DE2821983A1

DE2821983A1 - SEALING ELEMENT FOR MEMBRANES, ESPECIALLY FOR ELECTROLYSIS CELLS ARRANGED IN A FILTER PRESS

Info

Publication number: DE2821983A1
Application number: DE19782821983
Authority: DE
Inventors: Luciano Mose; Helmuth Dipl Ing Schurig; Bernd Dipl Ing Dr Strasser
Original assignee: Hooker Chemicals and Plastics Corp
Current assignee: Occidental Chemical Corp
Priority date: 1978-05-19
Filing date: 1978-05-19
Publication date: 1979-11-22

Description

Dichtelement für Membranen, insbesondere bei filterpressen-Sealing element for membranes, especially for filter press

artig angeordneten Elektrolysezellen Die Erfindung betrifft ein Dichtelement aus elastischem Material zum Abdichten und Haltern von Membranen, insbesondere bei filterpressenartig angeordneten Elektrolysezellen. Electrolysis cells arranged in a manner The invention relates to a sealing element Made of elastic material for sealing and holding membranes, especially for Electrolysis cells arranged like a filter press.

In derartigen Elektrolysezellen erfolgt z. B. die Chloralkalielektrolyse; darunter versteht man die Gewinnung von Chlor, Wasserstoff und Ätzalkalien aus wäßrigen Lösungen von Alkalichloriden durch elektrische Energie. 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, 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 abhnnZig von dem benutzten Verfahren werden mehr oder weniger viele Elektrolysezellen zu einem Stromkreis zusammengeschaltet.In such electrolytic cells z. B. the chlor-alkali electrolysis; this means the extraction of chlorine, hydrogen and caustic alkalis from aqueous Solutions of alkali chlorides by electrical energy. In addition, the importance is growing the electrolytic decomposition of hydrochloric acid. In the production of alkali or Alkaline earth metals by electrolysis of molten salts precipitate chlorine as a by-product On, some of these products are manufactured in very large quantities as basic chemicals. In the case of chlor-alkali electrolysis, plants are operated in each of them Electricity circuits produce 500 to 1000 tons of chlorine per day. In these plants currents of up to about 500,000 A are achieved, and depending on the process used more or less many electrolysis cells are interconnected to form a circuit.

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 Durchnischung der Produkte, und damit eine Rückreaktion, muß verhindert werden. Zu diesem Zweck wurden zun-ichst nebeneinander zwei verschiedene Verfahren entwickelt, und zwar das sogenannte Quecksilberverfahren und das Diaphragmenverfahren, Bei Diaphragmenverfahren trennt eine poröse Scheidewand (Diaphragma) den Anodenraum vom Kathodenraum und verhindert eine Vermischung der an den Elektroden abgeschiedenen Produkte. In letzter Zeit setzt sich zunehmend ein drittes Elektrolyseverfatlren, das sogenannte Membranzellenverfahren, durch. Da dimensionsstabile Anoden und permselektive Membranen zur Verfügung stehen, können Elektrolysezellcn 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 z, B. aus der DE-ss 1 054 430 und der DE-OS 2 222 63y für die Elektrolyse wäßriger Salzsäure und aus der DE-OS 2 510 396 für die Chloralkalielektrolyse bekannt. Die Zellenelemente sind allgemein in Halterahmen gehaltert. Mit Hilfe einer geeigneten Anpreßvorrichtung, beispielsweise einer hydraulischen Vorrichtung, eines ugankers oder einzelner Schrauben wird der Zellenblock unter Zwischenlage von Dichtungen zwischen den Zellenelementen zur gegenseitigen Abdichtung zusammengepreßt und bildet so geebenenfalls auf einem Gestell montiert eine starre Einheit, Wegen der chemiscllen Aggressivität der Elektrolyten ist eine vollkommende Abdichtung au.3erordentlicll wichtig.Flows through an electrochemical cell containing alkali chloride aqueous electrolyte an electrical direct current, then at the positive pole, the Anode, mainly chlorine gas, while at the negative pole, the cathode, hydrogen gas and alkali hydroxide are formed. Mixing of the products, and thus a reverse reaction, must be prevented. For this purpose, two different ones were initially created next to each other Process developed, namely the so-called mercury process and the diaphragm process, In the diaphragm process, a porous partition (diaphragm) separates the anode space from the cathode compartment and prevents mixing of the deposited on the electrodes Products. Recently, a third electrolysis process has been increasingly used, the so-called membrane cell process. Because dimensionally stable anodes and permselective Membranes are available, Elektrolysezellcn with a thin, between flat electrodes spanned separating membrane. By joining A plurality of such electrolysis cells is a cell block constructed like a filter press obtain. Electrolysis cells arranged like a filter press are, for example, from DE-ss 1 054 430 and DE-OS 2 222 63y for the electrolysis of aqueous hydrochloric acid and from from DE-OS 2 510 396 known for chlor-alkali electrolysis. The cell elements are generally held in holding frames. With the help of a suitable pressing device, for example a hydraulic device, a uganker or individual screws the cell block with the interposition of gaskets between the cell elements pressed together for mutual sealing and thus also forms on one Frame mounts a rigid unit, because of the chemical aggressiveness of the electrolytes A perfect seal is extremely important.

Aus der DE-PS 1 230 771 ist ein erfahren zum Einspannen und Abdichten von Diaphragmen in Zellen der Filterpressenbauart für die Elektrolyse waßriger Salzsäure bekannt. Dabei wird das Diaphragma in eine ITut ues einen Elektrodenraiimens einOelel;t und mit einer Keilleiste festgeklemmt, und danach wird eine endlose Dichtungsschnur in die Nut eingelegt, die durch den Rahmen der Nachbarelektrode angepreßt wird.From DE-PS 1 230 771 is an experienced for clamping and sealing of diaphragms in cells of the filter press type for the electrolysis of aqueous hydrochloric acid known. The diaphragm is oiled in a tube through an electrode frame and clamped with a V-ledge, and after that is an endless sealing cord inserted into the groove which is pressed by the frame of the neighboring electrode.

Zur Erzeugung des benötigten Dichtdruckes ist eine Mindestverformung der elastischen Dichtung notwendig. Aus Gründen der Fertiungsgenauigkeit der Dichtung sowohl hinsichtlich der Maße als auch der Härte, der Fertigungstoleranzen der Elektrodenrahmen und der thermischen Dimensionsänderungen der Elektrolysezellen kann eine maximale Verformung der Dichtungen nur scher limitiert werden.A minimum deformation is required to generate the required sealing pressure the elastic seal is necessary. For reasons of manufacturing accuracy of the seal both in terms of dimensions and hardness, the manufacturing tolerances of the electrode frames and the thermal dimensional changes of the electrolytic cells can be a maximum Deformation of the seals can only be limited.

Da ferner die beim rmbranzellenverfahren eingesetzten Membranen aus Gründen des möglichst gering zu haltenden elektrischen Widerstandes in den meisten Fällen außerordentlich dünn sind, beispielsweise eine Dicke von etwa 100 pm aufweisen, und daher nur eine begrenzte Reißfestigkeit haben, besteht bei Anwendung des bekannten Verfahrens die Gefahr, daß das Diaphragma oder die Membran an der Dichtungsstelle reißt.Furthermore, the membranes used in the membrane cell process are made from Reasons for keeping electrical resistance as low as possible in most of them Cases are extremely thin, for example have a thickness of about 100 μm, and therefore only have a limited tear strength, exists when using the known Procedure, the risk that the diaphragm or the membrane at the sealing point rips.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dichtelement der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das einerseits eine sichere Abdichtung gewährleistet und andererseits eine Beschädigung des abzudichtenden Bauteils verhindert.The invention is based on the object of providing a sealing element of the initially mentioned to create the type described, which on the one hand ensures a secure seal and on the other hand prevents damage to the component to be sealed.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Dichtelement einen Hohlraum aufweist, dessen Querschnittsfläche 1/3 bis l/8 der Gesamtquerschnittsfläche des Dichtelements beträgt. Durch den erfindunbsgemäßen Hohlraum in dem Dichtungsquerschnitt wird erreicht, daß beim Zusammenpressen der Dichtung durch die vorgegebene Dichtkraft das verdrängte Dichtungsvolumen nicht nur nach außen, sondern auch nach innen wandern kann, so daß die an der Berührungefläche zwischen dem Dichtelement und der lyembran auf letztere einwirkenden Zugkräfte wesentlich vermindert werden. Durch diese Verminderung der in der Membranebene wirkenden Zugkräfte wird ein unerwünschtes Dehnen der Membran in dem BerUhrungsbereich und damit ein Reißen der Membran vermieden.This object is achieved in that the sealing element has a cavity has, whose cross-sectional area 1/3 to l / 8 of the total cross-sectional area of the Sealing element is. Through the cavity according to the invention in the sealing cross-section it is achieved that when the seal is pressed together by the predetermined sealing force the displaced seal volume not only migrate outwards, but also inwards can so that the contact surface between the sealing element and the lyembran tensile forces acting on the latter are significantly reduced. Through this diminution the tensile forces acting in the membrane plane will result in undesirable stretching of the membrane in the contact area and thus a tearing of the membrane avoided.

In vorteilhafter Weise ist der Hohlraum, in der QuerschnittsflAche des Dichtelements gesehen, exzentrisch angeordnet. Dadurch kann die Verminderung der auftretenden Zugkräfte optimiert werden.The cavity is advantageously in the cross-sectional area seen of the sealing element, arranged eccentrically. This can reduce the the occurring tensile forces can be optimized.

Erfindungsgemäß weist der Hohlraum einen kreisförmigen Querschnitt auf, was sowohl die Herstellung des erfindungsgemäßen Dichtelements als auch die Abschätzung der zu erwartenden Zugkräfte beim Zusammendrücken des Dichtelements erleichtert.According to the invention, the cavity has a circular cross section on what both the production of the sealing element according to the invention and the Estimation of the tensile forces to be expected when compressing the sealing element relieved.

Das erfindungsgemße Dichtelement wird hier meist im Zusammenhang mit dem Abdichten und Haltern von Membranen bei filterpressenartig zngeordneten Elektrolysezellen beschrieben, doch ist die Verwendung dieses Dichtelements nicht hierauf beschränkt; es kann vielmehr in allen den Fällen eingesetzt werden, wo z r Vermeidung von Beschädigungen der abzudichtenden Bauteile unerwünschte Zugkräfte bei der Verformung des Dichtelements vermieden werden sollen.The sealing element according to the invention is mostly used here in connection with the sealing and holding of membranes in electrolysis cells arranged like a filter press described, but the use of this sealing element is not limited to this; Rather, it can be used in all cases where it is necessary to avoid damage of the components to be sealed, undesirable tensile forces when the sealing element is deformed should be avoided.

Die Erfindung wird in folgenden mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Elektrolysezelle, Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht mehrerer filterpressenartig angeordneter Elektrolysezellen, Fig, 3 und 4 eine schematische Querschnittsansicht einer Membranabdichtung mit bekannten Dichtelementen und Fig. 5 und 6 Querschnittsansichten ähnlich den Fig, 3 und 4 mit erfindungsgemäßen Dichtelementen.The invention will be described in the following with reference to the accompanying drawing explained in more detail. 1 shows a perspective exploded view of a Electrolysis cell, FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of several filter presses arranged electrolytic cells, FIGS. 3 and 4 a schematic cross-sectional view a membrane seal with known sealing elements and FIGS. 5 and 6 cross-sectional views similar to FIGS. 3 and 4 with sealing elements according to the invention.

Gemaß den Fig. 1 und 2 besteht ein Elektrolysezellenblock nach dem Filterpressenprinzip aus mehreren hintereinander angeordneten, zumeist rechteckigen oder quadratischen Elektroden- elementen 1, wobei Jeweils zwischen zwei benachbarten Elektrodenelementen 1 eine Membran 3 zur Trennung der Elektrodenräume vorgesehen ist. Die Abdichtung der Membran gegenüber den Elektrodenelementen 1 erfolgt durch ein dazwischen angeordnetes Dichtelement 2 mit den entsprechznden Abmessungen. Die Dichtkraft erfolgt durch ZusalLraendrücken des Zellenblocks in seiner Längsrichtung.According to FIGS. 1 and 2, there is an electrolytic cell block according to the Filter press principle made up of several, mostly rectangular ones, arranged one behind the other or square electrode elements 1, with each between two adjacent electrode elements 1 a membrane 3 for separating the electrode spaces is provided. The membrane is sealed against the electrode elements 1 by an interposed sealing element 2 with the corresponding dimensions. The sealing force is created by pressing the cell block together in its longitudinal direction.

In den Fig. 3 und 4 ist dargestellt, welche Kräfte beim Zusammendrücken der Dichtelemente ohne den erfindungsgemäßen Hohlraum auftreten können. Durch das Zusammendrücken der Elektrodenelemente 1 in Richtung der beiden vertikalen Teile wandert das zusammengepreßte Dichtungsmaterial der beiden Dichtelemente 20 quer zur Druckrichtung ab, so daß horizontale Zugicräfte im Bereich der Berührungsfläche mit der ltembran 3 auf diese einwirken. Durch diese Dehnung in der idembranebene können Risse 4 der Meribran 3 auftreten.In Figs. 3 and 4 it is shown which forces when compressing the sealing elements can occur without the cavity according to the invention. By the Compression of the electrode elements 1 in the direction of the two vertical parts the compressed sealing material of the two sealing elements 20 migrates transversely to the direction of pressure, so that horizontal tensile forces in the area of the contact surface act on this with the oil membrane 3. Because of this stretching in the plane of the membrane Cracks 4 of the Meribran 3 can occur.

Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Dichtelements 2 gemäß den Fig. 5 und 6 treten derartig große Zugkräfte in der Membranebene nicht auf, da beim Zusammendrücken der Elektrodenelemente in Richtung der eingezeichneten vertikalen Pfeile das Dichtungsmaterial nicht nur nach außen sondern auch nach innen in den freien Hohlraum 5 abwandern kann. Dadurch werden die unerwünschten horizontalen Zugkräfte im Berührungsbereich zwischen dem Dichtelement 2 und der Membran 3 wesentlich vermindert. Ferner erhönt sich die Dichtwirkung auch gegenüber dem Elektrodenelement 1, da durch geringere Rorizontalbewegung des Dichtungsmaterials an der entsprechenden Berührungsfläche der Abrieb vermindert wird. Anstnjle or zusätzlich zu der Nambran können auch mikroponse Membranen einçJesetzt werden.When using the sealing element 2 according to the invention according to FIGS. 5 and 6 such large tensile forces do not occur in the membrane plane, since when they are pressed together of the electrode elements in the direction of the vertical arrows shown, the sealing material migrate not only outwards but also inwards into the free cavity 5 can. This eliminates the unwanted horizontal tensile forces in the contact area between the sealing element 2 and the membrane 3 is significantly reduced. Also increased the sealing effect also compared to the electrode element 1, because of the lower Horizontal movement of the sealing material on the corresponding contact surface the abrasion is reduced. Anstnjle or in addition to the Nambran can also use mikroponse Membranes are used.

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Claims

"Sealing element for Meinbrannn, especially in the case of filter presses arranged electric cells "P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Sealing element from elastic material for sealing and holding membranes, especially for filter presses arranged electrolysis cells, d a d u r c h g 2 -k e n n z e 1 c h n e t that the Dicntelemont (2) has a cavity (5) whose cross-sectional area 1/3 up to 1/3 of the total cross-sectional area of the sealing element.

2. Sealing element according to nnsprch 1, characterized in that the cavity (5) is arranged eccentrically.

3. Sealing element according to claim 1 or 2, characterized in that the cavity (5) has a circular cross-section.

4. Sealing element according to one of the Anserücne 1 to 3, characterized in that that the total cross-sectional area of the sealing element (2) is circular.

5. Sealing element according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the overall cross-sectional area of the sealing element (2) is rectangular, preferably is square.