陰極電解液熱回收蒸發(fā)器及使用方法
【專利說明】陰極電解液熱回收蒸發(fā)器及使用方法
[0001]本申請是申請日2009 年 8 月 7 日，申請?zhí)?200980140334.6 (PCT/US2009/004535)，發(fā)明名稱為“陰極電解液熱回收蒸發(fā)器及使用方法”的發(fā)明專利申請的分案申請。
[0002]相關(guān)申請的交叉引用
[0003]本申請要求2008年8月7日提交的標(biāo)題為“Catholyte Heat RecoveryEvaporator and Method of Use (陰極電解液熱回收蒸發(fā)器及使用方法)”的美國專利申請序號12/221，878的優(yōu)先權(quán)益。
發(fā)明領(lǐng)域
[0004]本發(fā)明涉及一種回收作為一個(gè)過程的副產(chǎn)物所產(chǎn)生的熱用作另一過程中的熱源的方法。本發(fā)明的一個(gè)特別的實(shí)施例涉及一種自來自膜槽過程的陰極電解液循環(huán)流回收熱用來減少多效蒸發(fā)步驟中的加熱公用工程消耗的方法。
[0005]發(fā)明背景
[0006]電解槽和槽膜(cell membranee)技術(shù)已存在許多年。電解槽的功能是產(chǎn)生茍1性堿水溶液產(chǎn)物，例如苛性鈉(NaOH)。
[0007]電解槽產(chǎn)生苛性堿水溶液產(chǎn)物(具體而言，苛性鈉)的方法如下。使用鹽水來產(chǎn)生苛性鈉、氫氣和氯氣。如圖1中所示，電解槽5具有陽極15和陰極25及陽極15和陰極25之間的槽膜30。槽膜30的使用在電解槽5內(nèi)創(chuàng)建了陽極室10和陰極室20。
[0008]鹽水通過管線50進(jìn)給到電解槽5內(nèi)陽極室10中。水通過管線35進(jìn)給到電解槽5內(nèi)陰極室20中。當(dāng)電流流經(jīng)電解槽5時(shí)，鹽水中的氯離子以氯氣形式聚集在陽極室10中陽極15周圍。來自鹽水的鈉離子聚集在陰極25周圍并與水反應(yīng)形成苛性鈉和氫氣，氫氣聚集在陰極室20中。氯氣和廢鹽水分別通過管線42和管線40從陽極室10除去?？列遭c水溶液(或陰極電解液)和氫氣分別通過管線45和管線44從陰極室20除去。
[0009]但電解槽所產(chǎn)生的苛性堿水溶液產(chǎn)物的濃度通常不夠高而不能滿足顧客需要或不能有效地用在其他過程中。因此，所述苛性堿水溶液產(chǎn)物必須被濃縮至高于陰極電解液濃度的濃度水平以便可合格地出售或用在其他過程中。例如，許多顧客要求其苛性鈉(或NaOH)水溶液具有約50% NaOH的濃度，但來自電解槽的NaOH濃度約為32% NaOH。
[0010]電解槽中為產(chǎn)生苛性堿水溶液產(chǎn)物所用的電將釋放熱，所述熱被槽內(nèi)的物質(zhì)所吸收，從而提高其溫度。因此，來自槽的陰極室的陰極電解液和來自槽的陽極室的陽極電解液的溫度高于進(jìn)入槽的物質(zhì)的溫度。通常，自陰極室除去的陰極電解液被分成兩個(gè)流，一個(gè)與加入以便稀釋的水一道循環(huán)回陰極室，一個(gè)被濃縮并作為產(chǎn)品出售或用在設(shè)備內(nèi)的另一過程中。但在循環(huán)的陰極電解液可被返回到槽之前，必須除去因電解所增加的熱而降低陰極電解液的溫度。這往往通過使用冷卻水經(jīng)換熱器做到。
[0011]此外，為濃縮苛性堿水溶液流，要用熱(通常來自蒸汽)使之蒸發(fā)以除去過量的水。沸點(diǎn)升高是每一苛性堿溶液的物理性質(zhì)，隨濃度增加而增高并隨真空增加而降低。因此，苛性鈉的濃度越高，為使過量的水從苛性水溶液中進(jìn)一步蒸發(fā)所需的溫度也越高。
[0012]苛性堿水溶液的濃縮已通過若干不同的方法進(jìn)行，包括多效蒸發(fā)器、系列蒸發(fā)器或單個(gè)蒸發(fā)器。大多數(shù)工廠使用蒸汽作為多效蒸發(fā)器中的加熱源。
[0013]Kazihara的美國專利4，090, 932披露了一種從陰極電解液循環(huán)管線回收熱并使用其作為濃縮過程的熱源的方法。但如果沒有過度的實(shí)驗(yàn)，則所披露的方法將不能奏效且不能容易地改進(jìn)。Kazihara所披露的設(shè)計(jì)為何不奏效或不可行的原因有若干。具體而言，循環(huán)的陰極電解液流速過高、氣壓冷凝器的設(shè)計(jì)不正確且陰極電解液換熱器的設(shè)計(jì)很勉強(qiáng)。
[0014]首先，再循環(huán)的陰極電解液流速過高。在所披露的方法中，所給實(shí)施例要求循環(huán)陰極電解液流量比待濃縮的陰極電解液流量高約26倍。當(dāng)前的槽設(shè)計(jì)要求循環(huán)的陰極電解液低于待濃縮陰極電解液的8倍。因此，Kazihara設(shè)計(jì)所要求的循環(huán)是當(dāng)前的槽設(shè)計(jì)所允許的3倍以上。由于該流量是當(dāng)前的槽技術(shù)不可接受的，故Kazihara設(shè)計(jì)指定的陰極電解液高循環(huán)速率不可行。
[0015]其次，氣壓冷凝器的設(shè)計(jì)不正確。Kazihara或者給出了不正確的沸點(diǎn)升高或者未允許氣壓冷凝器的傳熱有足夠的最低溫度驅(qū)動力。沸點(diǎn)升高是任何沸騰液體的物理性質(zhì)。在大氣壓力下，水于212° F沸騰，而50% NaOH的沸點(diǎn)為290° F，因此，50% NaOH的沸點(diǎn)升高為78° F(290° F-212。F)。此外，在大氣壓力下自50 % NaOH蒸發(fā)的水蒸氣可在212° F下冷凝，此溫度定義為飽和蒸氣溫度(也稱露點(diǎn))。在高真空下，此時(shí)水于95° F下沸騰，50% NaOH的沸點(diǎn)為165° F，故50% NaOH的沸點(diǎn)升高為70° F(165° F-95° F)。在此高真空下自50% NaOH蒸發(fā)的水蒸氣可在95° F(飽和蒸氣溫度)下冷凝。
[0016]Kazihara 在專利 4，090，932 圖 6 中指出 50% NaOH 的沸點(diǎn)為 74°C (165° F)，冷卻水于30°C (86° F)進(jìn)入氣壓冷凝器并于34°C (93° F)離開。為了在氣壓冷凝器中冷凝水蒸氣，離開的冷卻水與飽和蒸氣溫度間的溫差必須至少為6° F。這表明Kazihara為50%NaOH選擇的沸點(diǎn)升高為66° F(165° F-93° F_6° F = 66° F (37°C ))而不是已公布的數(shù)據(jù)所支持的70° F，或者Kazihara在離開的冷卻水與飽和蒸氣溫度間選擇了 2° F的溫差，這樣才會用到為70° F的正確的沸點(diǎn)升高(165° F-93° F-2° F = 70° F(37°C))?；蛘呤欠悬c(diǎn)升高的計(jì)算不正確，或者是給出了不正確的溫度驅(qū)動力。不管是何者，氣壓冷凝器均不能像所指定的那樣設(shè)計(jì)。
[0017]第三，陰極電解液換熱器的設(shè)計(jì)很勉強(qiáng)。即便50% NaOH保持在165° F(74°C )，Kazihara所披露的設(shè)計(jì)實(shí)際上也不能工作。在圖6中，Kazihara指出陰極電解液溫度為90 0C (194° F)，(從陰極電解液換熱器(6))到蒸發(fā)器的溫度為86°C (187° F)。這意味著換熱器該端上的溫差(ΔΤ)為194° F-187° F = 7° F。給出的循環(huán)速率表明，Kazihara確實(shí)預(yù)期在換熱器的兩端上保持7° F的AT。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是在陰極電解液換熱器的各端上保持至少10° F的AT。設(shè)計(jì)為AT小于10° F的陰極電解液換熱器趨于過大，此外難以操作。
[0018]總之，這是不切實(shí)際的設(shè)計(jì)，存在三大問題。此外，為解決這些問題中的一個(gè)所做的任何改變將使其他問題變得更糟。Kazihara披露的發(fā)明的所有實(shí)施方案存在相似的問題，因?yàn)樵谒星闆r下其均試圖將來自循環(huán)的陰極電解液的熱傳向50%的NaOH。
[0019]Ogawa的美國專利4，105，515披露了一種電解堿金屬鹵化物的方法，其中電解槽保持在高于大氣壓的壓力下并含多段雙效蒸發(fā)器以濃縮陰極電解液。首先，現(xiàn)有技術(shù)電解槽不在高于大氣壓下運(yùn)行。其次，所述披露僅允許NaOH濃縮至43% NaOH,出于運(yùn)輸和裝卸考慮，將其作為產(chǎn)品出售是不經(jīng)濟(jì)的。大多數(shù)情況下需要約50% NaOH的較高濃度。第三，如果槽壓力不高于大氣壓，則所披露的程序?qū)⒉荒苷_地運(yùn)行或給出所需的結(jié)果。
[0020]本發(fā)明可減少用來濃縮自電解槽生成的陰極電解液的蒸汽的量，同時(shí)回收電解槽所生成的熱，并使循環(huán)速率保持約8倍于被濃縮的速率。本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施方案還可提高使用現(xiàn)有裝置時(shí)的產(chǎn)量。
[0021]發(fā)明概述
[0022]氫氧化鈉(NaOH)，也稱苛性鈉，用于眾多工業(yè)中，其中的一些包括制漿和造紙、紡織、飲用水、皂和洗滌劑。其也是化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中最常使用的堿。苛性鈉既可以水溶液出售，又可以固體出售。出于運(yùn)輸和裝卸考慮，大多數(shù)苛性鈉以至少50% NaOH的水溶液出售。
[0023]產(chǎn)生水溶液的一種方法是使用膜槽工藝，其中陽離子膜介于槽內(nèi)陰極和陽極之間。鹽水被進(jìn)給到槽中陽極室內(nèi)，水被進(jìn)給到陰極室內(nèi)。當(dāng)槽通電時(shí)，鹽水內(nèi)的氯化鈉(NaCl)將被分離，氯離子聚集在陽極周圍，鈉離子穿過陽離子膜并聚集在陰極周圍。在穿過膜后，鈉離子將與水反應(yīng)而形成氫氣和苛性鈉。陽極處的氯離子形成氯氣。
[0024]當(dāng)前的膜槽技術(shù)已決定了有效的槽運(yùn)行產(chǎn)生約32% NaOH且溫度為約190° F的苛性鈉水溶液陰極電解液。由于吸收了通過陰極和陽極的電所生成的熱，故陰極電解液的出口溫度高于鹽水和水的入口溫度。此外，有效的膜槽運(yùn)行提供了循環(huán)管線，其中部分自槽除去的陰極電解液被返回到槽。該循環(huán)速率應(yīng)低于除去以進(jìn)行濃縮的速率的8倍。但在重新引入到槽之前，循環(huán)的陰極電解液必須經(jīng)冷卻以除去增加的熱。
[0025]在部分陰極電解液被循環(huán)回槽的同時(shí)，剩余部分將通過除去過量的水而得到濃縮。濃縮過程通過單效或多效蒸發(fā)器系統(tǒng)和陰極電解液熱回收蒸發(fā)器步驟實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前的蒸發(fā)器技術(shù)已決定了最多三效可用來濃縮陰極電解液至約50% NaOH。陰極電解液熱回收蒸發(fā)器步驟涉及一個(gè)或多個(gè)換熱器、一個(gè)或多個(gè)閃蒸室和/或一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)器體(evaporator body)及表面冷凝器或氣壓冷凝器。
[0026]在一個(gè)實(shí)施方案中，待濃縮的陰極電解液流經(jīng)三效蒸發(fā)器的第三效，經(jīng)過陰極電解液熱回收蒸發(fā)器步驟，經(jīng)過第二效蒸發(fā)器，然后經(jīng)過第一效蒸發(fā)器。通過各效及陰極電解液熱回收蒸發(fā)器，水被蒸發(fā)，NaOH的濃度增大。在各效及陰極電解液熱回收蒸發(fā)器步驟過程中，陰極電解液被加熱而蒸發(fā)水。
[0027]在第一效中，熱源為冷凝蒸汽。在第二效中，熱源為自第一效釋放的冷凝水蒸氣。在第三效中，熱源為自第二效釋放的冷凝水蒸氣。在陰極電解液熱回收蒸發(fā)器步驟中，熱源為循環(huán)的陰極電解液。因此，所釋放的蒸氣和苛性鈉水溶液以相反的方向流動。
[0028]此外，來自第一效的50% NaOH被用作進(jìn)入第一效和進(jìn)入第二效的苛性鈉水溶液的預(yù)熱器換熱器的熱源。自第一效冷凝的蒸汽被用作進(jìn)入第一效和進(jìn)入第二效的苛性鈉水溶液的預(yù)熱器換熱器的熱源。已自第二效冷凝的水蒸氣被用作進(jìn)入第二效的苛性鈉水溶液的預(yù)熱器換熱器的熱源。
[0029]通過自回到槽的陰極電解液循環(huán)管線及來自各效的冷凝物管線回收熱，整個(gè)過程的加熱成本將降低。此外，通過向現(xiàn)有的蒸發(fā)器系統(tǒng)增加陰極電解液熱回收蒸發(fā)，與無陰極電解液熱回收蒸發(fā)器步驟的系統(tǒng)相比，各效為達(dá)到所需濃度所需的蒸發(fā)的量將減少，從而提尚增廣的潛力。
[0030]在另一實(shí)施方案中，陰極電解液熱回收蒸發(fā)器步驟先于第三效。待濃縮的陰極電解液進(jìn)入閃蒸室，其將因壓力降低而沸點(diǎn)降低，從而使蒸氣可被除去，并通過被循環(huán)回膜槽(membrane cel I)的陰極電解液所加熱的閃