DE1758358B1 - Anode fuer eine salzschmelze elektrolysezelle - Google Patents

Description

ORiGiMAL ¹MGPECTED

dung eine wesentliche Herabsetzung des Anodenwiderstandes im Vergleich zum Widerstand ähnlicher Anoden, die mit Hohlräumen der bisherigen zylindrischen Form versehen sind, erreichen läßt.

Der Stand der Technik läßt darauf schließen, daß die Fachwelt bisher von dem Vorurteil ausging, daß bei einer relativ starken zylindrischen Anodenwandung, wie sie zur Erzielung eines niedrigen Widerstands zweckmäßig ist, eine Verjüngung im Hinblick auf die erhöhten Herstellungskosten einer verjüngten Anode nicht lohnen würde, so daß für den Fachmann kein Anlaß vorlag, Vergleichsversuche zwischen zylindrischen Ringanoden und verjüngten Anoden durchzuführen. Dies gilt um so mehr, als derartige Versuche nicht gerade als »einfach« anzusehen sind, sondern einen beträchtlichen Aufwand erfordern, weil hierzu Vergleichsmessungen mit einer normalen Zelle über die gesamte Lebensdauer einer Zelle vorgenommen werden müssen.

Durch die Erfindung wird erstmals seit einem haiben Jahrhundert, während welchem Elektrolysezellen betrieben werden, eine verjüngte Ausbildung der Vertiefung vorgeschlagen und der Nachweis erbracht, daß diese Ausbildung vorteilhaft ist und eine um 2 bis 3 °/o erhöhte Ausbeute bringt.

Die Erfindung wird anschließend an Hand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht im Aufriß einer erfindungsgemäßen Anode,

F i g. 2 eine Draufsicht der in F i g. 1 dargestellten Anode, wobei ferner eine umgebende Kathode und ein ringförmiges Diaphragma, das zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, gezeigt sind,

F i g. 3 eine Ansicht im vertikalen Schnitt der in F i g. 2 dargestellten Bauform.

In der Zeichnung bezeichnet 1 eine auf dem Boden angeordnete vertikale zylindrische Graphitanode, deren oberer Teil 2 mit einem sich verjüngenden Hohlraum 3 versehen ist, welcher durch als vertikale Schlitze 4 ausgebildete Perforationen mit der Elektrolysezone zwischen dem Teil 2 der Anode und der Kathode 6 in offener Verbindung steht. Es sind vier solche Schlitze gezeigt, von denen sich jeder vertikal vom unteren Ende des Hohlraums 3 aus erstreckt und kurz vor dem oberen Ende der Anode endet, so daß ein voller Bund 5 erhalten bleibt, der wegen der höheren Festigkeit wünschenswert, jedoch für die Wirkungsweise der Anode nicht wesentlich ist. Die Anode 1 ist auf dem Boden der nicht gezeigten Zelle angeordnet, so daß ein inniger Kontakt mit einem metallischen leitenden Teil 8 besteht, der mit der Stromquelle verbunden ist.

Wie gezeigt, ist der obere Teil 2 der Anode 1 von einer zylindrischen Metallkathode 6 umgeben, welche gewöhnlich von nicht gezeigten Kathodenarmen getragen wird, die sich durch die nicht gezeigten Zellenwände erstrecken und den Kontakt mit der Stromquelle herstellen. Ein ringförmiges durchlässiges Diaphragma 7, gewöhnlich ein Stahldrahtsieb, ist in der Elektrolysezone, d. h. in der Zone zwischen der Kathode 6 und dem oberen Teil 2 der Anode, angeordnet. Das Diaphragma 7 ist gewöhnlch starr an einem abnehmbaren Produktsammler (nicht gezeigt) befestigt, an dem es in der in der Zeichnung angegebenen Stellung aufgehängt ist. Wie ersichtlich, befindet sich der Hohlraum 3 in der Anode gewöhnlich gegenüberliegend der Elektrolysezone und hat im wesentlichen die gleiche vertikale Länge wie diese.

Die bevorzugte Gestaltung des Hohlraums in der Anode zusammen mit der bevorzugten Art von Perforationen zur Herstellung einer Verbindung zwischen dem Hohlraum und der Elektrolysezone sind in der Zeichnung gezeigt. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat daher die Elektrolysezone etwa die gleiche Längenerstreckung wie der obere Teil der Anode, so daß der Hohlraum in der Anode annähernd die gleiche Längenerstreckung wie die Elektrolysezone hat und dieser im wesentlichen gegenüberliegt. Wie dargestellt, hat der Hohlraum 3 in der Anode an seinem oberen Ende einen Durchmesser, der etwa das Zweifache seines Durchmessers am unteren Ende beträgt, wobei der Durchmesser oben etwa halb so groß wie der Durchmesser der Anode ist. Bei der in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsform besteht die Elektrolytverbindung zwischen dem Hohlraum 3 und der Elektrolysezone durch vier Schlitze 4, die in gleichen Abständen umfangsseitig am oberen Teil 2 der Anode liegen. Je nach der Breite dieser Schlitze können mehr oder weniger als vier Schlitze, z. B. zwei bis acht Schlitze, die in gleichen Abständen am Anodenteil 2 vorgesehen sind, verwendet werden, jedoch sind gewöhnlich vier Schlitze in der angegebenen Weise angeordnet, je mit einer Breite von etwa 5 bis 20%, vorzugsweise 8 bis 12Vo, des oberen Durchmessers des Hohlraums.

Zweckmäßig wird der sich verjüngende Hohlraum 3 nicht größer als notwendig gehalten, um in Verbindung mit den Schlitzen 4 eine wirksame Zirkulation des Elektrolyten vom Hohlraum in die Elektrolysezone zu erhalten, da sonst der elektrische Widerstand der Anode in der Zelle unerwünscht zunehmen würde. Der Durchmesser des Hohlraums beträgt an diesem oberen Ende 30 bis 80°/», und vorzugsweise 40 bis 6O°/o, des Durchmessers der Anode. Um eine wesentliche Verringerung im Anodenwiderstand zu ermöglichen, jedoch immer noch eine wirksame Zirkulation des Elektrolyten aufrechtzuerhalten, ist der Durchmesser des Hohlraums an dessen unterem Ende nicht größer als 70% des Durchmessers des Hohlraums an dessen oberem Ende. Der Durchmesser des Hohlraums an dessen unterem Ende kann 0 bis 70% des Durchmessers an dessen oberem Ende betragen und beträgt vorzugsweise 30 bis 60% des Durchmessers am oberen Ende. Der Hohlraum kann als umgekehrter Kegel ausgebildet sein, vorzugsweise jedoch als umgekehrter Kegelstumpf.

Die Perforationen in der Anodenwand, welche die Verbindung zwischen dem Hohlraum und der Elektrolysezone herstellen, können aus mehreren öffnungen bestehen, die quer durch die Wände der Anode verlaufen. Wenn solche öffnungen verwendet werden, sollen sie möglichst gleichmäßig über denjenigen Teil der Anode verteilt sein, der zusammen mit der Kathode die Elektrolysezone begrenzt, z. B. derjenige Teil der Anode, der im wesentlichen die gleiche Erstreckung wie die Schlitze 4 in der Zeichnung hat. An Stelle von Queröffnungen können auch schräg verlaufende öffnungen verwendet werden. Die bevorzugte Art von Perforationen besteht jedoch in der Form von vertikalen Schlitzen, wie die in der Zeichnung gezeigten Schlitze 4. Die Zahl und die Breite der Schlitze soll ausreichen, um die gewünschte Elektrolytzirkulation sicherzustellen.

Die Seitenwände des Anodenhohlraums sind gerade, es können jedoch auch Seitenwände verwen-

det werden, die etwas gekrümmt sind, entweder nach brauchswerte entsprechen einer Herabsetzung von innen oder nach außen, obwohl dies keine Vorteile etwa 0,06 Volt zugunsten der Zellen der Testgruppe, bringt. Wie in der Zeichnung gezeigt, ist der Hohl- d. h. der Zellen mit sich verjüngenden Hohlräumen, raum zur Längsachse der Anode symmetrisch, da Der niedrigere Leistungsverbrauch in den Zellen der sonst die Verteilung des Stromflusses zu den aktiven s Testgruppe wurde durch eine Verringerung des Wi-Anodenflächen nicht gleichmäßig ist. Sechs Natrium- derstandes der Anoden mit sich verjüngenden Hohlzellen vom Downs-Typ wurden zur Bildung einer räumen erhalten. Der ermittelte Unterschied im Lei- »Testgruppe« mit Anoden der in der Zeichnung stungsverbrauch ist wesentlich und bedeutet auch gezeigten Art versehen. Jede Anode besaß einen etwa einen wesentlichen Vorteil, da er etwa 5,25 Dfg je in ihrer oberen Hälfte zentrierten, sich verjüngenden io 45,66 kg Natrium bei einem Strompreis von 1,75 Dfg Hohlraum gegenüberliegend der Elektrolysezone und je Kilowattstunde entspricht.

annähernd von gleicher Längenerstreckung wie diese. Weitere Vorteile ergeben sich aus der Verwendung Der obere Durchmesser der Hohlräume entsprach von Anoden mit sich verjüngenden Hohlräumen indem halben Durchmesser der Anoden, während der sofern, als die Spannung bei solchen Zellen nicht so untere Durchmesser der Hohlräume halb so groß wie 15 rasch mit dem Alter ansteigt, wie dies bei Anoden ihr oberer Durchmesser war. Jede Anode war ferner mit zylindrischen Hohlräumen der Fall ist. Dies ist mit vier vertikalen Schlitzen versehen, die in der in durch den Umstand bedingt, daß bei der Abnutzung der Zeichnung gezeigten Weise angeordnet waren der Anoden die Querschnittsfläche einer Anode mit und deren Breite je etwa 20 % des Durchmessers des sich verjüngendem Hohlraum sich proportional weniunteren Endes des Hohlraums und etwa 10% des 20 ger verringert als diejenige einer entsprechenden Durchmessers am oberen Ende des Hohlraums be- Anode mit zyylindrischem Hohlraum. Beispielsweise trug. Neun weitere Zellen vom Downs-Typ wurden hat bei Anoden mit Abmessungen in den bevorzugten als »Bezugsgruppe« mit Anoden ausgerüstet, deren Bereichen eine neue Anode mit sich verjüngendem Anodenhohlräume von herkömmlicher zylindrischer Hohlraum eine um etwa 25% größere Querschnitts-Form waren und deren oberer und unterer Durch- 25 fläche als die entsprechende Anode mit zylindrischem messer gleich dem oberen Durchmesser der Hohl- Hohlraum in der Nähe des unteren Endes der Elekräume der Anoden in der Zelle der Testgruppe waren. trolysezone. Nahe dem Ende der nutzbaren Lebens-Mit Ausnahme der Gestaltung der Hohlräume in den dauer solcher Anoden hat jedoch die Anode mit verwendeten Anoden waren die Zellen der Test- einem sich verjüngenden Hohlraum eine um etwa gruppe und diejenigen der Bezugsgruppe die 30 50% größere Querschnittsfläche. Dies ist wichtig, da gleichen. der Leistungsverlust in älteren Zellen die Strom-Die Zellen jeder der vorgenannten Gruppen wur- belastung bestimmt, die sie aufnehmen können, sowie den zur Herstellung von Natrium und Chlor über das Alter, bei welchem sie entfernt werden müssen. Zeiträume von etwa 9,5 bis 20,8 Monaten betrieben, Hinsichtlich der Spannungsverringerung gegen das und die statistischen Werte für den Leistungsver- 35 Ende der nutzbaren Lebensdauer der Zeilen besteht brauch (Kilowattstunden) für 45,36 kg hergestellten bei dem sich verjüngenden Hohlraum ein Vorteil von Natriums (mittlere Lebensdauer) wurden bestimmt. etwa 0,1 bis 0,15 Volt. Der Effekt der verringerten Der mittlere Leistungsverbrauch je 45,66 kg herge- mittleren Spannung und die stärkere Herabsetzung stellten Natriums in der Testgruppe der Zellen betrug der Spannung bei älteren Zellen ist eine Zunahme der 423,4 Kilowattstunden, bezogen auf das Alter der 40 Strombelastbarkeit von etwa 2 bis 3%. Ein gegebener Zellen, während der entsprechende Wert für die Aufwand für Elektrolysezellen und die zugehörigen Bezugsgruppe der Zellen 426,4 Kilowattstunden be- Einrichtungen kann daher zur Herstellung von 2 bis trug. Die vorstehend angegebenen Leistungsver- 3 % mehr Natrium führen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 durchlässiges Diaphragma eingesetzt, um die Elektro- Patentansprüche: lyseprodukte voneinander zu trennen. Das an der Anode entstehende Chlor wird aus dem oberen Teil

1. Anode für eine Salzschmelze-Elektrolyse- der Zelle durch eine oberhalb der Anode angeordzelle, die eine vertikal angeordnete zylindrische 5 nete Gasglocke abgeleitet. Das an der Kathode entAnode und eine die Anode konzentrisch um- stehende Natrium steigt in eine Sammelleitung auf, gebende Kathode aufweist, mit einem Hohlraum aus der es durch ein vertikales Rohr, welches mit der im oberen Teil, der sich in Anodenmitte vom Außenseite der Zelle in Verbindung steht, entfernt Anodenende bis in die Elektrolysezone erstreckt wird.

und über Perforationen mit dem Elektrolyten in ¹⁰ Ein Faktor, der den wirtschaftlichen Betrieb von

Verbindung steht, dadurch gekennzeich- Downs-Zellen beeinflußt, ist der Zellenwiderstand, so

net, daß sich der Hohlraum (3) nach unten hin daß, wenn dieser Widerstand so gering wie möglich

verjüngt und am oberen Ende einen Durchmesser gehalten wird, der Zellenspannungsabfall und die

von 30 bis 80% des Anodendurchmessers und Energiekosten herabgesetzt werden können. Zur Ver-

unten einen Durchmesser von maximal 70% des 15 ringerung des Anodenwiderstandes und damit des

Hohlraumdurchmessers am oberen Anodenende Gesamtwiderstandes der Zelle werden die Anoden

aufweist. mit Bezug auf die anderen Zellenteile so groß wie

2. Anode nach Anspruch 1, dadurch gekenn- möglich hergestellt. Hinsichtlich der Größe der Anzeichnet, daß der Durchmesser des Hohlraums öden, die verwendet werden kann, besteht jedoch am oberen Ende gleich 40 bis 60% des Anoden- 20 wegen der nachteiligen Wirkung übermäßig großer durchmessers ist und der Durchmesser des Hohl- Anoden auf die Zirkulation des Elektrolyten eine raums unten gleich 30 bis 60% des Hohlraum- Beschränkung. Eine gute Elektrolytenzirkulation, durchmessers am oberen Ende ist. besonders in der Elektrolysezone, ist für eine wirt-

3. Anode nach Anspruch 1, dadurch gekenn- schaftliche Leistung der Zelle wesentlich. Um diese zeichnet, daß der Durchmesser des Hohlraums 25 Zirkulation zu erleichtern, war es bisher üblich, Anam oberen Ende etwa die Hälfte des Anoden- öden zu verwenden, die mit zylindrischen Hohlräudurchmessers beträgt und der Durchmesser des men in ihrer Mitte versehen sind, wobei die Hohl-Hohlraums unten etwa die Hälfte des Durchmes- räume mit der Elektrolysezone durch Perforationen ser des Hohlraums am oberen Ende beträgt. in der Anodenwandung in Verbindung stehen. Solche

4. Anode nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 30 Perforationen ermöglichen einen Umlauf des Elekzeichnet, daß die Perforationen (4) in der Anoden- trolyten durch den Anodenhohlraum in die Elektrowand durch mehrere vertikale Schlitze in gleichen lysezone, wodurch die Gesamtleistung der Zelle er-Abständen um die Anode herum gebildet werden, höht wird.

von welchen Schlitzen jeder eine Breite hat, die Der Nutzen, der durch die Verwendung von An-

etwa gleich 5 bis 20% des Durchmessers des 35 öden erhalten wird, welche mit Hohlräumen in VerHohlraums am oberen Ende ist. bindung mit Perforationen in der Anodenwand ver-

5. Anode nach Anspruch 4, dadurch gekenn- sehen sind, durch welche die Elektrolytenzirkulation zeichnet, daß die Perforationen in der Anoden- begünstigt wird, ist seit langem bekannt. Kombinawand aus vier vertikalen Schlitzen bestehen, die tionen solcher Anodenhohlräume und Schlitze sind in gleichen Abständen um die Anode herum vor- 40 indenUSA.-Patenten2194443,2 390 548,2414 831, gesehen sind und im wesentlichen die gleiche ver- 2 755 244 und 2 921 894 offenbart. Wie in diesen tikale Länge wie der Hohlraum haben, von wel- Patenten gezeigt, war der Hohlraum in der Anode chen Schlitzen jeder eine Breite hat, die gleich immer von zylindrischer Gestalt und in der Mitte der etwa 8 bis 12% des Durchmessers des Hohlraums Anode. Es wurden verschiedene Arten von Perforaam oberen Ende ist. 45 tionen vorgeschlagen, die mit dem Hohlraum in Verbindung stehen, obwohl vertikale Schlitze im allgemeinen bevorzugt zu werden scheinen.

Obwohl die Verwendung von Hohlräumen in den

Anoden in Verbindung mit den vorerwähnten Schlit-50 zen vom Gesichtspunkt der verbesserten Zirkulation

Die Erfindung betrifft eine Anode für eine Salz- des Elektrolyten vorteilhaft ist, haben solche Hohlschmelze-EIektrolysezelle, die eine vertikal angeord- räume den wesentlichen Nachteil, daß sie den Annete zylindrische Anode und eine die Anode konzen- odenwiderstand erhöhen, so daß, um den Vorteil irisch umgebende Kathode aufweist, mit einem Hohl- einer verbesserten Zirkulation zu erzielen, der Nachraum im oberen Teil, der sich in Anodenmitte vom 55 teil eines erhöhten Anodenwiderstandes in Kauf ge-Anodenende bis in die Elektrolysezone erstreckt und nommen werden mußte.

über Perforationen mit dem Elektrolyten in Verbin- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den

dung steht. elektrischen Widerstand derartiger, mit einem Hohl-

Natrium wird im großtechnischen Maßstab durch raum versehener zylindrischer Elektroden gegenüber die Elektrolyse eines schmelzflüssigen Elektrolyten ^6o bekannten Anodenbauarten mit zylindrischem Hohlaus Natriumchlorid in Zellen hergestellt, welche in raum zu verringern.

ihrer Bauform der Downs-Zelle, die in dem USA.- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-Patent 1501756 beschrieben ist, im grundsätzlichen löst, daß sich der Hohlraum nach unten hin verähnlich ist. Bei solchen Zellen werden auf dem Boden jungt und am oberen Ende einen Durchmesser von angeordnete vertikale Graphitanoden verwendet, von ⁶5 30 bis 80% des Anodendurchmessers und unten denen jede von einer Metallkathode umgeben ist, so einen Durchmesser von maximal 70% des Hohldaß die beiden Elektroden eine ringförmige Elektro- raumdurchmessers am oberen Anodenende aufweist, lysezone begrenzen. In die Elektrolysezone ist ein Es wurde festgestellt, daß sich durch diese Ausbil-