[发明专利]一种自带换热石墨填充复极式电解合成丁二酸装置

说明书

本发明属于电解装置领域，公开一种自带换热石墨填充复极式电解合成丁二酸装置。复极式电极由铅合金框体、铅合金篮筐、填充石墨颗粒和冷却系统组成；铅合金框体一侧面为工作电极(阴极)；另一侧焊接铅合金篮筐，填充石墨颗粒(阳极)；铅合金框体腔体内通冷却水进行换热，调控电解液温度稳定。本发明电解装置适用于年产超过500吨的大规模工业化电解合成丁二酸生产，适用范围为电解液温度15‑85℃，电流密度为100‑1000A/m²；石墨阳极的损耗为8‑10kg/吨丁二酸，电耗2600kwh/吨丁二酸；可以大幅度降低目前工业中铅合金阳极和铱钛涂层阳极的电极投资和电极消耗，可应用于万吨级规模以上的电解合成丁二酸工业。

技术领域

本发明属于电解装置领域，涉及一种无隔膜电解合成丁二酸的电极及装置，特别涉及一种自带换热石墨填充复极式电解合成丁二酸装置。

背景技术

丁二酸俗称琥珀酸，是一种重要的合成医药和精细化工合成中间体，广泛应用于合成塑料、橡胶、医药、防护涂料和其他行业中。丁二酸具有二元酸大多数的典型反应，如卤化、脱水、酯化、缩聚、碘化、酰化、氧化、还原等。以丁二酸为底物，可制得一系列单酯和双酯。如丁二酸与淀粉、纤维素和多元醇酯化；丁二酸与1,4-丁二醇可进行缩聚反应，合成聚丁二酸丁二醇酯(PBS)，它是一种生物可降解塑料，具有非常广阔的市场推广前景。近年来，随着国家禁塑令的推行，丁二酸国内市场有望突破年产20万以上规模；目前国内市场规模在2万左右，国内最大的生产企业年产能不超过5000吨。因此，扩大生产规模是目前丁二酸市场迅速发展的必然要求。

工业制备丁二酸的主要方法有顺丁烯二酸(酯)催化加氢还原法、生化法和电解还原法。其中催化加氢法原料需要丁烯二酸酯为原料，产物复杂，转化率较低；而生化法工艺废水量大，产物存在多种单酸，不能用于PBS的聚合反应；目前，电解法被国内外厂家广泛采用，是目前国内外丁二酸生产的主要方法。

工业上电解合成丁二酸装置通常采用无隔膜电解装置。阴极材料一般采用高析氧过电位的铅合金电极，以提高反应的选择性。阳极材料通常为不溶性阳极材料，包括铱钛贵金属涂层电极(山东飞扬化工股份有限公司，山西金晖兆隆股份有限公司)；和铅合金电极(安庆和兴化工有限公司，安徽三信化工有限公司)等。但铅合金阳极材料，在电解过程中电极腐蚀严重，寿命短(3-6个月)，电解槽维护成本高，产品质量差；同时受到电流密度限制，电流密度仅仅在100-250A/m²之间，应用于大规模生产，特别是万吨级产能需要大量的电解装置和电极材料，投资成本高；铅合金电极作阳极还存在析氧过电位高，槽电压高，能耗大的缺点。铱钛涂层电极是电催化析氧电极，具有非常好的氧析出活性，同时具有较大的工作电流，电流密度在400-600A/m²时，50-60℃10％硫酸+10％丁二酸电解液寿命可以达到2年；但该电极价格昂贵，每平方米涂层及钛网基体合计价格超过1万元，电极投资大，年产1万吨规模阳极电极投资超过3000万元，且电极寿命受到温度限制，电解液温度升高至80℃电极寿命急剧下降(不超过6个月)。因此，工业上电解合成丁二酸阳极材料成为限制丁二酸规模化的重要瓶颈。

由于电解液存在电阻在电解过程中溶液发热明显，特别是在大电流工况下电解合成丁二酸溶液升温特别显著，可在数小时内温度达到并超过80℃电极，引起电极寿命和电流效率急剧下降。通常采用外置换热器的方法，如采用搪瓷叠片换热器、不锈钢换热器和石墨换热器，但这些换热器通过冷却电解液方式冷却电极，并维持电解液恒温，需要较大的换热面积，并且腐蚀、堵塞严重。

本发明针对电解合成丁二酸装置阳极材料采用铅合金阳极材料易腐蚀，电流密度低下，产品质量差；以及采用贵金属阳极则电极投资大，不适宜高温介质的缺点，同时电解发热稳定难以控制恒温等工业化实际问题，提出一种自带换热的石墨颗粒填充的工业化电解丁二酸装置，该装置可有效解决铅合金阳极腐蚀、铱钛涂层电极成本高、电极发热引起电极寿命下降以及换热器选择困难等实际问题，为大规模电解生产丁二酸，特别是万吨级电解生产丁二酸提供核心的电解装置技术。

发明内容