DE2106692A1 - Verfahren und Anordnung zum Bestimmen von Stromungsparametern fur die Elektrolyt strömung in einer elektrolytischen Zelle - Google Patents

Description

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PATENTANWALT DIPL.-ING. R. MDLLER-BORNER PATENTANWALT DiPL-ING. HANS-H. WEY IBERLIN-DAH LEM 33. PODBIE LS Kl ALLE E 68 8 MÖNCHEN 22 -WIDENM AY ER ST RASSE 49 TEL. 0311 . 7Ä2907 · TELEGR. PROPINDUS . TELEX 0184057 TEL. 0811 . 225585 · TELEGR. PROPINDUS . TELEX 0524244

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KENNECOTT COPPER CORPORATION New York (USA)

Verfahren und Anordnung zum Bestimmen von Strömungsparametern für die Elektrolytströmung in einer elektrolytischen Zelle

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen von Strömungsparametern für die Elektrolytströmung in einer elektrolytischen Zelle sowie auf eine Anordnung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Das hauptsächliche Anwendungsgebiet für die Erfindung ist die Untersuchung von Ekektrolytströmungen in elektrolytischen Zellen, die mit geringem gegenseitigem Abstand neben einander angeordnete plattenförmig Anoden und Kathoden enthalten. Für solche Einsatzfälle» die beispielsweise bei elektrolytischen Zellen für die Elektroraffination oder die elektrolytische Gewinnung von Metallen vorliegen, ist bisher keine wirksame Methode für die Analyse der Elektrolyt strömung oder die Messung der Strömungsgeschwindigkeit für den Elektrolyten bekannt« Zwar gibt es elektrische Strömungsmesser verschiedener Art, Beispiele dafür sind etwa in den US-PSen 2 728 225, 3 068 693, 3 081 628,

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3 085 *31 «ad 3 2%2 729 beschrieben, jedooh ist keiner dieser bekannten Strömungsmesser Tür dea oben angegebenen. Zweck verwendbar»

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eis Verfahren und eine Anordnung zu entwickeln, die auch bei geringem Elektrodenabstand, wie er in einer elektrolytischen Zelle für die Elektroraffination oder dgl. gegeben ist, die Messung der Strömungsgeschwindigkeit für den. Elektrolyten an einer Vielzahl von fest vorgegebenen Stellen nahe der Elektroden und in deren Umgebung und anhand der so gewonnenen Messdaten eine optische Darstellung der unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten, für den Elektrolyten innerhalb vorgegebener Ströanungsbereiche in der jeweiligen Zelle ermöglichen.

Zisr Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgenäü ein Verfahren zum Bestimmen von. Strömungsparametern für die Elektrolytströmung in einer elektrolytischen Zelle dadurch gekennzeichnet, daß man. eine Sonde mit zwei nahe beieinander angeordneten und elektrisch mit einer Mesebrtickenschaltung verbundenen Thermistoren nacheinander an vorgegebenen Messpunkten in den Elektrolyten in der Zelle eintaucht» dabei den einen Thermistor elektrisch beheizt:, den asweiten dagegen nioht und so nacheinander für jeden Messpunkt über den be ««'heizt en Thermistor und die Messbrücken.«chaltung eine über den unbeheizten Thermistor hinsichtlich der Elektrolyt temp era tür am Messpunkt kompensierte Anzeige für die Wärmeabfuhr durch den strömenden Elektrolyten und damit für dessen Strömungsparaaeter am Messpunkt

Xn weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann «an die für mehrere:Messpunkte, insbesondere für jeweils zu einem Elektrodenpaar aus einer Anode und einer Kathode gehörige Messpunkte gewonnenen Anzeigen für die Wärmeabfuhr durch den strömenden Elektrolyten in vergleichenden Ströeungs-

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karten

Die Temperaturkompensation, für die Anzeige der Strömungsparameter mit Hilfe des unbeheizten Thermistors kann man entweder durch eine unmittelbare und automatische Verknüpfung der die beiden Thermistoren enthaltenden Meßkreise oder auch dadurch erhalten, daß san die beiden Tlierniistoren an. je eine von zwei voneinander unabhängigen ¥heatstotie'schen Brücken anschließt und die Anzeige der den. unbeheizten Thermistor enthaltenden Brücke zur Temperaturkompensation für die Anzeige der den beheizten Thermistor enthaltenden Brücke benutzt. Im letzteren Falle kann stan die Temperaturkompensation anhand einer Kurve vornehmen, in der die interessierenden Strömungsparameter in Ablxängigkeit von. Elektrolyttemperatur aufgezeichnet sind»

I?-!?r- die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist

.us- Anordnung bevorzugt» die sich kennzeichnet durch _νΐ.ΐ-.θ langgestreckte und dünne Sonde, die an ihrem unteren Ende nahe nebeneinander zwei Thermistoren aufweist, und durch zwei elektrisch getrennte Wheatstone*sehe Brücken, vcü denen die eine den einen Thermistor, eine Spannungs— quelle »it zum Aufheizen des Thermistors auf eine die Elektrolyttemperatur übersteigende Temperatur ausreichender Ausgangsspannung, ein Null—Instrument und einen einstellbaren Widerstand mit in ¥erten für die ihm bei Brückenabgleich zugeführte Heizleistung geeichter Anzeige und die andere den zweiten Thermistor, eine Spannungequelle mit niedriger und keiner Aufheizung des Thermistors bewirkender Äusg—angsapannung und eine in Temperaturwerten geeicht« Anzeigeeinrichtung enthalt.

der Zeichnung ist die Erfindung anhand eine« bevorzugten; Au»fShrungsbeispiels veranschaulicht. Dabei zeigen in

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BAD ORiGiHAL

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Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem vertikalen Längsschnitt durch eine elektrolyt!sehe Zelle für die Elektroraffination mit einer zwischen zwei Elektrodenplatten eingeführten Sonde für die Vornahme von Strömungsmessungen,

Fig· 2 ein Blockschaltbild für die zu der Anordnung von Fig« 1 gehörige Meßschaltung,

Fig. 3 ein der Blooksehaltbilddarsteilung von Fig. 2 entsprechendes Einzelschaltbild)

Figo k das in vergrößertem Maßstab dargestellte untere Ende der Sonde der Anordnung von Fig. 1 mit durch die Linie h~h in Fig. 1 veranschaulichter Blick« richtung,

Fig. 5 einen schematisch und in kleinerem Maßstab gehaltenen Schnitt durch die Anordnung von Fig. 1 entlang der Schnittlinie 5-5 i^Q Fig· 1 zur Veranschaulichung einer typischen. Verteilung für die einzelnen Messpunkt e,

Fig. 6 eine graphische Darstellung für die Temperaturabhängigkeit der gemessenen Strömungsgeschwindigkeiten, wie sie zu deren Temperaturkompensation verwendet werden kann, und

Fig. 7» 8 und 9 Beispiele für typische vergleichende Strömungskarten, wie sie durch Strömungsmessungen an verschiedenen Stellen der Anordnung von Fig* 5 gewonnen werden können·

In Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine langgestreckte und dünne Sonde 10 entsprechend der Dar»

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stellung in Fig 1 in den Elektrolyten in einer elektrolyt tischen Zelle 11 für die Elektroraffination an einer bestimmten Stelle neben einem ausgewählten Paar von Anoden- und Kathodenplatten 12 bzw« 13 eingetaucht» Anschließend wird die Probe 10 der Reihe nach und entsprechend einem Verteilungsmuster für solche Stellen Ik (Fig. 5) jeweils nach Durchführung elektrischer Messungen an den einzelnen Meßpunkten von einem vorgegebenen Meßpunkt -zum nächsten gebracht· Diese Lageänderung der Sonde 10 mit ansehließen-· der elektrischer Messung erfolgt so lange, bis alle Meßpunkte im Bereich aller ausgewählten Elektrodenplattenpaare für die Analyse der Elektrolytströmung in der Zelle 11 erfaßt sind.

In einer typischen Ausführung besteht die Sonde 10 aus einem etwa 120 om langen Rohr 15 (Fig. 4) aus rostfreiem Stahl, das zwecks seiner elektrischen Isolierung mit einem thermisch auf •geschrumpften Überzug aus Kunststoff versehen ist und an seinem oberen Ende einenjHandgriff 10a und an seinem unteren Ende eine Meßarmatur 10b aufweist» Die Meßarmatur enthält einen axial angeordneten ersten Thermistor 17 und einen in geringem Abstand davon an der Seite der Armatur 10b angeordneten zweiten Thermistor 18, Die Armatur 10b selbst besteht aus einem offenen Rahmenwerk aus rostfreiem Stahl, das den Thermistor 17 gegen eine zufällig« Beschädigung sohützen soll· Durch das Rohr 15 sind elektrische Leitungen 19 nach oben geführt, die der Verbindung der Thermistoren 17 und 18 mit zwei voneinander unabhängigen Wheatstone'sehen Brücken 20 und 21 (Fig· 3) dienen«

Der Thermistor 17 ermittelt die Elektrolytströmung anhand de· Wärmeübergangs vom Thermistor 17 sum Elektrolyt· Zu diesem Zwecke weist die Wheateton«*eoh· Brücke 20 eine

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Spannungsquelle 22 mit relativ hoher iusgangsspasauag, beispielsweise eine übliche 12-Volt-Batterie auf, die den Thermistor 17 infolge seines Innenwiderstandes aufheizt« Der Thermistor 18 dient als Temperaturfühler für die Elektrolyttemperatur und wird nicht beheizt. Die zugehörige Wheatstone*sche Brücke 21 enthält eine Spannungsquelle 23 mit relativ niedriger und stabiler Ausgangsspannung, zum Beispiel eine handelsübliche Quecksilberzelle von 1,34 Volt(Klemmenspannung·

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Brücke 20 als einen Zweig einen festen Widerstand 24, als zweiten Zweig einen zweiten festen Widerstand 25» als dritten Zweig einen variablen Widerstand 26 und als vierten Zweig den Thermistor 17· In die Brückendiagonale ist ein. Nu11-Instrument 27 als Anzeigeinstrument eingefügt, statt dessen kann an dieser Stelle jedoch auch ein Schreiber mit hohem Eingangswiderstand in die Schaltung eingefügt sein-Der variable Widerstand 26 ist vorzugsweise ein Drehwiderstand mit zehn Umdrehungen von einer Endstellung zur anderen und einer geeichten Anzeigeskala und dient zum Abgleichder Brücke bei Veränderungen des den Thermistor 17 durchfliegenden Signal stromes« Ein Dämpfungszweig 28 eit einem Schalter 28a dient zur Mittelung über das Signal aus dem Thermistor 17 für den Fall, daß sich in der Zelle 11 zufällige Strömungsverhältnisse ergeben sollten» und wirkt dann als Beruhigungsmittel für die Ausgangaanzeige«

Die Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten In. der Zelle 11 kann bei passender Eichung der Skale, am variablen Widerstand 26 nach dem Abgleich der Brücke 2O unmittelbar abgelesen werden· Bei automatischer Aufzeichnung unter Verwendung eines üblichen Schreiber« wird die Brücke 2O zunächst abgeglichen, und anschließend werden die» Abweioliua-

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gen vxnk der Nöil-Anzeige als MaB für die jeweilige S t r öanragsgeschwindigkei t aufgezeichnet ·

Eine für den Aufbau der Brücke 2O wichtige Überlegung betrifft den dem Thermistor 17 zugeführten Speisestrom, der groß genug sein muß, um den Thermistor 17 auf eine Temperatur aufzuheizen, die oberhalb des üblicherweise für die Elektrolyttemperatur in der Zelle 11 zu beobachtenden Temperaturbereichs liegt. Der für den jeweiligen Temperaturbereich erforderliche Stromfluß und die Variationsbreite für die Größe des variablen Widerstandes 26 werden durch entsprechende Wahl der Großen für die festen Widerstände Zh und 25 festgelegt.

Für die Abschaltung des Stromes in der Brücke 20 ist ein Schalter 29 vorgesehen, über den die Brücke zwischen den einzelnen Messungen stromlos gemacht werden kann.

BIe zweite Brücke 21 enthält in zwed^Lhrer Zweige feste Widerstände 30 bzw. 31, in einem dritten Zweig einen variablen Widerstand 32 und in ihrem vierten Zweigyparallel sy dem Thermistor 18 einen festen Widerstand 33. Die Parallelschaltung des festen Widerstandes 33 dient der Verbesserung der Linearität für den Thermistor 18, statt dessen kann aber auch ein von vornherein linearisierter Thermistor verwendet werden. Der variable Widerstand 32 ermöglicht einen Brüokenabgleich über einen geeigneten Temperaturbereich, dessen Variationsbreite durch die beiden festen Widerstünde 30 und 31 bestimmt wird. Für die Anzeige der Temperaturwerte in dem entsprechenden Bereioh ist ein Mikroamperemeter Jk vorgesehen, das unmittelbar in Temperaturwerten geeicht ist. An seiner Stelle kann selbstverständlich auch ein entsprechender Schreiber mit hohem Eingangswideretand verwendet werden« Für die Abschaltung

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der Brücke 21 während Messungen, mit bekannter und keinen Änderungen unterliegender Elektrolyttemperatur in der Zelle 11 ist ein Ausschalter 35 vorgesehen.

Wie oben dargelegt äußern sich sowohl die Geschwindigkeit der Elektrolytstönrung als auch Temperaturänderungen im Elektrolyten in Änderungen der Temperatur der Thermistoren 17 und 18, Untersuchungen bei üblichen elektrolyt!sehen Zellen Tür die Elektroraffination haben gezeigt, daß die Elektrolyttemperatur um etwa 4 P vom Elektrolyteinlaß zum Elektrolytauslaß variiert« Eine gleiche Temperatur— differenz besteht im Elektrolyten auch zwischen dessen Oberfläche und dessen bodennächsten Schichten·

Aus diesem Grunde werden die Messungen für die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit stets gleichzeitig vorgenommen, und die Strömungsgesohwindigkeitsmessungen werden für variierende Temperaturen im Elektrolyten entsprechend korrigiert» Die temperatur-kompensierten Anzeigen für die Strömungsgeschwindigkeit können dann für die Untersuchung der Elektrolytströmung miteinander verglichen werden«

Für die Gewinnung der gewünschten temperaturkompensierten Strömungsgeschwindigkeitswerte sind in Fig· 6 drei Eich— kurven 36 für die Temperaturabhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit dargestellt, die bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit unter Variation der Elektrolytteaperatur für drei verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten aufgenommen worden sind«

Beim Arbeiten mit den Eiohkurven 36 von FAg* 6 wird sron**eli«t der an der Skala des variablen Tfider*tan#s 26 der Brücke 20 abgelesene Wert D für die StrtftButtKegesohwindigkeit aufgesucht« Dieser Wert liegt auf der

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Ordinatenach.se der Darstellung von Pig« 6, und. von dort geht man in Pfeilrichtung parallel zurAtoezisse nach rechts bis zu der an der Stelle T erreichteten Vertikalen, die der bei der entsprechenden Messung über den Thermistor 18 festgestellten Temperatur entspricht« Damit erhält man einen ^MPunkt 1^W als Grundlage für die durch die Sonde 10 gelieferten Daten* Um zu bestimmen, welche Strömungsgeschwindigkeit sich für eine gewählte mittlere Elektrolyttemperatur ergeben würde, zieht man eine zu den Kurven 36 parallele Liniea36a vom "Punkt 1^M zu einem Punkt auf einer der gewählten Temperatur T entsprechenden Vertikalen auf die Abszisse« Damit kommt man zu einem "Punkt 2* auf der Kurve 36a und kann dann auf der Ordinate in Fig« 6 den der gewählten Temperatur T entsprechend' korrigierten

Wert D für die Strömungsgeschwindigkeit ablesen« c

Für die Aufzeichnung von Strömungskarten für ausgewählte Paare von Anoden- und Kathodenplatten in Längsrichtung der elektrolytischen Zelle 11 werden entsprechende Meßdaten an weiteren Meßpunkten nahe und zwischen den jeweiligen Elektrodenplattenpaaren naoh einem vorgegebenen Meßpunktmuster aufgenommen, und aus diesen Meßdaten werden in der oben erläuterten Weise die temperaturkorrigierten Werte für die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt«

Ein typisches Muster für die Verteilung der einzelnen Meßpunkte ist in Fig. 5 veranschaulicht. Zu diesem Muster gehören nein in gleichem Abstand voneinander gelegene Stellen ikä. auf einer 3 χ 3-Matrix zwischen den Elektrodenplatten eines Plattenpaares auf der abstromseitigen Fläche der Kathode und elf zusätzliche Meßpunkte "\kb rund um die Elektrodenplatten·

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Die in Fig. 7 bis 9 veranschaulichten Strömungskarten sind anhand der temperaturkorrigierten Werte für die Strömungsgeschwindigkeit an den verschiedenen vorgegebenen Meßpunkten, in den. jeweiligen Meßpunktmustern gewonnen, Bei der Aufstellung dieser Strönrungskarten ist ea von Vorteil} von allen temperaturkorrigierten Geschwindigkeitswerten eine feste ZaIiI abzuziehen, um zu kleineren Zahlenwerten zu kommen, mit denen, sich besser arbeiten, läßt, wobei jedoch die gleichen Relativwerte beibehalten, werden* Die Umrißlinien für die einzelnen Strömungskarten lassen sich in bekannter Weise mit Hilfe eines Rechners zeichnen und stellen dann eine optische Wiedergabe der relativen Strömungsgeschwindigkeiten an verschiedenen vorgegebenen Meßpunkten für jedes Meßpunktmuster dar und ermöglichen auf diese Weise eine wirksame Analyse der StrSmungsverhältnisse in der elektrolytischen Zelle·

Das erfindungsgeinäße Meßverfahren wurde zunächst für die Untersuchung von. elektrolyt!sehen Zellen für die Elektro— raffination entwickelt, es laßt sich jedoch auch für alle anderen Arten von elektrolytischen Zellen mit plattenförmigen Elektroden wie etwa elektrolytischen Zellen für die elektrolytische Metallgewinnung anwenden.. Außerdem stellt die oben beschriebene Arbeitsweise mit getrennten Brückenschaltungen und Eichkurven für die Temperaturabhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit lediglich »ine bequeme Möglichkeit für die Temperaturkorrektur der Strömungagesohwindigkeitswerte dar, statt dessen lassen sich solche temperaturkorxigierte Strömungsgeschwindigkeitawerte auch mit unmittelbarer Ablesung unter Verwendung einer etwa» komplizierteren Brüokens©haltung «it automatischer Temperaturkompensation gewinnen·

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Claims (1)

1. Patentanspr. ü c h e

   |1. {Verfahren zum Bestimmen von Strömungsparametern für *~" die Elektrolyt strömung in einer elektrolyt Ischen ZeIIe₄ dadurch gekennzeichnet, daß man. eine Sonde mit zwei nahe beieinander angeordneten und elektrisch mit einer Meßbrückenschaltung verbundenen Thermistoren nacheinander an vorgegebenen Meßpunkten in den Elektrolyten in der Zelle eintaucht, dabei den einen Thermistor elektrisch beheizt, den zweiten dagegen nicht und so nacheinander für Jeden Meßpunkt über den beheizten Thermistor und die Meßbrückenschaltung eine über den unbeheizten Thermistoxihinsichtlioh der Elektrolyttemperatur am Meßpunkt kompensierte Anzeige für die Wärmeabfuhr durch den strömenden Elektrolyten und damit für dessen Strömungsparameter am Meßpunkt gewinnt.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die für mehrere Meßpunkte, insbesondere für jeweils zu einem Elektrodenpaar aus einer Anode und einer Kathode gehörige Meßpunkte gewonnenen Anzeigen für die Wärmeabfuhr durch den strömenden Elektrolyten in'vergleichenden Strömungskarten kartographiert.

   3» Verfahren nach Anspruch 2 oder 3t dadurch gekennzeichnet} daß man die beiden Thermistoren an\je eine von zwei voneinander unabhängigen Vheatstone'schen Brücken anschließt und die Anzeige der den unbeheizten Thermistor enthaltenden Brücke zur Temperaturkompensation für die Anzeige der den beheizten Thermistor enthaltenden Brücke benutzt«

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   4« Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperaturkompensation anhand einer Strömungs— parameter/Temperatür—Kurve vornimmt·

   5» Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Meßpunkte gruppenweise auf die Nachbarschaft von Elektrodenpaaren au« jeweils einer Anode und einer Kathode in einer Zelle für die Elektroraffination oder für die elektrolytische Metallgewinnung verteilt«

   6. Anordnung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5» gekennzeichnet durch eine langgestreckte und dünne Sonde wie an ihrem unteren Ende nahe nebeneinander zwei Thermistoren aufweist, und durch zwei elektrisch getrennte Wheatstone*sche Brücken, von denen die eine den einen Thermistor, eine Spannungsquelle mit zum Aufheizen des Thermistors auf eine die Elektrolyttemperatur übersteigende Temperatur ausreichender Ausgangsspannung, ein Null-Instrument uad einmeinstellbaren Widerstand mit in Werten für die ihm bei Brückenabgleich zugeführte Heizleistung geeichter Anzeigeskala und die andere den zweiten Thermistor, eine Spannungsquelle mit niedriger und keine Aufheizung des Thermistors bewirkender Ausgangsspannung und ein« in Temperaturwerten geeichte Anzeigeeinrichtung enthält.

   Dr.Fr,

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   L e e r s e i t e