DE692858C - Zelle fuer die Elektrolyse geschmolzener Salze - Google Patents

Description

'Gegenstand der Erfindung ist eine Zelle für die Elektrolyse geschmolzener Salze, insbesondere für die Gewinnung von Leichtmetallen, wie Natrium, durch Elektrolyse von Salzen derselben, wie Chlornatrium, oder Salzgemischen unter Verwendung einer in der Mitte der Zelle angeordneten und durch den Boden der Zelle hindurchgeführten, z. B." aus Graphit bestehenden, von der Schmelze /ganz überdeckten Anode von etwa zylindrischem" oder auch beliebigem anderem Querschnitt. Bei derartigen Zellen ist es, insbesondere wenn die Anode, wie z. B. bei den in der Technik unter dem Namen Downszelle bekannten Zellen, von der kreisförmigen Kathode zwecks möglichst weitgehender Verminderung des Widerstandes in geringem Abstand umschlossen ist, von großer Wichtigkeit, daß die in dem Raum zwischen der Anode und Kathode befindliche Schmelze während der Elektrolyse an dem zu zersetzenden Salz, ζ. B. bei der Elektrolyse eines Gemisches von Chlornatrium mit Chlörcalcium an Chlornatrium, nicht verarmt. Denn durch die hierbei erfolgende Veränderung der Zusammensetzung des Salzgemisches·, z. B. durch zu großes Anwachsen der darin vorhandenen Menge eines Hilfssalzes, wie Chlorcalcium, ist die Gefahf von Störungen durch die unerwünschte Ausscheidung des Metalls des Hilfssalzes gegeben, was überdies durch Brückenbildung zu Kurzschlüssen zwischen den Elektroden führen kann, wenn der Schmelzpunkt des ausgeschiedenen Metalls höher als die Temperatur der Salzschmelze ist. .

Es ist schon vorgeschlagen worden, ζ. Β beim Arbeiten mit sogenannten Downszellen diesen Mißstand dadurch zu beheben, da: man die Wand der die Anode umgeben^ zylindrischen Kathode mit Durchlässen. W Form von Löchern oder Sehlitzen versieht durch die ein beschleunigter Austausch der Schmelze zwischen dem von den Elektroden umschlossenen Raum und dem übrigen ZeIlraum ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird dieselbe Aufgabe auf anderem Wege dadurch gelöst, daß die Anode in ihrem oberen Teil vorteilhaft so weit, als sie" von der Schmelze umspült ist, mit einer nach oben offenen Höhlung versehen bzw. in . Form eines oben offenen Rohres ausgebildet ist, dessen Wand mit Durchlässen für die Schmelze versehen ist. Es wurde gefunden, daß bei einer derartigen Ausbildung der Anode durch die durch die Gasentwicklung an der Außenseite der Anode bewirkte Bewegung der Schmelze diese dauernd über den oberen Rand des in der Anode vorgesehenen Hohlraums in den letzteren bez5 fördert wird, von wo sie dann durch die Durchlässe in der Wand des Hohlraums in den Raum zwischen der Anode und der Kathode gelangt, so daß auf diese Weise eine stetige Zuführung von frischer Schmelze in den Raum zwischen den Elektroden gesichert und das Auftreten der obenerwähnten störenden Verarmungserscheinungen unmöglich gemacht wird.

Mit besonderem Vorteil wird das vorerwähnte Einströmen der Schmelze in den Innenraum der Anode durch die Anwendung von einer solche Flüssigkeitsbewegung befördernden besonderen Vorrichtung noch unterstützt.

Eine in derartiger Weise ausgebildete Zelle vom Downstyp ist in einer beispielsweisen Ausführungsform in der Zeichnung dargestellt, und zwar in Abb. 1 in einem senkrechten Längsschnitt, in Abb..2 in einem waagerechten Schnitt durch die Anode der Zelle nach Abb. 1; Abb. 3 zeigt die Anode nach Abb. 2 zum Teil im Längsschnitt und zum Teil in einer Seitenansicht; die Abb. 4 und 5 zeigen in einer Draufsicht und in einem Längsschnitt bzw. in einer Seitenansicht eine andere Ausführung einer Anode.

Es ist in Abb. 1 1 der mit feuerfesten Steinen 2 ausgekleidete Stahlmantel der Zelle, durch deren Boden die aus einer Anzahl von Segmenten 6, z. B. aus Graphit, in der aus Abb. 4 ersichtlichen Weise zusammengesetzte Anode mit ihrem unteren, im Querschnitt verjüngten Teil 30 hindurchgeführt ist. Jedes' • der Segmente 6 ist vermittels Schrauben 8 und Unterlegplatten 9 an einem oben geschlossenen Rohr/ als Träger befestigt. In jedem ■ Segment ist eine Anzahl von Durchlässen 11 vorgesehen, die von innen nach außen schräg -.ansteigend verlaufen. Zur Verhinderung eines («Zutritts der Schmelze zu dem Kopf des 'rohrförmigen Trägers7 ist auf diesem eine 'Schicht von feuerfesten Steinen 10 aufgebracht.

3 ist die die Anode in üblicher Weise ringförmig umgebende Kathode, 5 ist ein zwisehen den Elektroden konzentrisch zu diesen angeordnetes zylindrisches Diaphragma, das an der nach unten offenen, kreisförmigen Sammelrinne 4 für das an der Kathode abgeschiedene Metall aufgehängt ist. iS ist das in üblicher Weise an diese Sammelrinne angeschlosseneSteigrohr zur Abführung des in der Rinne angesammelten flüssigen Metalls, z. B. Natrium, nach oben.

12 ist eine sich nach oben konisch verjüngende Sammelhaube für das an der Anode abgeschiedene Gas, an der die Sammelrinne 4 für das kathodisch abgeschiedene Metall befestigt ist. 13 ist ein an die obere öffnung der Gassammeihaube 12 angeschlossenes, oben geschlossenes und mit einem Abzugsrohr 14 für das anodisch entwickelte Gas versehenes Rohr. ·

• 16 ist ein konzentrisch zu diesem Rohr angeordnetes, vermittels der nach Art von Rad-Speichen angeordneten Streben 17 an derGassammelhaube 12 befestigtes, beiderseits offenes Rohr, das unten in den Innenraum der Anode einmündet und am oberen Ende einen rohrförmigen Aufsatz 15 trägt, dessen Wand mit in Seiner Längsrichtung verlaufenden schlitzförmigen Durchlaßöffnungen 29 für die Schmelze versehen ist.

Beim Betrieb der Zelle, z. B. bei der Elektrolyse eines schmelzflüssigen Alkalimetall- 1°° chlorids unter Erzeugung von Alkalimetall und Halogengas, wird durch das an der Außenfläche der Anode abgeschiedene und durch die Sammelhaube 12 in den Zwischenraum zwischen den Rohren 13 und 15 ge- i°5 führte Chlorgas beim Aufsteigen ein Auftrieb auf die Schmelze ausgeübt, wodurch sie veranlaßt wird, in dem Zwischenraum zwischen den Rohren 13 und 15 nach oben zu steigen, bis sie an die oberhalb des Spiegels der Schmelze in der äußeren Zelle angeordneten Schlitze des auf dem Rohr 16 angebrachten Aufsatzes 15 gelangt, worauf sie durch diese Schlitze hindurch, wie in Abb. 1 durch Pfeile angedeutet ist, in das Innere des Rohres 15 gelangt und in diesem alsdann nach unten und in den Innenraum der Anode eineführt wird, aus dem sie dann weiter durch die in der Wand dieses Hohlraums angebrachten Kanäle 11 in den Zwischenraum zwischen den Elektroden gelangt, so daß auf diese Weise ein fortlaufender Kreislauf der

Schmelze auf dem angegebenen Wege unter ständiger Erneuerung der in dem engen Zwischenraum zwischen den Elektroden· befindlichen Schmelze erzielt wird. Es ist für die erfindungsgemäß angestrebte Wirkung weder erforderlich, daß das Rohr 16 am oberen Ende mit einem geschlitzten Aufsatz 15 versehen ist, noch ist es unbedingt erforderlich, daß überhaupt die Schmelze durch eine besondere Vorrichtung dieser oder anderer Art in den Hohlraum der Anode hineinbefördert wird, da, wie gefunden wurde, ein Umlauf der Schmelze in dem gewollten Sinne auch schon ohne derartige Hilf svorrich-· tungen erfolgt. Indessen wird dieser Umlauf in einer Zelle gemäß der Erfindung wesentlich gefördert durch Anwendung einer Vorrichtung der beschriebenen Art, wobei durch den Auftrieb der Schmelze in einem Steigrohr unter der Wirkung der von der Anode aufsteigenden, vorteilhaft durch eine Haube (12 der Zeichnung) gesammelten Gase die Schmelze gezwungen wird, am höchsten Punkt ihres Weges in ein Rohr (16 der Zeichnung) einzutreten, durch das sie, unmittelbar in den Hohlraum der Anode eingeführt werden kann. Die Anwendung einer derartigen Vorrichtung bietet noch den weiteren Vorteil, daß dadurch das insbesondere bei Zellen mit erheblicher Produktionsleistung äußerst lästige Verspritzen der Schmelze an der Stelle des Gasaustritts vermieden wird, das zu Verkrustungen der oberen, nur vom Gas bestrichenen Teile des Gassammeiraumes (13 der Zeichnung) führt, die, um Verstopfungen zu vermeiden, häufig unter produktions'vermindernder Stromunterbrechung aus der Sammelhaube und den anschließenden Teilen für die Fortleitung des Gases· entfernt werden müssen. Es hat sich gezeigt, daß dieses störende Verspritzen der Schmelze vermieden werden kann, wenn man die Schmelze z. B. unter der Wirkung der von der Anode aufsteigenden Gasblasen in einem Steigrohr von verjüngtem Querschnitt nach oben führt und am höchsten Punkte 'in ein Rohr überfließen läßt, durch das die von den Gasblasen befreite Schmelze alsdann wieder nach unten in die Zelle zurückgeführt wird. Es hat sich ferner gezeigt, daß die Wirkung einer solchen Einrichtung dadurch noch verbessert werden kann, daß man die Schmelze nicht ohne weiteres in das obere offene Ende des erwähnten Rohres, sondern durch in einem besonderen Aufsatz 15 vorgesehene, z. B. schlitzförmige Durchlässe (29) in dieses Rohr übertreten läßt. ' - .

Durch Verwendung einer derartigen Anordnung in Verbindung mit hohlen Anoden nach der Erfindung wird also nicht nur der Umlauf der Schmelze über den Hohlraum und die Durchlässe in der Wand desselben verbessert, sondern gleichzeitig auch erreicht, daß das an der Anode entwickelte Gas, z. B. • Chlor, an der Stelle, wo die Schmelze 'durch 'die Schlitze29 des Aufsatzes 15 hindurch aus dem Zwischenraum, zwischen den Rohren 13 und 16 in das letztere übertritt, ohne Verspritzen aus der Schmelze entweicht, so daß das mit den obenerwähnten Störungen verbundene Absetzen von erstarrter Schmelze ah dem oberen Teil des Gassammeirohres 13 bzw. den anstoßenden Teilen für die Gasführung weitgehend vermieden wird.

Bei der in den Abb. 2 und 3 beispielsweise 75' dargestellten. Ausführungsform einer Anode nach der Erfindung ist diese in ihrem unteren, verjüngten Teil 22 massiv und in ihrem oberen Teil etwa in Form eines Bechers mit einem Hohlraum 20 versehen, in dessen Wand in der Längsrichtung der Anode verlaufend nach oben offene Schlitze 21 als Durchlässe für die Schmelze vorgesehen sind.

Der untere, verjüngte Teil 22 der Anode dient hierbei zur Verbindung mit geeigneten Teilen für die Stromzuführung.

Bei der in den Abb. 4 und 5 dargestellten weiteren Ausführungsform ist die Anode aus . sechs Segmenten 23 zusammengesetzt, die mit ihren unteren, außen verjüngten Enden 28 in derselben Weise wie die Segmente der in Abb. ι dargestellten Anode an einem in Form eines oben geschlossenen Rohres von sechseckigem Querschnitt ausgebildeten Träger 25 vermittels Schrauben 8 und Unterlegscheiben 9 befestigt sind. Die Stromzufuhr erfolgt hierbei über den Träger 25 durch eine mit diesem Träger durch Schrauben 27 verbundene Schiene 26.

Auch bei dieser Ausführungsform ist zur \^rerhinderung des Zutritts der Schmelze zu dem Kopf des Trägers 25 über diesem eine Schicht 10 von feuerfesten Steinen o. dgl. vorgesehen.

Die Durchlässe für die Schmelze in der Wand des von den Segmenten 23 umschlossenen Hohlraumes der Anode vom Querschnitt eines gleichseitigen Sechsecks sind bei dieser Ausführungsform durch in jeder Seitenfläche je zweier aneinanderstoßender Segmente vorgesehene Aussparungen 24 gebildet, die beim Zusammensetzen der Segmente einen Längsschlitz von der doppelten. Breite einer jeden der einzelnen Aussparungen ergeben.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend erläuterten und in der Zeichnung nur beispielsweise dargestellten besonderen Ausführungsformen der Anode und der Vorrichtungen zur besonders wirksamen Zuführung von Schmelze in den. Innenraum der Anode, sondern sie umfaßt auch Anoden von beliebiger anderer Ausführung bzw. von be-

Claims (7)

1. liebigem, nicht zylindrischem Querschnitt und in beliebiger anderer Anordnung sowie beliebige Anordnungen, die geeignet sind, die Zuführung von Schmelze in den Innenraum der Anode und den Durchfluß der Schmelze durch die in der Wand dieses Raumes vorgesehene Durchlässe zu fördern. Die Erfindung ist auch nicht beschränkt auf Zellen von dem in der Zeichnung nur beispielsweise dargestellten Typ. Der nachgesuchte Schutz soll vielmehr Zellen beliebiger Art umfassen, soweit diese mit einer Anode versehen sind, die in dem in der Salzschmelze befindlichen oberen Teil mit einem nach oben offenen Hohlraum

   • 5 und Durchlässen für die Schmelze in der Wand dieses Hohlraumes versehen sind.

   ■ Patentansprüche:

   so ι. Zelle für die Elektrolyse geschmolzener Salze mit einer z. B. aus Graphit bestehenden, in der Mitte der Zelle angeordneten, von der Schmelze ganz bedeckten Anode, z. B. von zylindrischem Querschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (6) in ihrem von der Schmelze umspülten oberen Teil in Form eines oben offenen Rohres ausgebildet ist, dessen Wand mit Durchlässen für die Schmelze, z.B. in Form von Löchern (11) oder Schlitzen (21), versehen ist.
2. 2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode in Form eines im unteren, vorteilhaft im Querschnitt verjüngten massiven Teil und im oberen mit einer z. B. zylindrischen, nach oben offenen Höhlung versehenen Körpers ausgebildet ist.
3. 3. Zelle nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand der Anode mit von innen nach außen schräg ansteigend verlaufenden Durchlaßkanälen · versehen ist.
4. 4. Zelle nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode aus einer Anzahl von Segmenten (23) zusammengesetzt ist, die mit ihren unteren, vorteilhaft eingezogenen Enden (28) z. B. vermittels Schrauben (8) an einem zugleich als Stromzuführung dienenden, z. B. hohlen Träger (25) befestigt sind, wobei zweckmäßig die Seitenflächen der einzelnen Segmente mit derartigen Aussparungen (24) versehen sind, daß durch diese beim Auseinanderlegen der Seitenflächen je zweier Segmente zwischen diesen in der Längsrichtung der Anode verlaufende schlitzförmige Durchlässe (24) für die Schmelze gebildet werden.
5. 5. Zelle nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung zur Einführung von Salzschmelze in den Innenraum der Anode aus einem in diesen Raum oder oberhalb desselben ausmündenden Rohr (16) besteht, das sich nach oben bis über den Spiegel der Schmelze in der Zelle erstreckt und von einem zweiten Rohr (13) umgeben ist, das mit seinem unteren, in die Schmelze ausmündenden Ende an die obere Öffnung einer nach oben verjüngten Sammelhaube (12) für das an der Anode entwickelte Gas angeschlossen ist, so daß die infolge des durch die aufsteigenden Gasblasen verursachten Auftriebs in dem Ringraum zwischen den beiden Rohren aufsteigende Schmelze über den oberen Rand des inneren Rohres hinweg in dieses hineingetrieben und in dem Rohr abwärts in den Innenraum der Anode hineingeführt wird.
6. 6. Zelle nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (16) für die Einführung der Schmelze in den Innenraum der Anode vermittels nach Art von Radspeichen angeordneter Streben (17) an der Sammelhaube (12) für das an der Anode entweichende Gas befestigt ist.
7. 7. Zelle nach Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (16) für die Einführung der Schmelze in den Innenraum der Anode am oberen Ende mit einem Ansatz oder Aufsatz (15) mit seitlichen Durchflußöffnungen für die Schmelze,

   z. B. in Form von in der Längsrichtung des Aufsatzes versehenen Schlitzen (29), versehen ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen