EP3688206B1

EP3688206B1 - Elektrolysevorrichtung

Info

Publication number: EP3688206B1
Application number: EP18786231.3A
Authority: EP
Inventors: Dmitri Donst; Philipp Hofmann; Dirk Hoormann; Gregor Damian POLCYN; Peter Woltering; Alessandro FIORUCCI; Federico Fulvio; Michele Perego
Original assignee: ThyssenKrupp Uhde Chlorine Engineers GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Nucera AG and Co KGaA
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2021-08-04
Anticipated expiration: 2038-09-27
Also published as: KR102376799B1; DE102017217361A1; TWI686511B; JP2020535314A; US11608561B2; WO2019063659A1; JP7055864B2; CA3074795A1; EP3688206A1; TW201920772A; CN111279017B; EA202090574A1; CA3074795C; KR20200080230A; US20230220563A1; US20200283919A1; CN111279017A; EA038689B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysevorrichtung zum elektrolytischen Behandeln von Flüssigkeiten mit einer Anodenkammer und einer Kathodenkammer, die über eine lonenaustauschermembran voneinander getrennt sind, wobei die Kammern mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung für den strömenden Elektrolyten und mit je einer Elektrode ausgerüstet sind und wobei der Innenraum der Anodenkammer und/oder der Kathodenkammer durch sich quer zu den Elektroden erstreckende Stege oder Rippen unterteilt ist, wobei die Stege oder Rippen mindestens bereichsweise mit Löchern oder Aussparungen versehen sind.
Für eine einwandfreie Funktion des Elektrolysevorgangs im Inneren der Elektrodenkammern ist eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Elektrolyten über die gesamte Kammerhöhe und Kammerbreite erforderlich, weshalb eine gute Flüssigkeitsdurchmischung in den beiden Elektrolysekammern anzustreben ist. Diese Flüssigkeitsdurchmischung ist bei Chloralkalizellen besonders in den Anolytkammern (Anodenkammern) wichtig, da die lonenaustauschermembranen nur in einem verhältnismäßig engen Bereich von Chloridkonzentration, Temperatur und pH-Wert optimal arbeiten. Es ist nicht auszuschließen, dass in strömungsmäßig ungünstig gelegenen Bereichen der Anodenkammer durch Stagnation des Anolyten eine Chloridverarmung auftritt, die zu lokalen Membranschädigungen führen kann.
In der Anolytkammer tritt durch die Auftriebswirkung des Chlorgases eine gewisse natürliche Durchmischung in vertikaler Richtung ein. Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in der Anolytkammer in horizontaler Richtung ist niedrig und daher ist auch die natürliche Durchmischung in horizontaler Richtung sehr gering. Außerdem haben die im Elektrolyten aufsteigenden Gasblasen die Neigung, sich im oberen Bereich zu einer geschlossenen Schaumschicht zu vereinigen. Diese Schaumbildung ist umso größer, je größer die Zellenbelastung und je höher die Zelle ist. Da der elektrische Widerstand im Schaum größer ist als im übrigen Elektrolyten, wird dadurch die Stromverteilung über die Membranfläche und damit die Membranbelastung ungleichmäßig.
Aus der DE 42 24 492 C1 ist eine Elektrolysevorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen bekannt, bei der eine bessere Flüssigkeitsdurchmischung in den beiden Elektrolysekammern angestrebt wird. Zur Ausbildung einer definierten Vermischungsströmung in jeder Anoden- und/oder Kathodenkammer wenigstens ein bereichsweise umströmtes Trennelement in Form einer Trennplatte vorzusehen, welche mit Strömungsleitstegen ausgerüstet ist. Die an den Elektroden entstehenden Gasblasen werden quasi als Förderhilfsmittel eingesetzt, indem die Verteilung der Gasblasen über den gesamten Kammerraum verhindert wird. Durch die nur auf einer Seite der Trennplatte im Bereich der Elektrode entstehenden Gasblasen wird eine nach oben gerichtete Strömung erzeugt. Da das Trennelement umspülbar ausgebildet ist, ergibt sich eine natürliche vertikale Zirkulation in den Kammern.
In der EP 0 220 659 B1 wird eine Elektrolysevorrichtung des bipolaren Typs beschrieben, die mehrere bipolare Einheitszellen in Serie angeordnet enthält, wobei jede Zelle aus einem anodenseitigen muldenförmigen Körper und einem kathodenseitigen muldenförmigen Körper aufgebaut ist, die jeweils einen hakenförmigen Flansch, eine Rahmenwand und eine Trennwand umfassen, wobei Anode und Kathode jeweils über elektrisch leitfähige Rippen (Stege) an die Trennwand angeschweißt sind. Jede dieser leitfähigen Rippen ist über ihre gesamte Höhe mit in Abständen zueinander angeordneten Löchern versehen, um einen Durchgang des Elektrolyten und des Elektrolyseprodukts durch die Rippen hindurch zu ermöglichen.
Bei Elektrolysevorrichtungen der zuvor genannten Art liegt die Membran zumeist jeweils sehr dicht an den Elektroden. Die zwischen den Elektroden und in Querrichtung zu diesen verlaufenden Rippen oder Stege unterteilen den Innenraum der Elektrolysevorrichtung in mehrere Kompartments (auch als Kompartimente bezeichnet). Wenn man massive Rippen oder Stege verwendet, kann es zu einer nicht ausreichenden Soleversorgung der Membran kommen, die bei Verwendung von planen Anoden zu Blisterbildung an der Membran führt.
Wenn man andererseits jedoch Stege mit Aussparungen oder Löchern über die gesamte Höhe der Stege versieht, wie dies in der oben zitierten EP 0 220 659 B1 vorgeschlagen wird, um so eine bessere Längsdurchmischung in der gesamten Zellkammer zu erreichen, hat dies den Nachteil, dass der erwünschte Mammutpumpeneffekt in dem einzelnen Kompartiment der Zellkammer nicht mehr gegeben ist. Unter dem Begriff "Mammutpumpeneffekt" versteht man das von Carl Immanuel Löscher beschriebene Phänomen, dass durch in eine Flüssigkeit unter dem Flüssigkeitspegel eingebrachte Gasblasen sich der Flüssigkeitsspiegel um ein gewisses Maß anheben lässt. Dieser Effekt wird in den so genannten Mammutpumpen zum Fördern von Flüssigkeiten genutzt. Da bei der Elektrolyse im Elektrolyten Gasblasen entstehen, die dann in der Flüssigkeit nach oben steigen, tritt hier der Mammutpumpeneffekt auf, durch den man eine vertikale Durchmischung des Elektrolyten erzielt, die in gewissem Maße bei einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung erwünscht ist.
Aus der DE 696 07 197 T2 ist eine Elektrodenanordnung für einen Elektrolyseur der Filterpressenbauart bekannt, bei der Anoden-Abstandshalter und Kathodenabstandshalter verwendet werden, die sich in Querrichtung zu den flächigen Elektroden erstecken. Ein Z-förmiger Abstandshalter wird auch als oberer Abstandshalter bezeichnet, während sich unterhalb von diesem U-förmige oder C-förmige Abstandshalter befinden. Diese Z-förmigen oder U-förmigen Abstandhalter sind jedoch in der Elektrolysezelle horizontal angeordnet sind, das heißt sie verlaufen quer zur Höhenrichtung der Elektrolysezelle. Die Abstandshalter weisen unterschiedlich große kreisförmige oder auch ovale Perforationen auf. Diese Perforationen dienen der Vertikaldurchmischung des Elektrolyten, wobei durch die größeren Perforationen die Gasströmung des im Elektrolyten aufsteigenden Gases verbessert werden soll. Eine Unterteilung der Elektrolysezelle in Längsrichtung, das heißt in Richtung der Längserstreckung der Abstandshalter ist hier nicht vorgesehen.
In der DE 199 54 247 A1 wird eine Elektrolysezelle mit Gasdiffusionselektrode beschrieben, bei der die Zelle durch horizontal verlaufende Stege in mehrere übereinander liegende Räume unterteilt wird, so dass das Gas mäanderförmig den Gasraum von unten nach oben hin durchströmt und dabei in den einzelnen Räumen jeweils horizontal strömt. Eine weitere Unterteilung der Elektrolysezelle durch vertikal in Höhenrichtung verlaufende Stege ist hier nicht vorgesehen.
Die US 5,693,202 A beschreibt ebenfalls eine elektrochemische Zelle mit einer lonenaustauschermembran, bei der eine untere Einlassöffnung und eine obere Auslassöffnung vorgesehen ist. In der Zelle verlaufen in Querrichtung zu den Elektroden sich in horizontaler Richtung erstreckende Verbindungselemente, die die Zelle in mehrere übereinander liegende Kammern unterteilen und in denen eine Mehrzahl regelmäßig angeordneter Öffnungen vorgesehen ist, die dazu dienen, den Gasdurchtritt in Höhenrichtung der Elektrolysezelle zu ermöglichen. Es ist eine Vertikaldurchmischung des Elektrolyten vorgesehen, wohingegen eine weitere Unterteilung der Zelle durch vertikal verlaufende Stege nicht ersichtlich ist.
Aus DE 10 2004 014 969 A1 ist eine Elektrolysezelle bekannt, wobei die Elektroden mittels Rippen an den Halbschalen befestigt sind. Dabei sind zwischen den Rippen flache Streifen angeordnet, die den Elektrolytraum in einen aufsteigenden Strom von Gas/Elektrolyt und einen absteigenden entgasten Strom aufteilen. Die Rippen sind mit Öffnungen versehen, welche die Quervermischung des Elektrolyten ermöglichen. Diese Öffnungen sind, je nach Anordnung der flachen oder gefalteten Streifen frei, völlig verdeckt oder teilweise in vertikaler Richtung verdeckt, wobei die Rippen in Höhenrichtung gesehen keinen mindestens einen unteren Bereich aufweisen, in dem zur Erhaltung des Mammutpumpeneffekts die Rippen frei von Öffnungen sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Elektrolysevorrichtung mit den Merkmalen der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, bei der einerseits eine ausreichende Durchmischung in Längsrichtung gegeben ist, aber zugleich auch der Mammutpumpeneffekt erhalten bleibt.
Die Lösung der vorgenannten Aufgabe liefert eine Elektrolysevorrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden an dieser Stelle die geometrischen Verhältnisse in einer Elektrolysezelle des erfindungsgemäßen Typs definiert. Die Elektrolysezelle hat eine Ausdehnung in drei zueinander jeweils orthogonal stehenden Raumrichtungen. Als Längsrichtung wird diejenige Raumrichtung definiert, in der die Elektrolysezelle in der Regel ihre größte Ausdehnung hat. Die flächig ausgebildeten Elektroden erstrecken sich in dieser Längsrichtung und in Höhenrichtung. Als Querrichtung wird hierin die Richtung der Normalen zur Fläche der Elektroden bezeichnet. Gasblasen steigen in der Elektrolysezelle entgegen der Schwerkraft von unten nach oben hin auf. Diese Richtung von unten nach oben hin wird hierin als Höhenrichtung bezeichnet.
Die herkömmliche auch im Stand der Technik vorhandene Durchmischung des Elektrolyten in Höhenrichtung wird in der vorliegenden Anmeldung als Vertikaldurchmischung bezeichnet. Davon zu unterscheiden ist die Durchmischung des Elektrolyten in Längsrichtung der Elektrolysezelle, zu deren Zweck die erfindungsgemäß vorgesehenen vertikalen Stege Löcher oder Aussparungen aufweisen, durch die der Elektrolyt hindurchströmen kann. Diese Stege verlaufen somit in Höhenrichtung der Elektrolysezelle gemäß der obigen Definition oder im Wesentlichen in vertikaler Richtung, wobei sie sich außerdem in Querrichtung der Elektrolysezelle, das heißt quer zu den flächigen Elektroden erstrecken. Somit wird durch diese Stege eine Unterteilung der Elektrolysezelle in ihrer Längsrichtung in mehrere Kompartments geschaffen. Die Strömung des Elektrolyten durch Löcher oder Aussparungen in diesen Stegen hindurch ist somit im Wesentlichen eine Strömung in Längsrichtung der Elektrolysezelle und wird hierin auch als Horizontaldurchmischung bezeichnet.
Die hierin verwendeten Bezeichnungen "unten" bzw. "oben" beziehen sich auf die Erstreckung der Elektrolysezelle in Höhenrichtung. Somit bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass sich ein "oberer" Bereich in Höhenrichtung der Elektrolysezelle gesehen weiter oben befindet als ein "unterer" Bereich.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Stege oder Rippen sich in Höhenrichtung der Elektrolysevorrichtung erstrecken und in Höhenrichtung gesehen mindestens einen unteren Bereich aufweisen, in dem sie frei von Löchern oder Aussparungen sind, das heißt, dass dort keine Löcher oder Aussparungen vorgesehen sind. Dadurch, dass im unteren Bereich die Stege oder Rippen massiv sind und keine Löcher oder Aussparungen aufweisen, ist dort der ungehinderte Mammutpumpeneffekt gewährleistet. Im unteren Bereich können somit die bei der Elektrolyse entstehenden Gasblasen in dem durch den Steg abgetrennten Kompartment der Elektrolysezelle ungehindert nach oben hin aufsteigen. Es überwiegt in diesem unteren Bereich die Vertikalströmung und es besteht hier keine wesentliche Längsdurchmischung des Elektrolysemediums. Im oberen Bereich der Stege oder Rippen befinden sich hingegen erfindungsgemäß Löcher oder Aussparungen. In diesem oberen Bereich bildet sich durch die aufsteigenden Gasblasen eine Schaumphase des Elektrolysemediums aus und hier ist daher eine Längsdurchmischung erwünscht. Diese Längsdurchmischung wird durch die Löcher oder Aussparungen in den Stegen oder Rippen erreicht, die eine Durchströmung des Elektrolysemediums in das benachbarte Kompartiment der Elektrolysezelle zulassen.
Die Richtung, in der sich die Elektroden erstrecken, wird in der vorliegenden Anmeldung als Längsrichtung der Elektrolysevorrichtung verstanden. Wenn somit hierin davon die Rede ist, dass sich die Stege oder Rippen quer zu den Elektroden erstrecken, dann ist damit gemeint, die Stege oder Rippen erstrecken sich im Wesentlichen in Querrichtung der Elektrolysevorrichtung und bevorzugt etwa im rechten Winkel zu den Elektroden. Die beiden Elektrolysekammern weisen in der Regel jeweils einen etwa quaderförmigen Innenraum auf, welcher den Elektrolyten aufnimmt. Die Stege oder Rippen verlaufen somit im Sinne der obigen Definitionen in der Elektrolysezelle im Wesentlichen in vertikaler Richtung und in Querrichtung. Die auch bei herkömmlichen Elektrolysezellen vorgesehene Vertikaldurchmischung entspricht einer Strömung des Elektrolyten im Wesentlichen parallel zu den Stegen oder Rippen, das heißt einer Strömung in Höhenrichtung der Elektrolysezelle in den einzelnen Kompartments zwischen jeweils zwei Stegen oder Rippen. Bei der in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Längsdurchmischung erfolgt hingegen eine Strömung des Elektrolyten durch die Löcher eines Steges hindurch in einer im Wesentlichen horizontalen Strömung, so dass der Elektrolyt durch Löcher eines Stegs von einem Kompartment in ein benachbartes Kompartment strömt. Die Längsdurchmischung erfolgt somit in einer im Wesentlichen horizontalen Strömungsrichtung, die grundsätzlich orthogonal zu der Vertikaldurchmischung in Höhenrichtung ausgerichtet ist, das heißt orthogonal oder zumindest quer zu den im Elektrolyten aufsteigenden Gasblasen.
Der hierin verwendete Begriff "Löcher" beinhaltet keine Einschränkung auf eine bestimmte Umrissform. Die Löcher können beispielsweise einen runden, ovalen, länglichen oder eckigen Umriss aufweisen. Der hierin verwendete Begriff "Aussparungen" umfasst zum einen durchgehende Löcher mit beliebiger Umrissform, die allseits von dem Material eines Stegs umgeben sind, sowie aber auch Durchbrechungen des Materials, die einen Durchtritt des Elektrolysemediums erlauben, aber nicht allseits von dem Material eines Stegs umgeben sind, das heißt, sie können auch gegebenenfalls an einer oder mehreren Stellen ihres Umfangs offen sein.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Stege oder Rippen kombiniert man somit in vorteilhafter Weise zwei Effekte miteinander. Zum einen erhält man den Mammutpumpeneffekt im unteren Bereich der Stege (der zu einer Querdurchmischung führt) und zum anderen erzielt man dennoch eine Längsdurchmischung im oberen Bereich der Stege. Dadurch wird eine optimale Vermischung des Zulaufs und Sole-Antransports an der Anode über die gesamte Zellhöhe durch den Mammutpumpeneffekt gewährleistet und gleichzeitig wird ein optimaler Sole-Antransport an der Anode über die Zellbreite durch die Löcher oder Aussparungen in den Stegen in der oberen Schaumphase erreicht. Auf diese Weise verhindert man Schäden an der Membran, die sonst durch deren Unterversorgung mit NaCl entstehen, wenn beispielsweise in der Elektrolysezelle eine Chloralkali-Elektrolyse durchgeführt wird. Bei einer solchen Unterversorgung der Membran mit Sole wird die Bildung von Blistern an der Membran begünstigt, was sich insbesondere beim Betrieb mit permanent hohen Stromdichten beobachten lässt.
Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sieht vor, dass die Stege oder Rippen mindestens einen in Höhenrichtung der Elektrolysezelle gesehen oberen Bereich mit Löchern oder Aussparungen aufweisen. Durch diese Löcher oder Aussparungen in oberen Bereich der Stege oder Rippen ist dort eine Längsdurchmischung möglich. Dort bildet sich durch die aufsteigenden Gasblasen eine Schaumphase aus, in deren Bereich eine Längsdurchmischung des Elektrolyten vorteilhaft ist.
Vorzugsweise erstreckt sich der untere Bereich, in dem die Stege oder Rippen keine Löcher oder Aussparungen aufweisen, mindestens etwa über die untere Hälfte der gesamten Höhe der Stege oder Rippen, insbesondere mindestens über die untere Hälfte der gesamten Höhe der Stege oder Rippen.
Das Ende des unteren Bereichs hängt natürlich ab von den individuellen Verhältnissen in der jeweiligen Elektrolysezelle. Es kann beispielsweise empirisch ermittelt werden, bis zu welcher Höhe der Stege der Mammutpumpeneffekt erwünscht ist und eine Längsdurchmischung unterbunden werden soll und in welcher Höhe jeweils die Schaumphase beginnt. Versuche haben ergeben, dass es in der Regel vorteilhaft ist, mindestens etwa die untere Hälfte der Stege oder Rippen, insbesondere mindestens die untere Hälfte der Stege oder Rippen, massiv, d.h. ohne Löcher oder Aussparungen auszubilden. Der Bereich, in dem die Löcher beginnen, kann somit im Einzelfall beispielsweise in Abhängigkeit von den Parametern der Elektrolysezelle, von der Art des jeweils verwendeten Elektrolyten und von den Bedingungen, bei denen elektrolysiert wird, wie beispielsweise Temperatur, pH-Wert, Stromdichte etc. variieren.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass sich der untere Bereich, in dem die Stege oder Rippen keine Löcher oder Aussparungen aufweisen, mindestens etwa über die unteren beiden Drittel, insbesondere über die unteren beiden Drittel, der gesamten Höhe der Stege oder Rippen erstreckt. Bei dieser möglichen Variante erstreckt sich somit der Bereich, in dem die Stege oder Rippen massiv ausgebildet sind, über die Mitte der Stege oder Rippen nach oben hin hinaus, während nur etwa im oberen Drittel, insbesondere im oberen Drittel, dort wo sich die Schaumphase ausbildet, Löcher oder Aussparungen vorgesehen sind.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der obere Bereich, in dem die Stege oder Rippen Löcher oder Aussparungen aufweisen, mindestens etwa über das obere Viertel, insbesondere über das obere Viertel, der gesamten Höhe der Stege oder Rippen erstreckt. Bei dieser möglichen Variante erstreckt sich somit der Bereich, in dem die Stege oder Rippen massiv ausgebildet sind, weiter nach oben hin, während jedoch mindestens etwa im oberen Viertel, insbesondere im oberen Viertel, dort, wo sich die Schaumphase ausbildet, Löcher oder Aussparungen vorgesehen sind.
Besonders bevorzugt erstreckt sich der obere Bereich, in dem die Stege oder Rippen Löcher oder Aussparungen aufweisen, mindestens etwa über das obere Drittel der gesamten Höhe der Stege oder Rippen, insbesondere mindestens über das obere Drittel der gesamten Höhe der Stege oder Rippen.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Stege oder Rippen in dem mindestens einen oberen Bereich mehrere durch massive Bereiche in Höhenrichtung der Stege oder Rippen voneinander beabstandete Löcher oder Aussparungen aufweisen.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung sieht vor, dass die Stege oder Rippen in dem mindestens einen oberen Bereich im Umriss mindestens teilweise etwa runde Löcher aufweisen. Nur beispielhaft sei an dieser Stelle die Form eines Schlüssellochs genannt. Jedoch sind im Prinzip auch beliebige andere Umrissformen für die Löcher oder Aussparungen denkbar. Es können beispielsweise auch Löcher oder Aussparungen mit unterschiedlichen Umrissformen und in verschiedenen Größen vorgesehen sein, beispielsweise abhängig davon, wie stark der Effekt der Längsdurchmischung erwünscht ist und wie viel Volumen an Elektrolyt pro Zeiteinheit durch die Löcher oder Aussparungen jeweils in das benachbarte Kompartment strömen soll.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Stege oder Rippen in dem mindestens einen oberen Bereich mehrere Löcher oder Aussparungen aufweisen, die untereinander, in Richtung der Höhe der Stege oder Rippen gesehen, unterschiedliche Abstände aufweisen. Dies bietet eine weitere Möglichkeit, den Effekt der Durchmischung in Längsrichtung zu variieren, indem man zwar Löcher oder Aussparungen von in etwa jeweils gleicher Größe verwendet, deren Abstände untereinander aber über die Höhe der Stege oder Rippen variiert, so dass bei dichter angeordneten Löchern oder Aussparungen größere Gesamtflächen an Löchern pro Flächeneinheit der Stege gegeben sind. Einen ähnlichen Effekt kann man natürlich auch erzielen, wenn man unterschiedlich große Löcher oder Aussparungen verwendet. Jedoch besteht aufgrund der Breite der Stege oder Rippen schon aus Gründen der mechanischen Stabilität der Stege eine Obergrenze für den Durchmesser oder die Breite der Löcher oder Aussparungen, so dass man in diesem Fall größere Lochflächen für die Längsdurchmischung über eine Anordnung der Löcher in dichteren Abständen erzielen kann.
Beispielsweise können die Löcher oder Aussparungen in den Stegen oder Rippen in einem ersten unteren Abschnitt des oberen Bereichs in geringeren Abständen zueinander angeordnet sind als in einem sich daran nach oben hin anschließenden zweiten Abschnitt des oberen Bereichs.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Löcher oder Aussparungen eine gewisse Mindestgröße aufweisen, um den gewünschten Effekt der Durchmischung zu erreichen. Vorzugsweise beträgt daher der freie Querschnitt wenigstens eines Loches oder einer Aussparung wenigstens etwa 10 mm², besonders bevorzugt wenigstens etwa 15 mm². Vorzugsweise beträgt der freie Querschnitt aller Löcher oder Aussparungen insgesamt wenigstens etwa 300 mm² und die einzelnen Löcher weisen die vorgenannten Mindestquerschnitte auf, wobei dies auch davon abhängt, wie viele Löcher oder Aussparungen insgesamt vorgesehen sind und welchen Abstand diese jeweils untereinander aufweisen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur elektrolytischen Behandlung eines fließfähigen Mediums in einer Elektrolysevorrichtung mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 10.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren eine Chloralkali-Elektrolyse. Elektrolysevorrichtungen der hierin beschriebenen Art eignen sich für die Chloralkali-Elektrolyse in besonderer Weise. Jedoch können die erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtungen auch für andere Elektrolyseprozesse eingesetzt werden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Figur 1 eine schematisch vereinfachte Ansicht eines Querschnitts durch eine beispielhafte erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsvariante;
Figur 2 eine Ansicht einer beispielhaften erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung;
Figur 3 eine Schnittansicht in Längsrichtung der in Figur 2 dargestellten Elektrolysevorrichtung;
Figur 4 eine Schnittansicht in Querrichtung der in Figur 2 dargestellten Elektrolysevorrichtung;
Figur 5 eine Detailansicht eines einzelnen Stegs mit den Löchern für die Längsdurchmischung des Elektrolyten.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figur 1 der grundsätzliche Aufbau einer Elektrolysevorrichtung dieses Typs näher erläutert. In der Regel umfasst eine Elektrolysezelle 10 jeweils ein Gehäuse mit zwei Halbschalen, nämlich einer Kathodenhalbschale 11 und einer Anodenhalbschale 12, die jeweils oben und unten mit flanschartigen Rändern versehen sind, zwischen denen mittels Dichtungen jeweils eine Membran 13 eingespannt ist. Diese Membran 13 bildet eine Trennwand zwischen Kathodenhalbschale 11 (entspricht der Kathodenkammer oder Katholytkammer) und Anodenhalbschale 12 (entspricht der Anodenkammer oder Anolytkammer). Jeweils im Bereich ihrer flanschartigen Ränder sind Kathodenhalbschale 11 und Anodenhalbschale oben und unten über in Querrichtung ausgerichtete Schrauben 14 miteinander zu einer Elektrolysezelle 10 verbunden. Im unteren Bereich erstreckt sich in jeder der beiden Halbschalen 11, 12 in Längsrichtung der Elektrolysezelle jeweils ein Einlassverteilerrohr 15, 16 für Elektrolytlösung und verbrauchter Elektrolyt wird über ein Auslassrohr 17 aus der Elektrolysezelle abgeführt. Anode und Kathode erstrecken sich jeweils nahe an der Membran flächig in vertikaler Richtung in der jeweiligen Halbschale.
Wie man in Figur 1 erkennt, ist im oberen Bereich in der Anodenhalbschale ein schräg ausgerichtetes Leitblech 18 vorhanden, so dass auf der der Anode zugewandten Seite dieses Leitblechs 18 gasbeladene Flüssigkeit in Richtung der Pfeile aufsteigt und auf der Rückseite des Leitblechs die weniger oder gar nicht gasbeladene Flüssigkeit absinkt. Dadurch ergibt sich eine Zirkulation des Anolyten im unteren Bereich, der zu einer vertikalen Durchmischung führt. Diese Zirkulation gleicht die Konzentrationsunterschiede an Elektrolyt (zum Beispiel NaCl) zwischen Zulauf und Flüssigkeit in der Zelle aus.
In der Ansicht einer Elektrolysezelle gemäß Figur 2 erkennt man die beiden Einlassverteilerrohre 15, 16 für die beiden Halbschalen sowie die jeweils einer Halbschale zugeordneten Auslassrohre 17. Weiterhin sieht man in Figur 2 den umlaufenden Rahmen 19, in dessen Bereich die flanschartigen Ränder der beiden Halbschalen miteinander verschraubt sind.
In Figur 3 ist die in Figur 2 dargestellte Elektrolysezelle in Längsrichtung aufgeschnitten dargestellt. Hier kann man erkennen, dass bei Elektrolysezellen dieses Typs der Rückraum der beiden Elektroden in beiden Halbschalen jeweils durch in etwa vertikaler Richtung und in Querrichtung verlaufende Stege 20 in einzelne Kompartments unterteilt ist. Diese Stege dienen auch zur Aussteifung und Abstützung von Kathode und Anode. In der Querschnittansicht gemäß Figur 4 kann man in der Zeichnung links einen dieser Stege 20 gut erkennen. Man sieht, dass der Steg 20 im oberen Bereich mit Löchern 24 versehen ist, über die eine Längsdurchmischung des Elektrolyten erfolgt. Weitere Details bezüglich der Ausbildung und Funktion dieser Stege 20 werden nachfolgend anhand der Einzelteilzeichnung gemäß Figur 5 näher erläutert.
Die Darstellung gemäß Figur 5 zeigt einen einzelnen Steg 20, der in seinem unteren Endbereich 21 schräg angeschnitten ist und sich dadurch zum unteren Ende hin in seiner Breite kontinuierlich verjüngt. In Richtung seiner Höhe gesehen hat dieser Steg 20 im Prinzip zwei unterschiedlich ausgebildete Bereiche, nämlich einen unteren Bereich 22 und einen oberen Bereich 23. Der untere Bereich 22 ist massiv, wobei in diesem keine Löcher oder Aussparungen vorgesehen sind. Dieser untere Bereich 22 erstreckt sich in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 über etwas mehr als die unteren beiden Drittel der Gesamthöhe des Steges 20. Der obere Bereich 23 des Stegs 20 schließt sich an den unteren Bereich 22 nach oben hin an, wobei der Steg 20 in diesen oberen Bereich 23 mit Löchern 24 versehen ist, durch die Elektrolyt in Längsrichtung der Elektrolysezelle hindurchtreten kann, so dass eine Längsdurchmischung des Elektrolyten in diesem oberen Bereich 23 erfolgt. Dort befindet sich durch die aufsteigenden Gasblasen eine Schaumphase des Elektrolyten.
Wie man in Figur 5 sieht, ist eine Anzahl von mehreren untereinander beabstandeten Löchern 24 vorgesehen. In dem Ausführungsbeispiel sind exemplarisch fünf solcher Löcher 24 dargestellt. Man erkennt weiterhin, dass die beiden unteren Löcher 24 a in Höhe des Stegs 20 gesehen einen geringeren Abstand zueinander aufweisen als die oberen Löcher. Die Anzahl der Löcher 24 und deren jeweilige Abstände untereinander kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung quasi beliebig variiert werden.

Bezugszeichenliste

10: Elektrolysezelle
11: Kathodenhalbschale
12: Anodenhalbschale
13: Membran
14: Schrauben
15: Einlassverteilerrohr
16: Einlassverteilerrohr
17: Auslassrohr
18: Leitblech
19: umlaufender Rahmen
20: Stege
21: unterer Endbereich, schräg angeschnitten
22: unterer Bereich, massiv
23: oberer Bereich, mit Löchern
24: Löcher
24 a: untere Löcher, mit geringeren Abständen

Claims

Elektrolysevorrichtung zum elektrolytischen Behandeln von Flüssigkeiten mit einer Anodenkammer und einer Kathodenkammer, die über eine lonenaustauschermembran voneinander getrennt sind, wobei die Kammern mit mindestens einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung für einen strömenden Elektrolyten und mit mindestens je einer Elektrode ausgerüstet sind und wobei der Innenraum der Anodenkammer und/oder der Kathodenkammer durch sich quer zu den Elektroden erstreckende Stege (20) oder Rippen unterteilt ist, wobei die Stege oder Rippen mindestens bereichsweise mit Löchern (24) oder Aussparungen versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (20) oder Rippen sich in Höhenrichtung der Elektrolysevorrichtung erstrecken und in Höhenrichtung gesehen mindestens einen unteren Bereich (22) aufweisen, in dem die Stege (20) oder Rippen frei von Löchern (24) oder Aussparungen sind.
Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (20) oder Rippen mindestens einen in Höhenrichtung der Elektrolysezelle gesehen oberen Bereich (23) mit Löchern (24) oder Aussparungen aufweisen.
Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der untere Bereich (22), in dem die Stege (20) oder Rippen frei von Löchern (24) oder Aussparungen sind, mindestens etwa über die untere Hälfte der gesamten Höhe der Stege (20) oder Rippen erstreckt.
Elektrolysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der untere Bereich (22), in dem die Stege (20) oder Rippen keine Löcher (24) oder Aussparungen aufweisen, mindestens etwa über die unteren beiden Drittel der gesamten Höhe der Stege (20) oder Rippen erstreckt.
Elektrolysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der obere Bereich (23), in dem die Stege (20) oder Rippen Löcher (24) oder Aussparungen aufweisen, mindestens etwa über das obere Viertel der gesamten Höhe der Stege (20) oder Rippen erstreckt.
Elektrolysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der obere Bereich (23), in dem die Stege (20) oder Rippen Löcher oder Aussparungen aufweisen, mindestens etwa über das obere Drittel der gesamten Höhe der Stege (20) oder Rippen erstreckt.
Elektrolysevorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (20) oder Rippen in dem mindestens einen oberen Bereich (23) mehrere durch massive Bereiche in Höhenrichtung der Stege (20) oder Rippen voneinander beabstandete Löcher (24) oder Aussparungen aufweisen.
Elektrolysevorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (20) oder Rippen in dem mindestens einen oberen Bereich (23) mindestens teilweise im Umriss etwa runde Löcher (24) aufweisen.
Elektrolysevorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (20) oder Rippen in dem mindestens einen oberen Bereich (23) mehrere Löcher (24, 24 a) oder Aussparungen aufweisen, die untereinander, in Richtung der Höhe der Stege (20) oder Rippen gesehen, unterschiedliche Abstände aufweisen.
Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (24 a) oder Aussparungen in den Stegen (20) oder Rippen in einem ersten unteren Abschnitt des oberen Bereichs (23) in geringeren Abständen zueinander angeordnet sind als in einem sich daran nach oben hin anschließenden zweiten Abschnitt des oberen Bereichs (23).
Elektrolysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Querschnitt wenigstens eines Loches (24) oder einer Aussparung wenigstens etwa 10 mm², besonders bevorzugt wenigstens etwa 15 mm² beträgt.
Verfahren zur elektrolytischen Behandlung eines fließfähigen Mediums in einer Elektrolysevorrichtung mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 11.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Chloralkali-Elektrolyse umfasst.