结晶90min，过滤，干燥可得丁二酸晶体13.9g，丁二酸纯度99.47％，电解电压7.8-16v，电流效率为96.56％，丁二酸还原收率为55.6％。
108.实施例2
109.电解装置、电解方法、电解温度、阴极阳极电流密度、通入电量、电解液初始组成及质量同实施例1，水浴温度为10℃，待通电量达到60％，停止水浴，初始电解液温度为10℃；电解结束后，电解完成液置于冰箱中，在-2℃条件下结晶90min，过滤，干燥可得丁二酸晶体13.32g，丁二酸纯度91.61％，电解电压9.0-14.6v，电流效率为91.24％，丁二酸还原收率为53％。
110.实施例3
111.电解装置、电解方法、电解温度、阴极阳极电流密度、通入电量、水浴温度同实施例1，硫酸质量浓度为1％，待通电量达到60％，停止水浴，初始电解液温度为10℃；电解结束后，电解完成液置于冰箱中，在-2℃条件下结晶90min，过滤，干燥可得丁二酸晶体11.17g，丁二酸纯度96.44％，电解电压8.4-9.8v，电流效率为82.41％，丁二酸还原收率为44.68％。
112.实施例4
113.电解装置、电解方法、电解温度、阴极阳极电流密度、通入电量、水浴温度同实施例1，硫酸质量浓度为3％，待通电量达到60％，停止水浴，初始电解液温度为10℃；电解结束后，电解完成液置于冰箱中，在-2℃条件下结晶90min，过滤，干燥可得丁二酸晶体10.64g，丁二酸纯度97.52％，电解电压7.9-9.0v，电流效率为75.6％，丁二酸还原收率为42.56％。
114.实施例5
115.电解装置、电解方法、电解温度、阴极阳极电流密度、通入电量、水浴温度同实施例1，硫酸质量浓度为5％，待通电量达到60％，停止水浴，初始电解液温度为10℃；电解结束后，电解完成液置于冰箱中，在-2℃条件下结晶90min，过滤，干燥可得丁二酸晶体9.32g，丁二酸纯度98.73％，电解电压7.7-9.1v，电流效率为69.56％，丁二酸还原收率为37.28％。
116.实施例6
117.电解装置、电解方法、电解温度、阴极阳极电流密度、通入电量、水浴温度、硫酸质量浓度同实施例3，顺酸质量浓度为5％，待通电量达到60％，停止水浴，初始电解液温度为10℃；电解结束后，电解完成液置于冰箱中，在-2℃条件下结晶90min，过滤，干燥可得丁二酸晶体9.32g，丁二酸纯度88.73％，电解电压7.7-9.1v，电流效率为69.56％，丁二酸还原收率为37.28％。
118.实施例7
119.电解装置、电解方法、电解温度、通入电量、水浴温度同实施例1，硫酸质量浓度为1％，顺酸质量浓度为3％，待通电量达到60％，停止水浴，初始电解液温度为10℃；电解结束后，电解完成液置于冰箱中，在-2℃条件下结晶90min，无丁二酸晶体析出、
120.实施例8
121.实施例7的第一次套用实验，取实施例7中抽滤完丁二酸的滤液作为母液，补加顺丁烯二酸酐7.94g，加去离子水定量至250ml，配制完成电解液。电解装置、电解方法、电流密度、电解温度同实施例7。电解结束后，电解完成液置于冰箱中，在-2℃条件下结晶90min，过滤，干燥可得丁二酸晶体6.12g，丁二酸纯度91.75％，电解电压7.5-8.4v，电流效率为79％，丁二酸还原收率为53.4％。
122.实施例9
123.实施例7的第二次套用实验，取实施例8中抽滤完丁二酸的滤液作为母液，补加顺丁烯二酸酐7.75g，加去离子水定量至250ml，配制完成电解液。电解装置、电解方法、电流密度、电解温度同实施例7。电解结束后，电解完成液置于冰箱中，在-2℃条件下结晶90min，过滤，干燥可得丁二酸晶体9.48g，丁二酸纯度91.19％，电解电压7.5-8.4v，电流效率为82.1％，丁二酸还原收率为68.9％。
124.实施例10
125.电解装置、电解方法、电解温度、阴极阳极电流密度、通入电量、水浴温度、硫酸质量浓度同实施例7，顺酸质量浓度为5％，待通电量达到60％，停止水浴，初始电解液温度为10℃；电解结束后，电解完成液置于冰箱中，在；-2℃条件下结晶90min，过滤，干燥可得丁二酸晶体3.53g，丁二酸纯度96.06％，电解电压8.4-9.1v，电流效率为79.76％，丁二酸还原收率为28.2％。
126.实施例11
127.电解装置、电解方法、电解温度、阴极阳极电流密度、通入电量、水浴温度、硫酸质量浓度同实施例7，顺酸质量浓度为9.8％，待通电量达到60％，停止水浴，初始电解液温度为10℃；电解结束后，电解完成液置于冰箱中，在；-2℃条件下结晶90min，过滤，干燥可得丁二酸晶体3.53g，丁二酸纯度96.06％，电解电压8.4-9.1v，电流效率为79.76％，丁二酸还原收率为28.2％。
128.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
129.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性
或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
130.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
131.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
132.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
133.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：

1.筒状嵌入式电化学反应器，其特征在于：包括筒状反应室和设置在所述筒状反应室中的电极；所述筒状反应室包括反应器主体、顶盖以及底盖，所述反应器主体为两端开口的空心筒，所述反应器主体的侧壁上设有连通反应器主体内腔的出液口；所述顶盖和所述底盖分别可拆卸地设置于所述反应器主体的两端开口处；所述顶盖上设有阴极接线口和阳极接线口；所述底盖上设有进液口；所述电极由若干同轴套设在一起的环形柱组成，相邻两层所述环形柱之间、最外层所述环形柱与所述反应器本体内壁之间均留有环状的介质流道；所述环形柱的侧壁打孔，且从内向外，所述孔的位置依次上下循环交替排布，其中最内圈环形柱上方打孔、最外圈的所述环形柱下方打孔；最内圈的环形柱的内腔与所述底盖的进液口连通、上部与供电电源的正极电连接，作为阳极；最外圈的环形柱与供电电源的负极电连接，作为阴极；电流通过串联的电极流过电解槽时，中间各电极的一面为阳极，另一面为阴极。2.如权利要求1所述的筒状嵌入式电化学反应器，其特征在于：所述环形柱根据孔的位置分为阳极和阴极两类，其中上方打孔的环形柱为阳极，下方打孔的环形柱为阴极，且所述阳极和所述阴极上的孔均为电极出液口。3.如权利要求2所述的筒状嵌入式电化学反应器，其特征在于：所述顶盖、所述底盖与所述反应器主体之间通过螺杆、螺母彼此相互连接；所述顶盖的内表面设有数个半径不同但同心的第一环形凹槽；所述的底盖的内表面设有数个半径不同但同心的第二环形凹槽，且所述第二环形凹槽与所述第一环形凹槽一一对应。4.如权利要求3所述的筒状嵌入式电化学反应器，其特征在于：所述环形柱的两端分别卡在相应的所述第一环形凹槽、所述第二环形凹槽中。5.如权利要求1所述的筒状嵌入式电化学反应器，其特征在于：所述电极的材质为铅、铅合金、钛或钛基涂层材料，其中所述铅合金选用的是铅的二元、三元、四元或五元耐强酸合金；所述钛基涂层材料选用钛基钌铑涂层、铱钽涂层、二氧化锰涂层或二氧化锡涂层。6.一种电解系统，其特征在于：包括如权利要求1～5所述的筒状嵌入式电化学反应器、储液槽、循环槽、热交换器和磁力循环泵，所述储液槽的底部出液口与所述循环槽的顶部进液口管道连接，所述循环槽的底部出液口与三通阀的一端连接；所述热交换器设置在循环槽与所述筒状嵌入式电化学反应器的外部；所述三通阀的另一端与流量计的进口管道相连接，所述流量计的出口管道与所述筒状嵌入式电化学反应器的进液口管道连接，所述三通阀的剩余端与阀门相连接；所述筒状嵌入式电化学反应器的出液口与所述循环槽的顶部进液口管道连接。7.如权利要求6所述电解系统的应用，其特征在于，包括以下步骤：(1)配置原始电解液，并将配置好的原始电解液冷却至10-15℃，其中所述原始电解液为质量浓度为3-10％的顺丁烯二酸酐和质量浓度为0-5％的硫酸的混合溶液；(2)将步骤(1)得到的温度稳定后的原始电解液输入筒状嵌入式电化学反应器；控制筒状嵌入式电化学反应器中的温度为45-50℃，电流密度为500-1000a/m2，对电化学反应器中的液体进行通电电解，直至电解液的电解时间满足如下公式时，反应结束，得到最终的电解完成液：t＝0.5466m/ni
ꢀꢀ①
式中t为电解时间(h)；m为顺丁烯二酸酐投料质量(g)；n为阴极的数量，i为实际电解时通入的电流(a)；(3)将步骤(2)获得的电解完成液取出后，经过冷却结晶、过滤、干燥，得到丁二酸固体。8.如权利要求7所述电解系统的应用，其特征在于：所述筒状嵌入式电化学反应器中阴、阳极电流密度之比遵循如下公式：j
阳1
/j
阴2
/j
阳3
/j
阴4
/j
阳5
/j
阴6
/
……
/j
阳n-1
/j
阴n
＝r
n
/r
n-1
/
……
/r6/r5/r4/r3/r2/r1ꢀꢀ②
式中j
阳1
为作为阳极的最内圈环形柱的电流密度，j
阴2
为作为阴极的第二块环形柱的内表面的电流密度，j
阳3
为作为阳极的第二块环形柱的外表面的电流密度，j
阴4
为作为阴极的第三块环形柱的内表面的电流密度，j
阳5
为作为阳极的第三块环形柱的外表面的电流密度，j
阴6
为作为阴极的第四块环形柱的内表面的电流密度，j
阳n-1
为最外层阳极电流密度，j
阴n
为最外层阴极电流密度；r
1-r6分别为对应的电极表面底面圆的半径，r
n-1
为最外层阳极对应电极底面圆半径，r
n
为最外层阴极对应电极底面圆半径；电流密度单位为a/m2。9.如权利要求8所述电解系统的应用，其特征在于：所述的储液槽和循环槽垂直放置，循环槽与筒状嵌入式电化学反应器平行，循环槽低于筒状嵌入式电化学反应器，连接储液槽、循环槽、电化学反应器的管路均采用pvc管或者硅胶管连接。

技术总结

本发明公开了一种筒状嵌入式电化学反应器，包括筒状反应室和设置在筒状反应室中的电极；筒状反应室包括反应器主体、顶盖以及底盖，顶盖和底盖分别可拆卸地设置于反应器主体两端开口处；顶盖上设有阴极接线口和阳极接线口；底盖上设有进液口；电极由若干同轴套设在一起的环形柱组成；最内圈环形柱的内腔与底盖的进液口连通、上部与供电电源的正极电连接；最外圈环形柱与供电电源的负极电连接；本发明还公开了一种电解系统以及电解系统的应用，尤其是在电解合成丁二酸反应中应用。本发明的有益效果是：解决无隔膜电化学反应器电流效率和产率低，一些电解反应需多段电流密度电解的问题。题。题。