Eine
moderne Diaphragmazelle umfaßt
eine Anodenbasis, an welcher zahlreiche Anoden mittels Kupfer-Stromschienen
befestigt sind, die eine Titan-Schutzschicht aufweisen. Die Kathoden
bestehen aus perforierten Platten oder Eisenmaschen, auf denen jeweils,
von der anodischen Seite her, ein Diaphragma aufgebracht ist. Die
Zellenanordnung wird durch einen Deckel verschlossen, der beispielsweise
aus einem gegen Chlor widerstandsfähigen Kunststoff bestehen kann.
In dem Deckel können
Auslässe
für das
Chlorgas und Einlässe
für die
Speisesole vorgesehen sein.
Wasserstoff
und Natronlauge werden aus den Kathodenkammern durch entsprechende
Abflußleitungen
entfernt. Das Diaphragma, das im wesentlichen aus Asbestfaser und
einem Kunststoff-Bindemittel besteht, trennt die Anodenkammer von
der Kathodenkammer und verhindert eine Vermischung der beiden Gase und
der Lösungen
(Katholyt und Anolyt).
Aufgrund
seiner technischen und wirtschaftlichen Bedeutung wurde das Diaphragmaverfahren
in der jüngsten
Vergangenheit dahingehend weiterentwickelt, einerseits den Energieverbrauch
zu reduzieren und andererseits die Verwendung der gesundheitsschädlichen
Asbestfasern zu vermeiden. Es wurden dazu neue Diaphragmen entwickelt,
die aus Zirkonoxid-Fasern und Kunststoffen wie Polytetrafluorethylen
bestehen.
Unter
den zahlreichen Verbesserungen, die beim Diaphragmaverfahren verwirklicht
wurden, sind aus industrieller Sicht von besonderer Bedeutung:
- 1) Der Ersatz von Graphitanoden durch kastenförmige DSA®-Anoden;
- 2) Der Ersatz von kastenförmigen
Anoden durch expandierbare Anoden (vergl. US-Patent 3,674,676);
- 3). Die Einführung
von Anoden, die sich in direktem Kontakt mit dem Diaphragma befinden
und eine sogenannte "Nullabstandszelle" bilden (vergl. US-Patent
5,534,122). Dies kann dadurch erreicht werden, daß man innerhalb
der expandierbaren Anode geeignete Einrichtungen vorsieht, die in
der Lage sind, Druck gegen die Anodenoberflächen auszuüben.
Eine
typische expandierbare Anode weist zwei Anodenoberflächen auf,
die mittels flexibler, als "Expander" bezeichneter dünner Platten
oder Blechen mit der Stromschiene verbunden sind. Die Expander werden
mittels sogenannter "Halter" beim Zusammenbau
in einer kontrahierten Stellung gehalten. Nach dem Zusammenbau werden
die Halter entfernt, so daß die
Anodenflächen
auseinandergespreizt werden können.
Die Expander haben offensichtlich nicht nur die Aufgabe, die beiden
Anodenoberflächen
beweglich zu machen, sondern sie sorgen auch für den Stromfluß von der
vertikalen Stromschiene zu den Anodenoberflächen. Damit eine ausreichende
Elastizität
der Expander gewährleistet
ist, bestehen sie geeigneterweise aus dünnen Titanblechen, die beispielsweise
0,5 mm dick sein können.
Als Folge davon stellt man in den Expandern einen merklichen Spannungsabfall
fest, der etwa ein- bis zweimal höher als der typische Spannungsabfall
in einer kastenförmigen
Anode sein kann. Beispielsweise hat eine bei 2,5 kA/m2 und
95°C arbeitende
herkömmliche kastenförmige Anode
einer MDC 55-Zelle einen Spannungsabfall von 40-50 mV gegenüber einem
Spannungsabfall von 100-120 mV einer entsprechenden expandierbaren
Anode. Als weiteres Beispiel sei die kastenförmige Anode einer MDC 29-Zelle
genannt, die im Betrieb bei 2,5 kA/m2 und
95° C einen
Spannungsabfall von 50-60 mV zeigt, gegenüber einem Spannungsabfall von
110-130 mV einer entsprechenden expandierbaren Anode.
In
der brasilianischen Patentanmeldung Nr. PI9301694 wird ein Vorschlag
zur Verringerung des ohmschen Spannungsabfalls in den Expandern
gemacht. Danach werden zwei oder mehrere übereinanderliegende Expander
mit gleicher Dicke (0,5mm) miteinander verschweißt, damit einerseits der Querschnitt
für den elektrischen
Stromfluß vergrößert und
andererseits eine Verringerung der Elastizität vermieden wird. In der praktischen
Anwendung hat sich diese Lösung
als nicht optimal herausgestellt und hat aus den folgenden Gründen bis
jetzt keine industrielle Anwendung gefunden:
- – Es hat
sich als extrem schwierig erwiesen, zwei übereinanderliegende Expander
einzuführen
und zu verschweißen,
insbesondere wenn ein neuer Expander an einem bereits existierenden
angebracht werden soll, der nach längerem Gebrauch üblicherweise
verformt ist. Folglich passen die beiden Expander nicht zusammen
und in der kontrahierten Stellung tritt ein "Materialüberschuß" auf, der den Expander verformt.
- – Die
Verformung der Expander in der kontrahierten Stellung ruft Probleme
sowohl beim Einsetzen der Halter als auch beim Positionieren der
Anoden auf der Anodenbasis unter Beibehaltung einer guten planaren Orientierung
hervor. Die bei den Expandern in der kontrahierten Position auftretenden
Probleme beeinflussen auch die Expansionswirkung, sobald die Halter
entfernt sind. Als Folge ist der Druck auf das Diaphragma ungleichmäßig verteilt,
die beiden aktiven Oberflächen
sind nicht ausreichend parallel und der Abstand dieser Oberflächen vom
Diaphragma ist nicht konstant. Der Betrieb der Anode und des Diaphragmas
ist daher in nachteiliger Weise gestört.
Außerdem ist
festzuhalten, daß das
Verschweißen
von einem oder mehreren geschichteten Expandern einen merklichen
Spannungsabfall an der Grenzfläche
zwischen dem Kupferkern der Stromschiene und der Titanschicht hervorruft.
Aufgrund der verstärkten
thermischen Beanspruchung während
des Schweißvorgangs
(höhere
Temperaturen über
einen längeren
Zeitraum) werden an dieser Grenzfläche Diskontinuitäten erzeugt.
Diese nachteiligen Effekte sind noch ausgeprägter, wenn der zweite Expander
auf eine bereits vorhandene Stromschiene aufgeschweißt wird,
die sich nach einigen Betriebsjahren bereits in einem schlechten Zustand
befindet. Der Spannungsgewinn wird vollständig zunichte gemacht, wenn
drei übereinanderliegende Expander
verschweißt
werden.
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine neue Anode bereit
zu stellen, die insbesondere für
Diaphragmazellen geeignet ist und welche die oben beschriebenen
Nachteile des Standes der Technik überwindet. Die erfindungsgemäße Anode
soll einerseits einen niedrigeren Spannungsabfall im Expander zeigen,
ohne daß dessen
Flexibilität
negativ beeinflußt
wird. Dabei soll eine parallele Spreizung der Anodenoberflächen gewährleistet
werden, so daß ein
gleichmäßiger Druck
auf das Diaphragma ausgeübt
wird, der im Laufe der Zeit konstant bleibt. Schließlich soll
an den Schweißpunkten
zwischen der Stromschiene und dem Expander ein niedrigerer Spannungsabfall
stattfinden.
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Anode gemäß vorliegendem
Hauptanspruch. Eine vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anode
ergibt sich aus dem abhängigen
Anspruch.
Die
erfindungsgemäße expandierbare
Anode für
Diaphragma-Elektrolysezellen
umfaßt
eine Stromschiene die einen Kupferkern und eine Titanschicht aufweist,
ein erstes Paar flexibler Expander, die mit einem Ende an Schweißpunkten
mit der Stromschiene verbunden und an ihren anderen Enden mit Anodenoberflächen verschweißt sind.
Erfindungsgemäß ist ein
zweites Paar flexibler Expander vorgesehen, das mittels Schweißpunkten
mit der Stromschiene verbunden ist, wobei die Schweißpunkte
gegenüber
den Schweißpunkten
des ersten Expanderpaars am Umfang der Stromschiene um 90° versetzt
angeordnet sind und die Anodenoberflächen an beiden Expanderpaaren
befestigt sind.
Die
erfindungsgemäße Anode
erlaubt eine Verringerung des Spannungsabfalls zwischen der Stromschiene
und der Anodenoberfläche.
Ferner wird die Gefahr einer Beschädigung der Grenzfläche zwischen dem
Kupferkern und der Titanschicht aufgrund von übermäßiger thermischer Beanspruchung
bei den Schweißen
verringert.
Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist auch die Bereitstellung eines effizienten
und wirksamen Verfahrens zur Verringerung des Spannungsabfalls in
bereits vorhandenen Anoden, die mit einem herkömmlichen Expander versehen
sind. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
einen weiteren herkömmlichen
Expander einzusetzen, ohne daß dadurch
der Spannungsabfall zwischen den Kontaktpunkten und der Stromschiene (Kupferkern
und Titanschicht) vergrößert wird.
Erfindungsgemäß wird der
verringerte Spannungsabfall im wesentlichen dadurch erreicht, daß ein zweites
Expanderpaar zu dem ersten, herkömmlich
verwendeten Expanderpaar hinzugefügt wird. Die neuen Expander
werden mittels Schweißpunkten
verbunden, die senkrecht zu den Schweißpunkte des ersten Paares angeordnet
sind, d.h. am Umfang der, meist zylindrischen Stromschiene um 90° versetzt.
Durch diesen Abstand der Schweißpunkte
ist sowohl in der expandierten als auch in der kontrahierten Stellung
eine optimale und gleichmäßige Elastizität erhältlich,
die leicht ohne negativen Einfluß auf die Wirksamkeit der elektrischen Verbindung
an der Grenzfläche
zwischen dem Kupferkern und der Titanschicht der Stromschiene aufrecht
erhalten werden kann. Die erfindungsgemäß vorgesehene Ergänzung des
herkömmlichen
Expanderpaars durch ein weiteres Expanderpaar eignet sich insbesondere
zur Verringerung des Spannungsabfalls und/oder Vergrößerung des durch das erste Expanderpaar ausgeübten Drucks,
falls dieser aufgrund der langen Betriebszeit bereits nachgelassen
hat.
Die
vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf ein in der
beigefügten
Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel
ausführlicher
erläutert.
In der Zeichnung zeigt:
1 eine
typische moderne Diaphragmazellen-Anordnung;
2 eine
typische expandierbare Anode;
3 eine
erfindungsgemäße expandierbare
Anode in perspektivischer Darstellung;
4 eine
Aufsicht auf die Anode der 3;
5 eine
herkömmliche
expandierbare Anode in perspektivischer Darstellung; und
6 eine
Aufsicht auf die Anode der 5.
In
den 3–6 sind
die Anoden zur besseren Übersichtlichkeit
ohne Anodenoberflächen
dargestellt.
In 1 ist
ein typischer Diaphragmazellen-Elektolyseur 10 zur Alkalichlorid-Elektrolyse
dargestellt. Die Diaphragmazellen-Anordung weist eine Anodenbasis 11 auf,
mit welcher die Anoden 12 über Stromschienen 14 verbunden
sind. Die Stromschienen bestehen aus einem Kupferkern und sind mit
einer Titanschutzschicht beschichtet. Zwischen den Anoden sind die
Kathoden 13 angeordnet, auf denen sich jeweils ein Diaphragma
befindet, das die aktiven Flächen
von Kathode und Anode voneinander trennt. Die gesamte Zellanordnung
ist von einem Kunststoffdeckel 17 bedeckt, in welchem Auslässe 18 für das Chlorgas
und (nicht dargestellte) Einlässe
für die
Speisesole vorgesehen sind. Wasserstoff und Natronlauge werden über Auslässe 19 und 23 aus
der Kathodenkammer entfernt.
In 2 ist
eine typische expandierbare Anode dargestellt. Sie weist zwei Anodenoberflächen 15 auf, die
mit der Stromschiene 14 über flexible, leitfähige Expander 16 verbunden
sind. In der dargestellten Stellung befindet sich die Anode in der
kontrahierten Position, wobei die Expander durch Halter 25 zusammengehalten werden.
Werden die Halter 25, wie durch Pfeile dargestellt, nach oben
herausgezogen, kann die Anode 12 in die Betriebsstellung
expandieren.
In 3 ist
eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anode dargestellt, wobei
die in 2 noch dargestellten Anodenoberflächen 15 der
besseren Übersichtlichkeit
wegen weggelassen wurden. Bei der in 3 dargestellten
Anode kann es sich entweder um eine neue Anode oder um eine nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
modifizierte herkömmliche
Anode handeln. Die Anode weist eine Stromschiene 14 auf, über welche
sie in der Anodenbasis befestigbar ist. Die Stromschiene 14 weist
wiederum einen Kupferkern und eine Titanschutzschicht auf. Ein erstes
Paar von Expandern 16 ist in an sich bekannter Weise mit der
Stromschiene 14 an Verbindungsstellen 20 verschweißt. Ein
zweites Paar von Expandern 22 ist über Verbindungspunkte 21 mit
der Stromschiene 14 verschweißt. Die Verbindungspunkte 21 sind
gegenüber
den Verbindungspunkten 20 am Umfang der Stromschiene 14 um 90° versetzt,
d. h. sie sind senkrecht zu den Verbindungspunkten 20 angeordnet,
wie insbesondere aus der Aufsicht der 4 deutlich
wird.
Die
in den 3 und 4 nicht dargestellten Anodenoberflächen (Bezugsziffer 15 in 2)
können beispielsweise
durch elektrisches Bogenschweißen
oder Widerstands-Punktschweißen
an Schweißpunkten 24 befestigt
werden, wobei diese Schweißpunkte 24 gleichzeitig
das erste Expanderpaar 16 mit dem zweiten Expanderpaar 22 verbinden.
Zum
besseren Verständnis
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Anode ist in den 5 und 6 eine herkömmliche
Anode dargestellt, bei welcher die Stromschiene 14 mit
nur einem Expanderpaar 16 versehen ist, an dessen Enden 24 die
(nicht dargestellten) Anodenoberflächen angeschweißt sind.
Aus
dem Vergleich der erfindungsgemäßen Anode
gemäß 3 und 4 mit
der herkömmlichen Anode
gemäß 5 und 6 ergibt
sich, daß der
elektrische Strom bei der erfindungsgemäßen Anode mit einem doppelt
so großen
Leitungsquerschnitt von der Stromschiene zu den Anodenoberflächen übertragen wird.
Die beiden Expanderpaare werden erfindungsgemäß unabhängig voneinander an der Stromschiene
befestigt und lediglich darauffolgend in einem einzigen Schweißvorgang
miteinander und mit den Anodenoberflächen verbunden. Es treten daher
weder in kontrahiertem Zustand noch bei der Expansion Verformungen oder
gegenseitige Behinderungen auf. Außerdem wird durch die orthogonale
Anordnung der Verbindungspunkte 20 bzw. 21 auf
dem Umfang der Stromschiene 14 die durch den Schweißvorgang
hervorgerufene thermische Belastung an der Grenzfläche zwischen
dem Kupferkern und der Titanschicht der Stromschiene 14 minimiert.
Damit kann die Entstehung von Diskontinuitäten an dieser Grenzfläche und
der damit verbundene größere Spannungsabfall,
wie er aus dem Stand der Technik gemäß brasilianischer Patentanmeldung
PI9301694 bekannt ist, verhindert werden.
Beispiel
In
der folgenden Tabelle wird der Spannungsabfall bei herkömmlichen
Anoden mit erfindungsgemäßen Anoden
verglichen.
- * Der Spannungsabfall wird zwischen dem Kupferkern der Stromschiene
und der Anodenoberfläche
an den Schweißpunkten
gemessen.
