NL8002533A - Werkwijze en inrichting voor het verbeteren van de massa overdracht in een elektrolysecel, - Google Patents

Description

4 _/L_ ff.O. 29055 1 ^ ~

Werkwijze en inrichting voor het verbeteren van de massa overdracht in een elektrolysecel.

Kwikkathodecellen voor elektrolyse van waterachtige alkalimetaalhalogenide oplossingen, in het bijzonder natri-umchloride, zijn op zichzelf bekend. In de laatste tien tot twintig jaar zijn de aanvankelijk toegepaste verbruikbare 5 grafietanoden vervangen door dimensioneel stabiele metalen elektroden, waarbij zeer hoge stroomdichtheden toegepast kunnen worden. De dimensionaal stabiele elektroden hebben normaal een geperforeerde of stangstructuur en zijn vervaardigd uit een metaal van de zogenaamde poort- of ven-10 tielgroep, zoals titanium, met een externe bekleding van een elektrisch geleidend elektrokatalytisch materiaal zoals een metaal uit de platinagroep of oxyden daarvan waarbij als optie andere metaaloxyden aanwezig kunnen zijn zoals bijvoorbeeld beschreven is in de Amerikaanse octroorschriften 15 3.711*385 en 3.652.498. Stroomdichtheden van ongeveer 11 o tot 14 kA/m van het geprojecteerde anode oppervlak kunnen worden toegepast met een afstand van 2 tot 3 mm tussen de metalen anode en de kwikkathode.

Onder deze omstandigheden wordt de massa overdracht 20 naar het anode oppervlak de bepalende factor en er moet een voldoende chloride ionentoevoer naar de anode worden gehandhaafd om daarmee de verarming van de zoutoplossing in de smalle spleet tussen de elektroden te vereffenen. Een voldoende chloride ionentoevoer'is alleen mogelijk door een 25 diffusiemechanisme als gevolg van een concentratiegradiënt tussen de zoutoplossing in de ruimte tussen de elektroden en de grote massa van de zoutoplossing in de cel waarin de anoden zijn ondergedompeld of door een gedwongen hydrodynamische stroming waardoor geconcentreerde zoutop-30 lossing van de hoofdmassa in de cel wordt overgebracht naar de tussenruimte tussen de elektroden.

De gasbelletjes die aan de anoden ontstaan zorgen voor een zekere turbulentie en introduceren convectiebe-wegingen binnen het elektrolyt en ook gezien dit feit ver-35. dienen geperforeerde metalen anoden de voorkeur boven de in onbruik geraakte grafietanoden. De hoge toegepaste stroomdichtheden hebben echter een probleem opgeroepen dat 80 0 2 5 33

1 V

2 * samenhang met het gebruik van een breedmazige anodestruc-tuur, hetgeen weliswaar op zichzelf de voorkeur verdient in verband met de genoemde chloride ionentoevoer, maar ook leidt tot een ontoelaatbare Ohmsche spanningsval in de 5 titaniumstructuur.

De effecten van een slechte chloride ionentoevoer op de anode als gevolg van een te sterke verarming van de zoutoplossing in de ruimte tussen de elektroden zijn a) een toename van het zuurst of niveau in het aan de anode ontwik-10 kelde chloride vanwege de mededinging van de waterelektro-lyse en in het bijzonder b) een aanzienlijke verkorting van de levensduur van de anode omdat de ka-talytische bekleding gepassiveerd wordt en van de titaniumbasis wordt geloogd. Om deze nadelen te overwinnen worden al jarenlang 15 pogingen ondernomen om de toevoer van geconcentreerde zoutoplossing naar de anode te verbeteren.

Het Amerikaanse octrooischrift 3 »035.279 beschrijft een structuur waarin door de holle steel van de anode en een reeks van kanalen zoutoplossing wordt gepompt en via 20 een veelheid van openingen wordt toegevoerd tot aan de ruimte tussen de -elektroden. Helaas zijn bij deze werkwijze de anodestructuren alsmede het toevoerstelsel voor de zoutoplossing buitengewoon gecompliceerd. Bovendien wordt een belletjeseffect waargenomen aan het anode-oppervlak 25 als gevolg van een inefficiënte scheiding van de anodegas-belletjes daarvan hetgeen een toename van de celspanning tot gevolg heeft.

Het Amerikaanse octrooischrift 2.725*223 wijst op ver-tikale schermplaten uitstekend van de rand van enkele 30 anoden stroomopwaarts in de zoutoplossingstroming. Dergelijke schermplaten snijden de stroming van de zoutoplossing langs de cel af, vormen barières dwars door de cel zodat de zoutoplossing wordt gedwongen°Bnder de onderrand van de schermplaten te stromen en als gevolg daarvan door de ruim-35 te tussen de elektroden te stromen. Het hydraulisch' effect is echter niet aanmerkelijk omdat de zoutoplossing na passage onder de schermplaten direct dicht tegen de schermplaten aan omhoog beweegt door de anode openingen. Bovendien moet het aantal schermplaten worden beperkt om de 40 pompkosten binnen aanvaardbare grenzen te houden en boven- 80 0 2 5 33 3 gr * dien botst de onder de schermplaten doorstromende zout- t oplossing heftig met het daaronder aanwezige kwik, zodat het mogelijk is dat de vloeibare kwikdeken die tegengesteld aan de zoutoplossingsstroming langs de hellende 5 onderzijde van de cel stroomt wordt verbroken.

net Amerikaanse octrooischrift 3-035· 279 wijst op het gebruik van een schuin over de grafietelektrode verlopend deksel waarmee het anodische gas wordt onderschept en wordt afgevoerd langs de bovenrand van het schuin verlo-10 pende deksel. Het gasvolume onttrekt meer elektrolyt door een deel van de omtrek van de anode. Een soortgelijke werkwijze wordt voorgesteld in de Duitse octrooiaanvrage 2.327.303 in verband met een doorlatende metalen anode. De effectiviteit van een dergelijke werkwijze is echter nauwe-15 lijks aantoonbaar omdat de elektrolyt stroming onttrokken door een deel van de anode omtrek niet uniform, verdeeld is en de neiging heeft om slechts op te tre-den in enkele omtreksgebieden van het anode oppervlak met als gevolg ëen onbalans tussen de optredende anodestroomdichtheid. Dit 20 nadeel zorgt voor een aanvankelijk lokale deactivatie van de elektrokatalytische bekleding en een snelle uitputting van de anode als gevolg van de toename van de werkelijke stroomdichtheid op de nog actieve gebieden van het anode-oppervlak. De werkwijze heeft verder het nadeel dat het 25 gewicht van de elektrodestructuur wordt toegevoegd aan de hoogte van het schuin verlopende deksel dat daardoor niet erg hoog mag zijn met betrekking tot het horizontale vlak terwijl anders het deksel gedeeltelijk zou oprijzen uit de zoutoplossing in de cel met een aanzienlijk verlies van 30 werkzaamheid. De inclinatie moet daardoor liggen in het gebied van 10-15°· Dit beperkt echter in aanzienlijke mate de beschikbare hydraulische lift omdat veel van de beschikbare kinetische energie verloren gaat bij de botsing van de in hoófdzaak op-overstroming van de gas-vloeistof-dispersie 35 indien het deksel een hoek groter dan 4-5° maakt.

De uitvinding heeft nu ten doel een verbeterde werkwijze alsmede hydraulische middelen, daartoe te verschaffen voor het verbeteren van de massa overdracht naar het anode-oppervlak.

40 ^evens heeft de uitvinding ten doel een anodestructuur 800 2 5 33 4 te verschaffen met hydraulische middelen waarmee de massa overdracht naar het anode oppervlak wordt verbeterd.

^erder heeft de uitvinding ten doel een nieuwe werkwijze voor elektrolyse van een alkalimetaalchloride in een 5 kwikkathodecel alsmede een nieuwe elektrolytische cel te verschaffen.

Deze en verdere doelstellingen en voordelen van de uitvinding zullen duidelijk worden aan de hand van de in het volgende gegeven gedetailleerde beschrijving.

10 De nieuwe structuur van de uitvinding is voorzien van een in hoofdzaak planair en horizontaal elektrode oppervlak met open structuur en voorzien van een elektrokataly-tisch buitenoppervlak, alsmede een aantal schermplaten die uniform verdeeld zijn aan de achterzijde van het elektrode-15 oppervlak, welke schermplaten afwisselend schuin verlopen in de ene richting en in de tegenover gestelde richting met betrekking tot een vertikale as waarbij de onderranden ervan aan het bovenoppervlak van de doorlatende elektrode een afwisselende reeks van gebieden definiëren welke res-20 pectievelijk worden afgesneden door twee aangrenzende in opwaartse richting convergerende en twee aangrenzende in opwaartse richting divergerende oppervlakken van de genoem-*-de schermplaten en middelen voor het uniform toevoeren van stroom aan het elektrodevlak. De structuur heft de nadelen 25 van de uit de stand der techniek bekende structuren op en kan niet alleen worden gebruikt voor nieuwe cellen maar kan ook bij bestaande cellen worden toegepast.

De werkwijze volgens de uitvinding draagt het kenmerk dat op de in hoofdzaak platte doorlatende anodestructuur 30 een reeks van schermplaten is aangebracht uniform verdeeld over het gehele anode oppervlak en afwisselend schuin verlopend in de ene of de andere richting met betrekking tot de vertikale as, welke afwisselend schuin verlopende schermplaten met hun onderranden aan hun basis aangrenzend aan 35 het bovenoppervlak van de doorlatende en in hoofdzaak vlakke anode een afwisselende reeks van gebieden definiëren welke respectievelijk worden af gegrensd door twee aangrenzend opwaarts convergerende oppervlakken en door twee aangrenzende opwaarts divergerende oppervlakken van de aangren-40 zende schermplaten. Deze schermplaten vangen de omhoog 800 25 33

A

5 stijgende gasbelletjes ontwikkeld aan bet anode oppervlak op, en induceren een opwaartse beweging van bet elektrolyt in de fluidummassa aanwezig tussen de paren scbermplaten die naar boven toe convergeren alsmede een benedenwaartse 5 beweging van bet elektrolyt aanwezig tussen de paren scherm-platen die naar de bovenzijde divergeren. De scbermplaten zijn uniform verdeeld over bet gebele geprojecteerde oppervlak van de anode en de boogte ervan kan gelijk zijn aan de structuur waarmee stroom wordt toegevoerd aan de anode of zelfs 10 groter, maar in elk geval lager dan de bovenzijde van bet elektrolyt in de cel teneinde te vermijden dat een regelmatige stroming van bet elektrolyt door de cel wordt verhinderd. De scbermplaten vormen bydrodynamiscbe middelen welke effectief zijn voor bet genereren van een gedwongen 15 convectiebeweging van bet elektrolyt tussen de bovenliggende boofdmassa van bet elektrolyt en de elektrolyt in de spleet.tussen de elektroden, en wel uniform over bet gebele actieve oppervlak van de anode.

De beschikbare hydraulische energie gerepresenteerd 20 door de opwaartse beweging als gevolg van de aan bet anode oppervlak ontwikkelde gasbelletjes wordt niet alleen zo goed mogelijk toegepast voor bet genereren van een reflux-beweging van het elektrolyt maar in bet bijzonder voor bet vermijden van een niet uniforme reflux daarvan aan bet ac-25 tieve oppervlak van de anode.

De scbermplaten worden bij voorkeur vervaardigd uit platte of enigszins gekromde platen waarvan de lengte in hoofdzaak gelijk is aan de breedte van de anode, welke platen met bun randen parallel worden gepositioneerd op 30 zekere afstand van elkaar afwisselend schuin in de ene of de andere richting ten opzichte van de vertikale as verlopend. De onderranden van de scbermplaten staan in contact met of bevinden zich dicht aangrenzend aan bet bovenoppervlak van bet anoderooster. In vertikale doorsnede 35 loodrecht op bet oppervlak van de scbermplaten kan de structuur opgebouwd uit het anoderooster en de scbermplaten worden vertegenwoordigd door een reeks van telkens omkerende trapeziumvormige figuren waarbij de anoderoostersec-ties en de schermplaatsecties respectievelijk de onderbases 40 en de schuine zijkanten daarvan vertegenwoordigen terwijl 800 25 33 6 de bovenuiteinden van de schermplaten de punten van de bovenbases definiëren. Het zal duidelijk zijn dat de schuin verlopende zijkanten ook een gekromde vorm kunnen aannemen zodat een dwarsdoorsnedevorm van het Venturi-type ontstaat 5 of een uit lijnstukken opgebouwde vorm met segmenten met variërende inclinatiehoeken. Bij voorkeur kan met voordeel de anoderastersectie worden verdeeld in afwisselende lange en korte segmenten die respectievelijk worden gedefinieerd door a) de twee onderuiteinden van twee aangrenzende op-10 waarts convergerende schermplaten en b) de onderuiteinden van een van de genoemde schermplaten en het onderuiteinde van de direct daaraan grenzende schermplaat in de reeks, welke laatste twee een paar opwaarts divergerende schermplaten vormen. De lange en korte segmenten in de sectie 15 corresponderen met de respectievelijk grote en kleine elek-trodegebieden in het vlak. Het gehele anodeoppervlak wordt dus bij voorkeur verdeeld in een reeks van regelmatig afwisselende grote en kleine gebieden. Dit draagt in hoge m ate bij tot de toename van de geïnduceerde recirculatiebe-20 weging zelfs met schermplaten van relatief kleine effectieve hoogte.'

Ervan uitgaande dat onder stabiele omstandigheden de hoeveelheid gas die per eenheid anode oppervlak wordt afgegeven constant is wordt het gas dat vrij komt aan het 25 anode oppervlak corresponderend met een groot oppervlak gedefinieerd in het anodevlak door een paar opwaarts convergerende schermplaten door de oppervlakken van deze schermplaten onderschept en stijgt op door de elektrolyt-massa tussen deze schermplaten terwijl op dezelfde wijze 30 het gas dat vrij komt aan het anodegebied corresponderend met het kleinere gebied opstijgt door de elektrolytmassa aanwezig tussen twee opwaarts divergerende schermplaat-oppervlakken.

Ter vereenvoudiging kan men ervan uitgaan dat de 35 dichtheid van het fluidummengse1 gevormd door het elektrolyt en de gasbelletjes derhalve veel lager is in de fluïsum massa tussen de convergerende schermplaten dan in de fluï-dummassa tussen de divergerende schermplaten. Er wordt dus een opwaartse beweging van het elektrolyt opgewekt binnen 40 elk paar opwaarts convergerende schermplaten en een beneden- 800 2 5 33 7 waarts gerichte beweging in bet elektrolyt binnen elk paar opwaarts divergerende schermplaten. Als resultaat van deze gecombineerde effecten worden meervoudige recircu-latiebewegingen opgewekt van de elektrolytmassa boven de 5 anodestructuur naar de elektrolytmassa die aanwezig is tussen bet anode oppervlak en de kathode onder de openingen van de doorlatende elektrodeplaat.

De recirculatiebeweging beslaat praktisch het gehele anode oppervlak zodat bet optreden van concentratiegradiën-10 ten van anionen langs het anode oppervlak met de daarmee gepaard gaande onbalans in de anodestroomdichtheid welke op zijn beurt de deactivatie van de anodes bevordert, wordt voorkomen. De werkwijze volgens de uitvinding heeft verder het voordeel dat de refluxsnelheid kan worden gevarieerd 15 als aanpassing aan de bedrijfsomstandigheden van een bepaald bedrijf, zoals bijvoorbeeld de stroomdichtheid, de zoutoplossing-hergebruiksnelheid of de verarmingssnelheid, de verhouding tussen de gesloten en lege gebieden van de anodische rasterstructuur enzovoort. De mate van recircu-20 latie die door de boven beschreven schermplaten wordt ge-iduceerd kan worden gevarieerd binnen een breed gebied, waarbij ervan uit gegaan wordt dat de effectieve hoogte van de scbermplaten, dat wil zeggen de afstand tussen de bovenrand van de scbermplaten en het anode oppervlak constant 25 blijft, door het regelen van het gebied van het anode oppervlak dat gedefinieerd wordt door elk paar divergerende scbermplaten, dat wil zeggen door bet variëren van de verhouding tussen de kleine en de grote gebieden. Dit wordt eenvoudig bereikt door het op geschikte wijze meer of minder 30 buigen van de scbermplaten ten opzichte van de vertikale as.

Het is experimenteel gedemontreerd dat deze verhouding groter moet zijn dan 1 teneinde een sterke recirculatie te verkrijgen zelfs bij relatief kleine effectieve hoogten 35 van de scbermplaten en dat bet de voorkeur verdient om deze verhouding gelijk aan of groter dan 2 te kiezen teneinde een sterke reflux te induceren bij een effectieve hoogte van de schermplaten van slechts ongeveer 50 mm. De verhouding kan echter ook gelijk aan of zelfs kleiner dan 40 1 worden gekozen alhoewel bet in dat geval noodzakelijk is 800 2 5 33 8 om de hoogte van de schermplaten veel hoger te kiezen teneinde een voldoende recirculatie te verkrijgen. Als anderzijds de verhouding wordt opgevoerd tot waarden tussen 7 en 10 dan worden de aan de kleine gebieden van de 5 anode opgewekte gasbelletjes te krachtig in benedenwaartse richting gesleept dat wil zeggen naar de kathode als gevolg van de hoge benedenwaarts gerichte snelheid van het elektrolyt door het anoderaster tussen de onderranden van elk paar opwaarts divergerende schermplaten. In kwikkatho-10 decellen voor elektrolyse van natriumchloride oplossingen moeten botsingen tussen het gasvormige chloride en het almalgaam worden beperkt of vermeden. In deze gevallen verdient het derhalve de voorkeur om de verhouding tussen de grote en kleine gebieden te kiezen tussen 2 en 5· Binnen 15 deze voorkeursgrenzen kan de verhouding naar wens worden gevarieerd afhankelijk van de stroomdichtheid en de anode-structuurkarakteristieken teneinde de beste resultaten te verkrijgen. Gegevens met betrekking tot bepaalde anodestruc-turen en kenmerkende bedrijfsparameters worden gegeven in de 20 nog nader te bespreken voorbeelden.

De schermplaten kunnen een-recht, een gekromd, of een gebroken profiel bezitten, en bij voorkeur maken ze over een belangrijk gedeelte van hun effectieve hoogte een hoek die gelijk is aan of groter is dan 45° en vaak ligt tussen 25 4-5 en 75°, met de doorlatende structuur alhoewel ook andere profielen kunnen worden toegepast. De schermplaten kunnen worden vervaardigd van elk materiaal dat bestendig is tegen de ruwe omstandigheden die heersen in een elektrolysecel. Titanium, polyvinylchloride of polyester zijn geschikt voor 50 toepassing bij elektrolyse van een oplossing van alkaline taal chloride ·

Alhoewel terwille van de beschrijvingseenvoud en de uitvoeringseenvoud de hydrodynamische middelen volgens de uitvinding in het bovenstaande zijn beschreven als unidi-35 rectioneel en vertegenwoordigd door longitudinale schermplaten waarvan de randen parallel aan elkaar verlopen zal het voor de deskundige duidelijk zijn dat hetzelfde recircu-latieproces met evenveel succes kan worden uitgevoerd gebruikmakend van multidirectionele of cellulaire structuren 40 voorzien van cellen in de vorm van afgeknotte conussen of 8002533 9 piramiden in een afwisselende opeenvolging van rechtop staande en omgekeerde elementen.

Dit type hidirectionele structuur kan op geschikte wijze worden vertegenwoordigd door de wel bekende eierdozen 5 waarbij de toppunten van de conussen aan beide zijden zijn afgeknot. Door een dergelijke structuur op een anoderaster te plaatsen wordt hetzelfde effect bereikt als in het bovenstaande is beschreven voor een unidirectionele structuur. Wanneer dus in deze beschrijving de term "scherm-10 plaat" wordt gebruikt dan omvat dit zowel een longitudinale of unidirectionele structuur en ook ieder ander type structuur waarvan de vorm in een op willekeurige wijze georiënteerde dwarsdoorsnede kan worden aangepast aan het stelsel dat beschreven is refererend aan longitudinale 15 schermplaten waarvan de randen onderling parallel verlopen.

De hydrodynamische middelen volgens de uitvinding welke in een voorkeursuitvoeringsvorm bestaan uit de beschreven schermplaten gepositioneerd boven een doorlatende elektrode kunnen met voordeel worden geïntegreerd in de elek-20 trodestructuur zelf waarin bijvoorbeeld de schermplaten vervaardigd worden uit een metaal uit de zogenaamde poort- of vëntielgroep en dienst doen als stroomgeleidende middelen naar het anoderaster, dat direct langs de onderranden van de schermplaten kan worden gesoldeerd of gelast terwijl de 25 bovenranden ervan gelast of gesoldeerd kunnen worden aan een of meer busstaven gekoppeld met de stroomvoerende steel.

Een kwikkathodecel die gebruikt wordt voor elektrolyse van natriumchloride oplossingen en die voorzien is van de hydrodynamische middelen volgens de uitvinding wordt 30 gekenmerkt indien vergeleken wordt met een eenvoudige cel die niet voorzien is van deze middelen door een lagere bedrijfsspanning en een lager zuurstofgehalte in het geproduceerde chloride terwijl de cel veilig kan worden bedreven met een veel hogere verarmingssnelheid. Kaast deze 35* voordelen wordt een aanzienlijke verlenging van de anode-levensduur bereikt welke verlenging, uitgaande van vergelijkende snelle verouderingstesten kan worden geschat in de orde van anderhalf tot twee keer de levensduur van dezelfde anode zonder de hydrodynamische middelen volgens de 40 uitvinding voor refluxie van het elektrolyt.

800 2 5 33 10

Figuur 1 toont een perspectief, aanzicht van een anode-structuur die over het algemeen wordt toegepast in kwik-kathodecellen waarbij de hydrodynamische middelen volgens de uitvinding zijn toegepast.

5 Figuur 2 toont een vergroot detailaanzicht in door snede van de structuur van figuur 1.

Figuur 3 toont een perspectief aanzicht van een anode waarin integraal de hydrodynamische middelen volgens de uitvinding hij een staaf anode oppervlak zijn toegepast.

10 Figuur 4 toont een longitudinale dwarsdoorsnede door een kwikkathode-elektrolyseceln die voorzien is van de hydrodynamische middelen volgens de uitvinding.

Figuur 1 illustreert een kenmerkende anodestructuur voor kwikkathodecellen zoals beschreven in detail in het •15 Italiaanse octrooischrift 894.567. De structuur is vervaardigd van titanium en het actieve oppervlak van de anode is voorzien van een planaire geperforeerde titanium-structuur 1 bekleed met een laag van metalen uit de pla-tinagroep. De stroomverdeling naar de anode vindt plaats 20 door middel van vier geleidende koperen stelen die in titanium draadogen 3 zijn geschroefd welke aan uit titanium vervaardigde primaire distributiestaven 4 zijn gelast of gesoldeerd. Acht secundaire titanium distributiestaven 5 zijn gelast of gesoldeerd aan de twee primaire staven 4 25 en het titaniumraster voorzien van de elektrokatalytische bekleding is gelast of gesoldeerd aan de onderranden van de secundaire staven 5« Titanium hulzen 6, vastgelast of gesoldeerd aan de titanium draadogen 3 voorkomen dat de koperen geleidingsstelen contact maken met het elektrolyt 30 en het ontsnappende chloride.

De hydrodynamische middelen volgens de uitvinding bestaan uit titanium schermplaten in de vorm van langgerekte platen 7, die op geschikte wijze zijn gelast, gesoldeerd of door middel van klemelementen zijn vastgezet op de 35 secundaire distributiestaven 5* De onderranden van de schermplaten 7 die afwisselend in de ene richting en in de tegenover gestelde richting schuin verlopen ten opzichte van een vertikale as definiëren een afwisselende reeks van grote gebieden A en kleine gebieden B op het oppervlak van het 40 anoderaster 1, terwijl de vloeistof waarin de anodestructuur 8002533 11 wordt ondergedompeld op soortgelijke wijze door de scherm-platen 7 wordt verdeeld in een aantal ruimten elk gedefinieerd door de oppervlakken van twee aangrenzende scherm-platen.

5 figuur 2 toont een vergroot detail in dwarsdoorsnede van de structuur van figuur 1. Terwille van de duidelijkheid zijn in figuur 2 de met figuur 1 corresponderende onderdelen aangeduid met dezelfde referentiecijfers terwijl verder de kwikkathode 8 en de celbodem 9 zijn aangegeven. Zo-10 als in figuur 2 is aangeduid worden de chloride gasbelletjes die vrijkomen aan de grotere gebieden A van de anode 1 uit figuur 1 door de in opwaartse richting convergerende oppervlakken van twee aangrenzende schermplaten 7 opge-r vangen. De dichtheid van de belletjes in het elektrolyt 15 heeft de neiging om steeds dichter te worden in de richting van de bovenranden van de schermplaten als gevolg van de vernauwing van de doorlaatopening voor de opwaarts bewegende belletjes. Anderzijds stijgen de chloride gasbelletjes die vrijkomen aan de smallere gebieden van de ano-20 de 1 uit figuur 1 door het grootste gedeelte van het elektrolyt dat aanwezig is tussen de in opwaartse richting divergerende oppervlakken van twee aangrenzende schermplaten.

7.

De fluïdum volumina waartoe behoren het elektrolyt en 25 de daarin gedipergeerde chloride gasbelletjes en respectievelijk aanwezig tussen de twee opwaarts convergerende oppervlakken en de twee opwaarts divergerende oppervlakken kunnen worden beschouwd als fluïdum volumina mat verschillende dichtheidswaarden, waardoor een opwaartse beweging 30 tot stand komt in het fluïdum volume aanwezig tussen de convergerende oppervlakken terwijl een neerwaartse beweging tot stand komt' in het fluïdum volume aanwezig tussen divergerende oppervlakken* Deze bewegingen, die schematisch met pijlen zijn aangeduid in figuur 2, zijn effectief voor het 35 transporteren van geconcentreerde pekel vanaf de ruimte boven de spleet tussen de elektroden en voor het reduceren van de vorming van een hoge concentratiegradiënt tussen de pekel in de spleet tussen de elektroden en de pekel boven de anodische structuur als gevolg van de verplaatsing van 40 chloride-anionen als resultaat van de elektrolyse. De 800 2 5 33 ψ 12 reflux beweging van de pekel zorgt ervoor dat de pekel beftig door bet anoderaster beweegt waarbij de convectieve massa overdracht (chloriden) naar- het anode oppervlak sterk wordt vergroot. Dit effect is praktisch uniform over het 5 gehele anode oppervlak en concentratiegradiënten worden op effectieve wijze voorkomen langs het anode oppervlak.

De effectieve hoogte van de schermplaten ligt in het algemeen tussen 30 en 100 mm en ze kunnen worden bevestigd aan de staven 5 of aan de anodestructuur 1 of aan beiden.

10 Wanneer het vereist wordt of mogelijk is worden ze bij voorkeur alleen vastgezet langs hun boven- of onderranden zodat het effect daarvan naar keuze kan worden gevarieerd door het regelen van de inclinatie of door het variëren van de verhouding tussen de grote gebieden A en de kleine 15 gebieden B -in figuur 1 een en ander afhankelijk van de eisen die aan de betreffende elektrolysecel worden gesteld. De effectieve hoogte van de schermplaten kan ook worden vergroot door de bovenranden ervan vertikaal uit te breiden.

Alhoewel de schermplaten in de figuur in hoofdzaak 20 plat zijn. weergegeven kunnen ze ook op geschikte wijze een gekromde vorm bezitten, dat wil zeggen dat de inclinatie-· hoek kan variëren langs de hoogte van de schermplaat zodat een variabele passage voor het oprijzende fluïdum van het venturi-type ontstaat tussen de opwaarts convergerende 25 schermplaatoppervlakken, of de inclinatiehoek kan stapsgewijze variëren zodat een schermplaatprofiel in de vorm van een telkens onderbroken lijn ontstaat. Bij voorkeur echter heeft de inclinatiehoek van de schermplaten ten opzichte van de vlakke geperforeerde elektrodestructuur' een 30 waarde gelijk aan of groter dan 45° over tenminste een belangrijk gedeelte van de effectieve hoogte van de schermplaten.

Figuur 3 illustreert een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van de hydrodynamische middelen volgens de uitvinding, 35 waarbij de hydrodynamische middelen zijn geïntegreerd in de anodische stroomverdelingsstructuur en op effectieve wijze de secundaire staven 5 uit de figuren 1 en 2 vervangen. Een plaat 10 uit titanium of een ander metaal uit de zogenaamde poort- of ventielgroep is zodaiig gebogen dat een trapezium-40 vormig gegolgd element ontstaat. De boven- en onderbasis- 800 2 5 33 13 delen van het trapeziumvormig gegolfde element zijn langs nagenoeg de gehele lengte open met uitzondering van de smalle bruggen 11 aan de laterale uiteinden en op een of meer punten langs de structuur. Dit kan worden bereikt na 5 het buigen van de plaat of voor het buigen van de plaat waarbij in het laatste geval geschikte sleuven in de plaat worden aangebracht voordat de plaat wordt gebogen.

Een of meer primaire distributiestaven 12 vervaardigd uit titanium zijn loodrecht op het trapeziumvormige golf-10 patroon aan de structuur vastgelast of gesoldeerd en gekoppeld met een of meer geleidende stelen. Loodrecht op de bases van de trapeziumvormige golvingen in de plaat 10 is een reeks van titaniumstaven 14 gesoldeerd of gelast, welke staven zijn bekleed met een laag van elektrokatalytisch 15 materiaal teneinde de anode 15 te vormen. Een geëxpandeerde plaat uit titanium of een ander metaal uit de zogenaamde poort- of ventielgroep, op soortgelijke wijze voorzien van een eléktrokatalytische bekleding, kan de plaats innemen van de reeks staven 14. De schuin verlopende zijkanten van 20 de trapeziumvormige golvingen in de plaat 10 voeren dezelfde functie uit als de schermplaten 7 uit de figuren 1 en 2 alsmede de functie van de secundaire staven 5 geïllustreerd in de figuren 1 en 2.

Bij de structuur uit figuur 3 is het na assemblage van 25 de anode structuur niet langer moge lijk om de inclinatie van de schermplaten te regelen. De vorm van de trapeziumvormige golvingen moet derhalve tevoren worden vastgesteld aangepast aan de omstandigheden die gelden voor de betreffende cel. Bovendien kunnen in dit geval de hydrodynamische mid-30 delen niet worden vervaardigd uit een plastic materiaal.

De structuur van figuur 3 heeft het extra voordeel van groter aantal soldeer- of laspunten tussen de plaat 10 en de geperforeerde anode structuur 15 bij hetzelfde titanium gewicht en bij dezelfde stro omvoerende metaaldoorsnede.

35 Daardoor wordt de Ohmsche spanningsval over de doorlatende structuur 15 gereduceerd.

Figuur 4 toont een longitudinale dwarsdoorsnede door een moderne kwikkathodecel voor elektrolyse van natrium-chloride, voorzien van de hydrodynamische middelen volgens 40 de uitvinding voor pekel recirculatie in de ruimte tussen 8002533 14 t de elektroden. De cel bestaat in hoofdzaak uit een platte stalen bodem 16, welke in lengterichting enigszins schuin verloopt en gekoppeld is met de negatieve pool van een elektrische bron. Het kwik. wordt ingevoerd door de inlaat-5 opening 17 en stroomt onder vorming van een continue en uniforme vloeistoflaag over de celbodem. Een rubber plaat 18, die afdichtend bevestigd is aan de celwanden doet dienst als afsluiting voor de elektrolysecel 1 en een reeks anoden 19» opgehangen aan steunen boven de plaat 18, in de figuur 10 niet weergegeven, zijn parallel ten opzichte van de stromende kwikkathode gepositioneerd op een afstand van enkele millimeters ervan. De anoden zijn op geschikte wijze gekoppeld met de positieve pool van de elektrische bron. De verzadigde pekel wordt aan de cel toegevoerd via de in-15 stroomopening 20 en de verarmde pekel wordt samen met de vrij gekomen chloride afgevoerd aan de uitstroomopening 21. Tijdens de werking van de cel worden chloride ionen ontladen aan de anode oppervlakken 19 teneinde moleculair chloride op te leveren, terwijl natrium ionen worden ge-20 reduceerd aan de kwikkathode zodat natriumkwikamalgaam ontstaat dat continu wordt afgevoerd aan de uitstroomopening 23. Het amalgaam passeert een ontledingseenheid waarin het kwik in zijn metaaltoestand wordt hersteld terwijl natriumhydroxide wordt· gevormd en waterstof vrij komt.

25 De hydrodynamische middelen voor de pekelrecirculatie in de spleet tussen de elektroden zijn aangeduid met 24 in figuur 4. De oriëntatierichting van de schermplaten 24 is aangeduid loodrecht op de lengte van de cel maar de platen kunnen eveneens parallel aan de lengterichting van de cel 30 worden geplaatst omdat de oriëntatie geen aanmerkelijk effect heeft op het functioneren van de schermplaten in het bijzonder wanneer de pekelhoogte boven de schermplaten veel hoger is dan de schermplaathoogte.

In het volgende voorbeeld worden diverse voorkeursuit-35 voeringsvormen van de uitvinding beschreven als illustratie van de uitvinding. Het zal echter duidelijk zijn dat de uitvinding niet tot deze specifieke uitvoeringsvormen beperkt is.

Een kwikkathode elektrolysecel met een oppervlak van p 40 15 m werd voorzien van 28 dimensioneel stabiele anoden 800 25 33 15 van een constructie zoals getoond in figuur 1. De anoden waren vervaardigd uit titanium en liet anode oppervlak was bekleed met een gemengd kristallijn materiaal uit ruthenium-oxyde en titaniumoxyde op de wijze als beschreven in het 5 Amerikaanse octrooischrift 3«778.307· Het anode oppervlak had een oppervlaktegebied van 690 mm x 790 mm en de anoden waren voorzien van 16 schermplaten vervaardigd uit tita-niumplaat met een dikte van 0,5 mm en een hoogte van 40 mm.

De verhouding tussen de grote oppervlakken A en de kleine 10 oppervlakken B in figuur 1 was 3,2 en de hoek van de schermplaten ten opzichte van het anode oppervlak bedroeg 58°.

De cel werd gebruikt om in een langdurig proces een pekeloplossing met 300 g/1 natriumchloride en een pH van 4 te elektrolyseren. De temperatuur van de toegevoerde 15 pekeloplossing bedroeg *70°0 en de stroomdichtheid, gere-fereerd aan het anode oppervlak bedroeg 11 kA/m . Voor ver-gelijkingsdoeleinden werd een soortgelijke cel in dezelfde omgeving voorzien van dezelfde anoden maar zonder de schermplaten en deze cel werd bedreven onder dezelfde 20 omstandigheden waarbij de resultaten zijn samengevat in tabel 1.

ïhbel 1.

cel zonder cel met schermplaten schermplaten

25 Celspanning 4.30 V 3·97 V

pekeltemperatuur aan uitgang 83°C 81°G

pH van pekel' aan uitgang 2.8-3»2 2.5-2.7 zuurstof in chloride in volume % 0.3-0.5 onm. tot 0.2 waterstof in chloride in volume % 0.1 tot 0.4 onm. tot 0.2 30 onm. = onmeetbaar.

De resultaten in tabel 1 tonen duidelijk de onverwachte voordelen van de cel volgens de uitvinding die voorzien is van schermplaten welke voorziening resulteert in een aan-35 merkelijke reductie van de celspanning als ook in een reductie van de zuurstof- en waterstofniveau's in het chloride-produkt met een verbeterde werkingsgraad. Bovendien heeft de lagere pH van de zoutoplossing aan de uitgang het extra voordeel dat er minder zuur aan het zoutmengsel moet worden 40 toegevoerd in het dechloridatiestadium voorafgaand aan de 800 2 5 33 t 4 16 herverzadiging ervan.

Er zijn diverse modificaties van de werkwijze en de inrichting volgens de uitvinding mogelijk zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

800 2 5 33

Claims (11)

1. Werkwijze voor het, in een elektrolyse cel waarin gasvorming plaats vindt aan een elektrode, genereren van meervoudige recirculatiebewegingen van het elektrolyt naar 5 en van een interelektrodespleet gedefinieerd door een in hoofdzaak horizontale planaire samenwerkende elektrode en een in hoofdzaak planaire doorlatende gasgenererende elektrode parallel aan en gehandhaafd op afstand van het samenwerkende elektrode oppervlak en ondergedompeld in een 10 elektrolytbad, gekenmerkt door een boven de hoofdzakelijk vlakke doorlatende gasgenererende elektrode aanwezig aantal schermplaten uniform verdeeld over het gehele oppervlak van de doorlatende elektrode welke schermplaten afwisselend schuin in de ene en de andere richting 15 verlopen ten opzichte van de vertikale as, waarbij de onderranden van de genoemde schermplaten aangrenzend aan het bovenoppervlak van de in hoofdzaak planaire doorlatende elektrode het elektrode oppervlak verdelen in afwisselende reeksen van gebieden bepaald door telkens paren opwaarts 20 convergerende oppervlakken van de tegengesteld schuin ver-lopende schermplaten welke de gasbelletjes gegenereerd over de betreffende gebieden boven de doorlatende elektrode opvangen en geleiden in de richting van de convergerende oppervlakken waarbij het elektrolyt dat tussen deze opper-25 vlakken aanwezig is vanwege het gaslifteffect van de daarin gedispergeerde gasbelletjes omhoog beweegt terwijl tussen alle paren in opwaartse richting divergerende oppervlakken van de tegengesteld schuin verlopende schermplaten het elektrolyt in benedenwaartse richting door de betreffende 50 'gebieden van de doorlatende elektrode aangrenzend aan de eerste gebieden stroomt door inductie van de opwaartse door de gaslift gegenereerde beweging van het elektrolyt tussen de aangrenzende opwaarts convergerende oppervlakken.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, m e t het 35 kenmerk, dat de verhouding tussen twee aangrenzende gebieden van de doorlatende elektrode respectievelijk bepaald aan de achterzijde van het elektrode oppervlak door een paar opwaarts convergerende schermplaten en een paar opwaarts divergerende schermplaten groter is dan 1· 40

3· Werkwijze volgens conclusie 1, m e t het 800 2 5 33 * kenmerk, dat over tenminste een belangrijk gedeelte van de effectieve hoogte van’ de schermplaten de hoek tussen het oppervlak van de elektrode en de schermplaat-oppervlakken ligt tussen 45° en 75°.

4. Hydrodynamische middelen voor verbetering van de convectie massa overdracht naar een in hoofdzaak vlakke doorlatende elektrode waar vorming van gas plaats vindt welke elektrode is aangebracht op zekere afstand boven een in hoofdzaak vlakke horizontale samenwerkende elektrode, 10 met het kenmerk, dat de genoemde hydrodyna-mische middelen voorzien zijn van een reeks schermplaten die uniform verdeeld zijn over het gehele doorlatende elektrode oppervlak en afwisselend schuin verlopen in de ene richting of de tegengestelde richting ten opzichte van een 15 vertikale as, waarbij de onderranden van de schermplaten op het bovenoppervlak van de doorlatende elektrode afwisselende reeksen van gebieden definiëren waarbij van telkens twee gebieden het een respectievelijk wordt gedefinieerd door twee opwaarts convergerende oppervlakken en het andere 20 wordt gedefinieerd door twee opwaarts divergerende oppervlakken van de genoemde schermplaten.

5. Middelen volgens conclusie 4, m e t h e t kenmerk, dat de verhouding tussen twee aangrenzende gebieden van de doorlatende elektrode respectievelijk be- 25 grensd door twee opwaarts convergerende oppervlakken en door twee opwaarts divergerende oppervlakken van de genoemde schermplaten groter is dan 1.

6. Vlakke doorlatende elektrodestructuur voor gebruik in horizontale elektrolysecellen in parallele relatie met 50 een vlakke horizontale samenwerkende elektrode welke op een bepaalde afstand onder de eerstgenoemde elektrodestructuur is aangebracht, gekenmerkt door hydro-dynamische middelen voor het genereren van een meervoudige recirculatiebeweging in het elektrolyt tussen de grote 55 elektrolytmassa boven de genoemde elektrodestructuur en het elektrolyt dat aanwezig is in de interelektrodespleet, welke elektrodestructuur voorzien is van een in hoofdzaak horizontale doorlatende plaat aangebracht boven de samenwerkende elektrode gekoppeld met een stroomverdeelstruc-40 tuur bestaande uit een reeks van elementen waarvan de opper- 800 2 5 33 vlakken afwisselend schuin in de ene of de andere richting ten opzichte van een verticale as verlopen welke schuin verlopende oppervlakken op de met de onderranden van de genoemde elementen verbonden doorlatende plaat afwisselende 5 reeksen van gebieden definiëren waarbij telkens twee aangrenzende gebieden respectievelijk worden bepaald door de opwaarts convergerende en opwaarts divergerende oppervlakken van de genoemde elementen en middelen zijn bevestigd aan de bovenranden van de genoemde schuin verlopende ele-10 menten voor het toevoeren van stroom aa$egenoemde elektrode.

7. Elektrodestructuur volgens conclusie 6, m e t het kenmerk, dat de verhouding tussen twee aangrenzende gebieden van de doorlatende plaat respectievelijk gedefinieerd door twee opwaarts convergerende oppervlakken 15 en door twee opwaarts divergerende oppervlakken van de genoemde schermplaten groter is dan 1.

8. Elektrodestructuur volgens conclusie 6, m e t het kenmerk, dat zowel de stroomverdeler als de doorlatende plaat zijn vervaardigd uit een metaal van de 20 zogenaamde poort-.of ventielgroep en de doorlatende plaat tenminste gedeeltelijk bekleed is met een niet passiveer-bare elektrokatalytische bekleding.

9. Elektrodestructuur volgens conclusie 6, m e t het kenmerk, dat de verhouding tussen de grote 25 en kleine gebieden, welke gebieden respectievelijk worden gedefinieerd op het oppervlak van de in hoofdzaak horizontale doorlatende plaat door de opwaarts convergerende en opwaarts divergerende oppervlakken van de genoemde schuin verlopende elementen ligt tussen 2 en 10 en de hoek tussen 30 de schuin verlopende oppervlakken en de doorlatende plaat wordt gehandhaafd tussen 45° en 75° over tenminste een belangrijk gedeelte van de effectieve hoogte van de genoemde schuin verlopende elementen.

10. Kwikkathode-elektrolyse cel voor elektrolyse van 35 alkalimetaalchloride-oplossingen voorzien van een of meer in hoofdzaak vlakke doorlatende anoden, gepositioneerd op zekere afstand boven een kwikkathode, gekenmerkt d o o r de positionering van hydrodynamische middelen volgens conclusie 4 op de genoemde in hoofdzaak platte 40 dpprlatende anode. 80 0 2 5 33

11. Elektrolytisch proces voor liet genereren van chloride door elektrolyse van een alkalimetaalchloride-oplossing in een kwikkathode-elektrolysecel, gekenmerkt door het genereren van meervoudige recircuit latiehewegingen in het elektrolyt naar en van de inter-elektrodespleet door de openingen in de doorlatende anode uitgaande van de werkwijze volgens conclusie 1. ************** 800 2 5 33