DE2451868A1

DE2451868A1 - Elektrolytische zelle in membranbauart

Info

Publication number: DE2451868A1
Application number: DE19742451868
Authority: DE
Inventors: Morton Sumner Kircher; Elmer Nelson Macken
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1973-10-31
Filing date: 1974-10-31
Publication date: 1975-05-07
Also published as: IT1021999B; ES431521A1; US3898149A; ZA746500B; FR2249975B1; BR7408968A; JPS5328261B2; GB1428087A; JPS5074573A; FR2249975A1; CA1040135A; AU7433174A

Description

Elektrolytische Zelle in Membranbauart

Priorität: 31. Oktober 1973 /V.St.A.
Anmelde-Kr.: 411 327

Die Erfindung betrifft elektrolytisch^ Zellen zur Elektrolyse von wässrigen Salzlösungen, insbesondere eine elektrolytisch Zelle der Membranbauart für die Elektrolyse von wässrigen Alkalimetallchloridlösungen.

Elektrolysezellen der Membranart werden in der Industriein großem Ausmaß verwendet/ und zwar insbesondere bei der Herstellung von Chlor und Natriumhydroxid durch Elektrolyse von Natriumchloridlaugen.

Die meisten dieser handelsüblichen Zellen haben einen rechteckigen Aufbau mit einem Oberteil und einem Unterteil. Die Zellengehäuse sind aus schweren, lasttragenden Werkstoffen wie Zement oder Beton hergestellt, und die Anode ist senkrecht im Unterteil angebracht. Die Anode ist an metallische Leiter angeschlossen und mit einer Schicht aus Blei befestigt, die lhrer-

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seits mit einer Zementschicht bedeckt ist. Die Kathode ist im Oberteil oder an einer Seitenwand angebracht.

Bei Zellen- der Membranbauart, bei denen die Anode in

einer Seitenwand angebracht ist, wie gemäß den US Patentschriften

3 477 938 oder 3 247 090 ist das Zellengehäuse aus einem lasttragenden Werkstoff wie Beton hergestellt.

.Das Zirkulieren der Lauge in .Zellen der Membranbauart gemäß dem Stand der Technik ist bisher allgemein auf ein Strömen über oder unter und zwischen den Elektrodenbereichen beschränkt. Die Lauge .kann nicht frei völlig um die Elektroden herum zirkulieren.

Deshalb besteht Bedarf an einer Elektrolysezelle der Membranbauart, die aus leichtgewichtigen Werkstoffen hergestellt werden kann, wodurch die Kosten beträchtlich gesenkt werden können. Außerdem besteht Bedarf an einer Elektrolysezelle der Membranbauart mit verbesserter Zirkulation des Elektrolyten, i'n der die Lauge vollkommen um und durch den Elektrodenbereich zirkulieren kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die eingangs genannten Nachteile zumindest teilweise zu vermeiden.

Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, eine elektro-

lytische Zelle der Membranbauart zu schaffen, die ohne weiteres mit geringen Kosten herstellbar ist und ein niedriges Gewicht

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hat und dabei eine gute Zirkulation des Elektrolyten bietet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine elektrolytische Zelle der. Membranbauart geschaffen, die ein horizontales Zellengehäuse mit -einander gegenüberliegenden und im wesentlichen parallelen Enden aufweist, wobei eine erste Öffnung an einem Ende des Zellengehäuses und eine zweite Öffnung am entgegengesetzten Ende des Zellengehäuses vorgesehen ist. Am Zellengehäuse'ist eine elektrisch leitfähige Kathodehplatte abdichtend befestigt und überdeckt die erste Öffnung. An der Innenfläche der Kathodenplatte ist mindestens eine Kathode befestigt. Eine elektrisch leitfähige Anodenplatte ist gleichfalls abdichtend am Zellengehäuse befestigt und überdeckt die zweite Öffnung. Mindestens eine Anode ist an der Innenfläche der Anodenplatte befestigt. Die Kathodenplatte und die Anodenplatte stützen das Zellengehäuse ab.

Gegenstand der Erfindung ist demnach eine elektrolytische Zelle der Membranbauart zur Elektrolyse -wässriger Salzlösungen, bei der ein zylindrisches, horizontales Zellengehäuse an einem Ende von der Kathodenplatte und am gegenüberliegenden Ende von . der Anodenplatte abgestützt ist. Mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode ist dabei an der entsprechenden Platte derart befestigt, daß Lauge um die Elektroden herum und zwischen ihnen hindurch strömen kann. Das Zellengehäuse kann aus einem leichten Werkstoff "wie faserverstärktem Kunststoff hergestellt sein. Die horizontale Anordnung erleichtert den Eingang in die Zelle. Die hieraus resultierende elektrolytische Zelle in Membran-

bauart erlaubt beträchtliche Einsparungen an Material und Herstellungskosten, hat dabei ein geringeres Zellengewicht und bietet eine bessere Laugenzirkulation innerhalb der Zelle.

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Ein Torteil der Erfindung besteht darin, daß die elektrolytische Zelle eine an einer leitfähigen Stirnwand befestigte Kathode und eine an einer gegenüberliegenden leitfähigen Stirnwand befestigte Anode aufweist. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, daß das Zellengehäuse dabei von den leitfähigen Stirnwänden abgestützt ist» Die Eingänge zum Zellengehäuse erfolgen bei der horizontalen elektrolytischen Zelle"der Membranbauart gemäß der Erfindung durch die Enden. Schließlich ist es auch noch ein Vorteil der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle, daß sie einen kürzeren und direkteren Stromweg dui-ch die Zelle und zwischen einander benachbarten Zellen bietet. ^:

Die Erfindung wird nachfolgend mit vorteilhaften Einzel-. heiten anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, in denen einander entsprechende Teile Jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigen:

Pig. 1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer elektrolytisehen Zelle der Membranbauart gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine teilweise im Schnitt dargestellte Draufsicht auf die Elektrolysezelle gemäß Fig. 1 j

Fig. 3 eine Stirnansicht der Elektrolysezelle gemäß Fig. 1, in der die Kathodenplatte dargestellt ist;

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Kathodenbereich der Elektrolysezelle gemäß Fig. 1;

Fig. 5 eine Draufsicht auf den Anodenbereich der

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Elektrolysezelle gemäß Fig. 1;

Pig. 6 einen Schnitt durch die Elektrolysezelle gemäß Fig. 1 längs der Linie 6-6.

Wenn Vorrichtungen der in den Figuren 1-6 gezeigten Art für die Elektrolyse wässriger Lösungen aus Alkalimetallhalogeniden verwendet werden, bilden sich Halogengas, ¥ässerstoffgas und eine Alkalimetallhydroxidlauge. Für den Fachmann liegt jedoch auf der Hand, daß Abwandlungen vorgenommen werden können, so daß andere Ausgangsstoffe zur Erzeugung anderer Produkte verwendet werden können.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, und zwar eine Elektrolysezelle A der Membranbauart mit einem horizontalen, insgesamt zylindrischen Zellengehäuse 1 mit Flanschen 2 und 3, die die Öffnungen an den Enden des Zellengehäuses 1 umgeben. Am Flansch 2 am einen Ende des Zellengehäuses 1 ist eine Anodenplatte 4 befestigt, während · eine Kathodenplatte 4 am Flansch 3 am anderen Ende des Zellengehäuses 1 befestigt ist. Mit Dichtungen β bzw. 7 ist die Anodenplatte 4 am Flansch 2 und die Kathodenplatte 5 am Flansch 3 abgedichtet.

Eine wässrige Alkalimetallhalogenidlösung, die der Elektrolyse unterworfen werden soll, wird durch einen im Zellengehäuse 1 untergebrachten Laugeneinlaß 12 eingeführt. Halogengas wird durch einen Halogenauslaß 1 0 und Wasserstoffgas durch einen Auslaß 11 abgeführt. Der elektrische Strom wird der

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Zelle durch einen an der Anodenplatte 4 befestigten Leiter 13 zugeführt. Der Strom wird der Zelle über einen an der Kathodenplatte 5 befestigten Leiter 14 entnommen.

• Die Kathodenplatte 5 und die Anodenplatte 4 stützen das Gewicht des Zellengehäuses 1 ab. Stützelemente 8 für die Anodenplatte tragen das Gewicht der Anodenplatte 4 und Stützelemente für die Kathodenplatte halten die Kathodenplatte 5. Die Stützalemente 8 und 9 für die Anoden- bzw. Kathodenplatte sind mit Schraubbolzen oder auf andere Weise an Isolierelementen 23 befestigt, die auf Fundamenten oder Bodenplatten 24 ruhen.

Ein Abfluß 15 ermöglicht das Entleeren des Inhalts der Zelle. Die Abnahme der leitfähigeji Anodenplatte 4 und der leitfähigen Kathodenplatte 5 wird durch.Laschen oder Ösen 16 bzw. erleichtert.

Fig. 2 zeigt teilweise im Schnitt eine Draufsicht auf eine Elektrolysezelle A der Membranbauart gemäß der Erfindung/ An : der Anodenplatte 4 sind Anoden 21 befestigt, die über die Zelle hinweg zur Kathodenplatte 5 vorstehen. An der Kathodenplatte 5 sind Kathoden 22 befestigt, die über die Zelle hinweg zur Anodenplatte 4 vorstehen. Die Kathoden 22 stützen eine hier nicht gezeigte Membran von weiter unten näher beschriebener Art ab. Die Anoden 21 sind in die Zwischenräume zwischen einander benachbarten Kathoden 22 eingeschoben. Der Strom gelangt durch den Leiter 13 in die Zelle und fließt durch die Anodenplatte 4, durch

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die daran befestigten Anoden 21, durch den Elektrolyten zwischen den Anoden 21 und den Kathoden 22 und schließlich durch die Kathoden 22 zur Kathodenplatte 5. Der Strom verläßt die Zelle durch den Leiter 1 4, der an der Kathodenplatte 5 "befestigt ist. Der Strom verläuft also in einem kurzen und direkten Weg durch die Zelle. In den Leitern 13 und 14 ist eine Reihe Löcher vorgesehen, die das Befestigen dieser Leiter an anderen Leitern benachbarter Zellen beispielsweise mittels Schraubbolzen ermöglichen.

Fig. 3 ist eine teilweise im Schnitt gezeigte Stirnansicht einer Elektrolysezelle A der Membranbauart gemäß der Erfindung. Die Kathodenplatte 5 ist an dem hier nicht gezeigten Zellengehäuse 1 mit einer Reihe von in gleichmäßigen Abständen um den Umfang herum verteilten Schraubbolzen 25 befestigt. Die Stützelemente für die Kathodenplatte stützen die Kathodenplatte 5 ab. Die Kathoden 22 sind an der Kathodenplatte 5 im Abstand von deren äußeren Rändern angeordnet. Durch den Leiter 14 wird Strom von "; der Kathodenplatte 5 abgeführt. Eine wässrige Alkalimetallhalogenidlösung wird durch den Laugeneinlaß 12 in die Zelle eingeführt. Das während- der Elektrolyse entstehende Wasserstoffgas " wird durch den Wasserstoffauslaß 11 abgeführt, während die ent- : stehende Alkalimetallhydroxidlauge durch einen Auslaß 20 abgeleitet wird. ·

.. Pig. 4 zeigt eine Draufsicht auf den Kathodenbereich 28 der Elektrolysezelle A. Die Kathoden 22 bestehen jeweils aus einem leitfähigen Element 26, das an einem das Element umgebenden

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Sieb 27 befestigt 1st und für dasselbe eine Stütze bietet. Die Kathoden 22 sind parallel zueinander und in gegenseitigen Abständen an der Kathodenplatte 5 angebracht und bilden den Kathodenbereich 28. Der Kathodenbereich 28 hat einen Abstand vom ^: Umfang der Kathodenplatte 5, damit Lauge den Kathodenbereich um- '

kreisen kann. ■.

Fig. 5 zeigt den Anodenbereich. 29 der Elektrolysezelle A ; von oben. Die Anoden 21 sind parallel zueinander in gegenseitigen; Abständen an der Anodenplatte 4 angeordnet und bilden den Anodenbereich 29, Der Anodenbereich 29 hat einen Abstand vom Umfang der Anodenplatte 4, damit Lauge den Anodenbereich umkreisen kann..

Fig. 6 ist ein Längsschnitt durch Fig. 1 längs der Linie ■ 6-6. An der Anodenplatte 4 Ist eine Vielzahl von Anoden 21 befestigt, die den Anodenbereich 29 bilden. Die an der hier.nicht ^l gezeigten Kathodenplatte 5 befestigten Kathoden 22 sind so an- ^:

geordnet, daß jeweils eine Anode zwischen zwei Kathoden elnge- \ . setzt 1st und im wesentlichen den gleichen Abstand von beiden ' benachbarten Kathoden hat. Der Anodenbereich 29 hat einen Abstand⁷ vom Umfang der Anodenplatte 4, damit der Elektrolyt um den Anodenbereich fließen kann. " ;

Das horizontale Zellengehäuse der Elektrolysezelle in ;

Membranbauart gemäß der Erfindung kann von beliebiger zweck- ' ■ mäßiger Gestalt sdin, beispielsweise rechteckig, zylindrisch oder - elliptisch. Vorzugswelse ist es insgesamt zylindrisch oder elliptisch. Das Zellengehäuse kann aus einer Vielzahl ver-

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schiedener Werkstoffe hergestellt sein, wie faserverstärktem Kunststoff, Hartgummi, Stahl, mit Hartgummi "belegtem Stahl, Titan, asbestverstärktem Kunststoff oder Beton. Bei einem Ausführungsbeispiel hat das Zellengehäuse einen zylindrischen Mantel aus faserverstärktem Kunststoff, in dem die Fasern beispielsweise Glasfasern sind und der Kunststoff beispielsweise ein Polyester oder ein Epoxidharz ist. Ein Zellengehäuse dieser Art kann ohne weiteres z.B. auf einem Dorn unter Anwendung von Fadenwickeltechniken hergestellt werden und bildet dann ein Zellengehäuse von geringem Gewicht mit hoher Körperfestigkeit. "Weitere Ausführungsbeispiele können einen Mantel aus Stahl oder Beton aufweisen, der mit. einem Schutzüberzug aus einem der folgenden Stoffe versehen ist, Gummi, keramische Ziegelgemische, Kunststoffe verstärkt mit Asbest, Kohlenstoff, Siliciumdioxid oder Glasflocken, oder Polymerisate auf der Basis halogenierter Olefine, V7is Polytetrafluorathylen oder Polychlortrifluorethylen«

Das Zellengehäuse kann von beliebiger zweckmäßiger Höhe · sein. Es kann z.B. ein Zellengehäuse in einer Höhe von ca. 0,30 m bis 4,57 m (1 bis 15 Fuß), vorzugsweise von ca. 1,22 m bis ca. 3,66 m (4 bis 12 Fuß) verwendet werden. Um das Befestigen der Elektrodenplatten zu erleichtern kann das Zellengehäuse einen die Öffnung an jedem Ende umgebenden Flansch aufweisen.

' Die an einem Ende des Zellengehäuses befestigte Anoden-

platte ist ganz oder teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff wie Stahl, Kupfer, Aluminium, Titan oder Kombinationen dieser Werkstoffe hergestellt. Wenn das elektrisch leitfähige

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Material von der lösung oder den Gasen in.der Zelle angegriffen •werden kann, kann es z.B. mit Gummi, einem chemisch inerten-Kunststoff wie Polytetrafluoräthylen oder einem faserverstärkten Kunststoff oder einem Metall,, wie Titan oder Tantal bedeckt sein.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Anodenplatte aus Stahl hergestellt, /ler an der Innenfläche mit Gummi bedeckt ist. Der Stahl dient nicht nur als elektrischer Leiter sondern auch als ein für das Abstützen des Zellengehäuses ausreichend fester Werkstoff, ohne dafür eine übermäßig große Masse an Material zu benötigen.

Die Anodenstützplatte 1st an einer Öffnung des Zellenge-

häuses mit zweckmäßigen Befestigungsmitteln beispielsweise. Schraubbolzen, Spannstangen oder Klammern befestigt.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dient zum Befestigen der Anodenplatte am Zellengehäuse eine Reihe Schraubbolzen. Die um den Umfang der Platte herum angeordneten Schraubbolzen erleichtern das gleichmäßige Ausrichten der Anodetibeim Zusammenbau der Zelle. Die Anodenplatt.e trägt mindestens eine Anode.

Zur Verwendung bei der Erfindung geeignete Anoden bestehen aus Graphit, einem Ventilmetall wie Titan oder Tantal oder einem Metall wie Stahl, Kupfer oder Aluminium bedeckt mit einem Ventilmetall wie Tantal oder Titan. Auf dem Ventilmetall ist

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mindestens auf einem Teil der Oberfläche ein dünner überzug aus einem Metall der Platingruppe, einem Metalloxid der Platingruppe, einer Legierung eines Metalls der Platingruppe oder einem Gemisch, derselben angebracht. Der hier verwendete Ausdruck "Platinmetalle" bezieht sich auf Elemente der aus Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin bestehenden Gruppe.

Anoden können in verschiedensten Formen vorgesehen sein, z.B. als massives"Flachmaterial, perforierte Platten und_; im Fall eines leitfähigen Metalls als Streckmetall oder Siebmaterial. Die Anoden sind an der Anodenstützplatte chirch Schraubbolzen, Verschweißen oder Anlöten befestigt.

Die für die Erfindung verwendeten Anoden können von be-^ liebiger zweckmäßiger Größe sein. Sie können z.B. eine Höhe von ca. 0,30 bis 3,66.m (1 bis 12 Fuß), vorzugsweise von ca. 0,61 bis 3,05 m (2 bis 10 Fuß), eine Länge von ca. 0,30 bis 1,83 m (1 bis 6 Fuß), vorzugsweise von ca. 0,61 bis 1,52 m (2 bis 5 Fuß) und eine Dicke von ca. 1,27 mm bis , 25,4 mm (0,05 bis 1,00 Zoll) vorzugsweise von ca. 2,54 bis 20,32 mm (o,1 bis 0,8 Zoll) haben.

Eine Vielzahl von Anoden, deren genaue Anzahl von der

Größe der Anodenplatte abhängt, 1st an der Anodenplatte befestigt., ι

Bei der Elektrolysezelle gemäß der Erfindung sind beispielsweise von ca, 2 bis ca. 100 oder mehr, vorzugsweise von ca. 5 bis ca,

50 Anoden an der Anodenplatte befestigt und bilden den Anoden^- bereich. Die Anoden sind mit Abstand voneinander und parallel

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zueinander an der Anodenplatte angeordnet. Der Anodenbereich ist [ an der Anodenplatte so vorgesehen, daß er einen Abstand "vom Umfang der Anodenplatte hat, wie Pig. 6 zeigt. Durch diese Anordnung kann die Lauge völlig um den Anodenbereich herum und durch die Räume zwischen den Anoden nach oben fließen.

Die Kathodenplatte ist ganz oder teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, ζ.B₀ Stahl oder Kupfer oder Kombinationen dieser Werkstoffe hergestellt. Um Korrosionsschäden zu vermeiden, kann die Kathodenplatte z.B. mit Hartgummi, einem Kunststoff wie Polytetrafluorethylen oder einem faserverstärkten Kunststoff bedeckt sein.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die Kathodenplatte .aus Stahl mit einem Hartgummibelag. Der Stahl dient nicht nur als elektrisch leitfähiges Metall sondern auch als Werkstoff, der geeignet ist, das Zellengehäuse abzustützen, ohne daß dafür eine übermäßig ^große Masse an Material nötig ist.. Die Verwendung von Stahl ist wirtschaftlich, denn dabei kann gegebenenfalls völlig auf teurere Leiter wie Kupfer verzichtet werden. Die Kathodenplatte ist in abdichtender Weise an einer Öffnung des Zellengehäuses in zweckmäßiger Weise, z.B. mit · Schraubbolzen, Spannstangen oder Klammern befestigt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Kathodenplatte am Zellengehäuse mit einer Reihe von Schraubbolzen befestigt, die im Abstand voneinander um den Umfang der Platte herum verteilt sind. Die Schraubbolzen gewährleisten ein genaues und erleichtertes

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- 13 Ausrichten der Kathoden beim Zusammenbau der Zelle.

Sine Vielzahl von Kathoden, deren genaue Anzahl von der Größe der Kathodenplatte abhängt, ist an der Kathodenplatte befestigt. Bei der Elektrolysezelle der Membranbauart gemäß der Erfindung sind z.B. von ca. 2 bis ca. 100 oder mehr, vorzugsweise von ca. 5 bis ca. 50 Kathoden, vorgesehen, die den Kathodenbereich bilden. Die Kathoden sind parallel zueinander und in gegenseitigen Abständen an der Kathodenplatte angeordnet.

Die Kathoden haben die Form gelochter oder perforierter Yorsprünge, die über das Zellengehäuse hinweg-zur Anodenstütz- platte ragen. Eine einzelne Kathode "weist ein leitfähiges Element auf, das von einem leitfähigen Sieb oder Gitter umgeben ist. Das leitfähige Element kann z.B. die Form einer Platte oder Stange mit Befestigungsmitteln für das .Sieb oder Gitter haben. Bei einem Ausführungsbeispiel der Elektrolysezelle gemäß der Er-. findung ist das-leitfähige Element in Form einer Stahlplatte vorgesehen, die in Abständen längs der Platte Vorsprünge hat. Diese Vorsprünge sind am Kathodensieb befestigt, um als Abstützung zu dienen und dem Kathodensieb Strom zuzuführen. Die Vorsprünge können z.B. durch Ausstanzen der leitfähigen Platte geschaffen sein. Die Kathoden sind an der Kathodenplatte mit zweckmäßigen Mitteln, z.B. durch Verschweißen oder mit Schraubbolzen 'befestigt.

Die Kathoden können von beliebiger zweckmäßiger Größe sein. Sie können z.B. eine Höhe von ca. 0,3o bis 3,66 m (1 bis

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12 Fuß), vorzugsweise von. ca. 0,61 bis 3,05 m (2 bis 10 Fuß), eine Länge von ca. 0,30 bis 1,83 m (1 bis 6 Fuß), vorzugsweise vori ca.. 0,61 bis 1,52 m (2 bis 5 Fuß) und eine Dicke von ca. 12,70 bis 50,80 mm (0,5 bis 2,0 Zoll), vorzugsweise von ca. 20,32 bis 38,10mm (0,8 bis 1,5 Zoll) haben.

Bei der Elektrolysezelle gemäß der Erfindung stützen die Anoden- und Kathodenplatte das Gewicht des Zellengehäuses ab. Die Anodenplatte und die Kathodenplatte können dabei das Gewicht des Zellengehäuses direkt dadurch abstützen, daß sie einen größeren Umfang haben als das Zellengehäuse, wodurch das Gewicht der Zelle .direkt auf der Anodenplatte und der Kathodenplatte ruht. Bei einem anderen Ausführtfhgsbeispiel sind die Anodenplatte und die Kathodenplatte jeweils am. unteren Rand an mindestens einer Stütze z.B. einer Konsole, Strebe oder einem Stützbalken befestigt. Die Stützelemente für die Anoden- und Kathodenplatte sind in zweckmäßiger Weise isoliert, um einen Stromverlust zu vermeiden.

Wenn die anmeldungsgemäße Vorrichtung als Elektrolysezelle verwendet wird, wird ein beliebiges bekanntes inertes Membranmaterial auf den Kathoden angebracht oder niedergeschlagen. Das Membranmaterial, das sich zum Überdecken des Siebes oder des gelochten Teils der-Kathode verwenden läßt, ist ein fluiddurchlässiges und halogenbeständiges Material. Ein bevorzugtes Material ist Asbestfaser, die auf die Außenflächen des Kathodensiebes durch Anwendung eines Saugverfahrens aus einem Asbestfaserschlamm aufgebracht ist. Es können auch andere

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Membranstoffe wie Polyvinylidenchlorid, Polypropylen oder Poly-. tetrafluorethylen verwendet werden. Die Kathodenstruktur ist so, gewählt, daß alle Arten von Membranen verwendbar sind, einschließlieh Asbest in Form von Flachmaterial, niedergeschlagener Asbest und Kunststoffe in Form von Geweben, z.B. Polyäthylen, Polypropylen oder Polytetrafluorathylen.

Bei der zusammengesetzten Elektrolysezelle gemäß der.Erfindung ist der Kathodenbereich so angeordnet, daß die Kathoden über das Zellengehäuse hinweg in Richtung zur Anodenstützplatte ragen; Der Anodenbereich ist .gegenüber angeordnet, so daß die Anoden über die Zelle hinweg zur Kathodenplatte ragen und dabei zwischen einander benachbarten Kathoden eingeschoben sind. Der Abstand zwischen einer Anode und der benachbarten Kathode ist normalerweise zwischen ca. '3,17 mm und 9,52 mm (1/8 bis 3/8 Zoll).

In der Elektrolysezelle gemäß der Erfindung sind Anoden- und Kathodenplatten unterschiedlicher Höhe verwendbar. Z.B. können Anoden- und Kathodenplatten in einer Höhe von ca. 0,30 bis 4,57 m (1 bis 15 Fuß), vorzugsweise von ca. 1,22 bis 3,'66 m(4 bis 12 Fuß) verwendet werden. ¥enn man die Höhe der Elektrolysezelle vergrößert, kann der zum Erzeugen einer bestimmten Menge eines Produktes benötigte Bodenraum beträchtlich reduziert werden.

Beim Betrieb der Elektrolysezelle gemäß der Erfindung kann : eine wässrige Salzlösung, z\.B. ein Alkalimetallchlorid wie natriumchlorid oder Kaliumchlorid verwendet werden. Die Alkali-

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metallchloridlösung wird der Zelle als Laugenstrom von "beliebiger Konzentration zugeführt. Man läßt den Laugenpegel innerhalb der Zelle auf ein Niveau oberhalb des Anoden- und Kathodenbereichs innerhalb der Zelle ansteigen. Durch Einstellen des Flüssigkeitsspiegels innerhalb der Zelle kann die hydrostatische Säule bzw» der Druck.der auf die die Kathoden bedeckende Membran ausgeübt wird, variiert werden, wodurch der Strom des Elektrolyten durch die Membran in die Kathodenkammer veränderlich ist. Unter normalen Betriebsbedingungen steht die Lauge von ca. 7,62 cm bis 38,10 cm ·

oder mehr (3 bis 15 Zoll) über dem Anoden- und Kathodenbereich.

Der Anodenbereich und der Kathodenbereich hat einen Abstand vom .Umfang der entsprechenden Platte, um eine stark verbesserte Laugenzirkulation innerhalb der Zelle zu schaffen. Vorzugsweise sind Anoden- und Kathodenbereich seitlich zentriert. Sie sind

senkrecht so angeordnet, daß oberhalb des Anoden- und Kathodenbereichs eine ausreichende Laugenhöhe und ein Raum zur Gasfreigabe geschaffen ist. Der Raum oberhalb der Elektrodenbereiche ermöglicht nicht nur, daß die Lauge völlig um die Anoden und Kathoden herum fließt sondern" auch eine ungehinderte Freigabe von in der Anode erzeugtem Gas. Ohne durch eine Theorie festgelegt zu sein,wird vermutet, daß beim Bilden von Chlorgas an den Anoden und beim Ansteigen des Gases dieses Gas eine "Gasanhebewirkung" erzeugt, die in vertikaler Richtung entlang der Fläche der Anoden gerichtet ist. Diese "Gasanhebewirkung" zieht frische Lauge von unterhalb der Ele'ktrodenbereiche an, die dann nach oben längs der Anoden in den Bereich oberhalb der Anoden fließt, wo das Chlorgas die Lauge verläßt. Die schwerere Lauge, aus der

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das Chlorgas teilweise entwichen ist, fließt seitlich über die Elektrodenbereiche und dann längs deren Außenkanten nach unten.

Stromstärken von ca.. 1000 bis ca. 300.000, vorzugsweise von ca. 10.000 bis ca. 200.000 A sind zur Elektrolyse wässriger Salzlösungen in der Elektrolysezelle gemäß der Erfindung anwendbar. ' ·

Das nachfolgende Beispiel dient zur näheren Erläuterung der Erfindung. Sofern nicht anders angegeben, beruhen alle Teile und Prozentsätze auf dem Gewicht.

Beispiel

Eine Elektrolysezelle, wie sie in den Figuren 1 bis 6 dargestellt ist, bestand·aus einem horizontalen zylindrischen Zellengehäuse aus glasfaserverstärktem Polyesterharz mit einem Außendurchmesser von ca. 233,68 cm (92 Zoll"). Ein Plansch umgab die Öffnungen an beiden Enden des Zellengehäuses. An einem Ende der Zelle war eine Kathodenplatte mit Schraubbolzen am Plansch des Zellengehäuses befestigt. Die aus Flußstahl bestehende und an der Innenfläche

Außen mit Gummi bedeckte Kathodenplatte hatte einen ,durchmesser von ca..

243,84 cm (96 Zoll). Der Kathodenbereich wies 27 Kathoden auf, die jeweils an der Kathodenfläche angeschweißt waren. Eine Kathode umfaßte eine Stahlplatte mit einer Reihe von Vorsprüngen, an denen ein Stahlsieb befestigt war. Auf das Sieb war eine Membran aus Asbestfaser aufgebracht. Die Kathoden waren ca. 91,44 cm ^; (36 Zoll) lang, 76,20 cm (30 Zoll) hoch und 2,86 cm (1,125 Zoll) ^: dick und hatten einen Abstand von ca, 6,35 cm (2,5 Zoll) zwischen

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den Mitten. Der Kathodenbereich hatte einen Abstand von ca. 83,82 •cm (33 Zoll) vom oberen und unteren Rand und ca. 35,56 cm (14- Zoll) von den seitlichen Rändern der Kathodenplatte.

Am entgegengesetzten Ende des Zellengehäuses war eine Anodenplatte mit·Schraubbolzen am Flansch befestigt. Die Anodenplatte hatte einen Durchmesser von ca. 243,84 cm (96 Zoll) und war aus Flußstahl hergestellt, dessen-Innenfläche mit Gummi bedeckt war. Der Anodenbereich wies 28- Anoden auf, die mit der Anodenplatte verlötet waren. Jede Anode bestand aus titanüberzogenem Stahl und war auf einem Teil ihrer Oberfläche mit einem Rutheniumoxid bedeckt. Die Anoden waren ca. 91,44 cm (36 Zoll) lang, 76,20 cm (30 Zoll) hoch und 0,46 cm (0,18 Zoll)dick und hatten einen Abstand von 6,35 cm (2,5 Zoll) zwischen den Mitten. Der Anodenbereich hatte einen Abstand von ca. 83,82 cm(33 Zoll)vom oberen und unteren Rand und ca. 35|56 cm (14 Zoll) von den seitlichen Rändern der Anodenplatte. Die Kathodenplatte und die Anodenplatte waren jeweils außen von einer mit der Platte verschweißten Stahlkonsole abgestützt. Die Kathoden- und Anoden- '' platte stützte das Gewicht des Zellengehäuses ab.

line wässrige Lösung, die 300 g/l !natriumchlorid enthielt und eine Temperatur von ca. 60 bis 70° 0 hatte, wurde durch den Laugeneinlaß in der Kathodenplatte in das Zellengehäuse eingeleitet. Die Zelle wurde mit einem Strom von 76 Kiloampere und einer Spannung von 3,78 Volt betrieben,, um die Salzlösung einer Elektrolyse zu unterwerfen und Chlor, Wasserstoff und Natriumhydroxid zu erzeugen. Die erhaltene Kathodenflüssigkeit hatte

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eine ilatriumhydroxidkonzentration.von ca. 125 Gramm pro Liter. Das erhaltene Ohlorgas hatte einen Wasserstoffgehalt von 0,3 %. Über 1 06 Stunden himreg -wurde die Zelle mit einem Stromwlrkungsgrad von 97 % "beruhend auf der Ohlorerzeugung "betrieben.

Ansprüche

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Claims

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Ansprüche

MJ Elektrolytische Zelle der Membranbauart, gekennzeichnet durch ein horizontales Zellengehäuse (1 ) mit einander gegenüberliegenden und im wesentlichen parallelen Enden, wobei eine erste Öffnung an einem Ende des Zellengehäuses und

Zelleneine zweite Öffnung am anderen Ende des/gehäusee vorgesehen ist, eine elektrisch leitfähige Kathodenplatte (5), die abdichtend am Zellengehäuse (1) befestigt ist und die erste Öffnung überdeckt und an deren Innenfläche mindestens eine Kathode befestigt ist, eine elektrisch leitfähige Anodenplatte (4), die abdichtend am Zellengehäuse befestigt ist und die zweite Öffnung überdeckt und an deren Innenfläche mindestens eine Anode befestigt ist, wobei die Kathodenplatte (5) und die Anodenplatte (4) das Zellengehäuse (1 ) abstützen.
2. Elektrolytische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Zellengehäuse elliptische Gestalt hat.
J5. . Elektrolytische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Zellengehäuse zylindrische Gestalt hat. ·
4« Elektrolytische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

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dadurch. gekennzeichnet , daß das Zellengehäuse aus einem Werkstoff aus der Gruppe Stahl, Beton, faserverstärktem Kunststoff, Hartgummi, asbestverstärktem Kunststoff oder Titan hergestellt ist.
5. Elektrolytische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4,. dadurch gekennzeichnet , daß das Zellengehäuse aus einem Mantel aus einem Werkstoff der Gruppe Stahl oder Beton aufgebaut ist.
6. Elektrolytische Zelle'nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Mantel, mit einem Belagmaterial aus der Gruppe faserverstärkter Kunststoff, Gummi, asbestverstärkter Kunststoff, keramische Ziegelgemische, Polytetrafluorethylen oder Polychlortrifluorathylen versehen ist.
7. Elektrolytische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gek-ennzeichnet , daß die Kathodenplatte . ; eine Metallplatte aus Stahl oder Kupfer ist. '
8. Elektrolytische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Kathode (22) einen Abstand vom Umfang der Kathodenplatte (5) hat.
9. 'Elektrolytisch^ Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis.8, dadurch gekennzeichnet , daß die'Anodenplatte (4) eine Metallplatte aus Stahl, Kupfer, Aluminium oder Titan ist.

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I O. Elektrolytische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Anode (21) von einem Ventilmetall aus der Gruppe Titan oder Tantal gebildet ist und zumindest auf einem Teil ihrer Oberfläche einen Überzug aus der Gruppe Platinmetall, Platinmetalloxid, Platinmeta ll.egierung oder Gemische derselben aufweist. .
I1 . Elektrolytische Zelle nach Anspruch 1 0, dadurch gekennzeichnet , daß die Anode (21) ein Metall aus der Gruppe Stahl, Kupfer, oder Aluminium .aufweist, das mit dem Ventilmetall überzogen ist.
12. Elektrolytische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Anode (21) einen Abstand vom Umfang der Anodenplatte (4) hat.
13. Elektrolytische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß ein Flansch die , erste und die zweite Öffnung umgibt.
14. Elektrolytische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet , daß der Umfang der Kathodenplatte und der Anodenplatte Jeweils größer ist als der des ZeXlengehäusss (1),

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