DE2053589A1

DE2053589A1 - Verfahren und Einrichtung zum Regeln des Abstandes der Anoden der Elektrolysezellen

Info

Publication number: DE2053589A1
Application number: DE19702053589
Authority: DE
Inventors: Fritz 5211 Ranzel; Knoch Johannes 5215 Mondorf; Viehweger Christoph Dipl.-Ing. 5211 Ranzel Engelmann
Original assignee: Dynamit Nobel AG
Current assignee: Dynamit Nobel AG
Priority date: 1970-10-31
Filing date: 1970-10-31
Publication date: 1972-05-04
Also published as: US3763024A

Description

OZ 70136

DYNAMIT NOBEL AKTIENGESELLSCHAFT Troisdorf 3ez. Köln

Verfahren und Einrichtung zum Regeln des Abstandes der Anoden der

Elektrolysezellen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln des Abstandes zwischen den Anoden und der Kathode in Elektrolysezellen, bei dem die Anoden über eine von einem elektrischen Motor angetriebene Verstelleinrichtung eingestellt werden.

Die für die Anwendung der Erfindung infragekommenden elektrolytischen Zellen bestehen beispielsweise aus einem Überdeckten länglichen Trog, der nach einem Ende hin leicht geneigt ist. Die Kathode ist eine fließende QuecksilberBChicht, die am höheren Ende de*' Zelle eingeführt wird und längs des Bodens der Zelle zum unteren Ende hin fließt. Die Anoden bestehen z.B. aus rechtecktigen Blöcken aus z.B. Graphit oder Metall, die von leitenden Zuführungen herabhängen. Die Unterseiten der Anoden befinden sich in geringem Abstand über der fließenden Quecksilberkathode.

In Zellen dieser Art ist der Abstand zwischen den Graphitanoden und der Quecksilberkathode von außerordentlicher Bedeutung. Dieser Abstand zwischen den Elektroden muß so klein wie möglich sein, um

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unntttsen Energieverbrauch beispielsweise in der Wärmeerzeugung weitgehend auszuschalten. Auch treten Hebenrealctionen auf, wenn dieser Abstand zu klein ist.

Im Betrieb werden die Graphitanoden verbraucht, so daß der Abstand zwischen den Anoden und der Kathode zunimmt, was zu schlechterer Energiewirtschaft führt. Der Graphitverbrauch der dem Einlaßende der Zelle näheren Anoden ist geringer als der am Ausgangsende der Zelle. Um den richtigen Abstand zwischen den Anoden und der Kathode beizubehalten, muß die Höhe der Anoden von Zeit zu Zeit nachgestellt werden.

Weitere Schwierigkeiten ergeben sich beim Betrieb von Quecksilberzellen mit Graphitanoden, wenn Kurzschlüsse auftreten. Diese können beispielsweise durch einen Bruch der Graphitelektrode, durch Lockern der Anodenstützen, durch Änderung in der Quecksilberdicke verursacht durch Einschlüsse von "dickem Quecksilber" oder unsachgemäße Strömungssteuerung oder durch andere Gründe hervorgerufen sein, aufgrund deren die Graphitanode mit der fließenden Quecksilberkathode in Berührung gelangt. Der dabei entstehende Kurzschluß erzeugt einen übermäßig starken Stromfluß in der Anode, in der diese Anode versorgenden Sammelschiene usw.

Bei vielen bekannten Torrichtungen zum Einsteilen des Abstandes zwischen den Elektroden muß jede Anode einzeln, z.T. von Hand, eingestellt werden. Es ist auch eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, bei dem die Anoden einer Elektrolysezelle gruppenweise

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über eine mechanischen Verstellvorrichtung bewegt werden, wobei eine hydraulische Steuerung für die Verstellvorrichtung vorgesehen ist. Die Befehlsgabe für die hydraulische Steuerung wird dabei auf elektrischem Wege über einen auf der zu der Anode führenden Stromschiene befestigten Magnetschalter erzeugt, der auf die Änderung im Fluß des Magnetfeldes der Stromschiene anspricht. Es handelt sich bei dieser Einrichtung um einen unter Schutzgas schaltenden Magnetschalter, der auf der Stromschiene verstellbar angeordnet ist. Wird die Stromschiene von Gleichstrom durchflossen, bildet sich um diese Stromschiene ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld ist in Stromrichtung, also in Längsrichtung der Stromschiene, am schwächsten. Ee steigert sich bis zu Querrichtung der Stromschiene und ist bei 90°, also senkrecht zur Stromschiene, am stärksten. Bringt man einen entsprechend beschaffenen Magnetschalter in dieses Magnetfeld, so schließt er bei Drehen von 0° auf 90° seinen Kontakt an irgendeinem Punkt in dem 90° Bereich. Wenn dieser Stellung, d.h. z.B. dem Schließpunkt 130# Elektrolysestrom entspricht, so wird bei Auftreten dieses Überstromes der so eingestellte Magnetschalter seinen Eontakt schließen und dient damit als Befehlsgabe zum Hochfahren der Anode oder Anodengruppe über die entsprechende Verstelleinrichtung.

Zur Verbesserung der Ansprechempfindlichkeit ist dieser bekannte Magnetschalter mit einem kleinen Eisenrohr umgeben, wodurch er magnetisch abgeschirmt ist, so daß er z.B. bis ca. 80 % de3 Elektrolysestromes magnetisch abgeschirmt ist und erst beim Überschreiten dieses Wertes das Magnetfeld im Eisenrohr für den Magnetschalter

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wirksam wird. Der wesentliche Nachteil dieser Torrichtang besteht darin, daß durch die festeingestellte Lage des Magneteehalterβ auf der Stromschiene nur ein Arbeitspunkt pro Schalter gegeben ist, z.B. Schutz nur bei 30 i» überstrom. Diesem Nachteil kann nur durch die Anordnung mehrerer Schalter auf der gleichen Stromschiene begegnet werden, um unterschiedliche Ansprechwerte zu erhalten. Das ist allerdings sehr aufwendig und teuer. Anderenfalls mußten die eingestellten Magnetschalter jeweils auf einen neuen Ansprechwert neu einjustiert werden, was wiederum erhebliche Zeit und Kosten beanspruchen würde.*Besonders schwierig wird das wiederholte Justieren für eine bei Wechsellast fahrende Elektrolyse.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bei bekannton Verfahren und Vorrichtungen vorhandenen Nachteile des Regeins des Abstandes der Elektroden während des Betriebes zu beheben.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß das Signal für die Befehlsgabe zum Regeln dee Abstandes aus der Differenz des durch das von dem Strom der zu einer Anode bzw. Anodengruppe gehörenden Stromschiene erzeugten Magnetfeldes und eines an jeder Stromschiene in einer von einem dem Elektrolysestrom äquivalenten Erregerstrom durchflossenen Magnetspule erzeugten und dem Magnetfeld der Stromschiene entgegenwirkenden Magnetfeldes gewonnen wird. Mit dem erfindungegemäßen Verfahren ist es nun möglich geworden, verschiedene Ansprechwerte zur Signalgabe für Teil- und Wechsellast des Elektrolysestromes bei nur einer einzigen Schalteinrichtung je Stromschiene zu erzielen. Diese stufenlose last-

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abhängige Regelung des Ansprechvertee für das Signal wird nach einem weiteren Erfindungsmerkmal mittels der entsprechenden Veränderung bzw. Einstellung des Erregerstromes für die Hagnetspulen ersielt. Durch eine Änderung der Differenz der Magnetfelder von Stromschiene und Magnetspule infolge höherer Strombelaetung der Stromschiene werden erfindungsgemäß die Kontakte eines Magnet« schalters, der innerhalb der Magnetspule angeordnet iet_r geschlossen.

Das Verfahren und die Einrichtung zum Regeln des Abstandes zwischen den Elektroden einer Elektrolyse zum Schutz gegen Strom-Uberbelastungen und Kurzschlüsse gemäß der Erfindung zeichnen sich also im wesentlichen durch den Einbau eines Magnetschalters in eine entsprechend gewickelte und dimensionierte Magnetspule auf jeder zu einer Anode führenden Stromschiene aus, die von einem dem Elektrolysestrom äquivalenten regelbaren Erre^erstrom durchflossen wird und dem Magnetfeld der Stromschiene entgegenwirkt. Durch Regelung dieses Erregerstromes Über z.B. nur ein Regelorgan für eine gesamte Elektrolyse ist ein lastabhängiger Ansprechwert einstellbar mit nur einer Schalteinrichtung je Stromschiene.

PUr eine Elektrolyse werden in der Regel eine große Anzahl von Elektrolysezellen benötigt, die parallel arbeiten. In jeder Elektrolysezelle wiederum sind eine größere Anzahl von Anoden nebeneinander angeordnet vorhanden. Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zugehörigen Einrichtung auf eine gesamte Elektrolyse werden für jede zu einer Anode führende

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Stromschiene eine Schalteinrichtung, bestehend aus einen Magnetschalter und einer Magnetspule, benötigt. Zur Vereinfachung, insbesondere auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten, werden die Anoden einer Elektrolysezelle zu Gruppen, vorzugsweise zwei Gruppen zusammengefaßt und als Gruppe verstellt. In Weiterbildung der Erfindung werden je Anodengruppe einer Elektrolysezelle je eine Steuereinrichtung mit je einem elektrischen Motor zum Verstellen der Anodengruppe vorgesehen. Selbstverständlich ist neben dieser erfindungsgemäßen automatischen Verstellung der Anoden auch noch für jede Anode bzw. Anodengruppe ein von Hand zu betätigende Verstellmöglichkeit vorgesehen.

Der Betrieb der Slektrolysezellen ist durch das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Einrichtung von größerer Wirtschaftlichkeit, da die automatische Einstellung und Regelung des Elektrodenabstandes Über die Verstellung der Anoden.die Anlage vor StromUberbelaetungen und Kurzschlüssen schützt, da jeweils die automatische Einstellung den geringsten Spannungsverlust gewährleistet. Außerdem hat die Erfindung den Vorteil, daß sie jederzeit bei Teillast oder Wechsellast der Elektrolyse einsetzbar ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in der Zeichnung an einem Ausflihrungsbeispiel dargestellt und werden anhand dessen näher erläutert.

In der Zeichnung ist das Frinzipschaltbild für das Heben und Senken der Anoden einer Elektrolysezelle dargestellt, wobei die

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Elektrolysezelle vierzehn Anoden, z.B. aus Graphit, enthält, dl· zu zwei Gruppen a sieben Anoden zusammengefaßt sind und jeweils ale Gruppe gemeinsam verstellt werden. Ben zu den Anoden führenden Stromschienen 101 bis 107 bzw. 201 bis 207 ist jeweils der Magnetschalter 121 bis 127 bzw. 221 bis 227 der innerhalb der Magnetspule 111 bis 117 bzw. 211 bis 217 angeordnet ist, zugeordnet. Die Kontaktträger des Magnetschalters bestehen'aus einem ferromagnetischen Werkstoff. Unter Einwirkung eines Magnetfeldes ziehen die Kontakte sich gegenseitig an und etellen so eine elektrische Verbindung her. Die Kontakte liegen bei dieser Anordnung innerhalb der atromdurchflossenen Magnetspulen 111 bis 117, 211 bis 217, welche das Magnetfeld der Anodenschienen 101 bis 107, 201 bis 207 am Magnetschalter verändern. Vorteilhaft ist es, die Spulen 111 bis 117, 211 bis 227 mit den Kontakten unter einem Winkel z.B. von 20 bis 30° zur Stromrichtung der Stromschienen anzuordnen. Die Magnetspulen sind an einer regelbaren Stromquelle angeschlossen, bei der eine Netzspannung Über den Stabilisator A stabilisiert und über den Transformator 3 umgesetzt wird. Ton diesem Transformator 3 wird erstens die Steuerspannung von 12 Y_e fUr die Steuereinrichtung über den Umsetzer 5 abgenommen. Die Steuerspannung ist so bemessen, daß ein Punktionsglied ein L-Signal hat, wenn sein Potential gegen den Minuspol M größer ale 7 V ist. Der Ausgang eines Funktionsgliedes hat O-Signal, wenn sein Potential gegen den Minuspol M kleiner als 1 V ist. Außerdem wird von dem Transformator 3 die Spannung über die Symmetrie-Überwachungsstelle 2 dem Umsetzer 1 zugeführt, über dessen Eingang 6 zur Veränderung der Ansprechwerte die Vorregung für die Magnetspulen 101 bis 117 bzw. 211 bis 217 verändert werden kann.

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Vorzugsweise werden die Ansprechwerte so geregelt, daß eine Signalgabe in jedem Falle bei etwa dem 1,3-fachen Wert Ton I___

ge β

geteilt durch die Anzahl der Stromschienen einer Elektrolysezelle in einer Stromschiene erfolgt.

Ton den Kontakten der Magnetschalter 121 bis 127 bzw. 221 bis führen die die Signalspannung führenden Leitungen 131 bis 137 bzw. 231 bis 237 zu den nachgeschalteten Steuereinrichtungen für die elektrischen Motoren 14,24 zum Heben und Senken der Anoden. Steigt der Strom in einer der Stromschienen 101 bis 107 bzw. bis 207 bis zu dem eingestellten Ansprechwert der Magnetschalter an, z.B. auf 130 Ί» des Nennstromes, so schließt der Eontakt dee betreffenden Magnetschalters und schaltet die Signalspannung durch. Dieses Signal steuert über das Oder-Glied 10 bzw. 20 je nachdem in welcher Anodengruppe die Stromüberbelastung aufgetreten ist, das Kipp-Glied 11 bzw. 21, das gegebenenfalls mit Verzögerung arbeiten kann. Dieses steuert den ZUndimpulsgeber 12,22 an, der über den Thyristorsatz 13 bzw. 23 den Motor H bzw. 24 zum Anheben der Anoden der betreffenden Zellenhälfte einschaltet. Wird während der Aufwärtsfahrt der Anoden der Nennetro» wieder erreicht, dann wird der RUckfallwert des angesprochenen Xontaktes unterschritten, z.B. bei ca. 80 £ des Ansprechwertes, das Signal verschwindet wieder und der Motor 14 bzw. 24 wird abgeschaltet.

Über das Zeit-Glied 15 bzw. 25 wird nun nach einer festgelegten Verzögerungszeit ein Kurzzeit-Signal über den Mono-Flop 16 bzw. 26 auf den Signalspeicher 17 bzw. 27 gegeben. Dieses Kurzzeit-

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Signal kann den Signalspeicher nur dann umschalten, wenn der vorbereitende Eingang von 18 bzw. 28 ebenfalls ein Signal hat. Die» see steht nur dann an, wenn der Endlagemelder 19 bzw. 29 nicht erregt 1st, d.h. wenn die Anoden nicht in Betriebsstellung, also hochgefahren sind. Das Ausgangs-Signal des Signalspeichers 17 bsw. 27 steuert über das Oder-Glied 30 bzw. 40 den Zündimpulsgeber bzw. 41 an, der über Thyristorsatz 13 bzw. 23 den Motor 14 bzw. 24 für die Abwärtsbewegung einschaltet. Die Abwärtsbewegung wird durch den Endlagemelder 19 bzw. 29 nach unten begrenzt.

Wird während der Aufwärtsbewegung nach einer festgelegten Zeit, z.B. 2 Minuten, der Nenntrom nicht erreicht, so wird tTber das Zeitglied 32 bzw. 42 die Aufwärtsbewegung abgeschaltet und der Impuls zum Einlegen des Überbriickungsschalters 9 für die ganze Zelle gegeben.

Außerdem wird eine Meldung des Regelvorgange Über den Signalepeicher 8 zur Meßwarte gegeben. Auch erscheint an der Ziffernröhre 33 bzw. 43 die Zahl der Anoden, die den Vorgang ausgelöst hat. Bei normalem Betrieb zeigt die Zahl O die Betriebsbereitschaft der Überwachung an.

Außer der automatischen Verstellung kann das Heben und Senken der Anoden einer Zellenhälfte von Hand mit den zugehörigen Betätigungselementen vorgenommen werden, was jedoch hier nicht dargestellt ist.

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Claims

J» Paten ta neprüche t

1.]) Verfahren zum Regeln des Abstandes zwischen den Anoden und der Kathode in Elektrolysezellen, bei den die Anoden Ober eine von einem elektrischen Motor angetriebene Verstelleinrichtung eingestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal für die Befehlegabe aus der Differenz des durch das von dem Strom der zu einer Anode bzw. Anodengruppe gehörenden Stromschiene erzeugten Magnetfeldes und eines an jeder Stromschiene in einer von einem dem Elektrolysestrom äquivalenten Erregeretrom durchflossenen Magnetspule erzeugten und dem Magnetfeld der Stromschiene entgegenwirkenden Magnetfeldes gewonnen wird.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Über den Erregerstrom für die Magnetspulen der Ansprechwert für das Signal stufenlos lastabhängig eingestellt wird.

3.) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Änderung der Differenz der Magnetfelder infolge höherer oder geringerer Strombelastung der Stromschiene die Kontakte eines Magnetschalters geschlossen werden.

4.) Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal über ein Oder-Glied und ein Klpp-Glied, gegebenenfalls mit einer Zeitverzögerung einen ZUndimpuls geber ansteuert, der über einen Thyristorsatz den elektrischen

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Motor zum Anheben der betroffenen Anoden steuert.

5.) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen dee lfennstromes während der Anhebungefahrt der Anoden in der Stromschiene der Ansprechwert des Signales unterschritten wird, so daß das Signal verschwindet und der Motor abgeschaltet wird.

6.) Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal über ein Zeit-Glied einen Signalspeicher anspricht, der bei gleichzeitig vorhandenem Eingangssignal über nicht in Betriebsstellung sich befindende Anoden ein Ausgangesignal zum Einschalten des Motors für die Abwärtsfahrt der betroffenen Anoden in die Betriebsstellung gibt.

7.) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärtsfahrt der Anoden durch einen Endlagemelder begrenzt wird.

8.) Verfahrennach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß über ein Zeitglied das Nichterreichen des NennStromes in der Stromschiene während einer Aufwärtsfahrt der Anoden nach einer bestimmten Zeit erfaßt wird, so daß ein Steuerimpuls für die Abschaltung des Motors und das Einlegen eines Oberbrückungsschalters für die betroffene Elektrolysezelle gegeben wird.

9.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal zum Auslösen eines Regelrorganges

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an einer Meßwarte die das Signal erzeugende Anode anzeigt·

10.) Einrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens nach einen der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder eine Anode bzw. Anodengruppe versorgende Stromschiene eine von einem dem Elektrolysestrom äquivalenten Erregerstrom durchflossene und dem Magnetfeld der Stromschiene entgegenwirkende regelbare Schalteinrichtung zugeordnet ist.

^ 11.) Einrichtung nach Anepruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung aus einem in eine Magnetspule eingebauten Magnetschalter besteht.

12.) Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß den Schalteinrichtungen der Anoden einer gesamten Elektrolyse ein Regelorgan für den fUr die Erregung der Magnetspulen verwendeten, dem Elektrolysestrom äquivalenten Erregerstrom zugeordnet ist.

~ 13.) Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule mit dem Magnetschalter vorzugsweise unter einem Winkel von 20° bis 30° zur Stromrichtung dee in der Stromschiene fließenden Stromes auf derselben angeordnet ist.

14.) Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen der Anoden einer Elektrolysezelle in Gruppen, vorzugsweise zwei Gruppen zueammengefaßt an eine Steuereinrichtung für den elektrischen Motor angeschlossen sind.

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15.) Einrichtung nach Anapruch 14» dadurch gekennzeichnet, dafi der Eingang der Steuereinrichtung τοη einem Oder-Glied gebildet ist, dem ein gegebenenfalls mit Zeitverzögerung arbeitendes Kipp-Glied nachgeordnet ist, das Über einen Zündimpulsgeber und einen Thyristorsatz an den Motor angeschlossen ist.

16.) Einrichtung nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß an das Kipp-Glied ein weiteres Zeitglied angeschlossen ist, das den ersten Eingang eines Signalspeichers bildet, dessen zweiter Eingang von einem Endlagemelder für die Betriebs-βtellung der Anoden gebildet ist, und dessen Ausgang über ein Oder-Glied und einen Zündimpulsgeber mit dem Thyristorsatz des Motors verbunden ist.

17.) Einrichtung nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kipp-Glied und dem ZUndimpulsgeber ein Zeit-Glied vorgesehen 1st, daß an einen Überbrückungsschalter für die ganze Elektrolysezelle angeschlossen ist.

18.) Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen an eine optische und gegebenenfalls akustische Anzeigevorrichtung angeschlossen sind.

Troisdorf, den 50. Okt. 1970 MG/Ro

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