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Elektrolytloche Zertetzungnelle, Vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrolytische Zersetzungszellen mit Diaphragma, vorzugsweise auf Zellen für die Zersetzung von Lösungen von Chloriden von Natrium und Kalium.
Ein Haupterfindungszweck besteht in der Schaffung einer Konstruktion, welche für Zellen anwendbar ist, die mit hoher Stromstärke betrieben werden können, und bei welcher die Stromverbindungen für die einzelnen Zellen sowohl als auch für Zellenserien sehr einfach auszuführen sind und das Gewicht des für die Stromverbindung erforderlichen Metalles sehr gering ist. Die neue Wellenanordnung bietet ausserdem für die Installation den Vorteil, dass sie sehr anpassungsfähig ist sowohl an die verschiedenen Bedürfnisse bei Durchführung der elektrischen Verbindung der einzelnen Zellen, als auch an die Leistungsfähigkeit von Zellenreihen.
Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel auf der Zeichnung veranschaulicht und soll im Anschluss hieran in folgendem erläutert werden.
Fig. 1 zeigt zwei Zellen mit einer Mehrzahl von Kammern, und zwar die auf der rechten Seite der Figur befindlichen Zellen in einer Endansicht und diejenigen auf der linken Seite in einem senkrechten Schnitt nach der Linie I-I der Fig. 2. Fig. 2 ist ein teilweiser Horizontalschnitt durch eine der Zellen nach der Linie II-II der Fig. 1, und zwar um 9 () 0 gedreht. Fig. 3 ist eine schaubildliche Darstellung der Kathode und des Diaphragmas nach Herausnahme aus der Zelle, wobei die eine der Kathodentaschen in senkrechtem Schnitt dargestellt ist. Fig. 4 ist ein senkrechter Schnitt der Linie IV-IV der Fig. 3. Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, welche in Gestalt von Kurven gewisse beobachtete Beziehungen veranschaulicht, die zwischen der vertikalen Höhe der Kathode und der Anfangs-und Arbeitsspannung der Zelle bestehen.
Die auf der Zeichnung dargestellte Zelle besitzt einen Behälter aus Betonmasse, welcher aus einem Boden 1, einem Deckel 2, Endwänden 3 und zwei Querzwischenwänden 4 besteht. durch welche Teile drei vertikal übereinanderliegende Anodenkammern 5 gebildet werden, welche gleiche Form und Grösse besitzen. Das Zellengehäuse kann aus einem Stiick bestehen oder aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein.
Jede Anodenkammer 5 ist ein langer, verhältnismässig niedriger Raum, welcher eine gewölbte Decke 6 besitzt, unter welcher sich das in der Zelle entwickelte Chlorgas sammelt und das Niveau des Elektrolyten eingestellt wird, um eine konstante Strömung durch das Diaphragma zu sichern. Mit 7 ist eine einlassöffnung für frischen Elektrolyten und mit 8 eine Auswaschöffiung bezeichnet, 10, 10 bezeichnen längliche, vertikale Überflussöffnungen in der Endwand. 3, durch welche der verbrauchte Elektrolyt von jeder Anodenkammer in ein äusseres säurefestes Gehäuse 77 übertritt, von wo er nach de] Hauptleitung durch Röhren 12 fliesst, die vertikal einstellbar sind,
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solche Weite, dass sie bequem sowohl die austretende verbrauchte Lauge als auch das Chlorgas abzuführen vermögen.
Mit 13, 13 sind zwei mit Aussparungen versehene metallische Seitenplatten bezeichnet, welche die Kathodenkammern der Zellen bilden und durch Verschlussorgane 14 in ihrer Lage festgehalten werden. Diese Verschlussorgane 14 treten durch Schlitze in U-Eisen 7o und werden durch Kurvenscheiben 16 in fester Anlage mit den Randflanschen der Seitenplatten gehalten.
Die Kathoden 17 bestehen aus Stahlblech, welches eng perforiert ist, wie bei 19 angedeutet ist. Der mittlere oder perforierte Teil der Kathoden ist bei der bevorzugten Ausführungsform in solcher Weise gebogen, dass eine grosse Zahl von Taschen 20 entsteht, welche mit ihrem hinteren Ende in die Anodenkammer J nahezu über deren ganze Breite hineinragen. Die verschiedenen Taschen 20 haben perforierte Vertikalwände, welche die eigentlichen Kathoden bilden. Dieselben sind oben und unten durch undurchbrochene Metallstreifen 21, 22, mit denen sie verschweisst sind, verschlossen. Seitliche Flanschen 27 sind aus einem Stück mit den Streifen 21. 22 gebildet und ihrerseits durch Verschweissen oder Nieten mit den Randflanschen der Seitenplatten 13 verbunden.
Die Streifen 21, 22 sind mit einer Schicht 28 von Zement oder anderem isolierenden Material, welches der Einwirkung von Chlorgas zu widerstehen vermag, überzogen. Durch die beschriebene Konstruktion sind die Seltenplatten 7J und die Kathoden 17 miteinander zu einem einheitlichen Ganzen verbunden, welches auh der Zelle entfernt werden kann, wenn man du- verschiedenen Befestigungsorgane 14 löst.
Die Diaphragmen 18, welche gewöhnlich aus Asbestpapier bestehen, sind m Berührung auf den Kathoden 17 auf derjenigen Seite derselben angeordnet, welche den Anoden benach-
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tiefe, schmale Räume bilden, welche perforierte Seitenwände und geschlossene obere und untere Wände besitzen, sind die entsprechenden Hohlräume, welche zur Aufnahme der Anoden dienen, in offener Verbindung mit der Anodenkammer 6 sowohl an ihrem oberen als auch ihrem unteren
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entspricht.
Diese Zirkulation erfolgt in der Richtung der in Fig. 1 eingezeichneten Pfeile und bewirkt eine Zufuhr von starker Lauge nach den Zonen der stärksten elektrolytischen Zersetzung und verhindert bis zu einem erheblichen Grade die Ansammlung von unlöslichen Verunreinigungen auf dem Diaphragma.
Die Anodenp) atten 23 erstrecken sich in horizontaler Richtung durch die Zellwand, welche dem Diaphragma gegenüberliegt und befinden sich auf diese Weise in einer Lage, welche ihre direkte Verbindung mit den Kathoden der benachbarten Zelle durch kurze Verbindungsstücke 27 gestattet. Diese Konstruktion ergibt eine grosse Ersparnis an Metall für die erforderlichen Leiter gegenüber solchen Konstruktionen, bei welchen die Anodenverbindungen aus der Zellendecke heraustreten und darauf nach abwärts und seitwärts geführt werden müssen, um Anschluss an die Kathoden der benachbarten Zelle zu erlangen. Bei Anlagen von grosser Leistungsfähigkeit werden durch die erwähnte Verminderung an Metall für Leiter Tausende von Mark erspart.
Wenn die Zelle zur Erzeugung von kaustischer Soda und von Chlorgas dienen soll, werden
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Weise zweckmässig nut einem flüssigen Kohlenwasserstoff gefüllt, um eine schnellere und wirksamere Entfernung der kaustischen Sodalösung von der Kathode herbeizuführen. Beim Durch-
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Die hohe Ampere-Kapazität der Zelle bei niedriger Spannung beruht in erster Linie darauf, dass eine Kathode und ein Diaphragma vorgesehen sind, welche eine im Vergleich zu ihrer horizontalen Ausdehnung geringe vertikale Abmessung besten. Die Konstruktion, nach welcher die Abmessung der Kathode in horizontaler Richtung ein Vielfaches und wenigstens das Sechs.
fache in vertikaler Abmessung beträgt, beruht auf der Beobachtung, dass bei Zellen der hier in Frage kommenden Art eine bisher nicht beachtete Beziehung zwischen der Spannung der Zelle im Betriebe und der vertikalen Ausdehnung der Kathode und des Diaphragmas besteht, wenn
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von 10 Ampère pro dm2 Elektrodenfliohe nähern oder darüber hinausgehen, dass, wenn man versucht, die Ampère-Kapazität der Zelle zu steigern, indem man die vertikale und die horizontale Abmessung der Kathode im gleichen Verhältnis vermehrt, dann die grössere Zelle eine merklich höhere Betriebsspannung fordert, wenn die übrigen Bedingungen, wie z. B. die Stromdichten usw., die gleichen bleiben.
In Fig. 5 der Zeichnung veranschaulichen die Kurven. welche mit A, B, C, D und E bezeichnet sind, die experimentell bestimmten Spannungsoharakteristiken von elektrolytischen Zellen der hier in Frage stehenden Art beim Betriebe mit den angegebenen Stromdichten, wobei die Stromdichte auf die Kathodenfikhe bezogen ist. Die Kathoden bestanden in jedem Fall aus perforiertem Blech, aber die wirksame Kathoden Sache ist angenommen als diejenige eines nicht durchbohrten Bleches von gleichen Abmessungen. Die Konstanten der verschiedenen Zellen waren wie folgt :
A Kathode zirka 80 cw lang und 90 cm hoch, Fläche 7200cm2 ; Verhältnis der Höhe zur
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Länge = 1 : 3-555.
D Kathode zirka 240 cm lang, und 30 cm hoch, Fläche 7200cm2 ; Verhältnis der Höhe zur
Länge = 1 : 8.
E Kathode zirka 320 ce lang und 2241/2 cm hooh, Fläche 7200 cm2 ; Verhältnis der Höhe
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Die Kathodenfläche ist in allen erwähnten Fällen die gleiche, und man hätte vermuten können, dass bei gleichen Stromdichten die Anfangs-und Betriebsspannungen ebenfalls die gleichen sein würden. Der Versuch hat aber gezeigt, dass dieses bei weitem nicht der Fall ist. Wenn beispielsweise ein Strom durch die Zelle geschickt wurde, welcher 13#45 Ampie pro dm2 Kathodenfläche entsprach, so wurden die Anfangsspannullgen wie folgt ermittelt :
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<tb>
<tb> A <SEP> Anfangsspannung <SEP> 4.96 <SEP> Volt
<tb> B <SEP> # <SEP> 4.40"
<tb> C <SEP> # <SEP> 4.07"
<tb> D <SEP> # <SEP> 3.70"
<tb> E <SEP> # <SEP> 3.51"
<tb>
Bei höheren oder niedrigeren Stromdichten besteht eine ähnliche Beziehung, wie dieses deutlich aus der Zeichnung zu ersehen ist, wobei die Verschiedenheiten in den Anfangsspannungen grösser werden, wenn die Stromdichten wachsen.
Natürlich sind die Anfangs-und sonstigen Spannungen, welche aus Fig. 5 ersichtlich sind, keine absolut feststehenden, da die Spannung von vielen Faktoren abhängt, beispielsweise von dem Abstand der Elektroden, dem Elektrodenmaterial, der Temperatur und Konzentration des Elektrolyten usw. Wenn aber die übrigen Bedingungen die gleichen bleiben, so ändert sich die Anfangsspannung zugleich mit der Höhe des Diaphragmas ungefähr in der angegebenen Weise. Während des Betriebes der Zelle zeigt die Spannung der Regel nach eine Neigung, langsam anzusteigen, in dem Masse als die Porosität des Diaphragmas sich vermindert.
Die verschiedenen Kurven veranschaulichen daher die Wirkung einer Veränderung der Höhe der Kathode in Verbindung mit einer entsprechenden Veränderung der Temperatur, da eine Zelle, welche bei verhältnismässig niedriger Spannung arbeitet, natürlich, sofern nicht für eine besondere Temperaturregelung Sorge getragen ist, bei verhältnismässig niedriger Temperatur verharren wird.
Wenn man die verschiedenen Zellen unter gleichen Temperaturverhältnissen würde arbeiten lassen, so würde hiedurch das Auseinanderlaufen der verschiedenen Kurven gesteigert werden, und es würde der Vorteil der Konstruktion gemäss der Erfindung, bei welchem das Verhältnis der horizontalen Ausdehnung der Kathode zu ihrer vertikalen Ausdehnung grösser ist, noch schärfer hervortreten.
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mässig geringen Spannung betreiben kann, welche man bei elektrolytischen Zellen von verhältnismässig geringen Abmessungen und Leistungsfähigkeit anwenden kann.
Angenommen, dass es beispielsweise gewünscht wird, eine Zelle zu konstruieren, welche eine Kapazität von 5000 Ampere hat und mit einer Anfangsspannung von 3-5 Volt bei 10 Ampère pro dm Kathodennache betrieben werden soll. Die Kurvenzeichnung in Fig. 5 zeigt, dass diese Anfangsspannung bei der genannten Stromdichte charakteristisch ist für eine Kathode, welche etwa 30 cm hoch ist, vorausgesetzt, dass die übrigen Bedingungen, wie z. B. die Beschaffenheit des Diaphragmas, der Abstand der Elektroden usw. normal sind. In diesem Falle muss die Gesamtlänge der Kathode etwa 16 m sein.
Wenn man die Kathode in der im vorstehenden angegebenen Weise biegt, so kann eine wirksame Länge von 16 m und selbst von 32 m oder mehr untergebracht werden, und zwar in einer einzigen Kammer eines Betonzellengehäuses von dem praktischen Bedürfnis entsprechenden Abmessungen. Wenn man das Zellengehäuse in der oben beschriebenen Weise mit zwei oder mehr übereinander befindlichen Kammern ausrüstet, so wird die wirksame Kathodenlänge in gleichem Verhältnis vermehrt. Zu gleicher Zeit werden die ungeheueren Ströme, welche für den wirtschaftlichen Betrieb solcher Zellen erforderlich sind, ohne schädliche Verluste durch die kurzen Stromverbindungsstücke übertragen, welche sich bei der neuen Konstruktion ergeben.
Das oben angegebene Verhältnis zwischen der vertikalen Höhe der Kathode und der Klemmspannung der Zelle ist nur bei Zellen beobachtet worden, welche ein gasförmiges Anodenprodukt, wie Chlorgas, ergeben und es kann angenommen werden, um die beobachtete Beziehung wenigstens teilweise zu erklären, dass die vermehrte Spannung darauf zurückzuführen ist, dass sich in der vertikalen Elektrolytsäule zwischen den Elektroden Gasblasen befinden, welche die Neigung besitzen, sich bei zunehmender Höhe der Säule und bei zunehmender Stromdichte zu vermehren.
Dieses erklärt auch, weshalb das erwähnte Verhältnis deutlicher in die Erscheinung tritt, wenn die Stromdichte wächst und weshalb die geringe vertikale Ausdehnung der Kathode von Be- deutung ist für den wirtschaftlichen Betrieb von Zellen, welche eine Kapazitat von 2000 Ampère oder mehr haben.
PATENT ANSPRÜCHE :
1. Elektrolytische Zersetzungszelle mit Anoden-und Kathodenräumen, welche durch eine im wesentlichen vertikal angeordnete durchlässige Kathode und ein Diaphragma voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung der Kathode in horizontaler Richtung um ein Vielfaches, und zwar mindestens um das Sechsfache grösser ist, als diejenige in vertikaler
Richtung, zum Zwecke der Erzielung einer hohen Ampere-Kapazität bei niedriger Spannung.