DE3632803C1 - Membrane electrolysis cell - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Diaphragma-Elektrolyse-Zelle mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 (Siehe dazu DE-AS 15 67 930.8).

Diaphragma-Elektrolyse-Zellen sind in verschiedenen Ausführungs­ formen bekannt und werden von verschiedenen Herstellern gefer­ tigt. Sie dienen im wesentlichen zur Chlorherstellung auf elektrolytischem Wege. Ihre Kathoden weisen im wesentlichen die im Oberbegriff des Anspruchs 1 angeführten Merkmale auf. An den Kathoden dieser bekannten Zellen ist die Stromverteilungs­ schiene, die sich von Stirnende zu Stirnende über die Länge der Seitenwand erstreckt, direkt auf die Seitenwand aufgelötet oder aufgesprengt. Die Seitenwand bildet mit der im Abstand gegenüber­ liegenden Rohrplatte und den oberen und unteren Wandabschnitten einen über die Länge der Kathodenseitenwand verlaufenden hohlen Kasten, der sich über die Höhe des Kathodenunterteils erstreckt. Die auf den beiden Seiten verlaufenden Kästen schließen den Raum ein, der von den Kathodenrohren, dem Diaphragma und im Betriebszustand von den Anoden eingenommen wird. Die Seiten­ wände, die Rohrplatten und die oberen und unteren, die Seiten­ kästen schließenden Wandstücke bestehen aus dem Grundmaterial der Kathode, vorzugsweise aus Stahl, während die Stromverteilungs­ schiene aus Kupfer bestehen. Von den Stromverteilungsschienen gelangt der Strom in die Seitenwände und breitet sich nach oben und nach unten zu den oberen und unteren Wandabschnit­ ten und von diesen über die Stege der Rohrplatten aus und ge­ langt so von beiden Seiten her zu den Kathodenrohren. Die die Kasten bildenden Teile sind fest miteinander verschweißt. Die auf den beiden Seitenwänden verlaufenden Stromverteilungsschie­ nen sind durch bügelförmige Stromumführungsschienen mitein­ ander verbunden, die sich im Abstand über die Stirnwände er­ strecken, die Enden der Stromverteilungsschienen überlappen und mit diesen Enden verschraubt sind.

Die Kathoden dieser Art haben sich im weiten Umfange bewährt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei Betrieb, insb. über längere Zeiten, bestimmte Nachteile bzw. Schäden zu beobachten sind. Ein Nachteil besteht darin, daß das Innere der Kathodenanordnung zu Inspektions- oder Wartungszwecken schwer zugänglich ist. Außerdem zeigen sich Schädigungen an der Kathode durch Auf­ treten von Haarrissen, insb. in den stromführenden Schweiß­ nähten. Das Auftreten von Haarrissen insb. Querrissen, ist u. a. abhängig von der Art der Herstellung und konstruktiven Ausführung der Schweißnähte der Kathode.

Ferner hat sich gezeigt, daß an den langovalen Kathodenrohren in dem Bereich, in dem die Rohre mit der Rohrplatte verbunden sind, Korrosionsschäden auftreten, und zwar insb. im Schwan­ kungsbereich des Laugenniveaus. Die Ursache dieser Korrosion ist nicht genau bekannt. Es steht aber zu vermuten, daß diese Korrosion im wesentlichen durch elektrochemische Vorgänge ver­ ursacht ist, die durch Ungleichförmigkeit bei der Strom­ verteilung und/oder Spannungsverteilung mit veranlaßt werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Diaphragma-Elektrolyse-Zelle mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 so weiter­ zubilden, daß das Auftreten von Spannungsriß-Korrosionen ebenso wie die Entstehung von korrosionsbegünstigenden elektro­ chemischen Vorgängen an den Kathodenrohren vermieden, be­ ziehungsweise verringert werden.

Diese Aufgabe wird durch die Lehre des Anspruchs 1 gelöst.

Über die quer durch die Seitenkasten ragenden kammförmigen Leisten wird der Strom den Stegen zwischen den langgestreckten Fenstern der Rohrplatten von der Stromverteilungsschiene jeweils direkt und auf kürzestem Wege zugeleitet. Vorteilhaf­ terweise sind in jedem kastenförmigen Teil jeweils zwei solche Leisten übereinander in einem Abstand angeordnet, der durch die Breite der Stromverteilerschiene bestimmt ist. Auf diese Weise erhält man eine wesentlich günstigere direkte Stromzufuhr und eine wesentlich bessere und gleichförmigere Verteilung des Stroms bei geringerem Spannungsabfall über die Rohrplatten und damit über die Kathodenrohre, so daß die durch ungleich­ förmige Stromverteilung begünstigten elektrochemischen Vorgänge vermieden oder doch mindestens stark gemildert werden, mit der Folge, daß die bisher an den Kathodenrohrenden nahe den Rohrplatten im Schwankungsniveau der Lauge beobachteten Kor­ rosionsschäden weitgehend vermieden werden.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß die Strom­ verteilungsschiene nunmehr mit den kammförmigen Leisten und nicht mehr mit der Seitenwand direkt verbunden ist, so daß die Seitenwand nicht mehr zur Stromverteilung beizutragen hat. Ferner wird es möglich, Schweißnähte zwischen der Seitenwand und den angrenzenden Querwandteilen im Bereich der Stirnwände, der Oberseite und der Unterseite zu vermeiden, so daß umfang­ reiche Schweißnähte und die dadurch bedingten Schweißspannungen entfallen. Die bisher bei längerer Betriebszeit beobachteten Risse, insb. im Bereich der stromführenden Schweißnähte werden so vermieden und die Standzeit der Kathode wird wesentlich verlängert.

Da die Seitenwand mit den angrenzenden Wandabschnitten nicht mehr verschweißt zu werden braucht, kann die Seitenwand durch mit den angrenzenden Wandteilen verbindbare Deckelabschnitte ersetzt werden, die sich jeweils über die Zellenlänge er­ strecken. Die Verbindung erfolgt dabei vorzugsweise als Schraubverbindung unter Zwischenlegung eines Dichtstreifens. Die Gewindebohrungen sind dabei vorzugsweise im vollen Material angeordnete Sacklöcher, während als Dichtstreifen vorzugs­ weise Graphit-Dichtstreifen eingesetzt werden. Diese Anbringung der Deckelteile erlaubt den Einblick in das Innere der Kathoden­ anordnung und so die Inspektion oder Reparatur.

Die Gleichförmigkeit der Stromverteilung kann man noch weiter verbessern und das Auftreten von unerwünschten Spannungsabfällen vermeiden, wenn man die seitlichen Stromverteilungs­ schienen dadurch ersetzt, daß man die Schenkel der bügelförmi­ gen, den Stirnwänden zugeordneten Stromumführungsschienen so verlängert, daß miteinander fluchtende Schenkel zusammen die Länge der Seitenwände überdecken und so zugleich die Strom­ verteilungsschiene bilden. Durch diese Ausbildung werden mehrere bisherige im Stromführungsbereich vorhandene Schraub­ verbindungen vermieden und damit die Stromverteilung weiter verbessert, da theoretisch nur noch der elektrische Widerstand des Kupfermaterials zu unterschiedlichen Spannungsabfällen führen kann. Die Anordnung ist dabei vorteilhafterweise so getroffen, daß die bisherige Verteilung und der Abstand sowie der Durchmesser der Schraubenlöcher beibehalten sind, wie sie durch die Stromanschlußschienen vorgegeben sind. Auch die Konturen und Außenabmessungen der Kathode als solche bleiben im wesentlichen unverändert erhalten.

Die kammförmigen Leisten bestehen aus dem Grundwerkstoff der Kathode, z. B. einem Stahl R St 37-2 (DIN 17100). Die Kupferauflage auf die Leiste kann eine Dicke von etwa 5 mm aufweisen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 zusammen in Seitenansicht die Kathode einer Diaphragma-Elektrolyse-Zelle gemäß der Erfin­ dung, und zwar in Fig. 1 teilweise bei abgenommener Seitenwand, und ohne Stromanschlußschienen;

Fig. 3 einen Schnitt durch die Kathode nach Fig. 1;

Fig. 4 im Ausschnitt und im größeren Maßstabe einen Quer­ schnitt durch einen Bereich der vorderen Seitenwand der Kathode und

Fig. 5 einen Teilschnitt entlang der Schnittlinie V-V der Fig. 4.

Die Fig. 1 und 2 mit der Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie III-III der Fig. 1 in Fig. 3 zeigen den allgemei­ nen Aufbau der Kathode 1 einer Diaphragma-Elektrolyse-Zelle gemäß der Erfindung. Die Kathode weist über die Länge verlau­ fende Seitenwände 2, 3 und über die Breite verlaufende Stirn­ wände 4 und 5 auf, sowie obere und untere Flanschauflagen 6 und 7. Die Seitenwände gehören zu Seitenwandkästen, die sich jeweils über die ganze Länge der Kathode erstrecken. Jeder Seitenwandkasten besteht aus einer Seitenwand 2 bzw. 3 und einer im Abstand dazu angeordneten Rohrplatte 9. Der zwischen diesen gebildete Zwischenraum 17 ist an den Stirn­ enden sowie an der Oberseite und der Bodenseite durch Wand­ stücke, z. B. die Flanschauflagen 14 und 15 geschlossen, die mit den Kanten der Rohrwand 9 fest verschweißt sind. Die Rohr­ platten 9 weisen in gleichmäßigen Abständen angeordnete, sich über die Höhe der Seitenwände erstreckende Fenster 9 a und zwischen diesen liegende Stegabschnitte auf. In die Fenster 9 a greifen jeweils vom Kathodeninneren 16 her die Enden der lang­ ovalen Kathodenrohre 8 ein, wobei die Rohrenden mit der Fenster­ innenfläche verschweißt sind, wie dies unter anderem aus Fig. 5 hervorgeht. Die Kathodenrohre 8 sind parallel zueinander mit einem dem Steg der Rohrplatte entsprechenden gegenseitigen Abstand angeordnet. In den Zwischenraum ragen die nicht dar­ gestellten Anoden. Auf die Kathodenrohre ist ein Diaphragma aufgebracht, das ebenfalls nicht dargestellt ist.

In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind im In­ neren 17 jeder der beschriebenen kastenförmigen Seitenwand­ konstruktionen über die Länge der Kathode 1 ragende kammförmige Leisten angeordnet, deren Dicke dem Abstand zwischen der Seiten­ wand 2, 3 und der zugehörigen Rohrplatte 9 entspricht. Die den Kammzähnen entsprechenden Stege 23 der Leisten sind mit ihren freiliegenden Stirnflächen fest mit den Stegen der Rohrplatten 9 verschweißt, wie durch die Schweißnaht 40 in Fig. 4 und 5 dargestellt ist. Die den Kammzähnen entsprechenden Stege 23 sind entsprechend schmaler als die Stege der Rohrplatten 9. Die Verteilung der kammförmigen Stege und deren gegenseitiger Abstand entspricht dem Mittenabstand der Stege der Rohrplatte 9. Die Länge der den Kammzähnen entsprechenden Stege 23 ist zweckmäßigerweise etwa gleich der Hälfte der Weite der Kammer 17 oder etwas größer. Der Rücken der Leiste 22 erstreckt sich über die ganze Länge der Zelle. Seine im Inneren der Kammer 17 liegende Dicke ist maximal etwa gleich der Hälfte der Weite der Kammer 17, min­ destens aber etwa gleich der Dicke der Stege 23.

In der bevorzugten Ausführungsform sind zwei kammförmige Leisten jeder Seitenwand zugeordnet, die im gegenseitigen Abstand über­ einander angeordnet sind. Der Abstand ist so gewählt, daß die obere Kante der oberen Leiste und die untere Kante der unteren Leiste jeweils etwa mit der oberen Kante bzw. der unteren Kante der seitlichen Stromverteilungsschienen 32 fluchten, wie dies aus den Fig. 3 bis 5 zu entnehmen ist.

Die Stromverteilungsschienen 32 sind im Abstand von den Seiten­ wänden 2 bzw. 3 angeordnet. Zu diesem Zweck weist jede kammför­ mige Leiste auf der von der Rohrplatte 9 abgewandten Seite einen verjüngten und nach außen vorspringenden Steg 24 auf, der über die Seitenwand 2 bzw. 3 vorspringt. Auf dessen freier Fläche ist eine Kupferlage 25 von z. B. 5 mm Dicke aufgebracht. Auf diesen Kupferlagen liegt die Innenfläche der aus Kupfer be­ stehenden Stromverteilungsschiene 32 auf. In vorbestimmten, insb. durch die Stromanschlußschienen 36 (vgl. Fig. 3) bestimmten Abständen sind in den Rücken der kammförmigen Leisten 20, 21 mit Innengewinde versehene Sacklöcher 27 eingearbeitet. Diese dienen unter Verwendung von Schrauben 33, 37 und unter Zwischen­ legung von Tellerfedern 34, 38 zum Verspannen der Verteilungs­ schienen 32 mit den kammförmigen Leisten 20, 21. Durch den ein­ geschnürten Teil 24 des Rückens 22 der Leisten 20, 21 ergeben sich an jeder Leiste zwei Auflageschultern 26. Diese dienen zur Auflage und zum Befestigen von als abnehmbare Deckel aus­ gebildeten und sich jeweils über die Länge der Zelle er­ streckenden Deckelteilen 10, 11 und 12. Diese überbrücken jeweils den Abstand z. B. zwischen dem oberen Querwandstück 14 und der zunächstliegenden Leiste 20, zwischen dieser Leiste und der darunterliegenden Leiste 21 bzw. zwischen dieser und dem boden­ seitigen Querwandstück 15. Die Befestigung der Deckelteile erfolgt unter Zwischenlegung von Dichtungen 30, vorzugsweise aus einem Graphitmaterial, und mit Hilfe von Schrauben, welche in Gewindesacklöcher 29 bzw. 28 der Querwandteile 14, 15 bzw. der Leisten 20, 21 eingreifen. Mit der Stromverteilungsschiene 32 ist zugleich auch die Stromanschlußschiene 36 jeweils über eine Verbindungsschraube 37 befestigt. Die Stromverteilungs­ schienen weisen entsprechende Bohrungen 32 a auf. Die dichte Anbringung der Deckelteile kann bei Bedarf auch durch eine Dichtschweißung erfolgen.

Die beiden beiderseits der Zelle verlaufenden Stromverteilungs­ schienen 32 können wie üblich über bügelförmige Stromumführungs­ schienen an den Stirnseiten 4 bzw. 5 miteinander verbunden sein. Dabei können die Bügelenden in üblicher Weise die Enden der Stromverteilungsschienen 32 überlappen und mit diesen durch mehrere Schrauben fest verbunden sein.

Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind dagegen die seitlichen Stromverteilungsschienen 32 ersetzt durch die jeweils miteinander fluchtenden und entsprechend verlängerten Schenkel 52 a bzw. 53 a der stirnseitig angeordneten Stromum­ führungsbügel 52 bzw. 53. Die miteinander fluchtenden Schenkel 52 a, 53 a erstrecken sich gemeinsam über die ganze Längsseite der Zelle. Vorzugsweise sind die Bügelschenkel gleich lang, so daß sie bis zu der mittig angeordneten Stoßstelle 60 reichen. Durch diese Anordnung wird die Notwendigkeit der Verschraubung der bügelförmigen Stromumführungsschienen mit den seitlichen Stromverteilungsschienen vermieden. Dadurch ergibt sich in Verbindung mit den kammförmigen Leisten eine hervorragende Gleichförmigkeit der Stromverteilung über die Kathoden­ rohre 8.

In den Fig. 1 und 2 sind an den Stirnenden der Kathode vorgesehene Halterungen 15 dargestellt, die zur Verankerung bzw. zum Transport der Kathode dienen. Weiterhin sind stirn­ seitige Anschlüsse 50, 51 für die Aufnahme des den Elektrolyten angedeutet.

Claims (8)

1. Diaphragma-Elektrolyse-Zelle mit einem Satz von zu­ einander parallelen Kathodenrohren von jeweils lang­ ovalem Querschnitt, in deren Zwischenräume ein Satz von zueinander parallelen Anodenplatten einführbar ist; an den beiden Längsseiten der Zelle angeordne­ ten Rohrplatten, welche langgestreckte Fenster auf­ weisen, in welche jeweils die Rohrenden eingeschweißt sind; mit jewils einer Längsseitenwand, die im Ab­ stand und parallel zu einer der beiden Rohrplatten angeordnet sind und zusammen mit Stirnwänden den den Elektrolyten und die Elektroden aufnehmenden Unterteil der Zelle bilden; außen auf den beiden Seitenwänden angebrachten, sich über die Länge der Seitenwände er­ streckenden Stromverteilerschienen, deren Enden durch den Stirnwänden zugeordneten Strom-Umführungsschienen miteinander verbunden sind; mit einem Diaphragma sowie mit Zuführungen und Abführungen für den Elektrolyten und Anschlußschienen für die Stromzu- und -abfuhr, bei der die Anschlußschienen mit der Verteilerschiene und diese mit den Stromführungsschienen jeweils verschraubt sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Außenflächen der Stege zwischen den langgestreckten Fenstern (9 a) beider Rohrplatten (9) jeweils die vor­ springenden Abschnitte (23) einer den Abstand zwischen Rohr­ platte (9) und gegenüberliegender Seitenwand (2, 3) über­ brückenden kammförmigen Leiste (20, 21) fest aufgeschweißt sind, die sich von Stirnende (4) zu Stirnende (5) der Zelle (1) erstreckt, wobei die Stromverteilerschiene (32) mit einem durchgehenden und nach außen über die zugehörige Seitenwand (2, 3) hinausragenden Steg (24) des Rückenabschnitts (22) der Leiste (20, 21) verbunden ist.

2. Diaphragma-Elektrolyse-Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Zellenseite (2, 3) zwei zueinander parallele kammförmige Leisten (20, 21) in einem der Breite der Stromverteilerschiene (32) angepaß­ ten Abstand angeordnet und mit der im Abstand von der Seiten­ wand (2, 3) angeordneten Stromverteilungsschiene (32) verbun­ den sind.

3. Diaphragma-Elektrolyse-Zelle nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Rückenab­ schnitt (22) der oder jeder kammförmigen Leiste (20, 21) mit der Stromverteilungsschiene (32) direkt verschraubt ist.

4. Diaphragma-Elektrolyse-Zelle nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Seitenwand (2, 3) aus mehreren, sich von Stirnwand (4) zur Stirnwand (5) erstreckenden Deckelteilen (10, 11, 12) besteht, die jeweils mit der oder den Leisten (20, 21) und/oder oberen und unteren Flanschauflagen bildenden Wandteilen (15, 14) unter Zwischenschaltung einer Dichtung (30) verbunden sind.

5. Diaphragma-Elektrolyse-Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Dichtung (30) ein Graphit-Dichtungsstreifen vorgesehen ist.

6. Diaphragma-Elektrolyse-Zelle nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß jede kammför­ mige Leiste (20, 21) aus Stahl besteht und an der Kontakt­ stelle mit der Stromverteilerschiene (32) eine Kupferauf­ lage (25) aufweist.

7. Diaphragma-Elektrolyse-Zelle nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (52 a, 53 a) der bügelförmigen, den Stirnseiten (4, 5) der Zelle (1) zugeordneten Stromumführungsbügel (52, 53) je­ weils so verlängert sind, daß deren Enden zusammentreffen (60) und die miteinander fluchtenden Schenkel (52 a, 53 a) je­ weils zugleich eine der mit den Leisten (20, 21) verschraub­ ten seitlichen Stromverteilungsschienen (32) bilden.

8. Diaphragma-Elektrolyse-Zelle nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß alle Ver­ schraubungsstellen (31, 33, 37) im vollen Material des Grund­ werkstoffes Stahl endende Sacklöcher (27, 28, 29) als Gewinde­ bohrungen aufweisen.