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Horizontalzelle zur elektrolytischen Erzeugung von Alkaliamalgam und
Chlor Es ist bekannt, zur Erzeugung von Alkaliamalgam schwachgeneigte elektrolytische
Zellen mit beweglicher Quecksilberkathode und darüber befindlichen Graphitanoden
zu verwenden.
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Während der jahrzehntelangen Entwicklung dieser »Horizontalzellen«
ist man immer mehr dazu übergegangen, große leistungsfähige Typen zu schaffen, und
namentlich bei einer akzeptablen Zellenspannung die Stromdichte zu steigern, letzteres,
um an teurem Quecksilber und an Baufläche zu sparen.
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Voraussetzung für den Erfolg solcher Bemühungen bildet die Tatsache,
daß es inzwischen in den Elektrolysebetrieben gelungen war, die Graphitanoden
- und zwar einzeln oder auch in Serie - entsprechend der durch die
Elektrolyse bewirkten Abzehrung während des Betriebes abzusenken, bzw. auf die optimale
Elektrodenentfernung nachzustellen.
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Eine weitere Voraussetzung für die Erzielung günstiger Zellenspannungen
bei höheren Stromdichten bildet eine möglichst rasche Entfernung der an der Unterseite
der Anode abgeschiedenen Chlorbläschen, um zu verhindern, daß sich daselbst eine
den Stromdurchgang erschwerende Sperrschicht ausbildet.
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Zur Erreichung des letztgenannten Zieles wurden bisher zwei Maßnahmen
angewendet: 1. Bei den Zellen normaler Bauart, bei welchen die Graphitplatten
so weit in den wäßrigen Elektrolyt (Sole) eintauchen, das letzterer auch die Oberseite
der Platten überspült, wird die Zahl der bisher üblicherweis,e, in den Anodenplatten
an-ebrachten Schlitze und Bohrungen so weit ,rhöht, daß die e auf dem spezifischen
Gewichtsunterschied zwischen chlorbläschenhaltiger und chlorbläschenfreier Sole
beruhende -mammutpumpenartige Elektrolytzirkulation innerhalb der Zelle auf ein
möglichst hohes Maß verstärkt wird.
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2. Bei einigen neueren Zellen wird die der Zelle zufließende Sole
ausschließlich durch den zwischen Quecksilber und Anoden-Unterseite befindlichen
schmalen Elektrolysierspalt geleitet und zwar in solcher Menge und unter solchem
Druck, daß die Fließgeschwindigkeit des Elektrolyten innerhalb der Zelle mehrere
Meter pro Sekunde beträgt, und in dem dir, Zelle an ihrem Ende verlassenden Sole-Chlor-Gemisch
das Verhältnis zwischen Chlorvolumen und Solevolumen zwischen 1: 10 und
1: 20 liegt.
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In der Literatur finden sich Angaben bezüglich des Wirkungsgrades
der oben gekennzeichneten Zellentypen; danach liegt für Type 1 bei einer
anodischen Stromdichte von 5000 Amp./m2 und einer Stromausbeute von 96 bis
98% die Zellenspannuna, zwischen C
4,0 und 4,2 Volt (vgl. Chernie-Ingenieur-Technik,
t2 35. Jahrgang, Heft 1, Januar 1963, S. 37); für Type 2 wird in der deutschen
Patentschrift 874 599,
S. 4, für eine Stromdichte von 1600 Amp.
(kathodisch) bei allerdings nicht genannter Stromausbeute eine Zellenspannung von
3,63 Volt angegeben.
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Es hat sich nun gezeigt, daß es durchaus möglich ist die spezifische
Zellenbelastung in ökonomischer Weise noch weit über die bishererreichbaren Werte
bei über 95% liegenden Stromausbeuten zu steigern bzw. die damit verbundenen Spannungswerte
zu verbessern, wenn man die gesamte, der Zelle in größerer Menge zugeleitete, Sole
innerhalb der Zelle zwangsweise, durch Bohrungen und/oder Schlitze hindurchtreten
läßt, die in den einzelnen Anodenplatten angebracht sind.
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Erfindungsgemäß kann dieserreicht werden, indem man den von der Salzsole
erfüllten Zellenraum in zwei übereinanderliegende, gesonderte Abschnitte aufteilt,
welche nur durch Bohrungen bzw. Schlitze, die sich in den Anodenplatten befinden,
miteinander in Verbindung stehen.
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Praktisch wird dieses Ziel so crreicht, daß - bei Verwendung
von Graphitanoden - in einem Zellentrog normaler Konstruktion ein vorzugsweise
frei beweglicher, rechteckiger und mit Leisten versehener Rahmen für die Anodenplatten
angebracht wird; nach oben hin wird derselbe durch den -lirnrnierten Zellendeckel
abgeschlossen,
so daß also eine in sich geschlossene Kassette entsteht, deren Oberseite durch den
Deckel und deren Boden durch die in den Rahmenöffnungen dicht eingesetzten Anodenplatten
gebildet wird, während die vier äußeren Rahmenschenkel den Seitenwänden der Kassette
entsprechen.
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Der Rahmen kann mit dem Deckel lose, mittels Verschraubung.. verbunden
sein, oder aber auch unlösbar; in ersterem Fall können die Anodenplatten unmittelbar
auf die, Rahmenleisten abgestützt werden; in letzterem Fall werden die Anoden mittels
der Stromzuführungsstäbe am Deckel befestigt.
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Die Kassette selbst wird vorzugsweise höhenverstellbar auf den beiden
Seitenflanschen des Zellentroges abgestützt.
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Der gas- und flüssigkeitsdichte Abschluß der Zelle gegen die Außenatmosphäre
wird durch ein rahmenförmiges Gummituch erzielt, dessen Innenrand mit dem Deckel
und dessen Außenrand mit dem oberen Rand des Zellentroges verbunden wird.
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Der Zellendeckel ist mit kreisförmigen öffnungen versehen, durch welche
die Stromanschlußstäbe der Anoden geführt und zweckmäßig mittels Gummistopfen abgedichtet
werden.
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Der Zellentrog selbst besteht beispielsweise aus einem U-Träger mit
ungeschützter, bearbeiteter Quecksilberlauffläche und angeflanschten gummierten
Seitenwänden oder ist in sonst üblicher Weise, gestaltet; an den Stirnseiten sind
beide Zellenenden in auch sonst üblicher Weise durch zwei Tröge abgeschlossen, die
der Zu- und Abführung des Quecksilbers bzw. Amalgams dienen.
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Wie die Zeichnungen, insbesondere A 9 b. 1 und 2, erkennen
lassen, wird erfindungsgemäß -der Soleinhalt der Zelle in zwei übereinanderliegende,
durch die Graphitplatten getrennte Teile zerlegt; die Frischsole tritt beispielsweise
durcheinen am Zellendeckel angebrachten Zuführungsstutzen zunächst in den oben befindlichen
Kassettenraum ein, füllt denselben zur Gänze aus und fließt sodann durch die in
den Graphitplatten angebrachten Bohrungen und Schlitze uniFittelbar üi den vom Quecksilber
und der Platten-Unterseite begrenzten schmalen Elektrolysierspalt ein; das bei der
Elektrolyse gebildete Chlorgas wird nun in Bläschenform von der Salzsole auf dem
weiteren Weg durch den Elektrodenzwischenraum mitgeführt; das Sole-Chlorgas-Gemisch
tritt dann unterhalb der Plattenkanten in den Trograum der Zelle ein, innerhalb
dessen die Entgasung stattfindet.
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Sole und Chlorgas werden darauf aus dem Zellentrograum gemeinsam oder
auch getrennt abgeleitet. Aus der vorangehenden Beschreibung ergibt sich, daß man
den Chlorgehalt des aus dem Elektrolysierraum austretenden Chlor-Sole-Gemisches
um so weiter herabsetzen und damit das Leitungsvermögen des Elektrolyten sowie die
Stromausbeute verbessern kann, je mehr Sole man der Zelle - im Verhältnis
zu der in letzterer erzeugten Chlorgasmenge - zuführt.
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Im Gegensatz zu der bisherigen Arbeitsweisr, in ungeteilten Elektrolysezellen
vom Typus 1 kann man in der gemäß Erfindung zweigeteilten Kassettenzelle
el tD ,das Verhältnis von Chlorgas und Sole im Elektrodenzwischenraum willkürlich
variieren und den beispielsweise durch die Stromdichte gegebenen Verhältnissen anpassen.
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Was anderseits den Vergleich mit Zellen vom Typus 2 anlangt, so hat
sich gezeigt, daß bei der Kassettenzelle erstens das optimale Verhältnis von Chlorgas
zu Sole nur etwa 1 : 3 bis 1: 4 beträgt und deshalb nur etwa ein Viertel
an Sole der Zelle zugeführt-werden muß und daß zweitens, dank der besonderen Soleführung,
bei einer Fließgeschwindigkeit des Elektrolyten im Zwischenelektrodenraum, die etwa
nur ein Hundertstel derjenigen von Zellentypus 2 beträgt, infolge der hier vorhandenen
laminaren Strömung des Elektrolyten - bei niedrigster Zellenspannung und
bester Stromausbeute - die Strombelastung auf 10 000 Amp./M2 und mehr
gesteigert werden kann.
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Als Anoden können Graphitplatten verwendet werden, die in bisher üblicher
Weise mit Bohrungen und (oder) Schlitzen versehen sind (vgl. Ab b. 5). Es
können jedoch auch Graphitplatten zur Anwendung kommen, welche in Plattenmitte mit
einem einzigen, etwa 8 bis 15 mm breiten, seitlich geschlossenen Schlitz
versehen sind, zu welchem von oben her Bohrungen führen, wie dies A b b. 6
erkennen läßt.
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Das Prinzip der Kassettenzelle kann jedoch auch durch eine der vorstehend
beschriebenen entgegengesetzten Soleführung verwirklicht werden; dann tritt also
die Frischsole in den unten befindlichen Trograum der Zelle ein, durchströmt den
Elektrodenzwischenraum und gelangt chlorgasbeladen, durch die in der Anodenplatte
vorhandenen Schlitze und Bohrungen hindurchfließend, in den oberhalb befindlichen
Kassettenraum; in diesem Fall sind also im Zellendeckel Anschlußstutzen zur Ableitung
von Sole und Chlor vorzusehen, wobei die Ableitung von Gas und Flüssigkeit ebenfalls
getrennt oder gemeinsam erfolgen kann.
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Im übrigen eröffnet vorliegende Erfindung auch neue aussichtsreiche
Perspektiven für die Verwendung von Edelmetallanoden bzw. oberflächenveredelte Anoden.
So liegt z. B. eine bevorzugte, Ausführungsform bei Verwendung von Edelmetallanoden
bzw. oberflächenveredelten Anoden darin, daß das Anodenblech mit dem Deckel und
den vier Rahmenschenkeln eine flache Kassette bildet, deren dem Quecksilber gegenüberliegender
Boden Bohrungen und/oder Schlitze für den Durchtritt des Elektrolyten und des Chlorgases
aufweist.
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Bei sehr großen Zellen ist es unter Umständen zweckmäßig, mehrere
Anodenkassetten in einem gemeinsamen Zellentrog einzusetzen.
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Der gemäß vorliegender Erfindung erzielte technische Fortschritt wird
besonders deutlich bei Betrachtung der zur näheren Erläuterung beigefügten schematischen
Darstellungen in den Ab b. 1 bis 7,
welche als Ausführungsbeispiele
das Prinzip der Erflndung wiedergeben.
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Abb. 1 zeigt die Kassettenzelle im Querschnitt und
Ab b. 2 im Längsschnitt; A b b. 3 zeigt den Kassettenrahmen in der
Aufsicht und A b b. 4 im Querschnitt; Ab b. 5 zeigt eine Graphitanode
ohne Schlitze mit gleichmäßiger Aufteilung der Bohrungen, obere Zeichnung in der
Aufsicht, mittlere Zeichnung im Längsschnitt und untere Zeichnung im Querschnitt;
Ab b. 6 zeigt eine Anode mit mittlerem Verteilungsschlitz, obere Zeichnung
in der Aufsicht, mittlere Zeichnung im Längsschnitt und untere Zeichnung im Querschnitt;
Ab
b. 7 zeigt eine Kassettenzelle mit feststehender t2 Edelmetall-Anode im Querschnitt.
In diesen Abbildungen bedeutet.
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a Zellenboden, U-Profil-Eisen, ungeschützt, oberflächenbearbeitet;
b angeflanschte gummierte Seitenwände; c Kassettenrahmen, gummiert;
d Kassettenquerleisten; e Kassettendeckel = Zellendeckel,
gummiert; f Gummituch zur Abdichtung der Zelle; g Leiste
zum Festklemmen des äußeren Gummituchrandes; h Graphitanode; 1 Stromanschlußstab;
k Gummistopfen zur Abdichtung des Stromanschlußstabes; 1 Anschlußstutzen
für die Solezuführung oder -abführung; m kathodischer Stromanschluß;
n anodischer Stromanschluß; o eine Halterung der Kassette mit Verstellvorrichtung;
p Bohrungen in der Anodenplatte für den Soledurchgang; r feststehende
Edelmetallanode; q Schlitz.