DE2360448B2 - Mehrfach-elektrolysezelle zur herstellung von alkalihydroxiden - Google Patents
Mehrfach-elektrolysezelle zur herstellung von alkalihydroxidenInfo
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- C25B1/34—Simultaneous production of alkali metal hydroxides and chlorine, oxyacids or salts of chlorine, e.g. by chlor-alkali electrolysis
- C25B1/46—Simultaneous production of alkali metal hydroxides and chlorine, oxyacids or salts of chlorine, e.g. by chlor-alkali electrolysis in diaphragm cells
Description
Die Erfindung betrifft eine Mehrfach-Elektrolysezelle tür Herstellung von Alkalihydroxiden nach dem
Diaphragmaverfahren, bestehend aus einer größeren Anzahl von elektrisch parallelgeschalteten, in einem
gemeinsamen Tank angeordneten Zellen-Einheiten, die jeweils eine vertikale Anoden-Platte und in geringem
Abstand davon ein vertikales Kathoden-Netz enthalten, wobei das Kathoden-Netz mit einem Asbest-Diaphragma
beschichtet ist, welches den Anoden-Raum der Zellen-Einheit gegen den Kathoden-Raum abteilt.
Zur Herstellung von z. B. kaustifizierter Soda und entsprechenden Alkalihydroxiden sind bereits Mehrfach-Elektrolysezellen
mit vertikalem Diaphragma bekannt. So zeigen die US-PS 27 42 419 und 27 42 420 Zellen mit einem Kathoden-Raum, der aus einer großen
Anzahl von zu einer Einheit vereinigten Kathoden-Abteilen besteht, von denen jedes von einer Eiscnnetz-Kathode
umgeben ist. Die Diaphragmen sind dabei zwischen den entsprechenden Anodenphtten angeordnet,
die eng beieinander innerhalb eines geräumigen, abgedichteten Tanks mit diesem befestigt sind. Aus der
GB-PS 11 53 502 ist weiterhin eine entsprechende Zelle
bekannt, bei der sich eine einzige, lange Kathodenkammer zick-zack-förmig durch die Zwischenräume zwischen
zahlreichen Anodenplatten, die sich Seite an Seite ebenfalls in einem geräumigen, abgedichteten, mit
Anoden versehenen Tank befinden, erstreckt. Darüber hinaus ist bekannt (OS 21 19 423), Anode und Kathode
wellenförmig in einer oder mehreren Zellen ineinander zu verschachteln, wobei der Abstand zwischen beiden
Elektroden durch Justieren der sie jeweils tragenden Platten gleichmäßig eingestellt wird.
Bei diesen bekannten Elektrolysezellen besitzen die Anodenplatten im allgemeinen eine verhältnismäßig
große Oberfläche, sie sind etwa 70-80 cm hoch und
können eine Breite von etwa 100-200cm aufweisen.
Weiterhin sind die Anoden und Kathoden in einem sehr geringen Abstand voneinander, in der Größenordnung
von 1 cm. angeordnet. Bei der Größe der Platten hat es sich dabei als außerordentlich schwierig erwiesen, den
*5 Plattenabstand innerhalb der Zelle überall gleichförmig
zu halte-, mit der Folge, daß die mittlere Zellen-Spannung auf einem Niveau von mehr als 4.0 V gehalten
werden muß. Ein weiterer Nachteil besteht bei den bekannten Zellen darin, daß die Beton- oder Gummiauskleidung,
mit denen die Innenwandung des die Anoden tragenden Tanks beschichtet ist, den Tank nicht
ausreichend gegen eine Korrosion durch das an der Anode entstehende Chlorgas schützt, so daß eine
häufige Reparatur des Tanks erforderlich wird. Auch die Eisennetz-Kathode und das Diaphragma müssen oft
repariert oder ersetzt werden, wobei es erforderlich ist. die gesamte, in ihren Einzelteilen zusammenhängende
Zelle auseinanderzubauen und nach dem Ersatz der schadhaften oder abgenutzten Teile wieder neu
zusammenzusetzen. Das ist außerordentlich zeit- und arbeitsaufwendig, wobei noch ein zusätzlicher Aufwand
dadurch entsteht, daß die Plattenabstände innerhalb der Zelle jedesmal wieder neu einjustiert werden müssen.
Mit der Erfindung soll eine Elektrolysezelle geschaffen werden, bei der ohne besonderen Aufwand ein
gleichförmiger Abstand zwischen den Anoden und Kathoden gewährleistet ist, so daß die Zelle mit einer
unterhalb von 4,0 V liegenden mittleren Zellen-Sp'annung
betrieben werden kann, und bei der eine leichte und schnelle Reparatur schadhafter und abgenutzter
Teile möglich ist.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß jede Zellen-Einheit zwei zueinander parallele
Kathoden-Netze enthält, die an ihrem oberen Ende über eine undurchlässige Kappe miteinander und an ihrem
unteren Ende über einen Halteflansch mit der als Kathoden-Leitung dienenden Bodenplatte des Tanks
' verbunden sind, und daß innerhalb des von den beiden Kathoden-Netzen begrenzten Raumes zwei den Kathoden-Netzen
parallele Anoden-Platten angeordnet sind, die auf gegenüberliegenden Seiten von mindestens zwei
aufrechten, zugleich als Anoden-Leitungen dienenden und durch die Bodenplatte des Tanks hindurchgeführten
Tragstäben befestigt sind.
Die Vorteile der Erfindung leiten sich im wesentlichen
daraus ab, daß jede Zelleneinheit eine in sich fertige Baugruppe ist, bei der die Kathoden-Netze die
Anoden-Platten nach Art eines Käfigs umfassen und bei
der die Befestigung aller Elektroden auf ein und das gleiche Bauteil bezogen ist. nämlich die Bodenplatte des
Tanks. Dadurch gelingt eine gute, stets reproduzierbare Justierung der Elektroden-Abstände ohne besondere
justierarbeiten, und dadurch gelingt auch eine einfache und schnelle Montage. Falls die Kathoden-Netze, die
normalerweise am stärksten reparaturanfällig sind, einmal ausgewechselt werden müssen, wird nur der
Kathoden-Käfig von der Bodenplatte gelöst und durch einen neuen Käfig ersetzt. Dieser bekommt dabei
zwangd läufig sofort die richtige Lage in bezug auf die Anoden-Platten, er braucht also weder nachjustiert zu
werden, noch braucht die gesamte Elektrolysezelle auseinandergenommen zu werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle, die die Einzelheiten
und Vorteile der Erfindung veranschaulicht, anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei stellen dar:
Fig. 1 einen Querschnitt einer Z^lleneinheit gemäß
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung (Schniltebene A-A in F i g. 2), und
F i g. 2 einen Ausschnitt aus einem Tank mit mehreren darin eingesetzten Zellen-Einheiten.
Die in Fig. 1 gezeigte Zellen-Einheit 1 enthält zwei
aufrechte Anodenplatten 2 aus Titan, die 2 - 3 mm stark sind und eine eleklroplattierte Oberflächenschicht 3 aus
z. B. einem Metall der Platin-Gruppe besitzen. Um diesen beiden Anoden-Platten herum ist ein Kathoden-Käfig
angeordnet, der aus einem Kathoden-Eisennetz 4 und einem darauf aufkaschierten Asbest-Diaphragma 5
besteht. Der Abstand zwischen dem Kaihoden-Käfig und der jeweils gegenüber liegenden Anodenplatte ist
dabei fest auf einen gleichmäßigen Wert in der Größenordnung von etwa b mm eingestellt. Der
Kathoden-Käfig ist nach oben hin durch eine undurchlässige Kappe 6 abgeschlossen, die aus einem gegenüber
dem sich bildenden Chlorgas und auch gegenüber der als Ausgangsmaterial eingesetzten Kochsalz-Lösung
(bzw. der Lösung des entsprechenden Alkalichlorids) korrosionsbeständigem Material besteht, beispielsweise
aus Gummi, Polyvinylchlorid oder Polyvinylidenfluorid.
An seinem unteren Ende ist der Kathoden-Käfig durch einen Halleflansch 7 gehalten, der mit seinen
vertikalen Schenkelflächen 8 an der Innenseite des Kathoden-Käfigs anliegt und der zweckmäßig aus dem
gleichen korrosionsbeständigen Material besteht wie die Kappe 6. In die Halteflansche 7 ist dabei
zweckmäßig, zur mechanischen Verfestigung, ein Eisenrahmen 11 eingebettet. Zur Befestigung des
Kathoden-Käfigs an dem Halteflansch 7 dienen flanschartige Klemmteile 12, die ihrerseits mittels
Schrauben 13 an einer eisernen Bodenplatte 9 befestigt sind und die den Kathoden-Käfig fest, aber einstellbar
gegen die Schenkelflächen 8 des Halteflansches 7 drücken. Die Bodenplatte 9 ist die Bodenplatte eines
größeren, abgedichteten Tanks 10 (F i g. 2) und ist elektrisch mit einer nicht näher dargestellten Kathoden-Sammelschiene
verbunden. Der elektrische Anschluß der Kathoden 4 an die Bodenplatte 9 erfolgt über die
Schrauben 13 und die Klemmteile 12.
Die beiden aufrechten Anoden-Platten 2 sind mit mindestens zwei ebenfalls aufrechten, elektrisch leitenden
Tragstäben 14 verschweißt, die aus Titan-plattiertem
Kupfer bestehen und etwa 30 mm 0 besitzen. Das untere Ende dieser Tragstäbe 14 ist durch die eiserne
Bodenplatte 9 hindurchgeführt und unterhalb der Bodenplatte über Schraubbolzen 17 mit einer Anoden-Sammelschiene
elektrisch verbunden. Im Bereich der Durchführung der Tragstiibe sind in der Bodenplatte 9
Bohrungen 18 angebracht, in die eine Manschette aus Gummi oder einem entsprechenden Material eingesetzt
ist, welche sowohl die erforderliche elektrische Isolation zwischen den anodischen und den kathodischen Teilen
der Zelle besorgt ais auch die Abdichtung der Zelle gegen ein Herauslecken der Elektrolyse-Lösung aus
dem Tank 10.
Zur Gewähi leistung des gleichmäßigen Abstandes zwischen den Seitenwandungen des Kathoden-Käfigs
und der jeweils zugeordneten Anoden-Platte sind im Bereich des oberen Endes des Kathoden-Käfigs
mehrere Einstellschrauben 20 angebracht, die mittels einer Packung 21 gegen den Kathoden-Käfig elektrisch
isoliert und zugleich auch gasdicht gemacht sind. Diese Einstellschrauben 20 stützen die oberen äußeren
Wandungen des aus den Anodenplatten 2 und den Tragstäben 14 bestehenden Anoden-Satzes ab und
verhindern damit, daß der obere Teil des Anoden-Satzes im Betrieb relativ zum Kaihoden-Käfig hin- und
herschwingen kann.
Um den Anoden-Satz etwas weniger aufwendig zu machen, können die Anoden-Platten 2 und die
Tragstäbe 14 auch aus einem Stück Graphit hergestellt werden. Allerdings wird eine Graphit-Anode bei einer
industriellen Großproduktion von kaustifiziener Soda häufig nicht akzeptiert, weil das Graphit-Material
während der Formung und des Einbaus der Anode und auch während des Betriebs abbröckeln kann.
Die Fig. 2 läßt erkennen, wie eine größere Anzahl der vorangehend erläuterten Zellen-Einheiten 1 innerhalb
eines Tanks 10 angeordnet werden kann, Die einzelnen Zellen-Einheiten 1 stehen dabei parallel
nebeneinander und sind auch elekti isch parallelgeschal· tet. In die Kappen 6 einer jeden Zellen-Einheit ist
gasdicht ein Anschlußrohr 22 eingeführt, welches ebenfalls gasdicht durch den Deckel 23 des Tanks 10
hindurchgeführt und oberhalb des Tanks mit einem horizontal verlaufenden Sammelrohr 24 verbunden ist.
Über die Rohre 22 und 24 wird die Elektrolyse-Lösung in die Zelle eingespeist und zugleich das sich bildende
Chlcr abgezogen. Die Zufuhr der Elektrolyse-Lösung erfolgt dabei über einen direkt mit dem Sammelrohr 24
verbundenen Einlaß 25, während zum Abzug des sich bildenden Chlors ein mit dem Sammelrohr 24
verbundenes aufrechtes Standrohr 26 vorgesehen ist, an das ein Chlor-Auslaß 27 angeschlossen ist. Alle Rohre
22, 24, 25, 26 und 27 bestehen dabei aus einem korrosionsbeständigen Material. An dem Standrohr 26
kann noch, was nicht weiter dargestellt ist, ein Flüssigkeitsstand-Anzeiger vorgesehen sein. Der obere
Deckel 23 des Tanks 10 ist weiterhin noch mit einem Auslaßrohr 28 für das sich an den Kathoden der Zelle
bildende Wasserstoffgas versehen, und außerdem befindet sich in der einen Seitenwand 29 des Tanks 10,
und zwar etwa in der Höhe der Kappen 6 der einzelnen Zellen-Einheiten 1, ein Auslaßrohr 30 zur Entnahme der
durch die Elektrolyse gebildeten Alkalihydroxid-Lösung.
Im Falle der Herstellung von NaOH wird eine gesättigte Kochsalz-Lösung über den Einlaß 25, das
Sammelrohr 24 und die einzelnen Anschlußrohre 22 in die einzelnen Zellen-Einheiten 1 eingespeist. Die
Strömungsrate der Lösung läßt sich dabei mittels des Flüssigkeitsstand-Anzeigers steuern. Die Elektrolyse
der eingespeisten Lösung erfolgt kontinuierlich, indem ständig eine geeignete Spannung zwischen den Anoden
und den Kathoden der Zellen-Einheiten aufrechterhal-
fen wird. Das sich während der Elektrolyse an den Anoden-Platten 2 bildende Chlorgas perlt innerhalb
einer jeden .Zeilen-Einheit 1 nach oben und wird über
die ftöhre 22, 24, 26 und 27 zur Weiterverarbeitung abgezogen· Gleichzeitig erfolgt ein laufender Abzug '5
von kathodisch gebildetem Wasserstoffgas über das :Röhr" 28' sowie des Rohprodukts, nämlich einer
NaOH-LÖsüng, über den Auslaß 30.
Die beiden schmalen Stirnflächen des Kathoden-Käfigs können in der gleichen Weise ausgebildet sein wie
die den Anoden-Platten 2 gegenüberliegenden Flächen, d. h. sie können aus einem Eisennetz 4 und einem darauf
kaschierten Diaphragma 5 bestehen. Ebenso gut ist es aber auch möglich, diese beiden Stirnflächen aus einer
mit einem korrosionsbeständigen Material beschichteten Eisenplatte herzustellen, so daß sie nicht mit als
Kathode wirken. Eine andere Modifikation der vorangehend erläuterten Zelle kann darin bestehen, daß das
gemeinsam für die Elektrolyse-Lösung und das Chlorgas benutzte Sammelrohr durch zwei separate, jeweils nur jo
für die Elektrolyse-Lösung bzw. das Chlorgas dienende Rohre ersetzt wird. Schließlich ist es auch möglich, die
Stromzufuhr zu den Anoden nicht von unten, sondern von oben vorzunehmen. Bei dieser weiteren Abwandlung,
die zeichnerisch ebenfalls nicht dargestellt ist, werden gewissermaßen die einzelnen Zellen-Einheiten
1 auf den Kopf gestellt, so daß die Enden der Tragstäbe 14 nach oben aus dem abgedichteten Tank 10
herausragen. Sie sind dann in elektrischer und gasdichter Isolierung durch den Deckel 23 des Tanks 10
hindurchgeführt und an eine oberhalb des Tanks verlaufende Anoden-Sammelschiene angeschlossen.
Wie bereits erwähnt, sind bei allen bisher bekannten Mehrfach-Elektrolysezellen zur Herstellung von Alkalihydroxid
die Anoden und die Kathoden der einzelnen Zellen-Einheiten zu einem einheitlichen Körper integriert.
Falls bei einer solchen Anordnung ein Teil der Zelle beschädigt wird oder ausfälh, muß der gesamte
integrierte Körper aus dem die Anoden tragenden Tank herausgenommen werden, um außerhalb des Tanks das
beschädigte Teil ersetzen zu können. Da der integrierte Körper eine verhältnismäßig komplizierte Formgebung
hat, ist das eine sehr zeit- und arbeitsaufwendige Maßnahme. Im übrigen ist es auch sehr schwierig, bei
dem reparierten Körper, nach dem Wiedereinsetzen in « den Tank, wieder innerhalb der gesamten Zelle einen
gleichmäßigen Abstand zwischen den Kathoden und den Anoden einzustellen.
Im Gegensatz dazu ist eine eventuell notwendig werdende Reparatur bei der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle
außerordentlich einfach. Da die einzelnen Zellen-Einheiten gewissermaßen separate Baueinheiten
von einfacher Konstruktion darstellen, die auch separat in dem Tank 10 angeordnet sind, ist es zur Reparatur
einer beschädigten Zellen-Einheit lediglich erforderlich. den Tank zu öffnen, die beschädigte Zellen-Einheit für
sich herauszunehmen und eine neue Zellen-Einheit einzusetzen. Das läßt sich sehr schnell und einfach
durchführen. In diesem Zusammenhang ist noch wichtig.
daß sich bei der reparierten Zellen-ETnheit der Abstand
zwischen Anode und Kathode ohne besondere Schwierigkeiten, also sehr leicht und einfach, wieder auf den
erforderlichen genauen Wert einjustieren läßt. Das spart nicht nutr Arbeitsaufwand, sondern sichert auch
eine zuverlässige Aufrechterhaltung des genauen "Plattenabstandes zwischen Anöde und Kathode und
ermöglicht es, die wässrige NäÖH-Lösuhg mit besserer
Konzentration·»· Konstanz und wirksam mit niedrigerer Zellen-Spannung herzustellen, als das bei den bekannten
Zellen der Fall war.
Zur weiteren Erläuterung der Vorteile der F.rfindung
seien einige Zahlenbeispiele genannt. Bei den bekannten Zellen dauert eine Reparatur des Anoden- oder
Kathoden-Körpers mindestens 5 Stunden, wogegen bei der erfindungsgemäßen Zelle sich ein Ersatz einer in
dem Tank eingesetzten Zellen-Einheit in etwa einer halben Stunde durchführen läßt.
Weiterhin benötigen die bekannten Zellen, bei denen die Anoden und Kathoden im Mittel einen Abstand von
etwa 10 mm voneinander haben, eine mittlere Zellen-Spannung von mehr als 4,0 V zur Herstellung einer
11%-igen wässrigen NaOH-Lösung. Bei der erfindungsgemäßen
Zelle läßt sich der Abstand zwischen Anoden und Kathoden exakt auf 6 mm einstellen, und es wird zur
Herstellung der gleichen Lösung nur eine mittlere Zellen-Spannung von weniger als 3.8 V benötigt. In
beiden Vergleichsfällen ist dabei eine Anoden-Stromdichte von etwa 25 A/dm2 und eine Elektrolyse-Temperatur
von etwa 90r C angenommen.
Zur Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Elektrolyse-Zelle
ist es zweckmäßig, um die Bildung eines explosiven Gasgemisches aus Wasserstoff und Sauerstoff
innerhalb des Tanks 10 zu verhindern, die Spannung erst anzulegen, wenn der Tank vollständig
mit der Elektrolyse-Lösung gefüllt ist, und danach den Flüssigkeitsstand graduell mit dem bei der Elektrolyse
zunehmenden Volumen an gebildetem Wasserstoffgas zu senken.
Der Auslaß 30 für die gebildete NaOH-Lösung sollte in der Seitenwand 29 des Tanks 10 in solcher Höhe
angeordnet sein, daß bei normalem Betrieb der Flüssigkeitsstand innerhalb des Tanks 10 im wesentlichen
in der Höhe des oberen Endes der einzelnen Zellen-Einheiten liegt. Im übrigen ist es notwendig, die
einzelnen Zellen-Einheiten stets völlig mit Elektrolyse-Lösung gefüllt zu halten, und dazu ist es zweckmäßig,
die Zufuhr der Elektrolyse-Lösung so einzustellen, daß
zufuhrseitig deren Flüssigkeitsstand innerhalb des Standrohres 26 liegt. Bei dem vorangehend erwähnten
Zahlenbeispiel wurde unmittelbar nach der ersten Inbetriebnahme der Zelle ein Höhenunterschied zwischen
den Flüssigkeitsständen im Anoden-Raum und im Kathoden-Raum von etwa 30 cm eingestellt. Nach sechs
Monaten Betriebsdauer wurde dieser Höhenunterschied auf etwa 150 cm erhöht, um den sich vergrößernden
Strömungswiderstand des Diaphragmas zu überwinden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Mehrfach-Elektrolysezelle zur Herstellung von Alkalihydroxiden nach dem Diaphragmaverfahren,
bestehend aus einer größeren Anzahl von elektrisch parallelgeschalteten, in einem gemeinsamen Tank
angeordneten Zellen-Einheiten, die jeweils eine vertikale Anoden-Platte und in geringem Abstand
davon ein vertikales Kathoden-Netz enthalten, wobei das Kathoden-Netz mit einem Asbest-Diaphragma
beschichtet ist, welches den Anoden-Raum der Zellen-Einheit gegen den Kathoden-Raum
abteilt, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zellen-Einheit (1) zwei zueinander paiallele Kathoden-Netze
(4) enthält, die an ihrem oberen Ende über eine undurchlässige Kappe (6) miteinander und
an ihrem unteren Ende über einen Halteflansch (7) mit der als Kathoden-Leitung dienenden Bodenplatte
(9) des Tanks (10) verbunden sind, und daß innerhalb des von den beiden Kathoden-Netzen
begrenzten Raumes zwei den Kathoden-Netzen parallele Anoden- Platten (2) angeordnet sind, die auf
gegenüberliegenden Seiten von mindestens zwei aufrechten, zugleich als Anoden-Leitungen dienenden
und durch die Bodenplatte des Tanks hindurchgeführten Tragstäben (14) befestigt sind.
2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den
Anoden-Platten (2) und den Kathoden-Netzen (4) auf etwa fa mm eingestellt ist.
3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden-Netze
(4) mittels Klemmteilen (12), deren unteres Ende gegen die Halteflansche (7) drücken und mit
Schrauben (13) an der Bodenplatte (9) des Tanks (10) befestigt ist.
4. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
schmalen Stirnflächen der Kathoden-Netze (4) jeweils aus einer mit einem korrosionsbeständigen
Material beschichteten Eisenplatte bestehen.
5. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in
einer Seitenwand (29) des Tanks (10) ein Auslaß (30) für die gebildete Alkalihydroxid-Lösung vorgesehen
ist, und zwar etwa in Höhe des oberen Endes der einzelnen Zellen-Einheiten (1).
Applications Claiming Priority (2)
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Publications (3)
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DE2360448B2 true DE2360448B2 (de) | 1976-08-26 |
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US3883415A (en) | 1975-05-13 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |