DE1129714B - Downs-Zelle zur Herstellung von Natrium durch Schmelzflusselektrolyse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Vorrichtung zur Herstellung von Natrium durch Schmelzflußelektrolyse und die Ab- und Weiterführung des Natriums an die Weiterverarbeitungsstationen. Insbesondere schafft die Erfindung eine verbesserte Vorrichtung für die Aufnahme und Abgabe von Natrium aus einer Downs-Zelle und zu seiner leichteren Überführung an anschließende Filtrier-, Absetz- oder sonstige Reinigungsanlagen.

Es ist bereits eine Vorrichtung zur Herstellung von Natrium durch Schmelzflußelektrolyse mit einem Sammelgefäß für das sich ansammelnde Natrium bekannt, bei der während des Betriebs über einen Abschlußhahn periodisch Natrium in solchem Maß entnommen wird, daß immer etwas Flüssigkeit im Behälter verbleibt. Ein solcher Behälter muß aber mit einem handbetätigten Rührer versehen sein, um ein Absetzen von Calcium oder ähnlichen Stoffen an den Behälterwänden zu verhindern. Wenn dieses Sammelgefäß fortfallen könnte, würde sich die Arbeit mit derartigen Anlagen vereinfachen und die Zahl der mit der Verwendung des Sammelgefäßes zusammenhängenden Probleme entsprechend vermindern.

Der Umfang des hierdurch erzielten Vorteils läßt sich ermessen, wenn bedacht wird, daß im chemischen Großbetrieb jeweils eine große Anzahl derartiger »Downs-ZeUen« in einer Fabrik gleichzeitig in Betrieb ist.

Leider liefern diese Zellen das Natrium jedoch nicht mit der gewünschten Reinheit, vielmehr enthält das Endprodukt noch gewisse Verunreinigungen in Form von Calcium oder sonstigen Erdalkalimetallen, die sich in geringen Mengen bei der Elektrolyse mit abgesetzt haben oder aus sonstigen Gründen im rohen Endprodukt vorhanden sind. Demgemäß muß das von mehreren Zellen gelieferte Produkt gesammelt und einer weiteren Reinigung unterworfen werden, wofür beispielsweise das in der USA.-Patentschrift 1943 307 beschriebene Verfahren benutzt werden kann, bei dem das mit Hilfe der Zelle erhaltene Natriumprodukt einer Absetz- und partiellen Filtrierbehandlung unterworfen wird, die einen großen Teil der Verunreinigungen entfernt.

Dieses Ansammeln des von den einzelnen Zellen gelieferten Produkts und dieser Transport zur Weiterbehandlungsanlage erfolgte bisher in der Weise, daß die einzelnen Natriumzellen mit einem tragbaren Gefäß verbunden wurden, in dem sich das Produkt beispielsweise 24 Stunden lang ansammeln konnte. Nach dieser Zeit wurde das Gefäß zur Sedimentationsfilteranlage transportiert, entleert und später wieder an die Natriumzelle angeschlossen. Abgesehen von diesem Downs-Zelle zur Herstellung von Natrium
durch Schmelzflußelektrolyse

Anmelder:

Ethyl Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.phil. G.Henkel, Patentanwalt,
Berlin-Grunewald, Auguste-Viktoria-Str. 63

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 24. September 1957 (Nr. 685 902)

Glenn Orville Hayes, Greenwich, Conn. (V. St. Α.), ist als Erfinder genannt worden

Transportgefäß war jede Zelle aber auch noch mit einem Zwischensammelgefäß versehen, das normalerweise in Form einer kleinen Trommel fest an der Zelle angeordnet war und mit deren Steigleitung in Verbindung stand, so daß das die Steigleitung verlassende Natrium durch eine Öffnung unmittelbar in die Trommel eintreten und sich in ihr vor der Abgabe an den Transportbehälter ansammeln konnte. Jedes Sammelgefäß wies eine handbetätigte Rühreinrichtung auf, die betätigt werden mußte, damit die weitere Abkühlung und die Ablagerung von weiterem Calcium aus dem ungereinigten Natrium die Entleerung des Sammelbehälters in das Transportgefäß nicht durch Verstopfen behinderte.

Diese Arbeitsweise hat sich als wenig zufriedenstellend erwiesen und bedurfte einer teueren Handhabung. Insbesondere erforderte das häufige Umrühren des ungereinigten Natriums in den den einzelnen Zellen zugeordneten Zwischensammelgefäßen eine verhältnismäßig häufige Wartung der Anlage. Darüber hinaus mußten mehrmals täglich Kanäle oder Öffnungen aufgebrochen werden. Eine diese Arbeiten vollführende automatische Einrichtung wäre sehr teuer geworden, so daß man das Problem der Zwischenansammlung von sich festsetzenden Bestandteilen bisher für unlösbar hielt.

Demgegenüber schafft die Erfindung eine Downs-Zelle zur Herstellung von Natrium durch Schmelzflußelektrolyse von Natriumchlorid, wobei das Na-

209 580/382

trium durch vom Elektrolyten bewirkte Aufwärtsverdrängung aus der Elektrolysierzone entfernt, in. einer kopfstehenden Wanne gesammelt und durch ein Steigrohr hochgeleitet wird, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Zelle eine an den Kopf des Steigrohrs angeschlossene und unter einem Winkel von mindestens 45° gegen die Waagerechte abwärts geneigte Überführungsleitung, dieser Leitung zugeordnete Heizmittel, ein in dieser Leitung vorgesehenes Ventil und eine am unteren Leitungsende angebrachte Kupplung aufweist, die mit einem an einem bewegbaren Transportgefäß für die Natriumaufnahme angeordneten Kupplungsteil in Eingriff gebracht werden kann.

Durch die Erfindung wird nun zwar nicht das die Störungen hervorbringende Sammelgefäß abgeschafft, jedoch wird es in solcher Weise angeordnet, daß sich beim Unterbrechen der Gutentnahme aus der Zelle in ihm keine durch Abkühlung oder sonstige Effekte verursachten Materialablagerungen ansammeln können, indem es überhaupt nur bei geschlossenem Ventil mit Natrium gefüllt zu werden braucht und nach Wiederansetzen des Transportgefäßes sofort wieder entleert werden kann, wodurch die den bisher bekannten Einrichtungen innewohnenden Schwierigkeiten vermieden werden. Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen. Es zeigt

Fig. 1 einen lotrechten Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer Downs-Zelle mit den Merkmalen der Erfindung und

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Teilansicht einer Schnellkupplung als Bestandteil der in Fig. 1 dargestellten Zelle.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist die erfindungsgemäße Downs-Zelle folgende Hauptbauteile auf: Eine Zellenhülle 27 in Form eines großen Tanks oder Behälters aus Stahl mit Wand- und Bodenauskleidung aus hitzebeständigem Material, eine zentral am Behälterboden montierte Anode 21, die durch eine den Boden durchsetzende Stromschiene 26 in geeigneter Weise mit Strom versorgt wird, und eine zylindrische Kathode 22, die den größeren Teil der Anode umgibt und seitlich abstehende und die Zellenwandung durchsetzende Kathoden- oder Ansatzarme 23j, 23, aufweist. Die Isolierung der Kathode 22 gegenüber der Zellenhülle 27 erfolgt mit Hilfe einer geeigneten, hitzebeständigen Isolierpackung 24 um die Kathodenarme 23₁₅ 23₂ herum. Der Stromkreis wird durch Anschluß der Kathodenarme an Stromschienen 25p 25₂ außerhalb der Zellenhülle 27 vervollständigt. Diese Anoden-Kathoden-Anordnung ergibt eine ringförmige Elektrolysierzone 32.

Oberhalb der Anode 21 und der Kathode 22 ist eine Metallkonstruktion angebracht, die einen Chlor- »Dom« 29 und einen Sammler 11 aufweist. Der Sammler 11 besteht aus einem kopfstehenden Kanal, dessen Grundrißform im allgemeinen dem ringförmigen Elektrolysierraum 32 entspricht. Der Chlor- »Dom« 29 andererseits besitzt einen allgemeinen Grundriß entsprechend der Anode 21. Ein von der Dom-Kanal-Konstruktion herabhängender Scheider 33 dient als Leitorgan für aufwärts strömendes Natriummetall und Chlorgas, von denen das eine an der Kathode und das andere an der Anode frei wird.

An den Sammelkanal 11 schließt sich ein lotrechtes Steigrohr 12 an, das beträchtlich über den Spiegel 34 des Zellenbades hinausragt und auf dem größeren Teil dieses Abschnittes mit ausgedehnten, äußeren Wärmeabstrahlfiächen 20 versehen ist. Meistens ist das Steigrohr auch noch mit einer Abkratzvorrichtung 17 versehen, um die sich an den Steigrohrwänden niederschlagenden Calciumteilchen zu entfernen. Das Steigrohr kann durchweg gleiche lichte Weite besitzen, weist aber vorzugsweise am Kopf einen weiträumigen Abschnitt H₁ auf. Dicht unterhalb des Kopfes ist an den Steigrohrumfang eine ίο Überführungsleitung 13 angesetzt, die als durchgehender Kanal zwischen Steigrohr und Transportgefäß dient. Diese dauernde, festgelegte Ausrichtung der Überführungsleitung 13 wird durch die erwähnte Eintrittsverbindung und außerdem für gewöhnlich noch durch ein Stützglied 18 gewährleistet, das die Überführungsleitung 13 mit dem Steigrohr 12 verbindet. Die Überführungsleitung 13 weist nahe ihrem Unterende ein Ventil 14, vorzugsweise ein Kegelventil, und ganz am Ende einen Teil IS₁ einer

ao Schneüverbindungskupplung 15 auf.

Wie bereits erwähnt, wird vorzugsweise der oberste Teil oder eine Verlängerung des Steigrohrs von einer Leitung H₁ größerer lichter Weite gebildet. Bei Anordnungen dieser Art setzt die Überführangsleitung 13 an der waagerechten Verbindungsschulter 16 zwischen dem weiten Abschnitt H₁ und dem eigentlichen Steigrohr 12 an, wodurch sich eine — nicht dargestellte — Eintrittsöffnung von elliptischem Querschnitt ergibt. Die waagerechte Anordnung dieser Eintrittsöffnung gibt gewisse, später näher erläuterte Vorteile. Eine weitere Besonderheit der dargestellten Ausführungsform bildet ein mit der Abschlußkappe 30 versehene Ansatzleitung 13_X in Form eines Rohrabschnitts, die, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, projektionsmäßig eine Verlängerung der Uberführungsleitung 13 darstellt. Dieser Veriängerangsabschnitt dient dazu, eine dicht passende Stange durch die Ansatzleitung IS₁ hindurch in die Überführangsleitung einzuführen, um sie notfalls mittels einer Durchstoßstange zu reinigen.

Auf die Anbringung der Überführangsleitung 13 an das Steigrohr 12 zurückkommend, liegt der Hauptvorteil der Ansatzstelle am Ort der Schulter 16 des weiträumigen Steigrohrabschnitts H₁ darin, daß sie eine dauernde und wirksame Reinigung dieser Leitungseintrittsstelle mit Hilfe der Abkratzvorrichtung 17 ermöglicht. Infolgedessen wird trotz Entnahme des Natriums aus dem kältesten Steigrohrabschnitt seine Tendenz oder die der in ihm enthaltenen Verunreinigungen, an diesem Punkt fest zu werden oder anzubacken, weitgehend überwunden.

Bei der wirkungsvollsten Durchführung des Verfahrens des in der erfindungsgemäßen Downs-Zelle wird die direkte Überführung mit einer Wiederaufheizung gekuppelt. In diesem Fall wird das Natrium um 14 bis 42° C über seine gewöhnlich bei 107 bis 120°C liegende Abgabetemperatur am Steigrohrkopf aufgeheizt. Die Wiederaufheizung kann mit irgendwelchen geeigneten Mitteln, beispielsweise durch leitungsbenachbarte, elektrische Heizbänder oder auf induktivem Wege, bewirkt werden.

Die Natriumzelle wird durch nicht dargestellte Stützmittel in einer Öffnung im Werkstattboden 19 getragen. Während des Hauptteils der Betriebszeit steht neben der Zelle das Transportgefäß 28, das für gewöhnlich die Form einer zylindrischen Stahltrommel besitzt, die gewünschtenfalls mit elektrischen Heizelementen versehen ist und für gewöhnlich eine ge-

eignete Außenisolierung aufweist. Am Gefäßkopf ist ein Einlaßmundstück 41 angeschweißt, das die eine Hälfte 15o der SchneUverbindungskupplung trägt, die ihrerseits "wiederum mit dem an der Überführungsleitung 13 befestigten Segment^ dieser Kupplung in richtiger Eingriffsausrichtung steht. Im Betrieb wird dann das Transportgefäß in die dargestellte Stellung gebracht, in der die Enden von Mundstück 41 und Überführungsleitung 13 aneinanderstoßen und über die Kupplungselemente IS₁, 15₂ miteinander verbunden sind. Während der überwiegenden Dauer, beispielsweise während 95% des Zellenbetriebes, wird das Natrium so lange ständig und ohne Unterbrechung aus dem Steigrohr ablaufen gelassen, bis das Transportgefäß praktisch gefüllt ist. Normalerweise wird dieses Gefäß vor dem Befüllen irgendwo mit trockenem, inerten Gas, z.B. Stickstoff oder Helium, durchgespült. Nachdem das Gefäß vollgefüllt ist, wird das Kegelventil 14 geschlossen, die Kupplung IS₁, 15₂ aufgelöst und das Gefäß zwecks ao Abgabe des Natriums an die nachfolgenden Absetz- und Filtriervorgänge fortgeschafft. Da die Elekrolyse selbstverständlich weitergeht, auch wenn kein Transportgefäß angesetzt ist, nimmt die in der Zelle verbleibende Natriummenge inzwischen zu. Das während dieser Betriebsperiode gewonnene Natrium wird im Steigrohr und im Sammelkanal 11 gespeichert. Normalerweise muß das Transportgefäß etwa 15 Minuten bis 2 Stunden von der Aufnahmestation fortbleiben, und während dieser Zeit genügt das Fassungsvermögen des Sammelkanals 11 und die ausnutzbare Höhe im Steigrohr zur Aufnahme der gesamten, währenddessen entstehenden Natriumproduktion.

Wie bereits erwähnt, besteht ein besonderes Merkmal einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zelle in einer Schnellkupplung, wie sie in Fig. 2 zum Teil dargestellt ist. Gemäß dieser Fig. 2 gehören zu den Hauptteilen dieser Kupplung eine Hülse 41 und ein bewegliches Glied 44 mit einem kugelringförmigen Sitz 45 an seinem äußeren Kopfende. Das bewegliche Glied 44 besteht im allgemeinen aus einer kurzen zylindrischen Leitung, die gut passend in der Hülse 41 auf und ab zu gleiten vermag und einen Stift 46 trägt, der in einen Steuerschlitz 42 in der Hülse 41 eingreift und außen mit einem Aufnahmegewinde für eine Mutter 47 versehen ist. Wie man sieht, läßt sich das Glied 44 durch Drehen aufwärts bewegen und nach Erreichen der gewünschten Höhenstellung durch Anziehen der Mutter 47 in dieser Lage festklemmen.

Am Ende der Überführungsleitung 13 ist ein gewöhnlich lotrecht angeordneter kurzer Ansatz 51 vorgesehen, der am unteren Ende eine Kugelfläche 52 aufweist, deren Ausmaße auf den Kugelringsitz 45 am beweglichen Glied 44 abgestimmt sind. Bei normalem Betrieb wird das Transportgefäß 28 neben der Zelle richtig aufgestellt und dann das bewegliche Glied 44 nach oben und in dichten Eingriff mit der Gegenkugelfläche 52 am Ende der Uberführungs-Ieitungl3 gebracht.

Wie man sieht, schafft diese Anordnung eine Schnellkupplung zwischen dem Transportgefäß und der Abgabevorrichtung einer Downs-Zelle. Die Verwendung aufeinanderpassender Kugelflächen 45, 52 sorgt nicht nur für engen Kontakt, sondern auch für Anpassung an normale Schwankungen in der Ausrichtung der Überführungsleitung 13, an Bodenunebenheiten des Fabrikgebäudes usw.

Beispiel

Um die Vorzüge der erfindungsgemäßen Vorrichtung darzutun, wurde eine Serie von Downs-Zellen mit den vorstehend beschriebenen und in Fig. 1 und 2 dargestellten Transport- und Überführungseinrichtungen längere Zeit hindurch in Betrieb gehalten. Während des Betriebes wurde das mit etwa 115° C aus dem Steigrohr 12 austretende Natrium um etwa 28° C auf etwa 143° C erhitzt. Es ergab sich, daß die Zahl der erforderlichen Reinigungsbehandlungen durch Durchstoßen mit einer Stange um 65 bis 85 °/o herabgesetzt werden konnte. Außer dieser drastischen Wartungseinsparung fiel auch das bisher erforderliche, stündliche Rühren während einer Zwischenspeicherungsperiode völlig fort. Die erfindungsgemäß erzielten, betrieblichen und apparativen Vorteile sind also klar und bedeutend.

Aus der vorangehenden Beschreibung nebst Ausführungsbeispiel geht deutlich hervor, daß die Vorteile der vorliegenden Erfindung durch Verwendung aller möglichen Arten von Spezialapparaturen erzielt werden können. Natürlich muß der Abfluß durch die Überführungsleitung jeweils wieder in Gang gesetzt werden, bevor das sich in der Zelle ansammelnde Natrium die Kapazität des Sammelkanals übersteigt. Wenn nämlich dieser Fall eintritt, dann »läuft« das flüssige Natrium über die Kante »über« und verbindet sich entweder wieder mit dem Chlor oder steigt an die Badoberfläche, wo es durch Berührung mit Luftsauerstoff verbrennt.

Die Ausmaße der benutzten Überführungsleitung an sich sind zwar nicht sehr kritisch, wohl aber ihr Fassungsvermögen und ihre Schrägstellung von Bedeutung. Erfahrungsgemäß ist eine Überführungsleitung von nur mittlerer Größe die beste. Demgemäß besitzt die Überführungsleitung einen Querschnitt von etwa nur 1 % des Steigrohrquerschnittes. Dieser Querschnitt ist zwar tatsächlich noch größer, als es die Produktionskapazität verlangt, das Übermaß gestattet aber die Verwendung einer stabilen Durchstoßstange.

Einige Bedeutung besitzt fernerhin die Neigung der Überführungsleitung gegenüber der Waagerechten. Um einen ausreichend schnellen Durchtritt des Natriums durch die Leitung zu gewährleisten, soll ihr Neigungswinkel gegenüber der Waagerechten mindestens 45° betragen.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Downs-Zelle zur Herstellung von Natrium durch Schmelzflußelektrolyse von Natriumchlorid, wobei das Natrium durch vom Elektrolyten bewirkte Aufwärtsverdrängung aus der Elektrolysierzone entfernt, in einer kopfstehenden Wanne gesammelt und durch ein Steigrohr hochgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle eine an den Kopf des Steigrohrs (12) angeschlossene und unter einem Winkel von mindestens 45° gegen die Waagerechte abwärts geneigte Überführungsleitung (13), dieser Leitung zugeordnete Heizmittel, ein in dieser Leitung vorgesehenes Ventil (14) und eine am unteren Leitungsende angebrachte Kupplung (15) aufweist, die mit einem an einem bewegbaren Transportgefäß (28) für die Natriumaufnahme angeordneten Kupplungsteil (41,44) in Eingriff gebracht werden kann.

2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steigrohr (12) einen oberen

Abschnitt (H₁) von größerer lichter Weite aufweist, der über eine waagerechte Schulter (16) an den unteren Rohrabschnitt angeschlossen ist.

3. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine mit dem weiträumigen Steigrohrabschnitt (12_X) verbundene, auf die

Überführungsleitung (13) ausgerichtete und mit Abschlußmitteln (30) versehene Ansatzleitung aufweist.

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 1501756, 2 068 681.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen