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Elektrolysezellen-Anlage
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Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezellen-Anlage mit mehreren
elektrisch in Serie geschalteten Elektrolysezellenblökken, die Jeweils aus mehreren
monopolar geschalteten, filterpressenartig angeordneten Elektrolysezellen mit Kathoden-
und Anodenrahmen und dazwischen angeordneten Trennwänden bestehen.
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In derartigen Anlagen erfolgt beispielsweise die Chloralkalielektrolyse,
unter der man die Gewinnung von Chlor, Wasserstoff und Ätzalkalien aus wäßrigen
Lösungen von Alkalichloriden durch elektrische Energie versteht Daneben wächst die
Bedeutung der elektrolytischen Zerlegung von Salzsäure. Bei der Herstellung von
Alkali- oder Erdalkalimetallen durch Elektrolyse geschmolzener Salze fällt Chlor
als Nebenprodukt an.
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Einige dieser Produkte werden als Grundchemikalien in sehr großen
Mengen hergestellt, Im Falle der Chloralkalielektrolyse werden Anlagen betrieben,
in deren einzelnen Stromkreisen 500 bis 1000 Tonnen Chlor pro Tag erzeugt werden,
In diesen Anlagen werden Stromstärken bis etwa 500 000 A erzielt, und abhinglg von
dem benutzten Verfahren werden mehr oder weniger viele Elektrolysezellen zu einem
Stromkreis zusammengeschaltet.
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Fließt durch eine elektrochemische Zelle mit alkalichloridhaltigem,
wäßrigem Elektrolyten ein elektrischer Gleichstrom, so wird am positiven Pol, der
Anode, vorwiegend Chlorgas gebildet, während am negativen Pol, der Kathode, Wasserstoffgas
und Alkalihydroxid entstehen. Eine Durchmischung der Produkte, und damit eine Rückreaktion,
muß verhindert werden. Zu diesem Zweck wurden zunächst zwei verschiedene Verfahren
entwickelt, und zwar das sogenannte Quecksilberverfahren und das Diaphragmenverfanren.
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Beim Diaphragmenverfahren trennt eine poröse Scheidewand (Diaphragma)
den Anodenraum vom Kathodenraum und verhindert eine Vermischung und damit die Rückreaktion
der an den Elektroden abgeschiedenen Produkte.
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In letzter Zeit setzt sich zunehmend ein drittes Elektrolyseverfahren,
das sogenannte Membranzellenverfahren, durch. Da dimensionsstabile Anoden und permselektive
Membranen zur Verfügung stehen, können Elektrolysezellen mit einer dünnen, zwischen
flachen Elektroden aufgespannten Trennmembran hergestellt werden. Durch Aneinanderfügen
mehrerer derartiger Elektrolysezellen wird ein filterpressenartig aufgebauter Zellenblock
erhalten. Filterpressenartig angeordnete Elektrolysezellen sind beispielsweise aus
der DE-PS 1 054 430 und der DE-OS 2 222 637 für die Elektrolyse wäßriger Salzsäure
und aus der DE-OS 2 510 396 für die Chloralkalielektrolyse bekannt. Die Zellenelemente
sind im allgemeinen in Halterahmen gehaltert.
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Mit Hilfe einer geeigneten Anpreßvorrichtung, beispielsweise einer
hydraulischen Vorrichtung, eines Zugankers oder einzelner Schrauben wird der Zellenblock
unter Zwischenlage von Dichtungen zwischen den Zellenelementen zur gegenseitigen
AbdichtunÕ zusammenbepreßt und bildet so, gegebenenfalls auf einem Gestell montiert,
eine starre Einheit, die etwa 10 bis beispielsweise 130 Zellenelemente und eine
dementsprechende Produktionskapazität aufweisen kann.
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Die filterpressenartig angeordneten Elektrolysezellen können etwa
gemäß der US-PS 4 056 458 bipolar oder monopolar geschaltet sein. Bei bipolarer
Schaltung weisen die erste und die letzte Elektrode Je einen Stromanschluß auf,
und der Strom fließt in Längsrichtung durch den Zellenblock, Bei dieser Schaltung
müssen entweder flüssigkeitsdichte Elektroden eingesetzt werden, welche auf beiden
Seiten verschiedene Polarität besitzen oder es müssen Trennwände mit Stromverbindungen
zwischen den entgegengesetzten Elektroden vorgesehen sein.
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Bei monopolarer Schaltung der filterpressenartig angeordneten Elektrolysezellen
weist Jede Elektrode einen äußeren Stromanschluß auf, der in geeigneter Weise mit
der Gegenelektrode einer anderen Elektrolysezelle verbunden wird. So ist aus der
US-PS 4 056 458 eine Anlage der eingangs beschriebenen Art bekannt, bei der die
entsprechenden Elektroden benachbarter Elektrolysezellen in einem einzigen Zellenblock
untereinander monopolar verschaltet werden. In diesem Fall fließt der Strom in dem
Zellenblock im wesentlichen parallel zu dessen Längsachse, und die externen elektrischen
Verbindungsglieder verbinden Jeweils abwechselnd die in Längsrichtung des Zellenblocks
angeordneten übernächsten Elektrolysezellen, Bei der bekannten Anlage ist daher
die Gesamtlänge der externen Verbindungsglieder eines einzigen Zellenblocks größer
als die Gesamtlänge dieses Blocks. Im Hinblick auf die große Betriebsstromstärke
der Zellenblöcke ist es dagegen erwünscht, zur Einsparung an Stromleitermaterial
und elektrischer Energie die Verbindungen zwischen den Elektrolysezellen möglichst
kurz auszubilden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolysenzelle-Anlage
der eingangs beschriebenen Art derart auszubilden, daß einerseits günstige Betriebs
eigenschaften erzielt und die Herstellungskosten vermindert werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kathodenrahmen
eines Zellenblocks mit den Anodenrahmen des
benachbarten Zellenblocks
elektrisch verbunden werden, d. h.
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die Verbindung erfolgt nicht wie beim Stand der Technik zwischen den
Elektrolysezellen eines Zellenblocks sondern zwischen den Zellen benachbarter Blöcke.
Durch Aneinanderrücken der benacnbarten Zellenblöcke können die elektrisch zu überbrückenden
Verbindungsstrecken zwischen den Elektrolysezellen minimalisiert werden.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Zellenblöcke im Parallelabstand
bezüglich ihrer Längsachsen nebeneinander angeordnet sind. In diesem Fall wird die
Überbrückungsstrecke minimal, wenn erfindungsgemäß Jeder Elektrodenrahmen mindestens
einen elektrischen Anschluß im seitlichen Rahmenteil für ein Verbindungsglied zum
benachbarten Zellenblock aufweist. Dieses Verbindungsglied, das vorzugsweise aus
einem flexiblen oder einem starren otromlelter besteht, ist zweckmäßigerweise in
dem Zwischenraum zwischen zwei benachbarten, senkrechten Rahmenteilen angeordnet,
Um die Energieverluste zu vermindern, eist jeder Elektrodenrahmen in seinem seitlichen
Rahmenteil mehrere elektrische Anschlüsse für eine entsprechende Anzahl von Verbindungsgliedern
auf.
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Erfindungsgemäß sind die elektrischen Anschlüsse mehrerer Elektrodenrahmen
eines Zellenblocks und die mit diesen zu verbindenden elektrischen Anschlüsse für
die Gegenelektroden im benachbarten Zellenblock über eine oder mehrere Sammelschienen
miteInander verbunden, so daß ungleichmäßige Ströme in verschiedenen Elektrolysezellen
eines Zellenblocks, etwa aufgrund unterschiedlicher Widerstände in den Elektrolysezellen,
nicht auf die Elektrolysezellen des nächsten Zellenblocks übertragen werden.
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Zur Wartung eines Zellenblocks kann dieser mit Hilfe eines an sich
bekannten Überbrückungsschalters überbrückt und ohne
Unterbrechung
der Gesamtanlage herausgenommen werden. Zu diesem Zweck weisen die elektrischen
Anschlüsse und/oder die Sammelschiene bevorzugt elektrische Kontaktflächen für Anschlüsse
des Überbrückungsschalters auf.
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Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die anliegende Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten
Stromführung bei Zellenblöcken mit bipolaren Elektrolysezellen, Fig. 2 eine schematische
Darstellung der erfindungsgemäßen Stromführung bei Zellenblöcken mit monopolaren
Elektrolysezellen, Fig. 3 bis 8 schematische Darstellungen ähnlich Fig, 2 mit verschiedener
räumlicher Anordnung der Stromführung zwischen den Zellenblöcken, Fig. 9 eine schematische
Darstellung der Verbindung zweier benachbarter Zellenblöcke, Fig. 10 eine schematische
Darstellung des Stromflusses in benachbarten Zellenblöcken, Fig. li eine schematische
Darstellung einer weiteren Ausführungsform der elektrischen Verbindung zweier benachbarter
Zellenblöcke, Fig. 12 eine schematische Darstellung des Stromflusses in benachbarten
Zellenblöcken gemäß der Ausführungsform der Fig. li, Fig. 13 eine schematische Darstellung
der elektrischen Verbindung benachbarter Zellenblöcke mit einem überbrückungsschalter,
Bei der bekannten bipolaren Schaltung von filterpressenartig angeordneten Elektrolysezellen
gemäß Fig. 1 sind diese Elektrolysezellen in Jedem der Zellenblöcke 11 bis 14 und
darüber hinaus die Zellenblöcke untereinander elektrisch in Reihe geschaltet. Bei
Verwendung monopolarer Elektrolysezellen wurden diese bisher etwa gemäß der US-PS
4 056 458 in Jedem der Zellen-
blick in Reihe geschaltet.
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In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Stromführung zwischen benachbarten
Zellenblöcken 1 bis 3 dargestellt, Diese Zellenblöcke bestehen aus filterpressenartig
angeordneten Elektrolysezellen, die wiederum durch Kathodenelemente 1 K, 2 K, 3
K, Anodenelemente 1 A, 2 A, 3 A sowie durch nicht dargestellte Trennwände zwischen
den Kathoden- und den Anodenelementen gebildet werden. Die Trennwände bestehen aus
einem Diaphragma oder aus einer permselektiven Membran.
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Der in Fig, 2 durch Keile 4 schematisch angedeutete Strom tritt an
den Schmalseiten der Anodenelemente 1 A des Zellenblocks 1 ein und vorzugsweise
an der gegenüberliegenden Schmalseite der benachbarten Kathodenelemente 1 K des
Zellenblocks 1 wieder aus. Diese Kathodenelemente 1 K sind mit entsprechenden Anodenelementen
2 A des benachbarten Zellenblocks 2 verbunden, und der aus dessen Kathodenelementen
2 K austretende Strom wird den entsprechenden Anodenelementen 3 A des Zellenblocks
3 zugeführt. Somit sind zwar die Zellenblöcke 1 bis 3 untereinander in Reihe geschaltet,
während die einzelenen Zellenelemente in einem bestimmten Zellenblock untereinander
parallel geschaltet sind.
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In den Fig, 3 bis 8 sind verschiedene Ausführungsformen dargestellt,
die sich gegenüber der Aus führungs form der Fig. 2 in der Anordnung der Stromführung
außerhalb der Zellenblöcke 1 bis 3 unterscheidet. So erfolgt bei den Fig. 3 und
4 die Stromverbindung 4a bzw. 4b zwischen benachbarten Zellenblöcken 1 bis 3 an
deren Ober- bzw, Unterseite. Bei Fig, 5 ist die Stromverbindung 4c zwischen den
seitlichen Rahmenteilen der Kathodenelemente und den oberen Rahmenteilen der Anodenelement;
bei Fig. 6 ist die Stromverbindung 4d zwischen den seitlichen Rahmenteilen der Kathodenelemente
und den unteren Rahmenteilen der Anodenelemente; bei den Fig. 7 und 8 ist die Stromverbindung
4e bzw. 4f zwischen den unteren Rahmenteilen
der Kathodenelemente
und den oberen Rahmenteilen der Anodenelemente bzw. umgekehrt.
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Die kürzesten Verbindungsstrecken zwischen zwei benachbarten Zellenblöcken
mit im wesentlichen rechteckiger Konfiguration werden dann erzielt, wenn diese parallel
nebeneinander angeordnet sind und die sich einander gegenüberliegenden seitlichen
Rahmenteile elektrisch miteinander verbunden werden. In Fig. 9 ist diese Verbindung
gemäß Fig. 2 näher dargestellt. Danach weisen die Elektrodenkammern 1 K und 2 A
vorzugsweise mehrere elektrische Anschlüsse 9 an den seitlichen Rahmenteilen 21
bz. 22 auf. Die sich gegenüberstehenden Anschlüsse 9 werden mit Hilfe eines Verbindungsgliedes
5 miteinander verbunden. Das Verbtndungsglied 5 besteht beispielsweise aus einem
starren oder einem flexiblen Kupferband. Die Verbindung zwischen den Verbindungsgliedern
5 und den Anschlüssen 9 erfolgt in üblicher weise beispielsweise durch Festklemmen
oder Verschrauben.
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Fig. 10 zeigt eine schematische Aufsicht auf die Zellenblöcke gemß
Fig. 9. Durch die in dem Zellenblock 2 eingezeichneten Pfeile soll der Stromfluß
verdeutlicht werden. Der von dem Kathodenelement 1 K des Zellenblocks 1 über das
Verbindungsglied 5 in das Anodenelement 2 A des Zellenblocks 2 fließende Strom teilt
sich in diesem Anodenelement 2 A in zwei Teilströme, die durch nicht eingezeichnete
Trennwände etwa in der Begrenzungsbene zwischen zwei benachbarten Elektrodenelementen
2 A und 2 K in die benachbarten Kathodenelemente 2 K eintreten. Die aus zwei verschiedenen
Anodenelementen 2 A in das Kathodenelement 2 K eintretenden Teilströme vereinigen
sich und fließen über das Verbindungsglied 5' zu dem entsprechenden Anodenelement
3 A des nächsten Zellenblocks 2, Der Stromfluß in diesem und den folgenden, nicht
dargestellten Zellenblöcken, erfolgt in ähnlicher Weise wie in dem Zellenblock 2.
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In der Praxis können bei der Ausführungsform der Fig. 9 und 10
Schwierigkeiten
dann auftreten, wenn im Betrieb der Zellenanlage einzelne Elektrolyseelemente unterschiedliche
Widerstände aufweisen oder sogar ganz ausfallen, In diesem Fall ergeben sich unterschiedliche
Ströme in den Verbindungsgliedern 5 zu dem nächsten Zellenblock, so daß sich auch
in den verschiedenen Zellenelementen des letzteren Zellenblocks unterschiedliche
Ströme ausbilden können, selbst wenn die Widerstände der zuletzt erwähnten Zellenelemente
untereinander gleich sind. Diese ungleichmäßige Belastung der Zellenelemente wird
sich erst nach mehreren Zellenblöcken wieder ausgleichen.
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Daher hat es sich als vorteilhaft erwiesen, gemäß den Fig. 11 und
12 die Verbinlungsglieder verschiedener Elektrodenelemente zweier benachbarter Zellenblöcke
untereinander mit Hilfe einer Stromschiene 7 zu verbinden. Durch diese Stromschiene
wird der zwischen zwei benachbarten Zellenblöcken fließende Strom Jeweils neu und
gleichmäßig auf die Elektrodenelemente des nächsten Zellenblocks verteilt.
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Gemäß den Fig. 11 und 12 sind an Jeweils zwei Anschlüssen 9 eines
Elektrodenelements 1 K bz. 2 A ein T-förmiger Kontakt 6 bzw. 8 befestigt, deren
Mittelabschnitt Jeweils mit einer Doppel-T-förmigen Stromschiene 7 verbunden sind,
die sich etwa parallel zur 1angsrichtung der Zellenblöcke in dem Zwischenraum zwischen
zwei benachbarten Blöcken erstreckt.
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Gemäß Fig. 13 kann in an sich bekannter Weise ein mobiler Überbrückungeschalter
17 vorgesehen sein, so daß ein zu wartDnder Zellenblock 2 aus dem Elektrolysestromkreis
herausgenommen werden kann, ohne den Betrieb der Gesamtanlage zu unterbrechen. Bei
der dargestellten Ausführungsform weisen die Stromschienen 7 an ihrer Unterseite
Kontaktflächen 10 für die Anschlüsse 15 und 16 des Uberbrückungsschalters 17 auf,
der sowohl unterhalb als auch neben der Reihe der Zellenblöcke angeordnet sein kann.
Zur Wartung eines Zellenblocks 2
werden die Anschlüsse 15, 16 des
überbrückungsschalters 17 mit den Stromschienen 7 in der dargestellten Weise verbunden
und danach der Kontakt geschlossen. Nach dem Lösen der einzelenen Anschlüsse des
überbrückten Zellenblocks 2 kann dieser ohne Unterbrechung des Elektrolysestromkreises
herausgenommen werden.
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