DE1558726B2 - Elektrolysierzelle - Google Patents

Description

nehmbare Wärmedämmplatten am Mantel der Elek- Diese Aufgabe wird durch eine Elektrolysierzelle der trolysierzelle verwendet, die durch das Wasser der eingangs angegebenen Art gelöst, die dadurch gekenn-Kontaktplatten an den unteren Anodenenden abge- zeichnet ist, daß die Abmessungen des Elektrolysegekühlt werden. fäßes in Abhängigkeit von der Strombelastung ent-

Diese Maßnahmen sind jedoch, wie ihre praktische 5 sprechend der Formel Verwendung beweist, nicht wirksam genug. Abnehm-

bare, am Mantel der Zelle angebrachte Wärmedämm- ^{D +} ^^lb5H _{> 1>35} .₁₀-2

platten ergeben Schwierigkeiten im Betrieb und ge- V~f statten nicht, die Wärmeableitung gleichmäßig zu

ändern. Wassergekühlte, an die Anode angedrückte io (mit D — Innendurchmesser des Elektrolysierschachtes

Platten sind wegen des schlechten Wärmeüberganges in m, H= Höhe des Elektrolysierschachtes in m und

zwischen ihnen und den Graphitstäben wenig wirksam. /= Belastung der Elektrolysezelle in Ampere) so

Ein anderer unerwünschter Effekt, der die Produk- gewählt sind, daß bei Durchführung der Elektrolyse

tionsausbeute der Elektrolysierzelle vermindert, be- wenigstens an der gesamten inneren Oberfläche des

steht darin, daß schädliche Zirkulationsströmungen im 15 Elektrolysegefäßes eine Bedeckung (Garnisage) aus

Elektrolyt entstehen. Besonders unerwünschte Strö- festem Elektrolyten enthalten ist, die als zusätzliche

mungen entstehen an den oberen Stirnseiten der Wärmeisolationsschicht dient.

Graphitstäbe, aus denen die Anode gebildet ist, Vorteilhafterweise sind die Anodenstäbe an ihrem

weil der Elektrolyt in den zentralen Anodenkanal oberen Teil sowohl an der Innen- als auch an der

nicht ungehindert eintreten kann. 20 Außenseite mit Abschrägungen versehen. Die Wirkung

Bei den bekannten Bauarten der Elektrolysierzellen dieser Abschrägungen ist weiter unten beschrieben,

sind keinerlei Maßnahmen vorgesehen, um den uner- Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Hohlraum der

wünschten Elektrolytströmungen zu begegnen. Anode durch eine Schicht aus mit Graphitzuschlag ver-

Ein weiterer unerwünschter Effekt bei den bekannten sehenem Beton, dessen Ausdehnungskoeffizient etwa

Bauarten der Elektrolysierzellen zur Natriumgewin- 25 gleich dem der Anodenstäbe ist, in den oberen und den

nung besteht darin, daß es notwendig ist, zur Erzielung unteren Teil unterteilt ist.

der erforderlichen Abmessungen die Oberfläche des Zur Erläuterung wird nachstehend ein mit Zeichmehrteiligen Anodenblockes mechanisch zu bearbei- nungen versehenes Ausführungsbeispiel einer Elektroten. Bei der Bearbeitung der Graphitstäbe wird zwang- lysierzelle beschrieben. Es zeigt

läufig ihre Außenschicht entfernt, die bei der Herstel- 30 F i g. 1 einen Längsschnitt durch die Elektrolysier-

lung der Stäbe und bei der Graphitbildung erhalten zelle und

wurde, die aber beim Betrieb der Elektrolysierzellen F i g. 2 einen Schnitt nach Linie II-II der F i g. 1 die größte Widerstandsfähigkeit aufweisen würde. durch dieselbe Elektrolysierzelle. Durch Entfernen dieser Schicht wird die Lebensdauer Die Elektrolysierzelle enthält ein von einem zylinder Anode verkürzt, und der Abstand zwischen den 35 drischen Stahlmantel (F i g. 1 und 2) gebildetes Gefäß Elektroden wächst sehr schnell. Die erforderliche (Bad) 1. Der Mantel weist innen eine Auskleidung 2 maschinelle Bearbeitung der sperrigen und schweren aus Schamottesteinen auf. Im Elektrolysiergefäß ist Anodenblöcke sowie deren Transport und Zusammen- eine ringförmige Kathode 3 befestigt, die aus einem perbau verursachen natürlich erhöhte Kosten. Außerdem f orierten Stahlzylinder besteht, der durch an ihm angebesteht die Gefahr der Beschädigung der Anodenstärke 40 schweißte Stahlplatten 4 gehalten wird. Letztere sind während der einzelnen Stufen ihrer Bearbeitung, Be- durch die Seitenwände des Bades 1 hindurchgeführt förderung und Montage. und liegen auf den Tragstützen 5 auf.

Das Befestigen des Anodenblock-Mittelteils im Die Anode ist aus prismatischen Graphitstäben 6 Schachtherd der Elektrolysierzelle bei den bekannten mit kreissektorartig trapezförmigem Querschnitt zu-Bauarten mit Hilfe von feuerbeständigem Ziegelmauer- 45 sammengesetzt. Die Stäbe haben diese Form bereits bei werk oder hitzefestem Beton ist ebenfalls nachteilig, da ihrer Herstellung erhalten, so daß die an ihrer Oberdiese Baustoffe einen Ausdehnungskoeffizienten be- fläche vorhandene widerstandsfähige Schicht ohne sitzen, der sich stark von dem des Graphits unter- weitere Bearbeitung erhalten bleibt, scheidet. Infolgedessen können bedeutende, auf die Die Stäbe 6 befinden sich innerhalb der Kathode 3 Anodenstäbe wirkende Druckkräfte entstehen und 5° in gleichem Abstand vonihrund sind derart angeordnet, diese beschädigen. daß zwischen den einzelnen Stäben Spalte vorhanden Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die sind und eine hohle ringförmige Anode entsteht. Im aufgezeigten Nachteile zu beseitigen. Unterteil der Stäbe sind Schrauben? eingedreht. Die Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stäbe 6 ruhen auf dem Kontaktblock 8, der einen Elektrolysierzelle zu entwickeln, bei der die Elektrolyt- 55 Kühler 9 enthält, welcher teilweise im unteren Anodentemperatur während des gesamten Arbeitsganges auf hohlraum angeordnet und durch eine Schicht 10 aus einer Höhe bleibt, die in der Nähe des Gefrier-(Fest)- mit Graphitzuschlag versehenen Beton gegenüber dem Punktes des Elektrolyten liegt, die das Metallisieren Elektrolyten abgeteilt ist. Der mit Graphitzuschlag verder Auskleidung (des Mauerwerks) verhindert, wo- sehene Beton besitzt einen Ausdehnungskoeffizienten, durch die Voraussetzungen für ein stabiles Wärme- 60 der ungefähr gleich dem der Anodenstäbe 6 ist. Jeder gleichgewicht geschaffen werden, in der eine Elektrolyt- Stab 6 besitzt am Oberteil innen- und außenseitige zirkulation resultiert, die optimale Intensität bei mini- Abschrägung 11 und 12.

malen Metallverlusten durch elektrochemisches Lösen Nach dem Zusammenbau bilden die inneren Stab-

im Elektrolyt und durch Stromverluste sowie durch die abschrägungen 11 eine Erweiterung im Oberteil des Verluste gewährleistet, die als Ergenbis der Umsetzung 65 Anodenhohlraumes. Die äußeren Abschrägungen 12

von Elektrolyseprodukten mit der Anode entstehen, die vergrößern den Abstand zwischen Anode und Kathode,

wiederum eine bessere Kühlung besitzt und längeren Die Kathode ist ebenfalls am Ober- und Unterteil auf

Betriebseinsatz der Elektrolysierzelle gewährleistet. der der Anode zugewandten Seite abgeschrägt. Der

Raum zwischen dem Kühler 9 und der Wand des Kontaktblockes 8 ist mit Blei 13 ausgefüllt. Der Innenraum von diesem Bleiausguß bis zur Höhe des Bodens der Elektrolysierzelle ist mit Beton ausgegossen.

Am Rahmen 14 der Zelle ist mittels Stahlstäben 15 eine ringförmige Rinne 16 aufgehängt, an der der Diffuseur 17 befestigt ist. Im Raum zwischen Anode und Kathode ist ein zylindrisches Drahtnetz 18 eingesetzt, das starr mit der ringförmigen Rinne 16 verbunden ist. Das Drahtnetz trennt den die Kathode umgebenden Raum vom entsprechenden Raum der Anode und verhindert auf diese Weise den Kontakt zwischen Natrium und Chlor. Auf der oberen Platte 19 der Elektrolysierzelle befindet sich ein Werk 20 zum Zentrieren des Drahtnetzes 18 im Raum zwischen den Elektroden während des Elektrolysierbetriebes. Die Anodenstäbe erhalten die erforderliche Form bereits bei der Anodenherstellung durch Pressen auf Lochpressen mit entsprechend ihrem Querschnitt geformten Mundstück. Daher benötigt der Anwender keine besonderen Maschinen und braucht auch nicht Anoden mit großem Durchmesser an der Oberfläche bearbeiten. Die Schicht mit der größten Widerstandsfähigkeit und Festigkeit an der Anodenarbeitsfläche bleibt unberührt; die Lebensdauer der Anoden wird daher bedeutend verlängert.

Die Stäbe 6 werden in die Elektrolysierzelle nacheinander eingesetzt, wobei für ihre Montage die ringförmige Kathode 3 als Schablone dient. Die Anodenstäbe 6 werden zunächst an der Kathode befestigt, wobei zwischen den Stäben 6 und der Kathode 3 Zwischenlagen eingelegt werden, die den Abstand zwischen den Elektroden bestimmen.

Wandstärke, Innendurchmesser und Schachthöhe der Elektrolysierzelle können in einfacher Weise durch Berechnung festgelegt werden, wenn man von den günstigsten Ergebnissen ausgeht, die beim Elektrolysierbetrieb mit 8O°/oigeT Stromausbeute erzielt werden. Es wurde nämlich gefunden, daß dies bei nachstehender Beziehung der Fall ist:

D + 0,163 H
Ψ

> 1,35-10-²,

wobei
D = Innendurchmesser des Elektrolysierschachtes inm,

H = Höhe des Elektrolysierschachtes in m,
/ = Belastung der Elektrolysierzelle in Ampere.

Die Wandstärke des Elektrolytgefäßes wird in Abhängigkeit von der jeweiligen Belastung der Elektrolysierzelle gewählt.

Die vorgeschlagene Elektrolysierzelle arbeitet folgendermaßen:

Im Elektrolysebad befindet sich die Elektrolytschmelze, die den Elektrolysierschacht fast bis zu seiner vollen Höhe ausfüllt. Die Abmessungen des Bades und der Anode, die Auskleidungsdicke und die Parameter des Kühlers 9, der sich im Anodenunterteil befindet, werden so gewählt, daß es möglich ist, während des Elektrolysebetriebes im Bad ununterbrochen eine Bedeckung aus festem Elektrolyt (in F i g. 1 breit schraffiert mit Punkten) an der gesamten Oberfläche der Seitenwände des Elektrolysierschachtes und möglichst auch eine Haut auf der Elektrolytoberfläche aufrechtzuerhalten. Diese Haut und die Bedeckung sind Wärmedämmungsschichten, die automatisch ihre Dicke bei Vergrößerung oder Verminderung des Wärmeüberschusses in der Elektrolysierzelle ändern und für entsprechende Vergrößerung oder Verminderung der Wärmemenge sorgen, die der Elektrolysierzelle bei unbedeutender Änderung der Elektrolyttemperatur entzogen wird.

Der die Elektrolysierzelle durchfließende Gleichstrom gelangt über die im Zwischenraum zwischen Kühler 9 und Wand des Kontaktblockes 8 eingegossene Bleischicht 13 zur Anode.

Die im Unterteil der Anodenstäbe 6 vorgesehenen Schrauben 7 ermöglichen es, den Spannungsabfall im Kontakt auf ein Minimum zu reduzieren.
Die Anode dieser Elektrolysierzelle ist hohl; in ihrem Unterteil ist der Kühler 9 eingebaut, der die Ableitung des Wärmeüberschusses gewährleistet. Der Hohlraum im Unterteil der Anode wird beim Einbau des Kühlers mit Graphitbeton gefüllt, dessen Ausdehnungskoeffizient nahe dem des Graphits liegt. Der Strom wird der Kathode 3 über die an ihr angeschweißten Platten 4 zugeführt.

Bei der Elektrolyse wird Natrium an der Kathode und Chlor an der Anode abgeschieden. Das im Raum zwischen den Elektroden befindliche Drahtnetz 18 trennt die Produkte der Elektrolyse voneinander. Natrium steigt im Elektrolyt empor und wird in der ringförmigen Rinpe 16 angesammelt, von wo es über das senkrechte Steigrohr 21 in ein Natriumsammelgefäß geleitet wird.

Chlor wird mit Hilfe des Diffuseurs 17 in der Chlorkammer 22 angesammelt und über die Chlorleitung 23 abgeführt.

Beim Elektrolysebetrieb wird eine Temperatur, die im Bereich von 600° C liegt, aufrechterhalten. Beim Anwachsen des Wärmeüberschusses werden die Bedeckung an den Seitenwänden 2 und die Haut auf der Elektrolytoberfläche dünner, bis nicht mit Haut überdeckte Abschnitte auftreten (und bis im Grenzfall die Haut auf der Elektrolytoberfläche vollkommen verschwindet). Beim Schmelzen der Haut wächst die Ableitung der Wärme in das Umgebungsmittel.

Die aus Stäben 6 mit trapezförmigem Querschnitt direkt an der Kathode 3 auf vorübergehend eingelegten Zwischenlagen zusammengesetzte Anode gewährleistet das Einhalten des vorgegebenen Abstandes zwischen Anoden und Kathodenoberfläche. Nach dem Einspannen der Anodenstäbe 6 im Kontaktblock 8 und im Gefäßboden der Elektrolysierzelle werden die beim Zusammenbau verwandten Zwischenlagen entfernt.

Auf diese Weise wird eine Anode mit vorgegebenem Durchmesser und vorbestimmtem Abstand von der Kathode erhalten. Es ist nicht erforderlich, die Anodenoberfläche spanabhebend, d. h. mechanisch zu bearbeiten, um vorgegebene Abmessungen der Anode einzuhalten. Daher können Anodenstäbe verwandt werden, deren Seiten, die später die Anodenarbeitsfläche bilden, keiner mechanischen Bearbeitung unterzogen werden und die in dem Zustande verwendet werden, in dem sie beim Formen und bei der Graphitbildung während ihrer Herstellung erhalten erhalten wurden. Durch Beibehaltung dieser Außen schicht wird eine Anodenarbeitsfläche erhalten, die widerstandsfähiger im Betrieb ist. Dies wiederum ermöglicht längeren betrieblichen Einsatz der Elektrolysierzellen infolge verlangsamter Abnetzung der Anodenoberfläche. Am oberen Anodenende sind Abschrägungen 11 und 12 an der Innen- und Außenseite vorgesehen, durch die die stirnseitigen Oberflächen am oberen Teil der Stäbe vermindert wer-

den. Bei den bekannten Anoden bewirken die unpräparierten Stirnflächen die schädlichen Zirkulationsströmungen im Elektrolyt. Dank der Abschrägungen 11 wird gemäß der vorliegenden Erfindung der Zustrom des Elektrolyten in den Zentralkanal der Anode gleichmäßiger, und Wirbelbildungen werden vermieden. Die Abschrägungen 12 an der Außenseite vergrößern das Raumvolumen zwischen Anode und Drahtnetz (Diaphragma) am oberen Anodenende. Hierdurch wird der Druck der Chlorblasen auf das Drahtnetz vermindert, und es gelangt eine geringere Chlormenge durch das Drahtnetz in den Kathodenraum. Außerdem erleichtern die Abschrägungen 12 an der Außenseite der Anodenstabenden das Einsetzen des Drahtnetzes in

den Raum zwischen den Elektroden beim Auswechseln der Kathodenglocke.

Bei der Erwärmung werden die Anodenstäbe nicht beschädigt, da sie im Herd mittels Graphitbeton eingespannt sind, der fast den gleichen linearen Ausdehnungskoeffizienten wie Graphit besitzt.

Der Wärmeüberschuß wird am besten von der Anode durch Verwendung eines Kühlers abgeleitet, der in den Anodenhohlraum eingesetzt ist.

to Der Spannungssprung zwischen Kathode und Drahtnetz wird im Bereich von 1,5 bis 2,2 V aufrechterhalten und mit Hilfe des Zentrierwerks während des Elektrolysebetriebes geregelt. Hierbei wird eine maximale Stromausbeute erzielt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309 536/159

Claims (3)

1 2 zelle durchgeführt werden kann, ist — abgesehen von Patentansprüche: der Kühlbarkeit des Anodenbodens — in der USA.- Patentschrift 2 213 073 nicht angegeben.

1. Elektrolysierzelle zur Durchführung von In der deutschen Patentschrift 214 963 ist ein Ver-Schmelzelektrolysen, insbesondere für die' Koch- 5 fahren zur elektrolytischen Gewinnung der schwerer salzelektrolyse zur Gewinnung von Natrium und schmelzenden Leichtmetalle (Erdalkalimetalle), wie Chlor, enthaltend ein mit Auskleidung versehenes Kalzium, Magnesium oder deren Legierungen, unter Gefäß zur Aufnahme des Elektrolyten, eine aus Anwendung eines spezifisch schwereren Elektrolyten Stäben mit kreissektorförmigem Querschnitt mit und einer untergetauchten Katode beschrieben, bei dem Abständen zusammengestellte Anode, die einen io der obere Teil des Bades so kühl gehalten wird, daß Innenraum bilden, der durch ein hitzebeständiges die durch das Bad im geschmolzenen Zustand hoch-Material in einen oberen und einen unteren Raum steigenden Metallteilchen an der Oberfläche erstarren, geteilt ist, von denen der obere zur Aufnahme von Die in dieser Patentschrift gezeigte Elektrolysiervor-Schmelze bestimmt ist und von denen der untere richtung enthält eine Ringanode und eine zentrale einen Kontaktblock mit Kühlmittelvorrichtungen 15 Kathode. Es kommt hinzu, daß eine Kühlung des enthält, dadurch gekennzeichnet, daß Bodens des Elektrolysiergefäßes mit Kühlflüssigkeit die Abmessungen des Elektrolysegefäßes (1) in vorgesehen ist, damit der metallische Gefäßboden Abhängigkeit von der Strombelastung entsprechend elektrisch isoliert ist. Ohne eine solche elektrische der Formel Isolierung besteht die Gefahr, daß ein Kurzschluß

20 an der Elektrolysezelle auftritt.
D + 0,163 H ^ ^₃₅ _ ₁₀__a j_{n der} deutschen Patentschrift 692 858 ist eine ring-

yy förmige Anode mit einer Öffnung in ihrer Mitte be- (~,

schrieben. Die Anode ist zwar aus Segmenten zusam-

(mit D = Innendurchmesser des Elektrolysier- mengesetzt, jedoch sind Zwischenräume zwischen dieschachtes in m, H = Höhe des Elektrolysierschach- 25 sen Segmenten nur bis zu einer gewissen Höhe vorgetes in m und / = Belastung der Elektrolysezelle in sehen, während ansonsten die Segmente unten anein-Ampere) so gewählt sind, daß bei Durchführung ander anliegen und sich außerdem noch zu einem Halteder Elektrolyse wenigstens an der gesamten inneren teil verjüngen. Die Darstellung der Zelle zeigt, daß die Oberfläche des Elektrolysegefäßes (1) eine Be- Zirkulation der zu elektrolysierenden Flüssigkeit deckung aus festem Elektrolyten enthalten ist, 30 durch besondere Maßnahmen bewerkstelligt wird, die als zusätzliche Wärmeisolationsschicht dient. einschließlich der Tatsache, daß in der Anode radial

2. Elektrolysierzelle nach Anspruch 1, dadurch und schräg nach unten verlaufende Kanäle angeordnet gekennzeichnet, daß die Anodenstäbe (6) an ihrem sind.

oberen Teil sowohl an der Innen- als auch an der In der USA.-Patentschrift 2 913 381 ist eine Elektro-

Außenseite mit Abschrägungen (11, 12) versehen 35 lysiervorrichtung beschrieben und dargestellt, bei der

sind. nur die untere Stirnfläche der Anode kühlbar ist. An-

3. Elektrolysierzelle nach Anspruch 1 oder 2, sonsten besteht die Anode aus einem festen Block, ohne dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum der daß ein Hohlraum im Inneren der Anode gebildet wird. Anode durch eine Schicht (10) aus mit Graphit- Eine andere bekannte Elektrolysierzelle für die Zuschlag versehenem Beton, dessen Ausdehnungs- 40 Durchführung von Schmelzelektrolysen besitzt ein mit köeffizierit etwa gleich dem der Anodenstäbe (6) ist, feuerbeständigem Ziegelmauerwerk ausgekleidetes Gein den oberen und den unteren Teil unterteilt faß, kurz als Bad bezeichnet, in dem sich eine mehrist. . . .. . teilige, aus Stäben bestehende und von einer Kathode /

umgebene Anode befindet (vgl. das Buch von 45 A 1 a b y s c h e w u. a., »Natrium und Kalium«, Staatsverlag für Chemie, 1959). Im Raum zwischen den Elektroden befindet sich ein Drahtnetz-Diaphragma, wel-

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysierzelle zur ches an einer Glocke befestigt ist, die sich über der Durchführung von Schmelzelektrolysen, insbesondere Anode und der Kathode befindet und zum Sammeln für die Kochsalzelektrolyse zur Gewinnung von Na- 50 und Ableiten von Natrium und Chlor dient, die bei der trium und Chlor, enthaltend ein mit Auskleidung ver- Elektrolyse aus der Salzschmelze während des Elektrosehenes Gefäß zur Aufnahme des Elektrolyten, eine lysebetriebes abgeschieden werden,
aus Stäben mit kreissektorf örmigem Querschnitt mit Ein unerwünschter Effekt beim Betrieb der bekannten

Abständen zusammengestellte Anode, die einen Innen- Elektrolysierzellen besteht in erster Linie in der Erraum bilden, der durch ein hitzebeständiges Material 55 höhung der Elektrolyttemperatur über einen bestimmin einen oberen und einen unteren Raum geteilt ist, von ten Wert. Dies führt zur Störung und oft sogar zur denen der obere zur Aufbahme von Schmelze be- vollkommenen Unterbrechnug des Abscheidungsstimmt ist und von denen der untere einen Kontakt- prozesses von Natrium und Chlor,
block mit Kühlmittelvorrichtungen enthält. Die Temperaturerhöhung ist eine Folge der unge-

Eine in der angegebenen Art zusammengestellte 60 nügenden Ableitung des Wärmeüberschusses, der Anode ist aus der USA.-Patentschrift 2 213 073 be- durch die allmähliche Zerstörung der Anode und durch kannt. Über die Art und die Abmessungen des Elek- die Vergrößerung des Abstandes zwischen den Elektrotrolysegefäßes ist in dieser Patentschrift nur ausgesagt, den entsteht. Im Endergebnis führt dies zu einer Bedaß die Anode in verschiedenen Typen von Elektrolyse- grenzung der Lebensdauer der Elektrolysierzelle. zellen verwendet werden können, von denen eine bei- 65 Bei den bekannten Bauarten der Elektrolysierzelle spielsweise die sogenannte Downs-Zelle (USA.-Patent- werden Maßnahmen getroffen, um die Elektrolyttemschrift 1 501 756) sein kann. In welcher Weise eine peratur und die Ableitung des Wärmeüberschusses zu Regulierung des Wärmehaushaltes in der Elektrolyse- regeln. Zum Beispiel werden zu diesem Zweck ab-