DE102009051099B3

DE102009051099B3 - Elektrolysevorrichtung, Elektrolyseverfahren und Elektrolyseanlage

Info

Publication number: DE102009051099B3
Application number: DE102009051099A
Authority: DE
Inventors: Frank Huber; Maxwell Cole
Original assignee: Alldos Eichler GmbH
Current assignee: Grundfos Holdings AS
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2011-09-01
Anticipated expiration: 2029-10-29
Also published as: WO2011050901A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolysevorrichtung mit Entgasung (1), die ein vertikal orientiertes Gehäuse (1') mit einer Mehrzahl von miteinander in fluidischer Verbindung stehenden Elektrolysekammern (2, 2', 2''), einem mit einer ersten Elektrolyse-Kammer (2) in fluidischer Verbindung stehenden Einlassabschnitt (3) mit einem Einlass (3') für die Beschickung mit einer Eduktlösung, und mit einem mit einer letzten Elektrolysekammer (2'') in fluidischer Verbindung stehenden Auslassabschnitt (4) mit einem Fluidauslass (4') zum Ausfließen Lassen zumindest einer Produktlösung umfasst, wobei der Einlassabschnitt (3), die Elektrolysekammern (2, 2', 2'') und der Auslassabschnitt (4) durch Trennböden (5) voneinander getrennt sind. In jedem der Trennböden (5) ist eine Durchlassöffnung (5') zur Bereitstellung eines ersten Fluidpfades (a) von dem Einlass (3') über den Einlass-Abschnitt (3) durch die Elektrolysekammern (2, 2', 2'') und über den Auslassabschnitt (4) zu dem Fluidauslass (4') eingebracht. Zudem weist der Einlassabschnitt (3) eine Gas-Auslassöffnung (6') auf, wobei ein zweiter Fluidpfad (b) zum Abführen von Gas aus zumindest einem der Abschnitte, umfassend den Auslassabschnitt (4), die Elektrolysekammern (2, 2', 2'') und den Einlassabschnitt (3) über die Gas-Auslassöffnung (6') bereitgestellt wird. Ferner werden eine Elektrolyseanlage mit Entgasung und Bevorratung (100), die die Elektrolysevorrichtung (1) umfasst, und ein Elektrolyse-Verfahren zur Darstellung von wässriger Alkalihypohalogenit-Lösung aus einer Alkalihalogenid-Lösung offenbart.

Description

Die nachfolgende Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolysevorrichtung, die während der elektrolytischen Produktdarstellung eine Entgasung ermöglicht, und auf ein entsprechendes Verfahren. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Elektrolyseanlage, die die vorgenannte Elektrolysevorrichtung und zugleich geeignete Bevorratungsgefäße integriert umfasst. Die genannten Vorrichtungen sind insbesondere zur Darstellung von wässriger Natriumhypochlorit-Lösung oder von wässriger Natriumhypobromit-Lösung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet.
Bekannte Elektrolysevorrichtungen zur Darstellung von Natriumhypochlorit aus Natriumchlorid umfassen die Beaufschlagung einer Elektrolysezelle, die aus mehreren Elektrolysekammern bestehen kann, mit einer Natriumchloridsole. Das Elektrolyseprodukt umfasst neben Natriumhypochlorit auch Wasserstoff als Elektrolyse-Nebenprodukt. Die wasserstoffhaltige Natriumhypochlorit-Lösung wird aus der Elektrolysezelle in einen Produktbehälter überführt, wobei dort ein natürlicher Entgasungsprozess stattfindet oder das Entfernen des Wasserstoffs aus der Produktlösung durch zusätzliche Belüftung unterstützt wird, um ein gasfreies Produkt für die Anwendung zu erhalten. Des Weiteren sind Systeme bekannt, bei denen die wasserstoffhaltige Produktlösung einer zwischen der Elektrolysezelle und dem Produktbehälter zwischengeschalteten Entgasungsapparatur zugeführt wird, um das gewünschte Produkt von Wasserstoff zu befreien. Solche Systeme erfordern allerdings einen großen Platzbedarf.
Nachteilig ergibt sich zudem, dass die Wasserstoffabtrennung aus der Produktlösung häufig nicht vollständig ist und im Vorratsgefäß eine Wasserstoffansammlung entstehen kann. Weiter ist ungewiss, ob die bevorratete Menge für den zugedachten Verbrauch ausreichend ist oder ob weitere Produktlösung elektrolytisch hergestellt werden muss. Es besteht ferner die Wahrscheinlichkeit des Qualitätsverlustes des Produkts, wenn das Produkt, das temperatur- und lichtempfindlich ist, vor dem Verbrauch zwischengelagert wird.
Die DE 30 30 324 C2 offenbart eine Elektrolysevorrichtung, die bei einem relativ einfachen Aufbau eine verlängerte Standzeit hat und bei einem ausgeglichenen Leistungsfluss arbeitet, wobei durch Verunreinigungen der Salzlösungen bedingte Abscheidungen keinen nachteiligen Einfluss auf die Elektrodenplattenanordnung haben. Diese Elektrolysevorrichtung für Salzlösungen weist ein rohrförmiges Gehäuse aus elektrisch nicht leitendem Material auf, das an den beiden gegenüberliegenden Enden mittels abnehmbarer Verschlüsse verschlossen ist. Das Gehäuseinnere ist in mehrere Elektrolysezellen unterteilt, die jeweils einen Stapel aus Anoden- und Kathodenplatten enthalten, die in den Elektrolyten eingetaucht sind, der von einem Einlass durch das Gehäuse zu einem Auslass strömt. Jenes Gehäuse ist mit seiner Längsachse waagrecht angeordnet, so dass der Elektrolyt horizontal durch das Gehäuse strömt. Zwischen den längs im Gehäuse angeordneten Stapeln aus Anoden- und Kathodenplatten ist jeweils eine elektrisch nicht leitende Trennwand mit Durchtrittsöffnungen vorgesehen, so dass die Elektrolytströmung entweder um den Umfang der Trennwand und/oder durch die Durchtrittsöffnungen durchtritt, wobei ein gesonderter Strömungsweg für die Ableitung von Prozessgas in dem Gehäuse in dessen oberen Teilen vorgesehen ist. Auch diese Gasströmung passiert die Trennwand, entweder um den Umfang der Trennwand oder durch weitere Durchtrittsöffnungen darin, die oberhalb der Elektrolytdurchtrittsöffnungen vorgesehen sind. In den Elektrolysezellen entstehendes Prozessgas steigt nach dem oberen Zellenende auf und sammelt sich in einer Gaszone oberhalb der Elektrolytzone, deren Niveau dadurch nach unten gedrückt wird, bis die oberhalb der Elektrolytdurchtrittsöffnungen angeordneten Durchtrittsöffnungen freiliegen, so dass das entstandene Prozessgas in die nächste Zelle durchgeleitet werden kann. Das Gas strömt dann in Längsrichtung von Zelle zu Zelle, bis es eine an einer der Zellen oben angeordnete Wasserstoffentlüftung erreicht und dort abgeführt wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es wünschenswert, eine komprimierte und Platz sparende Elektrolysevorrichtung bereitzustellen, die zur Darstellung und Entgasung von wässrigen Alkalihypohalogenit-Lösungen aus wässrigen Alkalihalogenid-Solen, insbesondere zur Darstellung von wässriger Natriumhypochlorit-Lösung oder wässrige Natriumhypobromit-Solen aus den entsprechenden Natriumhalogenid-Solen geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch die Elektrolysevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung einer optimierten Elektrolyseanlage, in der unmittelbar die Entgasung der Produktlösung stattfindet und die ein integriertes Bevorratungsgefäß umfasst, das eine Befüllung mit dem erzeugten Produkt direkt nach der Elektrolyse und in unmittelbarer Nähe der Elektrolysezelle ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.
Die Aufgabe der Bereitstellung eines verbesserten Elektrolyseverfahrens, welches eine gegenüber dem Stand der Technik geringere Anzahl an Verfahrensschritten zur Bereitstellung einer verwendungsfertigen wässrigen Alkalihypohalogenit-Lösung aufweist, wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Entsprechende Weiterbildungen der Gegenstände der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolysevorrichtung, die vertikal orientiert angeordnet ist und ein Gehäuse mit einem Deckel und einem Boden umfasst. In dem Gehäuse ist eine Elektrolysezelle aus einer oder mehreren Elektrolysekammern angeordnet, die miteinander fluidisch verbunden sind. Die Elektrolysekammern sind durch Trennböden begrenzt und voneinander separiert. Weiter ist an dem Gehäuse ein Einlassabschnitt mit einem Einlass für eine wässrige Alkalihalogenid-Sole bereitgestellt, wobei der Einlassabschnitt mit einer ersten Elektrolysekammer fluidisch verbunden und von dieser ebenfalls durch einen Trennboden abgegrenzt ist. Ferner umfasst die Elektrolysevorrichtung einen Auslassabschnitt, der mit der letzten Elektrolysekammer fluidisch verbunden und von dieser durch einen weiteren Trennboden separiert ist. Der Auslassabschnitt weist einen Fluidauslass auf, aus dem die erzeugte Alkalihypohalogenit-Lösung entnommen werden oder ausfließen gelassen werden kann.
Indem in jedem der Trennböden, die den Einlassabschnitt, die Elektrolysekammern und den Auslassabschnitt begrenzen und voneinander trennen, eine Durchlassöffnung angeordnet ist, wird ein Fluidpfad zunächst für die Sole-Lösung und im Weiteren für ein Gemisch aus Sole-Lösung und zunehmend Produktlösung über den Einlassabschnitt durch die Elektrolysekammern und über den Auslassabschnitt zu dem Fluidauslass geschaffen.
Ein weiterer Fluidpfad in der Elektrolysevorrichtung wird bereitgestellt, indem der Einlassabschnitt eine Gas-Auslassöffnung aufweist, die in eine Gas-Auslassvorrichtung mündet. Damit kann ein während der Elektrolyse entstehendes Gas über Kopf aus der Elektrolysevorrichtung entweichen gelassen werden, nachdem es diesem Fluidpfad gefolgt ist, der ebenfalls durch die Durchlassöffnungen in den Trennböden jedoch entgegen der Fließrichtung des Fluidpfads für die Sole-Lösung zu der Gas-Auslassöffnung verläuft.
Dieser Gas-Fluidpfad kann sich in Abhängigkeit davon, in welchem der nachfolgenden Abschnitte der Elektrolysevorrichtung, die in Bezug zu dem Sole-Fluidpfad stromabwärts zu dem Einlassabschnitt angeordnet sind, Gasblasen vorhanden sind, von dem Auslassabschnitt durch die Elektrolysekammern und durch den Einlassabschnitt zu der Gas-Auslassöffnung erstrecken. Sind im Auslassabschnitt keine Gasblasen vorhanden, verläuft der Gas-Fluidpfad lediglich noch von der letzten Elektrolysekammer durch die erste und zweite Elektrolysekammer sowie durch den Einlassabschnitt zu der Gas-Auslassöffnung. Entsprechendes gilt für die weitere Entgasung, so dass sich folgerichtig der Gas-Fluidpfad von der mittleren bzw. der ersten Elektrolysekammer entsprechend durch die erste Elektrolysekammer und den Einlassabschnitt bzw. nur durch den Einlassabschnitt zu der Gas-Auslassöffnung erstreckt. So werden mehrere Gas-Fluidpfade unterschiedlicher Länge, also eine Gruppe an Gas-Fluidpfaden, auch „Fluidpfadgruppe”, geschaffen.
Dadurch, dass die Elektrolysevorrichtung vertikal orientiert ist und die Richtung des Sole-Fluidpfads von oben nach unten verläuft, folgt die Richtung des Gas-Fluidpfads im Gegenstrom dazu dem Auftrieb nach von unten nach oben, so dass vorteilhaft die Entgasung direkt in der Elektrolysevorrichtung selbst stattfindet, wodurch kein weiterer Platzbedarf für eine nachgeschaltete Entgasungsapparatur erforderlich ist, und gleichzeitig eine bereits entgaste Produktlösung bereitgestellt werden kann.
Vorteilhaft können die Trennböden mit den Durchlassöffnungen versetzt zueinander positioniert sein, so dass ein möglichst langer Reaktionsweg mit gutem Elektrodenkontakt für die zu elektrolysierende Sole-Lösung geschaffen wird. Das Gas beziehungsweise der Wasserstoff aus der Elektrolyse der Alkalihalogenid-Lösung tritt unmittelbar nach der Entstehung aus jeder der Elektrolysezellen durch die in den Trennböden vorgesehenen Durchlassöffnungen, durch die die Sole-Lösung nach unten fließt, nach oben in gegenläufiger Strömung aus. Der Gegenstrom folgt somit dem Gas-Fluidpfad und erstreckt sich von dem Auslassabschnitt, der einen untersten Entgasungsbereich bildet, durch die letzte, unterste Elektrolysekammer und durch – abhängig von der Zahl der Elektrolysekammern – eine oder mehrere Durchlassöffnungen bis zum Einlassabschnitt und über die Gas-Auslassöffnung durch die Gas-Auslassvorrichtung nach außen.
Weitere Verbesserungen hinsichtlich einer ökologischen und ökonomischen Verfahrensführung mit der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung, in der vorteilhaft die Entfernung des gasförmigen Nebenprodukts simultan zur Darstellung der Produktlösung durchgeführt wird, ergeben sich durch die Anordnung eines Bevorratungsraums unmittelbar in dem Gehäuse, in dem auch die Elektrolysezelle angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße Elektrolyseanlage, die der Darstellung, Entgasung und Bevorratung von Elektrolyseproduktlösungen wie einer wässrigen Alkalihypohalogenit-Lösung zugleich dient, erlaubt zunächst die Darstellung der Elektrolyseproduktlösung mit der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung, in der gleichzeitig das Abtrennen und Entfernen des entstandenen gasförmigen Nebenprodukts, Wasserstoff im Falle der Erzeugung der Alkalihypohalogenit-Lösung, stattfindet. Dazu umfasst die Elektrolyseanlage ein Bevorratungsgefäß mit einem Produkt-Auslass, das mittels einer Überführungsvorrichtung mit dem Fluidauslass der Elektrolysevorrichtung gekoppelt ist, so dass die Elektrolyseproduktlösung unmittelbar aus der Elektrolysevorrichtung in das Bevorratungsgefäß überführt wird, wobei die Elektrolysevorrichtung und das Bevorratungsgefäß von einem Gehäuse umgeben zusammen eine Anlage bilden.
Eine geeignete Überführungsvorrichtung kann einen Steigrohrabschnitt und einen Krümmer umfassen, wobei der Fluidauslass der Elektrolysevorrichtung unmittelbar in den Krümmer mündet. Der Steigrohrabschnitt erstreckt sich parallel zu der Gehäusewand der Elektrolysevorrichtung nach oben und öffnet sich in ein umgebendes Bevorratungsgefäß. Die Elektrolysevorrichtung mit dem angeordneten Steigrohrabschnitt kann dabei vorteilhaft in das Bevorratungsgefäß aufgenommen sein, wobei die Wandung des Bevorratungsgefäßes ein Außengehäuse für die Anlage bildet. Die Elektrolysevorrichtung und der Steigrohrabschnitt sind in den Vorratsraum integriert, wodurch die Produktlösung ohne längere Wege zurückzulegen unmittelbar aus der Elektrolysevorrichtung durch die einfache und Platz sparende Überführungsvorrichtung in das umgebende Bevorratungsgefäß überführt werden kann. Vorteilhaft entfallen somit zusätzliche Überführungsvorrichtungen und Schritte, die sich nachteilig auf die Produktkonzentration in der Lösung auswirken könnten.
Weiter kann die Elektrolyseanlage zur verbrauchsabhängigen Steuerung der Elektrolyse in der Elektrolysevorrichtung mit einer Regelungseinheit ausgestattet sein, die mit einer Messeinrichtung zur Füllstandsbestimmung in dem Bevorratungsgefäß gekoppelt ist.
Eine solche Messeinrichtung kann eine schwimmergesteuerte Füllstandsbestimmungsvorrichtung sein, wie sie dem Fachmann bekannt ist, mittels derer der Füllstand in dem Bevorratungsgefäß erfasst wird, und von der der erfasste Füllstand an die Regelungseinheit übermittelt wird. Abhängig davon steuert die Regelungseinheit die Erzeugung der Elektrolyseproduktlösung in der Elektrolysevorrichtung, mit der sie zum Starten beziehungsweise zum Beenden der Elektrolyse gekoppelt ist.
Eine derartige schwimmergesteuerte Füllstandsbestimmungsvorrichtung kann einen Schwimmer und eine Schwimmerlanze umfassen, wobei die Schwimmerlanze die entsprechenden Schaltpunkte zum in Gang setzen oder zum Beendigen der füllstandsabhängigen Betätigung der Elektrolysevorrichtung aufweist. Damit kann erfindungsgemäß vorteilhaft erreicht werden, dass stets die aus dem Bevorratungsgefäß entnommene Menge an Produkt automatisch nachproduziert wird, indem bei Absinken des Schwimmers unter einen vorgegebenen Schaltpunkt an der Schwimmerlanze die Betätigung der Elektrolysevorrichtung vorgenommen wird, indem weitere Edukt-Lösung zur Produkterzeugung der Elektrolyse zugeführt wird und die Elektroden der Elektrolysevorrichtung in Betrieb gesetzt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das erfindungsgemäße Bevorratungsgefäß ebenso wie die Elektrolysezelle zylindrisch ist, so dass die Elektrolysezelle in dem Bevorratungsgefäß angeordnet werden kann. Dies erlaubt eine besonders kompakte Bauweise und gestattet es, dass die drei Funktionen Elektrolyse und somit Darstellung, Entgasung und Bevorratung der Produktlösung in einer einzigen Vorrichtung untergebracht werden können. Selbstverständlich können jedoch auch andere geeignete Formgebungen für das Bevorratungsgefäß und/oder die Elektrolysezelle bzw. die Elektrolysevorrichtung gewählt werden.
Die erfindungsgemäße integrierte Elektrolyse-, Entgasungs- und Bevorratungsanlage stellt somit die Entgasung der Elektrolyseproduktlösung direkt während deren Erzeugung bereit, so dass vorteilhaft keine mit Wasserstoff angereicherten Produktlösung überführt werden muss, und sorgt zudem für eine räumlich nahe, in einer einzigen Anlage integrierte Bevorratung, so dass neben dem verringerten apparativen Raumbedarf auch die Anzahl an Verfahrensschritten zur Darstellung der Produktlösung, ihre Entgasung und Überführung in ein Vorratsgefäß abnimmt, wodurch die Qualität des Produktes, das ein instabiles wie eine wässrige Alkalihypohalogenit-Lösung sein kann, bis zum Abnehmer besser erhalten bleibt.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung und -anlage können zur Darstellung einer wässrigen Alkalihypohalogenit-Lösung aus einer wässrigen Alkalihalogenid-Lösung verwendet werden, wobei als Nebenprodukt Wasserstoff entsteht. Das entsprechende erfindungsgemäße Verfahren basiert darauf, dass die vertikal orientierte Elektrolysevorrichtung, die mehrere miteinander fluidisch in Kontakt stehende Elektrolysekammern aufweist, mit einer wässrigen Alkalihalogenid-Lösung über Kopf des Reaktors, also an dem Einlass des Einlassabschnitts beaufschlagt wird, und von dort sukzessive die Elektrolysekammern passiert, wobei die Elektrolyse der Alkalihalogenid-Lösung die Darstellung der Produktlösung sowie die Entstehung des gasförmigen Nebenprodukts respektive Wasserstoff bewirkt.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst nun vorteilhaft das unmittelbare Abtrennen des Wasserstoffs, der in der Elektrolysezelle aus einer oder mehreren Elektrolysekammern entstanden ist, aus dem Lösungsgemisch von Alkalihalogenid-Lösung und der Alkalihypohalogenit-Produktlösung, indem der Wasserstoff aufsteigen gelassen und über Kopf durch die Gas-Auslassöffnung der Gas-Auslassvorrichtung abgeführt wird. Damit wird vorteilhaft erreicht, dass das an Wasserstoff abgereicherte und somit entgaste Edukt-Produktgemisch in die entsprechend dem Sole-Fluidpfad jeweils stromabwärts folgende Elektrolysekammer beziehungsweise in den Auslassabschnitt strömt, wobei durch die in-situ stattfindende Entgasung und damit das Entfernen eines Gleichgewichtsreaktionsprodukts zudem vorteilhaft ein verbesserter Elektrolysevorgang und damit ein erhöhter Umsatzgrad erreicht wird.
Indem das Wasserstoffgas dem Auftrieb folgend nach oben drängt und über Kopf ausgelassen wird, strömt es naturgemäß im Gegenstrom zu dem nach unten fließenden Edukt-/Produktlösungsgemisch, das, nachdem die letzte der vorliegenden Elektrolysekammern passiert wurde, als entgaste Produktlösung aus einem sich an den Auslassabschnitt, der den untersten Entgasungssektor darstellt, anschließenden Fluidauslass entnommen werden kann.
Das Herstellungsverfahren kann auch einen intermittierenden Betriebsmodus für die Elektrolyse bereitstellen, wobei die Elektrolyse abwechselnd stattfindet und ausgesetzt wird, so dass dem während der Elektrolyse entstandenen Gas Zeit gegeben wird, zu größeren Gasblasen zu akkumulieren um somit durch einen größeren Auftrieb schneller entweichen zu können. Die Betriebsintervalle können abhängig von der Herstellungsrate oder anderen Bestimmungsparametern individuell eingestellt werden.
Die genannte Produktlösung kann eine wässrige Alkalihypohalogenit-Lösung, wie eine Natriumhypochlorit- oder Natriumhypobromit-Lösung sein, die durch die Elektrolyse aus der entsprechenden Edukt-Lösung, einer wässrigen Alkalihalogenid-Lösung wie einer Natriumchlorid- oder Natriumbromidlösung erzeugt wurde.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitende Figur verdeutlicht.
Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figur ist lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Elektrolyseanlage 100, in der die integrierte Entgasung in der umfassten erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung 1 stattfindet, die zur Darstellung einer wässrigen Alkalihypohalogenit-Lösung aus einer wässrigen Alkalihalogenid-Lösung geeignet ist, wobei in der Elektrolyseanlage 100 die integrierte Bevorratung der Produktlösung durch ein die Elektrolysevorrichtung 1 umgebendes Bevorratungsgefäß 10 bereitgestellt wird.
Das erfindungsgemäße Elektrolyseverfahren kann beispielsweise zur Darstellung einer wässrigen Natriumhypochlorit-Lösung aus einer Natriumchlorid-Sole-Lösung verwendet werden, die üblicherweise eine bis zu 28 Gew.-% gesättigte Lösung aus einem Salz-Sättiger sein kann. Die gesättigte Sole-Lösung kann vor dem Zudosieren in die Elektrolysezelle mit weichem Wasser in einem Verhältnis im Bereich von 12:1 bis 8:1 verdünnt werden, um im Endeffekt mit einer Konzentration von 2,3 bis 3,0 Gew.-% in die Elektrolysezelle eingeführt zu werden. Dort entsteht während der Elektrolyse der Sole-Lösung zwangsläufig als Elektrolyse-Nebenprodukt Wasserstoff.
Vorteilhaft ist es, wenn, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, der Wasserstoff unmittelbar nach seiner Entstehung bereits aus der Elektrolysezelle abgeführt werden kann, so dass am Auslass 4' der Elektrolysevorrichtung 1 eine gasfreie Produktlösung zur Verfügung steht. Bislang ist es im Stand der Technik erforderlich, die elektrolytisch erzeugten Natriumhypochlorit-Lösungen, die mit Wasserstoff angereichert sind, in einer zusätzlichen Entgasungskolonne oder in dem Vorratstank zu entgasen, was einen apparativen, räumlichen und zeitlichen Mehraufwand bedingt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Darstellung von Natriumhypochlorit-Lösung aus einer Sole-Lösung als nicht beschränkendes Beispiel kann in der erfindungsgemäßen Anlage 100 ausgeführt werden, die in einer beispielhaften Ausführungsform in 1 gezeigt ist. Dort ist die vertikal orientierte Elektrolysevorrichtung 1 dargestellt, die drei miteinander in Verbindung stehende Elektrolysekammern 2, 2', 2'' umfasst. Selbstverständlich kann eine andere Anzahl an Elektrolysekammern, abhängig vom gewünschten Durchsatz, der von wenigen Gramm bis hin zu mehreren Kilogramm Produkt pro Stunde betragen kann, gewählt werden.
Über der ersten Elektrolysekammer 2 ist der Einlassabschnitt 3 angeordnet, an dem auch der Einlass 3' zur Beaufschlagung der Elektrolysevorrichtung 1 mit der Sole-Lösung vorgesehen ist. Dieser Einlass 3' kann etwa als Ventil ausgestaltet sein. Nach und unterhalb der letzten Elektrolysekammer 2'' ist der Auslassabschnitt 4 vorgesehen, der den Fluidauslass 4' zur Ausgabe der von Wasserstoff befreiten Natriumhypochlorit-Lösung aus der Elektrolysevorrichtung 1 aufweist. Der Auslassabschnitt 4, der Einlassabschnitt 3 und die dazwischen befindlichen Elektrolysekammern 2, 2', 2'' sind durch Trennböden 5 gegeneinander abgegrenzt, wobei eine fluidische Verbindung zwischen den Kammern 2, 2', 2'' sowie dem Einlassabschnitt 3 und dem Auslassabschnitt 4 jeweils durch eine entsprechende Durchlassöffnung 5', die in jedem der Trennböden 5 vorgesehen ist, geschaffen wird. Denkbar ist dabei auch, dass, falls dies strömungstechnisch günstig ist, mehr als eine Durchlassöffnung in einem Trennboden vorhanden sein kann, oder dass die Trennböden eine unterschiedliche Anzahl an Durchlassöffnungen aufweisen können, wobei sich die Durchlassöffnungen selbst auch in verschiedenen Ausgestaltungen hinsichtlich der Abmessungen und der Formgebung unterscheiden können.
Die über den Einlass 3' in den Einlassabschnitt 3 eintretende Sole-Lösung kann somit über die Durchlassöffnung 5' den ersten Trennboden 5 passieren, um in die oberste Elektrolysekammer 2 und von dort jeweils sukzessive durch die Durchlassöffnungen 5' in den entsprechenden Trennböden 5 in die weiteren Elektrolysekammern 2', 2'' bis zu dem Auslassabschnitt 4 zu gelangen. Die Elektrolyse kann nunmehr durch Strombeaufschlagung der Elektroden 9, 9', die über den Auslass- bzw. den Einlassabschnitt 4, 3 in die Elektrolysevorrichtung 1 eingeführt werden, in Gang gesetzt werden. Es beginnt bereits in der ersten Elektrolysekammer 2 die Erzeugung von Natriumhypochlorit aus der Sole-Lösung sowie die Erzeugung des störenden gasförmigen Nebenprodukts Wasserstoff.
Durch die stehende Anordnung der Elektrolysevorrichtung 1 und durch die bereitgestellte Wasserstoff-Auslassöffnung 6' im Einlassabschnitt 3, die mit einer Wasserstoff-Auslassvorrichtung 6 verbunden ist, kann nun der infolge des Auftriebs nach oben strömende Wasserstoff in Form von Gasblasen über den Fluidpfad, der durch den Pfeil b angezeigt ist, nach oben strömen. Dieser Gasblasen-Fluidpfad b bildet somit einen Gegenstrom zu dem Flüssigkeitsstrom aus Sole- und Produktlösung, der der Pfeilrichtung a von oben nach unten folgt. Der Fluidpfad a der Elektrolysevorrichtung 1 beginnt mit dem Eintritt der Sole-Lösung an dem Einlass 3' des Einlassabschnitts 3 und endet an dem Auslass 4' des Auslassabschnitts 4 als natriumhypochlorithaltige Produktlösung, unabhängig von einem stromabwärts weiteren Strömungsweg der Produktlösung, die in ein Bevorratungsgefäß 10 überführt werden kann, was in 1 durch den Fluidpfad a angezeigt ist.
Der unterste mögliche Entgasungsbereich und damit der Startpunkt für den Fluidpfad b des Wasserstoffs liegt im Auslassabschnitt 4 unterhalb der untersten Elektrolysekammer 2'', so dass dem während der Elektrolyse in den Elektrolysekammern 2, 2', 2'' entstandenen Wasserstoff ausreichend Zeit zur Verfügung steht, Gasblasen mit ausreichender Größe und damit Auftrieb zu bilden und im Gegenstrom zum Flüssigkeitspfad a dem Wasserstoffpfad b folgend aufzusteigen, bevor die Produktlösung den Auslassabschnitt 4 der Elektrolysevorrichtung 1 verlässt.
Es kann vorteilhaft sein, die Durchlassöffnungen 5' in den Trennböden 5, die den Weg der Fluidpfade a, b bestimmen, wie in 1 gezeigt, jeweils versetzt zueinander zu positionieren, um einerseits eine Verweilzeit und ein Strömungsbild in den Elektrolysekammern 2, 2', 2'' zu beeinflussen und ein „Vorbeifließen” der Sole-Lösung zum Auslass 4'' zu verhindern und andererseits den Entgasungsprozess in den einzelnen Kammern 2, 2', 2'' und Abschnitten 3, 4 zu unterstützen, indem die aus den jeweils unteren Kammern aufsteigenden Gasblasen nicht in einer vertikalen Linie durch alle Kammern geradewegs nach oben steigen können, sondern in ihrem Aufstieg entlang dem Fluidpfad b einen längeren Weg durch die Kammern nehmen müssen und dadurch bei den Durchquerungen der Kammern, die durch die Anordnung der Durchlassöffnung 5' vorgegeben sind, weiteres Gas aufnehmen oder den Zusammenschluss kleinerer Gasblasen zur Bildung größerer fördern und an Wänden haftende Gasblasen mitreißen können.
So kann bereits der in der ersten Elektrolysekammer 2 entstehende Wasserstoff unmittelbar nach seiner Entstehung durch die Durchtrittsöffnung 5' im Trennboden 5 zu dem Einlassabschnitt 3 aufsteigen und dort durch die Gas-Auslassöffung 6' abgeführt werden. Entsprechend strömt auch der in den Elektrolysekammern 2' und 2'' entstehende Wasserstoff durch die jeweiligen Durchlassöffnungen 5' der unteren in die nächste darüber liegende Elektrolysekammer, bis er entsprechend über den Einlassabschnitt 3 durch die Gas-Auslassöffnung 6' der Gas-Auslassvorrichtung 6 aus der Elektrolysevorrichtung 1 respektive der Elektrolyseanlage 100 entlassen werden kann. Der Einlass 3', die Gas-Auslassvorrichtung 6 und die Elektrodenanordnung der oberen Elektrode 9 sind fest und gasdicht im Deckel 8 der Elektrolysevorrichtung 1, deren inneres Gehäuse 1' dort aufgenommen ist, eingebaut. Ebenso ist die Elektrode 9' sicher und gasdicht im Boden 8' eingebaut.
Selbstverständlich kann der Fluidauslass in den Boden des Gehäuses, das die Elektrolysevorrichtung enthält, aufgenommen werden oder kann an den Seitenwänden des Auslassabschnitts einer nicht dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung angeordnet sein, falls gewünscht wird, das entstandene Produkt unmittelbar seiner Verwendung zuzuführen.
Da das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Natriumhypochlorit, das als wässrige Lösung vorliegt, jedoch zwischengespeichert werden soll, kann es in der erfindungsgemäßen Elektrolyseanlage 100, die zur Darstellung und Bevorratung von Elektrolyseproduktlösung wie der oben aufgeführten wässrigen Natriumhypochlorit-Lösung geeignet ist, und die in 1 gezeigt ist, unmittelbar benachbart zu der Elektrolysevorrichtung 1 zwischengelagert werden. Dazu umfasst die Elektrolyseanlage 100, die die erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung 1 enthält, das Bevorratungsgefäß 10.
In diesem Fall ist der Fluidauslass 4' über einen Krümmer 7'' mit einem Steigrohrabschnitt 7' einer Überführungsvorrichtung 7 verbunden. Der Steigrohrabschnitt 7' ragt senkrecht nach oben und verläuft parallel und in unmittelbarer Nachbarschaft zu der Wandung des Gehäuses 1' der Elektrolysevorrichtung 1. Die Überführungsvorrichtung 7 verfügt am oberen Ende des Steigrohrabschnitts 7' über eine Öffnung, den Steigrohrauslass 11, der in das Bevorratungsgefäß 10 mündet, so dass zwischen der Elektrolysevorrichtung 1 und dem Bevorratungsgefäß 10 ein ausgeglichener Druck herrscht. Durch die Überführungsvorrichtung 7 wird erreicht, dass die Natriumhypochlorit-Lösung, sobald sie produziert ist, allmählich in dem Steigrohrabschnitt 7' nach oben steigt, beim Steigrohrauslass 11 austritt und überfließt und das Bevorratungsgefäß 10 füllt.
Wie in 1 dargestellt kann das Bevorratungsgefäß 10 vorteilhaft gleichzeitig ein Gehäuse für die gesamte Elektrolyseanlage 100 bilden, so dass die Elektrolysevorrichtung mit Entgasung 1 innerhalb des Bevorratungsgefäßes 10 angeordnet ist. Besonders einfach und Platz sparend können dabei sowohl das innere Gehäuse 1' der Elektrolysevorrichtung 1 als auch das äußere Gehäuse, das das Bevorratungsgefäß 10 bildet, wie dargestellt zylindrisch sein, andere Querschnittsformen können aber auch gewählt werden, wenn dies geeignet erscheint.
Während vorliegend der Boden 8' gleichzeitig die Elektrolysevorrichtung 1 und das umgebende Bevorratungsgefäß 10 aufnimmt, kann wie in 1 dargestellt, der Deckel 8 lediglich die Elektrolysevorrichtung 1 bedecken, während ein weiterer Deckelabschnitt 8'' das Bevorratungsgefäß 10 abschließt. Dieser Deckelabschnitt 8'' kann dann durch geeignete, vorteilhafterweise lösbare Verbindungsmittel, wie Schraubverbindungen, mit dem Deckel 8 der Elektrolysevorrichtung 1 verbunden sein.
Nicht gezeigt sind Kühlvorrichtungen, die in dem Bevorratungsgefäß oder um es herum angeordnet sein können, insbesondere als Kühlschlangen, um das Produkt bei seiner Entstehung und Bevorratung zu kühlen.
Selbstverständlich ist es grundsätzlich auch denkbar, zwei unmittelbar benachbarte Gehäuse, die die Elektrolysevorrichtung und eine Bevorratungskammer umgeben, nebeneinander und in einem gemeinsamen Außengehäuse anzuordnen.
Weiter ist in dem Bevorratungsraum, vorliegend dem Bevorratungsgefäß 10, ein Schwimmer 12 zur Füllstandsbestimmung angeordnet, der in 1 in mehreren Positionen zugleich gezeigt ist: unten, in der Mitte und oben im Bevorratungsgefäß. Derartige Positionen ergeben sich füllstandsabhängig. Der Schwimmer 12 ist mit einer Schwimmerlanze gekoppelt, von der nur ein oberster Abschnitt 12' zu sehen ist, während die restliche Schwimmerlanze in 1 von dem Steigrohrabschnitt 7' der Überführungsvorrichtung 7 verdeckt ist, und dient der Erfassung des Füllstands der Natriumhypochlorit-Lösung in dem Bevorratungsgefäß 10 zur füllstandsgeregelten Erzeugung der Natriumhypochlorit-Lösung in der Elektrolysevorrichtung 1, indem eine Regelungseinheit – nicht figurativ dargestellt – an der Elektrolyseanlage 100 angeordnet ist, die mit einer Einheit zur Betätigung der Elektrolysevorrichtung 1 und mit der Füllstandsmessvorrichtung, bestehend aus Schwimmer 12 und Schwimmerlanze, gekoppelt ist. Die Elektrolyse wird dann in Abhängigkeit von einem Füllstand in dem Vorratsgefäß 10 in Gang gesetzt beziehungsweise beendet, indem durch den aufschwimmenden Schwimmer 12 ein Passieren der Schaltpunkte P1, P2, P3, P4 an der Schwimmerlanze erfasst wird. Damit kann die Betätigung der Elektrolysezelle 1 abhängig von der vorgenommenen Einstellung verbrauchsbezogen gesteuert werden.
So kann die Elektrolyse gestartet werden, indem die Regelungseinheit die Zufuhr der Solelösung durch den Einlass 3' in die Elektrolysevorrichtung 1 bewirkt, und die Elektroden 9, 9' betätigt, wenn der Schwimmer 12 den mittleren Schaltpunkt P2 oder den unteren Schaltpunkt P1 erreicht, so dass eine Überführung neuer Produktlösung in das Vorratsgefäß 10 bewirkt werden kann. Passiert der Schwimmer 12 dann den Schaltpunkt P3, beendet die Regelungseinheit die Produkterzeugung durch Abschalten der Zufuhr an Solelösung und der Elektroden 9, 9'. Steigt aus irgendeinem Grund der Pegel im Vorratsgefäß weiter und schwimmt der Schwimmer 12 bis Schaltpunkt P4 auf, so erfolgt eine Sicherheitsabschaltung der Anlage und ein Abfließen der Produktlösung über einen separaten Überlauf des Bevorratungsgefäßes 10.

Schließlich kann als Füllstandsbestimmungsvorrichtung auch die Anordnung von beispielsweise zwei Schwimmern und zwei Schwimmlanzen vorgesehen sein, wobei jeweils eine Schwimmlanze von oben und eine von unten in das Bevorratungsgefäß ragt, so dass der Schwimmer der oberen Schwimmlanze zur Erfassung des Maximumfüllstands im Bevorratungsgefäß und damit zur Abschaltung der Elektrolyse dient, während der Schwimmer auf der unteren Schwimmlanze einen Minimumfüllstand erfasst und damit die Produkterzeugung auslöst. BEZUGSZEICHENLISTE

1	Elektrolysevorrichtung
1'	zylindrisches Gehäuse
100	Elektrolyseanlage
2, 2', 2''	Elektrolysekammern
3	Einlassabschnitt
3'	Einlass
4	Auslassabschnitt
4'	Fluidauslass
5	Trennboden
5'	Durchlassöffnung
6	Wasserstoffauslassvorrichtung
6'	Wasserstoffauslassöffnung
7	Überführungsvorrichtung
7'	Steigrohrabschnitt
7''	Krümmer
8	Deckel
8'	Boden
8''	Deckelabschnitt
9, 9'	Elektroden
10	Außengehäuse/Bevorratungsgefäß
11	Steigrohrauslass
12	Schwimmer
12'	Schwimmerlanze
13	Produkt-Auslass
P1, P2, P3, P4	Schaltpunkte
a, b	Fluidpfad

Claims

Elektrolysevorrichtung, die ein vertikal orientiertes Gehäuse (1') mit einem Deckel (8) und mit einem Boden (8') umfasst, wobei das Gehäuse (1') – eine Mehrzahl von miteinander in fluidischer Verbindung stehenden Elektrolysekammern (2, 2', 2''), – einen mit einer ersten Elektrolysekammer (2) in fluidischer Verbindung stehenden Einlassabschnitt (3) mit einem Einlass (3') für die Beschickung mit einer Eduktlösung, und – einen mit einer letzten Elektrolysekammer (2'') in fluidischer Verbindung stehenden Auslassabschnitt (4) mit einem Fluidauslass (4') für zumindest eine Produktlösung umfasst, wobei der Einlassabschnitt (3), die Elektrolysekammern (2, 2', 2'') und der Auslassabschnitt (4) durch Trennböden (5) voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass – in jeden der Trennböden (5) eine Durchlassöffnung (5') eingebracht ist, so dass sich ein Fluidpfad (a) in einer Fließrichtung von dem Einlass (3') über den Einlass-Abschnitt (3) durch die Elektrolysekammern (2, 2', 2'') und über den Auslassabschnitt (4) zu dem Fluidauslass (4') erstreckt, – der Einlassabschnitt (3) eine Gas-Auslassöffnung (6') aufweist, wobei ein zweiter Fluidpfad (b) zum Abführen von Gas entgegen der Fließrichtung des Fluidpfades (a) bereitgestellt wird, wobei sich der Fluidpfad (b) von dem Auslassabschnitt (4) durch die Elektrolysekammern (2, 2', 2'') und durch den Einlassabschnitt (3) zu der Gasauslassöffnung (6') erstreckt.
Elektrolysevorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils benachbarte Trennböden (5) so zueinander angeordnet sind, dass die Durchlassöffnungen (5') zueinander versetzt positioniert sind.
Elektrolysevorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassabschnitt (4) einen untersten möglichen Entgasungsbereich umgibt.
Elektrolyseanlage (100), die zur Darstellung, Entgasung und Bevorratung von Elektrolyseproduktlösungen, die als ein Nebenprodukt Gas bilden, geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyseanlage (100) – zumindest eine Elektrolysevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Darstellung der Elektrolyseproduktlösungen und – ein Bevorratungsgefäß (10) mit einem Produkt-Auslass (13) umfasst, wobei das Bevorratungsgefäß (10) und die Elektrolysevorrichtung (1) in einer Einheit umfasst sind; wobei eine fluidische Verbindung zwischen dem Fluidauslass (4') der Elektrolysevorrichtung (1) und dem Bevorratungsgefäß (10) durch eine Überführungsvorrichtung (7) bereitgestellt ist, die in dem Bevorratungsgefäß (10) angeordnet ist und dort mündet.
Elektrolyseanlage (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Überführungsvorrichtung (7) zur Überführung der Elektrolyseproduktlösung in das Bevorratungsgefäß (10) einen Steigrohrabschnitt (7') und einen Krümmer (7'') umfasst, und – der Fluidauslass (4') in den Krümmer (7'') mündet, wobei der Steigrohrabschnitt (7') sich parallel zu einer Wandung des Gehäuses (1') der Elektrolysevorrichtung (1) erstreckt, wobei die Elektrolysevorrichtung (1) und der Steigrohrabschnitt (7') von dem Bevorratungsgefäß (10) umgeben sind.
Elektrolyseanlage (100) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyseanlage (100) eine Regelungseinheit umfasst, die – in dem Bevorratungsgefäß (10) eine schwimmergesteuerte Füllstandsbestimmungsvorrichtung zur Bestimmung eines Füllstandes des Bevorratungsgefäßes (10) umfasst, und – mit einer Einheit zur Betätigung der Elektrolysevorrichtung (1) gekoppelt ist, wobei die Elektrolyse in der Elektrolysevorrichtung (1) zur Erzeugung von Produktlösung in Abhängigkeit des Füllstands in dem Bevorratungsgefäß (10) betätigt wird.
Elektrolyseanlage (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die schwimmergesteuerte Füllstandsbestimmungsvorrichtung einen Schwimmer (12) und eine Schwimmerlanze umfasst, die Schaltpunkte (P1, P2, P3, P4) zurfüllstandsabhängigen Betätigung der Elektrolysevorrichtung (1) aufweist.
Elektrolyseanlage (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bevorratungsgefäß (10) und das Gehäuse (1') der Elektrolysevorrichtung (1) zylindrisch sind.
Elektrolyse-Verfahren zur Darstellung von wässriger Alkalihypohalogenit-Lösung aus einer Alkalihalogenidlösung unter Entstehung eines Elektrolyse-Nebenproduktes Wasserstoff, wobei die Elektrolysevorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3 verwendet wird, umfassend die Schritte – Zuführen der Alkalihalogenidlösung über den Einlass (3') in den Einlassabschnitt (3) der Elektrolysevorrichtung (1), die vertikal orientiert angeordnet ist und eine Mehrzahl von in fluidischer Verbindung miteinander stehenden Elektrolysekammern (2, 2', 2'') umfasst, und Strömenlassen der Alkalihalogenidlösung in zumindest die erste Elektrolysekammer (2), – Betätigen der Elektrolysevorrichtung (1) und in Gang Setzen der Elektrolyse und Erzeugen von Alkalihypohalogenit-Lösung und Wasserstoff aus der Alkalihalogenid-Lösung in zumindest der ersten Elektrolysekammer (2), – Abtrennen des Wasserstoffs, der in zumindest der ersten Elektrolysekammer (2) entstanden ist, aus einem Gemisch der Alkalihalogenid-Lösung und der Alkalihypohalogenit-Lösung, durch – Aufsteigenlassen des Wasserstoffes in der vertikal angeordneten Elektrolysevorrichtung (1), und – Abführen des Wasserstoffs entlang dem zweiten Fluidpfad (b) zu der Gas-Auslassöffnung (6'), während das Gemisch der Alkalihalogenid-Lösung und der Alkalihypohalogenit-Lösung im Gegenstrom zu dem Wasserstoff-Fluidpfad (b) entlang dem ersten Fluidpfad (a) dem Fluidauslass (4') zugeführt wird.
Elektrolyse-Verfahren nach Anspruch 9, wobei – die Alkalihalogenid-Lösung eine Natriumchloridlösung und die wässrige Alkalihypohalogenit-Lösung eine wässrige Natriumhypochlorit-Lösung ist, oder – die Alkalihalogenid-Lösung eine Natriumbromidlösung und die wässrige Alkalihypohalogenit-Lösung eine wässrige Natriumhypobromit-Lösung ist.