DE10159708A1 - Alkalichlorid-Elektrolysezelle mit Gasdiffusionselektroden - Google Patents

Alkalichlorid-Elektrolysezelle mit Gasdiffusionselektroden

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Abstract

In Alkalichlorid-Elektrolysezellen mit Gasdiffusionselektroden wird die Temperatur der Natronlauge im Kathodenhalbelement zwischen Kationenaustauschermembran und Gasdiffusionselektrode durch die Temperatur und/oder die Umpumpmenge der Alkalichloridlösung im Anodenhalbelement geregelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Alkalichlorid-Elektrolysezellen mit Gasdiffusionselektroden bei dem die Temperatur der Natronlauge im Kathodenhalbelement zwischen Kationenaustauschermembran und Gasdiffusionselektrode durch die Temperatur und/oder die Umpumpmenge der Alkalichloridlösung im Anodenhalbelement geregelt wird.
  • Die Herstellung von Chlor und Natronlauge durch Elektrolyse einer Alkalimetallchlorid-Lösung mittels Gasdiffusionselektroden ist bekannt. Hierbei wird eine Elektrolysezelle eingesetzt, die aus einem Anoden- und einem Kathodenhalbelement besteht, die durch eine Kationenaustauschermembran getrennt werden. Das Kathodenhalbelement besteht aus einem Elektrolytraum, dem Raum zwischen Kationenaustauschermembran und Gasdiffusionselektrode, der mit Natronlauge gefüllt ist, und einem Gasraum hinter der Gasdiffusionselektrode. Der Gasraum wird vom Elektrolytraum durch die Gasdiffusionselektrode getrennt und ist mit Sauerstoff oder einem sauerstoffreichem Gas gefüllt. Im Anodenhalbelement wird eine Alkalichlorid-haltige Lösung elektrolysiert. Als Alkalichlorid kann z. B. Natriumchlorid eingesetzt werden.
  • Wie in der EP-A 1 067 215 beschrieben, ist die Elektrolyse bevorzugt so durchzuführen, dass die Geschwindigkeit der Natronlauge im Elektrolytraum größer als 1 cm/s beträgt. Grund für diese Maßnahme ist, dass bei der Elektrolyse mit Gasdiffusionselektroden der verglichen mit der Elektrolyse ohne Gasdiffusionselektroden gebildete Wasserstoff im Kathodenhalbelement fehlt. Dieser Wasserstoff sorgt dort für eine gute Durchmischung des Elektrolytraumes. Bei Einsatz von Gasdiffusionselektroden wird kein Wasserstoff erzeugt. Hierdurch können gemäß der EP-A 1 067 215 unterschiedliche Natronlauge-Konzentration im Elektrolytraum entstehen. Um dies zu verhindern, wird die Natronlauge gemäß der EP-A 1 067 215 mit großer Geschwindigkeit durch den Elektrolytraum gepumpt.
  • Es wurde ein Verfahren zum Betreiben einer Alkalichlorid-Elektrolysezelle mit Gasdiffusionselektroden gefunden das, dadurch gekennzeichnet ist, dass die Temperatur der Natronlauge durch Erniedrigung der Einlauftemperatur und/oder, falls ein Anolytkreislauf vorhanden, durch die Umpumpmenge der Alkalichlorid-Lösung im Anodenhalbelement geregelt wird.
  • Die Temperatur zum Betreiben der Alkalichlorid-Elektrolysezelle liegt im allgemeinen im Bereich von 35 bis 90°C, bevorzugt von 45 bis 85°C.
  • Es ist bevorzugt, dass die Temperaturdifferenz der Natronlauge im Kathodenhalbelement zwischen Einlauf und Auslauf nicht größer als 20°C bevorzugt im Bereich von 5 bis 15°C liegt.
  • Es ist bevorzugt, dass bei Erniedrigung der Strömungsgeschwindigkeit der Natronlauge im Spalt zwischen Kationenaustauschermembran und Gasdiffusionselektrode unter 1 cm/s die Stromausbeute steigt. Eine Erniedrigung der Strömungsgeschwindigkeit der Natronlauge unter 1 cm/s bewirkt jedoch einen Ansteigen der Temperatur der Natronlauge zwischen Einlauf und Auslauf des Kathodenhalbelementes.
  • Es ist überraschend, dass die Temperatur der Natronlauge durch Erniedrigung der Einlauftemperatur und/oder, falls ein Anolytkreislauf vorhanden, durch die Umpumpmenge der Alkalichlorid-Lösung im Anodenhalbelement geregelt werden kann. Die Austrittstemperatur der Alkalichlorid-Lösung aus dem Anodenhalbelement wird dabei jeweils konstant gehalten. Somit kann die Aufwärmspanne der Natronlauge zwischen Einlauf und Auslauf dadurch konstant gehalten werden, dass bei gleicher Temperaturdifferenz zwischen Alkalichlorid-Lösung-Zulauf und -Ablauf zum Anodenhalbelement entweder die Umpumpmenge der Alkalichlorid-Lösung im Anodenhalbelement erhöht oder bei gleicher Umpumpmenge die Temperatur der einlaufenden Alkalichlorid-Lösung erniedrigt wird. Da die Temperatur der Alkalichlorid-Lösung ohnehin jeweils auf eine konstante Austrittstemperatur aus dem Anodenhalbelement geregelt werden muss, ist kein zusätzlicher Investitionsaufwand notwendig. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn ein Elektrolyseur, der noch nicht mit Gasdiffusionselektroden ausgerüstet war, auf Gasdiffusionsbetrieb umgerüstet werden soll. Eine Änderung der Elektrolyt-Peripherie des Elektrolyseurs ist dann nicht erforderlich. Dies gilt sowohl für den Anolytbereich wie auch für den Katholytkreislauf.
    • Beispiele
  • Für die genannten Beispiele wurden folgende Rahmenparameter gewählt: Ein Elektrolyseur mit 15 Elementen wurde mit Gasdiffusionselektroden ausgerüstet. Den Anodenhalbelementen wurde eine Natriumchlorid-Lösung zugeführt, dergestalt, dass die Konzentration von Natriumchlorid im Auslauf aus dem Anodenhalbelement 210 g/l betrug. Die Natronlauge wurde, falls nicht anders beschrieben, mit 3 m3/h durch den Elektrolyseur gepumpt. Über ein Rohrsystem wurde jedes Kathodenhalbelement mit Natronlauge versorgt. Die Stromdichte betrug, falls nicht anders beschrieben, 2,45 kA/m2. Die Anodenfläche je Halbelement betrug 2,5 m2. Der Abstand von Gasdiffiisionselektrode zur Ionenaustauschermembran betrug 3 mm, die Länge des Spaltes zwischen Ionenaustauschermembran und Gasdiffusionselektrode 206 cm.
  • Die Ergebnisse der Beispiele sind in Tabelle 1 und 2 zusammengefasst.
    • Beispiel 1
  • Unter den oben genannten Bedingungen wurde ein Umpump-Volumenstrom der Natriumchloridlösung im Anodenhalbelement von 1,0 m3/h gewählt. Die Temperatur-Differenz zwischen Einlauf und Auslauf aus dem Anodenhalbelement betrug 35°C. Der Umpumpvolumenstrom der Natronlauge im Kathodenhalbelement betrug 3 m3/h, entsprechend einer Geschwindigkeit der Natronlauge im Spalt zwischen Ionenaustauschermembran und Gasdiffusionselektrode von 0,85 cm/s. Die Natronlauge wurde dem Kathodenhalbelement mit einer Temperatur von 80°C zugeführt. Die Ablauftemperatur der Natronlauge betrug 85°C. Die Stromausbeute wurde mit 96,20% bestimmt.
    • Beispiel 2
  • Unter den oben genannten Bedingungen wurde ein Umpump-Volumenstrom der Natriumchloridlösung im Anodenhalbelement von 1,1 m3/h gewählt. Die Temperatur-Differenz zwischen Einlauf und Auslauf aus dem Anodenhalbelement betrug 36°C. Der Umpumpvolumenstrom der Natronlauge im Kathodenhalbelement betrug 3 m3/h, entsprechend einer Geschwindigkeit der Natronlauge im Spalt zwischen Ionenaustauschermembran und Gasdiffusionselektrode von 0,85 cm/s. Die Natronlauge wurde dem Kathodenhalbelement mit einer Temperatur von 79°C zugeführt. Die Ablauftemperatur der Natronlauge betrug 85°C. Die Stromausbeute wurde mit 96,09% bestimmt.
    • Beispiel 3
  • Unter den oben genannten Bedingungen wurde ein Umpump-Volumenstrom der Natriumchloridlösung im Anodenhalbelement von 1,2 m3/h gewählt. Die Temperatur-Differenz zwischen Einlauf und Auslauf aus dem Anodenhalbelement betrug 34°C. Der Umpumpvolumenstrom der Natronlauge im Kathodenhalbelement betrug 3 m3/h, entsprechend einer Geschwindigkeit der Natronlauge im Spalt zwischen Ionenaustauschermembran und Gasdiffusionselektrode von 0,85 cm/s. Die Natronlauge wurde dem Kathodenhalbelement mit einer Temperatur von 76°C zugeführt. Die Ablauftemperatur der Natronlauge betrug 83°C. Die Stromausbeute wurde mit 96,11% bestimmt.
    • Beispiel 4
  • Unter den oben genannten Bedingungen wurde ein Umpump-Volumenstrom der Natriumchloridlösung im Anodenhalbelement von 1,3 m3/h gewählt. Die Temperatur-Differenz zwischen Einlauf und Auslauf aus dem Anodenhalbelement betrug 31°C. Der Umpumpvolumenstrom der Natronlauge im Kathodenhalbelement betrug 3 m3/h, entsprechend einer Geschwindigkeit der Natronlauge im Spalt zwischen Ionenaustauschermembran und Gasdiffusionselektrode von 0,85 cm/s. Die Natronlauge wurde dem Kathodenhalbelement mit einer Temperatur von 77°C zugeführt. Die Ablauftemperatur der Natronlauge betrug 83°C. Die Stromausbeute wurde mit 95,63% bestimmt.
    • Beispiel 5
  • Unter den oben genannten Bedingungen wurde ein Umpump-Volumenstrom der Natriumchloridlösung im Anodenhalbelement von 1,3 m3/h gewählt. Die Temperatur-Differenz zwischen Einlauf und Auslauf aus dem Anodenhalbelement betrug 1°C. Der Umpumpvolumenstrom der Natronlauge im Kathodenhalbelement betrug 10,5 m3/h, entsprechend einer Geschwindigkeit der Natronlauge im Spalt zwischen Ionenaustauschermembran und Gasdiffusionselektrode von 2,95 cm/s. Die Natronlauge wurde dem Kathodenhalbelement mit einer Temperatur von 80°C zugeführt. Die Ablauftemperatur der Natronlauge betrug 86°C. Die Stromausbeute wurde mit 95,4% bestimmt.
    • Beispiel 6
  • Im gleichen Elektrolyseur wurde bei einer Stromdichte von 4 kA/m2 die Elektrolyse durchgeführt. Der Umpump-Volumenstrom der Natriumchloridlösung im Anodenhalbelement betrug 2,08 m3/h. Die Temperatur-Differenz zwischen Einlauf und Auslauf aus dem Anodenhalbelement betrug 9°C. Der Umpumpvolumenstrom der Natronlauge im Kathodenhalbelement betrug 3 m3/h, entsprechend einer Geschwindigkeit der Natronlauge im Spalt zwischen Ionenaustauschermembran und Gasdiffusionselektrode von 0,9 cm/s. Die Natronlauge wurde dem Kathodenhalbelement mit einer Temperatur von 82°C zugeführt. Die Ablauftemperatur der Natronlauge betrug 87°C. Die Stromausbeute wurde mit 96,1% bestimmt. Tabelle 1



Claims (4)

1. Verfahren zum Betreiben einer Alkalichlorid-Elektrolysezelle mit Gasdiffusionselektroden, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Natronlauge durch Erniedrigung der Einlauf-Temperatur und/oder, falls ein Anolytkreislauf vorhanden, durch die Umpumpmenge der Alkalichlorid- Lösung im Anodenhalbelement geregelt werden kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturdifferenz der Natronlauge im Kathodenhalbelement zwischen Einlauf und Auslauf nicht größer als 10°C ist.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1-2 dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der in das Anodenhalbelement einlaufenden Alkalichlorid-Lösung im Bereich von 40 bis 85°C beträgt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Natronlauge zwischen Kationenaustauschermembran und Gasdiffusionselektrode kleiner oder gleich ist als 1 cm/s.
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