DE509933C - Einrichtung zur Regelung des Elektrolytumlaufs bei Druckzersetzern mit getrenntem Anolyt- und Katolyt-Umlauf - Google Patents

Description

Der Erfinder geht von einem Druckzersetzer mit getrenntem Anolyt- und Katolyt-Umlauf aus. Es ist bekannt, daß eine Störung des Gleichgewichts zwischen den beiden Elektrolytumläufen auf der Anolytseite einerseits und der Katolytseite anderseits zu sehr erheblichen Störungen des Betriebs einer derartigen Zersetzeranlage führen kann, daß aber anderseits bisher niemand den Versuch gemacht hat, eine systematische Abstimmung der beiden Umläufe gegeneinander zu bewirken, derart, daß auftretende Gleichgewichtsstörungen in einfacher, aber genauer Weise durch Einregelung beseitigt werden können. Zweck und Ziel der Erfindung ist, eine derartige außerordentlich feine und empfindliche Regelung anzuordnen, durch die das Gleichgewicht zwischen den beiden Seiten des Elektrolytumlaufs hergestellt werden kann.

ao Hierbei hat sich der Erfinder bemüht, aus Gründen der Einfachheit und Billigkeit der Anläge zur Bewirkung dieser Regelung möglichst Einrichtungen zu verwenden, die auch bisher vielfach an solchen Zersetzern verwendet worden sind. "Demgemäß soll zunächst eine Einrichtung zum Regeln des Elektrolytumlaufs bei Druckzersetzern mit getrenntem Anolyt- und Katolyt-Umlauf nach der Erfindung darin bestehen, daß die Umlaufregelung durch wechselweise Einwirkung von Heizvorrichtungen und Kühlvorrichtungen auf die Umlaufleitungen erfolgt.

Es können nach der Erfindung zur Unterstützung der Regelwirkung noch zusätzliche Drosselvorrichtungen benutzt werden, die zu diesem Zweck in diese Umlaufleitungen eingebaut werden. Heiz-, Kühl- und Drosselvorrichtungen sind bei Elektrolyseuren, Kühlungen auch bei Druckelektrolyseuren bereits früher zu den Zwecken benutzt worden, zu denen derartige Einrichtungen gemeinhin zu dienen pflegen; dagegen ist es neu, bei Druckelektrolyseuren mit getrenntem Anolyt- und Katolyt-Umlauf diese durch Beheizung, Kühlung oder Drosselung zu regeln.

Im Gegensatz zu der früheren Ausbildung derartiger Druckzersetzeranlagen, wo eine gegenseitige Abstimmung der beiden Elektrolytumläufe meist gar nicht erst versucht worden ist, kann durch die von dem Erfinder aufgezeigten Mittel eine äußerst feine Regelung der Umläufe bewirkt werden. Diese technisch außerordentlich wertvolle Maßnahme hat aber zur Folge, daß nunmehr Störungen, die auf die Elektrolytumläufe von den übrigen Teilen der Zersetzeranlage einwirken können, sich ebenfalls bemerkbar machen können. Früher traten derartige Störungen nicht in den Vordergrund, weil die Elektrolytumläufe selbst nicht störungsfrei waren, so daß es gewissermaßen auf einige Störungen mehr oder weniger nicht ankam. Nachdem aber gemäß der Erfindung die Aufgabe gelöst ist, die Elektrolytumläufe gegen Gleich-

gewichtsstörungen, die in den Umlauf en selbst auftreten, vollkommen zu sichern, sind, damit sich die erzielten Vorteile voll auswirken können, zusätzliche Mittel sehr erwünscht, um die Elektrolytumläufe gegen Störungen zu sichern, die von den in die Zersetzeranlage eingebauten Hilfsvorrichtungen kommen können. Betrachtet man von diesem Gesichtspunkt aus eine in üblicher Weise gebaute Zersetzeranlage, so findet man zunächst die Einrichtung, die zum Nachfüllen von Wasser dient. Man bediente sich hierzu auch schon früher sogenannter Nachfüllflaschen, und zwar war es im allgemeinen üblich, zwei derartige Nachfüllflasehen, -auf jeder Seite eine, anzuordnen. Um nun diese Nachfülleinrichtung der von ihm gegebenen technischen Regel anzupassen, gibt der Erfinder die zusätzliche technische Regel, daß die Nachfüllvorrichtung auf der Katolytseite so eingebaut sein soll, daß sie den oberen Flüssigkeitsspiegel des Katolyt-Umlaufs konstant hält. Diese Anordnungsweise hat wesentliche Vorteile für die Fernhaltung von Gleichgewichtsstörungen aus dem Elektrolytumlauf. Das Wasser wird im Kathodenraum verbraucht, deshalb ist es vorteilhaft, gerade diesem Raum das Wasser zuzuführen. Das Zuführen erfolgt mit Hilfe einer selbsttätigen Nachfüllvorrichtung, die ständig das verbrauchte Wasser auch in den kleinsten Mengen abgibt, so daß sich der Flüssigkeitsspiegel des Katolyt-Umlaufs nicht senken kann. Dies muß unter allen Umständen vermieden werden, weil auch nur eine kleine Senkung eine Störung des Gleichgewichts im Umlauf und eine Verschlechterung der Gasreinheit zur Folge haben würde.

Innerhalb der von dem Erfinder gestellten Aufgabe der vollständigen Ausschließung von Umlaufstörungen in den Elektrolytumläufen ist es weiter erforderlich, die zwischen den Zersetzern und die die erzeugten Gase ableitenden Teile der Anlage eingebaute Ausgleichsvorrichtung so einzurichten, daß Rückwirkungen von Druckschwankungen in diesem Teil der Anlage auf den Zersetzer ausgeschlossen werden. Die bisher verwendeten Druckausgleichsvorrichtungen genügen hierfür keineswegs. Nach der Erfindung kann dieser Zweck durch verschiedene Mittel erreicht werden.

Zunächst soll nach der Erfindung diese Ausgleichsvorrichtung aus einem oder zwei hintereinandergeschalteten Ausgleichern bestehen, so daß eine Rückwirkung von Druckschwankungen auf den Zersetzer zum mindesten verzögert wird, bis die zum Druckausgleich in der Gasableitung vorgesehene Regelvorrichtung zur Wirkung kommen kann. Weiterhin sollen die Ausgleicher als Gleichdruckhalter ausgebildet sein, derart, daß an der Übertrittsstelle des Gases aus der vom Zersetzer kommenden Gasleitung in das Ausgleichsgefäß konstanter Druck herrscht.

Schließlich sollen nach der Erfindung Pendelniveaumeter oder ähnliche Vorrichtungen in die Gasableitung eingebaut sein, die, von den Schwankungen der Flüssigkeitsspiegel in den Gleichdruckhaltem beeinflußt, diese anzeigen oder in Regelungsimpulse umsetzen. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß zwar Schwankungen des Flüssigkeitsspiegels auftreten, aber niemals auf den Zersetzer zurückwirken.

Die Maßnahmen, die gemäß der Erfindung zum Schutz gegen Rückwirkungen von Druckschwankungen in dem die¹ Gase ableitenden Teil der Anlage auf die Zersetzerumläufe angeordnet werden können, sind hiermit noch nicht erschöpft. So soll ferner nach der Erfindung die übliche Gasreinigungsvorrichtung im Hochdruckteil der Anlage nach den Druckausgleichern untergebracht werden. Hierdurch wird die Rückwirkung von Druck-Schwankungen in der Gasreinigungsvorrichtung· auf die Elektrolytumläufe des Zersetzers ausgeschlossen.

Diese Anordnung verbürgt ferner gewisse Vorteile, z. B-. eine kleine Katalysatormenge, da die Gasvolümen unter Druck kleiner, ihre Berührungszeit mit dem Katalysator auch deshalb bei einer bestimmten Katalysatoroberfläche langer ist als bei der bisher üblichen Anbringung des Reinigers nach dem Reglersystem und vor der Flaschenbatterie, wobei der Reiniger unter verschiedenen Drücken arbeiten mußte, je nachdem die Flaschenbatterie mehr oder weniger Druck besaß; das war für den Reinigerbetrieb erheblich ungünstiger; er benötigt größeren Wärmeverbrauch und eine größere Katalysatormenge. Diesem Reiniger soll ferner gemäß der Erfindung eine besondere Ausbildung gegeben werden, indem er in einen Vorwärmer und den eigentlichen Reiniger unterteilt wird, die so zusammenwirken, daß die Wärme der erhitzten und gereinigten Gase zum Vorwärmen der zu den Reinigern fließenden Gase benutzt wird. Hierdurch kann eine bedeutende Wärmeersparnis erzielt werden. Bei größeren Anlagen spielt der Wärmeverbrauch zum Erhitzen der Gase auf die durch den Katalysator und die Endprodukte bedingte Temperatur eine große Rolle. Dieser Wärmeverbrauch kann bei der Anordnung gemäß der Erfindung ganz oder zum großen Teil durch die im Reiniger durch Verbrennen und Heizung erzeugte Wärme gedeckt werden.

Die Kette der Maßnahmen, die gemäß der Erfindung getroffen werden können, um die Rückwirkungen von Druckschwankungen

in dem Gasabführungs- und Regelungssystem auf den Zersetzern und seine Elektrolytumläufe zu verhindern, schließt eine zwischen die in die Gasableitung eingebaute Reglereinrichtung und den Zersetzer eingeschaltete Reglersicherung, die auf der einen Seite (Anolyt- oder Katolytseite) auftretenden Überdruck oder Unterdruck in eine Steigerung oder Minderung des Gesamtdrucks der ίο Anlage selbsttätig umsetzt, einen zu großen Unterschied in den beiden Gasleitungen ausschließt und eine Rückwirkung auf die Elektrolytumläufe des Zersetzers verhindert.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in der Zeichnung schematisch dargestellt.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt eine derartige Druckzersetzeranlage zunächst ein stehend, geneigt oder liegend anao geordnetes Zersetzergefäß Z, das mit den beiden Abscheidegefäßen A und A' durch Umlaufleitungen a-_: a' in Verbindung steht. Hieran schließen sich die Wäscher W und W zum Ausgleich geringer Differenzdrücke und die Quecksilberausgleichsgefäße D< für größere Differenzdrücke, die von den Reinigeranlagen oder S ammler einrichtungen herrühren können. Von dort gelangen die Gase in die Vorreiniger V und V, die zugleich als Kondensatoren dienen, und die Reiniger R und R'. Es folgen die Druckregler B und B' in Verbindung mit den Reglersicherungen C, C und einem Gefäß G mit konstantem Druck, schließlich die Pendelniveaumeter P und P'. Beim Betrieb der Anlage steigt das Gas oben aus dem Zersetzergefäß in den mit /. bezeichneten Leitungen, gemischt mit dem mitgerissenen Elektrolyten, in die Abscheidegefäße A und A'. Von hier strömt der abgeschiedene Elektrolyt durch die Umlaufleitungen a, a! zur unteren Seite des Zersetzers zurück. Diese sind mit Kühleinrichtungen K und K!, Drosselventilen E, E' und Heizungen// und H' ausgerüstet. Der Elektrolyt tritt von unten in den Zersetzer und damit in die Zellen wieder ein. Der zwischen beiden Seiten etwa notwendige Elektrolytaustausch kann z. B. an den unteren Enden der Rückläufe a, a! durch den Verbindungsweg u erfolgen und mit Hilfe des Ventils X geregelt werden. Durch die Anbringung der Heizung ist man in der Lage, einen Umlauf des Elektrolyten und eine für den elektrischen Vorgang günstige Temperatur auch dann zu erzielen, wenn der Zersetzer nach längerer Ruhepause mit geringer Stromstärke allmählich auf Druck gebracht werden- muß oder wenn, z. B. bei Belastungsschwankungen, er längere Zeit mit geringer Stromstärke und somit mit geringerer elektrolytischer Wärme laufen muß. Läuft der Zersetzer unter hoher Belastung, so daß genügend oder zuviel Wärme durch den Prozeß selbst erzeugt wird, so ist man durch die Kühlung K. in der Läge, den Zersetzer auf der richtigen Betriebstemperatur zu halten und gleichzeitig den Umlauf den gesteigerten Betriebsverhältnissen entsprechend zu regeln.

Die Nachfüllung des verbrauchten Elektrolyten erfolgt selbsttätig aus der Nachfüllflasche N auf der Wasserstoffseite, also auf der Seite, wo das Wasser auch tatsächlich verbraucht wird, so daß der Katolytspiegel im Abscheidegefäß dauernd konstant gehalten wird.

Die Gase werden weiter den als Wäscher und Ausgleichsgefäße dienenden Druckbehältern W und W durch Zuleitungsröhren w, w' zugeführt, die bis zu einer Stelle y, y' über dem Boden in die Behälter hinabreichen. Dort werden die Gase von den mitgerissenen Elektrolytteilchen durch Emporschleudern durch Wasser, gereinigt. Gleichzeitig können diese miteinander verbundenen Wäscher äußerst kleine Druckschwankungen in der weiteren Gasleitung durch ihr Verbindungsrohr ausgleichen, so daß sich wohl die Spiegelhöhen innerhalb der Wäscher verschieben können, nicht aber eine Spiegelverschiebung in Abscheidegefäßen A und A', somit eine Störung der Umläufe eintreten kann. Da die Wäscher mit Wasser gefüllt sind, sind sie nur zur Ausgleichung geringer Druckschwankungen verwendbar.

Größere Druckschwankungen können durch die Druckausgleichsvorrichtung D aufgenommen werden, in der in gleicher Weise wie bei den Wäschern statt Wassers Quecksilber verwendet wird, das naturgemäß infolge seines größeren Gewichts in der Lage ist, auch größere Druckschwankungen aufzufangen. Von hier gehen die Gase in die Vorwärmer V und V und von dort in die Reiniger R und R', in denen die kleinen Verunreinigungen durch Erhitzen in Anwesenheit von Katalysatoren zu Wasser verbrannt werden. Die erhitzten, Wasserdampf enthaltenden Gase gehen durch die Vorwärmer zurück und geben im Gegenstrom ihre Wärme an die zu den Reinigern fließenden Gase ab. Durch die damit verbundene Abkühlung kondensiert der Wasserdampf.

Von hier gehen die Gase in die Reglersicherung B und B'. Diese besteht aus zwei Druckgefäßen, die zu einem gewissen Teil mit Quecksilber gefüllt sind. Dieses Quecksilber . steht durch eine Rohrleitung mit einem Druckgefäß G in Verbindung, von dem aus ein Druckgas, z. B. Stickstoff, in Höhe des gewünschten Betriebsdrucks sowohl auf das Quecksilber wie auf die andere Seite der Reglermembran in dem eigentlichen Reg-

ler C, C drückt. Die erzeugten Gase kommen von dem Vorreiniger, gehen durch den oberen Teil der Reglersicherung tmd dann weiter zu dem unteren Teil des Reglers. Übersteigt der Gasdruck im Zersetzer den Druck des -von oben auf die Membran drükkenden Gegengases, so wird die Membran nach oben ausweichen, das Membranventil an der Unterseite des Reglers öffnen und das ίο Gas weiter in die Sammelleitung treten lassen. Der Zweck der Reglersicheriing besteht nun darin, die Reglermembranen vor zu großen Druckunterschieden zu sichern. Das Quecksilber in der Reglersicherung steht einerseits unter dem Druck der Zersetzergase, andererseits unter dem Druck des Gases im Gefäß G (z. B. Stickstoff); somit gibt eine Differenz der Quecksilberspiegel im Gefäß der Reglersicherung und in der anschließenden Rohrleitung den Druckunterschied zwischen den beiden Membranseiten des Reglers an. In der Zeichnung ist z. B. auf der rechten Seite kein Unterschied zwischen dem Druckgas von oben und dem Zersetzergas von unten auf die Membran des Reglers vorhanden, denn die Flüssigkeitsspiegel in der Reglersicherung stehen auf beiden Seiten gleich hoch. Dagegen hat auf der linken Seite der Zeichnung das Zersetzergas einen Überdruck gegenüber dem die Membranen des Reglers belastenden Druckgas.

Die Höhen der Quecksilbersäulen in der Reglersicherung sind so bemessen, daß ein die Membranen schädigender Druck nicht auftreten kann, da bei einem bestimmten Höchstdruck die Säulen entweder nach oben oder unten Gas durchlassen. Sollte z. B. durch Verstopfen des rechten Reglerventils das Gas sich stauen und die Membranen immer mehr belasten, so würde die Säule der Regler sicherung bei einer bestimmten Höchstbelastung Gas nach oben durchströmen lassen. Die Folge davon ist, daß der Gesamtdruck der Anlage steigt, ohne daß schädliehe Folgen für die Membranen des Reglers und vor allem aber schädliche Druckunterschiede in den Gasleitungen und dadurch die Gasreinheit schädigende Störungen der Umläufe stattfinden können. Ein anderes Beispiel wäre, daß die Anlage nur unter geringer Belastung steht und auf der einen Seite starke Undichtigkeiten aufgetreten sind. Die Reglersicherung läßt nun aus dem konstanten Druckraum G Gas nach der undichten Seite

55, austreten. Die entsprechende Druckverminderung wird durch Abblasen des anderen Reglers auf die andere Seite übertragen. Der Anlagedruck sinkt selbsttätig, ohne daß Rückschläge auf die Zersetzerumläufe auftreten können.

Derartige Druckunterschiede in den bei

den Gasleitungen werden gemäß der Erfindung durch Pendelniveaumeter zur Anzeige gebracht. Das Pendelniveaumeter ist ein schwenkbargelagerteskommunizierendes Rohr, 65 das zum Teil mit einer Flüssigkeit, z. B. Quecksilber, gefüllt ist. Entgegengesetzt der durch verschiedene Gasdrücke erfolgenden Verschiebung der Flüssigkeit und demgemäß des Schwerpunkts bewegt sich der Schwer- 70 punkt des Rohrsystems, und es erfolgt dementsprechend ein Ausschlag der angebrachten Zeigervorrichtung. Die Zuführung des Druckgases erfolgt durch Rohrspiralen oder Schläuche für hohen Druck. Diese sehr 75 empfindliche Einrichtung kann im übrigen dazu benutzt werden, bei Benutzung von motorisch betriebenen Reglern das Ablassen der Gase aus dem Regler entsprechend den Ausschlägen des Pendelniveaumeters selbsttätig 80 zu regeln.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Regelung des Elektrolytumiaufs bei Druckzersetzern mit getrenntem Anolyt- und Katolyt-Umlauf, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlaufregelung durch wechselweise Einwirkung von Heizvorrichtungen (H, H') und Kühlvorrichtungen (K., K') auf die Umlaufleitungen (a, a!) erfolgt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Umlaufleitungen (a, a') zur Unterstützung der Regelwirkung zusätzliche Drosselvorrichtungen (E, £') eingebaut sind.

3. Ausführungsform der Einrichtung nach Anspruch 1 mit Elektrolytnachfüllvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachfüllvorrichtung (N) auf der Katolytseite so eingebaut ist, daß sie den oberen Flüssigkeitsspiegel des Katolyt-Umlaufs konstant hält.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, da-105 durch gekennzeichnet, daß die zwischen den Zersetzer (Z) und die die erzeugten Gase ableitenden Teile der Anlage eingebaute Ausgleichsvorrichtung aus einem oder zwei hintereinandergeschalteten Ausgleichern (D, U-, W₁ W) besteht.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleicher als Gleichdruckhalter ausgebildet sind, derart, daß an der Übertrittsstelle (y, y') des Gases aus der Gasleitung (w, w') in das Ausgleichergefäß konstanter Druck herrscht.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 und 5, gekennzeichnet durch Pendelniveaumeter (P, P') o. dgl., die, von den Schwankungen des Flüssigkeitsspiegels in den Gleich-

druckhaltern (D, Π, W, W) beeinflußt, diese anzeigen oder in Regelungsimpulse umsetzen.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die übliche Gasreinigungsvorrichtung (R, R', V, V) im Hochdruckteil der Anlage zweckmäßig zwischen Gleichdruckhalter und Regler (C, C) eingebaut ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasreinigungsvorrichtung in einen Vorwärmer und einen Reiniger unterteilt ist, die so zusammenwirken, daß die Wärme der erhitzten und gereinigten Gase zum Vorwärmen der zu den Reinigern fließenden Gase benutzt wird.

9. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Regler (C, C) der Anlage eine Reglersicherung (B, B') vorgeschaltet ist, die auf der einen Seite (Anolyt- oder Katolytseite) auftretenden Überdruck oder Unterdruck in eine Steigerung oder Minderung des Gesamtdrucks der Anlage selbsttätig umsetzt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen