DE2432186A1

DE2432186A1 - Elektrolyseapparat mit vertikalen elektroden

Info

Publication number: DE2432186A1
Application number: DE2432186A
Authority: DE
Inventors: Umberto Giacopelli
Original assignee: Solvay SA
Current assignee: Solvay SA
Priority date: 1973-07-11
Filing date: 1974-07-05
Publication date: 1975-01-30
Also published as: IT1014751B; FR2236968B1; GB1479490A; FR2236968A1; CA1034083A; US4014776A; NL7409379A; ES427595A1; ZA744209B; AU7094774A; JPS5039287A; BE802182A

Description

Anmelder: Solvay & Cie. / 33, Rue_du Prince Albert, Brüssel, Belgien

Elektrolyseapparat mit vertikalen Elektroden

Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseapparat mit mindestens zwei Elektrolysezellen, in denen sich im wesentlichen vertikale und parallele Anodenplatten mit im wesentlichen vertikalen und parallelen Kathodenplatten abwechseln.

Zellen dieser Art werden allgemein zur Elektrolyse von wässrigen Lösungen von Alkalimetallhalogeniden, insbesondere für die Herstellung von Chlor, Natriumhypochlorit oder -chlorat, aus einer Kochsalzlösung verwendet.

Zur Sicherstellung einer bedeutenden Produktivität unter Beschränkung des Stellflächenbedarfs ist es bekannt, von mit bipolaren Elektroden ausgestatteten Elektrolyseapparaten Gebrauch zu machen. Diese bekannten Elektrolyseapparate bestehen aus einer Verbundanordnung von Einzelzellen, die hintereinander liegend durch Schottwände voneinander getrennt sind, die auf einer Fläche Anoden und auf der anderen Fläche Kathoden tragen.

n.

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Aus der BE-PS 791 042 ist bereits ein Elektrolyseapparat mit bipolaren Elektroden bekannt, dessen Einzelzellen übereinander angeordnet sind. Dieser bekannte Elektrolyseapparat nimmt in vorteilhafter Weise nur eine kleine Stellfläche in Anspruch.

Einer der Hauptnachteile bipolarer Elektrolyseapparate besteht in dem Umstand, daß die korrekte Arbeitsweise des Elektrolyseapparates von der korrekten Arbeitsweise jeder einzelnen Zelle abhängig ist. Sobald ein Schaden in irgendeiner der Einzelzellen auftritt, schlägt sich dieser Schaden unmittelbar auf das normale Verhalten des gesamten Elektrolyseapparates nieder, dies derart, daß es dann notwendig ist, den Betrieb des Elektrolyseapparates sofort anzuhalten und die defekte Zelle zu reparieren. Dieser Nachteil bipolarer Elektrolyseapparate ist im Fall von Elektrolyseapparaten mit Trennwand zur Herstellung von Chlor ganz besonders bedeutungsvoll. Zur Vermeidung zu häufiger Betriebsunterbrechungen des Elektrolyseapparates infolge der Kolmation der Trennwände erfordern diese Elektrolyseapparate eine sehr sorgfältige Montage der Trennwände und auch eine Feinreinigung der Zuführungslösungen, was sich in nachteiliger Weise auf die Kosten der Ausbeute niederschlägt.

Bipolare Elektrolyseapparate besitzen darüber hinaus den Nachteil, daß ein nicht vernachlässigbarer Anteil des elektrischen VersorgungsStroms in der Form eines Lagerstroms über die Zuführungsleitungen für den Elektrolyt in den Einzelzellen und auch über die Abführungsleitungen für die Elektrolyseprodukte verloren geht.

Zur Vermeidung der Nachteile der bipolaren Elektrolyseapparate ist es auch bekannt, mehrere monopolare Zellen Seite an Seite anzuordnen und sie in Serie miteinander zu verbinden, beispielsweise nach der in

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der US-PS 3 432 422 beschriebenen Art. Die auf diese Weise erreichten Elektrolyseapparate besitzen den Nachteil eines erheblichen Stellflächenbedarfs. Die elektrischen Anschlüsse zur gegenseitigen Verbindung der Zellen stellen darüber hinaus die Ursache für bedeutende Energieverluste, beispielsweise Joule* sehe Energie Verluste, dar. Diese Elektrolyseapparate besitzen darüber hinaus auch noch die oben schon in Verbindung mit den bipolaren Elektrolyseapparaten angegebenen Nachteile, nämlich die unumgängliche Erscheinung über die Zuführungsleitungen für den Elektrolyten und die Abführungsleitungen für die Elektrolyseprodukte verloren gegangener Lager ströme.

Zur Vermeidung dieser Nachteile der bekannten Elektrolyseapparate ist es ins Auge gefaßt worden, die Produktivität der Einzelzellen zu vergrößern, um die Anzahl der Einzelzellen, mit denen der Elektrolyse apparat ausgerüstet ist, zu reduzieren. Insbesondere ist ins Auge gefaßt worden, die Höhe der Elektroden zu vergrößern. Beim Betrieb wurde jedoch festgestellt, daß sich zu hohe Anoden übermäßig erwärmen und die Ursache für einen thermischen Gradienten sind, in dessen Folge sie sich verformen. Darüber hinaus behindern zu hohe Elektroden im Fall von. Trennwandzellen für die Herstellung von Chlor die Freisetzung von Chlor an den Anoden und seine Abführung aus den Anoden/Kathoden-Räumen.

Es ist auch bereits ins Auge gefaßt worden, die Anzahl der Elektroden der Einzelzellen zu vergrößern. Diese Lösung ist jedoch durch konstruktive und wirtschaftliche Erwägungen begrenzt. Sie ist darüber hinaus mit dem Nachteil einer Vergrößerung des Stellflächenbedarfs des Elektrolyseapparates verbunden.

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Die vorliegende Erfindung überwindet diese Nachteile der bekannten Elektrolyseapparate. Sie betrifft einen Elektrolyseapparat mit mindestens zwei Elektrolysezellen, in denen je im wesentlichen vertikale und parallele und sich mit an eine Zellwand angeschlossenen Kathoden abwechselnde Anodenplatten enthalten sind, wobei jede Zelle mit einer Zuführungsleitung für den zu elektrolysierenden Elektrolyten und mit Abführungsleitungen für die Elektrolyseprodukte in Verbindung steht. Erfindungs gemäß sind die beiden Zellen übereinander angeordnet, und sind ihre Anoden parallel an einen gemeinsamen Stromkollektor angeschlossen.

Der erfindungsgemäße Elektrolyseapparat besitzt den Vorteil einer vergrößerten Produktivität bei einem reduzierten Stellflächenbedarf. Er macht Gebrauch von Einzelzellen mit Elektroden geringer Höhe, was eine erhöhte Energieausbeute sicherstellt.

Bei dem erfindungsgemäßen Elektrolyseapparat besitzen die Zuführungsleitungen für den Elektrolyten in die Einzelzellen ein gleiches Potential. Infolgedessen können diese Leitungen gemeinsam an ein allgemeines Elektrolyt-Leitungsnetz angeschlossen werden, ohne den Auftritt eines über diese Leitungen und das allgemeine Leitungsnetz verlorenen elektrischen Lagerstroms befürchten zu müssen. Gleiches gilt für die Abführungsleitungen jedes der Elektrolyseprodukte.

Der erfindungs gemäße Elektrolyseapparat besitzt darüber hinaus den bedeutenden Vorteil, daß die Arbeitsweise einer beliebigen seiner Einzelzellen nicht für die Arbeitsweise der anderen Zellen verantwortlich ist. Insbesondere ist es im Falle eines Schadens einer Einzelzelle möglich, die Elektrolytversorgung dieser Zelle zu unterbrechen, ohne gleichzeitig den Elektrolysevorgang in den anderen Zellen des Elektrolyseapparates zu unterbrechen. Im Fall der Ausrüstung des erfindungsgemäßen

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Elektrolyseapparates mit einer großen Zahl von Einzelzellen ist es möglich, diesen Elektrolyseapparat in Betrieb zu halten, bis eine ausreichend große Zahl der Zellen - beispielsweise fünf Zellen im Fall eines Elektrolyseapparates mit zehn Zellen - stillgelegt werden müssen, um unter dem Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit eine vollständige Betriebsunterbrechung des Elektrolyseapparates und eine Reparatur der beschädigten Zellen zu rechtfertigen.

Bei einer interessanten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektrolyseapparates erstreckt sich der genannte Stromkollektor zwischen den beiden übereinander angeordneten Zellen. Diese Ausführungsform besitzt den Vorteil, den elektrischen Widerstand der Verbindungen der Anoden mit dem Stromkollektor zu reduzieren. Sie erhöht darüber hinaus die Kompaktheit des Elektrolyseapparates.

Besonderheiten und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Elektrolyseapparates, die Bezug auf die Zeichnungen nimmt; in diesen zeigt:

Fig. 1 eine Perspektive einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektrolyseapparates,

Fig. 2 einen Querschnitt in der Ebene ΙΙ-Π der Fig. 1, Fig. 3 einen Längsschnitt in der Ebene III-III der Fig. 2,

Fig. 4 eine Perspektive der Anodeneinheit des Elektrolyseapparates der Fig. 1 bis 3,

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform des Elektrolyseapparates der Fig. 1 bis 3,

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Fig. 6 einen vertikalen Querschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform der Fig. 1 bis 3 und

Fig. 7 einen vertikalen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektrolyseapparates.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen identische Bauteile.

Die Ausführungsform der Fig. 1 bis 3 des erfindungsgemäßen Elektrolyseapparates besteht aus zwei monopolaren Zellen 1 und 2 mit Trennwand. Diese beiden Zellen 1 und 2 sind übereinander angeordnet und verfugen je in bekannter "Weise über eine Basisplatte 3, auf der ein Kathodenkasten 4 aus Stahl abgesetzt ist, der mittels eines Deckels 5 verschlossen ist.

Die aus den beiden Zellen 1 und 2 bestehende Einheit ruht unter Zwischenschaltung der Basisplatte 3 der unteren Zelle 1 auf einer Bodenplatte 6 aus Beton, die ihrerseits von Isolatoren 7 getragen ist.

Die Basisplatte 3 und der Deckel 5 der Zellen 1 und 2 können aus Beton bestehen und mit einer Polyester schicht bedeckt sein, die der Korrosion durch den Elektrolyten und die Elektrolyseprodukte widersteht.

Der Kathodenkasten 4 der Zellen 1 und 2 dient als Träger für eine Einheit, die aus den im wesentlichen vertikalen und parallelen Kathodentaschen gebildet ist, deren Wände aus Stahl bestehen und durchbrochen sind und die mit den beiden gegenüberliegenden Wänden des Kastens 4 in Verbindung stehen und von einer nicht dargestellten Trennwand abgedeckt sind.

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Weiter unten noch näher erläuterte Anoden 9 erstrecken sich vertikal zwischen den Kathodentaschen 8.

Jede der Zellen 1 und 2 steht mit einer Leitung 10 in Verbindung, die den Zellendeckel 5 durchquert und an einen seitlich gelegenen Lösungsbehälter 11 angeschlossen ist. Dieser steht einerseits mit einer Zuführungsleitung 12 für die Lösung und andererseits mit einer Abführungsleitung 13 für an den Anoden 9 frei gewordenes Chlor in Verbindung.

Jede Zelle 1 und 2 steht des weiteren mit einer Abführungsleitung 14 für an den Kathoden erzeugten Wasserstoff und mit einer Abführungsleitung 15 für die Abführung der alkalischen Lösung von den Kathodentaschen 8 in Verbindung.

Fig. 4 zeigt die Anodeneinheit des Elektrolyseapparates der Fig. 1 bis Diese Anodeneinheit verfügt über mehrere parallele Reihe vertikaler Metallplatten 9, die in ihrem mittleren Bereich zwischen horizontalen Metallstangen 16 mittels Schrauben und Muttern 17 eingespannt sind. Diese Metallstangen 16 sind durch Einspannung zwischen dem Deckel 5 der unteren Zelle 1 und der Basisplatte 3 der oberen Zelle 2 derart lagegerecht festgehalten, daß die unteren Teile der Platten 9 die Anoden der unteren Zelle 1 bilden, während die oberen Teile dieser Platten 9 die Anoden der oberen Zelle 2 bilden.

Die Anodenplatten 9 bestehen vorzugsweise aus einem filmbildenden Metall, beispielsweise aus Titan, und sind auf ihren beiden Flächen mit einem die Abgabe von Chlor-Ionen ermöglichenden Katalysematerial beschichtet, beispielsweise mit einem Metall oder einer Metallverbindung der Platingruppe. Diese Beschichtung kann beispielsweise aus Titandioxyd und Ruthenium oxy d bestehen.

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Zur Ermöglichung der Zirkulation des Anolyten in den Zellen 1 und 2 können die Anodenplatten 9 mit Durchbrüchen 18 in der Nähe der Stangen versehen sein.

Die aus den Stangen 16 bestehende Einheit bildet einen Kollektor für die Stromzuführung, der den Anoden der beiden Zellen 1 und 2 gemeinsam ist. Die Stangen bestehen vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium und sind als Einheit an eine nicht dargestellte allen Stangen gemeinsame Stange angeschlossen.

Zur Reduzierung der Zwängungen infolge der thermischen Dilatation der Stangen 16 während der Elektrolyse ist es zweckmäßig, die aus den Anodenplatten 9 und den Stangen 16 bestehende Einheit in mehrere getrennte Anodenteileinheiten aufzuteilen, beispielsweise im Fall der Fig. 2 in drei Teileinheiten mit je fünf Anodenplatten 9.

Darüber hinaus sind zur Begrenzung der Erwärmung der Stangen 16 während der Elektrolyse der Deckel 5 der Zelle 1 und die Basisplatte 3 der Zelle 2 derart kanalisiert, daß Lüftungskanäle 19 für die Stangen 16 vorgesehen sind.

Auf den Kathodenkästen 4 der beiden Zellen 1 und 2 sind beispielsweise durch Anschweißen Kathodenstromkollektoren 20 befestigt.

Bei einer nicht dargestellten modifizierten Ausführungsform des Elektrolyseapparates der Fig. 1 bis 4 sind die Stangen 16 in einer Betonmasse eingebettet, die gleichzeitig den Deckel 5 der Zelle 1 und die Basisplatte der Zelle 2 bildet.

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Diese Betonmasse ist vorzugsweise mit Längskanälen für die Stangen zur Gewährleistung deren Belüftung versehen.

Bei einer in Fig. 5 dargestellten modifizierten Ausführungsform, sind die Basisplatte 3 der unteren Zelle 1 und die Bodenplatte 6 entfallen. Der Kathodenkasten 4 der unteren Zelle 1 ist durch ein Bodenblech 27 aus Stahl abgeschlossen, das sich auf den Isolatoren 7 abstützt und den gesamten Elektrolyseapparat trägt. Die Kathodentaschen 8 sind von einem gewellten Stahlgitter gebildet, das von einer Trennwand abgedeckt ist und eine untere Kammer 29 begrenzt, die mit den Kathodentaschen 8 in Verbindung steht und von den Anoden 9 getrennt ist.

Zur Verstärkung der Steifigkeit des Bodenblechs 27 sind an dessen Unterseite Stahlprofile 28 angeschweißt.

Fig. 6 zeigt eine weitere Variante der Ausführungsform der Fig. 1 bis

Bei dem Elektrolyseapparat der Fig. 6 ist über den beiden Zellen 1 und eine dritte monopolare Zelle 21 vorgesehen, die analog zu den vorbeschriebenen Zellen aufgebaut ist. Zwischen den Deckel 5 der mittleren Zelle 2 und der Basisplatte der oberen Zelle 21 sind Metallstangen 16 einer zweiten Anodeneinheit eingespannt, die derjenigen der Fig. 4 analog ausgebildet ist.

Gemäß Darstellung in Fig. 6 verfügt jede Anode der mittleren Z'elle 2 über zwei vertikal im Abstand voneinander angeordnete und miteinander fluchtende Abschnitte 22 und 23. Die unteren Abschnitte 22 sind fest mit der zu den Zellen 1 und 2 gehörenden Anodeneinheit verbunden, während die oberen Teile 23 fest mit der zu den Zellen 2 und 21 gehörenden Anodeneinheit verbunden sind.

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Die Stangen 16 der beiden Anodeneinheiten stehen mit einer nicht dargestellten beiden Einheiten gemeinsamen Platte in Verbindung, um mit dieser einen den Anoden der drei Zellen 1, 2 und 21 gemeinsamen Kollektor zu bilden.

Bei einer modifizierten Ausführungsform des Elektrolyseapparates der Fig. 6 können die Basisplatte 3 und die Bodenplatte 6 der unteren Zelle entfallen; in diesem Fall ist dann der Kathodenkasten 4 der Zelle 1 in der oben beschriebenen und in Fig. 5 dargestellten Weise angeordnet,

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektrolyseapparates .

Die Anodeneinheit dieses Elektrolyseapparates besteht aus einer Einheit aus Anoden-Metallplatten 24, die beiderseits eines Titanblechs 25 mit Hilfe von Titanmuttern und -schrauben 26 befestigt sind, die dieses Blech 25 und die zurückgefalteten Enden der Platten 24 durchdringen. Das Blech 25 ist am Betondeckel 5 der unteren Zelle 1 verankert und bildet die Sohle der oberen Zelle 2. Dieses Blech 25 dient außerdem als gemeinsamer Stromkollektor für die Einheit der Anoden 24 der beiden Zellen 1 und 2.

Bei einer nicht dargestellten Variante des Elektrolyseapparates der Fig. ist das Titanblech 25 an der unteren Fläche einer Betonbasisplatte 3 der oberen Zelle 2 verankert, um dann den Deckel 5 der unteren Zelle zu bilden.

Obwohl die Erfindung vorstehend nur in Verbindung mit Elektrolyse apparaten mit Trennwand für die Herstellung von Chlor beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, daß die Erfindung in gleicher Weise bei

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anderen Elektrolyseapparaten mit vertikalen Elektroden, insbesondere bei Elektrolyseapparaten für die Herstellung von Natriumhypochlorit oder -chlorat, einsetzbar ist.

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Claims

-IZ-

Patentan sprüche

[l). Elektrolyseapparat mit mindestens zwei Elektrolysezellen, in denen je im wesentlichen vertikale und parallele und sich mit an eine Zellwand angeschlossenen Kathoden abwechselnden Anodenplatten enthalten sind, wobei jede Zelle mit einer Zuführungsleitung für den zu elektrolysierenden Elektrolyten und mit Abführungsleitungen für die Elektrolyseprodukte in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden .Zellen (1, 2) übereinander angeordnet sind und ihre Anoden (9, 22, 23, 24) parallel an einen gemeinsamen Strankollektor

7 25) angeschlossen sind.
2. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Stromkollektor (16, 25) zwischen den Zellen (1, 2) erstreckt.
3. Apparat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkollektor aus einem Metallblech (25) besteht, das mit seinen beiden Flächen an den Anoden (24)der beiden Zellen (1, 2) befestigt ist.
4. Apparat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkollektor aus einer Reihe von Metallstangen (16) besteht, die sich zwischen den Anodenplatten (9) der beiden Zellen (1, 2) erstrecken und die zwischen diesen eingeklemmt sind.

F- , 1
5. Apparat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenplatten (22, 23) einer Zelle (2) Verlängerungen der Anodenplatten (9) der anderen Zelle (1, 23) sind·
6. Apparat nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkollektor (16) zwischen den beiden Zellen (1, 2) eingebaut ist, deren mit dem Stromkollektor (16) in Verbindung stehende Wände (5, 3) Belüftungskanäle (19) für den Stromkollektor (16) aufweisen.
7. Apparat nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkollektor (16) in eine Masse aus einem hinsichtlich Wärme und Elektrizität nicht leitfähigen Material eingebettet ist, die Teil einer den beiden Zellen (1, Z) gemeinsamen Wand (5) bildet.
8. Apparat nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkollektor (25) aus einem der Korrosion durch den Elektrolyten und die Elektrolyseprodukte widerstehenden Metall besteht und Teil mindestens einer den beiden Zellen (1, Z) gemeinsamen Wand (5) bildet.
9. Apparat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkollektor (25) aus Titan besteht.
10. Apparat nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine dritte Zelle (21) über den beiden anderen Zellen (1, 2) unter Zwischenschaltung eines gleichzeitig an die im wesentlichen vertikalen und parallelen Anodenplatten (9) dieser dritten Zelle (21) und an die Anodenplatten (23) der mittleren Zelle (2) angeschlossenen Stromkollektor (16) angeordnet ist.

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11. Apparat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede Anode der mittleren Zelle (2) aus zwei vertikal im Abstand voneinander und miteinander fluchtend angeordneten Platten (22, 23) besteht, deren obere Platte (23) an den Stromkollektor (16) zwischen der dritten und der mittleren Zelle (21 bzw. 2) und deren untere Platte (22) an den Stromkollektor (16) zwischen der. mittleren und der unteren Zelle (2 bzw. 1) angeschlossen sind, wobei die beiden Stromkollektoren (16) parallel geschaltet sind.
12. Apparat nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen (1, Z) Trennwandzellen zur Elektrolyse einer Alkalimetallchlor it lösung sind.
13. Apparat nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Stromkollektor (16) zwischen den beiden Zellen (1, 2) erstreckt und daß die untere Zelle (1) eine an ihrer Unterseite von einem Bodenblech (27) gebildete Metallschale (4) aufweist, die ein gewelltes Metallgitter trägt, das mit einer Trennwand in Hinblick auf die Anoden (9) der unteren Zelle (1) beschichtet ist und im wesentlichen vertikale Kathodentaschen (8) zwischen diesen Anoden (9) und einer im wesentlichen horizontalen Kammer (29) unter den Anoden (9) bildet.

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