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Steigrohr für Zellen zur Erzeugung von Natrium durch
Schmelzflusselektrolyse
Die Erfindung betrifft ein Steigrohr für Zellen zur Gewinnung von Natrium aus einer Schmelzelektrolysezelle.
Bei bekannten Verfahren zur Erzeugung von Natrium durch Schmelzelektrolyse enthält das Bad gewöhnlich grosse Mengen an Calciumchlorid, um den Schmelzpunkt des Natriumchlorides herabzusetzen, und daher bildet sich zusammen mit dem Natrium eine unerwünscht grosse Menge an metallischem Calcium. Da das spezifische Gewicht der Elektrolytschmelze höher ist als dasjenige des Natriums, steigt das Metall in dem Bad nach oben und gelangt durch ein Rohr aus der Zelle hinaus, das als Steigrohr bezeichnet wird. Beim Aufsteigen in dem Steigrohr kühlt sich das flüssige Natrium, welches gelöstes Calcium enthält, ab, wodurch festes Calcium ausfällt, welches nach Möglichkeit zur Grenzfläche zwischen Metall und Elektrolytschmelze hinuntersinken soll, wo es mit dem Natriumchlorid unter Bildung von Calciumchlorid reagieren kann.
Nun erstarrt aber das Calcium, wenn es ausfällt, zu kleinen Teilchen, die sich langsam absetzen und an der Innenwandung des Steigrohres festhaften. Wird Druck ausgeübt, so ballt sich das abgeschiedene Calcium zusammen und haftet immer fester. Man hat verschiedene Wege vorge- schlagen, um dieser Schwierigkeit Herr zu werden, z. B. Steigrohre von grösserem Durchmesser, verstärkte Kühlung oder Erhitzung desjenigen Teiles des Steigrohres, der aus dem Zellenbad herausragt, sowie verschiedene kontinuierlich oder diskontinuierlich arbeitende Abkratzer oder Rührer.
Keines dieser Mittel hat sich jedoch als so wirksam erwiesen, wie es für einen fortlaufenden Betrieb erforderlich ist, und man muss nach wie vor die Innenseite der Steigrohrwandungen in mühevoller und gefährlicher Weise mit Hilfe von Stäben oder Stangen ausräumen, um eine Verstopfung zu vermeiden, oder es ist notwendig, das aus der Zelle abgezogene heisse Natrium ausserhalb der Zelle kostspieligen Trennverfahren zu unterwerfen, was wieder zur schnelleren Erschöpfung des als Flussmittel dienenden Calciumchlorids in der Zelle führt und die Aufrechterhaltung der richtigen Zusammensetzung des Elektrolyten stört.
Die Erfindung betrifft ein Steigrohr für Zellen zur Erzeugung von, Natrium durch Schmelzelektrolyse, das lotrecht angeordnet ist und dem ein drehbarer und in senkrechter Richtung verschiebbarer Schaber, bestehend aus einer in dem Steigrohr konzentrisch angeordneten Achswelle mit mindestens einem sich von der Achswelle bis in die Nähe der Steigrohrwandung erstreckendenSchabemesser, zugeordnetist. Das erfindungsgemässe Steigrohr ist dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Schabemesser mindestens eine senkrecht verlaufende, scharfe Schneidkante aufweist, die längs derjenigen Strecke, auf der eine deutliche Temperaturänderung des aufsteigenden Natriums stattfindet, eng an der Innenwandung des Steigrohres anliegt.
Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine Schmelzelektrolysezelle, Fig. 2 ist eine Draufsicht auf einen Abschaber zur Verwendung in dem Steigrohr der Zelle. Fig. 3 ist ein Querschnitt durch das Steigrohr und den Abschaber nach der Linie A-A der Fig. 1.
Die Zelle gemäss Fig. 1 besteht aus einem zylinderförmigen Mantel 1 mit. einer feuerfesten Ziegelauskleidung 2. Durch den Boden der Zelle ist eine zylinderförmige Graphitanode 3 geführt, die von der zylinderförmigen Ringkathode 4 aus Stahl umgeben ist, die ihrerseits Anschlüsse 5 nach der Aussenseite der Zelle hin aufweist. Die Anode und die Kathode sind durch ein poröses, zylinderförmiges Metalldiaphragma 6 (gewöhnlich aus Drahtnetz) voneinander getrennt, welches an dem als"Sammelring"bezeich- neten ringförmigen Aufbau 7 aufgehängt ist.
Der Sammelring 7 ist eine umgekehrte Rinne zum Sammeln des an der Kathode erzeugten flüssigen Natriums. Gasförmiges Chlor steigt von der Anode 3 auf, sam-
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melt sich in der Chlorhaube 10 und wird durch das Rohr 11 aus der Zelle abgezogen, Die aus dem Sammelring 7 und der Haube 10 bestehende Anordnung wird in der Zelle auf nicht dargestellte Weise abgestützt, An einer geeigneten Stelle erstreckt sich die Leitung 8,9 von dem Sammelring 7 aus senkrecht nach oben, um das flüssige Natrium infolge des hydrostatischen Druckunterschiedes zwischen der Elektrolytschmelze und dem Natrium senkrecht aus der Zelle abzuführen. Das Natrium strömt durch die Leitung 8,9 über ein Wehr 12 in das Auffanggefäss 13.
Das obere Ende der Leitung 8,9, die als "Steigrohr" bezeichnet werden kann, kann mit Kühlrippen 14 versehen sein. Eine als"Abschaber"bezeichnete Vorrichtung 15 ist von oben her in das Steigrohr 8,9 eingesetzt und lässt sich mit Hilfe des Handgriffes 16 drehen, um die Innenwandung des Steigrohres abzuschaben. In diesem Falle besteht der Abschaber 15 aus drei gekrümmten Schabemessern, die bei 18 zu einer baulichen Einheit zusammengeschweisst sind, welche in der Richtung der Schneidkanten 19 drehbar ist. Die Schneidkanten 19 sind so ausgebildet, dass sie alle Calciumabscheidungen von der Innenwand des Steigrohres 8,9 abschaben können.
Am oberen Ende ist der Abschaber durch die Lager 20 zentriert, und weitere Lager an andern Stellen des Abschabers sind vorzugsweise nicht erforderlich, da die drei Schneidkanten der Schabemesser miteinander Winkel von etwa 1200 bilden und nur ein geringes Spiel in dem Steigrohr haben, so dass sie selbst eine Zentrierung bewirken. Übermässige Wärmeverluste von der Oberfläche 21 der Salzschmelze werden durch die Decke 22 verhindert. Mit Hilfe des Handgriffes 16 kann der Abschaber innerhalb der durch die Lager 20 gegebenen Grenzen einige Zentimeter angehoben werden, und wenn der Handgriff losgelassen wird, fällt der Abschaber mit solcher Kraft nach unten, dass das an den Schabemessern etwa anhaftende Material sich lockert.
Da das ausgefallene Calcium die Neigung zeigt, schon bei Einwirkung eines sehr schwachen Druckes, der mechanisch oder durch Schwerkraft ausgeübt werden kann, an festen Oberflächen anzuhaften, ist es wesentlich, dass sich in dem Steigrohr keine waagrechten Flächen oder Vorsprünge befinden, auf denen das Calcium sich absetzen kann.
Beim Betrieb der Zelle bildet sich das Calcium an oder in der Nähe der Wandung des Steigrohres, und wenn man es sich ansammeln lässt oder es gegen die Wandung drückt, haftete es an derselben an und bildet widerstandsfähige verdichtete Massen, die sich immer schwerer ablösen lassen. Infolge der Umdrehung des Abschabers mit seinen scharfen Kanten ist es jedoch im Sinne der Erfindung möglich, das angesammelte Calcium von der Steigrohrwandung abzuschaben. Vorzugsweise sollen die Schabemesser möglichst spitze Winkel mit der abzuschabenden Oberfläche bilden, der Abschaber soll nur in der Richtung der Schneidekanten gedreht werden, und alle Schneidekanten sollen die gleiche Richtung aufweisen.
Wenn der Abschaber in der zu der Richtung der Schneidekanten entgegengesetzten Richtung gedreht wird, kann das Calcium auf der Steigrohrwandung verschmiert oder dicht gepackt werden, und dann wird es rasch so hart, dass es sich praktisch nicht mehr abschaben lässt und das Steigrohr durch Ausräumen mittels einer mit einer scharfen Meisselspitze versehenen Stange von oben her mit Gewalt gereinigt werden muss, wobei der Inhalt des Steigrohres mit der Luft in Berührung kommt. Alles dies ist kostspielig, gefährlich und zeitraubend und lässt sich weitgehend durch den richtigen Betrieb des erfindungsgemässen Abschabers vermeiden.
Wenn der Abschaber weniger als drei Schabemesser besitzt, kann es erforderlich sein, an einer tiefer gelegenen Stelle des Steigrohres ein weiteres Lager vorzusehen, um die Schneidkante in der richtigen Stellung zu halten, damit sie die Innenfläche des Steigrohres abschabt. Wenn drei oder mehr Schneidkanten vorgesehen sind, ist kein weiteres Lager als dasjenige im oberen Teil des Steigrohres erforderlich.
Der Abschaber kann mehr als drei Schabemesser besitzen ; die Ausbildung mit drei Schabemessern wird jedoch bevorzugt. Vorzugsweise sind die Schabemesser gekrümmt, wie in Fig. 3 dargestellt, sie können aber auch gerade ausgebildet sein. In diesem Falle ist bei der Konstruktion grössere Sorgfalt erforderlich. Die Schneidekanten sollen in der Richtung der Umdrehung des Abschabers in einem solchen Winkel angeordnet sein, dass sie jede Ablagerung von der Steigrohrwandung abschneiden oder abschaben, ohne die Ablagerung gegen die Wand zu schmieren und dadurch die Erhärtung der Ablagerung herbeizuführen.
In Anbetracht der Temperaturwirkung ist es im allgemeinen notwendig, einen geringen Abstand zwischen der scharfen Schneidkante und der Innenwand des Steigrohres vorzusehen dieser Abstand soll aber vorzugsweise nicht grösser als etwa 4,76 mm sein und braucht sogar nur etwa 1, 59 mm zu betragen.
Das Steigrohr soll sich vorzugsweise so weit wie möglich einer vollkommenen Zylinderform annähern. Das Steigrohr kann einen unteren Abschnitt besitzen, der einen geringeren Durchmesser aufweist als der obere Abschnitt. Wenn z. B. der obere Teil des Steigrohres 20 cm weit ist, kann der untere Teil
15 cm weit sein, und der Abschaber kann entsprechend ausgebildet sein, so dass er imstande ist, alle mit Natrium in Berührung stehenden Innenflächen des Steigrohres abzuschaben. Die Grösse des Steigrohrdurch-
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messers hängt teilweise von der Grösse der Zelle ab. Für eine Zelle, die etwa 454 kg Natrium je Tag erzeugt, ist ein Steigrohrdurchmesser von 15 bis 25 cm geeignet.
Der Abschaber ist vorzugsweise an einem oder mehreren, jedoch nicht an allen Schabemessern mit einer oder mehreren Öffnungen oder Löchern versehen, wie sie in Fig. 2 bei 17 dargestellt sind. Diese Öffnungen, die eine Fläche von mindestens etwa 3, 225 cm2 haben sollen, gestatten eine schwache Pumpwirkung in den senkrechten Kammern, die von den Schabemessern gebildet werden, und dies unterstützt den Zerfall von Einschlüssen oder gelartigen, schlecht definierten Massen, die sich aus in dem Natrium ausgefallenem Calcium bei gewissen Temperaturbereichen bilden, die das Natrium auf seinem Weg durch das Steigrohr durchläuft.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Abschaber in periodischen Abständen, z. B. alle 30 min, zu betätigen. Diese Betätigung besteht im allgemeinen aus 1 - 10 Umdrehungen des Abschabers, an die sich jeweils ein oder mehrere Fälle oder Stösse anschliessen, die durch Anheben des Abschabers um etwa 7, 5 bis 10 cm und Zurückfallenlassen unter seinem eigenen Gewicht ausgeübt werden, um Feststoffe zu lokkern, die sich auf den Schabemessern möglicherweise angesammelt haben. Derartige Stösse können auf jede beliebige Weise durch rasche senkrechte Bewegung erzielt werden.
Das Ausmass der senkrechten Bewegung ist im allgemeinen nicht grösser als der Durchmesser des Steigrohres ; es kann sogar viel kleiner sein, sofern der Stoss nur scharf genug ist, um alles Calcium, welches an den Oberflächen der Schabemesser haften geblieben ist, abzulösen.
Der Abschaber kann von Hand oder automatisch derart betätigt werden, dass die Umdrehung und die durch ein Herabfallen um mehrere Zentimeter verursachten Stösse in bestimmten Zeitabständen erfolgen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Steigrohr für Zellen zur Erzeugung von Natrium durch Schmelzelektrolyse, das lotrecht angeordnet ist und dem ein drehbarer und in senkrechter Richtung verschiebbarer Schaber, bestehend aus einer in dem Steigrohr konzentrisch angeordneten Achswelle mit mindestens einem sich von der Achswelle bis in die Nähe der Steigrohrwandung erstreckenden Schabemesser, zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Schabemesser (15) mindestens eine senkrecht verlaufende scharfe Schneidkante (19) aufweist, die längs derjenigen Strecke, auf der eine deutliche Temperaturänderung des aufsteigenden Natriums stattfindet, eng an der Innenwandung des Steigrohres (8,9) anliegt.