DD258143A3 - ELECTROLYSIS CELL FOR FABRIC TRANSPORTED OR BY KINETICALLY SLOWED ELECTRODE REACTIONS - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aus mehreren monopolaren oder bipolaren Teilzellen bestehende Elektrolysezelle zur Durchfuehrung von Elektrodenreaktionen. Ein spezielles Anwendungsgebiet ist z. B. die organische Elektrosynthese. Mit der Erfindung gelingt es, auch bei betraechtlicher Verarmung der reagierenden Komponenten das Auftreten von Diffusionsgrenzstroemen und die damit verbundene Begrenzung der Zellenkapazitaet bzw. den Anstieg des spezifischen Elektroenergieverbrauches zu verhindern. Das wird im wesentlichen dadurch erreicht, dass mindestens ein Elektrolytraum jeder der i Teilzellen mittels einer undurchlaessigen Wand (5) in je zwei elektrisch parallel geschaltete Teilreaktionsraeume A; und B; aufgeteilt sind, die bezueglich der Stoffstroeme in folgender Reihenfolge hintereinandergeschaltet sind: Raum A1, A2, ...An, Bn, Bn 1, ...B1. Fig. 1The invention relates to an electrolytic cell consisting of several monopolar or bipolar subcells for carrying out electrode reactions. A special field of application is z. B. the organic electrosynthesis. With the invention, it is possible to prevent the occurrence of diffusion boundary currents and the associated limitation of the cell capacity or the increase in the specific electrical energy consumption, even if the reacting components are considerably depleted. This is essentially achieved in that at least one electrolyte space of each of the i sub-cells by means of an impermeable wall (5) in each case two partial reaction spaces A; and B; are divided, which are connected in series with respect to the Stoffstroeme in the following order: space A1, A2, ... An, Bn, Bn 1, ... B1. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Anwendungsgebietfield of use

Die Erfindung betrifft eine aus mehreren monopolaren oder bipolaren Teilzellen bestehende Elektrolysezelle zur Durchführung von Elektrodenreaktionen, denen relativ langsame Stofftransportschritte der reagierenden Komponente aus der Elektrolytphase an die Elektrodenoberfläche vorgelagert sind oder die bedingt durch Konzentrationsabnahmen kinetisch verlangsamt werden. Die Erfindung ist bevorzugt anwendbar, um das Auftreten von Diffusionsgrenzströmen und die damit verbundene Limitierung der Raum-Zeit-Ausbeute, bzw. den Anstieg des spezifischen Elektroenergieverbrauchs zu verhindern. Sie ist auch anwendbar, wenn der Prozeß zwar noch nicht stofftransportgehemmt abläuft, jedoch durch den reaktionsbedingten Konzentrationsabbau in der Zelle die Überspannungen ansteigen und damit den spezifischen Elektroenergieverbrauch erhöhen. Ein spezielles Einsatzgebiet liegt z. B. in der organischen Elektrosynthese, bei der vielfach Reaktionen mit geringen Depolarisatorkonzentrationen zu realisieren sind.The invention relates to an electrolytic cell consisting of a plurality of monopolar or bipolar subcells for carrying out electrode reactions, which are preceded by relatively slow mass transport steps of the reacting component from the electrolyte phase to the electrode surface or are slowed down kinetically due to concentration decreases. The invention is preferably applicable to prevent the occurrence of diffusion limit currents and the associated limitation of the space-time yield, or the increase of the specific electrical energy consumption. It is also applicable if the process is not yet material-transport inhibited, but increase by the reaction-induced concentration degradation in the cell, the surges and thus increase the specific electrical energy consumption. A special application is z. B. in organic electrosynthesis, in which reactions are to be realized with low Depolarisatorkonzentrationen many times.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Industrielle Elektrolysezellen und die Prozeßbedingungen der Elektrolyse werden so konzipiert, daß bei möglichst hohen Stromausbeuten und Raum-Zeit-Ausbeuten möglichst geringe Zellspannungen vorliegen. Durch die Zusammenschaltung vieler Teilzellen erfolgt ein vielfach schrittweiser Konzentrationsabbau der elektrochemisch umzusetzenden Komponenten, der sich in unterschiedlicher Weise auf die einzelnen Teilspannungsabfälle auswirkt. Im Normalfall werden mit kleiner werdenden Depolarisationskonzentrationen die Durchtrittsüberspannungen erhöht. Auch die spezifische elektrische Leitfähigkeit der Elektrolyten wird bei Konzentrationsabnahme meist geringer, sofern kein Leitelektrolyt einsetzbar ist. Eine gravierende Erhöhung der Überspannung tritt auf, wenn die Konzentration der reagierenden Komponente an der Elektrodenoberfläche wegen der im Verhältnis zur Reaktionsgeschwindigkeit zu geringen Stoffübergangsgeschwindigkeit zwischen Elektrolytphase und Elektrodenoberfläche nach null geht und das Gebiet des Diffusionsgrenzstromes erreicht wird. Da der Diffusionsgrenzstrom der Depolarisatorkonzentration in der Elektrolytphase proportional ist, besteht bei zu starker Konzentrationsabnahme in der Zelle die Gefahr des Auftretens dieser energetisch ungünstigen und die Kapazität der Zelle beeinflussenden Bedingungen. Da der Konzentrationseinfluß im Zusammenhang mit dem Auftreten von Diffusionsgrenzströmen am deutlichsten erkennbar wird, erfolgt die Charakterisierung bekannter technischer Lösungen vor allem unter diesem Aspekt.Industrial electrolysis cells and the process conditions of the electrolysis are designed so that the lowest possible cell voltages are present at the highest possible current yields and space-time yields. The interconnection of many sub-cells is often a gradual reduction in concentration of the electrochemically reacted components, which affects in different ways on the individual partial voltage drops. Normally, the penetration overvoltages are increased with decreasing depolarization concentrations. The specific electrical conductivity of the electrolyte is usually lower in concentration decrease, if no conducting electrolyte can be used. A serious increase in the overvoltage occurs when the concentration of the reacting component at the electrode surface is zero due to the too low in relation to the reaction rate of the mass transfer rate between the electrolyte phase and the electrode surface and the area of the diffusion limiting current is reached. Since the diffusion limiting current of the depolarizer concentration in the electrolyte phase is proportional, there is a risk of the occurrence of these energetically unfavorable and the capacity of the cell influencing conditions at excessive concentration decrease in the cell. Since the influence of concentration in connection with the occurrence of diffusion limit currents is most clearly recognizable, the characterization of known technical solutions takes place above all from this aspect.

Es sind bereits verschiedene Typen von Elektrolysezellen bekannt, deren Gestaltung speziell unter dem Gesichtspunkt der Beschleunigung des Stofftransportes zwischen Elektrolyt und Elektrodenoberfläche erfolgte. Dabei werden zwei generell unterschiedliche Entwicklungsrichtungen deutlich, die sich aus den Gesetzmäßigkeiten des Stoffübergangs durch Phasengrenzflächen ableiten lassen, (s. z.B. Franke, L.; Hertwig, K.; Kardos, J. u. Wiesener, K.: Elektrochemische Technologie und Verfahrenstechnik, Kapitel 3.1,4.2 und 4.3, Akademie-Verlag Berlin, 1984). Eine erste Richtung orientiert darauf, in Zellen mit Plattenelektroden durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Elektrolyten entlang der Elektrodenoberfläche große Stoffübergangskoeffizienten und damit auch hohe Diffusionsgrenzströme zu erreichen. Damit tritt vielfach der Nachteil hoher Druckverluste und folglich zusätzlicher Energiekosten auf. Bei der meist notwendigen elektrischen Verschaltung mehrerer Teilzellen, verbunden mit einer Kaskadenschaltung hinsichtlich der Elektrolytströmung, kommt es zu einer Verarmung der reagierenden Komponente, die zu Grenzstrombedingungen führen kann. Andererseits ist im Interesse eines möglichst hohen Umsatzes und der Vermeidung hoher Aufwendungen bei der Abtrennung nicht umgesetzter Einsatzstoffe eine geringe Austrittskonzentration erwünscht. Bei der Konzipierung von hintereinandergeschalteten Teilzellensystemen machen sich deshalb Kompromisse erforderlieh, die einerseits zu hohen Umsätzen, andererseits aber zu vertretbaren Energiekosten für die Erzeugung notwendiger Strömungsverhältnisse mit dem Ziel der Vermeidung von Grenzströmen führen.There are already known various types of electrolysis cells whose design was carried out especially from the point of view of accelerating the mass transport between the electrolyte and the electrode surface. Two generally different directions of development become apparent, which can be deduced from the laws of mass transfer through phase interfaces (see, for example, Franke, L .; Hertwig, K. Kardos, J. and Wiesener, K .: Electrochemical Technology and Process Engineering, Chapter 3.1 , 4.2 and 4.3, Akademie-Verlag Berlin, 1984). A first direction is based on achieving high mass transfer coefficients and thus also high diffusion limit currents in cells with plate electrodes due to high flow velocities of the electrolyte along the electrode surface. This often results in the disadvantage of high pressure losses and consequently additional energy costs. In the most necessary electrical interconnection of several sub-cells, connected to a cascade circuit with respect to the electrolyte flow, there is a depletion of the reacting component, which can lead to limiting current conditions. On the other hand, a low exit concentration is desired in the interests of the highest possible conversion and the avoidance of high expenses in the separation of unreacted starting materials. In the design of series-connected sub-cell systems, therefore, compromises are required which, on the one hand, lead to high conversions but, on the other hand, to justifiable energy costs for generating necessary flow conditions with the aim of avoiding limiting currents.

Hohe Turbulenzen lassen sich auch dadurch erreichen, daß bei Aufrechterhaltung der Kaskadenschaltung der Elektrolyt im Kreislauf gefördert wird. Dabei kann man durch entsprechende Förderleistungen nahezu beliebig hohe Stoffübergangskoeffizienten erreichen. Der Nachteil besteht jedoch bei stationärem Betrieb darin, daß die Konzentrationsänderungen über die gesamte Zelle gering sind und damit die Aufwendungen für die Produktabtrennung steigen. Bei diskontinuierlicher Fahrweise lassen sich dagegen hohe Umsätze erreichen. Allerdings ist man dann mit den bekannten Problemen des Chargenbetriebes konfrontiert. In jedem Fall hat man zusätzliche Energiekosten und apparativen Aufwand für die Realisierung des Kreislaufes in Rechnung zu stellen. Weitere Möglichkeiten der Turbulenzerhöhung liegen in der Anwendung bewegter Elektroden (rotierende Scheiben oder Zylinder, Rüttel-Vibrationselektrodeh), für die einige spezielle Einsatzfälle bekannt sind. Hohe Stoffübergängskoeffizienten werden in solchen Fällen durch den bei Elektrolysezellen nachteiligen Einsatz mechanisch bewegter Bauteile erzielt. Eine zweite prinzipielle Möglichkeit zur Erhöhung der auf das Zellenvolumen bezogenen Stoffübergangsgeschwindigkeit reagierender Komponenten aus der Elektrolytphase an die Elektrodenoberfläche besteht in der Schaffung hoher spezifischer Phasengrenzflächen (Elektrodenoberflächen). Hierzu zählen Zellen mit porösen Elektroden sowie Festbett- und Wirbelschichtzellen, bei denen gegenüber plattenförmigen Elektroden um zwei bis drei Größenordnungen höhere spezifische Phasengrenzflächen erreicht werden können.High turbulences can also be achieved by conveying the electrolyte in the circuit while maintaining the cascade connection. It can be achieved by appropriate flow rates almost arbitrarily high mass transfer coefficients. The disadvantage, however, in stationary operation is that the concentration changes over the entire cell are low and thus increase the cost of product separation. With discontinuous driving, however, high sales can be achieved. However, one is then confronted with the known problems of batch operation. In any case, one has to charge additional energy costs and equipment costs for the realization of the cycle. Other possibilities for increasing the turbulence are the use of moving electrodes (rotating disks or cylinders, vibrating vibration electrodes), for which some special applications are known. High mass transfer coefficients are achieved in such cases by the disadvantageous in electrolysis cells use of mechanically moving components. A second principal possibility for increasing the cell volume-related mass transfer rate of reacting components from the electrolyte phase to the electrode surface is to provide high specific phase interfaces (electrode surfaces). These include cells with porous electrodes as well as fixed-bed and fluid-bed cells in which, compared to plate-shaped electrodes, two to three orders of magnitude higher specific phase boundary surfaces can be achieved.

Diese Zellen besitzen jedoch den Nachteil, daß sehr ungleichmäßige Verteilungen der Stromdichte innerhalb solcher Elektrodensysteme auftreten können und daß wegen der gegenüber Plattenelektroden beträchtlichen Ausdehnung von Partikelelektroden in der dritten Dimension auch mit erheblichen Spannungsverlusten in der Elektrode zu rechnen ist. Bei einigen relativ aufwendigen Sonderkonstruktionen (z.B. Swiss-Roll-Cell, Kapillarspaltzelle — ebenfalls in der o.g. Monographie beschrieben) wird durch sehr geringe Elektrodenabstände und eine hohe Packungsdichte ebenfalls eine große Elektrodenfläche pro Zellenvolumen realisiert, ohne allerdings die Werte der Partikelelektroden zu erreichen.However, these cells have the disadvantage that very non-uniform distributions of the current density can occur within such electrode systems and that due to the considerable expansion of particle electrodes in the third dimension compared to plate electrodes is expected to significant voltage losses in the electrode. In some relatively complex special constructions (for example Swiss-Roll-Cell, capillary gap cell - also described in the above-mentioned monograph), a large electrode area per cell volume is also realized by very small electrode spacings and a high packing density, without, however, achieving the values of the particle electrodes.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Es ist das Ziel der Erfindung, unter Beibehaltung einfachster Konstruktionsprinzipien des Elektrolysezellenbaus und mit geringem Aufwand die Raum-Zeit-Ausbeute von elektrochemischen Reaktoren ohne gleichzeitigen Anstieg des spezifischen Elektroenergieverbrauches zu verbessern.It is the object of the invention to improve the space-time yield of electrochemical reactors without increasing the specific electrical energy consumption while maintaining the simplest design principles of electrolysis cell construction and with little effort.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mono- oder bipolar-arbeitende, aus mehreren Teilzellen bestehende Elektrolysezelle zu schaffen, in der auch bei beträchtlicher Verarmung der reagierenden Komponenten das Auftreten von Diffusionsgrenzströmen und damit ein unerwünschter Anstieg des spezifischen Elektroenergieverbrauches bzw. eine Begrenzung der Zellenkapazität vermieden werden. Als Bezugsbasis ist dabei die üblicherweise verwendete Zelle mit Hintereinanderschaltung der Stoffströme von Teilzelle zu Teilzelle heranzuziehen.The invention has for its object to provide a mono- or bipolar-working, consisting of several sub-cells electrolytic cell, in which even with considerable depletion of the reacting components, the occurrence of diffusion limit currents and thus an undesirable increase in the specific electric energy consumption or a limitation of the cell capacity be avoided. In this case, reference should be made to the cell usually used with series connection of the material flows from subcell to subcell.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein Elektrolytraum (d. h. Katoden- und/oder Anodenraum) jeder Teilzelle i mit Hilfe einer undurchlässigen, vorzugsweise nichtleitenden Wand in jeweils zwei Teilreaktionsräume A, und Bj aufgeteilt ist. Die Teilreaktionsräume sind bezüglich der Stoffströme in folgender Reihenfolge hintereinandergeschaltet: Raum A₁, A₂, ...,A_n, B_n; B_n-i,..., B₁. Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die den Teilreaktionsräumen A] und B-, zugeordneten Elektrodenflächen elektrisch leitend verbunden, vorzugsweise durchgängig gestaltet sind.This object is achieved in that at least one electrolyte space (ie, cathode and / or anode compartment) of each subcell i is divided by means of an impermeable, preferably non-conductive wall in each case two partial reaction chambers A, and Bj. The partial reaction spaces are cascaded with respect to the material flows in the following order: Room A ₁ , A ₂ ,..., A _n , B _n ; B _n i, ..., _B1. Another essential feature of the invention is that the partial reaction spaces A] and B-, associated electrode surfaces electrically connected, preferably designed to be continuous.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Teilreaktionsräume Aj und Bj nach dem Prinzip der Plattenzelle aufgebaut oder mit Partikelelektroden ausgerüstet.In an advantageous embodiment of the invention, the partial reaction spaces Aj and Bj are constructed according to the principle of the plate cell or equipped with particle electrodes.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist das Größenverhältnis der Teilreaktionsräume Aj und B₁ und damit das Größenverhältnis ihrer zugeordneten Elektrodenflächen durch den Wert der in den Teilreaktionsräumen zu realisierenden elektrischen Stromstärke bestimmt. Durch die erfindungsgemäße Lösung werden in den Teilreaktionsräumen A₁ jeweils höhere Konzentrationen der umzusetzenden Komponente als in den Teilreaktionsräumen Bj vorliegen. Am größten ist die Differenz zwischen den Teilreaktionsräumen A₁ (Elektrolyteintritt) und Bi (Elektrolytaustritt). Dadurch tritt der gewünschte Effekt auf, daß an dieser Stelle auch die Teilströme die größten Unterschiede aufweisen, da im Raum B₁ mit der geringsten Konzentration im gesamten Zellensystem auch am ehesten der Diffusionsgrenzstrom erreicht werden kann, während diese Bedingungen im Raum A₁ wegen des noch geringen Umsatzes nicht vorliegen. Da die Konzentration des Depolarisator von A₁ bis A_n abnimmt, von B₁ bis B_n (entgegen der Elektrolytströmung) aber zunimmt, liegen in jeder Teilzelle zwar von 1 bis η kleiner werdende aber immer so wirkende Konzentrationsdifferenzen vor, daß sich für die Räume A, ein größerer und für die Räume B; ein kleinerer Anteil des elektrischen Stromes ergibt, wobei jedoch die allgemein angestrebte und bei bipolaren Zellensystemen unabdingbare Voraussetzung eines konstanten Gesamtstromes für jede Teilzelle gegeben ist. In dieser allein durch gezielte Prozeßbedingungen erreichten Aufteilung des Stromes liegt der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung, weil dadurch Grenzstrombedingungen vermieden oder erst bei wesentlich kleineren Austrittskonzentrationen (im Vergleich zur einfachen Hintereinanderschaltung der Elektrolyträume) auftreten.In another embodiment of the invention, the size ratio of the partial reaction spaces Aj and B ₁ and thus the size ratio of their associated electrode surfaces is determined by the value of the electrical current to be realized in the partial reaction chambers. As a result of the solution according to the invention, higher concentrations of the component to be reacted than in the partial reaction chambers Bj are present in the partial reaction chambers A _{1 in} each case. The greatest difference is between the partial reaction chambers A ₁ (electrolyte inlet) and Bi (electrolyte outlet). As a result, the desired effect occurs that at this point, the sub-streams have the largest differences, since in space B ₁ with the lowest concentration in the entire cell system and the diffusion limit flow most likely can be achieved while these conditions in space A ₁ because of the low sales are not present. Since the concentration of the depolarizer decreases from A ₁ to A _n , but increases from B ₁ to B _n (contrary to the flow of electrolyte), in each subcell there are indeed from 1 to η decreasing but always so acting concentration differences that for the rooms A, a larger and for the rooms B; a smaller proportion of the electric current results, but the generally desired and indispensable in bipolar cell systems condition of a constant total current is given for each subcell. In this alone achieved by specific process conditions division of the current is the main advantage of the invention, because thereby avoided limiting current conditions or occur only at much smaller outlet concentrations (compared to the simple series connection of the electrolyte spaces).

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dazu wird eine bipolare Elektrolysezelle für die katodische Reduktion von Nitrobenzen, die nach dem Filterpressenprinzip aufgebaut ist, herangezogen. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle (Fig. 1), wobei Details, die die Erfindung nicht betreffen (Verschraubung des Zellensystems, Gestaltung der Stromzuführungen, konstruktive Maßnahmen zur Turbulenzerhöhung der Katolytströmung usw.), im Interesse der Übersichtlichkeit weggelassen wurden.'The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. For this purpose, a bipolar electrolytic cell for the cathodic reduction of nitrobenzene, which is constructed according to the filter press principle, used. The accompanying drawing shows a schematic representation of the electrolytic cell according to the invention (FIG. 1), details which are not relevant to the invention (screwing of the cell system, design of the power supply lines, constructive measures for increasing the turbulence of the catholyte flow, etc.) have been omitted in the interests of clarity.

In einer mittels Ionenaustauschermembran geteilten Zelle wird Nitrobenzen, das in 25%iger Schwefelsäure gelöst ist, an Kupferkatoden reduziert. An Plattenanoden aus Bleidioxyd wird Sauerstoff entwickelt. Als Anolyt wird ebenfalls 25%ige Schwefelsäure verwendet.In a cell divided by an ion exchange membrane, nitrobenzene dissolved in 25% sulfuric acid is reduced to copper cathodes. Oxygen is developed on plate anodes made of lead dioxide. As anolyte 25% sulfuric acid is also used.

Die erfindungsgemäße Gestaltung der Elektrolytströmung wird im vorliegenden Beispiel für die Katodenräume realisiert, weil nur die katodische Reaktion stofftransportgehemmt ablaufen kann. Dagegen ist die gasentwickelnde Anodenreaktion durch vergleichsweise hohe Stoffübergangskoeffizienten gekennzeichnet, so daß die Teilzellen elektrolytseitig parallel geschaltet werden und der sauerstoffbeladene Elektrolyt jeweils oben abgezogen wird.The inventive design of the electrolyte flow is realized in the present example for the cathode chambers, because only the cathodic reaction can proceed material transport inhibited. By contrast, the gas-developing anode reaction is characterized by comparatively high mass transfer coefficients, so that the partial cells are connected in parallel on the electrolyte side and the oxygen-laden electrolyte is drawn off at the top.

Fig. 1 zeigt die Elektroden 1 und 2 für die Stromzu- und abführung sowie die bipolar wirkenden Elektroden 3, die aus einem elektrisch leitenden Verbund von Anode und Katode bestehen. Die Membran 4 trennt Anoden- und Katodenraum. Die Katodenräume der Teilzellen 1 bis 10 sind durch eine dichte Wand 5 in jeweils zwei Teilreaktionsräume A und B geteilt. Der Katolyt tritt in den RaUmA₁ ein wird von dort in Reihe bis Ai₀, dann nach Bi₀ und weiter in Reihe bis Bi geführt. In gleicher Folge sinkt die Konzentration von Nitrobenzen als der das Katodenpotential beeinflussenden Komponente ab. In einer Teilzelle sind also erfindungswesentliche Maßnahme jeweils eine hohe und niedrige Konzentration gepaart. Die Elektroden sind durchgängig gestaltet, so daß sich der durch die Zelle fließende Gesamtstrom entsprechend den vorliegenden Konzentrationsverhältnissen auf die Teilreaktionsräume aufteilt.Fig. 1 shows the electrodes 1 and 2 for the power supply and discharge and the bipolar electrodes 3, which consist of an electrically conductive composite of anode and cathode. The membrane 4 separates anode and cathode space. The cathode chambers of the sub-cells 1 to 10 are divided by a dense wall 5 into two partial reaction spaces A and B, respectively. The catholyte enters the RaUmA ₁ is from there in series to Ai ₀ , then led to Bi ₀ and further in series to Bi. In the same sequence, the concentration of nitrobenzene decreases as the component influencing the cathode potential. In a subcell so measure essential to the measure each high and low concentration are paired. The electrodes are designed to be continuous, so that the total current flowing through the cell is distributed among the partial reaction spaces in accordance with the prevailing concentration ratios.

Im Anwendungsbeispiel wurde von 10 Teilzellen mit einer Elektrodenfläche von je 0,5 m² ausgegangen. Die Eintrittskonzentration des Nitrobenzens beträgt c°C = 8,50mol m~³; die mittlere Stromdichte liegt bei i = lOOArrT². Bei einem Elektrolytdurchsatz von V = 2,778 · 10~⁴m³s~¹ beträgt der Stoffübergangskoeffizient zwischen Elektrolytphase und Elektrodenoberfläche bei der im Anwendungsbeispiel vorliegenden Konstruktion des Katodenraumes β = 7,01 10"⁵ms~¹. Die Zellspannung setzt sich aus den Teilspannungsabfällen innerhalb beider Elektrolytphasen (Anoden- und Katodenraum), aus dem Spannungsabfall innerhalb der Ionenaustauschermembran sowie den Elektrodenpotentialen zusammen. Spannungsabfälle innerhalb der Elektroden sind bei dieser bipolaren Zelle vernachlässigbar gering.In the application example, 10 partial cells with an electrode area of 0.5 m ² each were assumed. The entry concentration of nitrobenzene is c ° C = 8.50 mol m ~ ³ ; the average current density is i = 100ArrT ² . With an electrolyte flow rate of V = 2.778 · 10 ^-4 m ³ s ^-1, the mass transfer coefficient between the electrolyte phase and the electrode surface is β, in the present in the application example construction of the Katodenraumes = 7.01 10 ^"5 ms ^-1. The cell voltage is composed of the partial voltage drops within both electrolyte phases (anode and cathode space), from the voltage drop within the ion exchange membrane and the electrode potentials together, voltage drops within the electrodes are negligible in this bipolar cell.

Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse für die gemäß der erfindungsgemäßen Lösung gestalteten Zelle (geteilte Zelle). Der Umsatz des Nitrobenzens beträgt 54,8%; die Gesamtzellspahnung der bipolaren Zelle liegt bei Uz_ges = 40,03 V. Die auf die Räume A und B der jeweiligen Teilzelle aufgeteilten Ströme liegen deutlich unterhalb des Grenzstrombereiches.Table 1 shows the results for the cell designed according to the solution (divided cell). The conversion of nitrobenzene is 54.8%; the total cell penetration of the bipolar cell is Uz _ges = 40.03 V. The currents divided into the spaces A and B of the respective subcell lie clearly below the limiting current range.

Stellt man dieser Variante eine herkömmliche bipolare Zelle aus 10 ungeteilten Teilzellen mit Kaskadenschaltung des Elektrolytdurchflusses gegenüber, dann wird der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung deutlich und für das Anwendungsbeispiel quantifizierbar. Für gleiche Eintrittsbedingungen sind die Ergebnisse in Tabelle 2 dargestellt. Die Gesamtzellspannung liegt bei gleichem Umsatz mit U_Zges = 42,5V um 2,47V höher als bei der geteilten Zelle. In beiden Fällen sind realisierbare Bedingungen vorhanden, bei denen die Stromdichten in allen Teilzellen unterhalb der Grenzstromdichte liegen. Allerdings wird auch deutlich, daß eine Kapazitätserhöhung durch Vergrößerung des Zellenstromes bei der ungeteilten Zelle ausgeschlossen ist, weil in der letzten Teilzelle der Diffusionsgrenzstrom fast erreicht ist. Die entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung gestaltete Zelle bietet dagegen Kapazitätsreserven, denn Grenzströme werden in keiner der Teilzellen angenähert. Eine Erhöhung der mittleren Stromdichte auf! = 110Am^-2 bei gleicher Zellengeometrie und unveränderten hydrodynamischen Bedingungen in der geteilten Zelle ist realisierbar (Austrittskonzentration des Nitrobenzens c = 3,67 moliTT³, U_Zges = 45,66V). Für die ungeteilte Zelle ergibt eine Vorausberechnung in den letzten beiden Teilzellen eine Diffusionsgrenzstromdichte, die unter der erforderlichen Stromdichte liegt. Die Kapazitätserhöhung ist also ohne Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung nicht realisierbar.If this variant is compared with a conventional bipolar cell comprising 10 undivided partial cells with cascade connection of the electrolyte flow, the advantage of the solution according to the invention becomes clear and can be quantified for the application example. For equal entry conditions, the results are shown in Table 2. The total cell _voltage is at the same conversion with U _Zge s = 42.5V by 2.47V higher than in the divided cell. In both cases there are realizable conditions in which the current densities in all sub-cells are below the limiting current density. However, it is also clear that a capacity increase by increasing the cell current is excluded in the undivided cell, because in the last part of the cell diffusion limit current is almost reached. The cell designed according to the solution according to the invention, on the other hand, offers reserve capacity, because limit currents are not approximated in any of the subcells. An increase in the average current density! = 110Am ^-2 with the same cell geometry and unchanged hydrodynamic conditions in the divided cell is feasible (outlet concentration of the nitrobenzene c = 3.67 moliTT ³ , U _Zge s = 45.66V). For the undivided cell, a prediction in the last two sub-cells gives a diffusion limit current density that is below the required current density. The capacity increase is therefore not feasible without application of the inventive solution.

Tabelle 1Table 1 Stromdichtecurrent density Grenzstromlimiting current Konz. desConc Zellcell Teilzelle mitSubcell with Am"² At the " ² dichte Am"² Dense On " ² Nitrobenzensnitrobenzene spannungtension Katodenraum-Nr.Cathode compartment no. molrrr³ molrrr ³ VV 148148 221221 8,158.15 3,783.78 A,A, 143143 212212 7,827.82 3,853.85 A₂ A ₂ 138138 203203 7,507.50 3,913.91 A₃ A ₃ 133133 195195 7,197.19 3,963.96 A₄ A ₄ 128128 187187 6,896.89 4,014.01 A₆ A ₆ 123123 179179 6,606.60 4,054.05 A₆ A ₆ 118118 171171 6,336.33 4,094.09 A₇ A ₇ 113113 164164 6,066.06 4,114.11 A₈ A ₈ 108108 157157 5,815.81 4,134.13 AgAg 103103 151151 5,575.57 4,144.14 Aioaio 9797 145145 5,355.35 4,144.14 BioBio 9292 139139 5,145.14 4,134.13 Bgbg 8787 134134 4,934.93 4,114.11 B₈ B ₈ 82·82 · 128128 4,744.74 4,094.09 B₇ B ₇ 7777 123123 4,564.56 4,054.05 B₆ B ₆ 7272 119119 4,404.40 4,014.01 B₆ B ₆ 6767 115115 4,244.24 3,963.96 B₄ B ₄ 6262 111111 4,104.10 3,913.91 B₃ B ₃ 5757 107107 3,963.96 3,853.85 B₂ B ₂ 5252 104104 3,843.84 3,783.78 BiBi

Tabelletable

Teilzellesubcell

Stromdichtecurrent density Grenzstromlimiting current Konz. desConc Zellcell Am"² At the " ² dichte Am"² Dense On " ² Nitrobenzensnitrobenzene spannungtension mol m~³ mol m ~ ³ VV 218218 8,038.03 3,063.06 205205 7,577.57 3,203.20 192192 7,107.10 3,353.35 180180 6,646.64 3,533.53 167167 6,176.17 3,743.74 100100 . 154, 154 5,705.70 3,993.99 142142 5,245.24 4,304.30 129129 4,714.71 4,744.74 116116 4,304.30 5,425.42 104104 3,843.84 7,177.17

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Claims (3)

1. Elektrolysezelle für stofft ran sportgehemmte oder durch Kohzentrationsabnahmen kinetisch verlangsamte Elektrodenreaktionen, bestehend aus n> 2 monopolaren oder bipolaren Teilzellen, gekennzeichnet dadurch, daß1. electrolytic cell for stofft ran sports inhibited or by Kohzentrationsabnahmen kinetically slowed electrode reactions, consisting of n> 2 monopolar or bipolar sub-cells, characterized in that — mindestens ein Elektrolytraum jeder Teilzelle i mit Hilfe einer undurchlässigen, vorzugsweise nichtleitenden Wand in jeweils zwei Teilreaktionsräume A, und B, aufgeteilt ist, die bezüglich der Stoffströme in folgender Reihenfolge hintereinandergeschaltet sind: RaUmA^A₂₁₁-A_n, B_n, B_n_·,, ...B₁,und- At least one electrolyte space of each subcell i with the aid of an impermeable, preferably non-conducting wall in two partial reaction chambers A, and B, is divided, which are connected in series with respect to the streams in the following order: RaUmA ^ A ₂₁₁ -A _n , B _n , B _n _ · ,, ... B ₁ , and — die den beiden Teilreaktionsräumen A, und B, zugeordneten Elektrodenflächen elektrisch leitend verbunden, vorzugsweise durchgängig gestaltet sind.- The two partial reaction spaces A, and B, associated electrode surfaces electrically conductively connected, preferably designed to be continuous. 2. Elektrolysezelle nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Teilreaktionsräume nach dem Prinzip der Plattenzelle aufgebaut oder mit Partikelelektroden ausgerüstet sind.2. electrolytic cell according to item 1, characterized in that the partial reaction chambers are constructed according to the principle of the plate cell or equipped with particle electrodes. 3. Elektrolysezellen nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Größenverhältnis der Teilreaktionsräume und damit das Größenverhältnis ihrer zugeordneten Elektrodenflächen durch den Wert der in den Teilreaktionsräumen zu realisierenden elektrischen Stromstärke bestimmt ist.3. electrolytic cells according to item 1 or 2, characterized in that the size ratio of the partial reaction chambers and thus the size ratio of their associated electrode surfaces is determined by the value of to be realized in the partial reaction chambers electric current.