DE2445570A1 - Elektrolysezelle mit vertikalen elektroden - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DR. INC. A.VAN DERWERTH DR. FRANZ LEDERER

21 HAMBURG 90 8 MÜNCHEN 80

WILSTORFER STR. 32 TEL. 10 401 7708 6, LUCUE-GRAHN-STR. 23 · TEL. .089.

3. September 1974

M/jb

S. 73/47

Solvay & Cie., 33, Rue du Prince Albert, Brüssel / BELGIEN Elektrolysezelle mit vertikalen Elektroden

Ziel der Erfindung ist die Verbesserung von Elektrolyse zellen mit vertikalen Elektroden, insbesondere von Zellen, die mit Metallanoden ausgestattet und in besonderem Maße für die Herstellung von Alkalimetallchlorat oder -hypochlorrfc oder für die Herstellung von Chlor bestimmt sind.

Es ist bereits bekannt, Metallanoden in Zellen zur Elektrolyse wässriger Lösungen von Alkalimetallhalogeniden zu verwenden. Diese Anoden bestehen beispielsweise in Platten aus Platin oder in Platten aus einem Metall der Titangruppe, welche Platten mindestens oberflächig eine Aktivbeschichtung, die ein Metall oder eine Verbindung eines Metalls der Platingruppe enthält, aufweist. Diese Metallanoden verfügen mitunter auch über einen Kern aus einem wirtschaftlicheren Metall besserer elektrischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium.

Bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist die Entwicklung von Zellen mit Metallanoden verhältnismäßig langsam fortgeschritten, und zwar aufgrund der Schwierigkeiten, die bei der Befestigung dieser Anoden im

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Inneren der Zelle und bei ihrem Anschluß an eine Stromzuleitung auftreten. Es sind zwar diverse Lösungen zur Überwindung dieser Schwierigkeiten vorgeschlagen worden, jedoch scheint keine dieser Lösungen bisher zu einer vollständigen Befriedigung geführt zu haben.

In der GB-PS 1 125 493 ist insbesondere vorgeschlagen worden, die Anoden im Wege einer Verschraubung, Vernietung oder Verschweißung auf einem Titanblech zu befestigen, das den Boden der Zelle bildet und auf einem Betonsockel verankert ist. Der Strom wird den Anoden über Kupfer- oder Aluminiumstäbe zugeführt, die senkrecht zu den Anoden in den Betonsockel eingelassen und an der Unterseite des Titanblechs angeschweißt sind.

Die Konstruktion einer Anodeneinheit dieser Art ist teuer und schwierig. Sie erfordert eine feste Verankerung des Titanbleches auf dem Betonsockel, um auf diese Weise zu verhindern, daß das Blech sich deformiert und eine seitliche Verschiebung der Anoden während des Betriebs der Elektrolysezelle hervorruft.

Diese bekannte Anodeneinheit besitzt darüber hinaus den weiteren Nachteil, daß sie zu erheblichen Energieverlusten unter dem Joule-Effekt führt, und zwar infolge der Führung des Stroms der Stromzuführungen zu den Anoden quer zu dem Titanblech mit geringer elektrischer Leitfähigkeit.

Es ist auch bereits in der BE-PS 739 420 vorgeschlagen worden, die Metallanoden auf vertikalen Anodenträgern anzuordnen und diese auf einem starren Metällsockel zu lagern, der mit einer isolierenden Schutzschicht beschichtet ist und die Basis der Zelle bildet. Der starre Metallsockel kann beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium bestehen und

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dann gleichzeitig als Stromzuführung zu den Anoden dienen, oder aber Stromzuführungen können unter dem Sockel an Verlängerungen der Anodenträger aufgehängt sein.

Diese bekannte Anodeneinheit besitzt den doppelten Nachteil, schwer und teuer zu sein, und zwar infolge der erheblichen Dicke, die der Metallsockel notwendigerweise aufweisen muß, um ihm eine ausreichende Steifigkeit zu verleihen.

Darüber hinaus ist bei der Benutzung der Zelle dieser Metallsockel mit großen Abmessungen in unvermeidlicher Weise der Ort eines Gradienten interner Spannungen thermischen Ursprungs, die zu seiner Deformation und zu einer seitlichen Verschiebung der Anoden in der Zelle führen können.

Die vorliegende Erfindung überwindet diese Nachteile der bekannten Zellen. Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung eine Elektrolysezelle mit einer Bodenplatte, mit im wesentlichen vertikalen und parallelen Anodenplatten, die je auf mindestens einem Anodenträger angeordnet sind, der abgedichtet an der Bodenplatte befestigt ist und an mindestens eine unter der Bodenplatte angeordnete Stromzuführung angeschlossen ist, mit sich mit den Anoden abwechselnden Kathoden, mit einer über der Bodenplatte vorgesehenen und die Anoden und die Kathoden umgebenden Wanne, mit einer über der Wanne vorgesehenen Abdeckung und mit Leitungen für die Zuführung einer zu elektrolysierenden Lösung und für die Abführung von Elektrolyseprodukten. Erfindungsgemäß ist diese Zelle dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführung auf mindestens einer Stütze gelagert ist und den Anodenträger trägt, der mindestens einen Teil der Bodenplatte durchdringt und trägt.

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Bei der erfindungsgemäßen Zelle dient die Stromzuführung zur Lagerung der Anoden in der Zelle. Des weiteren ist die Bodenplatte einzig zur Bildung einer abdichtenden Trennwand der Zelle bestimmt. Sie soll weder an der Lagerung der Anoden noch an der Zuführung des elektrischen Stromes zwischen der Stromzuführung und den Anoden teilnehmen. Sie ist in den einander naheliegenden Bereichen mittels der genannten Anodenträger gelagert.

Die erfindungs gemäße Zelle bietet somit den Vorteil, die Verwendung einer leichten Bodenplatte reduzierten mechanischen Widerstands zuzulassen, der gerade ausreicht, dem hydrostatischen Druck zu widerstehen, der in der Zelle zwischen deren Befestigungszonen an den Anodenträgern auftritt.

Bei einer besonderen Ausführungsform der erfindungs gemäßen Zelle ist mindestens ein Teil der Bodenplatte von einem flexiblen Blatt gebildet. Diese Ausführungsform der Erfindung bietet den Vorteil, eine lokale Deformation der Bodenplatte, die beispielsweise unter der Dilatationseinwirkung thermischen Ursprungs auftritt, zuzulassen, ohne die Stellung der Anoden in der Zelle zu beeinträchtigen. Sie bietet darüber hinaus den zusätzlichen Vorteil, eine genaue Einstellung der Anoden in der Zelle zwischen den Kathoden zuzulassen. Zu diesem Zweck ist gemäß einer vorteilhaften Besonderheit der Erfindung die genannte Stütze der Stromzuführung in der Höhe verstellbar.

Bei der erfindungsgemäßen Zelle kann die Bodenplatte in gleicher Weise aus einem elektrisch leitfähigen Material oder aus einem Isoliermaterial bestehen. Sie besteht vorzugsweise aus einem Metall der Titangruppe, beispielsweise aus Titan, Tantal, Niob oder deren Legierungen.

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Weitere Besonderheiten und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der ausschließlich beispielhaft und nicht beschränkend zu verstehenden nachfolgenden Beschreibung von gewissen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zelle. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 einen vertikalen Querschnitt durch einen Teil einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungs ge mäßen Zelle,

Fig. 2 einen vertikalen Längsschnitt entsprechend der Ebene H-II der Fig. 1 und

Fig. 3 in sehr erheblicher Vergrößerung eine Einzelheit der Fig. 1. In diesen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen identische Elemente.

In den Figuren ist eine Zelle mit Membran zur Elektrolyse wässriger Lösungen von Alkalimetallhalogeniden, beispielsweise von Kochsalzlösung, dargestellt. Sie verfügt über ein Gestell 1, das von einer Einheit aus Metallprofilen, beispielsweise 2, 3, 4, 5, die miteinander verschweißt sind, gebildet ist.

Das Gestell 1 ruht auf Isolatoren, wie beispielsweise dem Isolator 6 der Fig. 1. Es trägt an seinem Umfang ein Titanblech 7, das die Bodenplatte der Zelle bildet und mit vertikalen Metallanoden 8 in der nachfolgend beschriebenen Weise in Verbindung steht. Diese Anoden 8 bestehen beispielsweise in an sich bekannter Weise aus einer oder mehreren Titanplatten, die mindestens teilweise auf ihren beiden Flächen über eine Aktivbeschichtung verfügen, die beispielsweise ein Metall oder eine Verbindung eines Metalls der Platingruppe enthält.

Die Anoden 8 wechseln sich mit Kathodentaschen 9 mit durchbrochenen und mit einer nicht dargestellten Membran beschichteten Wänden ab. Diese

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Kathodentaschen 9 sind an einem Kasten 10 aus Stahl befestigt, der auf dem Umfang des Gestells 1 unter Zwischenlegung einer Dichtung 11 aufliegt. Der Kathodenkasten 10 besitzt an seiner Oberseite eine Abdeckung unter Zwischenlegung einer Dichtung 13.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Zelle steht in an sich bekannter Weise mit nicht dargestellten Leitungen zur Zuführung einer zu elektrolysierenden Lösung und zur Abführung eines an den Anoden freigesetzten Produktes, beispielsweise Chlor, in Verbindung. Der Kathodenkasten 10 steht darüber hinaus mit Leitungen 14 und 15 in Verbindung, die zur Abführung von Wasserstoff und Alkalilauge bestimmt sind, die an den Kathoden entstehen.

Erfindungsgemäß ist jede Anodenplatte 8 auf Anodenträgern angeordnet, die von einer Reihe zylindrischer Stempel 16 aus Titan, die des weiteren eine neben der anderen angeordnet sind, beispielsweise im Fall der Fig. von drei Stempeln, gebildet sind. Diese Stempel 16 durchdringen kreisförmige Öffnungen, die ihrerseits quer durch die Bodenplatte 7 geführt sind. Die Stempel sind unter dieser Platte 7 auf einer Stange 17 gelagert, die als Stromzuführung zu der Anode dient. Die Befestigung der zylindrischen Stempel 16 an der Stromzuführungs stange 17 ist mit Hilfe von Schrauben 18 sichergestellt, die durch die Stange 17 geführt und je in eine axiale Gewindebohrung 19 eines Stempels 16 eingeschraubt sind.

Die Stromzuführungsstange 17 besteht vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium. Sie erstreckt sich über die gesamte Länge der Zelle parallel zu den Anoden 8 und steht aus der Zelle am einen Ende 20 vor, um dort an den positiven Pol einer Gleichstromquelle oder an den Kathodenkasten einer benachbarten Elektrolysezelle angeschlossen zu werden. Diese Stange 17 ruht auf einer Gruppe von Stützen 21.

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Die in ihrer Gesamtheit mit 21 bezeichneten Stützen sind gemäß Fig. 3 von vertikalen Gewindebolzen 23 gebildet, die mittels zweier Muttern 24 an einem Gurt 4 des Gestells 1 befestigt sind. Diese Gewindebolzen 23 enden an ihrem oberen Teil in einer konvexen Kugelfläche 25, die mit einer entsprechenden konkaven Fläche einer Platte 26 zusammenarbeitet, die gegen die Unterseite der Stromzuführungs stange 17 zur Anlage gebracht ist.

Bei der Ausführungsform der Fig. 1 verfügt die erfindungs gemäße Zelle über mehrere Stromzuführungs stangen 17, die Seite an Seite angeordnet sind und je fünf Anodenreihen tragen. Am Gestell 1 befestigte seitliche Rückhalte elemente 27 stellen die korrekte seitliche Lage der Stangen 17 und damit der Anoden 8 in der Zelle sicher.

Das Titanblech 7 bildet den Boden der Zelle. Es ist von den Stempeln 16 getragen, die das Blech durchqueren. Hierzu ist das Blech zwischen einem oberen Kragen 28 jedes Stempels 16 und einer auf den mit Gewinde versehenen Teil des entsprechenden Stempels aufgeschraubten Mutter 29 eingeklemmt. Die Dichtigkeit zwischen dem Stempel 16 und dem Bodenblech 7 ist mittels einer elastischen Ringdichtung 30 sichergestellt, die in einer entsprechenden Ringnut des Kragens 28 dem Blech 7 gegenüberliegend angeordnet ist.

Während des Betriebs der in den Figuren dargestellten Zelle fließt der elektrische Strom sukzessive von den Stromzuführungs stangen 17 in die Stempel 16 und die Anoden 8, wobei das Bodenblech 7 an der Leitung des Stromes nicht teilnimmt.

Bei der in den Figuren dargestellten Zelle sind die Stützen 21 der Stangen in Höhenrichtung verstellbar, und zwar mittels der beiden Muttern 24.

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Das Vorhandensein mehrerer Muttern dieser Art unter jeder Stange sorgt für den erheblichen Vorteil, eine leichte und genaue Einstellung der Orientierung der Stange 17 bezüglich der Horizontalebene derart zu ermöglichen, daß eine optimale Position der Anoden 8 zwischen den Kathoden 9 sichergestellt wird.

Bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist das Bodenblech 7 flexibel. Die Verwendung eines flexiblen Bodenblechs 7 bietet den Vorteil, die Regulierung der genannten Orientierung der Stangen 17 mit Hilfe der Stützen 21 zu erleichtern. Sie ermöglicht darüber hinaus eine lokale Deformation dieses Blechs 7, beispielsweise unter der Dilatationseinwirkung thermischen Ursprungs, ohne die Dichtigkeit oder die Geometrie der Zelle zu beeinträchtigen.

Gemäß einer nicht dargestellten modifizierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zelle besteht die Bodenplatte 7 aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, das der Korrosion unter Einwirkung des Elektrolyten und der Elektrolyseprodukte widersteht. Die Bodenplatte ist dabei beispielsweise von einem Blatt bzw. einer Folie aus Polyvinylchlorid oder Polytetrafluoräthylen gebildet.

Gemäß einer anderen nicht dargestellten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Zelle bestehen die Stempel aus einem elektrisch gut leitfähigen Material, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium, und ist ihr oberer Teil bzw. Kragen 28, der zur Berührung mit dem Elektrolyten bestimmt ist, in einer dichten Schutzbeschichtung eingekleidet, die der Korrosion unter Einwirkung des Elektrolyten und der Elektrolyseprodukte widersteht. Diese Schutzbeschichtung kann beispielsweise aus Polyvinylchlorid, Polytetrafluoräthylen oder einem filmogenen Metall, beispielsweise Titan, bestehen.

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Schließlich ist die Erfindung des weiteren auch insbesondere bei Zellen mit vertikalen Elektroden ohne Membran, beispielsweise bei Zellen zur Erzeugung von Alkalimetallchlorat, anwendbar.

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Claims (11)

1. 40*

   (l) Elektrolysezelle mit einer Bodenplatte, mit im wesentlichen vertikalen und parallelen Anodenplatten, die je auf mindestens einem Anodenträger angeordnet sind, der abgedichtet an der Bodenplatte befestigt ist und an mindestens eine unter der Bodenplatte angeordnete Stromzuführung angeschlossen ist, mit sich mit den Anoden abwechselnden Kathoden, mit einer über der Bodenplatte vorgesehenen und die Anoden und die Kathoden umgebenden Wanne, mit über der Wanne vorgesehener Abdeckung und mit Leitungen für die Zuführung einer zu elektrolysierenden Lösung und für die Abführung von Elektrolyseprodukten, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführung (17) auf mindestens einer Stütze (21) gelagert ist und den Anodenträger (16) trägt, der mindestens einen Teil der Bodenplatte (7) durchdringt und trägt.
2. 2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (7) unter der Wanne (10) auf einem festen Gestell (1) gelagert ist.
3. 3. Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütze (21) am Gestell (1) befestigt ist.
4. 4. Zelle nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Teil der Bodenplatte (7) von einem flexiblen Blatt aus einem Material gebildet ist, das der Korrosion unter der Einwirkung des Elektrolyten und der Elektrolyseprodukte widersteht.

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5. 5. Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Blatt aus einem Metall der Titangruppe besteht.
6. 6. Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Blatt aus einem Isoliermaterial besteht.
7. 7. Zelle nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der oberhalb der Bodenplatte (7) gelegene Teil des Anodenträgers (16) aus einem Metall der Titangruppe besteht.
8. 8. Zelle nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenträger aus einem zylindrischen Stempel (16) besteht, der eine kreisförmige Öffnung der Bodenplatte (7) durchdringt und auf der Stromzuführung (17) mittels einer Schraube (18) befestigt ist, die durch die Stromzuführung (17) hindurchgeführt und in eine axiale Gewindebohrung (19) des entsprechenden Stempels (16) eingeschraubt ist, und daß die Bodenplatte (7) zwischen einen oberen Kragen (28) des Stempels (16) und eine auf einen mit Gewinde versehenen Teil des Stempels (16) aufgeschraubte Mutter (29) eingeklemmt ist.
9. 9. Zelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen (28) des Stempels (16) eine der Bodenplatte (7) gegenüberliegende Ringnut besitzt, in der eine elastische Ringdichtung (30) angeordnet ist.
10. 10. Zelle nach irgendeinem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütze (21) in Höhenrichtung verstellbar ist.
11. 11. Zelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführung (17) auf mindestens drei unabhängig voneinander in Höhenrichtung verstellbaren Stützen (21) aufliegt.

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