DE2753885A1

DE2753885A1 - Elektrolytische zelle

Info

Publication number: DE2753885A1
Application number: DE19772753885
Authority: DE
Inventors: Jimmie Ray Hodges
Original assignee: Pennwalt Corp
Current assignee: Pennwalt Corp
Priority date: 1977-05-16
Filing date: 1977-12-02
Publication date: 1978-11-23
Also published as: BE863983A; PL204782A1; IT1090988B; JPS6011113B2; GB1540560A; TR19730A; ZA776743B; PL114937B1; YU2678A; US4075077A; FR2391289A1; NL7712435A; DD134876A5; CA1091187A; FR2391289B1; JPS53142380A; YU41825B; MX145193A

Description

Päfuntarw/älW
Dr>!na Walser Abltz Dr. DiC e K Uori Dipl.-Hiys. i-i. C.uicbneder

ae. ₂. Dezember 1977

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PENNWALT CORPORATION Philadelphia, Pennsylvania 19102, V.St.A.

Elektrolytische Zelle

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Die Erfindung betrifft diaphragmalose elektrolytische Zellen zur Herstellung von Alkalichloraten.

Eine elektrolytische Zelle von der Art, auf die sich die Erfindung bezieht, ist in der US-PS 3 824 172 beschrieben. Die Zelle gemäss dieser Patentschrift hat im wesentlichen flache, hohle Elektrodenbausteine in einem elektrisch leitenden Behälter, wobei jeder Baustein Kathoden zu beiden Seiten der Anoden aufweist derart, dass die Kathoden mit den Anoden ein Muster Kathode-Anode-Kathode-Kathode-Anode-Kathode-Kathode-Anode-Kathode usw. bilden. Die Kathoden gemäss der US-PS 3 824 172 sind durchlocht und haben vertikal gerichtete Schlitze.

Die Erfindung stellt eine Zelle zur Herstellung von Alkalichloraten zur Verfügung, die bei hoher Stromdichte arbeitet und dabei weniger Strom verbraucht als die bekannten Zellen, so dass Alkalichlorate mit höherem Wirkungsgrad erzeugt werden können als in den bisher bekannten Zellen. Die Zelle weist ein Paar von auf Abstand stehenden durchlochten Kathoden mit flachen nicht-durchlochten Anoden auf, die innerhalb eines Jeden Kathodenpaares untergebracht sind. Eine jede Kathode wird von horizontalen Schlitzen durchsetzt, und die Kathoden und Anoden befinden sich in einem elektrisch leitenden Behälter. Elektrisch isolierende, chemisch widerstandsfähige Puffer zu beiden Seiten einer jeden Anode halten die Anoden in der Nähe, aber doch auf Abstand von dem Kathodenpaar, in dem die betreffenden Anoden untergebracht sind. Der Behälterboden und zwei Seiten bestehen aus einem Stück; die Oberseite des Behälters ist von dem Rest des Behälters elektrisch isoliert.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen.

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Fig. 1 ist eine Draufsicht auf drei Zellen gemäss der Erfindung, die elektrisch hintereinandergeschaltet sind.

Fig. 2 ist eine Vorderansicht der in Fig. 1 dargestellten drei Zellen.

Fig. 3 ist eine auseinandergezogene, längengetreue Ansicht einer einzelnen Zelle gemäss der Erfindung.

Fig. 4 ist eine teilweise weggebrochene Draufsicht auf eine Zelle gemäss der Erfindung.

Fig. 5 ist ein teilweise weggebrochener Seitenschnitt nach den Pfeilen 5-5 der Fig. 4.

Fig. 6 ist ein Teilschnitt nach den Pfeilen 6-6 der Fig. 4. Flg. 7 ist ein Teilschnitt nach den Pfeilen 7-7 der Fig. 5.

Fig. 8 ist eine vergrösserte Teilansicht des in Fig. 7 gezeigten Aufbaues.

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung des Vorteils im Wirkungsgrad einer Zelle gemäss der Erfindung gegenüber der bisher bekannten Zelle mit dem höchsten Wirkungsgrad.

In Fig. 3 und 5 ist die Zelle mit 10 bezeichnet und weist einen Kanister 12 auf, der drei der fünf Seiten eines Behälters bildet, in dem sich die Anode und die Kathode der Zelle befinden. Der Kanister 12 besteht aus einem einzigen Stück aus elektrisch leitendem Werkstoff, vorzugsweise Kohlenstoffstahl, und hat einen Boden 14 und zwei Seiten 16. Um den Behälter zu bilden, sind zwei Seitenplatten 18, vorzugsweise durch Schweissen, längs ihrer vertikalen Ränder und Bodenränder an

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den Kanisterseiten 16 und des Kanisterboden 14 befestigt. Die Oberseite des Behälters ist durch Anschrauben einer Deckplatte 26 (1) an Plansche 54, die, vorzugsweise durch Anscnweissen, an den Kanisterseiten 16 befestigt sind, und (2) an horizontale Oberteile der Seltenplatten 18, die durch Umbiegen der Platten entstehen, geschlossen. Die Deckplatte 26 leitet den elektrischen Strom und besteht vorzugsweise aus Kohlenstoffstahl.

Die Deckplatte 26 ist von dem unteren Teil des Behälters durch einen Dichtungsring 52 elektrisch Isoliert, der auf den horizontalen Oberteilen der Seitenplatten 18 und den horizontalen Oberteilen von Flanschen 54 gelagert ist. Der Dichtungsring wird durch Muttern 68 und darin eingeschraubte Schrauben 66 zwischen der Deckplatte 26 und den horizontalen Teilen der Flansche 54 und der Seitenplatten 18 festgehalten, wie es am besten in Fig. 6 zu erkennen ist. Die Muttern 68 und die Schrauben 66 halten ferner die Deckplatte auf dem Behälter. Jedes Paar von Mutter 68 und Schraube 66 ist sowohl von dem Behälter als auch von der Deckplatte durch eine isolierende Manschette 70 und einen isolierenden Abstandhalter 72 isoliert. Die Manschette 70 und der Abstandhalter 72 können aus Jedem beliebigen dielektrischen Werkstoff bestehen, der Temperaturen bi,
auftreten.

raturen bis 100° C aushält, wie sie beim Betrieb der Zelle

In dem Behälter befinden sich mehrere Paare von vertikal gerichteten, horizontal auf Abstand stehenden, im wesentlichen flachen parallelen durchlochten Kathoden, von denen jede mit 20 bezeichnet ist. Die Kathoden sind an ihren in horizontaler Richtung äussersten vertikal verlaufenden Rändern an die inneren Oberflächen der vertikalen Seiten 16 des Kanisters angeschweisst. Die Kathoden sind elektrisch leitend und bestehen vorzugsweise aus Kohlenstoffstahl. In Jedem Paar von ein-

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zelnen Kathoden 20 befinden sich drei Anoden 22, von denen jede Im wesentlichen den gleichen Abstand von einer jeden Kathode des sie umgebenden Kathodenpaares hat. Die Anoden sind mechanisch und elektrisch mit der Deckplatte 26 verbunden. Die Anoden sind elektrisch leitend, bestehen vorzugsweise aus Titan und sind mit einem hochgradig leitenden Edelmetallüberzug beschichtet. Zwar ist Titan der bevorzugte Werkstoff für die Anoden; man kann jedoch alle Metalle der Titangruppe, d.h. Titan, Zirkonium, Tantal und Hafnium, zur Herstellung der Anoden verwenden. Ein Hersteller einer geeigneten Edelmetalllegierungsanode ist die Engelhard Minerals and Chemicals Corporation, Union, New Jersey, V.St.A. Der Edelmetall-Anoden-Uberzug kann auch aus Platin, einer Platin-Iridiumlegierung oder aus Rutheniumoxid bestehen.

Wie Fig. 3 zeigt, sind die Anoden 22 an der Deckplatte 26 durch Schrauben 44 befestigt, die durch eine Anodensammelplatte 36 hindurchgeführt sind. Jede Anodensammelplatte 36 auf der Deckplatte 26 ist durch Schrauben 44 mit einer Vielzahl von Anoden verbunden. Alle Anoden erstrecken sich in Räume zwischen den in Paaren angeordneten Kathoden, wenn die Deckplatte 26 gesenkt und an dem Behälter befestigt wird, wie es durch die Pfeile in Fig. 3 angedeutet ist. Wenn die Zelle zusammengefügt ist, ergibt sich daher die folgende Anordnung: Kathode-Anode-Kathode-Kathode-Anode-Kathode-Kathode-Anode-Kathode .

Die Befestigung einer Anode an der Deckplatte ist am besten aus Fig. 7 ersichtlich. Der Oberteil einer jeden Anode 22 befindet sich in einem Kanal in einer Anodenkopfschiene 40, und Anode und Kopfschiene sind vorzugsweise zusammengeschweisst. Die Kopfschiene 40 hat ein Gewindeloch zur Aufnahme einer Schraube 44. Die Schraube 44 hält eine Anodensammelplatte 36, die Deckplatte 26, die vorzugsweise aus Titan bestehende Deck-

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plattenverkleidung 42 und eine Anodenkopfschiene 40 zusammen. Ein 0-förmiger Packungsring 48 dichtet eine jede Grenzfläche zwischen Anodenkopfschiene und Titanverkleidung ab. Die Anodenkopfschienen bestehen vorzugsweise aus Titan.

Jede Anode ist von mehreren Löchern durchsetzt, in denen Anodenabstandhalterknöpfe 46 befestigt sind. Die Anodenabstandhalterknöpfe 46 können aus einem beliebigen, elektrisch isolierenden Stoff bestehen, der hohe Temperaturen und den korrodierenden Einfluss von Alkalichloriden und Alkalichloraten in Lösung aushält. Geeignete Werkstoffe fUr die Anodenabstandhalterknöpfe sind Polyvinylidenfluorid und Polytetrafluoräthylen. Die Knöpfe 46 dienen als Puffer, um die Anoden von dem umgebenden Kathodenpaar, in dem die betreffende Anode untergebracht ist, auf Abstand zu halten. Die Anodenabstandhalterknöpfe 46 sind vorzugsweise so geformt, dass nach aussen gerichtete halbkreisförmige Flächen für die Berührung mit einer Kathode 20 zur Verfugung stehen. Dies ist am besten in Fig. 8 zu erkennen.

In Fig. 3, 4 und 5 sind Kathodenpaare mit 21 bezeichnet, wobei Jede einzelne Kathode 20, vorzugsweise durch Schweissen, mit den Kanisterseiten 16 längs ihrer vertikal verlaufenden Ränder verbunden ist. Jede Kathode eines Paares steht horizontal auf Abstand von der anderen Kathode des Paares und verläuft parallel zu ihr. Tragebalken 30, die an die Kathoden 20 längs der unteren Kathodenränder angeschweisst sind, verstärken das Aggregat der Kathoden 20 in dem Behälter. Jede Kathode 20 weist eine Mehrzahl von horizontalen Schlitzen 24 auf derart, dass die prozentuale offene Fläche in einer jeden Kathode etwa 30 % beträgt. An der Oberseite eines jeden Kathodenpaares befinden sich Kathodenabstandhalter 62, die aus beliebigem elektrisch isolierendem Werkstoff bestehen können, der die hohen Temperaturen und die korrodierenden Einflüsse von Alkalichlo-

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riden und Alkalichloraten in Lösung aushält. Geeignete Werkstoffe für die Abstandhalter 62 sind Polyvinylidenfluorid und Polytetrafluorethylen. Die Abstandhalter 62 halten zusammen mit den Anodenabstandhalterknöpfen 46 die Anoden im Abstand von einer jeden Kathode des sie umgebenden Kathodenpaares. Dies ist am besten in Fig. 7 und 8 zu erkennen.

An der Aussenseite einer jeden der beiden Kanisterseiten 16 sind Kathodensammelplatten 34 befestigt. Dies ist am besten aus Fig. 3 ersichtlich. Die Kathodensammelplatten sind vorzugsweise an die Kanisterseiten angeschweisst und verbessern die Verteilung des elektrischen Stromes über die Kanisterseiten hinweg.

Wie Fig. 1 und 2 zeigen, können zwei oder mehrere Zellen elektrisch hintereinandergeschaltet sein. (Alle drei in Fig. 1 und 2 dargestellten Zellen verkörpern die Erfindung. Einige der baulichen Einzelheiten, besonders einige der Schrauben 44, sind aus den beiden äusseren Zellen als für das Verständnis der Erfindung unnötig fortgelassen worden.) Eine die Zellen verbindende Stromschiene 38 und eine die Zellen verbindende Schiene 39, die an einer Seitenplatte 18 und an den beiden Kathodensammelplatten 34 befestigt ist, ermöglichen es, die Zellen hintereinanderzuschalten. Jede die Zellen verbindende Stromschiene 38 ist mit der Anodensammelplatte einer ersten Zelle und der die Zellen verbindenden Schiene einer zweiten benachbarten Zelle mit Schrauben befestigt, die in der Zeichnung nicht mit Bezugszeichen versehen sind.

In der Deckplatte 26 befindet sich eine Gasverteilerleitung mit einem Gasauslassrohr 33. Das bei der Elektrolyse von Alkalichloridlösung entstehende Gas sammelt sich in der Verteilerleitung 32 und wird daraus durch das Auslassrohr 33 abgezogen. Diese Bauart ist am besten aus Fig. 3 und 5 ersichtlich.

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Wie Fig. 6 zeigt, wird Alkalichloridlösung in die Zelle durch ein FlUssigkeitseinlaesrohr 28 eingeleitet. Ein Zuführungsrohr 58 fördert die eingeleitete Flüssigkeit zum Bodenbereich der Zelle unterhalb der Anoden und Kathoden; man lässt die Zelle sich bis zu einer Höhe über den Kathoden, aber etwas unter der Titanverkleidung 42 der Deckplatte 26 mit Flüssigkeit füllen. Die Flüssigkeit läuft durch die Zelle und wird durch ein Flüssigkeitsauslassrohr 64 abgezogen, das mit dem Flüssigkeitsauslassrohr 30 verbunden ist; diese Anordnung ist am besten in Fig. 5 zu erkennen, überall dort, wo die Flüssigkeitseinlass- und -auslassrohre durch die Zellenwände hindurchgeführt sind, sind flussigkeitsdichte Armaturen vorgesehen.

Beim Betrieb wird eine Gleichstromquelle von hoher Stromabgabe mit den Zellenanoden und -kathoden verbunden, wobei die positiven Zuleitungen der Gleichstromquelle mit den Anodenstromschienen (und dadurch mit den Anoden) auf der isolierten Oberseite einer Zelle und die negativen Zuleitungen der Gleichstromquelle entweder mit der die Zellen verbindenden Schiene 39 und dadurch mit dem unteren Behälterteil dieser Zelle, falls nur eine Zelle betrieben wird, oder mit der die Zellen verbindenden Schiene 39 und dadurch mit dem unteren Behälterteil einer zweiten Zelle, die mit der ersten Zelle elektrisch in Reihe geschaltet ist, verbunden werden, wenn zwei oder mehr Zellen betrieben werden. Die Anzahl der Zellen, die hintereinandergeschaltet werden können, wird nur durch den verfügbaren Ausgangsstrom der Gleichstromquelle begrenzt.

Die Zelle ist mit benachbarten Kathodenpaaren versehen, die, wie die Strecke "A" in Fig. 7 zeigt, etwa 6,33 cm voneinander entfernt sind, während die ein Kathodenpaar bildenden Kathoden, wie die Strecke "B" in Fig. 7 zeigt, einen Abstand von etwa 19 mm voneinander aufweisen. Die Kathoden bestehen aus Kohlenstoffstahl und haben eine Abmessung von etwa

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63,5 χ 111,8 χ 0,93 cm. Die Anoden bestehen aus Titan, sind mit einem EdelmetallUberzug beschichtet und haben eine Abmessung von etwa 61 χ 30,5 x 0,48 cm. Der für die Abmessungen verwendete Ausdruck "etwa" bedeutet, dass die Werte für die Abmessungen innerhalb der technischen und fabrikatorischen Toleranzen gelten. Die Schlitze 24 in den Kathoden sind 12,7 mm hoch, und die Schlitzenden sind kreisförmig mit einem Radius von 6,35 mm ausgebildet. Die Mittelpunkte dieser Kreise haben einen Abstand von 7,62 cm voneinander, so dass die Gesamtmaximallänge eines Schlitzes 8,89 cm beträgt. Benachbarte Schlitze stehen in der vertikalen Richtung in Abständen von 3,81 cm voneinander, gemessen zwischen den horizontalen Mittellinien der Schlitze. Horizontal benachbarte Schlitze haben einen Abstand von 3,81 cm voneinander, gemessen zwischen den Mittelpunkten der einander benachbarten kreisförmigen Schlitzenden. Der Behälter und die Deckplatte sind aus 12,7 min dickem Kohlenstoffstahl gefertigt, während die Deckplattenverkleidung aus 1,27 mm dickem Titanblech besteht. Die Kathodensammelplatte 34 besteht aus 41,275 mm dickem Kohlenstoffstahl, die die Zellen verbindende Schiene 39 aus 25,4 mm dickem Kohlenstoffstahl, und die der Zelle abgewandte Oberfläche dieser Schiene ist durch Explosionsbeschichtung mit einer 3,175 mm dicken Kupferschicht versehen. Die Anodenstromschienen 36 und die die Zellen verbindende Schiene 38 bestehen aus Kupfer.

Die Verwendung von Titan als Anodengrundmetall gewährleistet, dass die Anode nicht erodiert, falls ein Teil des Edelmetalls beim Betrieb der Zelle durch Verschleiss abgetragen oder bei der Herstellung, Zusammensetzung oder Instandhaltung der Zelle zufällig beschädigt wird. Wenn das Titangrundmetall der Einwirkung der ZellenflUssigkeit ausgesetzt wird, greift das Chlor der ZellenflUssigkeit das Titan an, und es bildet sich ein Titanoxidfilm an der Grenzfläche zwischen Titan und Flüssigkeit. Das Titanoxid verhindert dann den weiteren Angriff

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des Titangrundmetalls durch Chlor, so dass der Angriff auf die Anode zum Stillstand kommt.

Überraschenderweise erzeugen Zellen gemäss der Erfindung, wenn sie bei mäßigen bis hohen Kathodenstromdichten und bei mäßigen bis hohen ZellenflUssigkeitstemperaturen arbeiten, Alkalichlorate mit höherem Wirkungsgrad als bisher bekannte Zellen einschliesslich der in der US-PS 3 824 172 beschriebenen Zelle, die die bisher bekannte Zelle mit dem höchsten Wirkungsgrad ist. Noch überraschender ist es, dass die Überlegenheit der Zellen gemäss der Erfindung im Wirkungsgrad gegenüber den bisher bekannten Zellen sowohl mit zunehmender Stromdichte (und infolgedessen Chloraterzeugungsgeschwindigkeit) als auch mit zunehmender Zellenflüssigkeitstemperatur zunimmt.

Aus einer Interpolation zwischen den in Fig. 9 dargestellten Kurven ergibt sich, dass bei Kathodenstromdichten von mehr als 0,155 A/cm die Zellen gemäss der Erfindung Alkalichlorat, besonders Natriumchlorat, mit höherem Wirkungsgrad erzeugen als die in der US-PS 3 824 172 beschriebene Zelle, sofern die ZellenflUssigkeitstemperatur über 57,8° C gehalten wird. Die Überlegenheit der erfindungsgemässen Zellen im Wirkungsgrad nimmt mit steigender Temperatur der Zellenflüssigkeit und/oder Kathodenstromdichte zu, d.h. wenn der Zellenbetriebspunkt in dem Diagramm der Fig. 9 zur oberen rechten Ecke hin verschoben wird.

Die Zellen gemäss der Erfindung haben auch eine wesentlich längere Lebensdauer als die bisher bekannten Zellen. Der die Lebensdauer von diaphragmalosen elektrolytischen Zellen begrenzende Faktor ist der Verlust von Edelmetallbeschichtung der Zellenanoden. In dem Grade, wie der Verlust an Anodenbeschichtung auf ein Minimum begrenzt wird, erreicht die Lebensdauer der diaphragmalosen elektrolytischen Zellen ein Maximum.

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Der Verlust an Anodenbeschichtung ist hauptsächlich eine Funktion der Stromdichte an der Anodenoberfläche. Die Stromdichte wiederum ist eine Funktion von vielen Variablen, und zwar vorwiegend der Metallsalzkonzentration über der Anodenfläche. Wenn die Salzkonzentration hoch ist, ist die elektrische Leitfähigkeit der Lösung ebenfalls hoch, und es fliesst ein starker Strom zwischen den Kathoden und den Anoden. Es kann erwünscht sein, eine hohe Salzkonzentration und mithin eine hohe Stromdichte im Interesse einer hohen Chloraterzeugungsgeschwindigkeit auf Kosten einer verminderten Lebensdauer der Anodenbeschichtung innezuhalten. Ungeachtet der Stromdichte und der gewählten Chloraterzeugungsgeschwindigkeit ist es zur Erzeugung von Chloraten bei maximaler Anodenlebensdauer notwendig, das Gefälle der Salzkonzentration in der Zelle auf ein Minimum zu beschränken. Wenn man ein bedeutendes Salzkonzentrationsgefälle in der Zelle zulässt, ist überall dort, wo eine hohe Salzkonzentration herrscht, die elektrische Leitfähigkeit der flüssigen Lösung hoch, und es fliesst dort mehr Strom von der Kathode zur Anode. Durch einen solchen örtlichen hohen Stromfluss kann der Anodenbelag schnell verbraucht werden. In dem Grade, in dem Salzkonzentrationsgefälle über die Anodenoberfläche hinweg auf ein Minimum beschränkt werden, werden auch Schwankungen in der Stromdichte über die Anodenoberfläche hinweg auf ein Minimum beschränkt, und der Anodenbelag nutzt sich gleichmässig ab. Dies führt, ungeachtet der mittleren Salzkonzentration und der mittleren Anodenstromdichte, zu einer längeren Lebensdauer der Anode.

In einer Versuchszelle gemäss der Erfindung wurde der Verlust an Anodenbelag gemessen. Es stellte sich heraus, dass dieser Verlust über die Anodenfläche hinweg gleichmässig war. Durch Extrapolieren der gemessenen Abtragegeschwindigkeit des Anodenbelages wurde eine zu erwartende Lebensdauer des Anodenbelages und mithin eine zu erwartende Lebensdauer der Zelle von 8 bis

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10 Jahren ermittelt. Dies ist erbeblich länger als die Lebensdauer der bisher bekannten Zellen.

Ein verbesserter Wirkungsgrad und eine längere Lebensdauer der Zellen gemäss der Erfindung ergeben sieh aus dem auf ein Minimum beschränkten Gefälle der Metallsalzkonzentration in der Zelle als Folge der Kombination von (1) der in dichten Abständen voneinander angeordneten benachbarten Kathodenpaare und (2) der horizontalen Schlitze in den einzelnen Kathoden. Der dichte Abstand zwischen den Kathodenpaaren und die horizontalen Schlitze in den Kathoden verbessern den Wirkungsgrad der Zelle und verlängern die Lebensdauer derselben, indem sie eine verbesserte Hydraulik in der Zelle und eine verbesserte Gasablösung von den Kathoden bewirken. Der dichte Abstand der Kathodenpaare und die horizontalen Schlitze in den Kathoden tragen unabhängig voneinander sowohl zu der verbesserten Zellenhydraulik als auch zu der verbesserten Gasablösung bei.

Der dichte Abstand zwischen benachbarten Kathodenpaaren verbessert die Zellenhydraulik, indem er der Zellenflüssigkeit eine schnelle Bewegung längs der Kathoden- und Anodenoberflächen aufzwingt, wenn die Flüssigkeit durch den Behälter strömt. Die mit hoher Geschwindigkeit strömende Flüssigkeit nimmt Gas mit, welches sich bei der Elektrolyse der Alkalichloridlauge bildet und an den Kathoden anhaftet. Das Entfernen von Gas beim Aufsteigen der Flüssigkeit durch die Zelle gewährleistet die Innehaltung eines gleichmässigen Metallsalzkonzentrationsgefälles über die vertikale Länge der Anoden hinweg. Wenn man Gasblasen auf den Kathoden verbleiben lassen würde, könnte von der von dem Gas bedeckten Kathodenfläche zur Anode kein Strom fliessen, ein Effekt, der als "gas blinding" bezeichnet wird. Wenn das Gas aus dem Raum zwischen den Anoden und den Kathoden entfernt wird, ist der elektrische Widerstand der Salzlauge von den Kathoden zu den Anoden gleichmässig, und

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die ganze Fläche einer jeden Kathode sendet Strom durch die Salzlauge. Hierdurch wird der Spannungsabfall von der Kathode zur Anode bei jeder Stromdichte wirksam vermindert, und dadurch wird auch der Stromverbrauch der Zelle für eine vorgegebene Chloraterzeugungsgeschwindigkeit vermindert und gewährleistet, dass die Elektrolyse der Salzlauge längs der vertikalen Länge der Anoden und Kathoden hinreichend gleichmassig erfolgt.

Die horizontalen Schlitze in den Kathoden verbessern die Gasablösung von den Kathoden. Da die Zellenflüssigkeit allgemein vertikal von unterhalb der Kathoden bis zum oberen Ende der Zelle durch die Zelle strömt, neigt das an den Kathoden entwickelte Gas dazu, senkrecht an den Kathodenoberflächen entlang aufzusteigen. Wenn die längs einer Kathodenoberfläche aufsteigenden Gasblasen einen horizontalen Schlitz treffen, lösen sie sich von der Kathode ab und steigen aufwärts durch die Zellenflüssigkeit. Die aufsteigenden Gasblasen wirken dabei als Pumpe, die die Aufwärtsströmung der Flüssigkeit durch die Zelle beschleunigt. Wenn die Gasblasen sich von den Kathoden ablösen, vermindern sie die effektive örtliche Dichte der Flüssigkeit, da sie weniger dicht sind als die Flüssigkeit. Dieser leichtere Teil der Flüssigkeit steigt zwischen den Kathoden oder zwischen einer Kathode und einer Anode aufwärts und zwingt dabei weitere Flüssigkeit, längs der Kathoden- und Anodenoberflächen zu strömen, und auf diese Weise wird Flüssigkeit durch die Zelle "gepumpt¹¹.

Die mit horizontalen Schlitzen versehenen Kathoden bringen eine wesentliche Verbesserung gegenüber mit vertikalen Schlitzen versehenen Kathoden oder gegenüber schlitzlosen Kathoden mit sich. Das Gas kann an den Oberflächen sowohl der mit vertikalen Schlitzen versehenen Kathoden als auch der Kathoden, die überhaupt keine Schlitze aufweisen, entlang auf-

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steigen, wobei es mit der Kathode in Berührung bleibt, wenn es das äusserste, von Flüssigkeit benetzte vertikale Ende der Kathode erreicht. Dies führt zu "gas blinding" und damit zur Verminderung des Wirkungsgrades der Zelle. Die horizontalen Schlitze verhindern diese Erscheinung bei den Zellen gemäss der Erfindung.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die horizontalen Schlitze in den Kathoden die in der US-PS 3 824 172 mit 30 bezeichneten Kathodenstromverteilungsschienen überflüssig machen. Infolgedessen können benachbarte Kathodenpaare in sehr dichten seitlichen Abständen voneinander angeordnet werden, und ausserdem wird eine verbesserte Stromverteilung über die horizontale Länge der Kathode hinweg erleichtert. Bei den Zellen gemäss der Erfindung wirkt Jeder Teil der massiven Kathodenfläche zwischen den vertikal benachbarten Reihen von horizontalen Schlitzen als besondere Stromverteilungsschiene, die den Strom gleichmässig über die horizontale Länge der Kathode verteilt.

Bei der Zellenanordnung gemäss der Erfindung tragen der dichte Abstand sowohl zwischen den zu beiden Selten einer Anode angeordneten Kathoden als auch zwischen benachbarten Kathodenpaaren und die horizontalen Schlitze in den Kathoden synergistisch zu einer verbesserten Zellenhydraulik und einer besseren Gasablösung (mit entsprechend verminderten Metallsalzkonzentrationsgefällen, verminderten Schwankungen in der Stromdichte und erhöhtem Wirkungsgrad der Zelle) im Vergleich zu den bisher bekannten diaphragmalosen elektrolytischen Zellen bei. Die synergistische Wirkung beginnt damit, dass die horizontalen Schlitze die Gasablösung von der Kathode erleichtern. Wenn sich das Gas ablöst, vermindert es die effektive Dichte der die Kathode umgebenden Flüssigkeit in dem Bereich, wo sich die Gasblasen ablösen. Die dadurch entstehende leichte

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Flüssigkeit von niedriger Dichte steigt durch die sie umgeben de Flüssigkeit von höherer Dichte hindurch aufwärts und erhöht dadurch die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströmung längs der Kathode. Da die Kathoden in engen Abständen voneinander stehen, ist die Strömungsgeschwindigkeit längs der Kathoden hoch, und zwar höher als bei den bisher bekannten Zellen. Die höhere Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeit wiederum führt zu weite rer Gasablösung, die ihrerseits die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit weiter erhöht. Alles dies trägt in synergistischer Weise zu einem höheren Wirkungsgrad der Zellen im Vergleich zu den bisher bekannten Zellen bei.

Ende der Beschreibung.

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Claims

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Patentansprüche

Γΐ/. Elektrolytische Zelle zur Herstellung von Alkalichloraten aus Alkalichloridlösungen, gekennzeichnet durch

a) einen elektrisch leitenden Behälter (12) mit einem von dem unteren Teil elektrisch isolierten Deckel (26),

b) eine Mehrzahl von Paaren (20) von durchlochten Kathoden (21) in dem Behälter, wobei jede Kathode (21) eines Paares (20) von der anderen Kathode (21) des Paares auf Abstand steht und parallel zu ihr gerichtet ist, die vertikalen Ränder der Kathoden an die vertikalen Wände (16) des unteren Teils des Behälters (12) angeschweisst sind und die Durchlochungen einer jeden Kathode eine Mehrzahl von horizontalen Schlitzen (24) bilden,

c) eine Mehrzahl von nicht durchlochten Anoden (22), die an dem Behälterdeckel (26) aufgehängt und elektrisch mit ihm verbunden sind und zwischen je zwei Kathoden (21) eines Kathodenpaares (20) angeordnet sind, wobei sich zwischen den Kathoden eines jeden Kathodenpaares (20) mindestens eine Anode (22) befindet, und jede Anode (22) von den beiden Kathoden (21) des zu ihr gehörigen Kathodenpaares (20) auf Abstand steht, so dass die Kathoden und Anoden in der Reihenfolge Kathode-Anode-Kathode-Kathode-Anode-Kathode-Kathode-Anode-Kathode aufeinanderfolgen,

d) eine Gleichstromquelle zum Anlegen einer Spannung zwischen dem isolierten Behälterdeckel (26) und dem unteren Teil des Behälters (12),

e) eine Zuleitung (28, 38) zum Einleiten von Alkalichloridlösung in den Behälter zu einer Stelle unterhalb der Anoden und Kathoden und

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f) eine Ableitung (64, 30) zum Abziehen der durch Elektrolyse der Salzlösung entstandenen Alkalichlorid-chloratflüssigkeit aus dem Behälter.
2. Elektrolytische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathoden (20, 21) und die Anoden (22) vertikal gerichtet sind, horizontal auf Abstand voneinander stehen und im wesentlichen flach ausgebildet sind.
3. Elektrolytische Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (14) und zwei Seiten (16) des Behälters aus einem einzigen Metallbauteil (12) bestehen.
4. Elektrolytische Zelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von elektrisch isolierenden,chemisch widerstandsfähigen Puffern (46) zu beiden Seiten einer Jeden
Anode (22), die eine jede Anode von den beiden Kathoden
(21) des Kathodenpaares (20), in dem sie sich befindet,
auf Abstand halten.
5. Elektrolytische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Anode (22) von den beiden Kathoden (21) des
dazugehörigen Kathodenpaares (20) den gleichen Abstand aufweist.
6. Elektrolytische Zelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Puffer (46) aus Polyvinylidenfluorid oder aus Polytetrafluoräthylen bestehen.
7. Elektrolytische Zelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine in dem isolierten Behälterdeckel (26) befindliche,
nach oben vorspringende Verteilerleitung (32) zum Sammeln
des bei der Elektrolyse der Salzlösung an den Anoden und
Kathoden entstehenden Gases.

R0'^f : ι, 7/0Ρ09

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8. Elektrolytische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet* dass die Kathoden (20, 21) aus Kohlenstoffstahl bestehen.
9. Elektrolytische Zelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anoden (22) aus Titan bestehen und einen Belag aus einer Edelmetallegierung aufweisen.
10. Elektrolytische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anoden (22) aus Titan, Zirkonium, Tantal oder Hafnium bestehen.
11. Elektrolytische Zelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anoden (22) mit Platin, einer Platin-Iridiumlegierung oder Rutheniumoxid beschichtet sind.
12. Elektrolytische Zelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von gegossenen Kopfschienen (40) aus Titan, und zwar eine Kopfschiene (40) je Anode {22), wobei jede Kopfschiene (40) zwischen einer Anode (22) und dem Behälterdeckel (26) angeordnet ist und mit der Oberseite der Anode in Eingriff steht.

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