DE1671457A1

DE1671457A1 - Elektrolysezelle fuer die Durchfuehrung einer elektrolytischen reduktiven Kupplung oder anderen Reaktionen

Info

Publication number: DE1671457A1
Application number: DE19671671457
Authority: DE
Inventors: Danly Donald Ernest; Mcwhorter Robert White
Original assignee: Monsanto Co
Current assignee: Monsanto Co
Priority date: 1966-05-31
Filing date: 1967-05-31
Publication date: 1971-10-14
Also published as: GB1196631A; NL6707472A; JPS5141590B1; NL142094B; US3649511A; AT285537B; IL28071A; SE340089B; BE699284A; NO120226B; LU53785A1; CH476518A; US3660259A

Description

PATENTANWXLTE Λ RI Λ J £'7

DR. E. WIEGAND DIPL-ING. W. NIEMANN DR. M. KÖHLER DIPL-ING. C. GERNHARDT

MÖNCHEN HAMBURG

TELEFON: 55547< 8000 MÖNCHEN 15, -50. Mai

TELtORAMMEt KARPATENT NUSSBAUMSTRASSE

w. Xj, 143/67 13/Nie

Monsanto Company St. Louis, Missouri (V.St.A.) f

Elektrolysezelle für die Durchführung einer elektrolytischen reduktiven Kupplung oder anderen Reaktionen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolysezelle, die zur durchführung einer elektrolytischen reduktiven Kupplung sowie von ähnlichen organischen Synthesen geeignet ist, und auf ein Verfahren zur Anwendung der Zelle. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Zelle, die zur Rlektrohydrodimerisierung von Acrylnitril unter Bildung von Adipinsäuredinitril geeignet ist.

100U2/1U·

SAD OBiGtNAL

167U57

Vor kurzem wurden Verfahrensweisen zur elektrolyt is cheri reduktiven Kupplung von organischen Verbindungen, beispielsweise in den deutschen Patentschriften ....... und .......

(Ammeldungen 56 556/65 und 59 731/64), beschrieben, s'ine praktisch brauchbare Zelle für die Ausführung derartiger Verfahrensweisen im technischen Maßstab war früher nicht erhältlich, da, wie nachstehend näher erläutert wird, yiele praktische Bedingungen und Anforderungen erfüllt werden müssen. ⁷Ue allgemeinen Bedingungen, wie Stromkonzentrationen, geeignete Elektrolyse ο. dgl., sind in der deutschen Patentschrift (Anmeldung 59 731/64) beschrieben. Es wurde dabei gefunden, daß eine derartige Zelle mit einer lonenaustauschmembran, die den Anoden- und Kathodenraum trennt, und mit einer F.inrichtung, um die Membran in einem kleinen gleichförmigen Abstand von der Kathodenelektrode zu halten, versehen sein soll. Außerdem muß die Zelle einen Fluß des Katholyten bei geregeltem ⁿruek und gleichförmig hoher Geschwindigkeit über die Kathodenoberfläche liefern. Bekannte Klektrolysezellen sind nicht für die elektrolytiache reduktive Kupplungsreaktion (^RC-Reaktion) ausgebildet und sind ungeeignet für die wirksame Ausführung dner derartigen Reaktion.

Demgemäß ist eine Hauptaufgabe der Erfindung die Schaffung dner Tlektrolysezelle für die Ausführung von elektrolytischen reduktiven Kupplungsreaktionen. Ferner bezweckt die Erfindung

109842/134·

6AD ORIGINAL

• - 3 -

die Schaffung einer elektrolysezelle mit einer Einrichtung für die Beibehaltung eines genauen Abstands einer Ionenaus tauschmembran von der Elektrode und mit einer Einrichtung zum Pumpen eines Katholyten bei geregeltem Druck und einer im wesentlichen gleichförmigen hohen Geschwindigkeit über die Kathodenoberflache. Außerdem bezweckt die Erfindung ein geeignetes Verfahren zur ^Rlektrohydrodimerisierung von Acrylnitril.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung f

näher erläutert.

T?ig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein senkrechtes Schnittbild eines Systems von ^wlektrolysezellen.

Fig. 2 zeigt eine Darstellung in auseinandergezogener Anordnung mit teilweise weggebrochenen Teilen der bevorzugten Ausführungsform der Elektrolysezelle und

Fig. 3 zeigt ein senkrechtes Schnittbild entlang Linie >3 in Fig. 2.

Fig. 1 erläutert in schematischer Darstellung ein {

System von Zellen, bei welchem der elektrische Strom durch die Zellen in Reihe geführt wird, während die Analyt- und Katalytflüssigkeiten durch die Zellen parallel geführt werden. Das System umfaßt eine Anordnung von geeigneten Blättern oder Platten, die zusammengebaut und unter ausreichendem ^ruck festgeklemmt sind, um ein Lecken von

109842/1340

Flüssigkeit zu verhindern. Das in Pig. I dargestellte System umfaßt ein Anodenendblatt 20 mit einer darauf angebrachten Anode 22, ein Mittel- oder Zwischenblatt 24 mit einer Kathode 26 auf seiner äußersten linken Seite, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, die elektrisch mit einer Anode 28 auf der äußersten rechten Seite verbunden ist, und ein Kathodenendblatt 30 einschließlich einer Kathode 32» Das Membranblatt 34 umfaßt einen perleneren oder Umfangsrahmen 36, der in abdichtendem ^angriff mit den Umfangsteilen der gegenüber liegenden Oberflächen der Blätter 20 und 24 steht, um damit eine erste Zelle zu begrenzen. T>±e von dem Umfangsrahmen 36 getragene Membran teilt die erste Zelle in einen die Anode 22 umgebenden Anodenraum und in einen die Katode 26 umgebenden Kathodenraum. ¹⁷In zweites Membranblatt 40 begrenzt mit seiner Membran 42 in ähnlicher Weise mit den gegenüber liegenden Oberflächen der Blätter 24 und 30 eine zweite Zelle mit die Anode 28 bzw. die Kathode 32 jeweils umgebenden Anoden- und Kathodenräumen. Durch das Zufügen von weiteren Zwischen- oder Mittelblättern und Membranblättern zwischen die F-ndblätter 20 und 30 kann die Zahl der Zellen auf irgendeine gewünschte Anzahl erhöht werden.

aus

Her Anolyt wird durch eine Anolytpumpe 44/öem Zwischenbehälter 46 gepumpt und für die parallele Kreislaufführung durch die verschiedenen Anodenräume verteilt. In ähnlicher

1098Α2/134Θ

BAU ORIGtNAU

•Weise wird der Katholyt durch eine Katholytpunpe 48 aus dem Zwischenbehälter 50 für die parallele Kreislaufführung durch die verschiedenen Kathodenräume gepumpt.

Pig. 2, die im wesentlichen maßstabsgetreu gezeichnet ist, zeigt die Komponenten der bevorzugten Ausführungsforra gemäß der Erfindung, worin die einzelnen Blatt- oder Plattenanordnungen verschiebbar oder gleitbar von waagerechten Reitenschienen 52 und 54 einer filterpresse in hängender Anordnung gehalten werden. Das Anodenblatt 20 umfaßt einen | elektrisch isolierenden Block 56, der beispielsweise aus Polypropylen hergestellt sein kann. Die Anode 22 ist auf der inneren planaren ^läche des Blockes 56 angebracht und ist mit einer Mehrzahl von großen Leitern, die sich durch den Block 56 zu äußeren Leitern für die Verbindung an den positiven Anschluß der Kraftzufuhr erstrecken, verbunden. Ein Anolyteinlaßrohr 58 in Nähe des unteren Teiles des Blockes 56 erlaubt die Einführung von Anolytdn die inneren ¹³UIlkammern, die sich seitlich über den Boden des Blockes 56 erstrecken, um den Anolyt über die ausgesetzte Anode 22 zu verteilen. Die Anolytflüssigkeit auf dem oberen Teil des Blockes 56 wird in Auslaßfüllkammern gesammelt und tritt durch das Auslaßrohr 62 aus. Die bevorzugten Anolytfüllkammern sind mit denjenigen, wie in Pig, j5 gezeigt und nachstehend näher erläutert, Identisch.

109842/1348

Die Membranblattanordnung 34 umfaßt einen rechteckigen Umfangsrahmen 36, der aus Polypropylen gebildet sein kann und zum Tragen der Membran 38 und für ein angemessenes Halten ta Abstand der ^iektrodenblatter 20 und 24 bestimmt ist.

Der Rahmen 36 besitzt einen L-förmigen QuersBhnitt, der in

. hi einem einwärts gerichteten Plansch Λ4 auf derSeite in Angrenzung an das F-ndblatt 20 endet. Rin rechteckiges Bauteil 66 für die Befestigung der Membran klemmt die Membran an den Plansch 64 durch Abstandsschrauben 68 (spaced screws). Geeignete Membranen sind in der deutschen Patentschrift ....... (Patentanmeldung 59 731/64) beschrieben, wovon das sulfonierte ^tyroldivlnylpolymerisat, das auf einem Glasßeertuch getragen wird, bevorzugt wird, Geeignete Dichtungseinrichtungen können zwischen der Membran 38, dem Flansch 64 und dem Befestigungsbauteil 66 angebracht sein, um das Fließen von Flüssigkeit um den Rand der Membran herum von einerKammer zur anderen zu verhindern.

Bei der bep/Trzugten Ausführungsform umfaßt das Blatt ferner eine· Einrichtung, um ein Berühren der Membran 38 und der Anode 22 im Palle von Druckschwankungen innerhalb der Zelle zu verhindern, und eine Einrichtung zur Verstärkung des Rahmens 36 gegen eine nach außen gerichtete Verformung aufgrund des "lüssigkeltsdruckes innerhalb der Zelle. Diese beiden Wirkungen oder funktionen können von einem 0,o4 cm χ 0,64 cm iiasehen-F-inzGlfadenpolypropylerituch 72 erhalten werden,

109842/1349

das an den Innenrand des Flansches 64 angeschmolzen oder in anderer ^weise befestigt ist. ^s können auch andere Gebilde mit gießen freien Öffnungen und einer hohen Zug- oder Dehnungsfestigkeit senkrecht zu den Rahmenseiten zur Anwendung gelangen.

Gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung ist das Tuch 72 an den Rand des Flansches 64 in Nähe der Membran j58 so befestigt, daß die Anode 22 innerhalb der ^bene des Mansches 64 eingepaßt werden kann. Dies ermöglicht ein Abdichten der Anodenkammer ohne das Ausüben eines Klammerdrucks an der Anode 22 durch eine dichtung 74, die zwischen den gegenüber liegenden Oberflächen von Flansch 64 und Block 56 angebracht ist. Dadurch wird eine Verformung der Anode 22 verhindert, die beim Versuch, gegen die «node selbst abzudichten, auftreten kann.

Mt Bezug auf die figuren 2 und 3 umfaßt das Mittelblatt

24 einen Isolierblock 76, der aus Polypropylen gbildet sein

der
kann, und/die Kathode 26 auf einer senkrechten planaren (

Fläche gegenüber der i.etnbran 38 trägt. Zur gleichförmigen Verteilung der Katholytflüssigkeit über die ausgesetzte Oberfläche der Kathode 26 wird der Katholyt durch ein Rohr 78 in eine Finlaßfülleinrichtung 80 eingeführt, die sich im Innern des Blockes 76 waagerecht und im wesentlichen über die Breite der Kathode 26 erstreckte Die ^inlaßfülleinrich-

109842/1349

ϊ' * i

tung 80 1st duich eine. · Mehrzahl von beschränkten Öffnungen mit ^inlaßhiHsfülleinrichtungen 84 unterhalb des unteren Randes der Kathode 26 verbunden. Am oberen ^nde/ des

eine Blockes 7.6 gelangt der Katholyt in/Auslaßhilfsfülleinrichtung 86 und fließt dann durch eine ähnliche Reihe von beschränkten Öffnungen 88 zu einer Auslaßfülleinrichtung Der Katholyt wird dann durch ein mit der Auslaßfülleinrichtung 90 verbundenes Rohr 92 abgezogen.

Eine Mehrzahl von senkrechten parallelen isolierenden Membranabstandsstreifen 9²I-, die aus Polypropylen gebildet sein können, ist an der ausgesetzten ^wläche der Kathode 26 angebracht und begrenzt mit der ausgesetzten Kathodenfläche und d?r Membran 38 parallele senkrechte mit glatten Seiten ausgestattete Flüssigkeitsdurchgänge für den Katholytfluß. Schlitzblenden oder -klappen 96 und 98, die die gleiche Dicke wie die ^icke der Kathode 26 und der Streifen 9^ gemeinsam aufweisen, sind an den oberen bzw. unteren Rand der Kathode jeweils angebracht. Eine Reihe von Öffnungen 100, die sich durch die Schlitzblende 96 erstrecken, verbindet den Hilfsfüllraum 34 mit den unteren ^wndteilen der FlüssigkeitsduBhgänge zwischen den Streifen 9^# wMhrend entsprechende öffnungen 102 durch die Schlitzblende 98 in ähnlicher Weise die Hilfsauslaßöffnung 86 mit den oberen ^ndteilen der Plüssigkeitsdurchlässe verbinden. Eine Dichtung 104 erlaubt

109842/134 9

OfIIGfNAL

ein Anbringen (scaling) des Rahmens 36 an den Block J6 in der Weise, um damit einen Kathodenraum ohne Ausübung eines TUchtungsdruckes auf die Kathode 26 zu begrenzeh.

TUe Anodenseite des Blockes 26 ist der Kathodenseite ähnlich mit der Abänderung, daß keine Vorsorge für Membranabs tandss tr ef en oder .Schlitzblenden getroffen werden muß, und es wird dahea^ceine ins einzelne gehende Besehreibung davon gegeben» T)Ie Füllanordnungen im Anodenendblatt 20 können mit den Füllanordnungen für die Zwischenblätter, wie. in Fig. f 3 erläutert, Identisch sein, abgüe ich die Anforderungen

Fluß und bezüglich der Gleichförmigkeit von Strom inder/nruck auf der Anodenseite nicht so streng sind wie auf der Kathodenseite. TUe Kathode 26 und die Anode 28 sind durch eine Mehrzahl von großen Leitern, die sich durch den Block 76 erstrecken, elektrisch verbunden. ^-

^as Membranblatt 40 ist in seinem Aufbau der Membran ^4 gleich und das Rndblatt 30 ist mit der Kathodenseite des Zwischenblattes 24 identisch» "as Blatt oder die Platte umfaßt Innere elektrische Verbindungen, die sich von der Kathode ^2 durch den isolierenden Block für den Anschluß an -eine Anschlußklemme einer negativen Stromzufuhr erstrecken.

109842/1349

- ίο - ■

Mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung, die durch Zusammenschieben der verschiedenen Blätter auf waagerechten «eitenschienen 52 und-54 zusammengebaut wird, werden auf diese Weise abwechselnde Anoden- und Kathodenräume mit den unter Fehlen eines Biehtungsdruckes an den Anoden- und Kathodenelektroden gebiltteten ^lüssigkeitsabdichtungen zwischen aneinander grenzenden Teilen geschaffen. Die Anodenelektroden können aus einer Bleisilberlegierung mit einem Gehalt von etwa 1 % Silber gebildet sein. Die verschiedenen Kathoden können aus chemisch reinem Blei (99*9 'f Reinheitsgrad) gebildet sein, da sie kathodisch gegenüber Korrosion geschützt werden.

Bei der typischen elektrolytisch reduktiven Kupplungsreaktion (ERC-Heaktion) besteht die Anolytflüssigkeit aus einer verdünnten Mineralsäure, beispielsweise Schwefelsäure, während die Katholytflüssigkeit etwa 30 bis 35 £ Wasser, 35 bis 40; ^ quarternäres Ammoniumsalz und.Acrylnitril, Adipinsäuredinitril und andere organische Reaktionsprodukte als Rest umfaßt, wie dies ausführlicher in der vorstehend genannten deutschen Patentschrift ,.»...» (Patentanmeldung 59 731/64) beschrieben ist.. τ>±& Katholyt zusammensetzung besitzt somit eine geringere elektrische Leitfähigkeit als die Anolytzusammensetzung»

109842/1349

-n-

Es Ist daher zweckmäßig und erwünscht, die Membran 58 in einem engeren Abstand zur Kathode 26 anzuordnen und auf diese Weise die Länge des elektrischen ^ureges durch die Katholytflüssigkeit zu verringern, um den Verbrauch an elektrischer Energie während der ¹⁷RG-Reaktion herabzusetzen und das Volumen an flüssigkeit, das gepumpt v/erden muß, zu erniedrigen. Diese funktion wird von den Membranabstandsstreifen 9*t in Verbindung mit einem geringen Druckunterschied zwischen den Anolyt- und Katholytflüssigkeiten, der die

Membran auf die Oberfläche der Membranabstandsstreifen 9^

2 drückt, bewirkt. ^Rin Druckunterschied von etwa 70*3 g/cm erwies sieh als zufnedensteilend. Die Ränder oder Kanten der Streifen 9k, die die Membran 38 berühren, sollen schwach abgerundet sein, um ein Einschneiden in die Membran zu verhindern. Um die Membranabstandsstreifen 9k beim Halten der Membran ji8 im Abstand von der Kathode 26 zu unterstützen, fcrägt der etwas höhere Druck auf der Anodenseite dazu bei, die oxydierbaren Komponenten des Katholyten am Eintreten in die Anodenkammer im "'alle eines Leckens in der Membran 38 ( zu verhindern. Wenn diese oxydierbaren Komponenten in die Anodenkammer gelangen würden, würden sie an der Anode 22 unter Bildung von korrodierend wirkenden Verbindungen, die die Anode angreifen, oxydiert werden. Daher unterstützt der Druckunterschied die Verhinderung eines ^wlüssigkeitsflusses durch die Membran zu der Anode.

109842/1349

* 12 -

TJm einen gleichförmigen Büß über die ganze ausgesetzte- Oberfläche der Kathode 26 zu erhalten, wird der Katholyt in die ^inlaßfülleinrichtung; 30 eingeführt und über die gesamte Breite des Blockes f6 verteilt. Die Öffnungen 82 sind so gewählt, um eine druckabnahme zwischen der Kammer 80 und der Kammer 84 zu ergeben, die wenigstens gleich der Hälfte der Gesamtdruckabnahme von Kammer 3^ zur Kammer 86 beträgt, dadurch wird ein im wesentlichen gleichförmiger ^ruek in allen Teilen der Kammer 80 erhalten und es werden im wesentlichen gleiche-Strömungsausmaße oder Geschwindigkeiten an allen Teilen der Kathode 26 errichtet.

Zur Erzielung von maximalen Ausbeuten ist es notwendig, die kritische "Dicke des stillstehenden oder stagnierenden Katholyt filme s auf der Kathode bei einem so niedrigen Wert wie praktisch durchführbar zu halten, während der Abstand von Kathode zu Membran möglichst kurz gehalten wird, um den elektrischen Widerstand der Zelle niedrig zu halten, nie kritische ^ilmdicke auf der Kathode bestimmt die Konzentration der gewünschten Reaktionsteilnehmei&n der Kathode,

Wenn der ^wilm bei einer/gegebenen stromdichte zu dick wird, Versorgung " "

wird, die zy/j^/^gyder gewünschten Reaktionstdlnehmer an der Elektrode erschöpft, da der Massentransport aus dem fließenden ^trom durch den stagnierenden ^wilm zu der Kathode die Reaktionsteilnehmer nicht so rasch zuführen kann als

109842/1349 '

SAD ORIGINAL

'diese in der 'F-lektrodenreaktion verbraucht werden. Wenn dieser Zustand eintritt, werden in der Reaktion andere Reaktionsteilnehmer als die erwünschten verbraucht, wodurch unerwünschte Nebenprodukte gebildet werden und die Ausbeute verringert wird» nie Anwendung von örtlich· vorhandenen Vorsprüngen oder Wirbel einleitenden Plätzen, die in den Katholytstrom vorstehen, beeinflußt gewöhnlich nachteilig die Ausbeute, da dies zu örtlichen Stoffabscheidungen an der Kathode führt« g

¹⁷S wurde gefunden, daß der Massentransport wirksamer erhöht werden kann, indem man die Dicke der Membranabstandsstreifen 9^ in Beziehung mit einer minimalen Katholytgeschwindigkeit zweckmäßig ins Verhältnis setzt'. Bei der be-^ vorzugten Ausführungsform der w_rfi_ndung besaßen die Abfetandsstreifen 9k eine Nenndicke von 0,32 cm und eine Nennbreite von 0,48 cm im °uerschnitt und waren seitlich im Abstand von der Kathode 26 so angeordnet, um Katholytkanäle mit einer Breite von 1,92 cm zu ergeben.·

Unter Verwendung der Acrylnitril enthaltenden Katholyt- ' lösung, wie sie in der vorstehend genannten Patentschrift ....... (deutsche Patentanmeldung 59 7^1/64) beschrieben ist, wobei die Viskosität etwa 1,8 centipoise betrüg, wurde bei der bevorzugten ^lüssigkeitsströmungsgeschwindigkeit von

10 9842/1349

ΊΟ/HO/

-H-

etwa 1,8 m/sec. (some_;6 feet per second) eine Reynold¹sehe Zahl Re von 5T^{20 und} ausgezeichnete Ausbeuten an Adipinsäuredinitril erhalten. Die Reynold'sehe Zahl Re, wie sie hier verwendet wird, ist gleich dem dimensionslosen Ausdruck

- ■- , worin L die charakteristische Länge des Systems

(in diesem Fall die Querschnittsfläche des Katholytdurchgangs dividiert durch den Umfang des Querschnitts) darstellt, V die üEssigkeii^gesehwindigkeit ist,^. die ^lüssigkeitsdichte und v^di^{e w}lüssigkeitsviskosität darstellen. Bei dieser besonderen Zelle war eine minimale Reynold¹sehe Zahl gemäß der vorstehend gegebenen Definition von wenigstens etwa 2000 und wenigstens vorzugsweise etwa 3000 oder darüber erforderlich, um die kritische Dicke ' des stagnierenden Films auf einen ausreichend niedrigen ufert" für eine angemessene Depolarisation der "Elektrode und zur Unterdrückung von unerwünschten Nebenreaktionen zu verringern.

Die Abstandsstreifen sollen in Richtung des elektrischenstromflusses eine Dicke zwischen 0,16 cm und 0,48 cm aufweisen. Dünnere Abstandsstreifen als etwa 0,16 cm führen zu einem übermäßig hohen Reibungsdruckabfall von den Öffnungen 100 zu den Öffnungen 102, während dickere Abstandsstreifen als etwa 0,48 cm eine~ übermäßige ['enge an zu pumpender flüssigkeit erfordern und außerdem den elektrischen Widerstand, der Zelle= in unerwünschter ^weise erhöhen.

1 Q 9 8 4 2 / 1 3 A 9

SAD ORfQJNAL

1871457

Bei den derzeitig erhältlichen Membranen können die Abstandsstreifen in einem seitlichen Abstand zwischen den Mittelpunkten." von etwa 1,27 era bis etwa 3,81 cm angebracht sein, wobei die Auswahl, ein;--Gleichgewicht zwischen dem Ausmaß der von den einen engen Abstand haltenden °treifen bedekten Kathodenoberfläche und dem Durchbiegen der Membran gegen die Kathode mit den einen weiteren Abstand haltenden streifen erfordert.

Aus der vorstehenden Beschreibung und der Zeichnung ist ersichtlich, daß gemäß der Erfindung eine neuartige und brauchbare Elektrolysezelle, für den Gebrauch bei der elektrolytischen reduktiven Kupplung und ähnlichen organischen ^Qynthesen, sowie ein Verfahren zur Anwendung der Zelle geschaffen wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der Zellenaufbau aus .getrennten Blättern, die unter Bildung von Zellen zusamraengeklemmt sind, gebildet, wobei die Zellen von Kationen-durchlässigen Membranen unterteilt sind_o Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung ist die Membran im Abstand von der Kathode durch eine Mehrzahl,von Membranabstandsstreifen, die parallel zur dichtung des Katholytflusses angebracht sind, gehalten., Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein größerer Druck auf der Anodenseite der Membran als auf der Kathodenseite vorgesehen, der sowohl die Membran gegen die Membranabstandestreifen drückt als auch die Neigung aufweist, die oxydier-

109842/1349

baren K_atholytkomponenten am. Eintreten in die Anodenkammer zu Mndern₀ Die Füllkammern und die Reihe von beschränkten Öffnungen verteilen gleichförmig den Katholyten über die Kathodenoberfläche, während die Katholytgeschwindigkeit mit den Abmessungen des Katholytdruchgangs so ins Verhältnis gebracht wird, daß eine Reynoldsche Zahl, deren Definition vorhergehend angegeben wurde, von wenigstens 2000 erhalten wird. Durch dieses letztere Merkmal wird eine ausreichende gleichförmige Turbulenz oder eine ausreichend gleichförmige Wirbelbewegung an der Kathodenoberfläche sichergestellt, um einen wirksamen Massentranspjfot der Reaktionsteilnehmer zu erlauben und dadurch unerwünschte Nebenreaktionen zu unterdrücken« Die an dem Membranrahmen befestigte Verstärkung 72 verstärkt sowohl den Rahmen gegen eine Verformung oder Verbiegung aufgrund des Flüssigkeitsdruckes als er auch eine zufällige Berührung zwischen der Anodenoberfläche, die im Falle von Druckschwankungen stattfinden könnte, verhindert« Gemäß einem weiteren Aspekt ist der Membranupfangsrahmen in abdichtendem Eingriff mit den Anoden- und Kathodenblöcken in Nähe des Umfangs der Anoden- und Kathodenelektroden , wodurch ein Zusammendrücken oder -pressen und Verformen der Anoden- und Kathodenelektroden vermieden wird.

Zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform mit spezifischer Bezugnahme auf elektrolytische reduktive Kupplungsreaktionen, können verschiedene MekVmale 1 0 9 8 A 2 / 1 3 h 9

ÖAD ORIGINAL

gemäß der Erfindung zur Ausführung von anderen Reaktionen zur Anwendung gelangen. Es können so bei Ausführung einer Oxydationsreaktion an der Anode Abstandsstreifen 94 an der Anode zusätzlich oder anstelle der Abstandsstreifen an der Kathode angebracht werden.. Die Vermeidung einer Druckdichtung oder eines Druckabschlusses gegen die Elektroden verhindert eine darauf zurückgehende Elektrodenverformung und ist von allgemeiner Brauchbarkeit* In ähnlicher Weise ist die Verhinderung einer Elektrodenoberflächenpolärisation mittels f einer ausreichend raschen Bewegung des Elektrolyten durch einen glatt-flächigen Durchgang, der die Oberfläche einschließt (wodurch eine im wesentlichen gleichförmige Turbulenz entlang der gesamten Elektrode erhalten wird) bei anderen Elektrolyseverfahren von Brauchbarkeit_β Verschiedene weitere Merkmale der Erfindung sind von allgemeiner Brauchbarkeit ₀ ■■-;-.".. ■

10984 2/13 49

Claims

Patentansprüche

Elektrolysezelle, dadurch gekennzeichnet, daß sie

(a) eine Elektrolysezelle begrenzende Wände, wobei die Zelle im wesentlichen parallel sich gegenüberle/tgende Anoden- und Kathodenoberflächen einschließt,

(b) eine kationendurchlässige Membran, die parallel zu und zwischen den Anoden- und Kathodenoberflächen angebracht ist und die Zelle in getrennte Kathoden- und Anodenräume unterteilt,

(c) eine erste Pümpeneinrichtung für das Pumpen eines Katholyten zwischen der Kathodenoberfläche und der Membran in einer gegebenen Richtung parallel zur Kathodenoberfläche und bei einem gegebenen ^inlaßdruck, =·..-. -._...

(d) eine zweite Pumpeneinriehtung für das Pumpen eines . Anolyten zwischen der Anodenoberfläche und der Membran parallel zu dieser gegebenen Richtung und .

(e) eine Mehrzahl.von sich parallel erstreckenden Membranabstandshaltegliedern, die parallel zu der gegebenen Richtung zwischen der Kathod^noberfläche und der Membran zur Verhindarung einer Berührung zwischen der Membran und der Kathodenoberfläche angebracht Sind, wobei die Abstandshaltegrlieder mit der Kathodenoberfläohe und der Membran eine Mehr-

109842/1349 ' ^V

zahl von im wesentlichen parallelen längliehen Kathelytdurchflußwegen entlang der Kathodenoberfläche "begrenzen, umfaßte . '

2. Elektrolysezelle^ naeh ^nsprueh T, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Pumpeneinriehtung für das Pumpen des Anolyten bei einem höheren Druck als dem genannten gegebenen -^ruck vorgesehen ist_c

5β Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine anolytdurchlassige Anodenabstandshalteeinriehtung umfaßt", die zwischen der Anodenoberfläche und der Membran zur Verhinderung einer Berührung zwischen der Membran und der Anodenoberflache angebracht ist«,

4« Elektrolysezelle nach Anspruch 1,.dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Strömungsverteilereinriehtungen, die eine im wesentlichen gleichförmige Plüssigkeitsgeschwindigkeit in jedem der Strömungswege liefert., umfaßt«

5ο Elektrolysezelle nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsverteilereinrichtung wenigstens eine I¹UlI-kammer (plenum chamber) in Reihe mit dem Flüssigkeitsstrom zu der Kathodenkammer und eine Mehrzahl von Flüssigkeitswegen, die Strömungsbexchränkungen einschließen zwischen der Füllkammer und den parallelen Dr^ichlässen , umfaßte

109842/1349

β* ■Rlekteölpsigis-llg naeh Anspruch i_# dadurch gekenn«»- sseiuhnete, däS di@ erste fuffipentinrlöhtung für das Pumpen des Käfchöljfisiii durch die Kathol^tströmunggäurchlässe bei *¹ Reyftölti¹ sehen, lahl oberhalb etwa iOOÖ vorgesehen ist*

naeh Ansprueh 1,'dadüreh gekenn-, däS die Mefflbranabstandshalteglieder derartig ins VeMItnig geteraoht sind» dai die Membran im Abstand von 0_sl6 em big Ö,4B em von der Kathoden©berfläühe gehalten wird» ■

8» Elektrolysezelle nach AnspruGh f,, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranabstandshalteglieder in einem seitliehen Abstand voneinander von 1_#27 Ms 3^8 em angeordnet sind*

9* wiektroiysegelle nach Anspruch 1* dadurch gekeraa*- göiohnetj daß sie

(a) einen isolierenden Anodenbloek mit einer daran angebrachten Anodenelektrode, die eine ausgesetzte Anoflenober-

flache aufweist, '

(b) einen Isolierenden Katnodenblock mit einer daran angebrachten Katliodenelektrode» die eine ausgesetzte Katli©- denoberfläclie aufweist,

(e) einen Umfangsrahraen, der die Kationen-durchlässige Membran zwischen und parallel zu den ausgesetzten Aaoden- und JCathodenofoerflächen trägt, wobei der Bahrnen zwischen

109842/1349

dem Anodenübck und dem Kathodenblock unter Bildung von. ,IJmfangsdichtungen damit um die Anoden- und Kathodenelektroden gepreßt ist, der Rahmen mit den Blöcken, den Elektroden und der Membran getrennte Anoden- und Kathodenräume bildet und

(d) der Rahmen in senkrechter Richtung zur .Ebene der Membran ausreichend dick ist, um einen Flüssigkeits-dichten Verschluß ohne Pressen der Anoden- und der Kathodenelektrode zu erlauben, f

umfaßt.

10. wiektrolysezelle nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung für die Verhinderung einer Berührung zwischen der Membran und der Anode umfaßt»

11. ^lektrolysezellonach.Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zur Verstärkung des Umfangsrähmens gegen einen nach außen gerichteten Verformungsdruck innerhalb der Zelle umfaßt.

12", Elektrolysezelle nach Anspruch 9$ dadurch gekennzeichnet, daß si§:;einauMeJirzahl von im wesentlichen parallelen länglichen .Membrana'töstandshaltestreifen umfaßt, die zwischen der Kathodenoberfläche und der Membran angebracht sind.

15. Verfahren zur Elektrolyse von Acrylnitril unter Anwendung der Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man ■

108842/1349

' 16714b?

(a) eine wäßrige ^lektrolytsalzlösung, die Acrylnitril enthält, zwischen der Kathodenoberfläche und der Membran in paralleler Richtung zu den Abstandshaltegliedern pumpt,

_ (b) eine wäßrige -Säure in dem Anodenraum bei einem höheren TVpuck als der Druck der Salzlösung in dem Kathodenraum vorsieht und

^ (c) elektrischen Strom durch die Zelle bei einer stromdichte von wenigstens I5 A/dm der Kathodenoberfläche leitet,

14. Verfahren nach Anspruch I^* dadurch gekennzeichnet, daß die ^aalzlösung bei einem solchen Ausmaß gepumpt wird, daß die Lösung eine Reynold¹sehe Zahl von wenigstens oberhalb 2000 aufweist.

15. Verfahren nach ^Anspruch I3, dadurch gekennzeichnet, daß die °alzlösung in eine ^üllkammer gepumpt wird, wobei im Abstand voneinander vorliegende ^qtellen in der ^llkammer mit einer Mehrzahl der Durchlässe durch eine Mehrzahl von beschränkten Öffnungen verbunden sind, wobei die Öffnungen und Durchlässe derartig bemessen sind, daß wenigstens ein gleicher "Druckabfall über die Öffnungen wie über die Durchlässe vorhanden ist.

Leerseite