DE2328770A1

DE2328770A1 - Dichtung zwischen bipolarer elektrode und trennplatte

Info

Publication number: DE2328770A1
Application number: DE2328770A
Authority: DE
Inventors: John Edward Schmidt; Iii Orlando Worth Stephenson
Original assignee: BASF Wyandotte Corp
Current assignee: BASF Corp
Priority date: 1972-06-07
Filing date: 1973-06-06
Publication date: 1974-01-03
Also published as: NO138152B; SE392130B; JPS535880B2; BE800601A; ZA733828B; US3752757A; GB1435129A; FR2187415B1; CA1009183A; NO138152C; FR2187415A1; JPS5046599A; IT985333B

Description

BASF Wyandotte Corporation

Unser Zeichen: Ό. Ζ. 297Ο/ΟΟ695 Ki/Rf/Ja Wyandotte, Mich. 48192, USA,

Dichtung zwischenbipolarer Elektrode und Trennplatte

Die vorliegende Erfindung betrifft Elektrolysezellen und insbesondere Elektrolysezellen für die Herstellung von Chlor und Ätzalkali, die dem Fachmann als nach Art der Filterpresse angeordnete Diaphragmenzellen bekannt sind. Es wird ein neues Zweipunkt-Dichtungssystem für die Schraubverbindung zwischen einer Kathode und Anode durch die Trennplatte hindurch aufgezeigt, das das Hindurchtreten von Elektrolyt durch das Schraubloch verhindert.

Wie aus der ACS Monographie 1.154,"Chlorine", Reinhold Publishing Company, New York, N.Y., I962, zu ersehen ist, werden für die Herstellung von Chlor und Ätzalkali aus wäßrigen Alkalichloridlösungen seit vielen Jahren allgemein Diaphragmenzellen verwendet. Die Filterpressenanordnung von Diaphragmenzellen gewinnt dabei für Chlorhersteller immer größeres Interesse. Es wird jedoch noch nach befriedigenden kompakten und lecksicheren elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Zellen gesucht. Bei einigen Zellenarten sin4 die äußeren Drahtverbindungen zwischen den einzelnen Zellen abzulehnen. In anderen Fällen, z. B. bei· der Zelle gemäß U.S. Patent 5,242,059* werden als Zellteiler und elektrische Verbindungen kostspielige Teile aus Titan verwendet. Um eine kompakte und wirtschaftliche Filterpressenanordnung zu erzielen, benötigt man eine wirksame, lecksichere elektrische Verbindung, die den Einsatz einer Kunststoff-Trennplatte ermöglicht.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine verbesserte, nach Art einer Filterpresse konstruierte bipolare Elektrolysezelle für die Herstellung von Chlor aus wäßrigen Alkalichloridlösungen, in der die Metallanode und die Metallkathode benachbarter Zellen durch Gewindeverbindungen in direkter elektrischer Verbindung miteinander stehen und Anode und Kathode durch eine zwischen ihnen■angeordnete elektrisch inaktive Trennplatte räumlich voneinander getrennt sind.

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Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die elektrische und mechanische Verbindung zwischen Anode und Kathode benachbarter Zellen zu verbessern und gleichzeitig einen Elektrolytoder Gasfluß durch die Trennplattenfuge zwischen Anode und Kathode zu verhindern. Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Elektrolysezelle gelöst durch

(1) wenigstens je einen Zapfen auf einer Seite der Anode und Kathode, wobei die Zapfen so angeordnet sind, daß sie einander gegenüberliegen, und jeweils aus im wesentlichen demselben Material bestehen wie die Elektroden, an denen sie befestigt sindi und einen O-Ring auf der die Trennplatte berührenden Se^te jedes Anoden- und Kathodenzapfens, wobei der O-Ring das Gewindeverbindungsmittel jedes Zapfens umgibt und durch einein diesen Zapfen eingelassene Nut festgehalten wird, deren Tiefe etwas geringer ist als der Durchmesser des Querschnitts des O-Ringes, so daß der O-Ring zusammengepreßt wird, wenn die mechanisch-elektrische Verbindung zwischen Anode und Kathode hergestellt ist, und

(2) dadurch, daß jeder Zapfen eine druckaufnehmende Schulter besitzt, die dem anderen Zapfen genau gegenüberliegt und das Gewindeverbindungsmittel umgibt, wobei ein Zapfen eine Öffnung zur Aufnahme einer Schraube aufweist,die durch den Zapfen hindurch in den zweiten (anderen) Zapfen hineinragt .und aus im wesentlichen demselben Material wie der Zapfen, den sie durchdringt* besteht, und der erste Zapfen darüber hinaus eine druckaufnehmende Schulter besitzt, die der durckaufnehmenden Schulter der Sehraube entspricht und ihr gegenüberliegt, und wobei die O-Ringe und die druckaufnehmenden Schultern so angeordnet

" sind, daß, wenn die Schraube durch den ersten Zapfen hindurch mit dem zweiten Zapfen verbunden wird, die beiden O-Ringe und die beiden druckaufnehmenden Schultern im wesentlichen gleichzeitig zusammengepreßt werden, wobei jedoch der auf die Ö-Ringe ausgeübte Druck unabhängig von dem auf die sich unmittelbar berührenden druckaufnehmenden Schultern ausgeübten Druck ist,

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wodurch der Druck auf die druckaufnehmenden Schultern unabhängig von den Druckänderungeh im O-Ring, die auf sich ändernde physikalische Eigenschaften des O-Ringes zurückzuführen sind, aufrechterhalten wird, so daß der O-Ring eher als Dichtring denn;-als O-Ring wirkt.

Die beigefügte Zeichnung ist ein entlang der Längsachse der Schraube verlaufender Teilquerschnitt durch das verbesserte Verbindungsund Dichtungssystem für bipolare Elektroden,

In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist, ist eine bipolare Elektrolysezelle für die Herstellung von Chlor und Ätzalkali mit einer Metallanode 1, einer Kunststoff-Trennplatte 2 zwischen benachbarten Zellen der Filterpressenanordnung und der Metallkathode 3 der benachbarten Zelle ausgerüstet. Um das Verschrauben der Anode mit der Kathode 3 zu erleichtern, ist an der Anode 1. ein Zapfen 4 und.an der Kathode 3 ein entsprechender Zapfen 5 befestigt, und zwar in der Weise, daß das mit Innengewinde versehene Schraubloch l8 des Anodenzapfens 4 und die Bohrung 22 im Kathodenzapfen 5 sich, in axialer Richtung decken, so daß die Schraube 20 ohne Schwierigkeiten eingeführt und eingedreht werden kann. Die mechanische und elektrische Verbindung wird dadurch hergestellt, daß man die Schraube 20 durch eine der Elektroden (in der Zeichnung durch die Kathode 3, obwohl es ebensogut möglich ist, die Schraube in der anderen Richtung durch die Anode 1 einzuführen) und deren Zapfen hindurchsteckt und in das mit'Innengewinde versehene Schraublqch 18 des Zapfens 4 einführt. Das Außengewinde der Schraube 20 greift in das Innengewinde 11 des Anodenzapfens 4 ein. Die Schraube 20 wird so lange gedreht, bis fester Kontakt (a) zwischen der druckaufnehmenden Schulter 9 des Schraubenkopfes und der druckaufnehmen-' den Schulter 10 des Kathodenzapfens und (b) zwischen der druckaufnehmenden Fläche 12 des Kathodenzapfens und der druckaufnehmenden Fläche 13 des Anodenzapfens hergestellt ist. Dem Fachmann ist ohne weiteres klar, daß die druckaufnehmenden Flächen 9 und 10 sowie 12 und 13, die in der Zeichnung flach dargestellt sind, auch abgeschrägt oder konisch sein können, wobei die Form weniger wichtig .ist als das Erfordernis eines festen Kontakt ergebenden Aufeinander-

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passens, das in einer starken mechanischen und massiven elektrischen Verbindung resultiert. Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß die Kunststoff-Trennplatte mit einer öffnung versehen ist, durch die ein Teil eines Zapfens hindurchragt, so daß er an dem anderen Zapfen anliegt. Die öffnung ist jedoch wesentlich kleiner als der Gesamtdurchmesser des Zapfens. Vorzugsweise besitzen Anodenzapfen 4 und Kathodenzapfen 5 die gleichen radialen Abmessungen.

Das zweite Hauptmerkmal der Erfindung ist in ihrer abdichtenden Wirkung zu sehen. Die aus Kunststoff bestehende Trennplatte 2 wird durch die oben beschriebene Schraubverbindung mechanisch zwischen Anodenzapfen 4 und Kathodenzapfen 5 festgeklemmt. Um an den Zapfen die gewünschte Abdichtung zu erzielen, ist jeder Zapfen mit einer 0-Ring-Nut 14, 16 versehen, die das Schraubloch 22, 18, und zwar vorzugsweise konzentrisch, auf derjenigen Seite des Zapfens umgibt, die dem anderen Zapfen zugewandt ist. In jeder dieser Nuten 14, 16 befindet sich ein 0-Ring (6 und 6a bzw. 7 7a). Die Tiefe der O-Ring-Nuten 14, 16 beträgt etwa 0,5 bis 0,9 des Querschnittsdurchmessers des nicht zusammfeedrückten 0-Ringes. Der auf die 0-Ringe 6,7 ausgeübte Druck ist im wesentlichen unabhängig von dem auf die druckaufnehmenden Flächen 9* 10 und 12, 13 ausgeübten Druck, doch werden die genannten Teile und Flächen im wesentlichen gleichzeitig diesen Drücken ausgesetzt. So sind Druckveränderungen in den 0-Ringen auf geänderte physikalische Eigenschaften der O-Ringe zurückzuführen, was bedeutet, daß die 0-Ringe als Dichtringe wirken.

Die Anode 1 und der Anodenzapfen 4 können gegebenenfalls durch Schweißen, z. B. Punktschweißen, auf einem Anodensubstrat aus Titan-Streckmetall befestigt werden und bestehen zweckmäßigerweise aus einem Ventilmetall oder einer Legierung eines Ventilmetalls. Unter Ventilmetallen sind für die Zwecke dieser Erfindung Wolfram, Titan, Zirkonium, Tantal und Niobium zu verstehen. Man verwendet vorzugsweise Titan oder Tantal, und zwar gewöhnlich handelsüblich reine Sorten, wie z. B. auf elektrolytischem Wege hergestellte Sorten. Auch Legierungen des Titans können verwendet werden, vorausgesetzt, daß sie das Kriterium der Passivität erfüllen; Metallegierungen, die sich passig^g^ 1¹^¹Fb f^f ^anodiscn polarisiert werden,

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können'selbst bei Überschreitung der für die Umwandlung eines Chloridions in Chlor benötigten Anodenspannung passiv bleiben. Die in diesem Zusammenhang auftretende Erscheinung der Passivität wird in einem Artikel von Greene in der Ausgabe von April 1962 der Zeitschrift "Corrosion", S. 136-t bis 1^2-t, erörtert; hinzuweisen ist besonders auf Fig. 1 des Artikels, in der der typische Aktiv-Passiv-Übergang eines Metalls zu einem ätzenden Medium beschrieben wird. Titanlegierungen mit Aluminium, Vanadium, Palladium, Chrom oder Zinn, in denen die letztgenannten Metalle zu weniger als 10 % enthalten sind, sind ebenfalls geeignet.

Es ist ebenfalls möglich, die Anode 1 in an sich bekannter Weise mit wenigstens einem Metall der Platingruppe oder mit einer Verbindung eines solchen Metalls, z. B. einem Oxid, zu überziehen. Die Platingruppe umfaßt Platin, Ruthenium, Osmium, Rhodium, Iridium und Palladium sowie Legierungen von zwei oder mehr der vorgenannten Metalle. Die genannte Gruppe von Metallen wird als Platingruppe bezeichnet, weil vorzugsweise Platin verwendet wird.

Kathode 3 und Kathodenzapfen 5 werden ebenfalls zweckmäßigerweise durch Schweißen miteinander verbunden und werden, wie bereits bekannt, vorteilhafterweise aus Eisen.oder einer Eisenlegierung hergestellt, wobei vorzugsweise Eisen oder Stahl verwendet werden.

Die Schraube 20 besteht vorzugsweise aus demselben oder einem ähnlichen Metall wie die Elektrode, durch die sie hindurchgeführt wird. Demgemäß würde sie in der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform aus Eisen oder Stahl bestehen.

Die O-Ringe 6 und 7 und die Kunststoff-Trennplatte 2 können aus irgendeinem der herkömmlichen, auf diesem Gebiet verwendeten Wirkstoffe bestehen, z. B. Gummi, chlorierte Kunststoffe, Polypropylen, Polymere und Copolymere des Trifluorchloräthylens, Tetrachloräthylens und Tetrafluoräthylens,' wie sie unter Warenzeichen wie Teflon und KeI-P in den Handel gebracht werden. Selbstverständlich kann die Trennplatte 2 Verstärkungs-Füllstoffe· enthalten, z. B. Ruß oder Asbest, und zwar zur Erzielung gewisser struktureller und chemischer Festigkeitseigenschaften, die bei einem O-Ring nicht gefordert sind.

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Aus der obigen Beschreibung ergeben sich für den Fachmann ohne weiteres eine ganze Reihe anderer Ausführungsformen, die als unter den Schutzumfang dieser Erfindung fallend anzusehen sind.

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Claims

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Patentansprüche

Bipolare Filterpressen-Elektrolysezelle für die Herstellung von Chlor aus wäßrigen Alkalichloridlösungen, in der die Metallanode und die Metallkathode benachbarter Zellen durch Gewindeverbindungen in direkter elektrischer Verbindung miteinander stehen und Anode und Kathode durch eine zwischen ihnen angeordnete elektrisch inaktive Trennplatte räumlich voneinander getrennt sind, gekennzeichnet durch wenigstens je einen Zapfen auf einer Seite der Anode und Kathode, wobei die Zapfen so angeordnet sind, daß sie einander gegenüberliegen, und jeweils aus im wesentlichen demselben Material bestehen wie die Elektroden, an denen sie befestigt sind, und einen O-Ring auf der die Trennplatte berührenden Seite jedes Anoden- und Kathodenzapfens, wobei der O-Ring das Gewindeverbindungsmittel jedes Zapfens umgibt und durch eine in diesen Zapfen eingelassene Nut festgehalten wird, deren Tiefe etwas geringer ist als •der Durchmesser des Querschnitts des O-Ringes, so daß der 0-Ring zusammengepreßt wird, wenn die mechanisch-elektrische Verbindung zwischen Anode und Kathode hergestellt ist, wobei, ' jeder Zapfen eine druckaufnehmende Schulter besitzt, die dem anderen Zapfen genau gegenüberliegt und das Gewindeverbindungsmittel umgibt, wobei ein Zapfen eine öffnung zur Aufnahme einer Schraube aufweist, die durch den Zapfen hindurch in den zweiten (anderen) Zapfen hineinragt und aus im wesentlichen demselben Material wie der Zapfen, den sie durchdringt, besteht, und der erste Zapfen darüber hinaus eine druekaufnehmeriäe Schulter besitzt, die der druckaufnehmenden Schulter der Schraube entspricht und ihr gegenüberliegt, und wobei die Ö-Ringe und die druckaufnehmenden Schultern so angeordnet sind, daß, wenn die Schraube durch den ersten Zapfen hindurch mit dem zweiten Zapfen verbunden wird, die beiden O-Ringe und die beiden druckaufnehmenden Schultern im wesentlichen gleichzeitig zusammengepreßt werden, wobei jedoch der auf die O-Ringe ausgeübte Druck unabhängig von dem auf die sich unmittelbar berührenden druckaufnehmenden Schultern ausgeübten Druck ist.

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2. Bipolafe Filterpressen-Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Nut das 0,5-bis 0,9-fache des Querschnittsdurchrnesser des O-Ringes ausmacht.
3. Bipolare Filterpressen-Elektrolysezelle nach Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden Flächen der Zapfen eben sind.
4. Bipolare Filterpressen-Elektrolysezelle nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode mit zumindest einem Platinmetall oder Platinmetallverbindung beschichtet ist.

Zeichn. BASF Wyandotte- Corporation

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