DE2336609C3 - Elektrolytische Zelle für die Herstellung von Alkalimetallschloraten aus Alkalimetallschloridlösungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrolytische Zelle für die Herstellung von Alkalimetallchloraten aus Alkalimetallchloridlösungen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine elektrolytische Zelle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist aus der DE-OS 19 47 157 bekannt. Bei dieser elektrolytischen Zelle bildet der Kathodenkasten drei Seitenwände der Zelle und sind an ihm einstückig plattenfönnige Kathoden ausgebildet. Die Anoden sind zwischen Klemmleisten eingespannt, die eine Seitenwand der Zelle bilden. Die Kathoden und Anoden greifen kammartig ineinander, so daß jeweils eine Anode zwischen zwei Kathoden und eine Kathode zwischen zwei Anoden zu liegen kommt. Die Herstellung der bekannten Zelle ist sehr aufwendig und bietet wenig Anpassungsmöglichkeiten für die Auslegung der Zelle im Hinblick auf eine bestimmte Belastbarkeit, da der Kathodenkasten mit den Kathodenplatten als Ganzes hergestellt werden muß. Darüber hinaus stellt auch die aus Klemmleisten bestehende Seitenwand zur Halterung der Anoden eine recht aufwendige Lösung

dar. Eine einzelne Anode kann zwar herausgenommen werden, jedoch muß dazu die gesamte Anodenanordnung auseinandergenommen werden. Bei der bekannten elektrolytischen Zelle dürfte die Abführung der an den Elektroden entstehenden Gase außerdem Schwierigkeiten bereiten.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine elektrolytische Zelle zu schaffen, die auf einfache Weise herstellbar ist, eine robuste Konstruktion aufweist und im Betrieb sehr leistungsfähig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere in der Flexibilität bei der Dimensionierung der Zelle. Bei der im Anspruch 2 angegebenen Ausgestaltung der Erfindung wird die Stromausbeute verbessert und die Saüerstoffbildung herabgesetzt Die Zelle wird im genuteten Zustand betrieben und die entwickelten Gase werden mit dem flüssigen Elektrolyten abgezogen, so daß das Gasvolumen innerhalb der Zelle relativ klein ist und dadurch die Explosionsgefahr verringert wird. Bei der im Anspruch 7 angegebenen Ausgestaltung der Erfindung bilden die Zellenwände einen Teil des elektrischen Kreises und werden die Sammelleitungen für die Anoden bzw. die Kathoden durch den Elektrolyten, der durch die Zelle gepumpt wird, gekühlt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine elektrolytische Zelle im Seitenaufriß;

F i g. 2 die Zelle nach Fig. 1;

F i g. 3 die Zelle nach Fig. 1 in Seitenansicht; F i g. 4 das Innere der Zelle nach F i g. 1 von oben;

F i g. 5 einen Schnitt nach 5-5 von F i g. 4;

F i g. 6 einen Schnitt nach 6-6 von F i g. 5;

F i g. 7 eine perspektivische Ansicht der Anode und

F i g. 8 eine Ansicht im Schnitt nach 8-8 von F i g. 4.

Die Zeichnungen zeigen eine elektrolytische Zelle für die elektrolytische Herstellung von Alkalichloraten, beispielsweise Natriumchlorat, aus Alkalichlorid-Salzlösungen. Die Zelle umfaßt einen rechteckigen Behälter 10, der aus einem elektrisch-leitfähigen Material, wie einem heiß-gewalztem Kohlenstoff-Stahlblech hergestellt ist. Der Behälter 10 hat Seitenwände 12 und 14, Endwände 16 und 18 und einen geschlossenen Boden 20, die miteinander verschweißt sind. Dielektrische Untersätze 22 wirken als Stützen und isolieren den Behälter 10 von der Erde. Ein geflanschtes Verbundstück 24 ist an ein Röhrensystem (nicht gezeigt) gekoppelt, das das Salzlösungsbeschirkungsgut aus Vorrattanks in dem unteren Teil des Behälters 10. In der Zelle erzeugte Wärme kann entweder durch Kühlen der umgewälzten Flüssigkeit in einem äußeren Wärmeaustauscher oder durch Kühlwasser, das durch innere Schlangen gepumpt wird, abgeführt werden.

Die Kathoden C werden paarweise außerhalb der Zelle so hergestellt, daß Kathodeneinheiten gebildet werden, die eine Konfiguration aufweisen, die Kästen mit offenen Enden ähnlich ist; die Kathodeneinheiten werden danach an das Zelleninnere angeschweißt. Jede Kathode Centhält ein heißgewalztes Kohlenstoff-Stahlblech mit einer Vielzahl von Schlitzen 28. Die Schlitze 28 sind in senkrechter Orientierung in einer rhombusförmigen Konfiguration gezeigt, obgleich andere geeignete, durchlöcherte Konstruktionen in Form von Streckmetall, Maschen oder Sieben oder ineinander verflochtenen Streifen oder Stäben oder Lamellen vorgesehen sein können. Es wird für ungefähr 20 bis 30% offener Fläche gesorgt, die für die Abführung der während der Elektrolyse entwickelten Gase sorgen soll, was der Stromausbeute förderlich ist. Jedoch wird ein genügend großer Querschnitt an Metall zurückgehalten, so daß das Stromführungsvermögen aufrechterhalten bleibt. Senkrecht im Abstand zueinander angeordnete Verteilerstäbe 30 sind an die Rückseite jeder Kathode C angeschweißt, um den Stromweg zu verkürzen und um als verstärkende oder versteifende Rippen zu wirken. Die Seitenkanten der Kathode Csind entlang Nähten 32 an gegenüberliegende Seiten von Zungen eingelassener Stahlstäbe 34 angeschweißt. Die letzteren haben die gleiche Höhe wie die Katnoden jeder Kathodeneinheit in festgelegter Anordnung voneinander zu halten, damit die Anoden A dazwischen aufgenommen werden können. Die Kathodeneinheiten werden dann am Inneren des Behälters 10 befestigt, indem die Stahlstäbe 34 entlang der Nähte 36 an die Endwände 16 und 18 angeschweißt werden. Stützen 38 werden entlang der Bodenkante der zusammengebauten Kdthodeneinheiten angeschweißt, damit sich eine weitere Verstärkung ergibt und damit eine aufgehängte Anode A daran gehindert wird, auf den Boden 20 zu fallen, und aufgefangen wird, falls sie aus ihrer Verbindung gelöst wird. L-förmige Bügel 40 aus einem geeigneten elektrischisolierenden und chemisch beständigen Material, wie Polyvinylidenfluorid oder Polytetrafluoräthylen, werden durch Schrauben 41 entlang der oberen Kante der Kathoden C in einer Anordnung befestigt, in der sie längs voneinander getrennt sind. Die Bügel 40 wirken als die Anoden A im Abstand haltende Führungen, wenn die Anoden in die kastenähniichen Kathodeneinheiten eingeführt werden, und verhindern zusätzlich einen Kurzschluß im Falle, daß eine Anodenaufhängung versagt

Ein Flansch 42 wird außen an dem Behälter 10 entlang dessen oberer Kante angeschweißt, und eine geeignete chemisch-be.nändige und isolierende Dichtung 43 wird auf den Flansch und die inneren Ränder der ihr benachbarten Wände gelegt Eine leitfähige Abschlußplatte 44, vorzugsweise eine Titan- oder Titanlegierungsblech- oder Verbundkonstruktion, wird dann durch Isolierbolzen 46 derart auf den Flansch 42 montiert, daß ein Deckel für den Behälter 10 und eine Aufhängevorrichtung für die Anoden A gebildet wird. Eine solche Verbundkonstruktion kann aus Stahl bestehen, der explosiv zwischen Außenschichten aus Kupfer und Titan gebunden ist.

Die Anoden A sind flache Platten von im allgemeinen rechteckiger Form, die vorzugsweise aus einem Ventilmetall, wie Titan, das auf beiden Seiten mit einem Metall oder Metalloxid aus der Platingruppe überzogen ist, hergestellt sind. Ein Stab 48 mit vergrößertem Querschnitt wird längs der oberen Kante der Anoden A angeschweißt, um die Stromverteilung zu verbessern. Ein kreisförmiger Druckstempel 50, der eine umgebördelte Schulter aufweist, auf der ein O-Ring 52 ruht, wird an dem oberen mittleren Teil des S'abes 48 angeschweißt. Eine hoch-leitfähige Stiftschraube 54 wird in passende Gewindelöcher in dem Druckstempel 50 und dem Stab 48 eingeschraubt. Das bevorzugte Material für den Stab 48 und den Druckstempel 50 ist wiederum Titan oder eine Legierung des Titans. Die Anoden A werden aufgehängt, indem die Stiftschrauben 54 durch Löcher in der Abschlußplatte 44 und Gewindemuttern 56 über die freiliegenden Enden der Stiftschrauben 54 gesteckt werden. Der O-Ring 52 wird gegen die innere Oberfläche der Abschlußplatte 44 gedrückt, so daß sich ein gas- und flüssigkeitsdichter Verschluß ergibt Ein in Längsrichtung geschlitzter, zylindrischer Isolator 58 aus chemisch-beständigem Material, wie Polyvinylidenfluorid, wird an der unteren Kante von jeder der Anoden A durch nicht-leitende, korrosionsbeständige Dübel 59 befestigt. Die Isolatoren 58 weisen einen solchen Durchmesser auf, daß für einen gleitenden Sitz an den gegenüberliegenden Oberflächen der gepaarten Kathoden in jeder Kathodeneinheit gesorgt wird, wie am besten aus der F i g. 6 zu ersehen ist. So wird beispielsweise ein Satz von drei Anoden ,4 in jede Kathodeneinheit eingeführt, indem die Isolatoren 58

durch die im Abstand an der oberen Kante der Kathodeneinheiten angeordneten Bügel 40 geschoben werden. Die Bügel 40 und die Isolatoren 58 gewährleisten, daß die Oberfläche der Anoden A mittig in den Kathodeneinheiten gehalten werden. Die Elektrodenfolge der vorsteh nd beschriebenen Zelle ist Kathode-Anode-Kathode-Kathode-Anode-Kathode-Kathode-Anode-Kathode---.

Strom wird durch die Stiftschrauben 54 zu den Anoden A geleitet. Ein dünnes Blech 60 aus einem hochleitfähigen Metall, wie Aluminium oder Kupfer, das eine ausgedehnte Oberfläche aufweist, wird so dazwischen gelegt, daß es an der oberen Oberfläche der Abschlußplatte 44 anliegt und als eine Anoden-Sammeliinie wirkt. Die gegeneinander anliegenden Flächen des Blechs 60 und der Abschlußplatte 44 werden hoch poliert, damit sie miteinander in innige Berührung kommen können. Nach oben stehende Schrauben 62, die in Gewindelöcher in der Abschlußplatte 44 eingeschraubt sind, treten durch passende Löcher in dem Blech 60 hindurch, und dieses wird durch Muttern 64 fest mit der Abschlußplatte 44 verbunden. Da das Blech 60 eine verhältnismäßig große Oberfläche für die Wärmeverteilung zur Verfugung stellt, kann der Querschnitt entsprechend herabgesetzt werden. Leiteranschlußklemmen 66 sind in herkömmlicher Weise an dem Blech 60 befestigt und dienen dazu, die Anoden A an die positive Seite einer Gleichstromleitung 67 für hohe Stromstärken anzuschließen.

Die negative Seite der Gleichstromquelle ist in ähnlicher Weise an die Kathoden C angeschlossen. Verhältnismäßig dünne U-förmige Sammelleitungen 68 und 70 aus Kupfer oder Aluminium werden so an die Wände 14, 16 und 18 beispielsweise durch Schweißen oder Hartlöten angeschlossen, daß sie mit ihnen in innige Berührung kommen. Mittels Streifenklemmen 72 werden die Kathoden-Sammelleiter 68 und 70 an die Leitung 74 der negativen Seite der Gleichstromzuleitung angeschlossen. Wie im Falle des Blechs 60 erstreckt sich der Oberflächenbereich der Kathoden-Sammelleilcr 68 und 70 so weit, daß er einen guten Anteil der Behälterwände bedeckt, und wegen der Fähigkeit der ausgedehnten Oberfläche, Wärme zu verteilen, werden die Anforderungen an den Metalleiter demgemäß herabgesetzt, was auch eine Verminderung der Dicke zur Folge hat. Auf Grund der Konfiguration der Sammelleiter 68, 70 kann der Strom durch sie hindurch, statt entlang der Zellenwände zu fließen, wodurch Energieverluste infolge weniger leitfähiger Metalle herabgesetzt werden. Demgemäß können die Zellenwände im Einklang mit mechanischen Erwägungen statt unter Berücksichtigung elektrischer Betrachtungen

ίο entworfen werden.

Schließlich erfolgt das Austragen des Elektrolyten, der in die Zelle gepumpt wird, durch ein Rohrstück 76, das in die Abschlußplatte 44 eingearbeitet ist. Dies bewirkt, daß die Zelle in geflutetem Zustand zu

!<;, betreiben ist, so daß der Elektrolyt beständig über die Innenflächen der Abschlußplatte 44 und des Behälters 10 strömt, so daß die Zelle selbst als Wärmeaustauscher wirkt. Auf diese Weise kühlt die Zellenflüssigkeit, deren Temperatur 71,1 bis 73,9° C betragen kann, die Wände der Zelle und die Abschlußplatte 44. Das Blech 60 und die Sammelleiter 68 und 70, deren ausgedehnte Oberflächen in inniger Berührung mit der Zelle selbst stehen und die bei einer Temperatur von vielleicht 148,9°C arbeiten, können folglich auf Grund der Außenkühlung mit Luft und der Innenkühlung mit Flüssigkeit verkleinert werden. Die aus dem Rohrstück 76 ausgetragene Flüssigkeit wird dann zu einem speziell ausgelegten, äußeren Entgaser 78 geleitet, hinter dem das Chlorat von dem Chlorid durch herkömmliche

jn Verdampfungs-, Kristallisation- und Zentrifugiermethoden abgetrennt wird.

Beim Zusammenbau der Zelle für den Betrieb werden die Anoden A zwischen den Kathoden C so weit eingeschoben, bis die Schulter des Stabes 48 auf den

« Bügeln 40 sitzt. Während des Einschiebens berührt der zylindrische Isolator 58 gleitend die benachbarten Kathodenoberflächen, und die Bügel 40 greifen gleitend in die gegenüberliegenden Anodenoberflächen ein, wodurch gleich große und genaue Zwischenelektrodenfugen sichergestellt werden. Da die Isolatoren 58 und die Bügel 40 aus nicht-melailischen Stoffen bestehen, wird die Gefahr, daß Überzüge auf den Anoden zerkratzt werden, vermieden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Elektrolytische Zelle für die Herstellung von Alkalimetallchloraten aus Alkalimetallchloridlösungen, umfassend einen Behälter, eine Mehrzahl von im wesentlichen flachen, innerhalb des Behälters mit einem horizontalen Abstand voneinander angeordneten Kathoden, eine Mehrzahl von im wesentlichen flachen Anoden, die jeweils zwischen zwei Kathoden angeordnet sind, Anschlußeinrichtungen zum Anlegen einer Gleichspannung an die Elektroden und Einrichtungen zum Einleiten der Alkalimetallchloridlösung in den Behälter, so daß die Elektroden in den Elektrolyten eintauchen, und zum Abziehen der Alkalimetallchlorid-Z-chloratlösung nach dem Durchführen der Elektrolyse, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei Kathoden (C) zu einer kastenförmigen, hohlen an der Oberseite und Unterseite offenen Kathodeneinheit miteinander verbunden sind, die in den 'rogförmig ausgebildeten Behälter (10) eingesetzt ist, und daß in jede Kathodeneinheit eine Anode (A) mittig eingehängt ist, wobei die Unterkante der Anode (A) im wesentlichen mit den Unterkanten der entsprechenden Kathoden (C) endet.

2. Elektrolytische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden (C) jeder Kathodeneinheit mit Durchbrechungen (28) versehen sind.

3. Elektrolytische Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kathoden (C) jeder Kathodeneinheit durch längliche, leitfähige Elemente (Stahlstäbe 34) derart miteinander und mit den Endwänden (16, 18) des Behälters (10) verbunden sind, daß die Kathoden (C) senkrecht stehen und ihre Unterkanten einen Abstand vom Behälterboden (20) aufweisen.

4. Elektrolytische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden (A) an einer den Behälter (10) abschließenden Abschlußplatte (44) angeordnet sind, die mit dem Behälter (10) von diesem elektrisch isoliert verbindbar ist.

5. Elektrolytische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Ende jeder Anode (A) ein im wesentlichen zylindrisches und im wesentlichen parallel zur Anodenunterkante verlaufendes Isolierstück (58) angeordnet ist, dessen Durchmesser so gewählt ist, daß ein gleitender Sitz der Anode (A) zwischen den Kathoden fQeiner Anodeneinheit erhalten wird.

6. Elektrolytische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den oberen Kanten der Kathoden (C) jeder Kathodeneinheit Isolierstücke (40) angeordnet sind, die gleitend an einander entgegengesetzten Oberflächen der zwischen den Kathoden (C) aufgehängten Anoden (A) anliegen.

7. Elektrolytische Zelle, umfassend einen Behälter, eine Mehrzahl von innerhalb des Behälters angeordneten Kathoden, eine Mehrzahl von in einem räumlichen Abstand zu den Kathoden angeordneten Anoden, Anschlußeinrichtungen zum Anlegen einer Gleichspannung an die Elektroden und Einrichtungen zum Einleiten des Elektrolyten in den Behälter sowie zum Abziehen des Elektrolyten aus dem Behälter, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der wannenförmige Behälter (10) elektrisch leitend ausgebildet ist, daß der Behälter (10) durch einen Deckel in Form einer aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehenden Abschlußplatte (44) verschließbar ist, daß Mittel vorgesehen sind, um die Abschlußplatte (44) gegenüber dem Behälter (10) zu isolieren, daß die Anoden (A) an der Abschlußplatte (44) aufgehängt und die Kathoden an dem Behälter (10) befestigt sind, daß die Anschlußeinrichtungen Sammelleitungen (60,68,70) für die Anoden (A) bzw. die Kathoden (C) umfassen, die jeweils eine große Oberfläche und einen geringen Querschnitt besitzen und mit engem Oberflächenkontakt an der Abschlußplatte (44) bzw. der äußeren Oberfläche des Behälters (10) anliegen und daß die Einrichtungen

!5 zum Einleiten und Abführen des Elektrolyten so ausgebildet sind, daß der Elektrolyt unter Fluten der Zelle durch diese hindurchgepumpt wird und dabei praktisch mit der gesamten Innenfläche des Behälters (10) und der Abschlußplatte (44) in Berührung steht

8. Elektrolytische Zelle nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußplatte (44) einen einzigen Auslaß (76) für das Abführen des Elektrolyten aufweist, dei derart angeordnet ist, daß der Behälter (10) der Zelle stets gefüllt ist.

9. Elektrolytische Zelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Entgaser (78) vorgesehen ist