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Elektrolytische Zelle
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektro- lytische Zelle, insbesondere auf solche mit strö- mender Quecksilberkathode.
Es sind bereits verschiedenerlei elektrolytische
Zellen bekannt, die als eine Elektrode eine Schichte von strömendem Quecksilber, das an der glatten
Bodenfläche eines trogförmigen leicht gegen die
Horizontale geneigten Gefässes fliesst und als zweite Elektrode Platten oder Blöcke aus festem
Material, gewöhnlich aus Graphit oder einer anderen Kohlenstoffart besitzen, deren untere
Flächen in kurzem Abstande über der Oberfläche der flüssigen Elektrode und im wesentlichen parallel hiezu angeordnet sind.
Weiters ist bei der in der britischen Patent- schrift No. 316694 beschriebenen Zelle eine Anordnung vorgesehen, bei welcher die Anode offene
Kanäle zum Auffangen und Abziehen der entwickelten Gase besitzt und innerhalb eines Abstandes von 15 mm an die Oberfläche der Queck- silberkathode heranreicht.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in einer besonderen Ausbildung einer elektrolytischen Zelle mit strömender Flüssigkeitselektrode, bei welcher ohne Zerlegen der Zelle eine sehr vorteilhafte Einstellungsmöglichkeit für den Elektrodenabstand geschaffen werden soll. Die hiefür vorgesehene Anordnung vermeidet die Verwendung von schachtelartig ineinandergreifenden Deckelbzw. Bodenteilen einer Elektrolysenzelle und benützt statt dessen einen flachen Bodenteil ohne aufwärtsragende Seitenwandungen, der mit einem eine Haube bildenden Deckelteil in flüssigkeitsdichte Verbindung gebracht wird.
Die erfindungsgemässe Zelle mit Flüssigkeitselektrode besteht daher aus einem flachen Bodenteil ohne aufwärtsragende Wände, auf welchem die flüssige Elektrode strömt, aus einem Deckel, der die fest angeordnete Elektrode (Anode) trägt und mit einem den Bodenteil und die fest angeordnete Elektrode umschliessenden Mantel versehen ist, weiters aus einem flüssigkeitsdichten Verschluss, der zwischen dem Mantel und der Aussenfläche des'Bodenteiles hergestellt und gelöst werden kann, sowie aus einer Einrichtung zur Einstellung der Höhe des Deckels in bezug auf den Bodenteil.
Der flüssigkeitsdichte Abschluss ist vorteilhafterweise aus einer deformierbaren, elastischen Packung gebildet, die unterhalb des Spiegels der flüssigen Elektrode am Mantel und an der Aussen- fläche des Bodenteiles anliegt. Vorteilhafterweise kann auch die elastische Packung in einer entlang der Aussenflächen des Bodenteiles angeordneten
Rinne gelagert sein. Die Packung besteht vor- zugsweise aus einem endlosen auftreibbaren
Gummirohr, welches zur Herstellung des Ver- schlusses mit unter Druck gesetzter Flüssigkeit gefüllt und zur Lösung des Verschlusses entleert werden kann.
Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung sind bei einer Zelle mit einer langen flachen Stahl- grundplatte, die mittels Traggliedern oder in anderer Weise unter leichter Neigung gegen die
Horizontale gelagert sein kann, entlang der unteren Kanten der Platte metallene Haltestreifen befestigt, wobei die nebeneinanderliegenden
Aussenkanten der Grundplatte und der Metall- streifen so abgeschrägt sind, dass sie eine vollständig um die Wände bzw. die Aussenflächen der
Grundplatte reichende Rinne bilden. In dieser Rinne ist ein endloses, mit einer vorstehenden Rippe ausgestattetes Gummirohr so gelagert, dass die Rippe zwischen der Grundplatte und dem Haltestreifen eingeklemmt wird. Das Rohr ist mit einer Leitung verbunden, mittels welcher das Rohrinnere entweder evakuiert oder mit unter Druck gesetztem Wasser gefüllt werden kann.
Der Deckelteil der Zelle besteht aus einer flachen Stahlplatte mit einem Mantel, d. h. einem von den Kanten der Platte nach unten vorstehenden vertikalen Teil, der sich bis unterhalb des Niveaus der Grundplatte erstreckt. Der Deckelteil bildet so eine Haube, welche auf dem Bodenteil, wenn das Gummirohr entleert ist, lose aufsitzt, aber den Zwischenraum zwischen den beiden zu verschlie- ssenden Teilen genügend eng abschliesst, sobald das Gummirohr mit Wasser unter Druck angefüllt wird, wobei das Rohr an der Innenfläche des Mantels und an den abgeschrägten Seiten der Grundplatte und des Metallstreifens aufliegt. Der Deckel ist mit einem nichtleitenden, gegen Chlor widerstandsfähigen Material, wie Ebonit, überzogen und wird von einer Anzahl von Stützen an den Seiten der Zelle getragen, auf welchen die seitlich vorragenden Flanschen des Deckels aufliegen.
Die Höhe des Deckels kann durch Schraubeinstellvorrichtungen eingestellt werden, die entweder auf den Flanschen angeordnet sein oder
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einen Teil jeder Stütze bilden können. Die Anode der Zelle besteht aus einer Anzahl von innerhalb des Deckels liegenden Kohle-oder Graphit- blöcken, die an diesem mittels den Deckel in gasdichter Weise durchsetzender Kohlestangen befestigt sind, die ihrerseits Stromzuführungs- einrichtungen tragen. Die Zelle besitz ferner Ein- richtungen für das Fliessen von Quecksilber über den Bodenteil, zur Zuführung von Salzlauge in den Raum zwischen dem Quecksilber und der
Anode sowie zum Abziehen der bei der Elektrolyse gebildeten Gase.
Bei der erfindungsgemässen Zelle können die
Anoden den gesamten Raum über dem Elektro- lyten ausfüllen, wie dies bereits in anderen Vor- schlägen der Erfindern empfohlen worden ist, wobei geeignete Vorsorge zum Abziehen des gas- förmigen Chlors in Abständen entlang des Elektro- lytweges getroffen werden muss. Die Zelle kann dann auch zur Elektrolyse von Lauge unter Ver- wendung einer hohen Laugengeschwindigkeit gemäss einem anderen von der Erfinderinschonfrüher vorgeschlagenen Verfahren verwendet werden.
Beim Betrieb einer nach der Erfindung ausgebildeten Zelle zur Elektrolyse einer Natriumchloridlauge wird bei leicht geneigtem Bodenteil der Elektrodenzwischenraum mittels einer der erwähnten Schraubeinstellvorrichtungen eingestellt und der Gummischlauch mit unter Druck gesetztem Wasser gefüllt. Die Zelle wird nun in Betrieb genommen und die Arbeit so lange fortgesetzt, bis die Spannungsmessung anzeigt, dass der Elektrodenzwischenraum zu gross geworden ist. Das Quecksilber füllt während der ganzen Betriebsdauer den Raum über dem Gummirohrverschluss und zwischen der Kante der Grundplatte und dem Mantel aus und schützt so den Gummi vor der Einwirkung der Salzlauge und des Chlors, so dass er seine Biegsamkeit und Elasti- zität behaltenkann.
Wenn der Elektrodenzwischen- raum grösser geworden ist als für einen befriedigenden Betrieb erwünscht ist, so wird die Elektrolyse unterbrochen, die Salzlauge und das Quecksilber aus der Zelle entleert und der Verschluss zwischen dem Mantel des Deckels und der Grundplatte durch Entleeren des Gummischlauches gelöst. Nun wird der Elektrodenabstand mittels der Schraubeinstellvorrichtung auf den richtigen Wert verringert, worauf der Verschluss wieder hergestellt und die Elektrolyse von neuem begonnen wird. Die Einstellung kann so in sehr genauen Grenzen ohne Zerlegen der gesamten Zelle oder ohne gesonderte Betätigung jeder einzelnen Anodenstange bewirkt werden.
Wenn man von der Biegsamkeit des Gummirohres Gebrauch macht, insbesondere wenn ein verhältnismässig grosser Spalt zwischen den zwei Zellenteilen besteht und wenn ein verhältnismässig dickes Rohr verwendet wird, ist es auch möglich, kleine Ver- änderungen des Elektrodenzwischenraumes ohne Lösen des Verschlusses und daher ohne Unterbrechung der Elektrolyse durchzuführen.
Es sind verschiedenerlei Abänderungen der Erfindung möglich. So können die die festen Elektroden tragenden Kohlestangen die Form von Röhren haben, welche als Gasableitung für die Entfernung des Elektrolysengases aus dem Elektrodenzwischenraum dienen. An Stelle der Verwendung des mittels der Schraubeinstellvorrichtung beweglichen Deckelteiles kann auch dieser fest sein und der Bodenteil mittels einer Schraubeinstellvorrichtung beweglich ausgeführt sein. Ferner kann auch der Deckel durch eine Mehrzahl von in Abständen entlang seines Umfanges angeordneten hydraulischen Pressstempeln gestützt werden, wobei dann die vertikale Einstellung des Deckels durch Zuführung oder Abführung von Wasser zu bzw. von den Pressen erzielt wird.
Diese Methode der Höheneinstellung des Deckels ermöglicht eine besonders weiche und allmähliche Bewegung des Deckels im ganzen.
Der Bodenteil der Zelle kann ferner aus einem Block oder einer Tafel aus Beton mit flacher Oberseite und mit einer Rinne von halbkreisförmigem oder rechteckigem Querschnitt zur Aufnahme der elastischen Packung bestehen. Weiters kann die Rinne statt am Bodenteil an der Innenfläche des Mantels des Deckels vorgesehen sein, wobei der Bodenteil dann mit einem Mantel versehen ist, welcher gestattet, den Verschluss auch in der höchsten Stellung des Bodenteiles herzustellen.
Vorzugsweise wird jedoch die Rinne im Bodenteil angeordnet, da hier die Bewegung des einen Teiles in bezug auf den anderen keine Erhöhung der in der Zelle in irgendeinem Zeitpunkt zurückbleibenden Quecksilbermenge bewirkt ; in diesem Falle wird auch nicht der Druck des Quecksilbers über dem Verschluss vergrössert, wenn auch der Bodenteil verhältnismässig nahe der Zellenoberseite liegt.
Es ist auch möglich, die Rinnen überhaupt fortzulassen und die deformierbare Packung dann an einem den Bodenteil umgebenden Mantel oder an einem Mantel der Haube zu befestigen, beispielsweise mittels einer von der deformierbaren Packung abstehenden Rippe.
Die Oberteile der die festen Elektroden haltenden Kohlestangen können mit einem Deckel, beispielsweise aus Kupfer oder Messing, gemäss einem noch unveröffentlichten Vorschlag der Erfinderin versehen sein, um die Ausscheidung oder das Durchsickern des Elektrolyten durch die Poren der Kohle zu verhindern.
Bei allen Ausführungsformen der Erfindung, bei welchen ein Gummiabschlussrohr verwendet wird, kann kaltes Wasser kontinuierlich hindurchgeleitet werden, einerseits um das Rohr kühl zu halten und anderseits um den Verschluss auf rechtzuerhalten. Die Lebensdauer des Schlauches kann dadurch wirksam verlängert werden, auch wenn die Zelle bei beträchtlich erhöhten Temperaturen betrieben wird.
Die Erfindung ist in den nicht massstäbliêhen Zeichnungen schematisch veranschaulicht. Es zeigen :
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemässe elektrolytische Zelle, in welcher der Bodenteil aus einer Betontafel mit flacher
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Oberseite und das Verschlussmittel aus einem endlosen Schwammgummiband besteht,
Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch eine andere
Ausführungsform der Zelle, in welcher der
Bodenteil aus einer flachen Stahlplatte und das
Verschlussmittel aus einem aufgetriebenen end- losen Gummirohr besteht,
Fig. 3 einen Vertikalschnitt einer anderen spezi- fischen Ausführungsform der Zelle,
Fig. 4 einen Schnitt durch das auftreibbare, als Verschlussmittel dienende Rohr bei Zellen nach Fig. 2 und 3 und
Fig. 5 die Befestigungsart des aufgetriebenen
Rohres am Bodenteil der Fig. 2 und 3.
In der Zeichnung trägt ein flacher Bodenteil 1 eine strömende Quecksilberkathode 2, über der
Quecksilberkathode fliesst ein wässeriger Elektro- lyt 3. Die Zellen sind mit geeigneten, nicht näher dargestellten Einrichtungen zur Zuführung von
Quecksilber und frischem Elektrolyten und zur
Ableitung von Amalgam und verbrauchtem Elektro- lyten, zur Ableitung der bei der Elektrolyse ge- bildeten Gase sowie zur Stromzuführung zu den
Elektroden versehen.
Jede Zelle hat einen Deckel 4 aus Stahl, der mit Ebonit oder einem anderen, gegenüber den
Elektrolysenprodukten beständigem Isolations- material überzogen ist. Der Deckel trägt eine
Anzahl von Anodenblöcken 5 aus festem Kohlen- stoff, von welchen einer dargestellt ist. Jeder
Block ist an Kohlestangen 6 (Fig. 1 und 2) oder an Kohleröhren 6 a (Fig. 3) befestigt, die durch Öffnungen des Deckels 4 hindurchtreten und den Anoden mittels einer bloss in Fig. 2 dargestellten Einrichtung Strom zuführen. In den Zeichnungen ist die Verbindung zwischen dem Deckel 4 und den Anodenhaltern 6 bzw. 6 a durch eine Verschlussmasse 7 bzw. durch einen Gummiring 7 a abgedichtet oder aber auf irgendeine andere Weise gasdicht gemacht.
Der Deckel 4 ist mit einem nach unten vorstehenden Mantel 8 versehen, der ebenfalls mit Ebonit oder einem anderen geeigneten Material ausgekleidet ist und der sich nach unten bis unterhalb des Flüssigkeitsspiegels der Quecksilberkathode 2 erstreckt. Von jeder Seite des Deckels ragen eine Anzahl von horizontalen Flanschen 9 vor, an denen in Fig. 1-3 auf jeder Seite je einer sichtbar ist. Jeder Flansch wird von einer Schraubstütze 11 getragen, die einen Ständer 10, eine Stellmutter 12 und eine Gegenmutter 13 besitzt, wodurch die Höhe des Deckels 4 im Verhältnis zum Bodenteil 1 eingestellt werden kann.
In Fig. 1 ist der Bodenteil 1 aus Beton mit einer umlaufenden Rinne 14 von halbkreisförmigem Querschnitt versehen, in welcher ein endloses Band 15 aus Schwammgummi mit undurchlässiger Aussenhaut gelagert ist. Das Band 15 ist in ungedehntem Zustande etwas kürzer als die periphere Rinne 14 und wird daher durch seine Elastizität in der Rinne festgehalten. Der Spielraum zwischen der inneren, mit Ebonit ausgekleideten Seite des Mantels 8 und der Wand des Betonkörpers 1 ist so bemessen, dass zwischen beiden durch das Band 15 ein quecksilberdichter Abschluss hergestellt ist. Ein über die ganze Zellenlänge reichender Raum zwischen der Anode 5 und dem Deckel 4 ist den Anodengasen frei zugänglich, welche dann durch ein oder mehrere Gasableitungsrohre 16 abgeführt werden.
Bei Inbetriebsetzung einer solchen Zelle wird der die Anoden 5 tragende Deckel 4 mittels der Schraubstützen 11 auf den gewünschten Elektrodenabstand eingestellt, hierauf die Quecksilber-und dann die Elektrolytzirkulation in Gang gesetzt und schliesslich der Strom eingeschaltet. Da sich mit fortschreitender Elektrolyse die untere Fläche der Anode 5 abnützt, wird zwecks Aufrechterhaltung des Zwischenraumes zwischen der Anode 5 und der Quecksilberschichte 2 in der ursprünglichen Grösse der Deckel in Abständen um den erforderlichen Betrag durch Drehung der Schraubstützen 11 herabgesenkt. Die Elastizität des Bandes 15 sichert hiebei, dass der Verschluss während des Einstellvorganges aufrechterhalten bleibt.
Bei der Vorrichtung nach Fig. 2 sind die Anoden 5 an die Auskleidung des Deckels 4 eng angepasst, ohne einen Längskanal in dem über dem Elektrodenzwischenraum liegenden Teil der Zelle frei zu lassen, in welchen der Elektrolyt oder die Anodengase eintreten könnten. Der Elektrolyt 3 ist daher gezwungen, die ganze Zelle entlang nur durch den Elektrodenzwischenraum zu strömen. Die Quecksilberelektrode 2 fliesst auf der flachen, auf Trägern 17 gelagerten Stahlplatte 1 und ist mit einem peripheren Gummirohr 15 a versehen, welches zur Herstellung des Verschlusses zwischen der Bodenplatte 1 und dem Mantel 8 mit Wasser unter Druck gefüllt bzw. zur Lösung des Verschlusses wieder entleert werden kann. Das Gummirohr ist in Fig. 4 im Schnitt dargestellt, während Fig. 5 die Anordnung zur Befestigung desselben an der Unterseite der Grundplatte zeigt.
Das Rohr 15 a hat dreieckigen Querschnitt und besitzt eine von dem einen Winkel des Querschnittsdreieckes ausgehende Rippe 19. Das Rohr ist in Form eines kontinuierlichen Ringes ausgebildet, welcher um einen kleinen Betrag gedehnt werden muss, damit er in der von den abgeschrägten Kanten der Bodenplatte 1 und dem Haltestreifen 20 (Fig. 5) gebildeten Rinne sitzen kann. Die Rippe 19 ist zwischen der Bodenplatte und den Haltestreifen eingefasst, welche mittels versenkter Schrauben 21, die durch in die Rippe eingestanzte Löcher hindurchgehen, miteinander verbunden sind. Ein dünner Gummiring 22 stellt zwischen dem Schraubenkopf und der Bodenplatte einen quecksilberdichten Abschluss her.
Das Rohr 15 a besitzt ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Ventil, dessen Sitz im Haltestreifen liegt und ist an eine Verbindungsleitung angeschlossen, mittels welcher Wasserdruck oder Vakuum zur Einwirkung auf das Rohr gebracht werden können.
Der aus der Zelle herausragende Teil der Kohlestangen in Fig. 2 ist mit einer Messingkappe bedeckt, die an der Stange 6 angeschraubt ist
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und eine harte Unterlagscheibe gegen den
Gummiring 7 a presst. Die Messingkappen tragen die elektrischen Verbindungen zur Anode und sind mit einem Schmiernippel ausgestattet, so dass
Schmierfett oder Öl unter Druck gegen die Ober- fläche der Stangen 6 gepresst werden kann, um das Durchsickern des Elektrolyten durch die
Stäbe zu verhindern.
Zur Ableitung des Anoden- gases aus dem Elektrodenzwischenraum sind enge vertikale Spalten vorgesehen, die sich zwischen nebeneinanderliegenden Anodenblöcken quer durch die Zelle erstrecken und mit voneinander un- abhängigen Gasableitungen 16 in Verbindung stehen ; diese Ableitungen sind mit in der Zeich- nung nicht dargestellten vertikalen Ausdehnungs- rohren ausgestattet, deren Höhe zumindestens dem Laugendruck in der Zelle unterhalb der
Gasentnahmestelle entspricht, aus welchen
Rohren schliesslich das Anodengas zu einem ge- meinsamen Sammelraum geführt wird.
Bei der Vorrichtung nach Fig. 3 sind dasselbe
Verschlussmittel und dieselbe Bodenplatte vor- gesehen wie in Fig. 2 bzw. Fig. 4 und 5. Zwischen den Anoden 5 und dem Zellendeckel 4 ist eine
Schichte 23 eines gegen die Anodengase bestän- digen Materials vorgesehen, vorzugsweise elasti- scher Art, wie z. B. mit Neopren überzogener
Schwammgummi, um jeglichen Zwischenraum zwischen den Teilen 4 und 5 auszufüllen, welcher sonst eine Längsströmung des Elektrolyten durch die Zelle oberhalb des Elektrodenzwischenraumes zulassen würde.
Die Anodenblöcke 5 sind an dem Deckel mittels je zweier hohler Kohlenröhren 6 a für jeden Block befestigt, wobei die Röhren den Deckel 4 und die Schichte aus elastischem Material 23 durchsetzen und in den Block 5 bis zum oberen Ende 18 eines vertikalen Schlitzes reichen, der in den Block 5 eingeschnitten ist und sich über die ganze Anodenbreite erstreckt, wodurch die Ableitung des Gases aus dem Elektrodenzwischenraum ermöglicht wird. Die Röhren 6 a sind mit den bereits erwähnten vertikalen Ausdehnungsrohren versehen, die das Anodengas von den einzelnen Anodenblöcken zu einem gemeinsamen Sammelraum führen. Die in Fig. 2 und 3 dargestellten Zellen eignen sich für hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Elektrolyten und erlauben die Einführung des Elektrolyten in die Zellen unter grösserem als atmosphärischem Druck.
Sie sind daher für ein solches, von der Erfindern vorgeschlagenes, noch unveröffentlichtes Verfahren zur Elektrolyse von Salzlauge geeignet. Die Höhe über der Bodenplatte, bis zuwelcherdie Chlorableitungsrohreführenmüssen, z. B. die Rohre 16 in Fig. 2 und die Rohre 6 a in Fig. 3, wird durch den Laugendruck beim Zelleneintritt bestimmt. Diese Höhe hängt ihrerseits von der Grösse des Elektrodenzwischenraumes und der linearen Geschwindigkeit der Salzlauge ab. Bei günstigen Betriebsbedingungen mit hohen Laugengeschwindigkeiten entspricht der Laugendruck einem Wert von ungefähr 12-7 mm je 30-48 cm Zellenlänge. Es ist vorteilhaft, alle Ableitungsrohre bis zur selben Höhe zu führen, obwohl an sich feststeht, dass die
Höhe der Ableitungen an der Laugenaustrittsseite der Zelle nicht so gross sein muss wie am anderen Ende.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrolytische Zelle mit flüssiger Elektrode, vorzugsweise mit Quecksilberelektrode, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle aus einem flachen Bodenteil ohne aufwärts ragende Seitenwände, auf welchem die flüssige Elektrode strömt, aus einem Deckel, der die fest angeordnete Elektrode trägt und der mit einem den Bodenteil und die fest angeordnete Elektrode umschliessenden Mantel versehen ist, weiters aus einem flüssigkeitsdichten Verschluss, der zwischen dem Mantel und der Aussenfläche des Bodenteiles hergestellt und gelöst werden kann, sowie aus einer Vorrichtung zur Einstellung der Höhe des Deckels in bezug auf den Bodenteil besteht.
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