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Rahmen für Diaphragyna-Elektrolysezellen Die Erfindung betrifft Rahmen
für Diaphragma-Elektrolysezellen mit bipolaren Graphitelektroden, bei denen am unteren
Ende des Rahmens ein Zulaufkanal und am oberen Ende des Rahmens Sammelkanäle für
die Elektrolyseprodukte, den Anolyten und den Kathol#,ten vorgesehen sind. Derartige
Diaphragmazellen werden normalerweise in größerer Anzahl filterpressenartig hintereinandergeschaltet
und beispielsweise zur Elektrolyse von Salzsäure verwendet.
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Es sind bereits seit langem Diaphragmazellen dieser Art bekannt, insbesondere
die sogenannte »Bitterfeld«-Zelle für die Salzsäureelektrolyse, die aus einem Rahmen
mit Zulaufkanälen für die konzentrierte Salzsäure und Ablaufsammelkanälen für das
Chlor, den Wasserstoff und die verdünnte Salzsäure besteht. Diese Rahmen weisen
beispielsweise eine feste Graphitkathode und eine sogenannte Schüttanode auf oder
aber Anoden und Kathoden, die beide mit losem Graphit gefüllt sind. Zwischen den
einzelnen Diaphragmazellen befinden sich Dichtungen, um ein Austreten der konzentrierten
Säure, des an der Anode abgegebenen Chlorgases und des Wasserstoffgases zu verhindern.
Diese Dichtungsflächen sind insbesondere deswegen sehr kritisch, weil das in seinem
Sammelkanal strömende Chlorgas die Dichtungen angreift.
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Durch die in der modernen chemischen Großtechnik durchgeführte Chlorierung
organischer Verbindungen, bei der als Nebenprodukt Salzsäure in sehr großen Mengen
anfällt, die man nicht alle in wäßriger Lösung absetzen kann, ist die Wiedergewinnung
des Chlors aus der wäßrigen Salzsäurelösung durch Elektrolyse zu einem für die chemische
Industrie akuten Problem geworden. An sich ist es am rationellsten, diese bei der
Chlorierung organischer Verbindungen anfallende Salzsäure durch Elektrolyse zu zersetzen,
um wieder elementares Chlor zurückzugewinnen, das erneut zur Chlorierung verwendet
werden kann.
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Eine Reihe von Konstruktionen nach Art von wie Filterpressen angeordneten
Elektrolysezellen sind im Laufe der letzten Jahre entwickelt worden, die zur Sauerstoff-
und Wasserstoffherstellung verwendet werden. Vorzugsweise verwendet man dabei bipolare
Elektroden. Dabei ging man bisher so vor, daß man jeweils eine bipolare Elektrode
in einem Rahmen befestigte, wobei die Breite und somit die Größe der einzelnen Rahmen
durch die Dicke der Elektroden und deren möglichst geringen Abstand von dem Diaphragma
gegeben war. Diese bekannten Rahmen haben eine wirksame Anodenfläche von etwa 1,5
qm.
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Die Wirtschaftlichkeit solcher Elektrolyseanlagen, ob sie nun für
die Chlorwasserstoffelektrolyse oder für die Wasserelektrolyse verwendet werden,
hängt im wesentlichen von der wirksamen Anodenfläche jedes Rahmens und außerdem
von der wirksamen Anodenfläche pro Quadratmeter Bodenfläche der Anlage ab. Aufgabe
der Erfindung ist es, durch eine Neukonstruktion die wesentlichsten Nachteile der
bisher bekannten Anlagen zu vermeiden, indem die wirksame Anodenfläche pro Rahmen
wesentlich erhöht wird, während gleichzeitig auch die wirksame Rahmenfläche pro
Quadratmeter Bodenfläche erhöht und außerdem die dem Angriff der Elektrolyseprodukte
oder des Elektrolyten ausgesetzten Dichtungsflächen wesentlich vermindert werden.
Gleichzeitig soll durch eine solche Konstruktion die Betriebssicherheit einer solchen
Anlage um ein Vielfaches erhöht und der Platzbedarf gleichzeitig beträchtlich herabgesetzt
werden.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß in einem Rahmen fürDiaphragma-Elektrolysezellen
mehr als ein, vorzugsweise zwei, bipolare Elektrodenkörper angeordnet sind, die
jeweils auf ihrer Kathodenseite ein Diaphragma aufweisen. Vorzugsweise sind die
Rahmen so aufgebaut, daß das Rahmenprofil, das aus einem in bezug auf den Elektrolyten
und die Elektrolyseprodukte inerten Material besteht, sich über die Breite beider
Elektrodenkörper erstreckt. Vorteilhafterweise sind die zum Ableiten der Elektrolyseprodukte
dienenden Sammelkanäle auf der Oberseite des Rahmens angeordnet und von den für
den Katholyten und den Anolyten bestimmten Kanälen baulich getrennt.
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Zweckmäßigerweise wird man den sich über die Breite zweier bipolarer
Elektroden erstreckenden Rahmen aus einem stranggepreßten und verschweißten Hohlprofil
herstellen, das in an sich bekannter Weise mit einem inerten Gummiüberzug versehen
ist. Der Rahmen kann aber auch aus einem Vollprofil bestehen, das aus einem gegen
den Elektrolyten und die Elektrolyseprodukte inerten Kunststoff oder Hartgummi gefertigt
ist.
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Vorteilhafterweise erstreckt sich die Kathodenseite der bipolaren
Elektrode über die gesamte innere Bauhöhe des Rahmens und weist in ihrem oberen
Teil eine kanalartige Ausnehmung auf, die durch eine Trennwand
dicht
abgeschlossen ist und mit dem durch Schlitze in der Kathodenoberfläche gebildeten
Kathodenraum in Verbindung steht. Dagegen erstreckt sich die bipolare Elektrode
anodenseitig nicht völlig über die ausnutzbare innere Bauhöhe des Rahmens, wodurch
oberhalb der Anode ein kanalartiger Gasraum gebildet wird, der mit dem durch Schlitze
in der Anodenoberfläche gebildeten Anodenraum in Verbindung steht.
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Da im oberen Abschnitt der Kathodengasraum durch eine Trennwand abgeschlossen
ist, ist es nicht erforderlich, daß das Diaphragma sich über die ganze Bauhöhe des
Rahmens erstreckt. Zweckmäßigerweise erstreckt sich das Diaphragma nur bis etwas
über das untere Ende der Trennwand nach oben und ist an der Kathode mittels eines
umlaufenden, beispielsweise viereckigen Rahmens befestigt.
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Durch diese besondere Konstruktion wird erreicht, daß die bipolaren
Elektroden unten und an den Seiten bis zur Höhe der Anode im wesentlichen über ihre
gesamte Dicke mit dem Profil des Rahmens und die Kathoden außerdem an ihrem oberen
Ende im wesentlichen über ihre gesamte Dicke mit dem Rahmenprofil verkittet werden
können.
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Vorteilhafterweise wird man in den so gebildeten Rahmen Versteifungsprofile
einziehen, die als gummiüberzogene Hohlprofile oder als Vollprofile aus Hartgummi
oder Kunststoff ausgeführt sein können und sich vorzugsweise nicht über die volle
Dicke des Rahmens erstrecken.
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Die Erfindung sei anschließend an Hand der Zeichnungen näher beschrieben.
Dabei zeigt Fig. 1 eine Vorderansicht des Rahmens gemäß der Erfindung, Fig. 2 einen
Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 1 und , Fig. 3 zwei hintereinanderliegende
Rahmen gemäß der Erfindung, d. h. den linken Rahmen in einer Schnittansicht längs
der Linie III-III der Fig. 1 und den rechten Rahmen in einer Schnittansicht längs
der Linie IV-IV der Fig. 1.
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In Fig. 1 ist der Rahmen 1 dargestellt, der aus einem stranggepreßten,
verschweißten Hohlprofil oder aus einem aus Kunststoff oder Hartgummi bestehenden
Vollprofil hergestellt sein kann. In diesen Rahmen sind Versteifungsprofile 2 eingezogen,
die sich vorzugsweise nicht über die ganze Dicke des Rahmens erstrekken und entweder
als Hohlprofile oder als Vollprofile ausgebildet sein können. Oben auf dem Rahmen
sind drei Sammelkanäle 3, 3 und 4 angebracht. Dabei dienen die Kanäle 3, die oben
auf beiden Seiten des Rahmens angebracht sind, zum Abführen der an der Anode entstehenden
Elektrolyseprodukte, und der in der Mitte liegende Sammelkanal dient' dem Abführen
der an der Kathode entstehenden Elektrolyseprodukte. Diese Sammelkanäle sind über
Abzugskanäle 16 und 17 mit dem Inneren des Rahmens verbunden. Am unteren Ende rechts
ist ein Zulaufkanal 5 für den Elektrolyten vorgesehen, der über entsprechende Bohrungen
5 d, 5 b und 5 c im Rahmen bzw. in den Versteifungsprofilen mit den einzelnen Räumen
des Rahmens in Verbindung steht. Am oberen Ende des Rahmens befindet sich rechts
der Sammelkanal 7 für den Anolyten, der über eine Öffnung 7a mit dem Innenraum des
Rahmens in Verbindung steht, während auf der linken Seite des Rahmens ein Sammelkanal
6 für den Katholyten vorgesehen ist, der ebenfalls über einen Kanal 6 a mit dem
Innenraum des Rahmens in Verbindung steht.
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Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 1, aus dem
man deutlich die vertikalen Seitenteile -. des Rahmenprofils 1 und die zur Versteifung
eingezogenen Profile 2 erkennt.
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Fig. 3 zeigt zwei hintereinanderliegende Rahmen gemäß der Erfindung,
wobei der auf der linken Seite liegende Rahmen als Schnittansicht längs der Linie
III-III der Fig. 1 dargestellt ist. Dabei sind die Einzelheiten des erfindungsgemäßen
Diaphragmarahmens klar zu erkennen. In dem Profilrahmen 1 sind zwei bipolare Elektrodenkörper
eingekittet, deren rechter Teil als z. B. Kathode 8 und deren linker Teil als z.
B. Anode 9 arbeitet. Am oberen Ende des als Kathode arbeitenden Elektrodenteiles
ist ein Raum 10 ausgespart, der durch eine Trennwand 11 abgeschlossen ist. Der Raum
10 dient als Gasraum für die Kathode. Der oberhalb der Anode verbleibende Raum
12 dient in gleicher Weise als Gasraum für die Anode. Die bipolaren Elektrodenkörper
8/9 sind dabei durch eine säurefeste Verkittung 13 mit dem Rahmen 1 verbunden. Man
sieht, daß sich unten für die gesamte bipolare Elektrode und oben für die gesamte
Kathode eine breite Anlagefläche an der Verkittung und damit am Rahmen ergibt, wodurch
die Stabilität der Anordnung erhöht wird. An jeder Kathode ist ein Diaphragma 14
mittels eines umlaufenden Befestigungsrahmens 15 befestigt. Diese Befestigung ist
so ausgeführt, daß die obere Seite des Befestigungsrahmens 15 gleichzeitig der Befestigung
der Trennwand 11 an der Kathode dient. Die Gasräume 12 stehen über Abzugskanäle
16 mit dem Sammelkanal 3 in Verbindung. In den bipolaren Elektroden sind auf der
Anodenseite wie auf der Kathodenseite Nuten 18 und 19 eingefräst, die den Anodenraum
bzw. den Kathodenraum bilden.
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Wie aus dem auf der rechten Seite der Fig. 3 abgebildeten Rahmen,
der als Schnittansicht längs der Linie IV-IV der Fig. 1 dargestellt ist, zu erkennen
ist, stehen die Gasräume 10, die mit den Kathodenräumen verbunden sind, über Abzugskanäle
17 mit dem Sammelkanal 4 in Verbindung. Am rechten Teil der Fig. 3 ist das Profil
des Rahmens beispielsweise als Vollprofil ausgeführt.
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Wird die in einem erfindungsgemäßen Rahmen untergebrachte Doppelzelle
zur Salzsäureelektrolyse verwendet, so empfiehlt es sich, die Elektroden so zu schalten,
daß die »Anoden« als Kathoden und die »Kathoden« als Anoden arbeiten, d. h. die
ganze Anordnung in entgegengesetzter Stromrichtung zu betreiben. Dadurch wird erreicht,
daß das außerordentlich aggressive Chlorgas durch die im Inneren des RahmensliegendenAbzugskanäle
in denmittlerenSammelkanal gelangt und nicht durch die außen am Rahmen liegenden
Abzugskanäle in die außenliegenden Sammelkanäle und daß ferner die Gasräume für
das Chlorgas, die ja sonst ebenfalls an den Dichtungsflächen liegen würden, im Innern
des Rahmens zu liegen kommen. Dadurch wird erreicht, daß die Angriffsflächen des
elementaren oder molekularen Chlors an der Dichtung noch weiter verkleinert werden.
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Durch die neue Vorrichtung ergeben sich eine Reihe außerordentlicher
Vorteile, die zu einer wesentlichen Verbilligung von Anlagen dieser Art führen.
Insbesondere ist der Wegfall von etwa -70-°/o aller Dichtungsflächen wesentlich.
Ferner ergibt sich eine erhebliche Reduzierung der Rahmenkosten pro Quadratmeter
wirksamer Anodenfläche. Weiterhin werden durch die Doppelzellen-Rahmenkonstruktion
die Kosten für die Gummierung des Hohlprofils pro Quadratmeter wirksamer Anodenfläche
wesentlich herabgesetzt. Die massive Trennung der Gasräume ergibt eine erhöhte Betriebssicherheit
der Anlage, insbesondere auch dann, wenn bei der Chlorwasserstoffelektrolyse die
Chlor
führenden Räume und Kanäle im Innern des Rahmens liegen. Ebenfalls
trägt zur Sicherheit der neuen Anlage bei, daß die Diaphragmen mit den Elektroden
fest verbunden sind, während sie früher fest am Rahmen selbst befestigt waren. Durch
die vergrößerten Verkittungsflächen zwischen den Elektroden und dem Rahmen ergibt
sich ein wesentlich stabilerer Aufbau.
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Die gesamte Konstruktion weist eine erhöhte Verwindungssteifigkeit
auf, da der Rahmen die doppelte Dicke besitzt. Durch alle diese Maßnahmen wird es
möglich, wesentlich größere Rahmen in stabiler Ausführung zu bauen, wodurch sich
ein wesentlich geringerer Platzbedarf ergibt. Dies bedeutet aber eine Erhöhung der
Anzahl Quadratmeter wirksamer Anodenfläche pro Quadratmeter Bodenfläche der Anlage.