DE2360448C3 - Mehrfach-Elektrolysezelle zur Herstellung von Alkalihydroxiden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrfach-Elektrolysezelle zur Herstellung von Alkalihydrox;den 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-Net/ 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-Elektrolyse/ellen mit vertikalem Diaphragma *5 bekannt. So /eigen die US-PS 27 42 419 und 27 42 420 Zellen mit einem Kathodcn-P.aum, der aus einer großen Anzahl von /u einer Einheit vereinigten Kathoden-Abteilen besteht, von denen jedes von einer Eisennetz-Kaihode umgeben ist. Die Diaphragmen sind dabei zwischen den entsprechenden Anodenplatten 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 100-200 cm aufweisen. Weherhin 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 Plattenabstand innerhalb der Zelle überall gleichförmig zu halten, mit der Folge, daß die mittlere Zellen-Spanijiung 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 ,Eisenneiz-Kaihode 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-Spannung 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 Katnoden-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 hindurcSigeführten Tragstäben befestigt sind.

Die Vorteile der Erfindung leiten sich im wesentlichen daraus ab, daß jede Zelleneinheit eine in sich fertige Badgruppe ist, bei der die Kaihoden-Nctzc die Anoden-Platten nach Art eines Käfigs umfassen und bei

der die Befestigung aller Elektroden auf ein und da* gleiche Bauteil bezogen ist, nämlich die Bodenplatte des Tanks. Dadurch gelingt eine gute, stets reproduzierbare justierung der Elektrodcn-Abslände 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 zwangsläufig sofort die richtige Lage in bezug auf die Anoden-Platten, er braucht also weder nachjuslier! zu werden, noch braucht die gesamte Elektrolysezelle auseinandergenommen zu werden.

Nachfolgend werden Aasführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen E?pktrolj: — Me, die die Einzelheiten und Vorteile der £rfi.jdun^ veranschaulicht, anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei stellen dar:

Fig. 1 einen Querschnitt einer Zelleneinheit gemäß einer bevorzugter -ujsführungsform der Erfindung (Schnittebene -. -A in F i g. 2). und

F i g. 2 einen A^^chnitt aus einem Tank mit mehreren darin eingesetzten Zellen-Einheiten.

Die in Fig. I gezeigte Zellen-Einheit 1 enthält zwei aufrechte Anodenplatten 2 aus Titan, die 2 — 3 mm stark sind und eine elektroplattiertc 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 Kathoden-Käfig und der jeweils gegenüber liegenden Anodenplatte ist dabei fest auf einen gleichmäßigen Wert in der Größenordnung von etwa 6 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, beisf ielsweise aus Gummi, Polyvinylchlorid oder Poly» inylidenfluorid.

An seinem unteren Ende ist der Kathode·.-Käfig durch einen Halteflansch 7 gehalten, der mit seinen vertikalen Schenkelflächen 8 an der Innenseite des Kathoden-Käfigs anliegt und der zweckmäßig aus dem gleichen korrosionsbeständigen Material i-' 'ent wie die Kappe 6. In die Halteflansche. ' ι dabei zweckmäßig, zur mechanischen Verfest^ung. ein Eisenrahmen It eingebettet. Zur Befestigung des Kathoden-Käfigs an dem Halteflanseh 7 dienen &> flanschartig.⁰ Klemmieile 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 Halteflsnsd.es 7 drücken. Die Bodenplatte 9 ist die Bodenplatte eilte; größeren, abgedichteten Tanks 10 (F i e. 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 Klemmieile 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-Sammelschif ne elektrisch verbunden. Im Bereich der Durchführung der Tragstäbe 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 ki<thodischcn Teilen der Zelle besorgt als auch die Abdichtung der Zelle gegen ein Herauslecken der Elektrolyse-Lösung aus dem Tank 10.

Zur Gewährleistung des gleichmäßigen Abstandes zwischen den Seitenwandungen des Kathooen-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-Salzes ab und verhindern damit, daß der obere Teil des Anoden-Satzes im Betrieb relativ zam Kathoden-Käfig hin- und herschwingen kann.

Um den Anoden-Satz etwas weniger aufwendig zu machen, können dir Anoden-Platten 2 und die Tragstäbe 14 auch aus ein^m Stück Graphit hergestellt werden. Allerdings wird eine Graphit-Anode bei einer industriellen Großproduktion von kausiifizierter 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 iäßt erkennen, wie eine größere Anzahl der vorangehend erläuterten Zellen-Einheiten I innerhalb eines Tanks 10 angeordnet werden kann. Die einzelnen Zellen-Einheiten 1 stehen dabei parallel nebeneinander und sind auch elektrisch parallelgeschal· tet. In die Kappen 6 einer jeden Zeilen-Einheit ist gasdicht ein Anschlußrohr 22 eingeführt, welches ebenfalls gasdicht durch den Deckel 23 des Tanks )0 hindurchgeführt und oberhalb des Tanks mit eine/n horizontal verlaufenden Sammelrohi" 24 verbunden ist. Über die Rohre 22 und 24 wird die Elektrolyse-Lösung in die Zelle eingespeist und zugleich das sich bildende Chlor 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 KaoDen 6 der einzelnen Zellen-Einheiten !.ein Auslaß;ohr30 zur Entnahme der aurch die Elektrolyse gebildeten Alkalihydroxid-Lö-

Im Falle der Herstellung von NaOH wird eine gesättigte Kochsalz-Lösung über den Einlaß 75. das Sammelrohr 24 und die einzelnen Anschlußrohre 22 in die einzelnen Zellen-Einheiien 1 eingespeist. Die Strömungsrate der Lösung läßt sich dabei mittels des FIübsigkeitsstand-Anzeigers steuern. Die F^:.lektrolyse der eingespeisten Lösung erfolgt kontinuierlich, indem ständig eine geeignete Spannung zwischen den Anoden und den Kathoden der Zellen-Einheiten aufrec-hterhal-

ten wird. Das sich während der Elektrolyse an den Anoden-Platten 2 bildende Chlorgas perlt innerhalb einer jeden Zellen-Einheit I nach oben und wird über die Rohre 22, 24, 26 und 27 zur Weiterverarbeitung abgezogen. Gleichzeitig erfolgt ein laufender Abzug von kathodisch gebildetem Wasserstoffgas über das Rohr 28 sowie des Rohprodukts, nämlich einer NaOH-Lösung, 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 c<t aber auch möglich, diese beiden Stirnflächen aus einer mn einem korrosionsbeständigen Material beschichte ten Eisenplatte herzustellen, so daß sie nicht mit als Kathode wirken. Eine andere Modifikation der voran gehend erläuterten Zelle kann darin bestehen, daß das gemeinsam für die Elektrolyse-Lösung und das C hlorgas benutzte Sammelrohr durch zwei separate, jeweils nur 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 ausfällt, 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.

da3 sich bei der reparierten Zellen-Einheit der Abstand /wischen Anode und Kathode ohne besondere Schwierigkeiten, also sehr leicht und einfach, wieder auf den erforderlichen genauen Wert einjusticren läßt. Das spart nicht nur Arbeitsaufwand, sondern sichert auch eine zuverlässige Aufrcchferhaiiung des genauen Plattenabstandcs zwischen Anode und Kathode und ermöglicht es, die wässrige NaOH-Lösung mit besserer Konzenlrations-Konst.inz Und wirksam mit niedrigerer Zellen-Spannung herzustellen, als das bei den bekannten Zellen der Fall war.

Zur weiteren Erläuterung der Vorteile der Erfindung seien einige Zahlenbeispielc 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-Einheil 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 erfindungs- g mäßen 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/dm^? und eine Elektrolyse-Tempe-1 utur von etwa 90"C angenommen.

Zur Inbetrictr.ahr.ie 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 nch der ersten Inbetriebnahme der Zelle ein Höhenunterschied zwischen den Flüssigkeitsständen im Anoden-Raum und im

odenRaumVonetWaßp.^einge^tent^^^sechs Monaten Betriebsdauer würdet diesef HöKenuirterschied auf etwa 150 cm erhöht, um den sich vergrößernden Strömungswiderstand des Diaphragmas zu'überwinden. ' ■ :

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Mehrfach-Elektrolysezelle zur Herstellung von ^AIkalihydroxiden 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 (I) zwei zueinander parallele Katho- >5 den-Netze (4) enthält, die an ihrem oberen Ende über eine undurchlässige Kappe (6) miteinender 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 dienen- *5 den und durch die Bodenplatte des Tanks hindurchgeführten Tragstäben (14) befestigt sind.

2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da3 der Abstand zwischen den Anoden-Platten (2) und den Kathoden-Netzen (4) 3<> auf etwa 6 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 Kaiief ..nsche (7) drücken und mit Schrauben (13) an < ;r 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. Elektrolysezeile nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Seitenwand (29) des Tanks (10) ein Auslaß (30) für die gebildete Alkalihydroxid-Losüng vorgesehen ist, und zwar e in Höhe des oberen Endes der einzelnen Zellen-Linheiten(l).