FI63443C - Elektrolyscell - Google Patents

Description

63443

Elektrolyysikenno

Keksintö koskee elektrolyysikennoa, joka käsittää kotelon, joka on varustettu tuloaukolla ja poistoaukolla läpivirtaavaa elektrolyyttiä varten ja johon on sijoitettu yksinapaelektrodeja, joista jokainen on kokoonpantu yhteiseen kannattimeen kiinnitetyistä yhdensuuntaisista levyistä, elektrodien ollessa siirrettynä toistensa suhteen siten, että tietyn napaisuuden omaavat levyt ulottuvat toisen napaisuuden omaavien levyjen muodostamiin välitiloihin.

Sähkökemiallisten prosessien suorittamiseen käytetään sekä yksinapaista että myös kaksinapaista rakennetta olevia elektrolyysikennoja. Kaksinapakennolla, joka on rakennettu kytkemällä peräkkäin kaksinapaisia elektrodeja esimerkiksi tunnetun suodattimenpuristimen tapaan, on se etu, että virransyöttöjohtimet ulkoelektrodeihin saman tehonkäytön omaavaan yksinapakennoon verrattuna voidaan mitoittaa pienempiläpimittaisiksi, että useita kaksi-napakennoja peräkkäin kytkemällä rakennettu elektrolyysi-laitos tarvitsee pienemmän tilan kuin yksinapakenno-laitos, ja että tällaisen laitoksen rakenne johtuen usein monimutkaisten ja kalliitten kennonliitäntävälineitten poisjäämisestä on yksinkertaisempi. Kaksinapakennolla on kuitenkin yksinapakennoon verrattuna useita haittoja.

Tunnetaan poikkipinnaltaan suorakulmaisia,neliömäisiä ja ympyränmuotoisia elektrolyysikennoja, joissa elektrolyytin läpivirtaus voi tapahtua millä tahansa tavalla vastaavien putkiliitäntälaippojen kautta, nimittäin vaakasuoraan, meanderinmuotoisesti, vinoon tai pystysuoraan. Yleensä on elektrolyytin pystysuoraa virtaussuuntaa virtausteknisistä syistä pidettävä edullisimpana, varsinkin 2 63443 kun lyhyet viipymisajat kennossa ovat tarpeen tai kun elektrolyysissä kehittyneiden kaasujen nostovaikutusta mammuttipumpun periaatteen mukaisesti halutaan käyttää hyväksi.

Saksalaisesta kuulutusjulkaisusta 2 109 949 on tullut tunnetuksi elektrolyysilaitos, joka käsittää peräkkäin kytkettyjä kennoja, joissa elektrolyytti virtaa pystysuoraan ja joihin on sijoitettu lamelloituja kaksinapaelektro-deja. Kaksinapaelektrodit ovat tässä tapauksessa monikerroksisia laattoja, joiden kummallekin puolelle on kiinnitetty useita pystysuoraan ulottuvia viirin- eli kielek-keenmuotoisia elektrodilevyjä, nimittäin yhdelle puolelle tietyn napaisuuden omaavia ja toiselle puolelle vain vastakkaisen napaisuuden omaavia elektrodilevyjä. Tietyn napaisuuden omaavien elektrodien kielekkeenmuotoiset osat ulottuvat toisen napaisuuden omaavan elektrodin kie-lekkeenmuotoiSten osien muodostamiin välitiloihin.

Lisäksi on kanadalaisesta patentista 914 610 tullut tunnetuksi alussa mainittua tyyppiä oleva elektrolyysikenno, jonka läpi elektrolyytti virtaa meanderinmuotoisesti vaakasuoraan alhaalta ylöspäin. Useita tällaisia kennoja voidaan ruuviliitoksella yhdistää elektrolyysilaitoksek-si, jonka yksityisten kennotilojen läpi elektrolyytti virtaa joko peräkkäin sähkövirran suuntaisesti tai rinnakkain kohtisuoraan sähkövirran suuntaa vastaan.

Tunnetuissa kennoissa on sähkövirran johtamiseksi kennon-kotelon ulkosivulla tai elektrodintukilaattojen ulkosivulla, mikäli nämä samalla muodostavat kennonkotelon seinämän, kutakin napaisuutta varten liitäntätasot tai sidekiskot, jotka yhdistetään ruuviliitoksella tai muulla tavalla kuparia tai alumiinia oleviin virransyöttöjohti-miin.

63443

Molemmista mainituista julkaisuista tunnetuksi tulleissa elektrolyysikennoissa muodostaa yksittäisten katodilevyjen tukilaatta osan altaanmuotoisesta kennonkotelosta tai se on kiinnitetty kennonkoteloon hitsaamalla tai ruuvien avulla. Yleensä kennonkotelo, joka on rautaa tai titaania, liitetään sähköä johtavasti katodiin, siis kytketään katodisesti, kun taas anodi eristetään sähköisesti kennonkotelosta ja kiinnitetään siihen nestetiiviisti.

Tunnetuissa yksinapaista rakennetta olevissa elektrolyysikennoissa johdetaan kokonaisvirta suoraan tukilaattaan, joka mahdollisesti samalla muodostaa kennonseinämän, ja jaetaan siitä tasaisesti tukilaattaan kohtisuoraan kiinnitettyihin yksittäisiin elektrodilevyihin. Esimerkiksi 6 kA:n virrankäyttöä varten rakennettuun kennoon, joka sisältää tukilaatan siihen kiinnitettyine 11 katodilevyi-neen, jotka ovat sähköisesti samassa potentiaalissa kotelon kanssa, sekä titaanitukilaatan siihen kiinnitettyine 12 anodilevyineen, jotka ulottuvat mainittujen 11 yksit-täiskatodin muodostamien 12 katodivälitilan sisään muodostaen siten kussakin tapauksessa 4 mm leveän elektrolyytti-tilan, kokonaisvirta johdetaan kuparikiskoja pitkin katodien tukilaattaan. Jokaisen yksittäiselektrodin kautta kulkee tällöin 0,5 kA virta; änodientukilaatasta kulkee 6 kA virta kuparikiskoja pitkin edelleen seuraavaan kennoon. Koska yksittäisanodilevyjen pystysuora ulottuvuus ei saa olla suurempi kuin 600-700 mm, sillä muuten tulee esiintymään huomattavia tuotos- ja energiahäviöitä, ei kennon virrankäyttöä eikä tehoa voida lisätä yksinkertaisesti pidentämällä kennoa pystysuoraan suuntaan, mikäli kennon halutaan toimivan taloudellisesti. Toisaalta, johtuen anodien aineena eniten käytetyn titaanin suhteellisen huonosta johtokyvystä, riippuu yksittäisanodilevyjen vaakasuora leveys niiden paksuudesta; niinpä yksittäis-anodia, jonka korkeus on 500 mm ja leveys 200 mm, varten on levynpaksuus 1-2 mm tarpeen.

4 63443

Jos siis tunnetuissa kennoissa haluttaisiin kaksinkertaistaa virranvoimakkuus kaksinkertaistamalla levyjen vaakasuora mitta, olisi levynpaksuus nelinkertaistettava, ts. yksittäisanodilevyjen paksuus on suurennettava verrannollisena virranvoimakkuuden neliöön. Käytännöllisistä ja taloudellisista syistä ovat vastakkain sijaitsevilla elektrodeja kannattavilla sivuseinämillä varustetut tunnetut kennot sen vuoksi sopivia vain rajoitetulle eli noin 10 kA:n virrankäytölle.

Keksinnön tarkoituksena on välttää tämä haitta ja aikaansaada alussa mainittua tyyppiä oleva elektrolyysikenno, joka mahdollistaa yhtä suuruusluokkaa suuremman virrankäy-tön, mutta on kuitenkin mahdollisimman yksinkertaiseksi ja tiiviiksi rakennettu ja taloudellisesti toimiva. Tarkoituksena on lisäksi aikaansaada elektrolyysikenno, johon elektrodit voidaan täsmällisesti asentaa ja helposti vaihtaa ja jossa elektrolyytin lyhyet viipymisajat ovat mahdollisia.

Näiden tavoitteiden saavuttamiseksi on keksinnön mukaiselle kennolle tunnusomaista se, mikä on esitetty oheisessa patenttivaatimuksessa 1.

Keksinnön mukainen kenno sopii virrankäytölle 100 kA tai enemmän, ilman että yksittäisanodilevyjen mittojen kaikkiin kolmeen eri suuntaan pitäisi sen vuoksi olla suurempia kuin mitä tarvitaan noin 0,5 kA:n virrankäyttöä varten, ilman että siis esiintyy tuotos- ja energiahäviöitä verrattuna tunnetuilla kennoilla, joiden virrankäyttö oli rajoitettu enintään arvoon 10 kA, aikaisemmin saavutettavissa olleeseen tuotos- ja energiataseeseen. Tarvitsematta siis muuttaa yksittäisanodilevyn parhaaksi tunnettua kokoa on mahdollista aikaansaada erittäin tiivisrakenteisia ja sen vuoksi helposti asennettavissa ja vaihdettavissa olevia elektro-dipaketteja, joiden virrankäyttö voi olla 25 kA ja suurempi ja jotka rakennuslaatikkoperiaatteen mukaisesti voidaan liittää rinnakkain kennoiksi, joiden virrankäyttö on 100 kA ja enemmän. Nämä vasta tämän keksinnön puitteissa mahdol- 63443 lisiksi tulleet elektrodipaketit sallivat kokonaisvirran johtamisen ei vain- kuten aikaisemmin tunnetuissa kennoissa - yksittäisiä elektrodilevyjä jossakin muodossa kannattavaan kennon ulkoseinämään, vaan suoraan kennon sisäosiin sekä virran jakamisen sieltä molempiin toisiaan vastapäätä sijaitseviin vastaelektrodeihin.

Keksinnön mukainen elektrolyysikenno soveltuu erikoisesti käytettäväksi elektrolyysilaitoksissa, joissa valmistetaan alkalikloraatteja alkalikloridiliuoksista, alkali-persulfaatteja happamista alkalisulfaattiliuoksista ja al-kaliperfosfaatteja alkalifosfaattiliuoksista.

Keksinnön muita yksityiskohtia sekä muita sen mukana saavutettavia etuja selitetään seuraavassa piirustuksen ja alivaatimusten yhteydessä.

Piirustuksessa on kuvio 1 keksinnön mukaisen elektrolyysikennon eräs sovellu-tusmuoto, esitettynä osaksi sivukuvana, osaksi leikkauksena pitkin kuvion 3 viivaa I-I, kuvio 2 kuvion 1 mukainen elektrolyysikenno päältäpäin katsottuna, kuvio 3 leikkaus pitkin kuvion 1 viivaa II-II, kuvio 4 elektrodilevy päältäpäin katsottuna, kuvio 5 leikkaus kennonseinämään kiinnitetystä elektrodi- paketista, kuvio 6 leikkaus yksittäiselektrodilevyn kiinnittämiseen kuvion 5 mukaan käytetystä kierrerenkaasta, kuvio 7 leikkaus kennonseinämään kiinnitetyn elektrodipake-tin toisesta sovellutusmuodosta, kuvio 8 keksinnön mukaisen elektrolyysikennon toinen sovellutusesimerkki leikattuna pitkin kuvion 9 viivaa III-III, ja kuvio 9 leikkaus pitkin kuvion 8 viivaa IV-IV.

6 63443

Elektrolyysikenno (kuvio 1) käsittää titaania olevan ken-nonkotelon 1, jossa on katkaistun pyramidin muotoisesti kavennettu pohjaosa 2 ja katkaistun pyramidin muotoisesti kavennettu kansiosa 3. Pohjaosa 2 päättyy alhaalla elektrolyytin sisääntuloistukkaan 4, ja kansiosa 3 päättyy ylhäällä sen poistoistukkaan 5, elektrolyytin virratessa kennossa pystysuoraan alhaalta ylöspäin. Tuloistukassa 4 ja poistoistukassa 5 on kummassakin laippa 6 elektrolyytin syöttöjohdon ja elektrolyysituotteiden poistojohdon liittämistä varten. Kennonkotelon 1 sisäpuolelle on sijoitettu kolme elektrodia 7, 8, 9, joista kahdella on sama napaisuus. Molemmat ulommat elektrodit 7, 8 (kuviot 2 ja 3) on kuparisten virranjohtimien 10, 11 avulla liitetty jännitelähteen negatiiviseen napaan ja siten kytketty katodeiksi, kun taas katodien 7, 8 välissä sijaitseva keski-elektrodi 9 on (kuvioista puuttuvien) kuparijohtimien kautta liitetty jännitelähteen positiiviseen napaan ja siten kytketty anodiksi.

Keskielektrodin 9 muodostaa tiivis anodipaketti, joka on kokoonpantu useista yksittäisistä anodilevyistä 12. Myös katodit 7, 8 on rakennettu useista yksittäisistä katodi-levyistä 13. Katodilevyt 13 on kiinnitetty kohtisuoraan kummankin tukilaatan 14 toiselle puolelle tasavälein ja keskenään yhdensuuntaisina. Tukilaatat 14 muodostavat samalla kennonkotelon 1 sivuseinämät. Ne on liitetty kennonkoteloon 1 nestetiiviisti, mutta sähköisesti eristettynä, esim. polytetrafluorietyleeni-vaipalla varustettujen ruuvien avulla. Tukilaattojen 14 ulkopintoihin on kiinnitetty virranjohtimet 10, 11. Kennonkotelon 1 muut osat ovat sähköisesti yhteydessä anodin 9 kanssa.

Yksittäiset anodilevyt 12 ovat suorakulmaisia ja niissä on kaksi keskiakselilla symmetrisesti sijaitsevaa reikää 15 (kuvio 4). Anodilevyt 12 on kiinnitetty kahteen reikien 15 läpi menevään hoikkiin 16 tasavälein, keskenään yhdensuuntaisina ja kohtisuoraan hoikkien 16 pituusakseleja vastaan. Katodilevyt 13 ovat suorakulmaisia, ja niiden 63443 vapaassa pitkittäisreunassa on kaksi puoliympyränmuotois-ta lovea, jotka on sovitettu siten, että molempiin vastakkaisiin tukilaattoihin 14 kiinnitetyt katodilevyt 13 sulkevat holkit 16 väliinsä kapean rengasmaisen raon jäädessä hoikkien ympärille.

Kaikki katodiosat ovat terästä ja kaikki anodiosat titaania. Anodilevyt 12 on päällystetty toiselta tai kummaltakin puoleltaan tavanmukaisella aktivointikerroksella.

Holkeissa 16 (kuvio 5) on ulkokierre 17 sekä sisäkierre 18, johon pohjakappale 19 on ruuvattu ja hitsattu kiinni.

Hoikin 16 avoin pää on varustettu rengaslaipalla 20, jonka avulla holkki 16 tiivisteen 21 väliinasettamisen jälkeen puristetaan tiukasti kotelon 1 seinämän 23 sisäpuolta 22 vasten. Hoikin 16 kiinnitys kotelonseinämään 23 tapahtuu pulteilla, jotka tarttuvat rengaslaipassa 20 oleviin kierteitettyihin porauksiin 26. Hoikin 16 sisäkierteisiin 18 on kierretty kuparinen kierresauva 27, jonka vapaaseen päähän jännitelähteen positiiviseen napaan yhdistävä virtajohdin 28 on kiinnitetty kahden kuparimutterin 29 välityksellä. Kierreholkit 16 toimivat siis paitsi anodi-paketin kannattimina myös anodipaketin virranjohtimina.

Holkki 16 voi myös olla esim. avoimesta päästään varustettu rengaslaipalla, jossa ei ole kierteitettyjä porauksia kiinnityspultteja varten; tässä tapauksessa voidaan kiinnitys kennonkotelon ulkoseinämään suorittaa suoraan hoikin sisäkierteeseen kierretyn kuparisen kierresauvan ja kennon ulkopuolelle ruuvatun vastamutterin avulla.

Holkki 16 voi myös olla valmistettu umpikuparista ja päällystetty titaanilla liekkiruiskutusta käyttäen, jolloin kennonkotelon ulkoseinämään kiinnittämiseen tarkoitettu kierresauva ruuvataan hoikin kupariytimeen tehtyyn kierteitettyyn poraukseen, jonka tarvitsee ulottua vain pieneen osaan hoikin pituutta.

8 63443

Anodipaketin 9 kokoamiseksi holkit 16 kiinnitetään ensin asennuslaattaan (jota ei ole piirustuksessa esitetty) siten, että rengaslaippa 20 lepää asennuslaatan päällä.

Sen jälkeen työnnetään yksipuolisesti päällystetty anodi-levy 12 reikien 15 kautta ylhäältäpäin pystysuorassa seisoviin holkkeihin siten, että levyn päällystämätön puoli tulee kosketukseen rengaslaipan 20 vapaan pinnan kanssa.

Vain irtonaisesti asetettu anodilevy 12 kiinnitetään sen jälkeen kumpaankin hoikkiin 16 kierrerenkaan 30 avulla.

Sen jälkeen työnnetään molemmilta puolilta päällystetty anodilevy 12 holkkeihin 16 ja kiinnitetään kiertämällä kumpaankin hoikkiin toinen kierrerengas 30. Näin menetellään toistuvasti, kunnes haluttu määrä anodilevyjä on liitetty tiukasti kiinni holkkeihin 16. Viimeiseksi asetetaan jälleen yksipuolisesti päällystetty anodilevy 12, tosin tällä kertaa päällysteen jäädessä alapuolelle, ja kiinnitetään kierrerenkaalla 30.

Koska yksittäiset anodilevyt 12 on erikoisesti sovitettu virranvoimakkuudella 0,4-0,5 kA levyn päällystettyä puolta kohti, tarvitaan esimerkiksi 20 kA-kennoa varten kaksi ulointa yksipuolisesti päällystettyä levyä ja 19 niiden välissä sijaitsevaa molemmilta puolilta päällystettyä anodi-levyä. Titaanikierreholkit voivat yhdenmukaisesti ottaa vastaan jopa noin 30 anodilevyä.

Kierrerenkaat 30 voidaan varustaa raolla 31, sitä vastaan kohtisuoralla kierteitetyllä porauksella 32 ja kiristys-ruuvilla 33 (kuvio 6), joiden avulla kierrerenkaat voidaan puristaa kiinni hoikkien 16 ulkokierteisiin 17.

Tällä tavoin aikaansaadaan se, että kosketusvastukset virran kulkiessa virtaajohtavista holkeista yksittäisiin elektrodilevyihin pysyvät niin pieninä kuin mahdollista.

Sitä paitsi voidaan valitsemalla kierrerenkaitten leveys sopivasti asettaa yksittäisten elektrodilevyjen etäisyys toisistaan tarkasti mihin tahansa haluttuun arvoon.

9 63443

Kaikki kosketuspuristukseen ja virranjohtamiseen osallistuvat pinnat holkeissa 16, anodilevyissä 12 ja kierre-renkaissa 30 voidaan varustaa hyvin sähköäjohtavalla platinapäällysteellä. Tätä tarkoitusta varten pitää kaikkien mainittujen pintojen olla tasaisia.

Edellä selostettua anodilevyjen 12 kiinnitystä holkkeihin 16 käytetään ennen kaikkea kennoissa, joiden virrankäyttö on keskimäärin noin 20 kA, kun taas suuremmein virrankäytön omaavissa kennoissa käytetään keksinnön erään sovellutusesimerkin mukaan sopivimmin toisenlaista kiinnitystapaa (kuvio 7). Titaania oleva holkki 35 käsittää, samoin kuin holkki 16, sisäkierteen 36, sisäänkierretyn ja kiinnihitsa-tun pöhjakappaleen 37 ja rengaslaipan 38. Hoikin 35 ulko-vaipassa ei sen sijaan ole kierrettä, vaan tasavälein sijaitsevia rengasmaisia kohoumia 39, joiden paksuus on sama kuin anodilevyjen 12 paksuus ja läpimitta vain noin 1-2 mm pienempi kuin anodilevyissä 12 olevien reikien 15 läpimitta. Anodipakettia koottaessa kaksi tällaista hoikkia 35 kiinnitetään rengaslaippa 38 alaspäin asennuslaat-taan samoin kuin edellä. Sen jälkeen holkkeihin 35 työnnetään yksipuolisesti päällystetty anodilevy 12 aktivoidun kerroksen jäädessä yläpuolelle, ja levy kiinnitetään rengaslaippaan 38 uppokantaruuvien 40 avulla. Seuraavat, molemmilta puolilta päällystetyt anodilevyt 12 saatetaan välitukia käyttäen asennusasemaan ja kiinnitetään sopivan hitsausmenetelmän (esim. argon-valokaari-impulssihitsauk-sen) avulla muutamista kohdista rengasmaisiin kohoumiin 39.

Hitsausmenetelmän pitää käsittää riittävän voimakas ener-giankeskitys, jotta hitsaus voidaan suorittaa mahdollisimman nopeasti. Hitsausvyöhyke ei saa olla leveämpi kuin 1 mm, etteivät elektrodilevyt pääse vääntymään.

Kennoissa aina virrankäyttöön noin 20 kA saakka tarvitaan, riippumatta anodilevyjen kiinnitystavasta virtaajohtaviin 10 63443 holkkeihin, vain yksi anodipaketti, joka sopivimmin on kiinnitetty kahteen virtaajohtavaan hoikkiin. Suuremman virrankäytön, esimerkiksi 100 kA tai enemmän, omaa-vissa kennoissa tarvitaan useita tällaisia anodipaket-teja, joissa kussakin on enemmän kuin kaksi virtaajohta-vaa hoikkia. Esimerkiksi eräs keksinnön mukaisen elektro-lyysikennon sovellutusmuoto, joka on sovitettu noin 100 kA:n virrankäyttöä varten, käsittää 4 anodipakettia, joissa kussakin virrankäyttö on noin 25 kA (kuviot 8 ja 9).

Tämä kenno käsittää altaanmuotoisessa kennonkotelossa 41, jossa on katkaistun kartion muotoisesti alaspäin kavennettu pohjaosa 42 ja saunoin ylöspäin kavennettu kansiosa 43 sekä tuloistukka 44 ja poistoistukka 45 liitäntälaip-poineen 46 kennon läpi alhaalta ylöspäin virtaavan elektrolyytin johtamiseksi 4 anodipakettia 47, 48, 49 ja 50, jotka on sijoitettu keskielektrodeiksi aina kahden katodin väliin kaikkiaan kolmesta katodista 51, 52 ja 53. Katodit 51, 52 ja 53 on tuettu kannatusritilään 54, tosin sähköisesti eristettynä siitä ja samalla kennonkotelosta 41 eristimien 55 avulla.

Jokaisen anodipaketin 47-50 kokoamiseen on käytetty 3 hoikkia 35, joihin edellä selostetun menetelmän mukaisesti on hitsattu kiinni 27 yksittäistä anodilevyä, joista 25 on molemmilta puolilta ja 2 yksipuolisesti päällystettyä. Kummankin ulomman katodin 51, 53 muodostaa teräksinen tukilaatta 56, joista kumpaankin on yhdelle puolelle hitsattu kohtisuoraan asentoon rautalevyt 57. Keskikato-din 52 muodostaa teräksinen tukilaatta 58, johon on molemmille puolille hitsattu kohtisuoraan asentoon rautalevyt 57.

Tätä kennoa kokoonpantaessa kiinnitetään ensin keskikato-di 52 kannatusritilään 54 asettamalla väliin eristin 55.

Sen jälkeen kiinnitetään mainitut 4 anodipakettia 47-50 kennonkotelon 41 sivuseinämiin 59 asettamalla väliin 0-rengastiivisteet (ei esitetty piirustuksessa) ja rengas-laipat 60, sopivimmin siten, että anodipaketit voidaan tarvittaessa korjausta ja huoltoa varten nostaa kokonaisina 11 63443 ulos kennonkotelosta kannen 43 poistamisen jälkeen. Lopuksi työnnetään molemmat ulommat katödit 51/ 53 vaakasuorassa suunnassa paikalleen ja kiinnitetään kannatus-ritilään 54 asettamalla väliin eristimet 55. Ulompien katodien 51, 53 taustojen suojaksi sijoitetaan tukilaatto-jen 56 ja kennonkotelon 41 sivuseinämien 61 väliin pystysuorat anodit 62, jotka liitetään sähköäjohtavasti koteloon 41. Viimeksi sijoitetaan kennonkotelon 41 kansi 43 paikalleen ja liitetään nestetiiviisti ruuveilla laippaan 65. Väliinasetetun tiivisteen 66 ei tarvitse eristää sähköisesti, koska kotelon 41 kansi 43 ja pohjaosa 42 ovat kytketyt anodisesti.

Edellä selostetussa 100 kA:n elektrolyysikennon edullisen sovellutusmuodon esimerkissä tulevat keksinnöllä saavutettavat edut erikoisen selvästi esille. Soveltamalla keksinnön perusteena olevaa periaatetta, jonka mukaan elektrolyysikennossa tietyn napaisuuden omaava elektrodi tai omaavat elektrodit on sijoitettu aina kahden vastakkaisen napaisuuden omaavan elektrodin väliin, on ensi kerran tullut mahdolliseksi ylipäänsä rakentaa elektrolyy-sikennoja, joilla on niin suuri virrankäyttö kuin noin 100 kA tai enemmän, ja jotka tästä suuresta virrankäytös-tä huolimatta toimivat samoilla ehdoilla kuin aikaisemmin tunnetut yksinapakennot, joiden virrankäyttö on noin 10 kA. Mainituilla "ehdoilla" tarkoitetaan tässä ensi sijassa virtahäviöitä, virran tuotosta, virtatiheyden tasaista jakaantumista kennon koko poikkipinnalle, elektrolyytin viipymisaikaa kennossa, virtausolosuhteita yms.

Riippumatta koostaan ja siitä virrankäytöstä, jolle se on tarkoitettu, keksinnön mukaisella elektrolyysikennolla on lisäksi ne edut, että se on rakennettu paljon tiiviimmäk-si kuin tunnetut samantehoiset yksinapakennot, että se on korroosionkestävämpi, että reaktiotuotteet voidaan nopeasti johtaa pois elektrolyysitilasta ja että elektrodit voidaan asentaa täsmällisesti sekä erittäin helposti vaihtaa ja huoltaa. Näistä eduista johtuu edelleen, että keksin- 12 63443 nön mukainen kenno on varsin yksinkertaisesti ja suhteellisen halvalla valmistettavissa, ja ne varmistavat sen, että keksinnön mukaisen kennon käyttö on erikoisen taloudellista.

Muita etuina voidaan mainita, että virran yhdistäminen useitten keksinnön mukaisten kennojen peräkkäiskytkennäs-sä on yksinkertaisesti toteutettavissa,joten kennojen väliset etäisyydet voidaan pitää pieninä, ja että keksinnön mukaiset elektrolyysikennot voidaan helposti sovittaa mihin tahansa elektrolyytinjakelujärjestelmään, esimerkiksi siten, että elektrolyytti virtaa yhteisestä kokoomasäiliös-tä yksittäisiin kennoihin, kulkee rinnakkain niiden lävitse ja päätyy jälleen yhteiseen kokooraasäiliöön, joka samalla voi toimia kaasunerottimena.

Erittäin edullista keskielektrodien pakettirakennetta, joka edellä olevassa selostuksessa selitettiin vain anodi-sesti kytkettyjä elektrodeja koskevaksi, voidaan täysin yhdenmukaisesti käyttää myös silloin, kun napaisuudet vaihdetaan. Voidaan siis myös rakentaa anodipakettien kanssa yhdenmukaisia katodipaketteja esitetyistä holkeis-ta ja yksittäisistä elektrodilevyistä.

Kun kennonkotelo on sähköisessä yhteydessä anodipakettiin tulee kennonkotelo anodisesti suojatuksi kaikenlaista korroosiota vastaan. Tämä on huomattava etu verrattuna tunnettuihin yksinapakennoihin, joissa kotelolla on useimmiten sama potentiaali kuin katodeilla. Jälkimmäisessä tapauksessa on nimittäin, mikäli kotelo on terästä tai rautalejeerinkiä, kotelon ne pinnat, jotka eivät ole suoraan sähkövirran vaikutuksen alaisia, esim. tulo- ja pois-toaukkojen kohdalla, suojattava katodisesti apuanodien avullai jos kotelo sen sijaan on titaania, katodissa tapahtuva vedynkehitys aiheuttaa titaanihydroksidikerroksen muodostumisen. Tästä on seurauksena, että johtuen vedyn- 63443 imeytymisen aiheuttamasta titaanihilan laajenemisesta, yläpintaan muodostuu hauraita kerroksia, jotka käyttöolosuhteissa, varsinkin vaihtelevissa lämpötiloissa, irtaantuvat metallialustalta. Titaanikotelo haurastuu, ja epäedullisessa tapauksessa kulmiin ja reunoihin voi muodostua halkeamia; jopa oikosulkuja voi esiintyä kapeissa elektrodien väleissä irtaantuneitten titaanihydridi-osasten vuoksi.

Keksinnön mukaisen elektrolyysikennon eräitten sovellu-tusmuotojen ominaisuuksia on kuvattu seuraavissa esimerkeissä:

Esimerkki 1 20 kA:n virrankäytön omaava kenno kloraattielektrolyysiä varten rakennetaan edellä olevaa asennusselostusta vastaavasti käyttämällä yhtä anodipakettia, joka on kokoonpantu kolmesta kierreholkista, joihin yksittäiset anodi-levyt on kiinnitetty mainittujen kiristettävien kierre-renkaitten avulla. Yksittäisten elektrodilevyjen välinen etäisyys on 3,0 mm. Anodipaketin virransyöttöjohtimien sähkövastukselle saadaan kokeellisesti arvo 20-60 ^uΩ, joten energiahäviö näissä johtimissa on 60-180 wattia, vastaten 0,1-0,3 % kennon tehosta, mikä on katsottava varsin pieneksi arvoksi. Jännite elektrolyysiolosuhteissa lämpötilassa 80°C on 3,1 volttia, anodinpinnan virtati- 2 heyden ollessa 3 kA/m . Virransaanto on välillä 93-95 %. Esimerkki 2 25 kA:n virrankäytön omaava kloraattielektrolyysikenno rakennetaan yhdestä anodipaketista, joka käsittää 25 molemmilta puolilta päällystettyjä ja 2 yksipuolisesti päällystettyä anodilevyä sekä 3 kierreholkkia. Virtatiheyden ollessa 3 kA/m^ on kennon jännite 3,1 volttia.

14 63443

Esimerkki 3

Elektrolyysikennoon, joka soveltuu persulfaattien ja per-fosfaattien valmistukseen, asennetaan anodipaketti käyttämällä 11 yksittäisanodilevyä, joista 2 on yksipuolisesti päällystettyä, sekä kolmea kierreholkkia. Yksittäisanodilevyt ovat 5 mm paksua titaanilevyä, ja niiden koko on 500 x 400 mm; ne ovat molemmilta puolilta (sisälevyt) tai yksipuolisesti (uloimmat levyt) päällystetty 50 yum paksulla platinakalvolla räjähdysmenetelmää käyttäen. (Voidaan myös käyttää anodilevyjä, joissa on sopivat galvaaniset platinapäällysteet. Päällysteet, jollaisia käytetään kloraattielektrolyysissä, eivät ole sopivia, koske ne eivät kykene muodostamaan mitään aktii-vihappiyhdisteitä.) Anodipaketti kiinnitetään titaania olevaan koteloon siten, että kotelo sijaitsee sähköisesti kytkettynä positiiviseen napaisuuteen, minkä johdosta se on täysin suojattu elektrolyyttistä korroosiota vastaan. Katodit ovat sopivan koostumuksen omaavaa jaloterästä (voidaan myös käyttää puhdasta titaania olevia katodeja).

Kennon virrankäyttö on 20 kA, anodien virtatiheyden olles-2 sa 6 kA/m . Yksittäisten anodilevyjen etäisyys toisistaan on 5 mm. Valmistettaessa kaliumpersulfaatti (1,3 moolia/1 K2S0^, 2 moolia/1 H2S04) on jännite 5,1 volttia.

Kenno soveltuu yhtä hyvin ammoniumpersulfaatin ja natrium-persulfaatin sekä perfosfaattien valmistukseen. Yhdistettä k4P2°8 saa<*aan esimerkiksi elektrolysoimalla emäksistä kaliumfosfaattiliuosta (noin 3 moolia/1) virtatiheyden 2 ollessa 3 kA/m ja jännitteen 4,9 volttia. Sen sijaan omasivat persulfaattien tai perfosfaattien valmistukseen aikaisemmin käytetyt diafragmattomat kennot virrankäytön, joka oli vain 0,5-1,5 kA.

Keksinnön mukaisen elektrolyysikennon elektrodipaketit voidaan myös sopivasti varustaa diafragmoilla ja käyttää niitä kloori-alkalielektrolyysiin.

Claims (6)

63443 15

1. Elektrolyysikenno, käsittäen kotelon (1? 41), joka on varustettu tuloaukolla (4? 44) ja poistoaukolla (5* 45. läpivirtaavaa elektrolyyttiä varten ja johon on sijoitettu yksinapaelektrodeja (7-9; 47-53), joista jokainen on kokoonpantu yhteiseen kannattimeen kiinnitetyistä yhdensuuntaisista levyistä, elektrodien ollessa siirrettynä toistensa suhteen siten, että tietyn napaisuuden omaavat levyt ulottuvat toisen napaisuuden omaavien levyjen muodostamiin välitiloihin, tunnettu siitä, että kulloinkin tietyn napaisuuden omaava keskielektrodi-paketti (9; 47-50) ("keskielektrodi(t)") on sovitettu keskeisellä virransyötöllä toisen napaisuuden omaavien kahden elektrodipaketin (7, 8; 51-53) väliin, ja että kennon kotelo (1; 41) on sähköisessä yhteydessä anodipaket-tiin (-paketteihin).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että kennonkotelo (1? 41) on passivoituvaa metallia.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä,että kennonkotelo (1; 41) on titaania.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen elektrolyysikenno, tunn e ttu siitä, että kennonkoteloon (1; 41. on muodostettu katkaistun pyramidin muotoinen kansi-osa (3; 43) sekä pohjaosa (2; 42).

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että kennonkotelon (1; 41) pohjaosa (2; 42) ja kansiosa (3; 43) on varustettu elektrolyytin tulo- ja poistolaipoilla. 16 63443

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukainen elektro-lyysikenno, tunnettu siitä, että elektrodit (7-9; 47-53) on sijoitettu kennonkoteloon (1; 41) siten, että yksittäiset elektrodilevyt (12, 13; 12, 57) ovat pystysuorassa asennossa.