DE286055C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 12/. GRUPPE

durchlässiger Kathode.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 29. Mai 1913 ab.

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrolytische Zersetzungszellcn mit Diaphragma und vertikal angeordneter durchlässiger Kathode, vorzugsweise auf Zellen für die Zersetzung von Lösungen von Chloriden von Natrium und Kalium. Ein Haupterfindungszweck besteht in der Schaffung einer Konstruktion, welche für Zellen anwendbar ist, die mit hoher Stromstärke betrieben werden können, und bei weleher die Strom verbindungen für die einzelnen Zellen sowohl als auch für Zellenserien sehr einfach auszuführen sind und das Gewicht des für die Stromverbindung erforderlichen Metalles sehr gering ist.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Betriebsspannung einer Zelle der fraglichen Art (mit Diaphragma und vertikaler Kathode) bei gegebener Stromdichte unter im übrigen gleichbleibenden Umständen, insbesondere bei gleicher Kathodenfläche, von dem Verhältnis zwischen Länge und Höhe der Kathode abhängt, nämlich so, daß je geringer ■ die Höhe im Verhältnis zur Horizontalausdehnung ist, um so geringer die erforderliche Betriebsspannung ausfällt. Demgemäß besteht die Erfindung in der Ausrüstung von Zersctzungszellen mit Kathoden von großer Horizontalausdehnung, nämlich mit einer Horizontalausdehnung, die mindestens siebenmal so groß ist als die Höhenausdehnung.

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel auf den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht und soll im Anschluß hieran in folgendem erläutert werden.

Fig. ι zeigt zwei Zellen mit einer Mehrzahl von Kammern, und zwar die auf der rechten Seite der Figur befindlichen. Zeileil in einer Endansicht und diejenigen auf der linken Seite in einem senkrechten Schnitt nach der Linie I-I der Fig. 2.

Fig. 2 ist ein teilweiser Horizontalschnitt durch eine der Zellen nach der Linie II-II der Fig. i.

Fig. 3 ist eine schaubildliche Darstellung der Kathode und des Diaphragmas nach Herausnähme aus der Zelle, wobei die eine der Kathodentaschen in senkrechtem Schnitt dargestellt ist.

Fig. 4 ist ein senkrechter Schnitt der Linie IV-IV der Fig. 3.

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, welche in Gestalt von Kurven gewisse beobachtete Beziehungen veranschaulicht, die zwischen der vertikalen Höhe der Kathode und der Anfangsund Arbeitsspannung der Zelle bestehen.

Die auf den Zeichnungen dargestellte Zelle besitzt einen Behälter aus Betonmasse, welcher aus einem Boden 1, einem Deckel 2, Endwänden 3 und zwei Querzwischenwänden 4 besteht, durch welche Teile drei vertikal übereinander liegende Anodenkammern 5 gebildet werden, welche gleiche Form und Größe besitzen. Das Zellengehäuse kann aus einem Stück bestehen oder aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein. ,

Jede Anodenkammer 5 ist ein langer, verhältnismäßig niedriger Raum, welcher eine gewölbte Decke 6 besitzt, unter welcher sich

das in der Zelle entwickelte Chlorgas sammelt und das Niveau des Elektrolyten eingestellt wird, um eine konstante Strömung durch das Diaphragma zu sichern. Mit 7 ist eine Einlaßöffnung für frischen Elektrolyten und mit 8 eine Auswaschöffnung bezeichnet. 10, 10 bezeichnen längliche, vertikale Überflußöffnungen in der Endwand 3, durch welche der verbrauchte Elektrolyt von jeder Anodenkammer in ein äußeres säurefestes Gehäuse 11 übertritt, von wo er nach der Hauptleitung durch Röhren 12 fließt, die vertikal einstellbar sind, um das Elektrolytniveau in den verschiedenen Kammern zu regeln. Die Röhren 12 haben eine solche Weite, daß sie bequem sowohl die austretende verbrauchte Lauge als auch das Chlorgas abzuführen vermögen.

Mit 13, 13 sind zwei mit Aussparungen versehene metallische Seitenplatten bezeichnet, welche die Kathodenkammern der Zellen bilden und durch Verschlußorgane 14 in ihrer Lage festgehalten werden. Diese Verschlußorgane 14 treten durch Schlitze in U-Eisen 15 und werden durch Kurvenscheiben 16 in fester Anlage mit den Randflanschen der Seitenplatten gehalten.

Die Kathoden 17 bestehen aus Stahlblech,

welches eng perforiert ist, wie bei 19 angedeutet ist. Der mittlere oder perforierte Teil der Kathoden ist bei der bevorzugten Ausführungsform in solcher Weise gebogen, daß eine große Zahl von Taschen 20 entsteht, welche mit ihrem hinteren Ende in die Anodenkammer 5 nahezu über deren ganze Breite hineinragen. Die verschiedenen Taschen 20 haben perforierte Vertikalwändc, welche die eigentlichen Kathoden bilden. Dieselben sind oben und unten durch undurchbrochenc Metallstreifen 21, 22, mit denen sie verschweißt sind, verschlossen. Seitliche Flansche 27 sind aus einem Stück mit den Streifen 21, 22 gebildet und ihrerseits durch Verschweißen oder Nieten mit den Randflanschen der Seitenplatten 13 verbunden. Die Streifen 21, 22 sind mit einer Schicht 28 von Zement oder anderem isolierenden Material, welches der Einwirkung von Chlorgas zu widerstehen vermag, überzogen. Durch die beschriebene Konstruktion sind die Seitenplatten 13 und die Kathoden 17 miteinander zu einem einheitlichen Ganzen verbunden, welches, aus der Zelle entfernt werden kann, wenn man die verschiedenen Befestigungsorgane 14 löst.

Die Diaphragmen 18, welche gewöhnlich aus Asbestpapier bestehen, sind in Berührung mit den Kathoden 17 auf derjenigen Seite derselben angeordnet; welche den Anoden benachbart ist, und sind durch Zementwulste 29 an ihren oberen und unteren Rändern befestigt.

Die Anoden 23 werden von Platten aus Kohle oder Acheson-Graphit gebildet. Die Gesamtheit der Anoden für jede Anodenkammer 5 oder für eine beliebige Zahl von Anodenkammern ist in einer Zemcntschwelle 26 vereinigt, welche um ihre Enden herumgegossen ist. Der Abstand der Anodenplatten ist aber so gewählt, daß, wenn die Zementschwelle in die in Fig. 1 und 2 dargestellte Lage gebracht wird, die Anodenplatten in die Hohlräume der Kathode zwischen den Taschen 20 eintreten. Jede Anodenplatte ist mit einer Bleikappe 24 versehen, und die verschiedenen Platten, welche zu einem einzigen Körper zusammengeschlossen sind, sind durch einen Kupfer- oder Aluminiumbalken 25 miteinander verbunden, der >zur Stromverteilung dient. Die auf diese Weise vereinigten Anodenplatten bilden einen einzigen Körper, welcher schnell entfernt werden kann und der durch Halteorgane 14 von derselben Art, wie sie zum Festhalten der Seitenplatten 13 dienen, in seiner Lage gesichert wird. .

Während die Taschen 20, welche sich nach den ausgesparten Kathodenkammern 13 öffnen, ' tiefe, schmale Räume bilden, welche perforierte Seitenwändc und geschlossene obere und untere Wände besitzen, sind die entsprechenden Hohlräume, welche zur Aufnahme der Anoden dienen, in offener Verbindung mit der Anodenkammer 5 sowohl an ihrem oberen als auch ihrem unteren Ende, so daß das an den Anoden entwickelte Chlorgas frei zur Oberfläche des Elektrolyten aufsteigen kann und durch seine Aufwärtsbewegung eine entsprechende Elektrolytbewegung durch diese Hohlräume herbeiführt, welcher eine entsprechende Abwärtsbewegung des Elektrolyten durch die Hohlräume zwischen den Anodenplatten an der Rückseite der Zelle entspricht. Diese Zirkulation erfolgt in der Richtung der in Fig. 1 eingezeichneten Pfeile und bewirkt eine Zufuhr von starker Lauge nach den Zonen der stärksten clektrolytischen Zersetzung und verhindert bis zu einem erheblichen Grade die Ansammlung von unlöslichen Verunreinigungen auf dem Diaphragma.

Die Anodenplatten 23 erstrecken sich in horizontaler Richtung durch die Zellwand, welche dem Diaphragma gegenüberliegt, . und befinden sich auf diese Weise in einer Lage, welche ihre direkte Verbindung mit den Kathoden der benachbarten Zelle durch kurze Verbindungsstücke 27 gestattet. Diese Konstruktion ergibt eine große Ersparnis an Metall für die erforderlichen Leiter gegenüber solchen Konstruktionen, bei welchen die Anodenverbindungen aus der Zellen decke heraustreten und darauf nach abwärts und seitwärts geführt werden müssen, um Anschluß an die Kathoden der benachbarten Zelle zu erlangen. Bei Anlagen von großer Leistungsfähigkeit werden durch die erwähnte Verminderung an Metall für Leiter Tausende von Mark erspart.

Wenn die Zelle zur Erzeugung von kausti-

scher Soda und von Chlorgas dienen soll, werden die Anodenkammern mit einer gesättigten Lösung von Lauge gefüllt bis zum unteren Rande der Überflußöffnung ίο, und es wird ununterbrochener Zufluß von Lauge durch die Einlaßöffnung 7 in die Zelle geleitet. Die Kathodenkammern 13 werden ebenso wie die Taschen 20 zweckmäßig mit einem flüssigen Kohlenwasserstoff gefüllt, um eine schnellere

10. und wirksamere Entfernung der kaustischen Sodalösung von der Kathode herbeizuführen, wie es bekannt ist. Beim Durchschicken des Stromes fließt die kaustische Sodalösung aus den Taschen 20 nach außen und wird beständig auf 30 unterhalb der Schicht von flüssigem Kohlenwasserstoff abgezogen, während gleichzeitig der entwickelte Wasserstoff durch die Öffnungen 9 entweicht. Das an der Oberfläche der Anodenflächen 23 entwickelte Chlorgas steigt nach aufwärts zur Oberfläche des Elektrolyten und wird durch Röhren 12 zusammen mit dem ärmer gewordenen Elektrolyten abgezogen. Die schnelle Aufwärtszirkulation des Elektrolyten durch die vertikalen Anodenräume gestattet die Anwendung sehr hoher Stromdichten, welche über 10 Ampere pro Quadratdezimeter Kathodenfläche betragen können. Die kurzen Leitungsstücke 27 zwischen benachbarten Zellen gestatten einen vcrlustfreien Durchgang des starken Stromes ohne übermäßigen Metallaufwand. Eine dreikammrige elektrolytische Zelle, welche unter Benutzung der Erfindung konstruiert ist, eine Länge von etwa 4 m bei einer Kathodenhöhe von etwa 22 cm und eine wirksame Kathodenlänge von etwa 30 m in jedem Kathodenraum besitzt, ist mit hohem Nutzeffekt mit einem Strom von 22 000 Ampere bei einer Anfangsspannung von etwa 3,4 Volt betrieben worden.

Ein Blick auf die Zeichnungen zeigt, daß das Zellengehäuse in der dargestellten Form völlig symmetrisch ist, so daß die Anoden- und Kathodenelemente gegenseitig auswechselbar sind. Hierdurch wird die Zelle außerordentlich anpassungsfähig hinsichtlich ihrerStromanschlüsse. Wie in Fig. 1 dargestellt, sind die drei übereinander angeordneten Elemente elektrisch parallel geschaltet durch die Leiter 29 und bilden auf diese Weise ein einziges Element. Diese Art der Schaltung hat zur Folge, daß jedes zu einer Zelle gehörige Element ausgeschaltet werden kann" für den Zweck der Reinigung oder der Reparatur, während die übrigen Abteilungen der Zelle zeitweise bei übernormaler Ladung arbeiten. Es ist daher nicht notwendig, die ganze Zelle aus dem Betriebssystem auszuschalten. Anderseits können auch die in einer Zelle vereinigten, übereinander angeord-" neten Elemente elektrisch hintereinander geschaltet werden, um eine Anpassung an die Leistungsfähigkeit des Stromerzeugers zu erzielen oder aus irgendeinem anderen Grunde. Eine solche Schaltung läßt sich sehr einfach bewirken, indem man nur die Lage der Anode und der Kathode in dem mittleren Zellenbehälter vertauscht, wobei die Reihenschaltung durch kurze vertikale Leitungsstücke bewirkt werden kann, die in jeder Hinsicht dem Leiter 29 ähnlich sind.

Die hohe Amperekapazität der Zelle bei niedriger Spannung beruht in erster Linie darauf, daß eine Kathode und ein Diaphragma vorgesehen sind, welche, eine im Vergleich zu ihrer horizontalen Ausdehnung geringe vertikale Abmessung besitzen. Die Konstruktion beruht auf der Beobachtung, daß bei Zellen der hier in Frage kommenden Art eine'bisher nicht beachtete Beziehung zwischen der Spannung der Zelle im Betriebe und der vertikalen Ausdehnung der Kathode und des Diaphragmas besteht, wenn die übrigen Bedingungen, welche die Spannung beeinflussen, wie z. B. die Stromdichten an der Kathodenoberfläche, der Abstand zwischen den Elektroden, das Material der Anoden, der Widerstand des Diaphragmas und die Konzentration des Elektrolyten, die gleichen bleiben. Es hat sich im praktischen Betrieb von elektrolytischen Zellen der hier in Frage stehenden Art gezeigt und besonders, wenn solche Zellen mit Stromdichten betrieben werden, welche sich der Größe von 10 Ampere pro Quadratdezimeter Elektrodenfläche nähern oder darüber hinausgehen, daß, wenn man versucht, die Amperekapazität der Zelle zu steigern, indem man die vertikale und die horizontale Abmessung der Kathode im gleichen Verhältnis vermehrt, dann die größere Zelle eine merklich höhere Betriebsspannung fordert, wenn die übrigen Bedingungen, wie z. B. die Stromdichten usw., die gleichen bleiben.

In Fig. 5 der Zeichnung veranschaulichen die Kurven, welche mit A, B, C und D bezeichnet sind, die experimentell bestimmten Spannungscharakteristiken von elektrolytischcn Zellen der hier in Frage stehenden Art beim Betriebe mit den angegebenen Stromdichten, wobei die Stromdichte auf die Kathodenfläche bezogen ist. Die Kathoden bestanden in jedem Falle aus perforiertem Blech, aber die wirksame Kathodenfläche ist angenommen als diejenige eines nicht durchbohrten Bleches von gleichen Abmessungen. Die Konstanten der verschiedenen Zellen waren wie folgt:

A: Kathode etwa 80 cm lang und 90 cm hoch, Fläche 7200 qcm; Verhältnis der Höhe zur Länge = 1 : 0,889.

B: Kathode etwa 120 cm lang und 60 cm hoch, Fläche 7200 qcm; Verhältnis der Höhe zur Länge =1:2.

C: Kathode etwa 160 cm lang und 45 cm hoch, Fläche 7200 qcm; Verhältnis der Höhe zur Länge = 1 : 3,555.

D: Kathode etwa 240 cm lang und 30 cm hoch, Fläche 7200 qcm; Verhältnis der Höhe zur Länge = 1:8.

E: Kathode etwa 320 cm lang und 22¹Z₂ cm hoch, Fläche 7200 qcm; Verhältnis der Höhe zur Länge = 1 : 14,22.

Die Kathodenfläche ist in allen erwähnten Fällen die gleiche, und man hätte vermuten können, daß bei gleichen Strom dichten die Anfangs- und Betriebsspannungen ebenfalls die gleichen sein würden. Der Versuch hat aber gezeigt, daß dieses bei weitem nicht der Fall ist. Wenn beispielsweise ein Strom durch die Zelle geschickt wurde, welcher 12,5 Ampere pro Quadratdezimeter Kathodenfläche entsprach, so wurden die Anfangsspannungen wie folgt ermittelt:

A Anfangsspannung 4,96 Volt,
B - 4,40 -

C - 4,07 -

D - 3,70 -

E - 3.51 -

Bei höheren oder niedrigeren Stromdichten besteht eine ähnliche Beziehung, wie dieses deutlich aus den Zeichnungen zu ersehen ist, wobei die Verschiedenheiten in den Anfangsspannungen größer werden, wenn die Stromdichten wachsen. Natürlich sind die Anfangs- und sonstigen Spannungen, welche aus Fig. 5 ersichtlich sind, keine absolut feststehenden, da die Spannung von vielen Faktoren abhängt, beispielsweise von dem Abstand der Elektroden, dem Elektrodenmaterial, der Temperatur und Konzentration des Elektrolyten usw. Wenn aber die übrigen Bedingungen die gleichen bleiben, so ändert sich die Anfangsspannung zugleich mit der Höhe des Diaphragmas ungefähr in der angegebenen Weise. Während des Betriebes der Zelle zeigt die Spannung der Regel nach eine Neigung, langsam anzusteigen, in dem Maße, als die Porosität des Diaphragmas sich vermindert. Die verschiedenen Kurven veranschaulichen daher die Wirkung einer Veränderung der Höhe der Kathode in Verbindung mit einer entsprechenden Veränderung der Temperatur, da eine Zelle, welche bei verhältnismäßig niedriger Spannung arbeitet, natürlich, sofern nicht für eine besondere Temperaturregelung Sorge getragen ist, bei verhältnismäßig niedriger Temperatur verharren wird. Wenn man die verschiedenen Zellen unter gleichen Temperaturverhältnissen würde arbeiten lassen, so würde hierdurch das Auseinanderlaufen der verschiedenen Kurven gesteigert werden, und es würde der Vorteil der Konstruktion gemäß der Erfindung, bei welchem das Verhältnis der horizontalen Ausdehnung der Kathode zu ihrer vertikalen Ausdehnung größer ist, noch schärfer hervortreten.

Es ist für die Anwendung der im vorstehenden entwickelten Prinzipien unerheblich, ob die Kathoden · ebene Oberflächen besitzen oder nicht. Bei zylindrischen oder ähnlichen Zellen ist der Umfang der Zelle als ihre horizontale Dimension anzusehen.

Gestützt auf die bisher unbeachtete Beziehung zwischen der vertikalen Höhe der Kathode und der Zellenspannung kann man Zellen von sehr großer Amperekapazität herstellen, wie z. B. Zellen, durch welche man Ströme von 2000 bis 6000 Ampere oder mehr durch einen einzigen Zellenraum hindurchschicken kann und die man mit großer Stromdichte und der verhältnismäßig geringen Spannung betreiben kann, welche man bei elektrolytischen Zellen von verhältnismäßig geringen Abmessungen und Leistungsfähigkeit anwenden kann.

Angenommen, daß es beispielsweise gewünscht wird, eine Zelle zu konstruieren, welche eine Kapazität von 5000 Ampere hat und mit einer Anfangsspannung von 3,5 Volt bei 10 Ampere pro Quadratdezimeter Kathodenfläche betrieben werden soll. Die Kurvenzeichnung in Fig. 5 zeigt, daß diese Anfangsspannung bei der genannten Stromdichte charakteristisch ist für eine Kathode, welche etwa 30 cm hoch ist, vorausgesetzt, daß die übrigen Bedingungen, wie z. B. die Beschaffenheit des Diaphragmas, der Abstand der Elektroden usw., normal sind. In diesem Falle muß die Gesamtlänge der Kathode etwa 16 m sein.

Wenn man die Kathode in der im vorstehenden angegebenen Weise biegt, so kann eine wirksame Länge von 16 m und selbst' von 32 m oder mehr untergebracht werden, und zwar in einer einzigen Kammer eines Betonzellengehäuses von dem praktischen Bedürfnis entsprechenden Abmessungen. Wenn man das Zellengehäuse in der oben beschriebenen Weise mit zwei oder mehr übereinander befindlichen Kammern ausrüstet, so wird die wirksame Kathodenlänge in gleichem Verhältnis vermehrt. Zu gleicher Zeit werden die ungeheuren Ströme, welche für den wirtschaftlichen Betrieb solcher Zellen erforderlich sind, ohne schädliche Verluste durch die kurzen Stromverbindungsstücke übertragen, welche sich bei der neuen Konstruktion ergeben.

Das oben angegebene Verhältnis zwischen der vertikalen Höhe der Kathode und der Klemmspannung der Zelle ist nur bei Zellen beobachtet worden, welche ein gasförmiges Anodenprodukt, wie Chlorgas, ergeben, und es kann angenommen werden, um die beobachtete Beziehung wenigstens teilweise zu erklären, daß die vermehrte Spannung darauf zurückzuführen ist, daß sich in der vertikalen Elektrolytsäule zwischen den Elektroden Gasblasen befinden, welche die Neigung besitzen, sich bei zunehmender Höhe der Säule und bei zunehmender Stromdichte zu vermehren. Dieses erklärt

auch, weshalb das erwähnte Verhältnis deutlicher in die Erscheinung tritt, wenn die Stromdichte wächst, und weshalb die geringe vertikale Ausdehnung der Kathode von Bedeutung ist für den wirtschaftlichen Betrieb von Zellen, welche eine Kapazität von 2000 Ampere oder mehr haben.

Claims (4)

Patent-An Sprüche:

1. Elektrolytische Zersetzungszelle mit Diaphragma und vertikal angeordneter durchlässiger Kathode, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung der Kathode in wagerechter Richtung mindestens siebenmal so groß ist als die Ausdehnung in senkrechter Richtung zum Zweck der Erzielung einer hohen Amperekapazität bei niedriger Spannung.

2. Elektrolytische Zersetzungszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Kathode mit einer Reihe von Taschen versehen ist, welche sich nach rückwärts in den Anodenraum erstrecken, wobei die Anoden in senkrechten Aussparungen zwisehen den Kathodentaschen untergebracht sind.

3. Elektrolytische Zersetzungszelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodentaschen von durchbrochenen senkrechten und undurchbrochenen unteren und oberen Wänden begrenzt sind.

4. Elektrolytische Zersetzungszelle mit einer Mehrzahl von übereinander angeordneten Zellenbehältern, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter im Zellenkörper in der Form von langen Kanälen angeordnet sind, welche sich nach beiden Seiten des Zellenkörpers öffnen, wobei die Öffnungen auf einer Seite jedes Kanals dazu dienen, die Anoden der Zelle aufzunehmen und die Öffnungen der anderen Seite zur Aufnahme der durchlässigen Kathoden mit dem Diaphragma, so daß die Zellen leicht zusammengesetzt und die wesentlichen Betriebselemente leicht entfernt werden können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.