DE2254529A1 - Bipolare diaphragmen-elektrolysezelle mit gewellter kathode in horizontaler ebene - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DR. W. KINZEBACH — DIPL-ING. O. HF,/_LFI>RAND

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8Mün*en8O 8. NOV. 1972 "Walpurgisstraße 6 ■ '

Telefon: 0811/4705034 Telegramme: Hekipat (München)

'CASE; 267.045

ORONZIO DE NORA IMPIAN(DI ELETTROCHIMICI S.p.A. Via Bistolfi 35, 20134 Mailand, Italien

Bipolare Diaphragmen-Elektrolysezelle mit gewellter Kathode in horizontaler Ebene. ·

Die Erfindung betrifft bipolare Diaphragmen-Elektrolysezellen, die dimensionsstabile Elektroden mit Kathoden in Wellenform verwenden, wobei die Wellen horizontal verlaufen und entweder doppelte oder einfache horizontal befestigte Anodenblätter in das Wellental von jeder Kathodenwelle ragen, dazwischen liegt dann der Elektrolyse-Zwischenraum.

Zellen dieses !Typs verwendet man für die Elektrolyse von wässrigen Lösungen von Alkalimetallhalogeniden Und für ande-* re Elektrolyseverfahren. Die Erfindung wird hier für die Elektrolyse von Natriumchlorid zur Erzeugung von Chlor, Wasserstoff und Natriumhydroxyd, als^spezielles Beispiel, beschrieben, es ist jedoch klar,.daß die hier beschriebene Vor-

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richtung und das beschriebene Verfahren auch *für andere Elektrolyseverfahren, wie für die Elektrolyse von wässrigen Lösungen anderer Alkalimetallhalogenide, für die Herstellung von Chloraten oder Perchloraten, für die Elektrolyse von Wasser, für die Elektrolyse von Sulfaten und für die Elektrolyse anderer Lösungen zur Erzeugung von Elektrolyseprodukten für organische Oxydationen und Reduktionen und für andere Verfahren verwendet werden kann.

Die Erfindung benutzt dimensionsstabile Anoden, die eine Ventilmetall-Basis ("valve metal base") aus z.B. T^tan oder Tantal oder Legierungen davon aufweisen, die gegenüber Zellbedingungen resistent ist und die mit einem elektrisch leitfähigen elektrokatalytischen Überzug aus einem oder mehreren Oxyden von Metallen der Platingruppe mit anderen schützenden Oxyden, wie Oxyden von Titan oder anderen Metallen oder mit einem Überzug aus Metallen der Platingruppe in metallischer Form auf der Anode oder mit anderen Formen von elektrisch leitenden elektrokatalytischen Überzügen ausgestattet ist.

Diese dimensionsstabilen Anoden können in Form von Sieben, Geflecht, expandiertem Geflecht, Stäben, perforierten Platten oder anderen offenen Formen vorliegen, die mehr als 50$ Lücken im Vergleich zu den massiven Teilen der Anoden haben, so daß an den Anoden gebildete Chlor- oder andeieGasblasen leicht entlang oder durch die horizontal befestigten Anodensiebe gehen und durch die Anodenmaschen oder -siebe entweichen können, so daß eine Gasumhüllung der Anoden und der Abzug von Gasen aus den horizontal verlaufenden Anodenwellen kein Problem darstellt, oder die Anoden können in Form von horizontal montierten Platten vorliegen. Diese dimensionsstabilen Metallanoden können mehrere Jahre lang benutzt werden, ohne daß sie erneuert werden müssen, während die in der Vergangenheit verwendeten Graphitanoden etwa alle sechs Monate wegen der allmählichen Abtragung des Graphites unter Elektrolysezellbedingungen erneuert werden müssen.

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Bei dirnensionsstabilen Anoden ist es wünschenswert, die Anodenfläche so groß wie möglich zu machen und für eine entsprechend große Kathodenfläche in einem möglichst kleinen Zellenrahmen zu sorgen. Wenn jedoch dimensionsstabile Anoden in Wellenform verwendet werden, bei denen die Platten der Anoden- und Kathodenwellen sich in vertikaler Stellung "befinden, ist die Höhe der Anoden- und Kathodenplatten auf ungefähr 0,914 - 1,219 m (3-4 feet) beschränkt, wegen der Ansammlung von nach oben steigenden Chlorblasen in dem ziemlich engen Elektrolysespalt zwischen den mit einem Diaphragma bedeckten Kathodenoberflächen und den Anodenoberflächen. Diese BHasenansammlung verursacht einen Spannungsabfall, in der Sole zum oberen Ende des Elektrolysespaltes hin, größer als er für eine wirtschaftliche Produktion von Chlor oder anderem Gas geduldet werden kann. Die große Ansammlung von Chlorblasen in der Sole zum oberen Ende des Elektrolysespaltes hin, zwischen den vertikal befestigten Anoden- und Kathodenplatten, erzeugt auch Schaum in diesem Zwischenraum und stört die Abtrennung des Chlorgases von der Sole. Diese Paktoren beschränken die praktische Höhe von Elektrolysezellen, die vertikal montierte dimensionsstabile Anoden- und Kathodenplatten verwenden und begrenzen daher die Abmessungen, bis zu denen man beim Bau der Zellen.gehen kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die- Schaffung von Elektrolysezellen mit dimensionsstabilen Anoden, bei denen die aktiven Flächen der Anodenplatten und diejenigen der entsprechenden Kathodenwellen in vertikaler Lage sind, jedoch die Wellen der Anoden und der Kathoden horizontal oder im wesentlichen horizontal verlaufen, wobei die Länge der Kathodenwellen in der Horizontalen nicht durch die oben beschriebene G-asansammlung im oberen Teil des Elektrolysespaltes begrenzt ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung 1st auch die Schaffung von Elektrolysezelleneinheiten mit dimensionsstabilen Anoden in

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Form von Einzel- oder Doppelplatten und mit Kathoden in Wellenform, wobei diese Zelleneinheiten sich in horizontaler Lage befinden oder schwach zur Horizontalen geneigt sind und in bipolarer Verbindung mit gleichartigen Zelleneinheiten in im wesentlichen vertikalen Stapeln von unbegrenzter Höhe montiert sein können, ohne dadurch die Weglänge der Gasblasen in der Anolytflüssigkeit zu vergrößern. Zu dieser Aufgabe gehört auch die Verbesserung des elektrischen Kontaktes zwischen den Elementen oder Zelleneinheiten-einer bipolaren Zelle.

Eine weitere Aufgabenstellung im Rahmen der vorliegenden Er- . findung ist die Schaffung einer bipolaren Diaphragmen-Elektrolysezelle, die aus einer Reihe von im wesentlichen horizontalen Anoden- und Kathodenrahmengliedern besteht, die aufeinandergestapelt sind, wobei die Anodenrahmenglieder für die Isolierung zwischen den Kathodenrahmen sorgen und die Anodenplatten und die Kathodenwellen im wesentlichen horizontal in den Rahmengliedern montiert sind, wodurch der Zusammenbau und die Demontage der Zelle erleichtert wird. Damit sollen gestapelte, bipolare Diaphragmen-Elektrolysezellen geschaffen werden, die im Vergleich zu ihrer Kapazität geringen Bodenraum einnehmen.

Nun zu den Zeichnungen, die verschiedene erfindungsgemäße Ausführungsformen veranschaulichen:

Figur 1 ist eine Seitenansicht einer senkrecht aufgestapelten vertikalen bipolaren Diaphragmazelle mit fünfzehn Einheiten mit dimensionsstabilen Anodenplatten und Kathoden in Wellenform, wobei die Wellen in horizontaler Ebene verlaufen;

Figur 2 ist eine vergrößerte, teilweise geschnittene Draufsicht, im wesentlichen entlang der Line 2-2 der Figur 3}

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Figur 3 ist eine Ansicht eines Längsschnittes einer bipolaren Diaphragmenzelle aus drei Einheiten mit dimensionsstabilen Anodenplatten und Kathoden in horizontaler Wellenform, entlang der Line 3-3 der Figur 2;

Figur 4 ist eine Ansicht eines Querschnittes ,einer Zelle aus drei Einheiten entlang der Linie 4-4 der Figur 2, iin wesentlichen .im rechten Winkel au Figur 3*

Figur 5 ist eine perspektivische Ansicht des Kathodenrahmens *und der Kathodensiebwellen einer Zelleneinheit und zeigt· die in einer horizontalen Ebene auf und ab laufenden Kathodenwellen;

Figuren 6 und 6a sind vergrößerte Teilansichten im Schnitt von zwei Anoden-Doppelplatten und zwei Kathodenwellen einer Zelleneinheit, wobei Figur 6a im rechten Winkel zu Figur 6 zu nehmen ist?

Figur 7 ist ein Teil-Schnittbild eines der Solebehälter und der Solebesehickungsvorrichtung, im wesentlichen entlang der Linie 7-7 der Figur 2 und Figur 7$ ist ein Detailbild entlang der Linie 7a-7a der Figur 7;

Figur 8 ist eine Teil-Seitenansicht im Schnitt von · drei I&iholyt-Auslässen einer bipolaren Zelle mit drei Einheiten und Figur 8a zeigt ein Detail des verstellbaren Kdholyt-Aus-•lassesj ■ ..

Figur 9 ist eine Draufsicht auf eine ander Ausführungsform, die sechs horizontale Anoden- und Kathodenwellenbänke in einem Zellenrahmen zeigt» ' * ■

Figur 10 iat ein Schnittbild im wesentlichen entlang der Linie 10-10 der Figur 9i '

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Figur 11 ist ein Längsschnitt, im wesentlichen entlang der Linie 11-11 der Figur 9.

In der in Figur 1 veranschaulichten Ausführungsform wird ein bipolarer Zellenstapel A, bestehend aus fünfzehn gestapelten bipolaren Zelleneinheiten B₁ B, B, etc. gezeigt. Die bipolaren Zellen der vorliegenden Erfindung können zehn bis zwanzig oder mehr Zelleneinheiten enthalten. Öle Sole wird in das Anodenabteil einer jeden Zelleneinheit B durch eine Seite eines glasfaserverstärkten Polyester-Isolierrahmens oder eines Hochtemperatur-Polyvinylchlorid-Rahmens (PVC) 9 (Figur 3) aus Solebehältern 1 aus Polyester oder Hochtemperatur-PVC eingespeist, die abwechselnd auf zwei der vier Seiten des Zellenstapels A montiert sind. Die Sole wird in jeden der Solebehälter 1 aus Solezuführungen 2 (Figur 2) eingespeist, wobei die Einspeisung durch eine übliche Solebeschickungsleitung erfolgt und die Einspeisung mit Hilfe von Regelvorrichtungen und Strömungsmeßvorrichtungen (nicht gezeigt) gesteuert und von den Solebehältern 1 in die einzelnen Anodenabteile der Zelleneinheiten B, B₁ etc. geleitet wird. Während des Betriebes strömt in jeder Zelleneinheit B erzeugtes Chlor in den angeschlossenen Solebehälter 1,wo es durch die Sole perlt und aus den Solebehältern 1 durch Auslässe 3 und in eine gemeinsame Chlor-Abzugsleitung 3a an zwei Seiten des Zellenstapels A entweicht, die zu dem Chlorgewinnungssystem führen. In dem Kathodenabteil erzeugter Wasserstoff strömt durch die Wasserstoffauslässe 4 in die Wasserstoffabzugsleitung 4a, die zu dem Wasserstoffgewinnungssystem führt und in dem Kathodenabteil gebildete Katholytflüssigkeit (NaOH) fließt durch die Katholytausgänge 5 zur Katholytabflußleitung 5a.

Nun zu den Figuren 3, 4 und 5: Jede Zelleneinheit 6, 6a, 6b,

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etc. besteht aus einem Kathodenrahmen 7 aus einem Eisenmetall (Stahl), in dem das Kathodensieb 7a (Figur 5) -horizontal in Wellenform befestigt ist. Die Kathodensiebwellen 7a sind an

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den Rahmen 7 entlang dem inneren Umfang seines Flansches 7b geschweißt und das Wellental von jeder Kathodensiebwelle ., ist bei 7c an eine dünne Stahlbodenplatte 8, die rechtwinklige Rippen oder Vorsprünge 8a aufweist, geschweißt. Ein rechtwinkliger isolierender Anodenrahmen 9 aus glasfaserverstärktem Polyester oder ähnlichem elektrisch isolierendem und chemisch resistentem Material ist- auf der Oberseite von jedem Plansch 7b befestigt und auf den Seiten 9a, wo die Solebehälter 1 befestigt sind, ist eine Seite der Polyester- oder PVC-Rahmen mit einer Reihe großer Löcher 9b (Figuren 3, 4, 7 und 7a) für das Ausströmen von Chlorgas aus den Anodenabteilen in die Solebehälter 1 und einer Reihe kleinerer Löcher 9c, durch welche Sole aus den Polyester- oder PVC-Solebehaltern 1 in das Anodenabteil einer, jeden Zelleneinheit eingespeist wird, ausführlicher in den Figuren 7 und 7a gezeigt, ausgestattet.

Die Sole aus den Behältern 1 wird unter einer vorspringenden Kante 9d in den Behältern durch die Solebeschickungslöcher 9c. (Figuren 7 und 7a) in die Anodenabteile' eingespeist, und das Soleniveau in den Anodenabteilen wird auf dem Niveau gehalten, das erforderlich ist, um den gewünschten Fluß durch die Diaphragmen 7e auf den Kathodenwellen 7a aufrechtzuerhalten. Die Permeabilität dieser Diaphragmen nimmt allmählich ab, je langer das Diaphragma benutzt wird, so daß das Soleniveau, das von der Anzeigevorrichtung 1a für jeden Solebeschickungsbehälter 1 angezeigt wird, im Verlaufe der Lebenszeit des Diaphragmas kontinuierlich ansteigt. Durch Aufrechterhaltung einer Solebeschickung für jeden Behälter 1, die auf die Erzeugung einer im wesentlichen konstanten Alkalikonzentration in der Katholytflüssigkeit eingestellt ist, wird die Permeabilitätsabnahme der Diaphragmen kompensiert. Der Raum oberhalb des Soleniveaus in den Anodenabteilen wird von Chlorgas eingenommen, das durch die größeren Löcher 9b in den Seiten 9a der Polyester- oder PVC-Rahmen 9 und nach ■ oben durch die Sole in den Behältern 1 und durch die Chlor- ■

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auslasse 3 in die Chlorabzugsleitungen 3a strömt, die hinter dem H₂-Abzugssaimnelrohr 4a in Figur 4 liegen.

In den Anodenabteilen erstrecken sich Ventilmetallanoden 10 in Form von vertikalen doppelten oder einfachen'Platten von einem Ende zum anderen und von einer Seite zur anderen des Kathodenrahmens 7 (Figur 5) und sitzen passend zwischen jeder der Kathodenwellen 7a und jedes Anodenblatt 10 ist an Titan-Verbindungsstreifen 10a angeschweißt, angeschraubt oder auf andere Weise daran befestigt, wobei die Verbindungsstreifen 10a an eine gerippte Titan-Rückplatte· 10b geschweißt oder auf andere Weise daran .befestigt sind, deren Rippen oder Vorsprünge den Kontakt mit den Rippen 8a der benachbarten Stahlkathodenbodenplatte 8 der nächst höheren Zelle herstellen. Zwar sind die Anoden 10 als Einzel- oder Doppelplatten beschrieben worden, es ist jedoch klar, daß Einfachplatten aus Titan, das mit einem elektrisch leitenden elektro-,katalyti sehen Überzug beschichtet ist, verwendet werden können, wobei jede Platte zwischen die Kathodenwellen 7a paßt. Die Enden 10c der Rückplatten 10b sitzen passend zwischen dem oberen Ende der Polyester- oder PVC-Rahmen 9 und den Bo- . „ denflanschen des nächst höheren Kathodenrahmens 7, wobei geeignete Dichtungen vorgesehen sind, um diese Verbindungsstellen fltissigkeitsdicht und gasdicht zu machen. Die Enden 7d der Kathodensiebe 7a sitzen passend zwischen der Oberseite der Flansche 7b des Kathodenrahmens 7 und dem nächst höheren Polyester- oder PVC-Rahmen 9 und es sind geeignete Dichtungen vorgesehen, um diese Verbindungsstellen flüssigkeitsdicht zu machen. Die Kahtodensiebwellen 7a weisen Diaphragmen auf, die durch Abscheiden von Asbestfasern oder von anderem Diaphragmamaterial 7e (Figur 6a) auf den Kathodensieben erzeugt worden sind, was mit Hilfe von Saugstutzen 7f erfolgt, die in jedem Kathodenrahmen für diesen Zweck vorgesehen sind.

Die Zelleneinheiten B, B, B, etc. werden durch Muttern 11c auf einer Reihe von Langschrauben 11, die von der obersten

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Platte 11a bis zur Bodenplatte 11b (Figur 3) verlaufen, zu- -sammmengehalten und man legt positive und negative elektrische Anschlüsse an die Deck- bzw. Bodenplatten an. Die bipolare Verbindung zwischen jeder Zelleneinheit B und der nächst niederen Zelleneinheit wird durch Verschrauben, Verschweißen oder vorzugsweise durch einen im Vakuum aufrechterhaltenen Kontakt zwischen den Unterseiten der Rippen oder Vdrsprünge 8"a in den Stahlplatten und den Oberseiten der Rippen oder Vorsprünge in den Titanrückplatten 10b hergestellt. Die ge- _ rippten Titan-Rückplatten 10b sind ungefähr 1,5 mm dick und die gerippten Stahlplatten 8 sind ebenfalls ungefähr 1,5 mm dick, so daß diese Platten eine gewisse Felxibilität haben. Anstelle von gerippten Stahlplatten 8 können flache Stahlplatten von etwa 10 - 15 mm Dicke, in deren untere Fläche Rinnen oder Kanäle 11d eingearbeitet Worden sind, ensprechend der Deckplatte 11a (Figur 3), verwendet werden. Die Rippen der obersten Titan-Rückplatte 10b stellen den Kontakt zwischen der obersten Platte 11a her und die Rippen 8a der Bodenplatten auf Stahlbasis stellen den Kontakt mit der Bodenplatte 11b her, diese Kontakte werden durch das Vakuum in den Rohren 12 mit rechteckigem Querschnitt aufrechterhalten.

Vor dem Zusammenbau werden eine oder beide-der Kontaktflächen der Rippen mit einem Sandstrahl behandelt und mit einem Film aus aufgesprühtem Weichmetall, wie Kupfer, Silber, Blei, Zinn oder Aluminium oder deren Legierungen, beschichtet. Die Langschrauben 11 und das Gewicht der Einheiten halten die-Zeilenelemente zusammen, während des Betriebs der bipolaren Zellen wird jedoch ein Vakuum in dem Raum zwischen den Stahl- und Titanplatten 8 und 10b mit Hilfe rechteckiger Rohre 12 angelegt, die mit dem Raum zwischen diesen Kontaktplatten und mit Vakuumleitungen 12a (Figuren 4 und 6a) in Verbindung stehen, die Vakuumleitungen stehen wiederum mit größeren Vakuumleitungen; 12b (Figur 1) und einem Vakuum-Pumpensystem (nicht gezeigt) in Verbindung. Geeignete Dichtungen entlang dem Umfang

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der gerippten Anoden- und Kathodenplatten dichten die Ränder dieser Platten ab und ermöglichen die Aufrechterhaltung der bipolaren Verbindung durch Vakuum mit-geringem Energieaufwand. Ein Vakuum von ungefähr 700 mm Quecksilber genügt gewöhnlich für diese Zv/ecke. Ein rechteckiges Rohr 12c auf der Seite, die dem Vakuumrohr 12 in Figur 4 gegenüberliegt, steht mit dem unteren Teil von jedem Kathodenabteil und mit Abflußleitungen 12d und Abflußregelvorrichtungen 12e in Verbindung, so daß jedes Katholytabteil bei Stillegungen geleert werden kann.

Die Anoden 10 werden aus dünnen Blechen (ungefähr 1-2 mm) eines Ventilmetalles hergestellt, das gegenüber den Zellbedingungen resistent ist, wie aus Titan oder Tantal oder Legierungen von Titan oder Tantal, das einen leitfähiger elektrokatalytischen Überzug hat, der eine Mischung aus Oxyden von Titan oder Tantal und Oxyden eines Metalles der Platingruppe oder Oxyde von anderen Metallen enthält, oder die Anodenaußenflächen können mit einem Metall der Platingruppe in metallischer Form bedeckt sein oder es kann irgendein anderer elektrisch leitender elektrokatalytischer Überzug verwendet werden, Lie Anoden 10 können in Form von Geflecht, Sieben, expandierten Maschen, perforierten Platten, Stäben, massiven Titanblechen, reticulierten Titanblechen oder dergleichen oder ähnlichen Tantalblechen vorliegen, und sie können auf einer oder auf beiden Seiten, der Vorder- und Rückseite, der Anode mit dem elektrisch leitenden elektrokatalytischen Überzug beschichtet sein. Die bevorzugte Methode der Auftragung der Überzüge ist die der chemischen Abscheidung in Form von Lösungen, die aufgestrichen, getaucht oder aufgesprüht werden oder als Schleier oder elektrostatische Sprühüberzüge aufgebracht werden, auf der Anodenbasis eingebrannt werden oder durch Elektroplattierung aufgebracht werden, falls Überzüge aus einem Metall der Platingruppe verwendet werden. Die aktiven Flächen der Anoden 10 haben einen räumlichen Abstand von etwa

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6 - 10 mm von den Kathodensiebwellen 7a und Diaphragmen 7e und die Anolytflüssigkeit wird auf einem Niveau über dem oberen Ende der Anodenplatten gehalten, um für eine wirksame Elektrolyse der Anolytflüssigkeit in dem Elektrodenspalt zwischen den Platten der Anoden .10 und dem Diaphragmamaterial auf den Kathodensiebwellen 7a zu sorgen.

Der in den Kathodenabteilen freigesetzte Wasserstoff.strömt aus durch Wasserstoffauslaßkammern 4b, die mit dem Kathodenabteil in der Nähe seines oberen Endes in Verbindung stehen, in die Wasserstoffauslasse 4 und in die WasserstoffSammelleitung 4a (Figur 4). In. den Wasserstoff auslaßkairanern 4b verfügt der Wasserstoff über genügend Raum, um sich von der Katholytflüssigkeit.und Schäum zu -trennen und die Katholytflüssigkeit fließt durch die Leitungen 4c, die den unteren Teil der Kathodenkammern an die Auslaßkammern 4b angrenzenlassen, zurück in die Kathodenkammern.

Die Katholytflüssigkeit, die bei der Elektrolyse von Natriumchlorid eine verdünnte NaOH-Lösung ist (etwa 11 - 12$ig) und erschöpfte Sole fließen nahe dem Boden eines jeden Kathodenrahmens 7 durch verstellbare Schwanenhals-Katholytabflüsse 5 in die Katholyt-Sammelleitung 5*a (Figur 8). Das ungefähre Katholytniveau wird durch die Linie C - C in Figur 8 und das ungefähre Anolytniveau durch die Linie D - D angedeutete Die Schwanenhals-Katholytabflüsse 5 sind durch Schwenken um das Abflußrohr 5b herum verstellbar und werden in der Stellung fixiert, die das richtige Katholytniveau'in den Katholytab- . teil en'auf recht erhält. Wie oben beschrieben,, wird das Soleniveau automatisch oder per Hand eingestellt,, so daß der erforderliche Fluß durch die Diaphragmen aufrechterhalten wird und die gewünschte NaOH-Konzentration in den Katholytabteilen erhalten bleibt» Eine Öffnung 5d an der höchsten Stelle des Schwanenhalses 5, die zur Atmosphäre hin offen ist, läßt evtl.» vorhandene geringe Mengen Wasserstoff aus der Katholytflüssigkeit entweichen und verhütet ein'Absaugen von Katholytflüssig-

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kei.t aus den Katholytabteilen. Aus dem absteigenden Teil 5e des Schwanenhalses fließt die Katholytflüssigkeit in die Katholyt-Abflußsammelleitung 5a zum Katholyt-Gewinnungssystem. Vorsprünge.7h (Figur 6a) an den Wänden der Kathodenrahmen 7

verhüten ein Zusammenfallen oder Verwerfen der Kathodensiebwellen 7a beim Abscheiden des Diaphragmamateriales 7e unter Vakuum.

Als Rückplatten 10b für die Titananoden 10 sowie für die Platten 8 auf Stahlbasis, an denen die Stahlkathoden 7a angeschweißt sind, werden vorzugsweise gerippte Bleche· verwendet, da ein Schweißen an gerippten dünnen Blechen praktisch keine Verwerfung der Basisbleche verursacht, während das Schweißen an dickeren Blechen Verwerfungen verursacht, die durch maschinelle Bearbeitung oder Pressen nach dem Schweißen korrigiert werden müssen, ein Verfahren dessen Erfolg von einem Ausglühen und großer Sorgfalt abhängig ist, was bei einer Fabrikation in großem Maßstab schwierig ist.

Die gerippten Stahlplatten 8 sind an zwei Seiten an den Bodenflansch 7g des Kathodenrahmens 7 geschweißt und an den beiden anderen Seiten Sind sie entsprechend an die rechteckige Vakuumleitung 12 und an die rechteckige Abflußleitung 12c geschweißt.

Das Anschweißen des unteren Endes der Kathodenwellen 7a an die Rippen 8a der Basisplatten 8 erhöht die mechanische Starrheit des Kathodengefüges, und das Anschweißen der Anodenplatten 10 an die gerippten Titan-Rückplatten 10b im rechten Winkel zu den Rippen verleiht den Anoden- und Rückplatteneinheiten genügend Starrheit, so daß eine Handhabung beim Zusammenbau oder bei der Demontage ohne mechanische Verformung möglich ist.

Werden Doppel-Titananoden anstelle von Einfachplatten verwendet, wie in den Figuren 3, 4 und 6a dargestellt, so erlauben Löcher 1Od in der Nähe des unteren Endes der Anoden-(einzel)-wellen, den Anolyt innen in den Anodenwellen nach unten durch

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INSPECTED

die Löcher Iod und zwischen den Anoden und den Kathodendia-' •phragmen aufwärts fließen zu lassen, wie es durch die Pfeile angedeutet ist, so daß der mit Chlor beladene Anolyt in dem Elektrolysespalt zwischen den Kathodendiaphragmen und den aktiven Außenflächen der Anoden aufsteigt und die Ghlorblasen in den G-asraum über dem Anolyt abgegeben werden und durch die Chlorabflußlöcher 9b ausströmen, während der erschöpfte Anolyt zusammen mit frischem Anolyt, der durch die Löcher 9c in die Anodenabteile fließt, in das Innere der Anodenwellen und durch die Löcher 1Od dem Kreislauf zurückgeführt wird. Dies führt zu einer rascheren'Eliminierung der Chlorbläsen und einem niedrigeren Ohmsehen Widerstand des Anolytes, was einen geringeren Spannungsabfall in der Elektr.olysevorrichtung ergibt* Werden Titan-Doppelanoden verwendet, so kann, eine Außenfläche der Anoden sowie der Kathoden mit Diaphragmamaterial bedeckt werden.

Selbst wenn Kathodenkörper von 2 m oder mehr Länge,verwendet werden, findet keine kritische Chlprblasenansammlung in den Elektrolysespalten statt, da die Blasen auf dem kürzest möglichen vertikalen Weg aus dem Elektrolysespalt in den Raum über dem Anolyt entweichen, wobei auf diese Weise ein erhöhter Ohmscher Widerstand der Sole im Elektrolysespalt vermieden wird und es auch nicht nötig ist,einen zu großen Abstand (der wiederum die Spannung erhöht) zwischen senkrecht befestigten Anoden- und Kathodenwellen zu verwenden.

Die erzeugten Chlorgasblasen steigen in den Raum unter den gerippten blatten auf Titanbasis und verlassen die Anodenabteile durch eine horizontale Reihe Löcher 9b, die sich an einer Seite der isolierenden Polyester- oder PVC-Rahmen 9 befinden. Diese Rahmen 9 sind durch Gummidichtungen auf den Oberseiten zum.'Rand der gerippten Titan-Rückplatte 10b hin, die die Anoden trägt, und auf den Unterseiten .zu den Planschen 7b der stählernen Kathodenkammern hin abgedichtet.

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Die Mischung aus Chlorgas und etwas mitgenoimnenem Anolyt tritt in die glasfaserverstärkte Polyester- oder PVC-Solebehält er 1 ein, die sich an einer Seite von jedem Element der Elektrolysevorrichtung "befinden. In diesen Behältern trennen sich die Chlorblasen von dem mitgenommenen Anolyt und das Chlor strömt in das Chlorgewinnungssystem, wobei horizontale zick-zackförmige Trennplatten 9d aus Polyester oder PVC zwischen der Reihe der großen Löcher 9b und der Reihe der. kleinen Löcher 9c die Trennung des Chlorgases (das etwas mitgerissenen Anolyt enthält) und der Beschickungssole für die Anolytabteile erleichtert.

Die Solebehälter 1 haben einen genügend großen horizontalen Querschnitt, so daß selbst beim niedrigsten Solestand die Solebeschickungsmenge für den Notfall genügt, um der entsprechenden Zelle bei einer Unterbrechung der Solebeschickung für Solenachschub zu sorgen. Auf diese Weise wird die Elektrolysevorrichtung in Fällen, wo die Unterbrechung nicht länger als etwa 10 Minuten dauert, vor einer Stillegung geschützt.

In der in den Figuren 9, 10 und 11 veranschaulichten Ausführungsform sind sechs horizontal montierte Anoden- und Kathodenwellenbänke in einem einzigen Kathodenrahmen 7i angebracht. Die Konstruktion und der Betrieb dieser Ausführungsform entspricht im wesentlichen den Ausführungsformen der Figuren 1-8.

Bei der in den Figuren 9, 10 und 11 dargestellten Modifizierung wird Sole in das Anodenabteil einer jeden Zelleneinheit B, B durch eine Seite eines isolierenden Polyester- oder PVC-Rahmens 9 aus dem Solebehälter 1, der abwechselnd auf einer der beiden Seiten des Zellenstapels A der Figur 11 befestigt ist, eingespeist. In jeden der Solebehälter 1 wird Sole aus den Solezuleitungen 2 eingeleitet, die aus einem üblichen Solebeschickungsrohr kommt, wobei die Beschickung mit Hilfe von

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Regelvorrichtungen und Strömungsmeßvorrichtungen geregelt und aus den Solebehältern 1 in die einzelnen Anodenabteile der 'Zelleneinheit B etc. geleitet wird. Die Sole fließt unter der vorspringenden Kante 9d im Solebehälter auf der linken Seite der Figur 11 durch Löcher 9c in das Anodenabteil auf der oberen linken Seite der Figur 11 und wenn dieses Abteil gefüllt ist»fließt sie durch Löcher 9c in der Mitte der oberen Lage in das Anodenabteil auf der oberen rechten Seite der Figur In der oberen rechten Anodenkammer der Figur 11 erzeugtes Chlor fließt durch die Öffnung 9b in der Mitte in die ob ere linke Anodenkammer und von dort durch die- Öffnung 9b an der oberen linken Seite der Figur 11 in den oberen Solebehälter I""' auf. der linken Seite der Figur 11. Der Chlorstrom durch die Öffnung 9b in der Mitte und durch die Öffnung 9b auf der linken Seite ist durch Pfeile in den Öffnungen 9b angedeutet. Auf gleiche Weise werden die auf der rechten und linken Seite befindlichen Anodenkammern in der zweiten Lage mit Sole aus dem Solebehälter auf der rechten Seite der Figur 11 gefüllt und Chlorgas strömt aus dem rechten und linken Anodenabteil durch die Öffnungen in der mittleren Trennwand des Rahmens in den auf der rechten Seite der Figur 11 gezeigten Solebehälter. Das in der jeweiligen Zelleneinheit B erzeugte Chlor strömt in den angeschlossenen Solebehälter 1,wo es durch die Sole perlt und aus dem Solebehälter 1 durch die Ausgänge 3 entweicht und in eine übliche Chlorabzugsleitung 3aauf der entsprechenden Seite des Zellenstapels A gelangt, die zum-Chlorgewinnungssystem führt.

In der Kathodenkammer erzeugter Wasserstoff strömt durch Wasserstoffausgänge 4- in die Wasserstoffabzugsleitung 4a, die zum Wasserstoffgewinnungssystem führt und Kathplytflüssigkeit (NaOH) im Kathodenabteil fließt durch die Katholytabflüsse zur Katholytabflußieitüng 5a.

Jede Zelleneinheit B, B, etc. besteht aus einem Kathodenrahmen 7i aus Eisenmetall (Stahl), der-sechs Anoden- undKathoden-

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wellenbänke hält. In jeder Bank ist das Kathodensieb 7a in Form einer horizontal verlaufenden Welle montiert und die Anodenplatten 10 befinden sich zwischen jeder Welle. Die Anodenplatten können Einfachplatten aus Titan sein oder es kann sich um doppelte Platten handeln, wie in den Figuren 6a und 10 dargestellt. Die Kathodensiebwellen 7a sind an den Rahmen 7i entlang dem inneren Umfang seines Flansches 7j angeschweißt und das Wellental von jeder Welle des Kathodensiebes ist bei 7c an eine dünne gerippte Stahlbodenplatte 8 angeschweißt, die rechtwinklige Rippen oder VorSprünge 8a aufweist. Ein rechteckiger isolierender Anodenrahmen 9 aus glasfaserverstärktem Polyester, PVC .oder ähnlichem isolierendem Material befindet sich auf der Oberseite von jedem Flansch 7j und an den Seiten 9a, wo die Solebehälter 1 montiert sind, befinden sich Seitenrahmen mit einer Reihe großer Löcher 9b für den Abzug von Chlorgas aus den Anodenabteilen in die Solebehälter 1 und eine Reihe kleinerer Löcher 9c, durch die Sole aus den Solebehältern 1 in die Anodenabteile eingespeist wird.

Die Sole aus den Behältern 1 wird unter einem vorspringenden Rand 9d in den Behältern durch die Solebeschickungslöcher 9c in die Anodenkammern eingeführt und das Soleniveau in den Anodenkammern wird automatisch auf dem Niveau gehalten, das für die Aufrechterhaltung des gewünschten Flusses durch die Diaphragmen auf den Kathodenwellen 7a notwendig ist. Ein bestimmter Raum über dem Soleniveau in den Anodenkammern, der durch die begrenzte Geschwindigkeit der Chlorfreisetzung gegeben ist, wird von Chlorgas eingenommen, das durch die größeren Löcher 9b in den Seiten 9a der Rahmen 9 strömt und aufwärts durch die Sole in den Behältern 1 und durch den Chlorauslaß zu den Chlorabzugsleitungen 3a strömt.

In den Anodenabteilen sind Ventilmetallanoden 10 in Form von Platten in horizontaler Reihe, die sich von einem Ende zum anderen und von einer Seite zur anderen von jedem der sechs Abteile in den Rahmen 7i erstrecken, zwischen jede der Kathoden-

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267.045 ^x *+ 22b 4 5

—.—- ^

wellen 7 a eingepaßt und jedes Anodenblatt 10 ist an Titanverbindungsstreifen 10a angeschweißt, angeschraubt oder auf andere Weise daran befestigt, und die Verbindungsstreifen 10a sind an eine gerippte Titan-Rückplatte/· 10b, deren Rippen oder Vorspränge den Kontakt mit den Rippen 8a der stählernen Kathodenplatte 8 herstellen, angeschweißt oder auf andere Weise daran befestigt. Wenn auch die Anoden 10 verschiedentlich als wellenförmig beschrieben worden sind, ist es klar, daß Einzelplatten aus Titan, beschichtet mit einem elektrisch leitenden elektrokatalytisehen Überzug, verwendet werden können, wobei jede Platte passend zwischen den Kathodenwellen 7a sitzt. Die Enden 10c der ,Rückplatten 1Qb sitzen·passend zwischen der Oberseite der isolierenden Rahmen 9 und dem Bodenflansch des nächst höheren Kathodenrahmens 7i_s wobei geeignete Dichtungen diese Verbindungsstellen flüssigkeits- und gasdicht machen. Die Enden 7d der Kathode 7a sitzen passend . zwischen der Oberseite der Plansche 7j der -Kathodenrahmen 7i und dem nächst höheren isolierenden Rahmen 9 und geeignete Dichtungen machen diese Verbindungsstellen flüssigkeitsdicht. Die Kathodensiebwellen 7a weisen Diaphragmen auf, die durch . Abscheidung von Asbestfasern oder von anderem. Diaphragmamaterial 7e (Figur 6a) auf die Kathodensiebe durch Aufsaugen aufgebracht worden sind,, weswegen Saugstutzen 7f in jedem Rahmen für diesen Zweck vorgesehen sind.

Die Zelleneinheiten in der Ausführungsform der Figuren 9, 10 und 11 werden durch lange Schrauben und Muttern, wie in Figur 3 gezeigt, zusammengehalten und an den Deck- und Bodenplatten : werden positive bzw. negative elektrische Anschlüsse angebracht. Die bipolare Verbindung zwischen jeder Zelleneinheit B und der nächst niederen Zelleneinheit wird durch Verschrauben, Verschweißen oder vorzugsweise durch einen durch Vakuum aufrechterhaltenen Kontakt zwischen den Böden von Rippen oder Vorsprüngen 8a in den Stahlplatten und der Oberseite von Rippen oder Vorsprüngen in den Titan-Rückplatten 10b hergestellt, wie es in der Ausführungsform der Figuren 3 und 4 dargestellt

ist. ' ' .

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Der in den Kathodenkammern freigesetzte Wasserstoff strömt aus durch Wasserstoffauslaßkammern 4b (Figur 9), die mit. den Kathodenkammern in der Nähe von deren oberem Ende in Verbindung stehen, in die Wasserstoffableitungen 4 und in Wasserstoffsammelleitungen 4a (Figur 9). In den Wasserstoffauslaßkammern 4b hat der Wasserstoff Raum, um sich von der Katholytflüssigkeit zu trennen, die durch die Leitungen 4c im Kreislauf geführt wird, von dem unteren Teil der Kathodenkammern zu den Auslaßkammern 4b und zurück in die Kathodenkammern. Abstandshalter 7h an den äußeren Wänden und an den inneren Trennwänden der Mehrkammern-Rahmen 7i der- Ausführungsform der Figuren 9, 10 und 11 verhindern ein Zusammenfallen oder ein zu starkes Durchbiegen der Kathodensiebwellen 7a bei der Abscheidung des Diaphragmamateriales auf den Kathodenwellen unter Vakuum.

Obgleich die Zelleneinheiten der Figuren 1 bis 11 vorzugsweise im wesentlichen horizontal montiert sind, können sie auch jede gewünschte Neigung haben, bei der sie arbeiten. Es können natürlich auch andere Ausführungsformen verwendet werden. Eine Ausführungsform ist vorteilhaft, bei der die Zelleneinheiten und ihre Rahmen- und Isolierteile einen Winkel von etwa 5-30 zur Horizontalen bilden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform ist auch die, bei der die bipolare elektrische Verbindung zwischen den Zelleneinheiten durch das Gewicht der Zelleneinheiten und der darin enthaltenen Salzlösung aufrechterhalten wird.

Vorteilhaft ist auch die Verwendung von Ventilmetallanoden aus zwei dünnen Metallplatten, die unten miteinander verbunden sind, unten Löcher aufweisen und zwischen den Platten einen Raum aufweisen, durch den ein Elektrolyt geleitet, durch die Löcher nach außen und im Kreislauf wieder zurückgeführt werden kann.

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Claims (22)

GASE; 267.045 P A T E N T Αΐ S P R Ü G H E

1. - - Diapliragmen-Elektrolysezelle für Solelösungen, gekennzeichnet durch einen im wesentlichen horizontalen Kathodenrahmen (7) aus einem Eisenmetall, ein Metallkathodensieb (7a) in Wellenform, das im wesentlichen horizontal in dem Kathodenrahmen befestigt ist, eine Metallbodenplattß (8) für den Kathodenrahmen, mit der die Kathodensiebwellen elektrisch verbun- · den sind, einen isolierenden Anodenrahmen (9) auf dem Metallkathodenrahmen, eine auf dem-Anodenrahmen befestigte Rückplatte (10b) aus Ventilmetall, Ventillmetallanodenplatten (10), die elektrisch mit der- Ventilmetallrückplatte verbunden sind und in die Kathodensiebwellen ragen, so daß sie einen Elektrodenspalt mit den Wänden der Wellen bilden, einen elektrisch leitenden elektrokatalytischen Überzug auf den Anodenplatten, ein Diaphragma (7e) auf den Kathodensiebwellen,. einen positiven elektrischen Anschluß an der Ventilmetallrückplatte und einen negativen elektrischen Anschluß an der Kathoden-Bodenplatte.

2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Zelleneinheiten (B) aufeinandermontiert ist, die oberste Einheit positive elektrische Anschlüsse aufweist, die unterste Einheit negative elektrische Anschlüsse aufweist und zwischen den Zelleneinheiten bipolare elektrische Verbindungen bestehen. ■ .

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1"/ ^i L 267.045 Jfo ^ZZ54

3. Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bipolaren Verbindungen zwischen der Bodenplatte (8) eines Kathodenrahmens und der Ventilmetallrückplatte (10b) der Anodenplatten (10) bestehen.

4. Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatten (8) von jedem Kathodenrahmen Rippen (8a) aufweisen, die Ventilmetallrückplatten (10b) ebenfalls gerippt sind und die aneinanderliegenden Flächen der entsprechenden Rippen jeder dieser Platten durch Vakuum in elektrischem Kontakt miteinander gehalten werden.

5. Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen im wesentlichen rechtwinklig sind und die aneinanderliegenden Flächen mit einem Weichmetall beschichtet sind.

6. Zelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Weichmetall um Kupfer, Silber, Blei, Zinn, Aluminium oder um Legierungen von Kupfer, Silber, Blei, Zinn und Aluminium handelt.

7. Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelleneinheiten durch Langschrauben (11) und durch das Gewicht der Einheiten zusammengehalten werden.

8. Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelleneinheizontalen bilden.

die Zelleneinheiten einen Winkel von etwa 5 bis 30° zur Hori-

9. Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bipolare elektrische Verbindung zwischen den Zelleneinheiten durch das Gewicht der Zelleneinheiten und der darin enthaltenen Salzlösung aufrechterhalten wird.

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10. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenplatten (10). aus retikuliertem, expandiertem Titan "bestehen, das einen elektrisch leitenden elektrokatalytisehen Überzug trägt.

11. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß~ die Yentilmetallanodenplatten (10) aus doppelten Metallplatten, die unten zusammengefügt sind, bestehen und so geformt sind, daß sie einen Raum zwischen den Platten aufweisen, wobei die Platten nach unten hin löcher (1Od) aufweisen, durch die ein Elektrolyt im Inneren der Platten abwärts' durch die Löcher und außerhalb der Platten nach oben im Kreislauf geführt werden kann.

12. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Seite des isolierenden Anodenrahmens (9) kleine Löcher (9c) im unteren Teil des Anodenrahmens für die Einführung . einer Solelösung in den Anodenrahmen auf v/eist- und größere Löcher (9b) über den kleinen Löchern für das Entweichen von Anodengas aus dem Anodenrahmen aufweist.

13. Zelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher mit Solebehältern (1)für die Einführung von Sole in und die Aufnahme von Gas aus dem Inneren des Anodenrahmens und für das Abtrennen des Gases von der Sole in den Behältern verbunden sind.

14. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet', daß

der Kathodenrahmen verstellbare Vorrichtungen (5, 5a, b,^Nc, d, e) zum Ablassen der Kathodenflüssigkeit und separate Einrichtungen (4, 4a, b, c) zum Ablassen des Kathodengases aufweist.

15. Zelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Niveau der Solelösung in den Behältern (1)" gesteuert wird, um den Fluß von Solelösung durch die Kathodendiäphragmen zu steuern. ·

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267.045 ^₁ 22o4b29

16. Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zelleneinheit oberhalb des Niveaus der Anodenplatten und unter der Ventilmetallrückplatte einen Raum für das Anodengas aufweist, der sich über die Breite jeder Zelleneinheit erstreckt.

17. Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatten (8) und die Ventilmetallrückplatte (10b) ungefähr 1 bis 2 mm dick sind, die Anoden (10) an die Ventilmetallrückplatten angeschweißt sind und die Kathodenwellen (7a) an die Stahlbodenplatten angeschweißt sind.

18. Zelle nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatten (8), die Anodenplatten und die Ventilmetallrückplatten (10b) gerippt sind, die Anoden in rechten Y/inkeln zu den Rippen mit den Rückplatten verbunden sind und die Kathodenwellen in rechten Winkeln zu den Rippen an die Bodenplatten geschweißt sind,

19. Zelle nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (8a) der gerippten Bodenplatten und die entsprechenden Vorsprünge der gerippten Ventilmetallrückplatten durch Vakuum in elektrischem Kontakt zusammengehalten werden.

20. Diaphragmen-Elektrolysezelle für Solelösungen, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von im wesentlichen horizontalen, bipolaren Zelleinheiten (B), von denen jede einen rechtwinkligen Stahlrahmen (7), ein rechtwinkliges isolierendes Glied (9) zwischen den Stahlrahmen, in den Stahlrahmen befestigte Stahlkathodenwellen (7a), Ventilmetallanodenplatten (10) zwischen den Stahlkathodenwellen, einen elektrisch leitenden elektrokatalytisehen Überzug auf den Ventilmetallanodenplatten und bipolare Verbindungen zwischen den Zelleneinheiten aufweist.

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21. Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmen- und Isolierglieder in einem Winkel von 5 "bis 50° zur Horizontalen montiert sind.

22. Verfahren zur Einführung eines zu elektrolysierenden Elektrolyten in eine Diaphragmazelle, die Metallkathoden inhorizontal gewellter Form, bedeckt mit einem Diaphragma,, und dimensions stabile hohle Metallanoden zwischen jeder Kathodenwelle aufweist, so daß ein Elektrolyse-Zwischenraum .gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt durch die / hohle Metallanode und durch Löcher im unteren Teil der Anode in den Elektrolyse-Zwischenraum geleitet wird und der das
Chlor tragende Anolyt im Elektrolyse-Zwischenraum aufsteigt, eine Zirkulation erzeugt und den Ohmschen Widerstand verringert.

23e "Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die hohlen Metallanoden in der Zelle mit einem Diaphragma bedeckt sind und der Anolyt sowie der Katholyt durch die
Diaphragmen; die die hohlen Metallanoden und die Kathodenwellen bedecken, geleitet wird.

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