DE2514132B2 - Bipolare Chlor-Alkali-EIektrolysier-Vorrichtung - Google Patents

Description

Bei bipolaren Diaphragmazellen mit ineinandergreifenden Anoden und Kathoden sind große Elektrolytvolumina mit kleinen Trägerplatten möglich. In derartigen Zellen entwickeln sich große Mengen an kathodischen Gasen, das heißt Wasserstoff, pro Einheit der Trägerplatte. Die kathodischen Gase enthalten mitgeführte Katholytflüssigkeit, so daß diese Flüssigkeit beim Gewinnen des Gases abgetrennt werden muß.

Außerdem führt die Anwesenheit von mitgeführter Katholytflüssigkeit in dem Wasserstoffgas zu einer Schaumbildung beim Austritt des Wasserstoffs. Dadurch wird andererseits die Auswärtsströmung des Wasserstoffs aus dem Katholytraum behindert, wodurch es zu einer Verzögerung und Schwankung in der Katholytflüssigkeit kommt Die Verzögerung und Schwankung der Katholytflüssigkeit ist begleitet mit Schwankungen des Wasserstoffdrucks auf das Diaphragma, der Kathodenstromausbeute und der Stärke der Zellflüssigkeit Es besteht deshalb der Wunsch, so viel der mitgeführten Zellflüssigkeit wie möglich vor der Entfernung des Wasserstoffgases aus der Zelle abzutrennen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine bipolare Elektrolysiervorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtung gelöst

Gegenstand der Erfindung ist deshalb eine bipolare Chlor-Alkali-Elektrolysier-Vorrichtung mit einer Vielzahl von elektrisch und mechanisch in Reihe geschalteten einzelnen Diaphiagmazellen mit einer ersten Zelleinheit, die eine enolytbeständige Trägerplatte mit auf dieser Trägerplatte montierten Anoden besitzt, einer zweiten Zelleinheit die eine katholytbeständige Trägerplatte mit darauf montierten hohlen Kathoden besitzt; durchlässigen Sperreinrichtungen zwischen den Anoden und den hohlen Kathoden, die die einzelnen Zellen in einen Anolytraum und einen Katholytraum unterteilen, der die hohlen Kathoden umschließt; Leitungen zur Zuführung der Salzsole zur Zelle; Leitungen zum Abführen des anodischen Gases aus der Zelle; Einrichtungen zum Abführen des kathodischen Gases aus dem Katholytraum der Zelle und Einrichtungen zum Abführen von Zellflüssigkeit aus dem Katholytraum. Diese Elektrolysier-Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Abführen des kathodischen Gases einen von dem Katholytraum getrennten horizontalen Kanal, der sich im wesentlichen über die gesamte Breite der Zelle erstreckt, eine Vielzahl von öffnungen zwischen diesem Kanal und der Katholytkammer, von denen mindestens eine sich an einem Ende des Kanals, das dessen Auslaß gegenüber liegt, befindet und Einrichtungen zur Freigabe von Gas am Ausgang des Kanals besitzen, wobei diese Freigabemittel eine Freigabekammer, eine Einrichtung zur Ablenkung des kathodischen Gases nach unten und eine Einrichtung zur Ablenkung des kathodischen Gases nach oben, die zwischen dem Ausgang des horizontalen Kanals und dem Gasauslaß der Freigabekammer angeordnet sind, wodurch das katholytische Gas erst nach oben, dann nach unten umgeleitet wird, eine Wasserstoffabführleitung am Auslaßende der Freigabekammer und Einrichtungen für die Abtrennung der Katholytflüssigkeit einschließen.

Im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Katholytflüssigkeit von dem Wasserstoffgas dadurch abgetrennt, daß man die wasserstoffhaitige Katholytflüssigkeit mit großer Geschwindigkeit durch den horizontalen Kanal fördert, die wasserstoffhaitige Katholytflüssigkeit in eine Gasfreigabekammer weiterführt, wobei die Strömungsrichtung der Katholytflüssigkeit abgelenkt und die Geschwindigkeit der Strömung reduziert wird, die Strömungsrichtung der wasserstoffhaltigen Katholytflüssigkeit umkehrt und die Geschwindigkeit der Strömung noch weiter reduziert, so daß der Wasserstoff von der Flüssigkeit freigegeben wird, und ein im wesentlichen von Katholytflüssigkeit freier Wasserstoff abgetrennt wird.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein Wasserstoffgas erhalten werden, das im wesentlichen frei von mitgeführter Katholytflüssigkeit ist.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die

Zeichnungen erläutert, die folgendes zeigt

F i g. 1 ist eine isometrische Ansicht einer bipolaren Elektrolysiervorrichtung nach der Erfindung.

F i g. 2 ist eine teilweise Schnittansicht in auseinandergezogener Form einer einzelnen Zelleinheit der bipolaren Elektrolysiervorrichtung von F i g. 1.

Fig.3 ist eine teilweise Schnittansicht der Einrichtung zur Freigabe des Gases der einzelnen Zelleinheit von F i g. 2.

Fig.4 ist eine Seitenansicht der Zelleinheit von Fig. 2.

F i g. 5 ist eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie 5-5 von F i g. 4.

Fig.6 ist eine weitere Schnittansicht entlang der Ebene 6-6 von F i g. 4 unter dem gleichen Winkel wie in F i g. 5, aber an einem weiter unten gelegenen Punkt der Zelle.

F i g. 7 ist eine Schnittansicht entlang der Ebene 7-7 von Fig.4 und unter dem gleichen Winkel wie die Ansichten der F i g. 5 und 6, aber bei einem niedrigeren Niveau in der Vorrichtung zur Freigabe des Wasserstoffgases.

Fig.8 ist eine Schnittansicht der Vorrichtung zur Freigabe des Wasserstoff gases.

F i g. 1 zeigt eine typische bipolare Elektrolysiervorrichtung in isometrischer Ansicht Die typische bipolare Elektrolysiervorrichtung 1 besitzt eine Vielzahl von einzelnen elektrolytischen Zellen 11, 12, 13, 14 und 15, wobei es sich um 3 oder 5 oder mehr Zellen, wie 11 oder 15 oder sogar 75 einzelne Zellen handeln kann. Die einzelnen Zellen 11 bis 15 sind elektrisch und mechanisch in Reihe geschaltet und besitzen ein gemeinsames Bauteil 21 zwischen benachbarten Zellen. Auf dem gemeinsamen Bauteil 21, das auch als Trägerplatte bezeichnet wird, sind die Kathoden 31 der eint η Zelle, beispielsweise der Zelle 12, und die Anoden 41 der nächst benachbarten Zelle, beispielsweise der ZeI'e 11, auf entgegengesetzten Seiten montiert Die Trägerplatte 21 sorgt für die elektrische Verbindung zwischen benachbarten Zellen und verhindert gleichzeitig das Fließen des Elektrolyten von einer Zelle zur anderen.

Eine einzelne elektrolytische Zelle, zum Beispiel die Zelle 12, der Elektrolysiervorrichtung 1 schließt die anodische Seite von einer Zelleinheit und die kathodi- -ts sehe Seite der nächst benachbarten Zelleinheit ein.

In F i g. 2 wird eine einzelne Zelleinheit gezeigt. Die einzelne Zelleinheit schließt eine Trägerplatte 21 mit den Kathoden 31 der einen Zelle 12 montiert auf der Trägerplatte 21 und die Anoden 41 der nächst benachbarten Zelleinheit 11, montiert auf der entgegengesetzten Oberfläche der Trägerplatte 21 ein. Die Zelleinheit schließt auch dazugehörende Kleinteile ein, wie Einrichtungen für die Zuführung der Salzsolc, das heißt ein Fallrohr 51, Einrichtungen zum Abtrennen des anodischen Gases, das heißt ein Chlorsteigrohr 53, und eine Einrichtung zum Abtrennen der Natronlauge 55 und eine Einrichtung zum Abtrennen des Wasserstoffgases. Die Zelleinheit schließt außerdem Seitenwände 57 und 58, ein Kopfteil 59 und ein Bodenteil 60 ein. bo

Eine Einzelzelle der bipolaren Elektrolysiervorrichtung ist durch eine durchlässige oder permeable Sperre unterteilt in einen Anolytraum und einen Katholytraum.. Zwei vorstehend beschriebene Zelleinheiten, die einander gegenüberstehen, im wesentlichen parallel zueinan- h^r> der, und sich im wesentlichen in gleicher Richtung erstrecken, definieren eine Einzelzelle.

Eine Einzelzelle schließt die anodische Hälfte einer ersten Zelleinheit ein. Die anodische Hälfte der Zelleinheit besitzt eine anolytbeständige Oberfläche 23. Die anolytbeständige Oberfläche 23 kann ein Gleichrichtermetall, wie Titan, Tantal, Wolfram, Zirkon oder deien Legierungen, sein. Die Gleichrichter- oder Ventilmetalle sind solche Metalle, die einen nichtreaktionsfähigen, im wesentlichen inerten Oxidfilm bei der Einwirkung von sauren Medien unter anodischen Bedingungen bilden. Alternativ kann die anolytbeständige Oberfläche 23 aus Gummi- oder Kunststoffüberzug sein.

An der anolytbeständigen Oberfläche 23 der Trägerplatte 21 ist eine Vielzahl von Anoden 41 befestigt Die Anoden können aus einem der vorhin genannten Gleichrichtermetaile bestehen und können einen geeigneten elektrisch leitenden und elektrokatalytischen Oberzug besitzen. Die elektrisch leitenden und elektrokatalytischen Überzüge können aus solchen Materialien bestehen, die eine geringe Chlorüberspannung besitzen, daß heißt von weniger als etwa 0,25VoIt bei 200 Ampere pro 929 cm², Widerstand zu der Anolytflüssigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit. Alternativ können die Anoden 41 auch aus Siliciumblättern mit einer geeigneten elektrisch leitenden Oberfläche bestehen. Ferner können die Anoden 41 Graphitfinger oder Graphitblatter sein, die sich von der Trägerplatte 21 erstrecken.

Die Anoden sind in geeigneter Weise auf der Trägerplatte montiert, zum Beispiel durch korrosionsbeständige Bolzen, Stifte, Schweißungen und dergleichen.

Die zweite Zelleneinheit der Einzelteile besitzt eine katholytbeständige Oberfläche 25, die gegenüber der anolytbeständigen Oberfläche 23 der ersten Zelleinheit angeordnet ist Typischerweise besteht die katholytbeständige Oberfläche 25 aus Eisen, Stahl. Edelstahl, Kupfer, Blei. Nickel, Kadmium und dergleichen.

An der katholytbeständigen Oberfläche 25 der Trägerplatte 21 sind Kathodenmiltel 30 befestigt, das heißt hohle Kathodenfinger 31 und der Kathodenrückschirm 33.

Die hohlen Kathodenfinger 31 sind zwischen den Anoden 41 der gegenüberliegenden Zelleinheit angeordnet. Der Kathodenrückschirm 33 ist parallel zu und im Abstand von der Trägerplatte 21 angeordnet Das Volumen zwischen den hohlen Kathodenfingern 31 und zwischen dem Kathodenrückschirm 33, zwischen dem RUckschirm 33 und der katholytbeständigen Oberfläche 25 der Trägerplatte wird allgemein als Katholytraum oder als Katholytkammer der einzelnen elektrolytischen Zelle bezeichnet.

Die Kathoden 31 und der kathodische Rückschirm 33 können in Form eines Maschensiebes oder einer perforierten Platte vorliegen. Die Kathoden 31 und der kathodische Rückschirm 33 werden aus katholytbeständigem Material hergestellt, zum Beispiel aus Eisen, Stahl, Edelstahl, Nickel, Kobalt und dergleichen.

Zwischen den Anoden und Kathoden sind durchlässige Sperren angeordnet, die die einzelnen Zellen in einen Anolytraum und einen Katholytraum unterteilen. Die durchlässigen Sperren können eine elektrolytdurchlässige Sperre, zum Beispiel aus Asbest, chemisch behandeltem Asbest, mit Silikat imprägnierten Asbest, oder mit einem Perfluorsäureharz behandelten Asbest bestehen. Alternativ kann die Sperre eine ionendurchlässige Sperre sein, z. B. eine handelsübliche permionische Membran.

Die Sperre kann auf der Kathode abgelagert werden,

zum Beispiel als Asbestdiaphragma, oder sie kann alternativ als Membran oder Platte auf der Kathode angebracht werden.

Die Einzelteile 12 schließt Mittel zur Zuführung der Sole, wie das Fallrohr 51, ein. Das Fallrohr 51 kann direkt in die Anolytkammer fördern. Alternativ kann die Förderung in eine Zwischenkammer erfolgen, zum Beispiel bei elektrolytischen Zellen, bei denen ein Diaphragma oder eine Membran auf die Kathoden aufgebracht ist und ein zweites Diaphragma oder eine ι ο Membran auf die Anoden aufgebracht ist. Dadurch wird eine Zwischenkammer dazwischen gebildet Die elektrolytische Einzelzelle schließt auch Mittel zum Abtrennen des anodischen Gases und Mittel zum Abtrennen der Katholytflüssigkeit 55. das heißt der Zellflüssigkeit, ein.

Die Einrichtung zur Freigabe bzw. Freisetzung des kathodischen Gases wird nun unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 näher erläutert. Eine horizontale Kanaleinrichtung 71 erstreckt sich quer über das Kopfteil 59 des Zellkörpers. Alternativ kann die horizontale Kanaleinrichtung sich innerhalb des Zellkörpers befinden.

In der hier gezeigten Ausführungsform besteht die horizontale Kanaleinrichtung 71 aus einem Eisenkanal 73 im Kopfteil 59 des Zellkörpers. Die äußere horizontale Kanaleinrichtung 71 kann aber auch eine Kreisleitung oder etwas ähnliches sein.

Die horizontale Kanaleinrichtung 71 erstreckt sich ausreichend weit über das Kopfteil 59 des Zellkörpers, um den an den Kathoden entwickelten Wasserstoff aufzunehmen, wobei die Wasserstoffentwicklung bei einer ausreichenden Geschwindigkeit erfolgt, um einen Aufbau von Gasblasen und Schaum innerhalb der Katholytkammer zu verhindern. Der horizontale Kanal r> 71 besitzt einen ausreichenden vertikalen Querschnittsbereich quer zu dem Strom des Wasserstoffgases, um das Gas und die mitgeführte Zellflüssigkeit mit einer hohen linearen Geschwindigkeit im Vergleich zu der Gasgeschwindigkeit in dem Rest des Freigabesystems w zu transportieren. Die lineare Geschwindigkeit ist in dem horizontalen Kanal nahezu immer höher als 1,83 m pro Sekunde, im allgemeinen höher als 2,44 m pro Sekunde, bevorzugt höher als 3,05 m pro Sekunde und besonders bevorzugt 4,57 m pro Sekunde oder höher. 4 -,

Entlang des Bodens des horizontalen Kanals 71 und in hydraulischer Verbindung mit der Katholytkammer befinden sich die öffnungen 75. Mindestens an einem Ende und gelegentlich auch an beiden Enden des horizontalen Kanals 71 sind Gasfreigabekammern 77 v> angeordnet.

Die öffnungen 75 zwischen dem Kanal 71 und der Katholytkammer und dem horizontalen Kanal 71. In dieser Weise kann das Wasserstoffgas, das mitgeführte Zellflüssigkeit enthält aus der Katholytkammer durch den horizontalen Kanal 71 abgeleitet werden. Die öffnungen 75 sind in ausreichender Zahl vorhanden, um den Wasserstoff, der die mitgeführte Katholytflüssigkeit enthält leicht in den horizontalen Kanal 71 eintreten zu lassen. fto

Die Einrichtung zur Freigabe des Gases am Ende des Kanals 71 wird in den Figuren 4 bis 8 noch näher erläutert In der Einrichtung zur Freigabe des Gases am Austritt des horizontalen Kanals 71 trennt sich die Katholytflüssigkeit vom Wasserstoffgas. Die Gasfreiga- μ bekammer 77 schließt eine Ablenkeinrichtung 79 für das Gas ein. Die Ablenkeinrichtung 79 befindet sich zwischen dem Austritt 81 des horizontalen Kanals 71 und dem Inneren 83 der Freigabekammer 77. Durch diese Ablenkeinrichtung wird die Richtung der Strömung des Wasserstoffgases mit der mitgeführten Zcllflüssigkeit nach unten abgelenkt. Gleichzeitig wird die Geschwindigkeit des Gases um einen Faktor zwischen etwa 0,25 bis etwa 0,50, bezogen auf die Geschwindigkeit des Gases in dem horizontalen Kanal 71, reduziert. Das bedeutet, daß die Geschwindigkeit des Gases von einer horizontalen linearen Geschwindigkeit in dem horizontalen Kanal 71 von etwa 1,83 bis etwa 4,57 m pro Sekunde auf eine lineare Geschwindigkeit von etwa 0,61 bis etwa 2,44 m pro Sekunde reduziert wird.

Die in den Figuren gezeigte Ablenkeinrichtung ist ein Ablenkblech 79. Wie in F i g. 5 gezeigt wird, strömt das Gas aus dem Kanal 71 gegen das Ablenkblech 79 und wird nach unten, zum Beispiel durch die öffnung 85, getrieben, wodurch das Gas eine nach unten gerichtete vertikale Komponente zu der linearen Geschwindigkeil erhält. Diese nach unten gerichtete Bewegung des Gases setzt sich fort, bis das Gas auf die Zellflüssigkeil auftrifft, die in dem vertikalen Zellflüssigkeitskanal 87 angesammelt ist Dieser Kanal ist in den F i g. 4, 7 und 8 gezeigt. Alternativ kann das Gas auf den Boden 89 des Kanals 87 auftreffen. An diesem Punkt erfolgt eine neu« Ablenkung oder Umkehrung der linearen Geschwindigkeit des Gases, die zu einer Aufwärtsströmung führt. Mil dieser Aufwärtsablenkung ist eine weitere Reduzierung der linearen Geschwindigkeit des Gases verbunden, die zur Trennung der Zellflüssigkeit vom dem Wasserstoffgas bzw. zur Freigabe des Gases führt. Bei diesei weiteren Reduktion der Geschwindigkeit wird die vertikale Geschwindigkeit um einen Faktor von etwa 0,1 bis etwa 0,2 gegenüber der Basis der Geschwindigkeit in dem horizontalen Kanal 71 reduziert. So liegt die Aufwärtsgeschwindigkeit jetzt zum Beispiel bei etws 0,30 bis etwa 0,61 m pro Sekunde verglichen zi Geschwindigkeiten von etwa 1,83 bis etwa 4,57 m prc Sekunde in dem horizontalen Kanal. Dieses wird durch eine Vergrößerung in der horizontalen Fläche dei Freigabekammer 83 erreicht.

Die Ablenkung und die daraus resultierende Auf wärtskomponente der Geschwindigkeit des Wasser stoffgases bei den weiter reduzierten Geschwindigkei ten führt zu der Trennung der Zellflüssigkeit von den Wasserstoff oder zur Freigabe des Wasserstoffs. Die Zellflüssigkeit wird dann zu der Zelle zurückgeführt zum Beispiel durch Rückführöffnungen 91, die in der Figuren 4 und 8 gezeigt werden. Das Wasserstoffga; wird aus dem Inneren der Freigabekammer 77 durch die öffnungen 93 abgeführt, wobei es im wesentlichen fre von Zellflüssigkeit ist

Die Erfindung ist nicht auf die verwendete Ausfüh rungsform mit einem rechteckigen horizontalen Kana auf dem Zellkörper und einer einzigen Freigabekammei an einem Ende des Kanals und einem Ablenkblech füi das Ablenken des Wassserstoffs beschränkt, sondern e; können äquivalente Einrichtungen verwendet werden die dem Fachmann bekannt sind. So kann zum Beispie der horizontale Kanal einen zylindrischen Querschnit haben. Außerdem kann der horizontale Kanal innerhalt des Zellkörpers statt auf ihm angeordnet sein Außerdem können Gasfreigabeeinrichtungen an beidei äußeren Enden des horizontalen Kanals 71 angeordne sein. Die Ablenkeinrichtungen können Schirme, Siebe Winkel, 90°-Winkel 60°-Winkel, 45°-Winkel, T-Stücke Expansionsventile, FIüssig-Gaszyklone, Siebe mit hohe Oberfläche sein.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Bipolare Chlor-Alkali-Elektrolysier-Vorrichtung mit einer Vielzahl von elektrisch und mechanisch in Reihe geschalteten einzelnen Diaphragmazellen mit einer ersten Zelleinheit, die eine anolytbeständige Trägerplatte mit auf dieser Trägerplatte montierten Anoden besitzt; einer zweiten Zelleinheit, die eine katholytbeständige Trägerplatte mit darauf montierten hohlen Kathoden besitzt; durchlässigen Sperreinrichtungen zwischen den Anoden und den hohlen Kathoden, die die einzelnen Zellen in einen Anolytraum und einen Katholytraum unterteilen, der die hohlen Kathoden umschließt; Leitungen zur Zuführung der Salzsole zur Zelle; Leitungen zum Abführen des anodischen Gases aus der Zelle; Einrichtungen zum Abführen des kathodischen Gases aus dem Katholytraum der Zelle und Einrichtungen zum Abführen von Zellflüssigkeit aus dem Katholytraum, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Abführen des kathodischen Gases einen von dem Katholytraum getrennten horizontalen Kanal (71), der sich im wesentlichen über die gesamte Breite der Zelle erstreckt, eine Vielzahl von Öffnungen (75) zwischen diesem Kanal und der Katholytkammer, von denen mindestens eine sich an einem Ende des Kanals (71), das dessen Auslaß gegenüber liegt, befindet und Einrichtungen zur Freigabe von Gas am Ausgang des Kanals (71) besitzen, wobei diese JO Freigabemittel eine Freigabekammer (77), eine Einrichtung (79) zur Ablenkung des kathodischen Gases nach unten und eine Einrichtung (89) zur Ablenkung des kathodischen Gases nach oben, die zwischen dem Ausgang des horizontalen Kanals (71) J5 und dem Gasauslaß der Freigabekammer (77) angeordnet sind, wodurch das katholytische Gas erst nach unten dann nach oben umgeleitet wird, eine Wasserstoffabführleitung (93) am Auslaßende der Freigabekammer und Einrichtungen für die Abtren- -to nung der Katholytflüssigkeit (87, 89, 91) einschließen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Gas-Abwärts-Ablenkeinrichtung (79) ein Schirm, Maschensieb, Winkel, T-Stück, Expansionsventil, Flüssig-Gaszyklon, Sieb mit großer Oberfläche, Ablenkblech oder eine Düse ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Gas-Abwärts-Ablenkeinrichtung (79) ein Ablenkblech einschließt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Gas-Abwärts-Ablenkeinrichtung (79) eine Düse am Ende des Kanals (71) ist.