DE1164104B

DE1164104B - Cell for the production of alkali metals by fused salt electrolysis

Info

Publication number: DE1164104B
Application number: DEP24026A
Authority: DE
Inventors: Sverre Eriksson Bergh
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1959-11-24
Filing date: 1959-12-04
Publication date: 1964-02-27

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Internat. Kl.: C 22 dBoarding school Class: C 22 d

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:Number:
File number:
Registration date:
Display day:

Deutsche Kl.: 40 c-3/06 German class: 40 c -3/06

P 24026 VI a/40 c
4. Dezember 1959
27. Februar 1964P 24026 VI a / 40 c
4th December 1959
February 27, 1964

Die Erfindung betrifft den Aufbau von Schmelzflußelektrolysezellen, die für die Herstellung von Alkalimetallen bestimmt sind.The invention relates to the construction of melt flow electrolysis cells, which are intended for the production of alkali metals.

Bei der Erzeugung von Alkalimetallen wie Natrium aus einem geschmolzenen Salzgemisch in einer Downsschen Zelle (vgl. Deutsche Patentschrift 517 256) ist es wichtig, die Anode, die Kathode und das Diaphragma in einer sorgfältigen vorbestimmten Ausrichtung zueinander zu halten, um einen hohen Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer der Zelle sicherzustellen. Bei großen technischen Zellen ist es sehr schwierig, die Ausrichtung dieser Teile während der Lebenszeit der Zelle aufrechtzuerhalten, und zwar zum großen Teil deshalb, weil das Gewicht dieser Teile direkt von dem Zellenmantel getragen wird. Temperatureniveränderungen und andere Faktoren erschweren die richtige Ausfluchtung zwischen Anode, Kathode und Diaphragma beim Anfahren, bei dem die Zellentemperatur von Raumtemperatur auf die Arbeitstemperatur steigt. Die Aufrechterhaltung der Ausfluchtung während des Betriebes, der ein öfteres Auswechseln oder Schütteln des Diaphragmas zur Ablösung der anhaftenden Feststoffe erforderlich macht, ist schwierig.In the production of alkali metals such as sodium from a molten salt mixture in a Downsschen Cell (cf. German Patent 517 256) it is important to have the anode, the cathode and the diaphragm in careful predetermined alignment to each other to maintain high efficiency and ensure a long cell life. With large technical cells it is very difficult to maintain alignment of these parts for the life of the cell, namely in large part because the weight of these parts is borne directly by the cell shell. Changes in temperature and other factors make it difficult to correctly align the anode, Cathode and diaphragm during start-up, at which the cell temperature from room temperature to the Working temperature rises. Maintaining alignment during operation, which is a frequent It is necessary to change or shake the diaphragm to detach the adhering solids, is difficult.

Mit einer Verankerung der Anode allein, wie z. B. in der USA.-Patentschrift 2 893 940 beschrieben ist, kann eine genügende und beständige Ausfluchtung zwischen Anode, Kathode, Diaphragma und Produktensammler nicht erzielt werden. Auch durch die Anordnung eines flexiblen metallischen Dichtungsverschlusses zwischen der Verbindung des Kathodenarmes und des Zellenmantels (vgl. USA.-Patentschrift 2 887 448) wird lediglich eine Expansion des Kathodenarmes in nur einer Richtung verhindert, aber keine Ausfluchtung aller genannten Teile. Die Aufrechterhaltung der Ausfluchtung von Anode, Kathode und Diaphragma zueinander im Betrieb der Zelle wird mit größter Sicherheit gewährleistet, wenn erfindungsgemäß sowohl der Zellenmantel als auch die in an sich bekannter Weise vertikal angeordnete, am Boden in die Zelle eintretende Anode als auch die Kathode, die in an sich bekannter Weise die Anode umgibt und mit Armen versehen ist, die sich in an sich bekannter Weise durch die Zellenwand erstrekken und die außerhalb der Zellenwand die Kathode tragen, als auch eine an sich bekannte Sammeleinrichtung für die Elektrolysenprodukte mit dieser zugeordnetem Diaphragma außerhalb des Zellenkörpers unterstützt sind. Hierdurch ist es möglich, die ursprüngliche Ausfluchtung des Diaphragmas in bezug auf Anode und Kathode nach jedem Diaphragmawechsel wiederherzustellen. Dadurch, daß die geZelle für die Herstellung von Alkalimetallen
durch SchmelzflußelektrolyseWith an anchorage of the anode alone, such as. B. in U.S. Patent 2,893,940, a sufficient and consistent alignment between anode, cathode, diaphragm and product collector cannot be achieved. The arrangement of a flexible metallic sealing seal between the connection of the cathode arm and the cell jacket (see US Pat. No. 2,887,448) only prevents expansion of the cathode arm in only one direction, but no alignment of all parts mentioned. The maintenance of the alignment of the anode, cathode and diaphragm with one another during operation of the cell is guaranteed with the greatest security if, according to the invention, both the cell jacket and the anode, which is vertically arranged in a known manner and entering the cell at the bottom, as well as the cathode, which surrounds the anode in a manner known per se and is provided with arms which extend through the cell wall in a manner known per se and which carry the cathode outside the cell wall, as well as a known collecting device for the electrolysis products with this associated diaphragm outside the Cell body are supported. This makes it possible to restore the original alignment of the diaphragm with respect to the anode and cathode after each diaphragm change. Because the cell is used for the production of alkali metals
by fusible electrolysis

Anmelder:Applicant:

E. I. du Pont de Nemours and Company,E. I. du Pont de Nemours and Company,

Wilmington, Del. (V. St. A.)Wilmington, Del. (V. St. A.)

ίο Vertreter:ίο representative:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,
München 27, Pienzenauer Str. 28Dr.-Ing. W. Abitz, patent attorney,
Munich 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Sverre Eriksson Bergh, Lewiston, N. Y.
(V. St. A.)Sverre Eriksson Bergh, Lewiston, NY
(V. St. A.)

nannten Teile unabhängig voneinander jeweils vom Träger unterstützt werden, die sich außerhalb der Zelle befinden,· wird eine Freiheit von den variablen, durch Temperaturänderungen bedingten Verziehungen erreicht.called parts are independently supported by the wearer, which are located outside of the Cell will be free from the variable distortions caused by temperature changes achieved.

Die Zeichnungen zeigen in den F i g. 1 bis 3 Ausführungsformen der Zellen, insbesondere eine bevorzugte Art der Unterstützung der wichtigen Zellenteile unabhängig voneinander. F i g. 4 zeigt dann eine Standardzelle, wie sie dem Stande der Technik entspricht und bei der alle anderen Zellenteile von dem Zellenmantel getragen werden.The drawings show in FIGS. 1 to 3 embodiments of the cells, especially a preferred one Type of support for the important cell parts independently of one another. F i g. 4 then shows a standard cell, as it corresponds to the state of the art and in which all other cell parts of the cell jacket be worn.

F i g. 1 zeigt an einem Vertikalschnitt durch eine Zelle für die Schmelzflußelektrolyse von Natrium die Beziehung zwischen den Zellenteilen und ihren voneinander unabhängigen Stützen,F i g. 1 shows a vertical section through a cell for the fused salt electrolysis of sodium Relationship between the cell parts and their independent supports,

Fig. 2 einen Horizontalquerschnitt nach Linie A -A der Fig. 1,FIG. 2 shows a horizontal cross section along line A -A of FIG. 1,

F i g. 3 eine schematische Endansicht der Zelle der F i g. 1 von Linie B-B aus,F i g. 3 is a schematic end view of the cell of FIG. 1 from line BB ,

Fig. 4 das Tragsystem einer Standardzelle des Standes der Technik.4 shows the support system of a standard cell of the prior art.

In den einzelnen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the individual figures, the same parts are provided with the same reference numerals.

Die Zelle ist in einem Stahlmantel 1 untergebracht, der mit feuerfesten Steinen 2 ausgekleidet ist; beide zusammen bilden die Zellenwand. Die Anode 3 tritt in die Zelle zentral und vertikal nach oben am Boden ein, wo der elektrische Anschluß der (nicht eingezeichneten) Stromzuführung über einen Metallkasten 4 hergestellt wird'. Der die Anode umgebende Zellen-The cell is housed in a steel jacket 1 which is lined with refractory bricks 2; both together form the cell wall. The anode 3 enters the cell centrally and vertically upwards at the bottom one, where the electrical connection of the power supply (not shown) is via a metal box 4 will be produced'. The cell surrounding the anode

409 510/435409 510/435

boden wird von einem Block 5 aus hitzebeständigem Zement gebildet, auf welchem die Zellenwand aufsitzt. Die zylindrische Stahlkathode 6 umgibt die Anode; sie ist mit zwei Armen 7 versehen, die sich durch die Zellenwand erstrecken und den Anschluß an die (nicht eingezeichnete) Stromzuführung ergeben. Der Raum zwischen Anode und Kathode wird von dem zylindrischen Diaphragma 8 aus Metallnetz in Anoden- und Kathodenzone unterteilt. Das Diaphragma ist so an der Produktensammeleinrichtung aufgehängt, daß keines seiner Teile mit einer der Elektroden Kontakt hat und daß es so symmetrisch wie möglich zentriert ist. Die Sammeleinrichtung weist den ringförmigen Natriumsammler 9 mit einem Sammel- oder Steigrohr 10 auf, durch welches das elektrolytisch erzeugte Natrium aus der Zelle entfernt wird. Die Sammeleinrichtung weist ferner den Chlorsammler, d. h. die Haube 11, auf, die zur Sammlung und Entfernung der gasförmigen Produktkomponente der Elektrolyse dient. Das Diaphragma ist zusammen mit den Produktsammelteilen und ihren Unterelementen hier als Sammlerdiaphragma bezeichnet.The floor is formed by a block 5 of heat-resistant cement on which the cell wall rests. The cylindrical steel cathode 6 surrounds the anode; it is provided with two arms 7 which extend through the Extend cell wall and result in the connection to the (not shown) power supply. Of the The space between the anode and cathode is defined by the cylindrical diaphragm 8 made of metal mesh in Subdivided anode and cathode zone. The diaphragm is on the product collecting device suspended so that none of its parts is in contact with any of the electrodes and that it is so symmetrical is centered as possible. The collecting device has the annular sodium collector 9 with a Collection or riser pipe 10 through which the electrolytically generated sodium is removed from the cell will. The collecting device further comprises the chlorine collector, i. H. the hood 11, on that for collection and removal of the gaseous product component is used for electrolysis. The diaphragm is together with the product collection parts and their sub-elements here referred to as the collector diaphragm.

Die Zellenteile werden von vier Hauptständern 12 getragen, die auf dem Fundament 13 ruhen. In die Ständer 12 greifen Träger 14 ein, welche die Anode über die Isolatoren 15 und den Träger 16 tragen. Diese greifen ihrerseits direkt an dem Metallkasten 4 an, in dem die Anode 3 befestigt ist. Die Zellenwand sitzt auf Trägern 17, die auf den Isolatoren 18 ruhen, die ihrerseits von den Trägern 14 getragen werden.The cell parts are supported by four main stands 12 which rest on the foundation 13. In the Stands 12 engage carriers 14 which support the anode via insulators 15 and carrier 16. These in turn directly attack the metal box 4 in which the anode 3 is attached. The cell wall sits on supports 17 which rest on the insulators 18, which in turn are supported by the supports 14.

Das Gewicht der Kathode 6 wird über die Kathodenarme 7 von den Trägern 19 getragen, wobei zwischen beiden ein Isolator 20 eingefügt ist. Um den Kathodenarm so zu stabilisieren, daß eine präzise vertikale Ausfluchtung erhalten wird, sind Seitenstützen 21, vorzugsweise Isolatoren, vorgesehen. Diese Seitenstützen können an Streben 22 befestigt sein, die ihrerseits am Träger 19 und an der Strebe 23 befestigt sein können. Die Kathodenarme 7 müssen, da sie die Zellenwand durchsetzen und da die Zellenwand und die Kathoden sich ungleichmäßig ausdehnen, in bekannter Weise mit flexiblen Dichtungsmitteln, wie Metaübälgen oder Scheibendichtungen 24, versehen werden, die mit dem Kathodenarm und einem Metallteil 25 der Wand zu einer Einheit verbunden werden. Die Kathodenarme können bei Ausdehnung der Kathode auf den Isolatoren 20 gleiten. Die Abstandsblöcke 26 können während des Aufbaues der Zellen Verwendung finden und werden vorzugsweise vor dem Anfahren entfernt. Es können auch Mittel vorgesehen werden, um die Bewegung der beiden, sich in entgegengesetzter Richtung erstreckenden Kathodenarme durch die Kathodenausdehnung, insbesondere bei der Zunahme der Zellentemperatur beim Anfahren auf die Schmelztemperatur auszugleichen. The weight of the cathode 6 is borne by the supports 19 via the cathode arms 7, with between both an insulator 20 is inserted. To stabilize the cathode arm so that it is precisely vertical Alignment is obtained, side supports 21, preferably isolators, are provided. These side supports can be attached to struts 22, which in turn are attached to the carrier 19 and to the strut 23 could be. The cathode arms 7 must, since they penetrate the cell wall and there the cell wall and the cathodes expand unevenly, in a known manner with flexible sealing means, such as metal bellows or disk seals 24, which are provided with the cathode arm and a metal part 25 of the wall can be connected to form a unit. The cathode arms can expand upon expansion the cathode slide on the insulators 20. The spacer blocks 26 can be used during assembly of the cells are used and are preferably removed before start-up. It can Means are also provided to prevent the movement of the two, extending in opposite directions Cathode arms due to cathode expansion, especially when the cell temperature increases equalize when starting up to the melting temperature.

Das Gewicht des Sammler-Diaphragma-Aufbaues wird über das direkt an ihm sitzende horizontale Rahmenteil 28 von den vertikalen Ständern 27 aufgenommen (F i g. 3), die auf horizontalen Trägern 19 sitzen. Zwischen Ständer 27 und Teil 28 sind Isolatoren 29 eingefügt. Zur besseren Stabilität können zwischen dem Hauptständer 12 und den vertikalen Ständern 27 Streben 30 angeordnet werden. Mittels Teilen, wie den Stiften 31, wird der Sammler-Diaphragma-Aufbau in seiner Ausfluchtung zu den anderen Zellenelementen, wie Kathode und Anode, festgelegt. Beim Entfernen des Sammler-Diaphragma-Aufbaues aus der Zelle im Betrieb wird seine ursprüngliche vorherige Ausfluchtung in bezug auf die restlichen Zellenteile leicht wieder erhalten, indem die Stifte 31 in die richtigen Löcher eingeführt werden. Der Stift 31 kann auf dem Kopf des Isolators 29 befestigt sein, der in ein entsprechendes, im Teil 28 vorgesehenes Loch eingreift. Statt Stifte können auch andere Mittel, wie in richtiger Weise vorgenommene Nuten od. dgl., verwendet werden, um beim Wiedereinsetzen des Sammler-Diaphragma-Aufbaues nach der Entfernung zur Reparatur oder zum Austausch, wie es im Zellenbetrieb erforderlich ist, die richtige Ausfluchtung zu erhalten. Durch die Aufnahme des Gewichtes der wesentlichen Zellenelemente unabhängig von der Zelle oder Zellenwand kann sowohl in dem Zeitraum, in welchem die Zelle auf Betriebstemperatur erhitzt wird und sich die verschiedenen Teile gemäß ihren Ausdehnungseigenarten ausdehnen, eine bessere Ausfluchtung der Zellenteile, insbesondere der Anode und des Diaphragmas in bezug aufeinander, aufrechterhalten werden, als auch die richtige Ausfluchtung leicht wieder erhalten werden, wenn der Sammler-Diaphragma-Aufbau im Betrieb der Zelle ausgewechselt und ersetzt wird.The weight of the collector diaphragm structure is transferred to the horizontal frame part that sits directly on it 28 taken up by the vertical uprights 27 (FIG. 3), which sit on horizontal supports 19. Insulators 29 are inserted between the stator 27 and part 28. For better stability, between the main stand 12 and the vertical stands 27 struts 30 are arranged. By sharing how pins 31, the collector-diaphragm assembly is aligned with the other cell elements, like cathode and anode. When removing the collector diaphragm assembly from the cell in operation becomes its original prior alignment with the remaining cell parts easily recovered by inserting the pins 31 into the correct holes. The pen 31 can be attached to the head of the insulator 29, which is in a corresponding, provided in part 28 Hole engages. Instead of pins, other means, such as correctly made grooves, can also be used Od. The like., Can be used when reinserting the collector-diaphragm assembly after removal the correct alignment for repair or replacement, as required in cell operation to obtain. By absorbing the weight of the essential cell elements regardless of the The cell or cell wall can be used both during the period in which the cell is heated to operating temperature and the various parts expand according to their own expansion properties, a better alignment of the cell parts, in particular the anode and the diaphragm with respect to one another and proper alignment can be easily restored when assembling the collector-diaphragm is exchanged and replaced during operation of the cell.

Die Zellen können mit einer oder mit mehreren vertikal angeordneten Anoden versehen sein, deren jeder ihre gegenüberliegende Kathode zugeordnet ist, was vorzugsweise so erfolgt, daß die Kathode die Anode umgibt. Die Kathode muß mindestens zwei Arme aufweisen, die die Zellenwand durchsetzen und sich vorzugsweise, wie bekannt, in entgegengesetzten Richtungen erstrecken. Die vertikal angeordnete Anode kann kreisförmig, rechtwinklig, hexagonal sein oder eine beliebige andere Form haben, wenn nur die entsprechende Kathodenfläche sich in der ganzen Elektrolysenzone in einem gleichmäßigen Abstand von der Anodenfläche befindet. Der Abstand zwischen den elektrolytisch wirkenden Anoden- und Kathodenflachen muß gleichmäßig sein; er beträgt im allgemeinen nicht über 76 mm und wird, wie bei derartigen Zellen üblich, vorzugsweise unter 51 mm gehalten.The cells can be provided with one or more vertically arranged anodes, their each is associated with its opposite cathode, which is preferably so that the cathode the Surrounds anode. The cathode must have at least two arms that penetrate the cell wall and preferably, as is known, extend in opposite directions. The vertically arranged Anode can be circular, rectangular, hexagonal, or any other shape if only that The corresponding cathode area is evenly spaced throughout the electrolysis zone from the anode surface. The distance between the electrolytically acting anode and cathode surfaces must be even; it is generally not more than 76 mm and will, as with such Cells usual, preferably kept below 51 mm.

Die angegebenen Elemente, wie Anode, Kathode, Diaphragma und Sammler werden zwar unabhängig voneinander außerhalb des Zellenkörpers und von diesem unabhängig gestützt, müssen aber gegeneinander isoliert sein, um elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden. The specified elements such as anode, cathode, diaphragm and collector become independent each other outside of the cell body and supported by this independently, but must against each other be insulated to avoid electrical short circuits.

Claims

Patent claims:

1. Cell for the electrolytic production of a metal with a density below the density of the molten electrolyte is, in particular of alkali metals, with separation of the Anode and cathode zone by a diaphragm, characterized in that both the cell jacket (1) and the in an as is known, vertically arranged anode (3) entering the cell at the bottom, as also the cathode (6), which surrounds the anode in a manner known per se and has arms (7), which extend in a manner known per se through the cell wall, and outside of the Cell wall (1, 2) carry the cathode, as well as a known collecting device (9, 10, 11) for the electrolysis products with this associated diaphragm (8) outside the cell body is supported.

2. Cell according to claim 1, characterized in that the collecting device with the Diaphragm is designed to be removable from the cell as a whole structure.

3. Cell according to claim 2, characterized in that the removable as a whole Collecting diaphragm structure or its structure means are assigned to it in an aligned To hold the position and to fix this position for a new installation.

References considered: U.S. Patent Nos. 2,887,448, 2,893,940.

For this purpose 2 sheets of drawings