现场产生气体的方法和装置

发明领域

本发明涉及一种现场产生气体，特别是但不仅仅是的方法和装 置。

发明背景

有一套用于现场产生的设备有若干好处。被认为是一种有害 物质，其储存和运输需要严格控制管理。此外，也是由于其危险性，运 输含的加压容器很昂贵。这会使采用该气体的生产装置的成本增加。

在一些使用少量的装置中，对能产生较少量体积的现场气体 发生器也有市场需求。这些装置包括水纯化和污水处理厂和冷却塔，所 用水要在这些塔内被氯化。为避免储存大量或粒状或球状固体氯， 这些装置可以利用能现场产生且随用随制型的设备来产生。和 次氯酸钠也可用作消毒剂。

此外，较小的发生器可以用于农村地区，来纯化从小水坝或河流 中汲取的水，使其成为可饮用水。

除了产生的装置外，按随用随制或现场产生原则的产生其它气体 的装置也有一定市场。这些气体包括用作农业土壤杀菌剂且对杀灭土壤 线虫类虫害特别有效的卤素溴。

通过电解方法产生的装置是众所周知的。这些装置由有氯化钠溶 液流过的电解槽阳极产生，在阴极产生氢气和氢氧化钠。

许多上述装置适用于且已用于现场产生。美国专利4308123公开 了一个实例，该实例中，使用了一种阳极和阴极被一个仅能渗透正电荷 的化学阻隔离子交换膜彼此分开的电解槽。阳极室装入酸性氯化钠溶液， 而阴极室装入碱性水溶液。当电流通过电极室时就在阳极产生并在 阴极产生氢氧化钠。所产生的和氢氧化钠可化合成次氯酸钠。

上述装置的缺点是必须有阳极或阴极料罐或储罐及缓冲罐。在不能坚 持进行严格的安全管理的半工业化环境中，这些罐尤其会存在一些潜在 的危险。

并且，许多已知的气体发生器需要电解液循环泵，这些泵需要能源， 且更复杂的还需要控制系统。此外，它们还需要定期维护，在偏远地区， 这将是一个不利之处，尤其是对所产生气体带来潜在危险性。

发明目的

本发明的目标是提供一种至少能部分克服上述缺点地现场产生气体， 特别是的方法和装置。

发明概述

按照本发明，提供一种现场产生气体的方法，包括如下步骤：

a)制成一种在使用中可以离解成正电离子和负电离子的可离解电解 液，其中至少一种电荷离子是气体元素的离子；

b)加热至少一个电解池上游的电解液，利用温差效应使其循环和反 复循环通过管线，并通过一或各个电解槽；

c)在一或各个电解槽的一个电极处的溶液中释放出气体；

d)将释放出的气体和电解液通过至少一个气体分离器，再将气体与 电解液分离，然后将电解液再循环通过电解槽；且

e)不在储罐中储存电解液。

本发明进一步提供通过用一或各个电解槽所产生的气泡夹带方式并 用管线从一或各个电解槽引向基本垂直的一或各个气体分离器，由此提 供一种气举效应，来促进电解液循环的方法

本发明还提供将溶液中电解质的浓度提高的方法，若需要的话，通过 流经电解质盐溶解管(优选为水平安装)的方法用任意的补充水饱和， 以及用新鲜盐替换管内的电解质盐，优选由料斗加入的方法。

本发明进一步提供电解质溶液为金属卤化物，优选是氯化钠或氯化 钾，在电解槽阳极一侧所产生的气体是卤素气体，优选是，且在电 解槽阴极产生氢气和氢氧化钠或氢氧化钾的方法。

本发明进一步提供一或各个电解槽的阳极电解液区和阴极电解液区 被一种只能允许钠或钾离子透过而不允许氯、氢气或氢氧根离子透过的 离子选择性膜，优选为全氟聚合物膜彼此分隔的装置。

本发明进一步提供将水，优选蒸馏水或软化水加入到电解槽阴极侧的 氢氧化钠或氢氧化钾溶液中，以维持钠或钾在阴极电解液溶液中的浓度 的方法。

本发明还提供一种包括将本发明方法所产生的与氢氧化钠或氢 氧化钾混合来生产次氯酸钠或次氯酸钾方法。

本发明还进一步扩大到现场产生气体的装置，包括至少一个有阳极电 解液区和阴极电解液区的电解槽，至少一个区，通过流体管线与流体加 热器连接，使用中，在电解液进入电解槽的所述区之前对其加热，利用 温差效应促进电解液在装置循环通过，电解液可离解成正电离子和负电 离子，其中至少一种离子是气体元素的离子，加热元件可通过流体管线 再与电解液补足设备连接，至少有一个气体分离器，使用中将电解槽内 产生的气体与电解液分离，装置中没有用来储存电解液的储罐。

本发明进一步提供一或各个气体分离器位于一或各个电解槽的上方 操作，它们之间的连接管线基本是垂直方向排列操作，以便于电解液利 用气举效应进行循环操作的装置。

本发明还提供补料设备为基本水平排列的电解液溶解管，来自一或各 个气体分离器的电解液在流入加热元件之前通过此管，盐溶解管与电解 质盐补料斗连接，补料斗装有所需的盐，盐溶解管连接与加热元件相连 的盐分离器，优选为粗滤器，用于在送入加热元件之前除去电解质中的 颗粒盐的装置。

本发明进一步提供电解质为金属卤化物溶液，优选是氯化钠或氯化 钾，在电解槽阳极一侧所产生的气体是卤素气体，优选是，且在电 解槽阴极一侧产生氢气和氢氧化钠或氢氧化钾的装置。

本发明进一步提供一或各个电解槽的阳极电解液区和阴极电解液区 被一种只能允许钠或钾离子透过而不允许氯、氢气或氢氧根离子透过的 离子选择性膜，优选为全氟聚合物膜彼此分隔的装置。

本发明进一步提供将水，优选蒸馏水或软化水加入到电解槽阴极侧的 氢氧化钠或氢氧化钾溶液中，以维持钠或钾在阴极电解液溶液中的浓度 的装置。

本发明还提供一种包括将本发明方法所产生的与氢氧化钠或氢 氧化钾混合来生产次氯酸钠或次氯酸钾装置。

附图简介

下面将参考附图，仅以例举方式描述本发明的一个具体实施方案；

图1为本发明现场产生气体方法的一个具体实施方案的示意图；

图2A到C分别为按图1方法的现场产生气体装置的第一侧视图、第 二侧视图和平面图。

图3A到C分别为图2装置所采用的电解槽组件的正面图、平面图和 局部截面侧视图。

发明详述

参考图1，现场产生气体的方法包括如下步骤：

a)制成第一可离解的氯化钠或盐水电解液(1)，将其通过管线(2) 输送到电解槽(7)的阳极电解液区(3)，第二可离解的碱性水溶液(4) 通过管线(5)输送到电解槽(7)的阴极电解液区(6)，阳极电解液区 和阴阳极电解液区之间被一个只能允许钠离子透过而氯、氢和氢氧根离 子不能渗透的全氟聚合物膜(8)所隔开；

b)在第一可离解电解液(1)输送到电解槽(7)的阳极电解液区(3) 之前对其进行加热，利用温差效应使其能通过管线和电解槽(7)进行循 环和再循环；

c)在阳极电解液区(3)释放出，并在阴极电解液区(6)释放 出氢气；

d)氢气和夹带在电解液中，利用气举手段促进电解液的循环， 并收集(9)和氢气(10)；

e)本方法的的特点在于不用在储罐内储存电解液。

上述实施方案中，电解槽(7)在阳极电解液区(3)有一个阳极且在 阴极电解液区(6)有一个阴极。阳极和阴极分别连接到直流电源(11) 的正负极，在此实施方案中，电源(11)为一个直流整流器。直流整流 器(11)接受来自适当交流电源的交变电流(12)。

随着第一可离解电解液(1)中盐的消耗，要从供盐料斗(14)向基 本水平流向的电解液盐溶解管补加新鲜盐，第一氯化电解液在粗滤、加 热并再循环回电解槽(7)之前循环通过此管，

随着阳极侧溶液的体积消耗，要向系统中加入纯的新鲜盐水(200)。 此新鲜盐水由(201)项补给，其中主要水流经一个单独的类似上面系统 (1)所述的盐溶解管，包括一个单独的盐分离器/粗滤器，只是纯溶液 经过管线(200)送入电解液系统(1)之前，要将这样形成的饱和溶液 通过一个含适当树脂的塔，来去除重金属阴离子杂质。通过加入来自水 源(13)经过水软化单元(15)后的水将第二可离解电解液(4)更新。

除了和氢气外，本方法包括在反应器(16)内生产次氯酸钠。通 过将分别在电解槽(7)的阳极和阴阳极电解液区(3和6)所生成的氯 气和氢氧化钠化合来形成次氯酸钠。一旦生成次氯酸钠就将其储存在储 存设备(17)中。也可将电解槽(7)的阴极电解液区(6)生成的氢氧 化钠取出并储存在储存设备(18)中。

参考图2A、B和C，现场产生的装置(20)包括至少一个有阳极 电解液区和阴极电解液区的电解槽(21)。至少一个区，本方案中是阳极 电解液区通过管线(22)与流体加热器(23)连接，使用中，在电解液 进入电解槽(21)的所述区之前对其加热，利用温差效应促进电解液在 装置循环通过。

电解液可离解成正电离子和负电离子，其中至少一种离子是气体元素 的离子。在此方案中，产生，且当与水接触形成盐酸时，装置 阳极电解液区的电解液变成酸性氯化钠溶液，可离解成正电的钠和氢离 子和负电的氯和氢氧根离子。氯和氢离子与其他类似离子联合形成 和氢气，各自随电解液一起经气体分离器(24和25)循环通过，分别从 电解液中分离出氢气和。在此方案中，氢气是废弃产品，排放到大 气中。则用来或进一步处理，通过同是装置产物的氯与氢氧化钠的 化合来生产次氯酸钠。

每个电解槽(21)被一种只能允许钠离子透过而不允许氯、氢或氢氧 根离子透过的全氟聚合物膜分隔成阳极电解液区和阴极电解液区。该膜 能有效将装置及电解槽分隔成阳极电解液区和阴极电解液区。

电解液通过电解槽(21)的阳极电解液区，在阳极形成，并夹带 在用过的电解液中。夹带的气泡通过气举效应来促进电解液与夹带的气 泡一起循环到分离器(24)。通过分离器(24)后，用过的电解 液流经管线(26)，进入基本水平流向的电解质盐溶解管(27)，由盐料 斗(28)通过料槽(29)向溶解管(27)供盐。电解液在盐溶解管(27) 中进行更新。将更新后的电解液溶液通过盐分离器和粗滤器(30)来除 去盐晶体，再返回到流体加热器进行重复操作。

当电解液通过电解槽(21)的阴极电解液区时，在阴极产生氢气。类 似的情况，氢气泡夹带在电解液中，促进它们循环通过氢气分离器 (25)。移出氢气和氢氧化钠后，加入经塔(31)软化后的水来更新阴极 电解液，再通过电解槽(21)的阴极电解液区。

阴极电解液不象阳极电解那样进行直接加热，而是在电解槽(21)中 与加热的阳极电解液接触被加热。预计在阳极电解液引入电解槽之前加 热到最佳温度能改善气体产生过程的效果。阳极、阴极和加热器的电流 由电网交流电源提供。电流通过一个直流变压器(未示出)供应给阳极 和阴极。

参考图3A、B和C，示出多个图2所用装置串联的详细情况。在此方 案中，有两个电解槽(40)，各自被只能允许钠离子透过而不允许氯、氢 或氢氧根离子透过的全氟聚合物膜(41)分隔。

每个电解槽(40)有一个产生的阳极(42)，和一个产生氢气的 阴极(43)。一系列板用螺栓拧在一起形成电解槽(40)，其中两块端板 (44)上有阳极电解液入口(45)和出口(46)及阴极电解液入口(47) 和出口(48)。内隔板(100)形成逆流，阳极电解液在板的底角流过， 再流过电解槽，从相对的顶角流出，类似方式，阴极电解液由相对阳极 电解液的另一底角进入电解槽，从相对的顶角流出。阳极电解液和阴极 电解液就这样以逆流方式流动，在使用中获得最好效果。用支撑板(101) 和螺栓(102)拧在一起成为完整组件。

在不背离本发明宗旨的前提下，可以对上述本发明方案作一些适当改 动。实际上，方案描述了产生和氢气的方法和装置。同样的装置可 以用于产生溴气，或者实际上可用于产生任何能通过电解反应生产的气 体。