EP0004903B1 - Verfahren zur Herstellung von Chlor aus Salzsäure durch Elektrolyse und Salzsäure-Elektrolysezelle - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Chlor aus Salzsäure durch Elektrolyse und Salzsäure-Elektrolysezelle Download PDF

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EP0004903B1
EP0004903B1 EP79101017A EP79101017A EP0004903B1 EP 0004903 B1 EP0004903 B1 EP 0004903B1 EP 79101017 A EP79101017 A EP 79101017A EP 79101017 A EP79101017 A EP 79101017A EP 0004903 B1 EP0004903 B1 EP 0004903B1
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EP
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electrolysis
hydrochloric acid
electrolytes
electrodes
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Franz-Rudolf Dr. Minz
Herbert Wiechers
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Bayer AG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/24—Halogens or compounds thereof
    • C25B1/26—Chlorine; Compounds thereof

Definitions

  • the electrolytic generation of hydrogen and chlorine from hydrochloric acid generally takes place in electrolytic cells in which 30 to 45 vertically arranged bipolar electrodes are combined, the electroylsem chamber formed between two electrodes being subdivided by a diaphragm.
  • the electrode area is usually approximately 2.5 m 2 and has a square cross section; see for example DAS 1 216 852 or Chem. lng.technik 39, 731 (1967).
  • the hydrochloric acid flows through the electrolysis chamber from bottom to top, hydrogen forming in the catholyte space and chlorine in the anolyte space.
  • the catholyte and anolyte are thus enriched with gas bubbles on their way through the electrolysis chamber. The gas bubbles are separated after the electrolytes have left the cell.
  • the presence of gas bubbles in the electrolyte increases its electrical resistance and thus the specific power consumption of the electrolytic cell. It is therefore desirable, given the current density, to determine the residence time of the electrolyte in the cell, i.e. choose the time during which the gas bubbles accumulate as short as possible. On the other hand, for the cell to operate economically, it is necessary to sufficiently reduce the concentration of hydrochloric acid while passing through the electrolytic cell. Depletion from about 25% to about 20% HCI is usually aimed for.
  • the invention therefore relates to a process for the production of chlorine and hydrogen from hydrochloric acid by electrolysis in an electrolysis cell, consisting of a multiplicity of vertically arranged bipolar electrodes, with an electrode space and an catholyte space being divided between two electrodes for dividing the electrolysis chambers formed between them Diaphragm is arranged, further drain and inflow devices for the electrolytes, which is characterized in that the hydrochloric acid is electrolyzed in at least two successive stages, being degassed after leaving one stage and before entering the next stage.
  • the invention also relates to a hydrochloric acid electrolysis cell, consisting of a multiplicity of vertically arranged bipolar electrodes, a diaphragm being arranged between two electrodes for dividing the electrolysis chamber formed between them into an anolyte space and a catholyte space, furthermore drainage and inflow devices for the Electrolytes, which is characterized in that the bipolar electrodes and the electrolysis chambers are each divided into floors in at least one horizontal plane perpendicular to the electrode surface and additional inflow and outflow devices are provided for the electrolytes in this plane, so that electrolyte circuits are independent of one another on each floor are trained.
  • the height of the partial electrode surfaces resulting from the subdivision of the electrodes is preferably 40 to 80 cm, particularly preferably approximately 60 cm.
  • the bipolar electrodes are expediently each held in holding frames which are stacked together in the manner of filter presses.
  • the principle of such arrangements is e.g. in DOS 2 222 637 or DOS 2 317 359.
  • the electrolysis frames for receiving the electrodes contain a plurality of windows lying one above the other, the webs containing inflow and outflow channels for the electrolytes.
  • the electrolysis is preferably carried out at current densities of 4 to 8 kA / m 2 . preferably operated 5 to 7 kA / m 2 .
  • the different levels of an electrolysis cell are preferably connected in parallel.

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Description

  • Die elektrolytische Erzeugung von Wasserstoff und Chlor aus Salzsäure erfolgt im allgemeinen in Elektrolysezellen, in denen 30 bis 45 vertikal angeordnete bipolare Elektroden, wobei die zwischen je zwei Elektroden gebildete Elektroylsemkammer durch ein Diaphragma unterteilt ist, zusammengefaßt sind. Üblicherweise beträgt die Elektrodenfläche ca. 2,5 m2 und besitzt quadratischen Querschnitt; siehe z.B. DAS 1 216 852 oder Chem. lng. Technik 39, 731 (1967). Die Salzsäure durchströmt die Elektrolysekammer von unten nach oben, wobei sich im Katholytraum Wasserstoff und im Anolytraum Chlor bildet. Katholyt und Anolyt werden also auf ihrem Weg durch die Elektrolysekammer mit Gasblasen angereichert. Did Gasblasen werden nach dem Austritt der Elektrolyte aus der Zelle abgeschieden.
  • Durch die Anwesenheit von Gasblasen im Elektrolyten wird dessen elektrischer Widerstand, und damit der spezifische Leistungsverbrauch der Elektrolysezelle erhöht. Es ist daher wünschenswert, bei gegebener Stromdichte die Aufenthaltszeit des Elektrolyten in der Zelle, d.h. die Zeit, während der sich die Gasblasen anreichern, möglichst kurz zu wählen. Andererseits ist es zum wirtschaftlichen Betrieb der Zelle notwendig, die Konzentration der Salzsäure während des Durchgangs durch die Elektrolysezelle hinreichend zu verringern. Üblicherweise wird eine Verarmung von ca. 25% auf ca. 20% HCI angestrebt.
  • Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung von Chlor und Wasserstoff aus Salzsäure durch Elektrolyse in einer Elektrolysezelle, bestehend aus einer Vielzahl von vertikal angeordneten bipolaren Elektroden, wobei zwischen je zwei Elektroden zur Unterteilung der zwischen diesen gebildeten Elektrolysekammern in einen Anolytraum und einen Katholytraum ein Diaphragma angeordnet ist, ferner Abfluß- und Zuflußeinrichtungen für die Elektrolyte, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Salzsäure in mindestens zwei aufeinanderfolgenden Stufen elektrolysiert wird, wobei sie nach Austritt aus einer Stufe und vor Eintritt in die jeweils nächste Stufe entgast wird.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch eine Salzsäure-Elektrolysezelle, bestehend aus einer Vielzahl von vertikal angeordneten bipolaren Elektroden, wobei zwischen je zwei Elektroden zur Unterteilung der zwischen diesen gebildeten Elektrolysekammer in einen Anolytraum und einen Katholytraum ein Diaphragma angeordnet ist, ferner Abfluß- und Zuflußeinrichtungen für die Elektrolyte, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die bipolaren Elektroden und die Elektrolysekammern jeweils in mindestens einer horizontalen Ebene senkrecht zur Elektrodenfläche in Etagen unterteilt sind und in dieser Ebene zusätzliche Zufluß- und Abflußeinrichtungen für die Elektrolyte vorgesehen sind, so daß in jeder Etage voneinander unabhängige Elektrolytkreisläufe ausgebildet sind.
  • Vorzugsweise beträgt die Höhe der durch die Unterteilung der Elektroden entstehenden Teilelektrodenflächen 40 bis 80 cm, besonders bevorzugt ca. 60 cm.
  • Zweckmäßigerweise werden die bipolaren Elektroden jeweils in Halterahmen gehalten, die nach Art von Filterpressen aneinander geschichtet werden. Das Prinzip solcher Anordnungen ist z.B. in der DOS 2 222 637 oder DOS 2 317 359 beschrieben. Erfindungsgemäß enthalten die Elektrolyserahmen zur Aufnahme der Elektroden mehrere übereinander liegende Fenster, wobei die Stege Zufluß- und Abflußkanäle für die Elektrolyte enthalten.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Fig. 1 zeigt beispielhaft einen Querschnitt durch eine zwei etagige Elektrolysezelle. Fig. 2 zeigt stark vereinfacht einen Elektrodenrahmen, senkrecht zu der in Fig. 1 gezeigten Schnittrichtung. Den in den Figuren angegebenen Ziffern kommt im Einzelnen folgende Bedeutung zu:
    • 1 Elektrodenrahmen
    • 2 Bipolar Elektrode
    • 3 Kathode
    • 4 Anode
    • 5 Anolytkammer
    • 6 Katholytkammer
    • 7 Diaphragma
    • 8 Anolytzufuhr
    • 9 Katholytzufuhr
    • 10 Katholyt
    • 11 Anolyt- und Chlorgasableitung
    • 12 Katholytentgasung
    • 13 Anolytentgasung
    • A Anolyt
    • K Katholyt
  • Das erfindungsgemäße Verfahren unter Einsatz der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle, wird so betrieben, daß sowohl Katholyt als auch Anolyt die einzelnen Etagen der Elektrolysezelle nacheinander durchströmen und jeweils nach Austritt aus einer Etage und vor Eintritt in die nächste Etage entgast werden, wobei die Elektrolyte stufenweise verarmt werden. Der Elektrolysezelle wird sowohl in Anolyt- als auch im Katholytkreislauf ca. 25%ige Salzsäure zugeführt, wobei die Anolytsäure eine etwas höhere Konzentration aufweisen kann. Die Säure wird in mehreren Stufen auf schließlich 20%ige Salzsäure verarmt.
  • Die Elektrolyse wird vorgzugsweise bei Stromdichten von 4 bis 8 kA/m2. vorzugsweise 5 bis 7 kA/m2 betrieben. Dabei werden vorzugsweise die verschiedenen Etagen einer Elektrolysezelle parallel geschaltet.
  • Um Druckdifferenzen in den Elektrolyten zu vermeiden, wird die Säure vorzugsweise zunächst in die oberste Etage einer Elektrolysezelle eingeführt und nach dem Austritt aus einer Etage und Entgasung jeweils in die nächste darunter liegende Etage eingeführt. Jede Etage wird vorzugsweise von unten nach oben durchströmt, un so eine Mitnahme und damit einen beschleunigten Austrag der Gasblasen zu gewährleisten. Für den Fall einer zwei-etagigen Elektrolysezelle ist der bevorzugte Strömungsweg von Anolyt und Katholyt in Fig. 2 durch die eingezeichneten Pfeile dargestellt.
  • Mit der Erfindung wird der spezifische Energieverbrauch bei der Elektrolyse von Salzsäure herabgesetzt, wobei gleichzeitig durch' Verringerung der notwendigen aktiven Elektrodenflächen etwa 20% Graphit eingespart wird. Die Elektrolyse kann gegenüber den bisher üblichen Stromdichten von ca. 4 kA/m2 bei gleicher Spannung mit erheblich erhöhter Stromdichte betrieben werden. Andererseits wird, wenn die Stromdichte erhalten bleiben soll, ein Spannungsgewinn erreicht, der z.B. bei bestehenden Anlagen die Hintereinanderschaltung von einer erhöhten Zahl von bipolaren Elektroden ermöglicht.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von Chlor und Wasserstoff aus Salzsäre durch Elektrolyse in einer Elektrolysezelle bestehend aus einer Vielzahl von vertikal angeordneten bipolaren Elektroden, wobei zwischen je zwei Elektroden zur Unterteilung der zwischen diesen gebildeten Elektrolysekammern in einen Anolytraum und einen Katholytraum ein Diaphragma angeordnet ist, ferner Abflüß- und Zuflußeinrichtungen für die Elektrolyte, dadurch gekennzeichnet, daß die Salzsäure in mindestens zwei aufeinanderfolgenden Stufen elektrolysiert wird, wobei sie nach Austritt aus einer Stufe und vor Eintritt in die jeweils nächste Stufe entgast wird.
2. Salzsäure-Elektrolysezelle bestehend aus einer Vielzahl von vertikal angeordneten bipolaren Elektroden, wobei zwischen je zwei Elektroden zur Unterteilung der zwischen diesen gebildeten Elektrolysekammer in einen Anolytraum und einen Katholytraum ein Diaphragma angeordnet ist, ferner Abfluß- und Zuflußeinrichtungen für die Elektrolyte, dadurch gekannzeichnet, daß die bipolaren Elektroden und Elektrolysekammern jeweils in mindestens einer horizontalen Ebene senkrecht zur Elektrodenfläche in Etagen unterteilt sind und in dieser Ebene zusätzliche Zufluß- und Abflußeinrichtungen für die Elektrolyte vorgesehen sind, so daß in jeder Etage voneinander unabhängige Elektrolytkreisläufe ausgebildet sind.
3. Elektrolysezelle nach Anspruch 2, wobei die Höhe der durch Unterteilung der Elektroden entstehenden Teilelektrodenflächen 40 bis 80 cm, vorzugsweise ca. 60 cm beträgt.
4. Verwendung der Elektrolysezelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolyte die Etagen der Elektrolysezelle nacheinander durchströmen und jeweils nach Austritt aus einer Etage und vor Eintritt in die nächste Etage entgast werden, wobei die Elektrolyte stufenweise verarmt werden.
5. Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolyte zunächst die oberste Etage einer Zelle und nachfolgend jeweils die nächst tiefere Etage durchströmen, wobei jede Etage von unten nach oben durchströmt wird.
EP79101017A 1978-04-14 1979-04-04 Verfahren zur Herstellung von Chlor aus Salzsäure durch Elektrolyse und Salzsäure-Elektrolysezelle Expired EP0004903B1 (de)

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