DE1089979B - Elektrolytische Zelle zur Gewinnung von Alkalimetall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine verbesserte elektrolytische Downssche Zelle mit Graphitanode, die zur Gewinnung von Alkalimetallen, insbesondere Natrium, durch Elektrolyse eines geschmolzenen Alkalihalogenids, z. B. Natriumchlorid, dient.

Die in der USA.-Patentschrift 1 501 756 beschriebene und zur Natriumherstellung angewendete Downssche Zelle weist eine Graphitanode auf, die in den Zellenboden eingesetzt ist. Sie erhält ihre Stromzufuhr durch den Zellenboden. Die aus Eisen oder Stahl bestehende Kathode umschließt die Anode und erstreckt sich durch die Zellenwände, wo sie an den Stromkreis angeschlossen ist. Ein meist aus Draht bestehendes Metalldiaphragma, welches Anoden- und Kathodenraum voneinander abtrennt, ermöglicht die Trennung von elektrolytisch gebildetem Alkalimetall und Halogen. Befestigt ist das Diaphragma an Sammlervorrichtungen, die sich im oberen Zellenteil befinden und zum Auffangen des abgeschiedenen Alkalimetalls und Halogens dienen. Für eine wirtschaftliche Natriumproduktion darf der Abstand zwischen Anode und Kathode vorzugsweise etwa 5 cm nicht überschreiten. Da der Raum zwischen den Elektroden ziemlich ausgedehnt ist und da mit einem Metalldiaphragma gearbeitet werden muß, das keine Berührung mit den Elektroden haben darf, müssen die Elektroden in genau ausgerichteter Lage sein und lange in dieser Lage verbleiben, wenn die Zelle eine zufriedenstellende Lebensdauer haben soll. Die Schwierigkeit der einwandfreien Ausrichtung der Elektroden ist besonders groß, wenn die Zelle mehrere Anoden aufweist.

Da die metallischen und nichtmetallischen Teile, besonders Stahl bzw. Eisen und Graphit, verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, ist bei der Erhitzung des Elektrolyten in der Zelle bis über seinen Schmelzpunkt, d. h. auf etwa 600° C, die Gefahr ziemlich groß, daß Anode und Kathode ihre gegenseitige Ausrichtung verlieren. Diese Gefahr ist um so größer, weil der Zellenboden die Anode in ihrer senkrechten Stellung und im richtigen Abstand von den übrigen Zellenelementen halten muß. Stahl dehnt sich bei einem bestimmten Temperaturanstieg fünf- bis siebenmal so stark aus als Graphit, wodurch die Ausrichtung oft so weit verändert wird, daß das Zelldiaphragma nicht mehr einwandfrei zentriert werden kann, ohne das Kurzschlüsse und bzw. oder Mißverhältnisse zwischen Anoden- und Kathodenraum auftreten, was eine geringe Ausbeute und eine kurze Lebensdauer der Zelle zur Folge hat.

Erfindungsziel ist demgemäß die Schaffung einer verbesserten elektrolytischen Zelle zur Gewinnung von Alkalimetall, insbesondere von Natrium. Ein weiteres Erfindungsziel ist eine verbesserte Anordnung der Zellenteile, insbesondere eine solche, bei welcher die

Elektrolytische Zelle zur Gewinnung
von Alkalimetall

Anmelder:

E. I. du Pont de Nemours and Company,
Wilmington, Del. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing, W. Abitz, Patentanwalt,
München 27, Gaußstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 20. Februar 1957

Frank Edwin Smith, Niagara Falls, N. Y. (V. St. A.,
ist als Erfinder genannt worden

Graphitanoden ihre Ausrichtung zur Kathode und zum Diaphragma besser beibehalten. Ein weiteres Erfindungsziel ist die Schaffung eines besseren Kontakts der Anode bzw. der Anoden mit der elektrischen Stromzuleitung.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine oder mehrere Anoden einer Downsschen Zelle in einem vorzugsweise rechtwinkligen Graphitblock fest verankert werden, welcher als feste Stütze zur Halterung der Anode bzw. Anoden in senkrechter Stellung und als elektrischer Leiter zwischen Anoden und Stromquelle dient. Hierdurch sind die Anoden derart angeordnet, daß die unterschiedliche Ausdehnung von Metall und Graphit die innere Ausrichtung zwischen Anode bzw. Anoden einerseits und der Kathode, dem Diaphragma und der Auffangvorrichtung andererseits nich£ beeinträchtigt.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine Anordnung der Anodenbasis zusammen mit den Elektroden und der Sammeleinrichtung im Querschnitt, die für eine Salzschmelze-Natriumzelle mit mehreren Anoden geeignet ist,

Fig. 2 einen waagerechten Schnitt durch den Anodenbasisblock nach der Linie X-X der Fig. 1,

Fig. 3 einen waagerechten Schnitt durch die Zelle nach der Linie Y-Y der Fig. 1,

Fig. 4 einen senkrechten Schnitt durch eine andere Anordnung zur Befestigung der Anode im Basisblock. Die senkrechten Graphitanoden 1 verjüngen sich kegelförmig an ihren unteren Enden, die genau in entsprechende kegelförmige Ausschnitte oder Sockel in

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einem ebenfalls aus Graphit bestehenden Basisblock 2 passen. Ferner sind die Anoden in fester zentrierter Stellung im Block durch Graphitstifte 3 verankert. Der Graphitbasisblock 2 ist in einen Stahlkasten 4 eingesetzt, dessen Flansch 5 auf Isolatoren 6 ruht, welche die Ummauerung 7 der Zelle sowie den Stahlkasten tragen. Der Stahlkasten 4 ist in seiner Form der Form des Graphitbasisblocks 2 angepaßt, derart, daß der letztere unverschieblich in seiner Lage gehalten wird. Die Isolatoren 6 können auf Tragschienen 9 angeordnet sein. Mit dem Kasten 4 verschweißte Metallflügel 8 dienen als Kontakte mit der nicht gezeigten Stromsammelschiene.

Ein niedrigschmelzendes Metall, das bei den Betriebstemperaturen der Zelle flüssig ist, beispielsweise Woodsches Metall — dessen Zusammensetzung und Verwendung für solche Zwecke in der deutschen Patentschrift 861 750 beschrieben ist —, im Raum 10 zwischen dem Graphitbasisblock 2 und dem Kasten 4 dient zur Herstellung einer guten leitenden Verbindung zwischen beiden. Ein isolierender feuerfester Block 11, der aus feuerfestem Zement eingegossen wird, dichtet den Boden der Zelle von der das Salzschmelzbad enthaltenden Zone 12 ab.

Der Basisblock 2 wird im Stahlkasten 4 so festgehalten, daß er seine Lage nicht verändern kann und damit die in ihm verankerte Anode während der ganzen Lebensdauer der Zelle mit der Kathode in einwandfreier Ausrichtung bleibt. Der Graphitbasisblock verankert mit der Anode wird außerdem durch den Isolierblock 11 in seiner Lage gehalten, der vorzugsweise erst eingegossen wird, nachdem die Anode und der Block 2 richtig ausgerichtet und durch den Stahlkasten 4 in ihrer Lage festgestellt worden sind.

Die im Zellenbad befindlichen Anoden 1 sind von Stahlkathoden 13 umgeben, welche über Zuleitungen 14, die durch die Seite der Zelle geführt sind, mit nicht gezeigten Stromsammeischienen verbunden sind. Die Kathodenzuleitungen 14 sind durch feuerfeste Steine und keramischen Zement bei 15 elektrisch isoliert, und eine keramische Zellenauskleidung oder Steine 16 isolieren die Zellenwand vom Elektrolyten. Zwischen den Elektroden sind ringförmige Diaphragmen 17 an den Sammelhauben aufgehängt, die aus Sammelhauben für Natrium 18 und Chlor 19 bestehen. Die Kathodenzuleitungen sind durch verzweigte Arme 26 mit den zylindrischen Kathoden 13, beispielsweise durch Schweißung, verbunden. An den Stellen 25, an denen die Kathoden einander berühren, sind sie mit Rücksicht auf einen guten elektrischen Kontakt und eine starre Anordnung vorzugsweise miteinander verschweißt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist die Anode 21 mit dem Basisblock 2 durch ein Gewinde 23 an ihrem unteren Ende verbunden, das in eine entsprechende Bohrung im Block eingesetzt ist, welche ebenfalls mit einem geeigneten Gewinde 24 zur Aufnahme des mit einem Gewinde versehenen Anodenendes mit festem und engem Sitz ausgebildet ist.

Vorzugsweise besteht der Graphitbasisblock aus einem einzigen Stück. In den Fällen, in welchen mehrere Anoden in einer einzigen Zelle angeordnet sind, kann für jede Anode ein rechteckiger Basisblock verwendet werden, wobei jedoch die Blöcke eng zusammengefügt und mit enger Passung in den Stahlkasten eingesetzt werden und eine ausreichend große Fläche haben müssen, damit sie als Basis für die gesamte Anodengruppe dienen können. Der Basisblock muß ausreichend dick sein und einen ausreichenden Querschnitt haben, damit entsprechende Bohrungen zum Einpassen und festen Verankern des unteren Endes der Anoden eingearbeitet werden können. Ferner müssen sie eine ausreichende mechanische Festigkeit und eine ausreichende Kontaktfläche für die Stromzuleitung haben. Im allgemeinen soll die Höhe des Blocks nicht weniger als etwa ein Zehntel der Anodenlänge betragen. Das Verhältnis von Blockdicke zur Anodenlänge ist vorzugsweise 1 :5, kann aber auch 1:2 betragen, jedoch ist der mit solch kurzen

ίο Elektroden erzielte Vorteil sehr gering. Der Basisblock kann rechteckig, achteckig oder sogar zylindrisch sein, jedoch muß sein rechteckiger oder achteckiger Querschnitt größer als der zylindrische Querschnitt der Anode sein.

Die Achse der zylindrischen Anode soll zur waagerechten Querschnittsfläche des Basisblocks rechtwinklig zentriert sein, während der Durchmesser des Querschnitts der Anode kleiner sein soll als die Breite der Fläche des die Anode tragenden Blocks. Vorzugsweise

ao soll der Durchmesser des Querschnitts der Anode mindestens etwa 5 % kürzer sein als die Seite des entsprechenden Querschnitts des die Anode tragenden Blocks, welchen Querschnitt dieser auch immer hat, wobei ein um etwa 20 bis 30 % kürzerer Durchmesser des Querschnitts der Anode vorzuziehen ist.

Zur Befestigung der Anode im Basisblock können verschiedene Verfahren angewendet werden. Fig. 4 zeigt eine Schraubverbindung. Eine andere Verbindungsmöglichkeit besteht darin, eine Schlitzöffnung im Basisblock vorzusehen, in die ein entsprechender Zapfen am unteren Ende der Anode eingesetzt wird. Es sind auch andere Befestigungsarten denkbar, es wurde jedoch im Rahmen der Erfindung festgestellt, daß der in Fig. 1 dargestellte kegelstumpfförmige Sitz wesentliche Vorteile hat, da er eine genaue Bearbeitung und Einpassung ermöglicht.

Im allgemeinen ist es zu empfehlen, die Anode im konischen Ausschnitt im Basisblock durch Graphitstifte zu sichern, um den Basisblock und das konische Ende der Anode fest miteinander zu verbinden.

Hinsichtlich des Winkels des konischen Sitzes zwischen dem unteren Anodenende und dem Basisblock bestehen verhältnismäßig weite Grenzen. Es können Winkel zwischen etwa 3 und 15° mit der Senkrechten vorgesehen werden, jedoch ist ein Winkel zwischen etwa 7 und 10° vorzuziehen.

Die erfindungsgemäße Anordnung der Anode in einem Graphitblock zur Sicherung einer bleibenden Ausrichtung der Anode mit der Kathode und dem Diaphragma ist sowohl auf mit einer einzigen in der Mitte angeordneten Anode ausgerüstete Zellen als auch auf solche mit mehreren zylindrischen Anoden anwendbar.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektrolytische Zelle zur Gewinnung von Alkalimetall, insbesondere von Natrium, unter Verwendung eines geschmolzenen Alkalihalogenide, wie Natriumchlorid, die mit einer im Boden der Zelle eingesetzten Graphitanode und einer diese ringförmig umgebenden Eisen- oder Stahlkathode sowie mit einem Metalldiaphragma und Auffangvorrichtungen für das Alkalimetall und das Halogen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle eine oder mehrere Anoden aufweist, deren jeweils unteres Ende fest in einem vorzugsweise rechtwinkligen Graphitbasisblock angeordnet ist, welcher als feste Unterstützung zur Halterung der Anode

in senkrechter Stellung und als elektrischer Leiter zwischen Anode und der elektrischen Stromquelle für die Zelle dient.

2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenüber Erde und Zelle elektrisch isolierte Basisblock einen senkrechten, sich verjüngenden, kegelförmigen Ausschnitt aufweist, der das untere Ende einer länglichen zylindrischen Graphitanode unter genauer senkrechter Zentrierung und Passung aufnimmt.

3. Zelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisblock in elektrisch leitendem

Kontakt mit seiner ihn tragenden metallischen, insbesondere ihn an den Seiten und am Boden umgebenden Abstützung steht.

4. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Höhe des Blocks zur Länge der zylindrischen Anode größer als etwa 1:10 ist.

5. Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung des Basisblocks, in waagerechter Richtung gemessen, mindestens 5 % größer ist als der Durchmesser der zylindrischen Anode.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 009 609/352 9.60