-
Elektrolysezelle Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, insbesondere
zur Herstellung von Alkalihydroxyden, bei der die Kathode auf dem Boden einer Wanne
angeordnet ist, welche von einem Deckel dicht abgeschlossen ist, wobei die Anodenstäbe
von einer vom Deckel unabhängigen Tragvorrichtung höhenverstellbar gehalten sind
und durch den Deckel in die Wanne hineinragen.
-
Elektrolysezellen der eingangs genannten Art sind mit einer massiven
Wanne ausgerüstet, und der Deckel ist als kräftige, steife Platte ausgebildet. Bei
Elektrolysezellen zur Herstellung von Alkalihydroxyden wird eine Quecksilberkathode
verwendet. Dabei befindet sich das Quecksilber auf dem Boden der Wanne und strömt
durch diese hindurch, wobei es das an der Kathode ausfallende reine Alkalimetall
aufnimmt und an sich bindet. Die so entstehenden Amalgane werden von der Strömung
des Quecksilbers mitgenommen, gelangen in einen Amalganzerleger, in welchem durch
Reaktion mit Wasser die Alkalihydroxyde gebildet werden und wieder freies Quecksilber
entsteht, das erneut der Zelle zugeführt werden kann.
-
Es ist bekannt, daß der Wirkungsgrad einer Elektrolyse außerordentlich
stark von dem Abstand der Kathode von der Anode bestimmt wird. Eine Elektrolyse
mit bestmöglichem Wirkungsgrad durchzuführen ist daher nur dann möglich, wenn dieser
Abstand auf den entsprechenden Wert eingestellt ist. Dieser Abstand ist aber im
Verlauf der Elektrolyse einer ständigen Änderung unterworfen, weil sich das Material
der Anode verbraucht und sich somit der Abstand vergrößert. Dadurch wird der Wirkungsgrad
allmählich verschlechtert. Die konstante Aufrechterhaltung des bestmöglichen Wirkungsgrades
ist daher nur dann möglich, wenn Vorkehrungen dafür getroffen werden, die Anoden
nachzustellen; d. h. den bestmöglichen Wirkungsgrad durch Aufrechterhaltung des
diesen Wirkungsgrad entsprechenden Abstandes zwischen Kathode und Anode unter Durchführung
einer Höheneinstellung der Anode aufrechtzuerhalten.
-
Bei einer bekannten Elektrolysezelle wurde der Deckel steif und tragfähig
ausgebildet, so daß er die beträchtliche Last der Anode zu tragen vermochte, die
an Anodenstäben befestigt waren, welche durch den Deckel hindurchgeführt wurden.
Die Anodenstäbe waren dabei fest und klemmend im Deckel gehalten. Um die Höheneinstellung
der Anoden durchführen zu können, waren bei dieser bekannten Elektrolysezelle zwischen
der Wanne und dem Deckel Distanzstücke vorgesehen, die bei Bedarf entnommen werden
mußten, so daß die Anoden um einen bestimmten Betrag abgesenkt wurden. Dieses Vorgehen
ermöglicht aber nur eine sehr grobe Einstellung des Abstandes zwischen Kathode und
Anode, und es ist außerdem mit einem sehr großen Zeit- und Arbeitsaufwand verbunden.
-
Man ist daher im Laufe der Entwicklung dazu übergegangen, die Anodenstäbe
höheneinstellbar an Tragvorrichtungen aufzuhängen und :den Deckel bei der Höheneinstellung
der Anoden festzuhalten. Die erste bekannte Elektrolysezelle dieser Bauart war mit
Tragvorrichtungen ausgerüstet, die auf dem Deckel befestigt waren und Einstellmuttern
aufwiesen, die zur Höheneinstellung der Anoden mit Gewindespindeln oder Außengewinde
der Anodenstäbe zusammenwirkten. Andere bekannte Elektrolysezellen waren mit Tragvorrichtungen
ausgerüstet, die einen höhenverstellbaren Tragbalken aufwiesen, an denen die Anodenstäbe
aufgehängt waren, oder es waren an den Anodenstäben Zahnstangen befestigt, die im
Eingriff mit einer drehbar gelagerten, jedoch in einer festen Höhenlage gehaltenen
Welle mit Ritzeln standen, die zum Heben und Senken der Anodenstäbe dienten.
-
Während die erstgenannte bekannte Elektrolysezelle mit den Einstellmuttern
zu einem relativ großen Arbeitsaufwand bei der Einstellung der Anodenstäbe zwingt,
ergeben sich bei den Tragvorrichtungen der anderen bekannten Elektrolysezellen,
bei denen alle Anodenstäbe gemeinsam gehoben und gesenkt werden
können,
andere Nachteile, wie z. B. der, daß Unterschiede im Verbrauch der einzelnen Anoden
auftreten, die nicht ausgeglichen werden können, sondern lediglich ein gewisser
Mittelwert einstellbar ist, dieser sich jedoch mit relativ wenig Arbeitsaufwand
schnell herbeiführen läßt.
-
Die geschilderten bekannten Elektrolysezellen, bei denen Tragvorrichtungen
zur Aufnahme und Halterung der Anodenstäbe dienen und bei denen die Höheneinstellung
bei fest mit der Wanne verbundenem Deckel erfolgt, verursachen jedoch auf Grund
ihrer Bauweise erhebliche Schwierigkeiten; denn es müssen Gleitdichtungen vorgesehen
werden, um die Anodenstäbe dicht, jedoch zugleich auch höhenbeweglich durch den
Deckel hindurchzuführen. Bekanntlich sind jedoch die für diese Zwecke üblichen Dichtungswerkstoffe
einer Alterung unterworfen, die durch die chemisch-aggressive Atmosphäre innerhalb
der Elektrolysezelle sehr stark beschleunigt wird. Die Gleitdichtungen verlieren
daher nach sehr kurzer Zeit ihre Elastizität oder Anschmiegsamkeit und werden undicht,
so daß giftige oder zumindest gesundheitsschädliche Gase oder Dämpfe aus der Elektrolysezelle
entweichen können. Eine weitere Verkürzung der Lebensdauer der bekannten Gleitdichtungen
wird dadurch hervorgerufen, daß die normalerweise für radialen Druck ausgelegten
Gleitdichtungen bei der Höhenverstellung der Anodenstäbe relativ großen axialen
Verformungen und Schubbeanspruchungen ausgesetzt werden, die nach beendeter Höhenverstellung
der Anodenstäbe im allgemeinen nicht aufgehoben werden können und bestehenbleiben.
Die Folge davon ist, daß die Gleitdichtungen außer der chemischen Beanspruchung
auch noch einer hohen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt sind und in relativ
kurzer Zeit unbrauchbar werden. Zu berücksichtigen ist dabei, daß die Parallelität
der Anodenstäbe während der Höhenverstellung nicht aufrechterhalten werden kann,
sondern daß geringfügige Abweichungen möglich sind, zu denen außerdem auch Abweichungen
der Anodenstäbe vom Querschnitt hinzukommen, die zu einer zusätzlichen Radialbelastung
der Gleitdichtungen führen.
-
Auch auf die Verstellbarkeit der Anodenstäbe wirken sich die Folgen
der raschen Alterung der Gleitdichtungen aus, und zwar in der Weise, daß oft relativ
hohe Stehkräfte zur Bewegung der Anodenstäbe aufgebracht werden müssen.
-
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile
zu vermeiden, d. h. eine Elektrolysezelle der eingangs genannten Art so auszubilden,
daß die Höheneinstellung der Anodenstäbe einfach und schnell, feinfühlig und genau
durchzuführen ist, ohne daß an der Durchtrittsstelle der Anodenstäbe durch den Deckel
Schwierigkeiten bei der Abdichtung entstehen.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich eine Elektrolysezelle
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß der Deckel aus einem flexiblen
und/oder elastischen Werkstoff, z. B. Gummi, Kunststoff od. dgl., besteht und die
Anodenstäbe an ihrer Durchtrittsstelle dicht umschließt, wobei die Anodenstäbe mit
dem Deckel fest verbunden sind.
-
Das Wesentliche der Erfindung besteht darin, daß der Deckel der Elektrolysezelle
zumindest im Bereich der Anodenstäbe oder jedes einzelnen Anodenstabes aus einem
flexiblen oder elastischen Werkstoff besteht, so daß die Höhenverstellung der Anodenstäbe
ohne eine Gleitbewegung zwischen dem Anodenstab und dem ihn umgebenden Deckel erfolgt.
Es ist also möglich, auf Gleitdichtungen völlig zu verzichten, das flexible oder
elastische Deckelmaterial fest mit dem Anodenstab zu verbinden und auf diese Weise
eine dauerhaft dichte Durchführung des Anodenstab. -s durch den Deckel zu erzielen
und die Höhenverstellung der Anodenstäbe dadurch zu ermöglichen, daß der Deckel
der Höhenbewegung der Anodenstäbe auf Grund seiner Flexibilität widerstandslos folgt.
Das Fehlen von Gleitdichtungen bei der neuen Ausbildung der Elektrolysezelle bedeutet
zunähst die Vermeidung aller jener Probleme und Nachteile, die die Verwendung von
Gleitdichtungen mit sich bringt, sie bedeutet aber darüber hinaus auch die Möglichkeit,
feinfühlige und genaue Höheneinstellungen der an den Anodenstäben hängenden Anoden
vorzunehmen.
-
Die neue Ausbildung der Elektrolysezelle bringt aber auch weitere
Vorteile mit sich. So treten z. B. bei Elektrolysezellen der eingangs genannten
Art insbesondere dann, wenn an den Anoden Chlor frei wird, häufig Explosionen im
Innern der Zelle auf, die zu Beschädigungen der Anoden, Anodenstäbe, bei bekannten
Elektrolysezellen zu Beschädigungen der Gleitdichtungen, oft auch zu anderen schweren
Schäden am Deckel oder der Wanne usw., führen, und die außerdem durch das Herausschleudern
und Verspritzen von Säuren oder ätzenden Flüssigkeiten aus dem Innern der Zelle
zu einer Gefährdung der in der Umgebung der Zelle arbeitenden Personen führen. Bei
der neuen Ausbildung der Elektrolysezelle aber wird solchen Explosionen ihre zerstörende
und gefährliche Kraft dadurch genommen, daß sich der Deckel infolge seines flexiblen
und/oder elastischen Charakters aufwölben oder aufblähen kann, so daß sich der Explosionsstoß
totläuft, ohne zu den erwähnten Schäden an der Zelle oder zu der Gefährdung der
Umgebung zu führen. Ein weiterer Gesichtspunkt besteht z. B. noch darin, daß das
Innere der Zelle mit sehr wenig Arbeitsaufwand bequem und einfach durch Lösen einiger
weniger Befestigungsschrauben des Deckels, z. B. zu Revisionszwecken od. dgl., zugänglich
ist, weil sich der gelöste Teil des Deckels infolge seines flexiblen oder elastischen
Charakters von der Wanne abheben läßt. Bei bekannten Elektrolysezellen ist ein derartiges
Vorgehen unmöglich, und es muß zu dem gleichen Zweck der gesamte Deckel völlig vom
Befestigungsrand der Wanne gelöst und abgehoben werden, wobei außerdem kräftige
Hebezeuge usw. erforderlich sind.
-
Durch die neue Ausbildung der Elektrolysezelle werden hinsichtlich
der Möglichkeiten zur Höheneinstellung der Anodenstäbe völlig neue Bedingungen geschaffen,
so daß auch der Ausbildung der Tragvorrichtung,n zur hölleneinstellbaren Aufhängung
der Anodenstäbe besondere Bedeutung zukommt.
-
So sieht die Erfindung vor, daß die Anodentragvorrichtungen einstellbar
ausgebildet sind, so daß eine gleichzeitige Höheneinstellung aller Anoden in bezug
auf die Kathodenoberfläche der Zelle möglich ist.
-
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß jede
einzelne Anode an der Tragvorrichtung mit Hilfe einer zusätzlichen Einstellvorrichtung
befestigt ist, die unabhängig von der Tragvorrichtung der anderen Anode arbeitet.
-
Eine bevorzugte weitere Ausbildung der neuen Elektrolysezelle ist
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anodentragvorrichtung an der Wanne
befestigt ist.
-
Für besonders große Elektrolysezellen, bei denen sich zum Teil recht
beachtliche Gewichte der Anoden ergeben, sieht die Erfindung hingegen vor, daß di-Anodentragvorrichtung
unabhängig von der Wanne abgestützt ist.
-
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der neuen Elektrolysezelle
ist schließlich noch dadurch gekennzeichnet, daß die Anodentra:gvorrichtung in mehrere
voneinander unabhängige Teile unterteilt ist.
-
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäß ausgebildeten Elektrolysezelle
ist in den Zeichnungen dargestellt.
-
F i g. 1 ist eine perspektivische, teilweise aufgeschnittene Ansicht
einer Elektrolysezelle entsprechend dieser Erfindung und des dazugehörigen Amalgamzersetzers;
F i g. 1 a zeigt perspektivisch und in vergrößertem Maßstab einen Teil der anodischen
Stromzuführung; F i g. 1 b zeigt perspektivisch und in vergrößertem Maßstab einen
Teil der anodischen Stromverbindungen von F i g. l a, F i g. '' zeigt einen
Querschnitt entlang der Linie 2-2 von F i g. 1, teilweise als Ansicht; F i g. 3
zeigt einen Querschnitt der Zelle entlang der Linie 3-3 von F i g. 1, teilweise
als Ansicht; F i g. 3 a zeigt eine Variante für die Unterstützung des Anodentraggerüstes
außerhalb des Deckels und unabhängig von der Zellenwanne; F i g. 4 und 5 zeigen
einige Varianten der Befestigung des Deckels an der Zellenwanne.
-
Aus den Figuren geht hervor, daß die Seitenwände der Zelle vorzugsweise
aus eisernen Trägern 1A und daß der Zellenboden 1 B aus Eisenblech besteht.
-
Die Seitenwände und der Zellenboden sind mit Natursteinplatten 5 verkleidet,
die in Mörtel 6 eingebettet sind. Sie können auch durch ein anderes gegen chemischen
Angriff beständiges Material verkleidet sein, z. B. durch ein geeignetes synthetisches
Harz.
-
Der Boden der Zelle trägt in gleichmäßigen Abständen Elemente 9 aus
eisernen 3-Trägern, die mit dem Boden 1 B verbunden sind und die als Stromübertrager
zwischen dem fließenden Quecksilber auf dem Zellenboden und dem negativen Stromleiter
12 dienen. Die Anoden bestehen aus horizontalen Grsphitplatten 8, getragen von vertikalen
Graphitstäben 27, die ihrerseits mit Metallrundstäben 30 versehen sind. Die Metallstäbe
30 bewirken die positive Stromverbindung zwischen der Schiene 11 und dem Traggestell.
-
Dieses letztere besteht aus einem Metallkreuz 15, das sich aus dem
Querteil 20 und dem damit befestigten Längsteil 21 zusammensetzt. Die Querschienen
20 liegen auf den Unterstützungen 19 auf und sind verstellbar. Die Unterstützungen
19 liegen auf den Seitenwänden 1A auf oder können auf anderen kräftigen Unterstützungen,
die an der Zellenwarme nicht befestigt sind, aufliegen. Die Unterstützungen 19 tragen
die Einstellmuttern 22, die es erlauben, die Höhe des Kreuzes 15 und damit die Höhe
der Anoden, die an ihm befestigt sind, einzuregulieren. Zum Abheben des Rahmens
15 einschließlich der daran befestigten Anoden sind an diesem Rahmen entsprechende
Vorrichtungen vorgesehen, z. B. die Haken 32.
-
An den Längsträgern 21 sind mit den entsprechenden Abständen die Blechstreifen
40 der Anodenaufhängung befestigt, während die Anoden 8 an den Blechstreifen 40
mittels der mit Gewinde versehenen Stäbe 30 und der Schraubenmuttern 31 befestigt
sind.
-
Wie man in F i g. 3 a sieht, kann der Rahmen 15 statt auf den Seitenwänden
der Zelle mit Hilfe der Unterstützungen 19A auf einer außerhalb der Zellenwanne
liegenden Unterlage ruhen. Das Haupterfordernis dabei ist, daß der Rahmen 15 in
einer fixen Position relativ zur Zellenwanne sich befindet und relativ zu dieser
eingestellt werden kann.
-
Wie F i g. 1 zeigt, ist der Zellendeckel mittels der Querteile
A' und B', die sich über den oberen Teil der Zellenwanne erstrecken,
in die drei Teile A, B
und C unterteilt. Das Anodentragkreuz 15 ist entsprechend
in drei Teile unterteilt, so daß man jedes dieser Teile getrennt von den anderen
abnehmen und einstellen kann.
-
Der Deckel 1.7 aus flexiblem Material, durch den die Verbindungen
30 zu den Anoden hindurchgehen, schließt den oberen Teil der Zelle ab und ist an
den Seitenwänden und an den Quertrennleisten A' und B'
unter Zwischenlegung
der Blechstreifen 24 festgeschraubt.
-
Man kann auch andere Befestigungshilfsmittel anwenden, wie z. B. die
durch Preßsitz befestigten Füßchen 24A, die mit dem Tragrahmen 15 mit Hilfe der
Teile 24 B verbunden sind, wie es in F i g: 4 gezeigt ist. Die Befestigung des Deckels
kann auch mittels der Füßchen 24 erfolgen, die mit den Armen 24E des Tragrahmens
15 verbolzt sind, so daß die Deckelfolie 17 gegen die Seitenwände 5 der Zelle gepreßt
wird. Allerdings kann man in diesem Fall den Zellendeckel nicht öffnen, ohne den
Tragrahmen 15 wegzuheben. Zwischen den Graphitstäben 27 der Anoden, den Bolzen 30
und dem Deckel 17 sind geeignete Dichtungen vorgesehen, um das Entweichen von Gas
oder den Eintritt von Luft zu verhindern. Für den Austritt des Chlorgases ist entweder
eine Öffnung im Deckel 17 oder eine Öffnung durch eine Seitenwand der Zelle
oberhalb des Niveaus der Elektrolyten vorgesehen (in der Figur nicht gezeigt).
-
Die Kupferschienen 12 stellen die elektrische Verbindung zur Kathode
über den Zellenboden 1B und die Eisenschienen 9 her, die mit der Bodenplatte 1 B
verbunden und in die Zellenauskleidung eingebettet sind und welche ihrerseits mit
dem auf dem Zellenboden fließenden Quecksilber in Berührung sind (s. F i g. 3).
-
Für die Anoden 8 sind elektrische Verbindungen über die Schienen 11
vorgesehen, die mit der Schiene 16 in Verbindung stehen. Diese letzteren sind an
die Graphitstäbe 27 einer jeden Anode mit Hilfe der Querschienen 28 und der Schraubenmuttern
29 an die Ruhestäbe 30 angeschlossen (s. F i g. 1 a und 1 b).
-
Mit Hilfe dieser Vorrichtung kann man durch Regulieren an den Teilen
19 und 22 alle am Tragrahmen ?5 befestigten Anoden gleichzeitig einstellen, ohne
irgendetwas am Deckel 17 zu verändern. Auf diese Weise ist es möglich, zwischen
den unteren Flächen der Anoden und der Quecksilberkathode dauernd den zweckmäßigsten
Abstand einzuhalten.
-
F i g. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab eine Einzelheit der elektrischen
Verbindungen zwischen der Schiene 28 und der Schiene 16. F i g. 2 zeigt außerdem,
wie die in drei verschiedene Teile geteilte Deckel 17 der ganzen Zelle gehalten
wird und wie die benachbarten Ränder durch die Blechstreifen 24 an den Trennstellen
A' und B' der Zelle befestigt sind.
Im Betrieb der
Zelle wird mit Hilfe der Leitung 10 das Quecksilber (F i. g. 1) .in das Zellenabteil
43 eingeführt und fließt unter der Trennwand 43A in das Elektrolyseabteil.
-
Die konzentrierte Elektrolytlösung wird durch die Eintrittsleitung
41 dem dem Amalgamzerleger 2 nahe gelegenen Zellenende zugeführt. Das Quecksilber
und die Salzlösung fließen dem anderen Zellenende zu, während sich der Elektrolyseprozeß
in der Zelle vollzieht. Das Chlorgas wird durch einen Austrittsstutzen, zweckmäßigerweise
im Deckel, abgezogen, und die verdünnte Salzlösung verläßt die Zelle am tiefer gelegenen
Zellenende durch die Leitung 42. Das Amalgam tritt unter der Zwischenwand 45 in
das offene Zellenabteil 46 über und fließt durch die Leitung 33 über einen Siphon
34 dem Amalgamzerleger 2 zu, in dem das Amalgam mit Wasser unter Bildung
von Hydroxyd und Wasserstoff und unter Regenerierung des Quecksilbers reagiert.
Dem Amalgamzerleger 2 wird Wasser über die Leitung 35 zugeführt. Der Wasserstoff
entweicht durch das Rohr 36, und die Alkahlösung fließt durch das Rohr 37 ab. Das
Quecksilber verläßt den Amalgamzerleger durch die Leitung 38 und wird mit Hilfe
der Pumpe 39 durch die Leitung 10 in die Zelle zurückgeführt.