DE1108673B - Elektrolysezelle fuer die Chloralkalielektrolyse nach dem Diaphragmaverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Diaphragmazellen zur Elektrolyse von Alkalichloridlaugen, die bei Stromstärken von 30 000 Amp. und höher arbeiten.

Die Zellen für Diaphragmaverfahren mit umlaufendem Elektrolyten bestehen bekanntlich aus einem doppelwandigen, elektrisch leitend ausgebildetem Trog, der gegenüber der ihn tragenden Grundplatte elektrisch isoliert ist. Hierbei ist es ferner bekannt, die Seitenwände mit porösen, flächenhaften Hohlkathoden auszustatten, die mit Diaphragmen versehen und zum Zwischenraum der Doppelwand zu offen sind.

In den meisten Fällen werden die Diaphragmazellen bei verhältnismäßig geringen Stromstärken, die in der Größenordnung von 10 000 Amp. und darunter liegen, betrieben. Eine dieser Zellen, die sogenannte »Hooker-Zelle S-3«, erreichte allerdings eine Stromaufnahme von annähernd 20 000 Amp. Dieser Zellentyp ist beschrieben von Stuart, Lyster und Murray in Chemical and Metallurgical Engineering, 45, S. 354 (1938). Als Anoden dienen parallel und vertikal angeordnete flache Graphitplatten, deren untere Enden am Zellenboden in eine Bleiplatte eingelassen sind; die Kathoden sind als parallele hohle Rohrstutzen ausgestaltet, die horizontal von entgegengesetzten Seiten in die Zelle hineinragen.

Die Produktionskapazität ist um so größer, je höher die angelegte Stromstärke ist. Mit wachsender Zellenkapazität wird jedoch das Problem, der Zelle einen starken Strom zuzuführen, immer schwieriger, da damit auch der dem Stromdurchgang entgegengesetzte Widerstand ansteigt. Die zur Überwindung eines übermäßig hohen Zellenwiderstandes notwendige elektrische Energie wird in Wärme umgewandelt und geht damit teilweise verloren. Da die Leitfähigkeit von der Temperatur abhängt, kann sie nur auf Kosten einer Temperaturerhöhung erhöht werden, so daß mit dem Ansteigen der Kapazität die Arbeitstemperatur der Zelle ebenfalls ansteigt und die Temperatur des Umlaufelektrolyten bis zum Siedepunkt steigen kann.

In der Elektrolysezelle nach der Erfindung ist erstmalig eine Diaphragmazelle geschaffen, welche bei hohen Stromstärken, nämlich oberhalb 30 000 Amp., arbeitet und auf Grund ihrer Ausgestaltung einen erhöhten Wirkungsgrad hat und bessere Arbeitsbedingungen bietet. Erfindungsgemäß ruhen zu diesem Zweck die Hohlkathoden in Öffnungen in der Zelleninnenwand, wobei die Verbindungsstücke zur Zelleninnenwand gleichzeitig die Verbindung mit dem peripheren Raum zwischen Innen- und Außenwand bilden. Zwischen benachbarten Kathoden befinden sich Stützelemente, die an der Zelleninnenwand befestigt sind, die zum Tragen von leitendem porösem Elektrolysezelle für die Chloralkalielektrolyse nach dem Diaphragmaverfahren

Anmelder:

Diamond Alkali Company,
Cleveland, Ohio (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann, Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 6. Juni 1958

Jose C. Baker, Pasadena, Tex.,
Christopher C. Silsby jun., Euclid, Ohio,

John E. Venable, Madison, Ohio,

und Henry R. Wiesner, Euclid, Ohio (V. St. A.), sind als Erfinder genannt worden

Kathodenmaterial dienen, das den Raum zwischen der Zelleninnenwand und den Enden der Hohlkathoden ausfüllt.

In den Zeichnungen sind eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Zelle (Fig. 1) sowie Einzelheiten dieser Zelle dargestellt (Fig. 2 und 3).

Die Zelle besteht aus dem Zellengehäuse 1 mit seinen äußeren Wänden 2 und seinen inneren Wänden 3 aus elektrisch leitfähigem Material, insbesondere Stahl. Die äußeren Seitenwände 2 bilden zusammen mit den inneren Wänden 3 die periphere Kammer 5, in der sich die Kathodenlösung und das in den Kathodenrohren 6 und den endständigen Halbkathoden entwickelte Gas sammeln. Die inneren Seitenwände 3 sind, falls notwendig, durch ein gegen Halogene widerstandsfähiges Material geschützt. Hierfür sind Metallbleche aus dem Kathodenmetall, z. B. Stahlbleche, besonders geeignet, da die Öffnungen 8 und 9 darin leicht angebracht werden können und somit die Anschlußklemmen an die Kathodenrohre angeschweißt werden können. Die Kathodenlösung und der gebildete Wasserstoff treten aus der Kathodenkammer

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über die Schlitze 8 und weitere Öffnungen 9 in den Strom zugeführt. Auch die Stützstreifen 25 und die

Innenwänden 3 in die periphere Kammer 5 ein. Rohre 6 sind vorteilhaft, z. B. durch Verschweißen,

Die Anoden 10, die, wie aus Fig. 1 ersichtlich, leitend verbunden, so daß entlang der Kathoden kein

jeweils aus fünf Abschnitten aus einem gegen Halogene größerer Spannungsabfall stattfindet. Die Teile der

widerstandsfähigem leitendem Material, wie Graphit 5 Seitenwände 3, welche der mit dem Diaphragma

oder Magnetit, bestehen, sind am Zellenboden 4 überzogenen Kathodenfläche benachbart sind, müssen

befestigt, und zwar mit Hilfe eines leitenden Binde- durch ein chlor- und anolytenwiderstandsfähiges

mittels 14, z. B. aus Blei. In dieses Bindemittel ist ein Material, z. B. Beton, geschützt sein.

Gitter 12 aus hochleitendem Material, z. B. Elektrolyt- Das Diaphragma 26, welches die Kathode voll-

kupfer, eingelassen. Das Bindemittel füllt auch die io ständig von den Anoden trennt, besteht aus einem

Schlitze 11 aus, das übertrieben gezeichnet in Fig. 3 halogenbeständigen Material, z. B. Asbest, das auf der

zu sehen ist. Man kann aber auch die Anoden 10 der Anode gegenüberliegenden Kathodenfläche abge-

direkt in das Gitter 12 einlöten. lagert wird. Es lassen sich auch andere bekannte

Das Gitter verringert den PR-Verlust auf ein Diaphragmatypen verwenden. Der Aufbau der Zelle

Minimum und gestattet somit eine Elektrolyse bei 15 ermöglicht auch die Verwendung von Foliendiaphrag-

niedrigerer Temperatur. men, wie Asbestpapier, die um die Kathode herumge-

Die Bindeschicht aus Blei und der untere Teil der wickelt sein können.

Anoden sind mit einer chemisch inerten, flüssigkeits- Der Zellendeckel 30, der an den Kanten mit Verundurchlässigen, nichtleitenden Masse 15 (z. B. Bi- Stärkungsringen 32 und an den Ecken mit Ösen 33 turnen, Erdölrückstände oder Asphalt) überdeckt, 20 zum Abheben versehen ist, liegt über einer Dichtung über der eine Grundplatte 16 aus armiertem Beton auf der Oberkante des Zellengehäuses 1 auf und liegt. Die Kanten der Betongrundplatte sind mit einer umschließt einen Sammelraum für Chlorgas. Er kann Kittschicht überzogen, die eine Gummidichtung um- auch im Inneren mit einem inerten Dichtungsmaterial schließt. Auf diese Weise wird jedes Leckwerden und überzogen sein, um ihn gegen die korrodierende das Auftreten elektrolytischer Vorgänge am Zellen- 25 Chloratmosphäre zu schützen.

boden sowie eine Korrosion des Zellenbodens durch Gemäß einer anderen Ausführungsform können die

den Anolyten verhindert. Zellenwände nach oben über die Anoden und Kathoden

Die rohrförmigen Kathoden 6, vorzugsweise aus hinaus verlängert sein, und die Zelle kann mit einem gelochten Stahlblechen oder Stahldrahtgewebe, reichen flachen Deckel aus halogenbeständigem Material, horizontal und quer von der einen inneren Seiten- 30 z. B. einer Stahlplatte, die innen mit einem Gummiwand 3 zur anderen, und ihre Enden sind in den überzug geschützt ist, bedeckt sein.
Schlitzen 8 der Seitenwand angeordnet und Vorzugs- Zur Aufgabe der Alkalichloridlaugen durch den weise mit dieser leitend verschweißt. Die Rohre Zellendeckel dienen entweder eine oder zwei Einlaßkönnen sich gegebenenfalls über die Seitenwände öffnungen 34 und 35 mit Anschlußrohren, die sich bis hinaus erstrecken. Die Schlitze 8 geben die Verbindung 35 an den Boden der Anodenkammern 22 erstrecken. Die mit der Kammer 5. Die Befestigung der Kathoden- Lauge kann im übrigen auf jede bekannte Art verteilt rohre an den inneren Seitenwänden 3 ergibt mit den werden, vorausgesetzt, daß sie nicht auf das Diaphrag-Trägerteilen einen einheitlichen Vorrichtungsteil, der ma aufprallt.

von der übrigen Zelle abgelöst und zur Reinigung oder Gleichzeitig mit der Chlorentwicklung an den

Reparatur herausgenommen werden kann. 40 Anoden durchdringt der Elektrolyt das poröse Katho-

Jedes einzelne Kathodenrohr schließt einen Katho- dendiaphragma und gelangt an die Metallkathoden 6

lytenraum 20 ein. An den beiden Enden des Kathoden- und 7 und deren Endglieder 21, zersetzt sich dort zu

teils sind Halbkathoden angeordnet, die nur halbgroße Alkalihydroxyd und Wasserstoff und dringt in die

Innenräume einschließen, welche ebenfalls mit der Kathodenräume 20 ein. Die Alkalihydroxydlösung

Kammer 5 in Verbindung stehen. Die Kathodenrohre 45 und der Wasserstoff verlassen die Kathodenräume 20

sind oberhalb des Bodens quer durch die Zelle ange- über die Schlitze 8 oder die Öffnungen 9 in die peri-

ordnet, so daß die Zellflüssigkeit von oben nach unten phere Kammer 5 und werden dort voneinander

zirkulieren kann. Benachbarte Kathodenrohre sind getrennt.

über die Endglieder 21 (s. Fig. 2) mit der Zelleninnen- Die beschriebene Vorrichtung weist gegenüber den

wand und damit auch untereinander verbunden. Die 5° bekannten Zellen beträchtliche Vorteile auf. Sie ergibt

gitterförmigen Endglieder 21 sind ebenfalls mit Dia- bei hohen Stromstärken von 30 000 Amp. und mehr

phragmamasse überzogen und vervollständigen damit einen guten Wirkungsgrad, wodurch die Leistung

das Einschließen der Anoden mit Diaphragmamasse erheblich gesteigert wird. Die Ausgestaltung der

(Kathodenmaterial). Hierdurch werden Anoden- Kathoden führt zu einem außerordentlich geringen

räume 22 gebildet, deren Endteile 23 frei sind und 55 Wasserstoffgehalt im Chlorgas. Das erfindungsgemäß

keine Anoden enthalten. Die Endglieder 21 werden über der Grundplatte angeordnete Kupfergitter 12

durch Abstandsstücke 24 im Abstand von der Wand führt zu einer viel besseren elektrischen Verbindung

der Kammer 5 gehalten, so daß der Wasserstoff und der Anode, so daß die Strecke, die der Strom durch

die Zellflüssigkeit hinter ihnen durch die Öffnungen 9 Blei fließen muß, um die Anode zu erreichen, auf ein

in die periphere Kammer entweichen können, und 60 Minimum reduziert ist. DieAnordnung der Anoden und

fördern gleichzeitig die Zirkulation der Zellflüssigkeit Kathoden erleichtert die Reparatur der Zelle, da die

an den Enden der inneren Kammern. Sie erhöhen betreffenden Teile leicht als Ganzes ausgebaut werden

damit den Wirkungsgrad der Zelle. Leitende Metall- können. Selbst bei wechselnder Stromzufuhr läßt sich

streifen 25 stützen die Kathodenrohre und die Gitter- eine beträchtliche Betriebsstabilität einfach dadurch

glieder 21 ab und sorgen für eine ausreichende Stabi- 65 erreichen, daß man die Laugenzufuhr und die Ab-

lität. führung der Zellenflüssigkeit entsprechend regelt.

Den Kathodenrohren 6 und den Halbkathoden Die nachstehende Tabelle enthält Daten, die einen

wird über die mit ihnen verschweißten Seitenwände 3 Vergleich erlauben zwischen der Elektrolyse von

Natriumchloridlauge in einer Zelle nach der Erfindung bei Stromstärken von 27 000, 30 000 und 33 000 Amp.

gegenüber der Arbeitsweise einer bekannten Zelle, die bei 20 000 Amp. betrieben wird.

Diaphragmazelle für 30 000 Amp. Betriebsstrom in Amp.	30 000	33 000	Bekannte Diaphragma zelle für
27 000	96,5	96,5	20 000 Amp
96,5	3,82	3,94	96,5
3,68	2720	2800	3,78
2630	3,4	3,4	2690
3,4	230	210	3,4
255	115	110	230
115	91	93	115
89,5	10,5	10,5	91
10,5	0,54	0,54	10,5
0,54	1,01	1,11	0,54
0,91	1,14	1,25	0,675
1,02	95	96,5	0,760
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Stromausbeute

Durchschnittliche Zellenspannung

Energie (kWh/t Cl₂)

Graphit (kg/t Cl₂)

Lebensdauer der Anoden (Tage)

Lebensdauer der Diaphragmen (Tage)

Temperatur der Zellenlauge (° C)

NaO H in der Zellenlauge (%)

NaClOg/1000 NaOH in der Zellflüssigkeit

Chlorproduktion (t/Tag)

NaOH-Produktion (t/Tag)

Temperatur im Anodenraum (⁰C)

Aus den Werten der Tabelle geht hervor, daß die mit etwa 30 000 Amp. zu betreibende Diaphragmazelle nach der Erfindung keine wesentlich höhere Zellenspannung verlangt als die 20 OOO-Amp.-Zelle. Bei 27 000 Amp. ist die Zellenspannung im Gegenteil merklich geringer als diejenige, die für eine 20 OOO-Amp.-Zelle benötigt wird. Bei 30 000 Amp. sind die Spannungen etwa gleich, ebenso die durchschnittliche Lebensdauer für die Anoden und die Diaphragmen. Eine Erhöhung der Temperatur für die Zellenflüssigkeit ist nicht notwendig. Der prozentuale Anteil an Natriumhydroxyd in der Zellenflüssigkeit ist der gleiche, und die Chlor- und Natriumhydroxydproduktion sind wesentlich höher als in der Vergleichszelle. Die Stromausbeute ist in beiden Fällen nahezu gleich.

Die Zelle nach der Erfindung läßt sich bei jeder in Frage kommenden Stromstärke verwenden, da man die elektrischen Einrichtungen einfach durch Abwandeln der Anzahl der Elektrodenpaare der Stromstärke anpassen kann. Die Zelle kann, falls man sie entsprechend modifiziert, ohne weiteres bei Stromstärken weit unter 30 000 Amp. benutzt werden, obwohl es selbstverständlich wirtschaftlicher ist, wenn mit etwa 30 000 Amp. oder höher gearbeitet wird. Stromstärken von 35 000 bis 40 000 Amp. sind ohne weiteres möglich.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Elektrolysezelle für die Chloralkalielektrolyse nach dem Diaphragmaverfahren, bestehend aus einem doppelwandigen, elektrisch leitend ausgebildeten Trog, der gegenüber der ihn tragenden Grundplatte elektrisch isoliert ist und dessen Seitenwände mit mit Diaphragmen versehenen, zum Zwischenraum der Doppelwand hin offenen, porösen, flächenhaften Hohlkathoden ausgestattet sind, wobei die Kathoden zu den mit dem Zellenboden verbundenen senkrecht stehenden Anoden parallel verlaufen und in den Zwischenräumen zwischen benachbarten Anoden angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden in Öffnungen (8) der Innenwand des doppelwandigen Troges ruhen und sich zwischen benachbarten Kathoden von mit der Zelleninnenwand getragenen Stützen (24) gehaltenes, den Raum zwischen der Zelleninnenwand und den Enden der Hohlkathoden ausfüllendes elektrisch leitendes poröses Kathodenmaterial (21) befindet.
2. 2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden (10) in das Gitterwerk (12) am Boden der Elektrolysezelle in hierzu vorgesehene Schlitze (11) eingesetzt sind.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 594 563.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 109 617/288 6.61