EP1073780B1 - Elektrolyseapparat zur herstellung von halogengasen - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an electrolysis apparatus for production of halogen gases from aqueous alkali halide solution with several arranged side by side in a stack and in plate-like electrical contact Electrolysis cells, each a housing made of two half-shells made of electrically conductive material with outside Have contact strips on at least one rear wall of the housing, wherein the housing means for feeding the Electrolysis currents and electrolysis input materials and Devices for discharging the electrolysis current and the Electrolysis products and two essentially flat surfaces Has electrodes (anode and cathode), the Anode and the cathode with blind-like openings for a flow through the electrolysis input materials and Electrolysis products provided and by a partition from each other are separated and arranged parallel to each other and by means of metallic stiffeners with the respectively assigned one Rear wall of the housing electrically connected are.
- the individual electrolytic cells are manufactured in such a way that the respective housing from two half shells each Interposition of the necessary facilities and the cathode and anode as well as the partition and by fixation the same assembled by means of metallic stiffeners and anode and housing or cathode and housing be attached to each other in an electrically conductive manner, then the plate-shaped electrolytic cells thus produced arranged next to each other in a stack in an electrically conductive manner and against each other in the stack for sustainable contact be tense.
- the electrolysis current is fed to the cell stack on one outer cell of the stack, it passes through the cell stack in a direction substantially perpendicular to the central planes of the plate-shaped electrolysis cells and it is discharged at the other outer cell of the stack. In relation to the middle level, the electrolysis current reaches mean current density values of at least 4 kA / m 2 .
- Such an electrolysis apparatus is known from DE 196 41 125 A1 Applicant known.
- this known electrolysis apparatus are the anode or the cathode with the respective rear wall the housing halves over vertical, web-like metallic Stiffeners connected.
- On the back of the anodes or Half of the cathode shell is a vertical contact strip for the electrical contact to the neighboring, same electrolysis cell attached.
- the current flows through the contact strip through the back wall into the vertical, web-like metallic stiffeners and of there it is distributed starting from the metallic contact points (Stiffening / anode) over the anode.
- the current passed through the partition is, it is taken up by the cathode to over the vertical, web-like stiffeners in the rear wall flow to the cathode side and then back into the contact strip and from there to the next electrolytic cell enter.
- the connection of the current-carrying components is done by welding. In the welds the electrolysis current bundles to form peak current densities.
- the vertical, web-like metallic stiffeners are designed as webs aligned with the contact strips, the side edges over the entire height of the rear wall and the anode or cathode on the rear wall and the anode or cathode.
- the vertical bars divide the electrode back space within the respective housing half into individual electrolyte-carrying Segments. So it doesn't become a complete one uneven concentration distribution in the electrolyte comes along the depth of the respective housing half an inlet distributor is provided in each half of the housing, through which the electrolysis input substances into the individual, segments formed by the webs in the half-shells are feedable.
- gas generating electrolysis processes such as Chlor-alkali electrolysis, hydrochloric acid electrolysis or alkaline water electrolysis performed.
- chlor-alkali electrolysis aqueous alkali halide solutions, for example sodium and potassium chloride, in the electrolysis cell under the influence of electric current in a aqueous alkali lye, e.g. sodium or potassium lye, and in a halogen gas such as chlorine and hydrogen decomposed.
- a aqueous alkali lye e.g. sodium or potassium lye
- a halogen gas such as chlorine and hydrogen decomposed.
- water electrolysis Water is decomposed and Hydrogen and oxygen are formed on the electrodes.
- the spatial separation of the electrode spaces is done using the partition mentioned above, generally one Diaphragm or a so-called ion exchange membrane.
- the Diaphragm is made of a porous material that is related the media, temperatures and Pressing is chemically, thermally and mechanically stable.
- at the ion exchange membrane is generally perfluorinated hydrocarbons. These membranes are gas and almost liquid-tight, but leave an ion transport in the electric field too.
- Electrodes that are designed so that they are affected by the electrolysis input materials and the electrolysis products are flowable.
- Such electrodes are preferably included Provide perforations (perforated sheet, expanded metal, wattle or thin sheets with blind-like openings), so that despite their flat arrangement in the electrolysis cell those formed in the boundary layer during electrolysis Gases enter the back of the electrolytic cell more easily can.
- Edges or edges of the openings agglomerate the gas bubbles rising in the electrolyte and remain there the gussets between the adjacent partition (membrane) and the break through edges.
- These bubbles disturb electricity transport, i.e. the mass transport through the Partition because they block the membrane exchange surface and thus make it inaccessible, i.e. inactive.
- the electrodes are profiled, for example by providing them with grooves and holes. In this way, on the one hand, the gas can escape more easily and, on the other hand, fresh electrolyte can get into the electrolytically active boundary layer between the electrode and the membrane.
- electrodes with a profile of this type are subjected to current densities above 4 kA / m 2 , however, the gas evolution increases and the profiled electrode then reaches the limit of its gas dissipation capability.
- the foam formation leads to pressure fluctuations within the electrochemical cell, since the foam at least temporarily closes the cell outlet for the gas formed.
- the outlet is blown free again by a slight increase in pressure within the cell, which leads to the known effect of the surge flow and to the pressure fluctuations mentioned. This is disadvantageous for the operation of an electrolyzer.
- the life span of membranes in particular influenced by the concentration distribution.
- To ensure a homogeneous electrolyte distribution reach either via externally arranged pumps generated additional circulation, or by installing one Baffles in the cell due to internal circulation of a density difference.
- the object of the invention is to provide an electrolysis apparatus which can also be operated at current densities above 4 kA / m 2 and, accordingly, increased gas generation in the boundary layer while maintaining long-term service life of the membrane and with low pulsation.
- This task is done with an electrolysis machine at the beginning designated type solved according to the invention in that the blind-like openings of the anode and cathode against the horizontal are inclined.
- the gas removal from the electrolyte boundary layer close to the membrane can be improved in such a way that current densities of 6 to 8 kA / m 2 are achieved for the first time while maintaining a long service life of the membrane. Due to the inclination of the electrode rods relative to the horizontal, the gas bubbles that form roll along the lower edge of the electrode, collide with bubbles still adhering to the electrode edge and coalesce. This in turn leads to the gas bubbles being accelerated due to the increasing volume, ie the effect accelerates itself. At the same time, the gas volume in the electroactive zone decreases, as a result of which a lower cell voltage is achieved.
- a suction effect which is caused by the movement of the glass bubbles along the edge of the electrode, ensures that the fresh electrolyte is sucked into the electroactive zone between the membrane or diaphragm and the electrode, which is a necessary prerequisite for long alkali life, for example in chlor-alkali electrolysis.
- there is a directional flow since all gas bubbles are forced in one direction.
- the density of the electrolyte / gas mixture decreases on one side due to the increasing gas content, which leads to an internal circulation which is 10 to 100 times greater than when entering the electrolyte stream. Excellent homogenization of the electrolyte is thereby achieved.
- the angle of inclination towards the blind-like openings the horizontal is between 7 ° and 10 °.
- each case is parallel arranged to the horizontal and the blind-like Breakthroughs of the anode and cathode against the bottom of the respective housing are arranged inclined.
- the electrolysis machine in itself is then compared to known electrolysis apparatus to modify only slightly, only the The anode and the cathode must be installed at an angle and on the edge be designed accordingly so that they are appropriate can be installed.
- the underside of the respective housing inclined to the horizontal is arranged.
- the individual housings must then face each other previously known housings are practically unchanged, they just have to be inclined to the horizontal can be built in, which automatically makes the blind-like Breakthroughs of cathode and anode in relation to the horizontal are inclined.
- a generally designated 1 electrolysis apparatus for Production of halogen gases from aqueous alkali halide solution has several, arranged side by side in a stack and plate-like in electrical contact Electrolysis cells 2, examples of which are shown in FIG. 1 two such electrolysis cells 2 arranged side by side are shown.
- Each of these electrolytic cells 2 has one Housing consisting of two half-shells 3, 4 with flange-like Edges are provided, between which by means of seals 5 a partition (membrane) 6 is clamped in each case. The clamping of the membrane 6 can, if necessary, also on others Way.
- the anode 8 or the cathode 9 each in alignment with the contact strips 7 arranged stiffeners are connected as webs 10 are formed.
- the webs 10 are preferred along its entire side edge 10A at the anode or Cathode 8, 9 attached in a metallically conductive manner.
- a suitable one is to supply the electrolysis products Device provided for the respective electrolysis cell 2, such a device is indicated by 11. Likewise is a device for every electrolysis cell Removal of the electrolysis products is provided, but this is not shown.
- the electrodes are designed such that they are the electrolysis input product or the output products 3 flow through or let flow through, for what the anode 8 and the cathode 9 are designed like blinds, i.e. each from individual blind-like electrode rods exist and exist between the blind-like openings are.
- a suction effect caused by the movement of the glass bubbles along the edge of the electrode will ensure that fresh electrolyte in the electroactive Zone between membrane 6 or diaphragm and electrode 8, 9 is taken care of, for example, in chlor-alkali electrolysis a necessary requirement for a long Membrane life is.
- the structure of the electrolysis apparatus is otherwise different not from known electrolysis devices.
- the sequence several plate-shaped electrolysis cells 2 happens in a framework, the so-called cell framework.
- the plate-shaped electrolytic cells 2 are between the hooked into the two upper longitudinal beams of the cell frame, that their plate plane is perpendicular to the side member axis stands. So that the plate-shaped electrolytic cells 2 you Transfer weight to the top flange of the side member can have them on the top edge of the plate on each Side of a cantilever-like holder.
- the holder extends horizontal in the direction of the plate level and protrudes the edges of the flanges.
- the plate-shaped electrolytic cells are attached Lower edge of the cantilever-like holder on the upper flange on.
- the plate-shaped electrolysis cells 2 hang comparatively like folders in a hanging file in the cell structure.
- the plate surfaces of the electrolysis cells stand in a cell frame in mechanical and electrical contact, as if they were be stacked.
- Electrolysers of this design are Called electrolysers in hanging stack type.
- the electrolysis cells 2 By lining up several electrolytic cells 2 in Hanging stack construction using known tensioning devices the electrolysis cells 2 via the contact strips 7 each with adjacent electrolytic cells in a stack electrically connected. From the contact strips 7 the current then flows through the half-shells over the webs 10 into the anode 8. After passing through the membrane 6 the current from the cathode 9 is taken up via the lands 10 to flow into the other half shell or the rear wall 3A and here in the contact strip 7 of the next cell convert. In this way the electrolysis current penetrates the entire electrolytic cell stack, whereby he initiated on one outer cell and on the other outer cell is derived.
- the configuration is not shown in detail in the figures of the electrolytic cells 2 in the lower area the electrolyte inlet.
- the electrolyte entry can both selectively as well as with a so-called inlet distributor respectively.
- the inlet distributor is designed so that a tube is arranged in the element, which has openings.
- the sum of the Cross-sectional area of the openings in the inlet manifold should smaller than or equal to the inner cross section of the distributor pipe his.
- the electrolysis apparatus 1 can consist of a single cell or preferably by stringing together of several electrolytic cells 2 in a hanging stack design. Are several single cells according to the hanging stack principle pressed together, the single cells be aligned plane-parallel before the jig is closed, otherwise the current transfer from one Single cell to the next not over all contact strips 7 can be done.
- the invention is not limited to that in the drawings illustrated embodiments limited. Further Refinements are possible without the basic idea leave. So can to the inclination of the blind-like Breakthroughs 8B, 9B and the electrode rods 8A, 9A of the two Electrodes 8, 9 with respect to the horizontal, as shown, the respective electrode 8, 9 obliquely in the respective electrolytic cell 2 are installed. alternative but can also be provided that the entire electrolytic cell is arranged at an angle, such that the bottom the respective housing half-shell with respect to the horizontal is inclined, so that inevitably the blind-like openings 8A, 9B are arranged inclined are and that described in relation to Figures 2 and 3 Effect.
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Description
Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseapparat zur Herstellung
von Halogengasen aus wässriger Alkalihalogenidlösung
mit mehreren nebeneinander in einem Stapel angeordneten
und in elektrischem Kontakt stehenden plattenförmigen
Elektrolysezellen, die jeweils ein Gehäuse aus zwei Halbschalen
aus elektrisch leitendem Material mit außenseitigen
Kontaktstreifen an wenigstens einer Gehäuserückwand aufweisen,
wobei das Gehäuse Einrichtungen zum Zuführen des
Elektrolysestromes und der Elektrolyseeingangsstoffe und
Einrichtungen zum Abführen des Elektrolysestroms und der
Elektrolyseprodukte und jeweils zwei im wesentlichen ebenflächige
Elektroden (Anode und Kathode) aufweist, wobei die
Anode und die Kathode mit jalousieartigen Durchbrüchen für
eine Durchströmung der Elektrolyseeingangsstoffe und der
Elektrolyseprodukte versehen und durch eine Trennwand voneinander
getrennt und parallel zueinander angeordnet sind
und mittels metallischer Versteifungen mit der jeweils zugeordneten
Rückwand des Gehäuses elektrisch leitend verbunden
sind.
Die einzelnen Elektrolysezellen werden derart hergestellt,
daß die jeweiligen Gehäuse aus jeweils zwei Halbschalen unter
Zwischenschaltung der erforderlichen Einrichtungen und
der Kathode und Anode sowie der Trennwand und durch Fixierung
derselben mittels metallischer Versteifungen zusammengesetzt
und Anode und Gehäuse bzw. Kathode und Gehäuse
elektrisch leitend aneinander befestigt werden, anschließend
die so hergestellten plattenförmigen Elektrolysezellen
nebeneinander in einem Stapel elektrisch leitend angeordnet
und gegeneinander im Stapel zwecks nachhaltiger Kontaktgabe
verspannt werden.
Der Elektrolysestrom wird dem Zellenstapel an der einen
Außenzelle des Stapels zugeführt, er durchsetzt den Zellenstapel
in im wesentlichen senkrechter Richtung zu den Mittelebenen
der plattenförmigen Elektrolysezellen und er wird
an der anderen Außenzelle des Stapels abgeführt. Bezogen
auf die Mittelebene erreicht der Elektrolysestrom mittlere
Stromdichtewerte von mindestens 4 kA/m2.
Ein solcher Elektrolyseapparat ist aus DE 196 41 125 A1 der
Anmelderin bekannt. Bei diesem bekannten Elektrolyseapparat
sind die Anode bzw. die Kathode mit der jeweiligen Rückwand
der Gehäusehälften über senkrechte, stegartige metallische
Versteifungen verbunden. Auf der Rückseite der Anoden bzw.
Kathodenhalbschale ist jeweils ein senkrechter Kontaktstreifen
für den elektrischen Kontakt zur benachbarten,
gleich aufgebauten Elektrolysezelle angebracht. Der Strom
fließt über den Kontaktstreifen durch die Rückwand in die
senkrechten, stegartigen metallischen Versteifungen und von
dort verteilt er sich ausgehend von den metallischen Kontaktstellen
(Versteifung/ Anode) über die Anode. Nachdem
der Strom durch die Trennwand (die Membran) hindurchgetreten
ist, wird er von der Kathode aufgenommen, um über die
senkrechten, stegartigen Versteifungen in die Rückwand auf
der Kathodenseite zu fließen und dann wieder in den Kontaktstreifen
und von dort in die nächste Elektrolysezelle
einzutreten. Die Verbindung der stromleitenden Bauteile
wird hierbei durch Schweißung vorgenommen. In den Schweißstellen
bündelt sich der Elektrolysestrom zu Spitzenstromdichten.
Die senkrechten, stegartigen metallischen Versteifungen
sind als mit den Kontaktstreifen fluchtende Stege ausgebildet,
deren Seitenränder über der gesamten Höhe der Rückwand
und der Anode bzw. Kathode an der Rückwand und der Anode
bzw. Kathode anliegen.
Die senkrechten Stege unterteilen den Elektrodenrückraum
innerhalb der jeweiligen Gehäusehälfte in einzelne elektrolytführende
Segmente. Damit es nicht zu einer völlig
ungleichmäßigen Konzentrationsverteilung im Elektrolyten
entlang der Tiefe der jeweiligen Gehäusehälfte kommt, ist
in jeder Gehäusehälfte unten ein Einlaufverteiler vorgesehen,
über den die Elektrolyseeingangsstoffe in die einzelnen,
von den Stegen gebildeten Segmente in den Halbschalen
einspeisbar sind.
Mittels eines derartig gestalteten Elektrolyseurs werden
gaserzeugende Elektrolyseprozesse, wie beispielsweise die
Chloralkali-Elektrolyse, die Salzsäure-Elektrolyse oder die
alkalische Wasserelektrolyse durchgeführt. Bei der Chloralkali-Elektrolyse
werden wässrige Alkalihalogenidlösungen,
zum Beispiel Natrium- und Kaliumchlorid, in der Elektrolysezelle
unter Einfluß des elektrischen Stromes in eine
wässrige Alkalilauge, zum Beispiel Natron- oder Kalilauge,
sowie in ein Halogengas, zum Beispiel Chlor und Wasserstoff
zersetzt. In der Wasserelektrolyse wird Wasser zersetzt und
Wasserstoff und Sauerstoff werden an den Elektroden gebildet.
Die räumliche Trennung der Elektrodenräume geschieht mittels
der eingangs genannten Trennwand, im allgemeinen einem
Diaphragma oder einer sogenannten Ionentauschermembran. Das
Diaphragma besteht aus einem porösen Material, das bezüglich
der in der Zelle auftretenden Medien, Temperaturen und
Drücken chemisch, thermisch und mechanisch stabil ist. Bei
der Ionentauschermembran handelt es sich im allgemeinen um
perfluorierte Kohlenwasserstoffe. Diese Membranen sind gasund
nahezu flüssigkeitsdicht, lassen aber einen Ionentransport
im elektrischen Feld zu.
Eine besondere Eigenheit dieser Elektrolyseprozesse besteht
in der Tatsache, daß das Diaphragma bzw. die Ionentauschermembran
gegen wenigstens eine der beiden Elektroden gepreßt
wird. Dies ist notwendig, weil dadurch die Trennwand fixiert
und somit mechanisch weitgehend unbelastet ist. Häufig
darf die Trennwand nur auf einer der beiden Elektroden
aufliegen, da nur auf diese Weise eine möglichst lange Lebensdauer
aller Komponenten (Elektroden und Trennwand) zu
erreichen ist. Bei direktem Kontakt der Trennwand mit beiden
Elektroden kann in einigen Fällen eine chemische Reaktion
zwischen der Trennwand und den Elektroden bzw. den an
den Elektroden entwickelten Gasen stattfinden. So wird ein
Abstand zwischen der Membran und der Kathode in der Chloralkali-Elektrolyse
etabliert, da sonst der Elektrokatalysator,
oder bei unaktivierten Nickelkathoden, Nickel aus der
Elektrode gelöst wird. Ein anderes Beispiel sind Nickeloxid-Diaphragmen,
die in der alkalischen Wasserelektrolyse
eingesetzt werden. Bei zu kleinem Abstand zur wasserstoffentwickelnden
Elektrode wird das Nickeloxid zu Nickel reduziert
und damit leitfähig, was schließlich zu einem Kurzschluß
führt.
Die Auflage der Membran bzw. des Diaphragmas auf mindestens
eine Elektrode führt dazu, daß es bei gasentwickelnden Prozessen
zu einem Gasstau in der Elektrolyt-Grenzschicht zwischen
der Elektrode und der Membran bzw. dem Diaphragma
kommt. Hiervon sind selbst die eingangs angesprochenen
Elektroden betroffen, die so gestaltet sind, daß sie von
den Elektrolyseeingangsstoffen und den Elektrolyseprodukten
durchströmbar sind. Solche Elektroden sind vorzugsweise mit
Durchbrechungen versehen (Lochblech, Streckmetall, Flechtwerk
oder dünne Bleche mit jalousieartigen Durchbrüchen),
so daß trotz ihrer flächigen Anordnung in der Elektrolysezelle
die bei der Elektrolyse in der Grenzschicht gebildeten
Gase leichter in den Rückraum der Elektrolysezelle eintreten
können.
Insbesondere in den in der Zelle nach unten orientierten
Kanten bzw. Berandungen der Durchbrüche agglomerieren die
im Elektrolyt aufsteigenden Gasblasen und bleiben dort in
den Zwickeln zwischen anliegender Trennwand (Membran) und
den Durchbrechungsrändern fest sitzen. Diese Blasen stören
den Stromtransport, d.h. den Stofftransport durch die
Trennwand, weil sie die Membranaustauschfläche blockieren
und damit unzugänglich, also inaktiv, machen.
Bei einer Elektrodengestaltung, die seitens der Anmelderin
zur Verringerung dieses Gasstaues geschaffen wurde und die
in der deutschen Patentschrift DE 44 15 146 C2 beschrieben
ist, werden die Elektroden profiliert, indem diese beispielsweise
mit Rillen und Löchern versehen werden. Auf
diese Weise kann einerseits das Gas leichter entweichen und
andererseits kann wieder frischer Elektrolyt in die elektrolytisch
aktive Grenzschicht zwischen der Elektrode und
der Membran gelangen. Bei Beaufschlagung derart profilierter
Elektroden mit Stromdichten oberhalb von 4 kA/m2 nimmt
die Gasentwicklung jedoch noch zu und die profilierte Elektrode
kommt dann an die Grenze ihrer Gasabfuhrfähigkeit.
Bei gasentwickelnden Elektrolysereaktionen kommt es, wie es
beispielsweise bei der anodischen Chlorentwicklung der
Chloralkalielektrolyse oder der anodischen Sauerstoffentwicklung
der alkalischen Wasserelektrolyse auftritt, außerdem
zu einem Separationsproblem, d.h., das entwickelte Gas
trennt sich nicht vom Elektrolyten, was zur Schaumbildung
führt. Dieses Problem führt dazu, daß die Stromdichteverteilung
insbesondere bei Stromdichten oberhalb von 4 kA/m2
inhomogen ist. Dadurch wird zum einen die Lebensdauer der
aktiven Zellenkomponenten, wie Membranen, Diaphragmen und
Elektrodenaktivierungen beschränkt. Zum anderen sind die
Elektrolyseure dadurch auch hinsichtlich der maximalen
Stromdichte auf etwa 4 kA/m2 begrenzt. Außerdem führt die
Schaumbildung zu Druckschwankungen innerhalb der elektrochemischen
Zelle, da der Schaum den Zellenaustritt für das
gebildete Gas zumindest kurzzeitig verschließt. Der Austritt
wird durch eine geringfügige Druckerhöhung innerhalb
der Zelle wieder freigeblasen, was zu dem bekannten Effekt
der Schwallströmung und zu den genannten Druckschwankungen
führt. Das ist nachteilig für den Betrieb eines Elektrolyseurs.
Weiterhin wird die Lebensdauer insbesondere von Membranen
durch die Konzentrationsverteilung beeinflußt. Je homogener
beispielsweise die Kochsalz-Konzentration im Anodenraum eines
Chloralkalielektrolyseurs ist, desto größer die Lebensdauer
der Membran. Um eine homogene Elektrolytverteilung zu
erreichen, wird entweder über extern angeordnete Pumpen eine
zusätzliche Zirkulation erzeugt, oder durch Einbau eines
Leitbleches in die Zelle eine interne Zirkulation aufgrund
eines Dichteunterschiedes hervorgerufen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Elektrolyseapparat zu
schaffen, der auch bei Stromdichten oberhalb von 4 kA/m2
und dementsprechend vermehrter Gaserzeugung in der Grenzschicht
unter Beibehaltung nachhaltiger Standzeiten der
Membran und pulsationsarm betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einem Elektrolyseapparat der eingangs
bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die jalousieartigen Durchbrüche der Anode und Kathode gegen
die Horizontale geneigt angeordnet sind.
Durch diese erfindungsgemäße Gestaltung läßt sich, wie sich
herausgestellt hat, die Gasabfuhr aus der membrannahen
Elektrolytgrenzschicht so verbessern, daß erstmals Stromdichten
von 6 bis 8 kA/m2 unter Beibehaltung nachhaltiger
Standzeiten der Membran erreicht werden. Die sich bildenden
Gasblasen rollen aufgrund der Neigung der Elektrodenstäbe
gegenüber der Horizontalen an der Unterkante der Elektrode
entlang, stoßen mit noch an der Elektrodenkante anhaftenden
Blasen zusammen und koaleszieren. Dies wiederum führt dazu,
daß die Gasblasen aufgrund des zunehmenden Volumens beschleunigt
werden, d.h. der Effekt beschleunigt sich
selbst. Gleichzeitig sinkt das in der elektroaktiven Zone
befindliche Gasvolumen, wodurch eine geringere Zellspannung
erreicht wird. Ein Sogeffekt, der durch die Bewegung der
Glasblasen entlang der Elektrodenkante hervorgerufen wird,
sorgt dafür, das Frischeelektrolyt in die elektroaktive
Zone zwischen Membran bzw. Diaphragma und Elektrode gesaugt
wird, was beispielsweise in der Chloralkalielektrolyse eine
notwendige Voraussetzung für eine lange Membranlebensdauer
ist. Darüber hinaus kommt es zu einer gerichteten Strömung,
da alle Gasblasen in eine Richtung zwangsgeführt werden.
Dadurch sinkt auf einer Seite aufgrund des zunehmenden Gasgehaltes
die Dichte des Elektrolyt-/Gasgemisches, was zu
einer internen Zirkulation führt, die verglichen mit dem
Eintreten in den Elektrolytstrom, um den Faktor 10 bis 100
größer ist. Dadurch wird eine ausgezeichnete Homogenisierung
des Elektrolyten erreicht.
Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, daß
der Neigungswinkel der jalousieartigen Durchbrüche gegenüber
der Horizontalen zwischen 7° und 10° liegt.
In konstruktiv besonders bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen,
daß die Unterseite des jeweiligen Gehäuses parallel
zur Horizontalen angeordnet und die jalousieartigen
Durchbrüche der Anode und Kathode gegen die Unterseite des
jeweiligen Gehäuses geneigt angeordnet sind. Der Elektrolyseapparat
an sich ist dann gegenüber bekannten Elektrolyseapparaten
nur geringfügig zu modifizieren, lediglich die
Anode und die Kathode müssen geneigt eingebaut und randseitig
entsprechend gestaltet werden, damit sie entsprechend
eingebaut werden können.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß die Unterseite
des jeweiligen Gehäuses gegenüber der Horizontalen geneigt
angeordnet ist. Die einzelnen Gehäuse müssen dann gegenüber
bisher bekannten Gehäusen praktisch nicht verändert werden,
sie müssen lediglich geneigt gegenüber der Horizontalen
eingebaut werden, wodurch automatisch auch die jalousieartigen
Durchbrüche von Kathode und Anode gegenüber der Horizontalen
geneigt angeordnet sind.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise
näher erläutert. Diese zeigt in
- Fig. 1
- einen Schnitt durch zwei nebeneinander angeordnete Elektrolysezellen eines Elektrolyseapparates,
- Fig. 2
- einen Ausschnitt aus Fig. 1 in perspektivischer Darstellung und in
- Fig. 3
- ebenfalls in perspektivischer Darstellung einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1.
Ein allgemein mit 1 bezeichneter Elektrolyseapparat zur
Herstellung von Halogengasen aus wässriger Alkalihalogenidlösung
weist mehrere, nebeneinander in einem Stapel angeordnete
und in elektrischem Kontakt stehende plattenförmige
Elektrolysezellen 2 auf, von denen in Fig. 1 beispielhaft
zwei solche Elektrolysezellen 2 nebeneinander angeordnet
dargestellt sind. Jede dieser Elektrolysezellen 2 weist ein
Gehäuse aus zwei Halbschalen 3, 4 auf, die mit flanschartigen
Rändern versehen sind, zwischen denen mittels Dichtungen
5 jeweils eine Trennwand (Membran) 6 eingespannt ist.
Die Einspannung der Membran 6 kann ggf. auch auf andere
Weise erfolgen.
Über der gesamten Tiefe der Gehäuserückwände 4A der jeweiligen
Elektrolysezelle 2 sind parallel zueinander eine
Mehrzahl von Kontaktstreifen 7 angeordnet, die durch
Schweißen oder dgl. an der Außenseite der betreffenden Gehäuserückwand
4A befestigt oder aufgebracht sind. Diese
Kontaktstreifen 7 stellen den elektrischen Kontakt zur benachbarten
Elektrolysezelle 2, nämlich zur betreffenden Gehäuserückwand
3A her, an welcher kein eigener Kontaktstreifen
vorgesehen ist.
Innerhalb des jeweiligen Gehäuses 3, 4 sind jeweils an die
Membran 6 angrenzend eine ebenflächige Anode 8 und eine
ebenflächige Kathode 9 vorgesehen, wobei die Anode 8 bzw.
die Kathode 9 jeweils mit fluchtend mit den Kontaktstreifen
7 angeordneten Versteifungen verbunden sind, die als Stege
10 ausgebildet sind. Dabei sind die Stege 10 vorzugsweise
entlang ihres gesamten Seitenrandes 10A an der Anode bzw.
Kathode 8, 9 metallisch leitend befestigt. Um das Zuführen
der Elektrolyseeingangsstoffe und das Abführen der Elektrolyseprodukte
zu ermöglichen, verjüngen sich die Stege 10
ausgehend von den Seitenrändern 10A über ihrer Breite bis
zum benachbarten Seitenrand 10B und weisen dort eine Höhe
auf, die der Höhe der Kontaktstreifen 7 entspricht. Sie
sind dementsprechend mit ihren beiden Rändern 10B über der
gesamten Höhe der Kontaktstreifen 7 an der den Kontaktstreifen
7 gegenüberliegenden Rückseite der Gehäuserückwand
12A bzw. 4A befestigt.
Zur Zuführung der Elektrolyseprodukte ist eine geeignete
Einrichtung für die jeweilige Elektrolysezelle 2 vorgesehen,
eine solche Einrichtung ist mit 11 angedeutet. Ebenfalls
ist in jeder Elektrolysezelle eine Einrichtung zum
Abführen der Elektrolyseprodukte vorgesehen, diese ist jedoch
nicht dargestellt.
Die Elektroden (Anode 8 und Kathode 9) sind derart gestaltet,
daß sie das Elektrolyseeingangsprodukt bzw. die Ausgangsprodukte
3 durchfließen bzw. durchströmen lassen, wozu
die Anode 8 und die Kathode 9 jalousieartig gestaltet sind,
d.h. jeweils aus einzelnen jalousieartigen Elektrodenstäben
bestehen, und zwischen den jalousieartigen Durchbrüche vorhanden
sind. Dies gilt sowohl für die Anode 8 als auch für
Kathode 9, wobei in den Figuren 2 und 3 jeweils nur eine
Elektrode 8, 9 dargestellt ist. Dort sind die einzelnen
Elektrodenstäbe mit 8A bzw. 9A bezeichnet, während die jalousieartigen
Durchbrüche mit 8B bzw. 9B bezeichnet sind.
Wesentlich für die Erfindung ist dabei, daß diese jalousieartigen
Durchbrüche 8B, 9B gegenüber der Horizontalen geneigt
angeordnet sind, vorzugsweise mit einem Winkel zwischen
7° und 10°. Dieser Winkel ist in Fig. 2 mit α bezeichnet.
Wie aus den Figuren 2 und 3 hervorgeht, ist der Rückraum
der Elektrode 8 bzw. 9 durch die vertikalen Stege 10 gekammert
(also in mehrere Kammern unterteilt). Wie sich herausgestellt
hat, führt diese Gestaltung dazu, daß die sich
bildenden Glasblasen durch die geneigte Anordnung der Elektrodenstäbe
8A, 9A an der Unterkante der Anode 8 bzw. der
Kathode 9 entlangrollen, dann mit noch an der Elektrodenkante
anhaftenden Blasen zusammentreffen und koaleszieren.
Dies führt dazu, daß die Gasblasen aufgrund des zunehmenden
Volumens beschleunigt werden, so daß sich der Effekt selbst
beschleunigt. Gleichzeitig sinkt das in der elektroaktiven
Zone befindliche Gasvolumen, wodurch eine geringere Zellspannung
erreicht wird. Ein Sogeffekt, der durch die Bewegung
der Glasblasen entlang der Elektrodenkante hervorgerufen
wird, sorgt dafür, daß frischer Elektrolyt in die elektroaktive
Zone zwischen Membran 6 bzw. Diaphragma und Elektrode
8, 9 gesorgt wird, was beispielsweise in der Chloralkalielektrolyse
eine notwendige Voraussetzung für eine lange
Membranlebensdauer ist. Darüber hinaus kommt es zu einer
gerichteten Strömung, da alle Glasblasen in eine Richtung
zwangsgeführt werden. Diese Strömung ist durch die Pfeile
in Fig. 2 angedeutet. Dadurch sinkt auf einer Seite aufgrund
des zunehmenden Gasgehaltes die Dichte des Elektrolytgasgemisches,
was zu einer internen Zirkulation führt,
die verglichen mit dem eintretenden Elektrolytstrom um den
Faktor 10 bis 100 größer ist. Dadurch wird eine ausgezeichnete
Homogenisierung des Elektrolyten erreicht.
Der Aufbau des Elektrolyseapparates unterscheidet sich ansonsten
nicht von bekannten Elektrolyseapparaten. Die Aneinanderreihung
mehrerer plattenförmiger Elektrolysezellen
2 geschieht in einem Gerüst, dem sogenannten Zellengerüst.
Die plattenförmigen Elektrolysezellen 2 werden zwischen den
beiden oberen Längsträgern des Zellengerüstes so eingehängt,
daß ihre Plattenebene senkrecht zur Längsträgerachse
steht. Damit die plattenförmigen Elektrolysezellen 2 ihr
Gewicht auf den Oberflansch des Längsträgers übertragen
können, besitzen sie an der oberen Plattenkante auf jeder
Seite einen kragarmartigen Halter. Der Halter erstreckt
sich horizontal in Richtung der Plattenebene und ragt über
die Berandung der Flansche hinaus. Bei den in das Gerüst
eingehängten plattenförmigen Elektrolysezellen liegt die
Unterkante des kragarmartigen Halters auf dem Oberflansch
auf.
Die plattenförmigen Elektrolysezellen 2 hängen vergleichsweise
wie Ordner in einer Hängekartei im Zellengerüst. Im
Zellengerüst stehen die Plattenflächen der Elektrolysezellen
in mechanischem und elektrischem Kontakt, so als ob sie
gestapelt werden. Elektrolyseure dieser Bauform werden
Elektrolyseure in Hängestapelbauart genannt.
Durch Aneinanderreihung von mehreren Elektrolysezellen 2 in
Hängestapelbauweise mittels bekannter Spanneinrichtungen
werden die Elektrolysezellen 2 über die Kontaktstreifen 7
jeweils mit benachbarten Elektrolysezellen in einem Stapel
elektrisch leitend verbunden. Von den Kontaktstreifen 7
fließt der Strom dann durch die Halbschalen über die Stege
10 in die Anode 8. Nach Durchtritt durch die Membran 6 wird
der Strom von der Kathode 9 aufgenommen, um über die Stege
10 in die andere Halbschale bzw. deren Rückwand 3A zu fließen
und hier in den Kontaktstreifen 7 der nächsten Zelle
überzutreten. Auf diese Art und Weise durchsetzt der Elektrolysestrom
den gesamten Elektrolysezellenstapel, wobei er
an der einen Außenzelle eingeleitet und an der anderen Außenzelle
abgeleitet wird.
In den Figuren nicht im einzelnen dargestellt ist die Ausgestaltung
der Elektrolysezellen 2 im unteren Bereich mit
dem Elektrolyteintritt. Der Elektrolyteintritt kann sowohl
punktuell als auch mit einem sogenannten Einlaufverteiler
erfolgen. Der Einlaufverteiler ist dabei so gestaltet, daß
ein Rohr im Element angeordnet ist, das über Öffnungen verfügt.
Da eine Halbschale durch die Stege 10, die die Verbindung
zwischen den Rückwänden 3A bzw. 4A und den Elektroden
8, 9 darstellen, segmentiert ist, erreicht man eine
optimale Konzentrationsverteilung, wenn beide Halbschalen
3, 4 mit einem Einlaufverteiler ausgestattet sind, wobei
die Länge des in der Halbschale angeordneten Einlaufverteilers
der Breite der Halbschale entspricht und jedes Segment
durch mindestens eine Öffnung im Einlaufverteiler mit
dem jeweiligen Elektrolyt versorgt wird. Die Summe der
Querschnittsfläche der Öffnungen im Einlaufverteiler sollte
dabei kleiner oder gleich dem Rohrinnenquerschnitt des Verteilerrohres
sein.
Wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, werden die beiden Halbschalen
3, 4 im Flanschbereich mit Flanschen versehen, die verschraubt
sind. Die so aufgebauten Zellen werden in ein
nicht dargestelltes Zellengerüst entweder eingehängt oder
gestellt. Das Einhängen oder Einstellen in das Zellengerüst
erfolgt über nicht dargestellte, an den Flanschen befindliche
Haltevorrichtungen. Der Elektrolyseapparat 1 kann aus
einer einzelnen Zelle bestehen oder vorzugsweise durch Aneinanderreihung
von mehreren Elektrolysezellen 2 in Hängestapelbauart.
Werden mehrere Einzelzellen nach dem Hängestapelprinzip
zusammengepreßt, müssen die Einzelzellen
planparallel ausgerichtet werden, bevor die Spannvorrichtung
geschlossen wird, da sonst der Stromübergang von einer
Einzelzelle zur nächsten nicht über alle Kontaktstreifen 7
erfolgen kann. Um die Zellen nach dem Einhängen oder Einstellen
in das Zellengerüst parallel ausrichten zu können,
ist es notwendig, daß sich die im Leerzustand üblicherweise
etwa 210 kg schweren Elemente leicht bewegen lassen. Um
diese Voraussetzung zu erfüllen, sind die nicht dargestellten
Halterungen bzw. am Zellenrahmen und Zellengerüst befindliche
Auflageflächen mit zugeordneten Beschichtungen
versehen. Dabei sind die am Elementflanschrahmen befindlichen
Halterungen mit einem Kunststoff, z.B. PE, PP, PVC,
PFA, FEP, E/TFE, PVIF oder PTFE, unterfüttert, während die
Auflageflächen am Zellengerüst ebenfalls mit einem dieser
Kunststoffe beschichtet ist. Der Kunststoff kann dabei nur
aufgelegt oder über eine Nut geführt, aufgeklebt, aufgeschweißt
oder aufgeschraubt sein. Wesentlich ist lediglich,
daß die Kunststoffauflage fixiert ist. Dadurch, daß sich
zwei Kunststofflächen berühren, sind die im Gerüst befindlichen
Einzelelemente so leicht beweglich, daß diese ohne
zusätzliche Hebe- bzw. Schiebevorrichtung per Hand parallel
ausgerichtet werden können. Beim Schließen der Spannvorrichtung
legen sich die Elemente aufgrund ihrer im Zellengerüst
leichten Verschiebbarkeit über die gesamte Rückwand
flächig an, was die Voraussetzung für eine gleichmäßige
Stromverteilung ist. Darüber hinaus ist auf diese Weise die
Zelle gegenüber dem Zellengerüst elektrisch isoliert.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die in den Zeichnungen
dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Weitere
Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Grundgedanken zu
verlassen. So kann, um die Neigung der jalousieartigen
Durchbrüche 8B, 9B bzw. der Elektrodenstäbe 8A, 9A der beiden
Elektroden 8, 9 gegenüber der Horizontalen, wie dargestellt,
die jeweilige Elektrode 8, 9 entsprechend schräg in
die jeweilige Elektrolysezelle 2 eingebaut werden. Alternativ
kann aber auch vorgesehen sein, daß die gesamte Elektrolysezelle
schräg angeordnet wird, derart, daß die Unterseite
der jeweiligen Gehäusehalbschale gegenüber der Horizontalen
geneigt angeordnet ist, so daß zwangsläufig auch
die jalousieartigen Durchbrüche 8A, 9B geneigt angeordnet
sind und sich der in bezug auf die Figuren 2 und 3 beschriebene
Effekt einstellt.
Claims (4)
- Elektrolyseapparat zur Herstellung von Halogengasen aus wässriger Alkalihalogenidlösung mit mehreren nebeneinander in einem Stapel angeordneten und in elektrischem Kontakt stehenden plattenförmigen Elektrolysezellen, die jeweils ein Gehäuse aus zwei Halbschalen aus elektrisch leitendem Material mit außenseitigen Kontaktstreifen an wenigstens einer Gehäuserückwand aufweisen, wobei das Gehäuse Einrichtungen zum Zuführen des Elektrolysestromes und der Elektrolyseeingangsstoffe und Einrichtungen zum Abführen des Elektrolysestroms und der Elektrolyseprodukte und jeweils zwei im wesentlichen ebenflächige Elektroden (Anode und Kathode) aufweist, wobei die Anode und die Kathode mit jalousieartigen Durchbrüchen für eine Durchströmung der Elektrolyseeingangsstoffe und der Elektrolyseprodukte versehen und durch eine Trennwand voneinander getrennt und parallel zueinander angeordnet sind und mittels metallischer Versteifungen mit der jeweils zugeordneten Rückwand des Gehäuses elektrisch leitend verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die jalousieartigen Durchbrüche (8B,9B) der Anode (8) und Kathode (9) gegen die Horizontale geneigt angeordnet sind. - Elektrolyseapparat nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel der jalousieartigen Durchbrüche (8B,9B) gegenüber der Horizontalen zwischen 7° und 10° liegt. - Elektrolyseapparat nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite des jeweiligen Gehäuses (3,4) parallel zur Horizontalen angeordnet und die jalousieartigen Durchbrüche (8B,9B) der Anode (8) und Kathode (9) gegen die Unterseite des jeweiligen Gehäuses (3,4) geneigt angeordnet sind. - Elektrolyseapparat nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite des jeweiligen Gehäuses (3,4) gegen die Horizontale geneigt angeordnet ist.
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