NL8201511A - Kathode-eenheid voor een elektrolysecel. - Google Patents

Description

5.

ï. * v N.0. 30914 1

Kathode-eenheid voor een elektrolysecel.

De uitvinding heeft betrekking op een kathode van het roostertype i ook wel "type met handschoenvingers" genoemd, voor een elektrolysecel, waarvan de elektrische geleidbaarheid in het bijzonder is verbeterd.

Sedert verscheidene decennia gebruikt men voor de elektrolyse al-5 kalimetaalchloriden en in het bijzonder voor de bereiding van chloor en van natriumhydroxide kathoden met "wel dan niet doorlopende handschoenvingers" naargelang zij zich van de ene naar de andere zijde van de cel uitstrekken, of tussen hun inwendige uiteinden een doortocht vrijlaten voor de circulatie van het elektrolyt. Deze kathoden worden met een 10 elektrische stroom gevoed door middel van vertikale wanden van de cel en van een kathodegordel gevormd door een gebogen plaat in de vorm van een hoefijzer of verscheidene platen uit goed geleidend metaal die aan de buitenzijde van de ene of van verscheidene wanden zijn aangebracht.

Deze elektrische stroom moet in de inwendige ruimte van de cel homogeen 15 worden verdeeld en in het bijzonder bij de elektrolyse over de kathode oppervlakken tegenover de anoden door organén die een minimale weerstand hebben.

Opgemerkt wordt dat in de chloorindustrie men dikwijls met de term "kathode" niet slechts het inwendige deel van de cel bedoelt, dat een 20 actieve rol speelt bij het ontladen van positieve ionen, maar ook de vertikale wanden of omhulsel van de cel en de kathodegordel, dat wil zeggen de gehele eenheid die de stroom geleidt vanaf de geleider die met de negatieve pool van de stroombron is verbonden, in het algemeen via andere cellen, tot aan de elektrolyt. De term kathode-eenheid zal 25 hierna worden gebruikt voor het aangeven van de "kathode" in dit ruime verband, die dus bestaat uit een deel binnen de cel, dat interne kathode zal worden genoemd en op zichzelf wordt gevormd door een randkamer in kontakt met de wanden met buisvormige verlengingen van rechthoekvormige doorsnede, of armen, die met de genoemde kamer in verbinding 30 staan, en uit een uitwendig deel gevormd door de vertikale wanden of omhulsel van de cel en door de kathodegordel.

De interne kathode gevormd uit van openingen voorzien metaal of vaker uit een rooster van ijzer of staal, ondersteunt in het algemeen het membraan dat door filtratie op het van openingen voorziene metaal 35 dat als filter dienst doet, wordt neergeslagen uit een pasta die het vaste materiaal van deze separator bevat, dankzij een neerslag opgewekt in de inwendige ruimte van de kathode. De asbestvezels die sedert lang het essentiële bestanddeel van dit materiaal hebben gevormd, worden 8201511 4 » 2 thans toegevoegd en zelfs vervangen door fluor bevattende harsen,, waardoor na de neerslag een koken bij een temperatuur van nabij 400°C nodig is om dit membraan door fritten te verstijven. De druk die op de inwendige kathoden wordt uitgeoefend en de spanningen opgewekt door de ther-5 mische behandeling wanneer deze elektroden een groot oppervlak hebben, brengen dikwijls deformaties met zich mee en zijn nadelig voor hun vlakheid en evenwijdigheid van de actieve oppervlakken onderling en te-genover de anoden.

Om deze diverse nadelen te vermijden is het noodzakelijk om ver-10 sterkingselementen in de vorm van gegolfde stalen platen aan te brengen in het inwendige van de kathode-armen, welke platen waarop de interne kathode is gevormd, het vervormen van de armen tijdens de neerslag van het membraan vermijden. Deze montage verhelpt niet volledig de hierboven genoemde moeilijkheden; bovendien zijn de kontakten tussen deze 15 elementen en de van openingen voorziene wanden van de interne kathode puntvormig en lossen dikwijls op door tussenkomst van de geoxideerde oppervlakken; hierdoor beïnvloeden zij nauwelijks de stroomgeleiding, temeer daar de elektrische en mechanische verbindingen tussen de cel-wand en het actieve deel van de kathode hoofdzakelijk plaats vindt via 20 de van gaten voorziene beneden— en bovenwanden van de randkamer.

In het Franse octrooischrift 2.387.527 heeft men voorgesteld af-standstukken toe te passen, die de vorm hebben van rechtlijnige platen met getande lengteranden.. In het bijzonder beveelt dit octrooischrift de toepassing van afstandstukken aan, waarvan de tanden een doorsnede 25 in de vorm van een rechthoek hebben, waarvan een van de zijden groter is dan en waarvan de andere zijde, kleiner is dan de diameter van de geperforeerde platen, waarbij de steek van de tanden afwijkt van die van de perforaties van de geperforeerde platen die de doosvormige konstruk-tie van de kathode-elementen vormen (blz. 16, regel 14 tot en met blz.

30 17, regel 2 van het hierboven genoemde octrooischrift).

De uitvinding heeft ten doel te voorzien in een kathode-eenheid waarvan de montage en de demontage van het inwendige deel gemakkelijk is en die niet is onderworpen aan wezenlijke deformaties tijdens de diverse behandelingen die deze kan hebben ondergaan, die een betrekkelijk 35 kleine weerstand voor de elektrische stroom voorstelt en die bovendien een beroep doen op de afstandstukken die door hun doeltreffende invloed op de mechanische en elektrische vlakken een gemakkelijke realisatie met zich meebrengen.

De kathode-eenheid volgens de uitvinding omvat een vertikaal om-40 hulsel dat aan de buitenzijde een metalen kathodegordel met een goede 8201511 t * * 3 elektrische geleidbaarheid ondersteunt, aan de binnenzijde waarvan een randkamer aanwezig is die in verbinding staat met de inwendige verlengingen met een hoofdzakelijk rechthoekige vorm, waarvan de grote afmeting in de richting van de hoogte verloopt en die zich uitstrekken in 5 de inwendige ruimte van de cel, waarbij de genoemde kamer en de genoemde verlengingen waarvan de wanden uit van openingen voorzien metaal zijn, versterkt zijn door. een aantal metalen platen die horizontaal in het inwendige van de genoemde verlengingen zijn aangebracht en op de vertiklale platen zijn bevestigd, die zich in de randkamer bevinden, 10 welke vertikale platen zelf zijn verbonden met het vertikale omhulsel van de cel.

De uitdrukking "van openingen voorzien metaal" wordt gebruikt voor het aangeven van een discontinu metalen vlak. Deze beantwoordt in het bijzonder aan roosters, geperforeerde metalen platen, ontplooid metaal 15 en soortgelijke produkten.

Het omhulsel van de cel is in het algemeen uit koolstofarm staal en ondersteunt aan tenminste een van zijn vlakken, maar in het algemeen op drie van zijn buitenvlakken een kathodegordel die meestal is gevormd uit een koperen plaat» De randkamer is naar buiten begrensd door dit 20 omhulsel en naar boven en beneden door de van openingen voorziene metalen wanden'. Op twee van zijn binnenzijden zijn buisvormige uitsteeksels aangebracht,, waarvan de hartlijnen evenwijdig zijn aan de twee wanden van de cel. Het bij voorkeur toe te passen materiaal voor de inwendige kathode-eenheid die het membraan ondersteunt, is een geperforeerde-25 plaat uit ijzer of staal.

De versterkingselementen omvatten dus in het inwendige van de armen of uitsteeksels, diverse platen die op een onderlinge afstand liggen, die afhangt van de stijfheid van het voor de inwendige kathode gebruikte materiaal. Uitsluitend als indicatie kan men een aantal hori-30 zontale platen aanbevelen, waarbij de afstand tussen twee platen ligt tussen 5 en 15% van de afstand tussen de beneden- en boveneinden van de kathode. Uiteraard is deze indicatie gebaseerd op een regelmatige verdeling van de platen, maar zonder het kader van de uitvinding te verlaten kan men de afstand tussen de twee opeenvolgende platen variëren, 35 bijvoorbeeld +20%. Zij zijn op de wanden van de inwendige kathode ge— puntlast en aan hun uiteinden of een van hun uiteinden, naargelang het gaat om wel dan niet doorlopende armen, op de vertikale platen. De verschillende varianten van plaatsing van de vertikale platen worden verderop toegelicht.

40 De verbinding tussen de vertikale platen en de celwand kan zoals 8201511 * « ψ 4 hierna meer in bijzonderheden zal worden toegelicht, worden uitgevoerd door lassen van de platen op de flensen die zelf zijn bevestigd aan de boven- en benedendelen van het vertikale omhulsel en die enerzijds bestemd zijn voor het opnemen van het deksel en anderzijds voor het rus-5 ten op de bodem van de cel, of bij voorkeur is deze verbinding uitgevoerd door middel van ijzeren of stalen platen in de vorm van een S of Z, zodanig dat zij een zekere flexibiliteit hebben en hoofdzakelijk ter hoogte van het kathode-orahulsel zijn verbonden met de wanden van de cel.

10 De dikte van de platen is als functie van de, de cel doorlopende intensiteit en van de aard van de gebruikte metalen gekozen, zodanig dat geen aanzienlijke weerstand en warmteverliezen ontstaan.

De dikte van de stukken die de verbinding met de celwand tot stand brengen, ligt in de orde van grootte van 3 tot 6 mm.

15 Om een vrije circulatie van het elektrolyt mogelijk te maken, is het nodig dat de verschillende versterkingsstukken zijn voorzien van perforaties; de verhouding tussen de uitgespaarde vlakken en het totale oppervlak van. deze delen is bij voorkeur 10 è 30%. De vertikale platen kunnen eveneens uit van openingen voorzien metaal zijn en van dezelfde 20 aard als die van de inwendige kathode.

Het kathode-omhulsel uit in het algemeen koper, waarvan de doorsnede zodanig is dat zoals in de chloorindustrie bekend is, merkbare stroomverliezen door het joule effect worden vermeden, waarbij een homogene stroomverdeling wordt bevorderd, kan op diverse wijzen worden 25 gerealiseerd en worden gemonteerd op de cel, hetgeen hierna zal worden geïllustreerd.. Men geeft er de voorkeur aan dat de vertikale wanden van de cel of delen van deze wanden door explosie worden aangebracht op de kathodegordel of elementen van deze gordel.

De uitvinding zal hierna nader worden toegelicht aan de hand van 30 de tekeningen. In de tekeningen toont: figuur 1 een aanzicht van een kathode-eenheid van het type met doorlopende armen, figuren 2, 5 en 7 doorsneden van een deel van de cel waarvan aanzichten zijn getoond in de respectieve figuren 3, 4 en 6, 35 figuur 8 een aanzicht van de buitenwand van een cel die aan één zijde is voorzien van de kathodegordel, en figuren 9 en 10 twee varianten van de uitvoering van deze kathodegordel.

In figuur 1 zijn de vertikale wanden 1 van een elektrolysecel ge— 40 toond, die voorzien zijn van flensen 2 aan hun boven- en benedendelen; 8201511 1 * Λ 5 op deze wanden is een kathodegordel 3 aangebracht. In de inwendige ruimte van de cel begrenst een randkamer 4 waarvan men het bovendeel ziet, met de armen 5 waarvan men eveneens het bovendeel ziet, het ka-thodecompartiment van de cel. Tussen de armen 5 bevinden zich de ledige 5 ruimten 6 waarin de tijdens de montage van de cel aan de bodem van de cel bevestigde anoden zijn ondergebracht, welke anoden hier niet zijn getoond. De opening 7 die·in verbinding staat met de randkamer 4, maakt het ontsnappen van het bij de kathode gevormde gas mogelijk.

De wanden van de kathode-armen 5 en van de randkamer 4 zijn even-10 eens in figuur 2 zichtbaar. Men ziet de metalen platen 8 die in een horizontale positie op de kathode-armen zijn bevestigd en die aan de binnenzijde daarvan door middel van puntlassen die in de figuur als zwarte punten zijn aangegeven, en aan de buitenzijde daarvan zijn bevestigd op de vertikale plaat 9 die op zijn beurt is verbonden met de celwand 1 15 met behulp van flexibele stukken of vouwbalgen 10. De elementen van de inwendige kathode zijn in figuur 3 getoond.

Men zal opmerken dat de horizontale platen 8 aan hun uiteinden zijn gelast op de vertikale platen 9 die tegenover de kathodecomparti-menten en de overeenkomstige armen 5 zijn geplaatst.

20 Een soortgelijke uitvoering is in de figuren 4 en 5 getoond, De vertikale platen zijn gevormd door plooien van het geperforeerde metaal van de interne kathode, welke plooien bij 9a zijn omgezet; hoekprofie— len van massief metaal kunnen eveneens worden toegepast in plaats van het omgezette, van gaten voorziene metaal; de horizontale platen die de 25 vertikale platen ondersteunen, liggen in beginsel tegenover de ruimte die zich tussen de kathode-armen bevindt.

Bij de uitvoering van de figuren 6 en 7 wordt een kathode toege— past, waarvan het inwendige deel stijver is dan de hierboven genoemde delen; de vertikale platen 9 zijn aan hun uiteinden gelast op de flen-30 sen 2 die naar de inwendige ruimte van de cel zijn gericht.

Figuur 8 toont een aanzicht van een wand 1 van de cel, die voorzien is van een kathodegordel 3. Een deel van de wand is bij voorkeur door explosie op de kathodegordel 3 gelegd en vervolgens wordt dit deel volgens de lijn lb gelast aan de bijbehorende delen van de wand. Deze 35 kathodegordel kan worden gevormd uit drie vlakke delen, zoals deze in figuur 9 zijn getoond uit twee delen in L-vorm zoals in figuur 10 is getoond. De gordel kan eveneens uit twee delen bestaan, waarvan het ene een L-vorm heeft en de andere vlak is, of kan uit een enkelvoudig deel in hoefijzervorm bestaan.

40 De vertikale wanden van de cel worden vervolgens onderling gelast 8201511

·* W

. 6 zoals In figuur 9 of 10 is getoond. In alle gevallen wordt het lassen uitgevoerd tussen metalen van dezelfde soort. Om rekproblemen te vermijden, kan het doelmatig zijn een stalen plaat op de gordel aan te brengen op plaatsen waar deze gordel niet in aanraking is met de wan-5 den. In figuur 10 zijn de verlengingen ld van de zijden van de cel aldus geplakt, echter kunnen onafhankelijke platen worden toegepast.

Het inwendige deel van de kathode is bij voorkeur gecontrueerd door het eerst lassen van de inwendige horizontale platen aan de katho-de-armen, waarbij na het bevestigen van de horizontale platen op de 10 vertikale platen, de flexibele verbindingselementen op de binnenwand van de cel worden bevestigd; vervolgens wordt het inwendige deel in de inwendige ruimte van de doos gebracht, waarna de vertikale platen worden gelast op de flexibele elementen en tenslotte worden de beneden- en bovenwanden van de randkamer op de flensen of het bovenste gedeelte van 15 de vertikale wanden van de cel gelast. De flexibiliteit van de elementen die de verbinding tussen de versterkingselementen en de vertikale wand vormen, biedt de mogelijkheid van een snel en nauwkeurig justeren van de eenheid.

Indien nodig kan het interne deel van de kathode worden losgemaakt 20 van de doos; de bewerkingen zijn de volgende: het eerst lossnijden van het van gaten voorziene deel van de randkamer en daarna van de lassen tussen de vertikale platen en de flexibele verbindingen..

Hierna is een voorbeeld gegeven uitsluitend ter illustratie van de uitvinding.

25 Vergelij kingsvoorbeeld

Een cel met een hoogte van 760 mm, een lengte van 1800 mm en een breedte van. 1600 mm, waarvan de vertikale. wanden van staal met een dikte van 10 mm waren, ondersteunde een kathodegordel van koper met een dikte van 39 mm en een lengte van 460 mm aan drie van zijn vertikale 30 zijden; de bodem en het deksel waren uit polyester. Deze cel omsloot een inwendige kathode van de hierboven genoemde konstruktie met doorlopende armen. Deze armen waren versterkt door middel van een verstij-vingselement uit een gegolfde plaat die op de doos was gelast. Deze armen met een aantal van 20 waren gevormd uit een geperforeerde ijzeren 35 plaat van 2,5 mm dik, waarbij de gaten een diameter hadden van 3 mm en op een onderlinge afstand van 5 mm lagen. De uitsparingsverhouding was 32%. De armen zelf hadden een totale dikte van 22 mm en waren onderling gescheiden door een ruimte van 57 mm waarin de anoden waren ondergebracht, die bestonden uit een rooster van titaan dat bekleed was met 40 een platina legering met een gemiddelde dikte van 37 mm. De uitspa- 8201511 7 ringsverhouding van het rooster was 21% +5%.

De elektrolyse van een oplossing van natriumchloride van 0,3 g/m^ werd in de cel uitgevoerd met een stroomdichtheid van 0,25 A/m2. De spanningsverschillen na stabilisatie van de cel tussen het uiteinde en 5 het midden van een arm was 35 mV en tussen het uiteinde van de armen en de doos 90 mV hetgeen overeen kwam met een totale spanningsval van 125 mV.

Voorbeeld volgens de uitvinding

Een identieke cel bevatte een kathode met een soortgelijke vorm, '10 die bestond uit een geperforeerde ijzeren plaat met een dikte van 2,5 mm, waarbij de gaten een diameter hadden van 3 mm en op een onderlinge * afstand lagen van 5 mm. De uitsparingsverhouding van geperforeerde plaat was 32%. De armen van deze kathode waren versterkt door middel van horizontale ijzeren platen met een dikte van 4 mm, waarbij zes pla-15 ten per arm aanwezig waren. Deze platen waren over hun gehele lengte geperforeerd (perforatie met een diameter van 10 mm en een uitsparingsverhouding van 15%) en waren aan hun randen afgeschuind om het lassen daarvan op de geperforeerde plaat, mogelijk te maken, die de kathode vormde. Overigens waren zij aan twee uiteinden van de armen gelast aan 20 de vertikale platen (verwijzingscijfer 6 in figuur 3) die op hun beurt met de wand van de cel waren verbonden door middel van de stukken 10 (figuur 2 en 3). Deze cel werd gebruikt voor de elektrolyse van een oplossing van natriumchloride van 0,3 g/m^, zoals in het vergelijkings-voorbeeld. Na stabilisatie was de spanningsval tussen het uiteinde en 25 het midden van een arm gemiddeld 40 mV, tussen de armen en de doos 50 mV, hetgeen overeen kwam met een totale spanningsval van 90 mV; men constateerde geen merkbare verandering noch tijdens de uren die op het in bedrijf stellen van de cel volgden, noch na 30 maanden functioneren.

8201511

Claims (8)

1. Kathode-eenheid voor de elektrolyse omvattende een vertikaal omhulsel uit elektrisch geleidend metaal, waarbij aan de binnenzijde van het omhulsel een randkamer aanwezig is die in verbinding staat met 5 de inwendige verlengingen met een hoofdzakelijk rechthoekvormige doorsnede en uit een van gaten voorzien metaal, dat zich in de inwendige ruimte van de cel uitstrekt, met het kenmerk, dat de genoemde kamer en de genoemde verlengingen zijn versterkt door een reeks metalen platen die horizontaal in de inwendige ruimte van de genoemde verlengingen 10 zijn aangebracht en op de vertikale platen zijn bevestigd, die in de randkamer zijn aangebracht, welke vertikale platen op hun beurt zijn verbonden met het vertikale omhulsel van de cel,

2, Kathode-eenheid volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de horizontale platen zijn geperforeerd, 15 3, Eenheid volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de horizonta le geperforeerde platen een uitsparingsverhouding tussen 10 en 30% hebben.

4. Eenheid volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de horizontale platen hoofdzakelijk regelmatig zijn verdeeld,

5. Eenheid volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het aantal horizontale platen zodanig is, dat de afstand tussen twee opeenvolgende platen. 5 & 15% bedraagt van de afstand tussen de beneden— en boveneinden van de kathode.

6. Eenheid volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de vertikale 25 platen tenminste ten dele tegenover de inwendige verlengingen van de cel zijn geplaatst en dat zij aan het einde van de horizontale platen zijn gelast.

7. Eenheid volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de vertikale platen tenminste ten dele tegenover de ruimte zijn geplaatst, die zich 30 tussen de inwendige verlengingen uitstrekken, en dat de horizontale platen op de zijden van de genoemde vertikale platen zijn gelast.

8. Eenheid volgens conclusie 1,. met het kenmerk, dat de verbindingen tussen de vertikale platen en het vertikale omhulsel van de cel uit flexibel metaal zijn. 35 9.. Eenheid volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de verbinding tussen de vertikale platen en het vertikale omhulsel hoofdzakelijk is uitgevoerd tegenover de kathodegordel, die op zijn beurt op de buitenzijde van het vertikale omhulsel van de cel is gelegd.

10. Eenheid volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de vertikale 40 platen aan hun uiteinden op de boven— en benedenranden van het vertika- 8201511 C le omhulsel van de cel zijn gelast, waarop de kathodegordel is gelegd. ************ 8201511