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Elektrolytische Zelle
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Zelle vorgeschlagen, bei welcher der obere Teil der Graphitanode mit einem Tragflansch versehen ist und den Deckel bildet, wobei zwischen dem
Rand des Zellenunterteiles und den Flanschen der
Anode eingelegtes elastisches Material die Ab- dichtung herstellt. Die Einstellung der Anoden- höhe wird bei dieser Anordnung durch me- chanische Abtragung des Graphits von der Unter- seite der Anodenflansche erreicht. Bei anderen bekannten Zellen bleibt der die Abdichtung der
Zelle bewirkende Verschluss unverletzt, während die Einstellung der Anodenhöhe entweder mittels einer deformierbaren Abdichtung bzw. Diaphragmas zwischen der Anodenstange und dem Zellendeckel bewirkt wird, oder aber durch Verwendung von Anodenhaltern, die die Einstellung von ausserhalb der Zelle gestatten.
Solche Zellen sind in der USA-Patentschrift Nr. 2328665 und in der französischen Patentschrift Nr. 899026 geoffenbart worden. Bei noch einer anderen, in der USA-Patentschrift Nr. 468880 beschriebenen Zelle, ist die Anodenstange an der Durchtrittsstelle des Zellendeckels mit diesem verkittet.
Bis jetzt haben die Einstellvorgänge bei Zellen der beschriebenen Art erhebliche Zeit in Anspruch genommen und beträchtliche Arbeit verursacht.
Gemäss der vorliegenden Erfindung ist bei einer elektrolytischen Zelle, die aus einem Unterteil zur Aufnahme einer strömenden flüssigen Elektrode von grösserer Dichte als jener des Elektrolyten und aus einem eine feste Anode tragenden Oberteil besteht, wobei die Anode in kurzem Abstande über der Oberfläche der flüssigen Kathode und im wesentlichen parallel hiezu angeordnet ist,
eine Vorrichtung zur Einstellung des Abstandes der festen Elektrode von der Oberfläche der flüssigen Elektrode vorgesehen. Die Anordnung besteht aus einer ausserhalb der Zelle liegenden Einstellvorrichtung zur Vertikalbewegung des Oberteiles und aus einem Verschlussmittel zur Abdichtung des Oberteiles gegen den Unterteil, wobei das Verschlussmittel die Vertikalbewegung des Deckels unter Aufrechterhaltung der Abdichtung erlauben muss.
Vorteilhafterweise besteht die aussenliegende Einstellvorrichtung aus einer Mehrzahl von mit Schraubengewinden versehenen Stützen, die bei der Drehung eine Vertikalbewegung eines Zellenteiles im Verhältnis zum anderen ver- anlassen.
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Gemäss einem weiteren Erfindungsmerkmal besteht ein besonders vorteilhaftes Verschlussmittel aus einer deformierbaren, elastischen Packung, die unter einer Quecksilberschicht gelegen ist.
Weitere Merkmale gehen aus den Zeichnungen hervor, in welchen der Erfindungsgegenstand beispielsweise in mehreren, zur Elektrolyse von Alkalichloridlaugen mit strömenden Quecksilberkathoden geeigneten elektrolytischen Zellen schematisch dargestellt ist. Es zeigen Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemässen elektrolytischen Zelle, Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch eine andere Ausführungsform einer elektrolytischen Zelle, in welcher das Verschlussmittel der Zelle aus einem biegsamen, an der Seitenfläche des Deckels und an dem Zellenkörper befestigten Verschlussband besteht, Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch eine andere spezifische Ausführungsform der er- findungsgemässen Zelle, Fig.
4 einen Vertikalschnitt einer Zelle, bei welcher der Zellendeckel in den beiden vertikalen Richtungen bewegt werden kann. Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch eine Zelle mit einer Einstellvorrichtung für den Deckel, die aus hydraulischen Pressstempeln zur Bewegung des Zellendeckels in beiden Richtungen besteht, sowie mit einer Anordnung zur Verhinderung des Durchsickerns von Elektrolyt an dem oberen Teil des Elektrodenhalters, Fig. 6 einen Vertikalschnitt durch eine andere Form einer Einstellvorrichtung für die vertikale Bewegung des Zellendeckels und der Anode und
Fig. 7 einen Vertikalschnitt durch eine wieder andersartige Form eines Zellendeckels und einer
Anodeneinstellvorrichtung.
In den Figuren ist der Zellenkörper 1 als trog- förmig gestalteter Grundteil ausgebildet und besitzt eine ebene Bodenfläche, über die das mit 2 bezeichnete Quecksilber fliessen kann, während über dem Quecksilber der wässerige Elektrolyt 3 strömt. Die Zellen sind mit geeigneten, in den
Figuren nicht dargestellten Einrichtungen der üblichen Form für die Zuführung von Quecksilber und frischem Elektrolyten in die Zelle, für die
Ableitung von Amalgam, verbrauchtem Elektro- lyten sowie des bei der Elektrolyse gebildeten
Chlors versehen und besitzen Zuleitungen für den elektrischen Strom zu den Elektroden. Diese
Einlässe und Auslässe können bei der Aus- führungsform der Erfindung gemäss Fig. 4 und 5 den Boden der Zelle durchdringen, so dass ihre
Mündungen innerhalb der durch die peripheren
Kanäle begrenzten Fläche liegen.
Jede Zelle hat einen Deckel 4, der eine Anzahl von aus festem Kohlenstoff bestehenden Anoden- blöcken 5 bekannter Art, wovon jeweils einer dar- gestellt ist, trägt, wobei jede Anode an einer
Kohlenstange hängt, welche durch eine Öffnung des Deckels hindurchtritt und den elektrischen
Strom mittels einer bloss in Fig. 5 dargestellten
Vorrichtung der Anode zuführt. In der Zeichnung ist die Abdichtung zwischen dem Deckel 4 und der Stange 6 mittels einer Verschlussmasse 7 dar- gestellt ; es kann aber auch irgend eine andere geeignete Methode zur Herstellung einer gas- dichten Verbindung benützt werden.
An jeder Seite des Deckels 4 stehen eine Anzahl von Flanschen 8 vor, von denen in der Zeichnung an jeder Seite je einer sichtbar ist. In diese Flanschen sind bei den Vorrichtungen der Fig. 1 bis 3 Gewindelöcher eingeschnitten, in welche
Schraubbolzen eingreifen, die auf Vorsprüngen 10, die von den Seitenwänden der Zelle vorragen, aufliegen. Gegebenenfalls kann auch eine umgekehrte Anordnung verwendet werden, bei welcher die Gewindelöcher auf Flanschen des Gefässes vorhanden sind und die Schraubbolzen auf entsprechenden Vorsprüngen des Deckels auftreffen. An Stelle der Vorsprünge kann auch der Deckel selbst seitlich über die Zellenwände vorstehen und in den vorstehenden Teilen mit Schraubengewinden versehene Löcher zur Aufnahme der Bolzen besitzen. Bei einer anderen Abart kann der Deckel aus mehreren Teilen bestehen, an deren jedem nur einige, z.
B. nur eine Elektrode befestigt sein kann, wobei dann sowohl zwischen benachbarten Teilen des Deckels als auch zwischen den Deckelteilen und den Zellenwandungen einstellbare Verschlussmittel vorgesehen sind.
Die Einstellvorrichtung kann entweder eine positive Bewegung des Deckels nach oben und nach unten ermöglichen, oder aber sie gestattet eine positive Bewegung nur nach oben. Während im ersten Falle der Deckel zwangsweise gegen das Gefäss hin bewegt und eine beispielsweise aus einer plastischen Masse bestehendes Verschluss- mittel automatisch deformiert wird, kann, im Falle eine positive Bewegung des Deckels nur vom Gefäss weg möglich ist, die erforderliche Anodeneinstellung dadurch bewirkt werden, dass die Schraubenbolzen um einen für die beabsichtigte Abstandsänderung ausreichenden Betrag verdreht werden. Bei genügend plastischer Masse sinkt dann der Deckel infolge seines eigenen Gewichtes bis zum Anschlag der Bolzen auf den entsprechenden Vorsprüngen auf, bei einer für diesen Zweck zu steifen Dichtmasse muss aber der Deckel durch Druckanwendung, z.
B. von Hand aus oder auf sonstige Weise niedergepresst werden.
Das trogförmige Gefäss 1 kann aus Beton oder aus Stahl bestehen, wobei im letzteren Falle der Stahl in geeigneter Weise mit Ebonit oder einem anderen, den Stahl gegen die korrodierende Wirkung des Elektrolyten und des Chlors schützenden Material überzogen ist. Der Deckel kann ebenfalls aus Beton, Schiefer, isoliertem Stahl od. dgl. bestehen.
Bei der Vorrichtung nach Fig. l besitzen die Seitenwände des Zellenkörpers, entlang ihrer oberen Kanten, einen trogförmig gestalteten Teil 11, in welchem eine Schichte bzw. Packung aus plastischer Dichtungsmasse 12 liegt. Wenn die Zelle in Betrieb genommen wird, werden die Anodenblöcke in der richtigen Stellung zum Deckel befestigt, so dass sie zunächst einen grösseren als den für den Betrieb geeigneten Ab-
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stand zwischen den unteren Flächen der Anodenblöcke und dem Zellenboden 1 bzw. der Oberfläche des Quecksilbers 2 ergeben, worauf dann der Deckel in eine Stellung gebracht wird, bei der die Bolzen 9 auf den Vorsprüngen 10 aufliegen.
Hierauf wird die genaue Höhe der unteren Anodenfläche über dem Boden des Troges bestimmt, z. B. durch Berechnung aus den vorgegebenen Dimensionen des Troges, der Anoden-Deckelanordnung und aus dem vertikalen Abstand zwischen den Teilen 8 und 10. Nun wird der Elektrodenabstand durch Drehen der Bolzen 9 entsprechend eingestellt, wobei die Bolzenköpfe um jenen Betrag gehoben werden, um den die Anode gesenkt werden soll, worauf dann der Deckel 4 heruntergepresst wird, bis jeder Bolzen wieder auf seinem entsprechenden Vorsprung 10 aufliegt. Die Zelle ist nun betriebsbereit.
Während des Betriebes nimmt der Widerstand der Zelle infolge der Abnützung der unteren
Flächen der Anodenblöcke 5 zu und wird nach einiger Zeit unwirtschaftlich gross. Die Höhe, um welche der Deckel herabgesenkt werden muss, kann an Hand der bekannten Abnützungs- geschwindigkeit der Elektroden unter den ge- gebenen Betriebsbedingungen oder auch durch
Messen des zunehmenden Spannungsverlustes im Elektrodenzwischenraum unter Berücksichti- gung des bekannten spezifischen Widerstandes des Elektrolyten ermittelt werden. Beispielsweise kann dieser Betrag so festgelegt werden, dass die
Zellenspannung zwischen bestimmten Grenzen ge- halten wird. Die Durchführung des Einstellvor- ganges erfolgt wie bei der oben beschriebenen In- betriebsetzung, wobei aber die Zelle in Betrieb verbleibt.
Der ursprüngliche Wirkungsgrad der
Zelle wird somit wieder hergestellt ; nach einiger
Zeit wird eine weitere Einstellung notwendig, was in gleichartiger Weise bewerkstelligt werden kann. Wenn eine Erneuerung der Elektroden erforderlich ist, wird der Deckel entfernt, hierauf werden die neuen Elektroden in ihrer Stellung fixiert, der Deckel wieder aufgebracht und das Verschlussmittel erneuert, vorzugsweise nachdem zumindestens eine vorläufige Einstellung der Deckelhöhe mittels der Bolzen vorgenommen worden ist.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können verschiedenartige Dichtungsmassen verwendet werden, die gegenüber Chlor verhältnismässig inert sind, z. B. eine plastische Mischung von chloriertem Kautschuk mit chloriertem Naphthalin und chloriertes Paraffinwachs. Es kann auch gemäss einem noch unver- öffentlichten Vorschlag der Erfinderin ein Verschluss mittels eines schmelzbaren thermoplastischen Materials herbeigeführt werden. Nach der Erfindung können aber auch Flüssigkeitsabschlüsse zur Verwendung gelangen, z. B. aus Salzlauge oder aus Quecksilber, welch letzteres zur Verhinderung des Angriffes durch das in der Zelle befindliche Chlor mit einer Schichte eines Kohlenwasserstofföles bedeckt ist.
Der Verschluss kann auch durch einen Streifen aus Gummi oder aus einem anderen biegsamen undurch- lässigen Material bewirkt werden, der den schmalen Spalt zwischen dem Deckel und den
Wandungen bedeckt und mit diesen Teilen mittels Teer, Pech oder anderer Dichtmassen verbunden ist.
Bei Fig. 2 befindet sich an Stelle des Teiles 11 und der plastischen Masse 12 der Fig. 1 ein solches endloses Band 14, welches den Spalt 13 zwischen dem Deckel 4 und dem Trog 1 der Zelle umgibt.
Dieses Band besteht aus einem biegsamen, gegen
Chlor widerstandsfähigem Material, z. B. aus
Polyvinylchlorid, Polyäthylen oder chloriertem Polyäthylen, welches an den Wänden des Gefässes 1 befestigt wird. Sobald der Deckel 4 in seine ungefähre Lage gebracht worden ist, wie dies in Verbindung mit Fig. I beschrieben ist, wird der Streifen nunmehr in derselben Weise auf dem Umfang des Deckels 4 befestigt.
Die Feineinstellung der Anodenhöhe wird dann so, wie bei Fig. 1 beschrieben, durchgeführt, jedoch mit dem Unterschied, dass der Deckel unter seinem eigenen Gewicht absinkt, sobald die Bolzen 9 angehoben werden und dass bei dieser Massnahme das biegsame Material 14 entsprechend gebogen wird. In derselben Weise können auch Einstellungen während des Betriebes der Zelle vorgenommen werden.
Bei Fig. 3 ist die aussenliegende Einstellvorrichtung für die Anodenhöhe die gleiche, wie bei den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Zellenbauformen, die aus Bolzen 9 besteht, die in Gewindeflanschen 8 eingreifen und auf vom Zellenkörper 1 abstehenden Vorsprüngen aufliegen.
Das Verschlussmittel besteht bei dieser Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes aus einem starren Mantel 17, welcher mit dem Deckel 4 ein Stück bildet und sich nach unten in einen in den Wandungen des Zellenkörpers angeordneten Kanal 15 erstreckt, der zur Aufnahme des Mantels 17 geeignet ist. Am Boden des Kanals 15 ist eine deformierbare elastische Packung 16, z. B. ein aufgetriebenes Gummirohr gelagert, das an beiden Seiten des Mantels mit einem geeigneten Material 17 a, z. B. mit Quecksilber und bzw. oder mit einem gegen Chloreinwirkung beständigen Öl, bedeckt ist.
Bei der in Fig. 4 veranschaulichten, insbesondere für Zellen mit strömender Quecksilberkathode bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Gefäss 1 mit einem tiefen und engen Kanal 15 versehen, der sich um den gesamten Umfang der ebenen, von Quecksilber 2 überströmten Fläche erstreckt und auf dessen Boden eine deformierbare elastische Packung, vorteilhaft ein aufgetriebener Gummischlauch 16 liegt. Vorzugsweise befindet sich der Kanal am Umfange der von der Quecksilberkathode überströmten Flächen, so dass die elastische Packung automatisch vom Quecksilber überschichtet wird.
Der Deckel 4 besitzt einen starren Mantel 17, der mit dem Deckel ein Stück : bildet und sich genügend tief nach unten erstreckt, um in den Kanal 15 einzutauchen und auf dem Schlauch 16 aufzuliegen, sobald die Anoden 5 in
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ihre Stellung gebracht sind. Der Gummischlauch, der auch zwischen dem Mantel 17 und einer
Wandung des Kanals 15 angeordnet sein kann, darf nicht so stark aufgetrieben werden, dass er undeformierbar wird, aber trotzdem stark genug, damit er elastisch bleibt. Bei Inbetriebsetzung einer solchen Zelle wird zuerst der Boden des
Gefässes 1 mit Quecksilber überflutet, so dass der
Kanal 15 angefüllt und der Schlauch 16 damit bedeckt wird.
Der Gummi kann also nicht mit gasförmigem Chlor oder mit Salzlauge, die Chlor gelöst enthält, in Berührung kommen und da- durch verdorben werden bzw. seine Elastizität verlieren. Durch den Einbau der deformierbaren elastischen Packung in den Kanal sowie durch Verwendung eines Mantels von möglichst grosser Dicke kann der Quecksilberbedarf wirksam herabgesetzt werden. Der Deckel 4 wird dann mittels der Bolzen 9 a in eine Stellung gebracht, welche ungefähr dem richtigen Elektrodenzwischenraum entspricht. Die Bolzen 9 a sind in Einsatzstücke 9 eingeschraubt, die an der Oberseite der Wandungen des Gehäuses 1 eingesetzt sind.
Zum Schutze gegen die Wirkung eines durch die Elektrolysengase im Zelleninnem ausgeübten Druckes, der den Deckel nach oben statt nach unten pressen würde, können in den Wänden des Zellentroges mit Gewinden versehene Stäbe angeordnet sein, die durch Löcher in den Vorsprüngen des Deckels hindurchreichen, wobei an jedem Stab zwei Muttern, eine oberhalb und eine unterhalb des Vorsprunges, vorgesehen sind, so dass der Verschluss gleichfalls nicht gelöst werden kann, wenn der Deckel durch den Druck des Chlors in der Zelle nach oben gepresst wird. Der Mantel 17 liegt nun auf dem Schlauch 16 auf und schliesst somit das Zelleninnere nach aussen ab.
Die Einstellung der Anodenhöhe kann im erforderlichen Ausmass durch Bewegung der Bolzen 9a durchgeführt werden. Wenn die Bolzen 9 a heruntergeschraubt werden, bewirkt die positive Abwärtsbewegung der Anodenanordnung, dass der Mantel 17 den Gummischlauch 16 unter der Wirkung des Gewichtes des Deckels deformiert und der Elektrodenzwischenraum entsprechend verringert wird. Wenn der Elektrodenzwischenraum anfänglich zu klein ist, kann er durch Herausschrauben der Bolzen 9a aus den Vorsprüngen 8 vergrössert werden, wobei die Elastizität des Schlauches 16 bewirkt, dass der Verschluss immer aufrecht erhalten bleibt. Während des Betriebes der Zelle kann in gleichartiger Weise ohne Aufhebung des Verschlusses und auch ohne Unterbrechung der Elektrolyse eine Einstellung vorgenommen werden, wenn der Elektrodenzwischenraum infolge der Abnützung zu gross wird.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist die Zelle mit einem Deckel versehen, der durch eine Mehrzahl von hydraulischen Pressstempeln getragen wird, die in Abständen entlang des Umfanges des Deckels angeordnet sind. Die vertikale Einstellung des Deckels wird hiebei durch Aufbringen oder Nachlassen von hydraulischem Druck auf die Stempel erzielt.
Die Anordnung bzw. Wirkungsweise des
Kanals 15 und des Mantels 17 ist dieselbe wie in Fig. 4, das unter der Quecksilberschicht liegende endlose aufgetriebene Gummirohr 16 a ist aber hier zwischen der Innenwand des Kanals und dem Mantel gelagert. Von jeder Seite des Deckels 4 ragen seitlich eine Anzahl von Flanschen 8 vor, von denen je einer dargestellt ist und wobei jeder an dem oberen Ende einer Kolbenstange 18 eines hydraulischen Pressstempels 19 befestigt ist. Jeder Pressstempel ist mit einem Rohr 20 oberhalb der oberen Weggrenze des Kolbens 21 und mit einem Rohr 22 unterhalb der unteren Weggrenze des Kolbens ausgestattet.
Dem Pressstempel kann mittels geeigneter Zweiwegventile und eines geeigneten Rohrsystems Wasser unter Druck durch die Rohre 20 bzw. 22 zugeführt werden, währenddessen das auf der anderen Seite des Kolben 21 befindliche Wasser durch die Rohre 22 bzw. 20 abströmen kann, wodurch der Deckel 4 und damit die Anode 5 herabgesenkt bzw. angehoben werden. Hiedurch wird eine besonders weiche und allmähliche Bewegung des Deckels und damit die Einstellung des Elektrodenzwischenraumes innerhalb sehr enger Grenzen ermöglicht.
Die Fig. 6 und 7 zeigen abgeänderte Formen von ausserhalb der Zelle liegenden Einstellvorrichtungen für die Anodenhöhe in bezug auf die flüssige Elektrode. In Fig. 6 ist ein Teil der Wand des Zellenkörpers 1 dargestellt, der mit einem Vorsprung 23 versehen ist. Auf dem Vorsprung 23 liegt ein keilförmig gestalteter Teil 24 auf, der
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flüssige Kathode wird durch Verdrehen der Nocke 29 bewirkt, wobei das Gewicht des Deckels 4 und des anderen hiemit verbundenen Teiles der Apparatur ausreichen, um die Ver- schlussmasse 31 zusammenzupressen und die Zelle gegen die umgebende Atmosphäre abzuschliessen.
In Fig. 5 ist eine von der Erfinderin bereits an anderer Stelle vorgeschlagene Vorrichtung dargestellt, welche aus einer undurchlässigen
Kappe 34 besteht, die die Ausscheidung von Elektrolyt an dem oberen Ende des Elektrodenhalters verhindert.
Bei allen Ausführungsformen der Erfindung kann eine genau kontrollierbare Regelung des Elektrodenzwischenraumes während des Betriebes der Zelle verwirklicht werden und derart der Wirkungsgrad des Verfahrens viel leichter als mit den bisher üblichen Zellen aufrecht erhalten werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, bei welchem der Verschluss zwischen dem Deckel und dem übrigen Teil der Zelle mittels eines deformierbaren Schlauches unterhalb des Flüssigkeits- spiegels der Quecksilberelektrode bewirkt wird, besteht ein weiterer Vorteil darin, dass der Schlauch aus dem hiefür am besten geeigneten Material - beispielsweise Gummi-bestehen kann, da das letztere vor der korrodierenden Wirkung des Chlors oder des Elektrolyten durch das darüber befindliche Quecksilber geschützt ist.
PATENTANSPRÜCHE : l. Elektrolytische Zelle, bestehend aus einem Unterteil zur Aufnahme einer strömenden, flüssigen Kathode von grösserer Dichte als jener des Elektrolyten und einem eine feste Anode tragenden Oberteil, wobei die Anode mit ihrer unteren Fläche in kurzem Abstande über der Oberfläche der flüssigen Kathode und im wesentlichen parallel hiezu angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ausserhalb der Zelle eine Einrichtung zur Einstellung des Abstandes der festen von der flüssigen Elektrode, wobei die Elektrodenabstandseinstellung durch Vertikalbewegung des die feste Anode tragenden Deckels erfolgt, sowie ein Verschlussmittel vorgesehen sind, welches den Zellenunterteil mit dem oberen Teil in einer die vertikale Bewegung des Deckels erlaubenden Weise abdichtet.