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一种叠层式电化学反应器及其在电解合成丁二酸中的应用的制作方法

2021-09-25 03:29:00 来源:中国专利 TAG:

一种叠层式电化学反应器及其在电解合成丁二酸中的应用
(一)技术领域
1.本发明涉及一种叠层式电化学反应器及其在电解合成丁二酸中的应用。
(二)技术背景
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。随着聚丁二酸丁二醇酯(pbs)产量的不断提高,使得其原料丁二酸的需求量不断攀升。
3.电化学反应器作为有机电化学合成装置的核心,按照反应器结构可分为三类:箱式电化学反应器、压滤机式电化学反应器、特殊结构的电化学反应器。其中箱式和压滤机式电化学反应器是结构最简单应用范围最为广泛的电化学反应器,但是这两种反应器都存在各自的缺点。箱式电化学反应器和压滤机式电化学反应器时间

空间产率都比较低,无法适应大规模连续生产,而且箱式电化学反应器无法适用于要求严格控制传质过程的生产。因此为了适用不同的电化学合成的工艺要求,电化学工作者设计了一系列的特殊结构的电化学反应器,如毛细间隙、旋转电极、固定床、流化床、spe电化学反应器等来满足不同的反应要求。三维电化学反应器具有比电极面积大的特点,可以在不提高电流密度的前提下获得较高的时空产率,被广泛用于污水处理(如cn111661985a和cn111517428a)和一些电化学电解(如cn111115924a)。
4.目前为止,应用电化学法生产丁二酸最广泛的方法是以顺丁烯二酸酐为原料进行阴极还原加氢法,且已开发出了多种电化学合成丁二酸的技术(如cn2158409y和cn2651267y)。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。因此开发一种新型的电化学反应器对工业生产尤为重要。
(三)

技术实现要素:

5.本发明为了解决板框槽以及固定床电化学反应器存在的体积利用率低、能耗高、容易因结晶而短路等问题,提供了一种叠层式电化学反应器。
6.本发明要解决的第二个技术问题是提供所述叠层式电化学反应器在电解合成丁二酸中的应用。
7.为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
8.第一方面,本发明提供了一种叠层式电化学反应器,所述反应器包括:带阴极接线口以及温度计孔的顶盖、带有进液口以及阳极连接口的底盖、位于顶盖和底盖之间的带有出液口的反应器主体、阴极和阳极板;
9.所述顶盖和底盖与反应器主体之间通过螺纹或者法兰连接;
10.所述的阳极板为内侧有孔的金属板,并由反应器主体与底盖之间的螺纹挤压固定
或者螺钉固定,所述阳极导线通过底盖上的阳极连接口引出;所述阳极板上孔径为1

5mm,孔隙率30%

80%;
11.所述的阴极由阴极串联器和1

30片阴极网组成,所述的阴极串联器由阴极连接杆与塑料孔板组成,所述阴极连接杆的一端与塑料孔板连接,所述阴极连接杆穿过各阴极网使各阴极网呈堆叠式排列,并且相邻两片阴极网通过由阴极材料所做的垫片隔开一定间距,并由最后一片阴极网外部的螺母进行压紧,通过接触进行阴极网之间的导电;所述阴极导线通过阴极连接杆经由顶盖上的阴极接线口引出;所述阴极网的孔径1

5mm,孔隙率为30%

80%,相邻两片阴极网的间距为0.1

5mm;
12.所述阴极位于阳极板上方并且所述阴极与阳极板之间由阴极连接杆一端的塑料孔板隔开,所述塑料孔板的厚度为0.5

2mm。该塑料孔板能降低槽压,塑料孔板越薄槽压降低越多。
13.本发明所述的叠层式电化学反应器主体是圆柱体,但不仅限于圆柱体,也可以是长方体、正方体、多边体以及一些特殊形状。所述阳极板和阴极网的形状和面积由反应器主体的截面决定,单片阳极板和阴极网的面积等于反应器主体截面积。
14.本发明所述阳极为网状,既作为电极又起到分流作用。作为优选,所述阳极的材质为铅、铅合金、钛或钛基涂层材料;所述铅合金选用铅的三元、四元或五元耐强酸合金,如铅钙锡合金,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。
15.作为优选,所述阴极网为铅网或钛网。
16.作为优选,所述内侧有孔的金属板的厚度为1

10mm;所述阴极网的厚度为0.1

5mm。
17.作为优选,所述内侧有孔的金属板使用内侧有孔的dsa电极,其孔径为2mm,孔隙率50%;所述阴极网使用纯钛网,其孔径2.5mm,孔隙率70%;阴极网的总张数为15,相邻两张阴极网之间的间距为1mm。
18.作为优选,所述底盖上的阳极连接口为小螺纹孔,顶部带有弹簧的钛螺钉拧在底盖小螺纹孔上,所述阳极导线由钛螺钉引出。
19.作为优选,所述阴极连接杆与塑料孔板所在平面垂直。
20.第二方面,本发明提供了所述叠层式电化学反应器在电解合成丁二酸中的应用,所述应用包括以下步骤:
21.1)将原始电解液加热至45~55℃,其中所述的原始电解液为质量浓度5

20%的顺丁烯二酸酐和质量浓度3

15%的硫酸的混合溶液;
22.2)将步骤1)得到的加热后的原始电解液输入叠层式电化学反应器;
23.3)控制叠层式电化学反应器中的温度为40~60℃、电流密度为200~1500a/m2,对叠层式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以下公式时,反应结束,得到最终的电解完成液:
24.t=0.5466m/i
ꢀꢀꢀ
(1)
25.式中t为电解时间(h);m为顺丁烯二酸酐投料质量(g);i为实际电解时通入的电流(a);
26.4)将步骤3)获得的电解完成液取出后,经冷却结晶、过滤、干燥,得到丁二酸。
27.作为优选,所述叠层式电化学反应器中阴、阳极电流密度之比遵循如下公式:
28.j

/j

=nh

(1

η

)/h

(1

η

)
ꢀꢀꢀ
(2)
29.式中j

为叠层式电化学反应器阳极的电流密度(a/m2);j

为叠层式电化学反应器阴极的电流密度(a/m2);h

为阳极板厚度;h

为单片阴极网厚度;n为阴极网片数。
30.作为优选,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叠层式电化学反应器的出液口溢流回循环槽并加热至45~55℃,并经磁力循环泵使电解液在循环槽、叠层式电化学反应器之间循环,直至电解完全。
31.作为进一步的优选,所述应用在叠层式电化学反应装置中进行,所述叠层式电化学反应装置包括叠层式电化学反应器、贮液槽、循环槽、热交换器、磁力循环泵,所述的贮液槽的出液口与所述的循环槽顶部进液口管道连接,所述的循环槽的底部出液口与磁力循环泵的进液口管道连接;热交换器设置在循环槽与叠层式电化学反应器外部;磁力循环泵的出液口与三通阀的一端连接,三通阀的另一端与流量计的进口管道相连接,流量计出口管道与所述的叠层式电化学反应器的底盖上的进液口管道连接,三通阀的剩余端与阀门相连接进行放液;所述叠层式电化学反应器的出液口与循环槽顶部进液口管道连接。
32.作为更进一步的优选,所述贮液槽与循环槽垂直放置,所述叠层式电化学反应器与循环槽平行放置且叠层式电化学反应器高度要高于循环槽高度,并且贮液槽、叠层式电化学反应器、循环槽之间的管路均采用耐强酸的pvc管或者硅胶管连接。
33.作为更进一步的优选,述叠层式电化学反应器的出液口与循环槽的顶部进液口之间还设置有缓冲器,以降低溶液流速,有利于气体分离。
34.作为优选,步骤1)的原始电解液中,顺丁烯二酸酐的质量浓度为9.8%,硫酸质量浓度为5%。
35.作为优选,步骤3)中,电解温度为50℃,阳极电流密度为1200a/m2。
36.与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
37.(1)本发明的叠层式电化学反应器,电极面积大,电流密度分布均匀,阴、阳极电流密度比可以方便,并提出了公式进行计算;大的电极面积使得电流密度降低,解决了传统固定床电解合成丁二酸需要分段电解的问题;
38.(3)本发明的叠层式电化学反应器,网孔大小可调解决了电解合成丁二酸过程中气体析出不通畅导致电极有效面积减少的问题。
39.(4)本发明的叠层式电化学反应器,通过调节叠层之间的间距和电极我网孔大小减少吸氧反应的影响。
40.(5)本发明的叠层式电化学反应器,通过调节阴极杆顶端塑料孔板厚度一定程度上控制槽压,解决了以母液套用的方式电解合成丁二酸的过程中因晶体析出导致的短路及槽压过高的问题。
41.(6)本发明的叠层式电化学反应器,所述阴极与阳极之间有连接杆顶部的塑料孔板隔开,间距为0.5

2mm,降低了槽压,在一定程度上降低了能耗,明显优于传统板框槽。
(四)附图说明
42.图1是本发明具体实施方式采用的叠层式电化学反应器的示意图(箭头代表液体流动方向);其中,1

贮液槽,2

循环槽,3

热交换器,4

磁力循环泵,5

三通阀,6

内衬四氟
转子流量计,7

叠层式电化学反应器,8

缓冲器。
43.图2是本发明具体实施方式采用的叠层式电化学反应器的结构示意图,其中,9

底盖,10

反应器主体,11

顶盖,12

进液口,13

阳极接线口,14

出液口,15

阴极接线口,16

温度计口。
44.图3是本发明具体实施方式采用的叠层式电化学反应器一些组成部分的结构示意图,其中,9

底盖,17

阴极串联器,18

阳极板,19

阴极网。
45.图4是实施例10的液相色谱图。
(五)具体实施方式
46.参照附图2和3,一种叠层式电化学反应器7,包括:带阴极接线口15以及温度计孔16的顶盖11、带有进液口12以及阳极连接口13(带有内螺纹)的底盖9、位于顶盖11和底盖9之间的带有出液口14的反应器主体10、阴极18和阳极板19;
47.所述顶盖11和底盖9与反应器主体10之间通过螺纹或者法兰连接;
48.所述的阳极板18为内侧有孔的金属板,并由反应器主体10与底盖9之间的螺纹挤压固定或者螺钉固定,所述底盖9上的阳极接线口13为小螺纹孔,顶部带有弹簧的钛螺钉拧在底盖9的小螺纹孔上,所述阳极导线由钛螺钉引出;所述阳极板18为圆形,其直径为10

1000mm,阳极板上孔径为1

5mm,孔隙率30%

80%;
49.所述的阴极由阴极串联器17和若干片阴极网19组成,所述的阴极串联器17由阴极连接杆与塑料孔板组成,所述阴极连接杆的一端与塑料孔板连接并且阴极连接杆与塑料孔板所在平面垂直,所述阴极连接杆穿过各阴极网19使各阴极网18呈堆叠式排列,并且相邻两片阴极网19通过由阴极材料所做的垫片隔开一定间距,并由最后一片阴极网19外部的螺母进行压紧,通过接触进行阴极网19之间的导电;所述阴极导线通过阴极连接杆经由顶盖10上的阴极接线口14引出;所述阴极网19为圆形,其直径10

1200mm,阴极网19的孔径1

5mm,孔隙率为30%

80%,相邻两片阴极网18的间距为0.1

5mm;
50.所述阴极位于阳极板18上方并且所述阴极与阳极板17之间由阴极连接杆一端的塑料孔板隔开,所述塑料隔板的厚度为0.5

2mm。
51.参照附图1,一种用于电解合成丁二酸的叠层式电化学反应装置,包括叠层式电化学反应器7、贮液槽1、循环槽2、热交换器3、磁力循环泵4,所述的贮液槽1的出液口与所述的循环槽2顶部进液口管道连接,所述的循环槽2的底部出液口与磁力循环泵4的进液口管道连接;热交换器3设置在循环槽2与叠层式电化学反应器7外部;磁力循环泵4的出液口与三通阀5的一端连接,三通阀5的另一端与流量计6进口管道相连接,流量计出口管道与所述的叠层式电化学反应器7的底盖9上的进液口12管道连接,三通阀5的剩余端与阀门相连接进行放液,所述叠层式电化学反应器7的出液口13与缓冲器8进液口管道连接,所述缓冲器8的出液口与循环槽2的顶部进液口管道连接;
52.所述贮液槽1与循环槽2垂直放置,所述叠层式电化学反应器7与循环槽2平行放置且叠层式电化学反应器7高度要高于循环槽2高度,并且贮液槽1、叠层式电化学反应器7、循环槽2之间的管路均采用耐强酸的pvc管或者硅胶管连接。
53.结合附图1、图2、图3,本发明的实施例提供了一种电解合成丁二酸的方法,按照如下步骤实施:
54.1)在贮液槽1中配制原始电解液,使之通入循环槽2,利用热交换器3将循环槽2中的原始电解液加热至45~55℃;
55.2)利用磁力循环泵将循环槽2中加热后的原始电解液输入叠层式电化学反应器6;
56.3)通过热交换器3控制叠层式电化学反应器7中的温度和电流密度,对叠层式电化学反应器7中的液体进行通电电解,使未完全电解的电解液经叠层式电化学反应器7的出液口14溢流回循环槽2加热至45~55℃,并经磁力循环泵4使电解液在循环槽2、叠层式电化学反应器7之间循环,直至电解液的电解时间满足以下公式时,反应结束,得到最终的电解完成液:
57.t=0.5466m/i
ꢀꢀꢀ
(1)
58.式中t为电解时间(h);m为顺丁烯二酸酐投料质量(g);i为实际电解时通入的电流(a);
59.所述叠层式电化学反应器7中阴、阳极电流密度之比遵循如下公式:
60.j

/j

=nh

(1

η

)/h

(1

η

)
ꢀꢀꢀ
(2)
61.式中j

为叠层式电化学反应器阳极的电流密度(a/m2);j

为叠层式电化学反应器阴极的电流密度(a/m2);h

为阳极板厚度;h

为单片阴极网厚度;n为阴极网片数;
62.4)将步骤3)获得的电解完成液由三通阀5取出后,经冷却结晶、过滤、干燥,得到丁二酸。
63.实施例1
64.采用去离子水配制350g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5%,阴极材质为钛网,阳极为钛基涂钌铱电极。电解液温度控制在50℃;阴极叠层数为1;阴极和阳极网孔径分别为2mm和2.5mm,空隙率均为50%,单片厚度均为1mm,阳极电流密度为1000a/m2,j

/j

=1:1;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贮液槽进料至循环槽,经磁力循环泵使电解液形成循环的闭合回路,温度计示数稳定在50℃时开始通电电解。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29.27g,丁二酸纯度99.47%,电解电压2.20

2.50v,电流效率为72.1%,丁二酸还原收率为72.1%。
65.实施例2
66.电解装置、电解方法、电解温度、阳极电流密度、阴极和阳极孔隙率、孔径,单片厚度、通入电量、电解液初始组成及质量同实施例1;阴极叠层数为3,阴极叠层间距为1mm,j阳/j阴=3:1;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30.12g,丁二酸纯度99.43%,电解电压2.25

2.2.55v,电流效率为74.2%,丁二酸还原收率为74.2%。
67.实施例3
68.电解装置、电解方法、电解温度、阳极电流密度、阴极和阳极孔隙率、孔径,单片厚度、阴极叠层间距、通入电量、电解液初始组成及质量同实施例2;阴极叠层数为5,j

/j

=5:1;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30.82g,丁二酸纯度99.61%,电解电压2.20

2.48v,电流效率为75.9%,丁二酸还原收率为75.9%。
69.实施例4
70.电解装置、电解方法、电解温度、阳极电流密度、通入电量、阴极和阳极网孔隙率、单片厚度,网孔径、电解液初始组成及质量同实施例2;阴极叠层数为7,两叠层间距为0.5mm,j

/j

=7:1;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31.14g,丁二酸纯度99.41%,电解电压2.18

2.44v,电流效率为76.7%,丁二酸还原收率为76.7%。
71.实施例5
72.电解装置、电解方法、电解温度、阴、阳极网孔隙率、单片厚度,网孔径、电解液初始组成及质量同实施例2;阴极叠层数为7,两叠层间距为0.5mm,阳极电流密度1200a/m2,j

/j

=7:1;电解通电量为理论电量的100%。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30.96g,丁二酸纯度99.71%,电解电压2.25

2.57v,电流效率为76.3%,丁二酸还原收率为76.3%。
73.实施例6
74.电解装置、电解方法、电解温度、阳极电流密度、阴、阳极孔隙率、单片电极厚度、单片电极厚度和电极网孔径、通入电量、电解液初始组成及质量同实施例4;阴极叠层数为7,叠层间距为1mm,j

/j

=7:1。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31.32g,丁二酸纯度99.52%,电解电压2.17

2.55v,电流效率为77.1%,丁二酸还原收率为77.1%。
75.实施例7
76.电解装置、电解方法、电解温度、阴、阳极网孔径和单片电极厚度、阳极电流密度、阴极叠层间距、通入电量、电解液初始组成及质量同实施例4;阴极叠层数为9,叠层间距1mm,阴极空隙率70%,阳极孔隙率50%,j

/j

=5.4:1;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31.42g,丁二酸纯度99.60%,电解电压2.20

2.50v,电流效率为77.4%,丁二酸还原收率为77.4%。
77.实施例8
78.电解装置、电解方法、电解温度、阳极电流密度、阴、阳极单片厚度和网孔径、通入电量、电解液初始组成及质量同实施例4;阴极叠层数为11,两叠层间距为1mm;阴、阳极网孔隙率都为50%;j

/j

=11:1。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31.17g,丁二酸纯度99.53%,电解电压2.28

2.62v,电流效率为76.8%,丁二酸还原收率为76.8%。
79.实施例9
80.电解装置、电解方法、电解温度、阳极电流密度、阴、阳极单片厚度和网孔径、通入电量、电解液初始组成及质量同实施例4;阴极叠层数为15,叠层间距1mm阴极网孔隙率为70%,阳极网孔隙率为50%,j

/j

=9:1;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31.97g,丁二酸度99.63%,电解电压2.05

2.43v,电流效率为78.9%,丁二酸还原收率为78.9%。
81.实施例10
82.电解装置、电解方法、电解温度、阳极电流密度、阴、阳极单片厚度和网孔径、通入电量、电解液初始组成及质量同实施例4;阴极叠层数为16,叠层间距1mm阴极网孔隙率为70%,阳极网孔隙率为50%,j

/j

=9.6:1;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31.75g,丁二酸度99.65%,电解电压2.14

2.53v,电流效率为78.2%,丁二酸还原收率为78.2%。
83.实施例11:
84.母液循环套用试验:
85.(1)第一次母液套用电解:取实施例4中抽滤完丁二酸的滤液作为母液,补加顺丁烯二酸酐34.3g,加去离子水定量至350g,由此配制完成电解液。电解装置、电解方法、阴、阳极单片厚度、孔隙率和网孔径、电流密度、阴极叠层数、阴极叠层间距、电解温度同实施例4。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36.21g,丁二酸纯度99.53%,电解电压2.22

2.55v,电流效率为89.10%,丁二酸还原收率为89.10%。
86.(2)第二次母液套用电解:取第一次母液套用电解的滤液作为母液,补加顺丁烯二酸酐34.3g,加去离子水定量至350g,由此配制完成电解液。电解装置、电解方法、阴、阳极单片厚度、孔隙率和网孔径、电流密度、通入电量、电解温度同实施例5。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37.82g,丁二酸纯度99.63%,电解电压2.15

2.53v,电流效率为93.15%,丁二酸还原收率为93.15%。
87.(3)第三次母液套用电解:取第二次母液套用电解的滤液作为母液,补加顺丁烯二酸酐34.3g,加去离子水定量至350g,由此配制完成电解液。电解装置、电解方法、阴、阳极单片厚度、孔隙率和网孔径、电流密度、通入电量、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38.24g,丁二酸纯度99.15%,电解电压2.26

2.59v,电流效率为94.19%,丁二酸还原收率为94.19%。
88.(4)第四次母液套用电解:取第三次母液套用电解的滤液作为母液,补加顺丁烯二酸酐34.3g,加去离子水定量至350g,由此配制完成电解液。电解装置、电解方法、阴、阳极单片厚度、孔隙率和网孔径、电流密度、通入电量、电解温度同实施例8。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39.43g,丁二酸纯度99.32%,电解电压2.03

2.43v,电流效率为97.12%,丁二酸还原收率为97.12%。
89.(5)第五次母液套用电解:取第四次母液套用电解的滤液作为母液,补加顺丁烯二酸酐34.3g,加去离子水定量至350g,由此配制完成电解液。电解装置、电解方法、阴、阳极单片厚度、孔隙率和网孔径、电流密度、通入电量、电解温度同实施例8。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39.62g,丁二酸纯度99.41%,熔点185.0℃,电解电压2.04

2.42v,电流效率为97.59%,丁二酸还原收率为97.59%。
90.(6)第六次母液套用电解:取第五次母液套用电解的滤液作为母液,补加顺丁烯二酸酐34.3g,加去离子水定量至350g,由此配制完成电解液。电解装置、电解方法、阴、阳极单片厚度、孔隙率和网孔径、电流密度、通入电量、电解温度同实施例8。电解结束后,电解完成液置于冰箱中,在0℃条件下结晶75min,过滤,干燥可得丁二酸晶体39.83g,丁二酸纯度99.38%,电解电压2.06

2.43v,电流效率为98.10%,丁二酸还原收率为98.10%。
91.表1:实施例1

10实验参数及结果
[0092][0093]
表2:实施例9实验参数及结果
[0094][0095]
再多了解一些

本文用于企业家、创业者技术爱好者查询,结果仅供参考。

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