DE19823463C2 - Vorrichtung zum Abdichten einer Deckplatte und deren Verwendung für eine Elektrolysezelle - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung in einer Elektrolysezelle zum Abdichten einer Deckplatte für die Elektrolysezelle, bei der eine Deckplatte mittels eines Balgs mit einem Steigelement verbunden ist.

Bei einer modernen elektrochemischen Zelle entsprechend dem Diaphragma-Verfahren wird Anoden über Steigelemente, die den Anoden in der Zelle zugeordnet sind (s. Fig. 1), Strom zugeführt. Die Steigelemente sind in der Zellenbasis verankert, die gewöhnlich aus dickem Kupferblech besteht. Der Elektrodenstrom wird durch das dicke Kupferblech verteilt, das die Zellenbasis bildet. Das Anodensteigelement ist bis zu einem bestimmten Drehmoment, das im Bereich von 60-70 Nm liegen kann, durch Schraubmuttern in die Basis eingeschraubt, und es ist so eingestellt, daß der Anpreßdruck zwischen einem vorstehenden Ansatz am Steigelement und der Basis einen permanenten und guten Kontakt bietet. Die Kupferbasis ist gewöhnlich durch eine flexible Gummimatte gegen innerhalb der Zelle auftretende Korrosion geschützt. Diese Konstruktion ist sicher und kostengünstig, und sie wurde für viele Jahre als weltweiter Standard angesehen. Die Anzahl der sich in Betrieb befindlichen Zellen dieses Konstruktionstyps übersteigt 10.000 und die entsprechende Anzahl von Anoden in diesen Zellen beträgt mehr als eine Million.

Da Gummimatten eine begrenzte Nutzungsdauer von durch­ schnittlich etwa einem Jahr aufweisen, wurden sie in den letzten Jahren immer öfter durch eine aus Titan bestehende Deckplatte ersetzt (s. Fig. 2). Die Abdichtung zwischen der Titanplatte und dem Steigelement ist in diesem Fall durch eine spezielle Dichtung hergestellt. Es wurden Versuche unternommen, die Deckplatte durch Schweißen direkt am Steigelement anzubringen.

Die oben beschriebene elektrochemische Zelle wird im allgemeinen zur Chlorerzeugung verwendet. Bei dieser elektro­ chemischen Erzeugung wird geeigneterweise ein zwischen der Anode und der Kathode angeordnetes Diaphragma verwendet, um einen Anodenbereich und einen Kathodenbereich zu trennen. Diese Trennung kann auch durch Verwendung halbdurchlässiger und/oder ionenselektiver Membranen im Elektrolyten verwendet werden. Es wurden Asbest-Diaphragmen verwendet, welche jetzt jedoch durch asbestfreie Diaphragmen ersetzt werden. Diese asbestfreien Diaphragmen sind erheblich kostspieliger als die Vorgänger, sie haben jedoch eine Nutzungsdauer von mehr als 5 Jahren, die also 4-5 mal höher ist als bei herkömmlichen asbestfreien Diaphragmen. Die Erwartungen der Betreiber von Diaphragma-Zellen, bei denen asbestfreie Diaphragmen verwen­ det werden, wachsen weltweit. Die erfolgreichen Versuche mit diesem Diaphragma-Typ haben dazu geführt, daß sie heute als die beste verfügbare Technologie bezeichnet werden. Ein wichtiges verbleibendes Hindernis für die neue Technologie ist die Nutzungsdauer der Dichtung zwischen dem Anodensteigelement und der Zellenbasis.

Ein Kontaktentwurf bei einer Konstruktion, bei der die Zellenbasis durch eine Gummimatte (Fig. 1) geschützt ist, bringt es mit sich, daß die Zelle 1-1,5 mal im Jahr geöffnet werden muß, um die Dichtung auszutauschen, was gut der Nut­ zungsdauer von Asbest-Diaphragmen, jedoch nicht derjenigen bei Verwendung asbestfreier Diaphragmen entspricht, die eine Lebensdauer von etwa 5 Jahren aufweisen. Es ist ein schwieri­ ger Vorgang, eine Zelle zu öffnen, ohne das Diaphragma zu beschädigen. Die Lebensdauer des Diaphragmas und die Lebens­ dauer der Dichtung müssen daher synchronisiert sein. Wenn­ gleich dies in gewissem Maße verbessert wurde, beispielsweise dadurch, daß die Gummimatte durch eine Deckplatte (Fig. 2) und eine Dichtung (die beispielsweise aus einem Polymer bestehen kann) ersetzt wurde, bleibt dennoch das Problem, daß die verbleibende Dichtung die Lebensdauer des neuen und kostspieligen asbestfreien Diaphragmas begrenzt, da lediglich eine lecke Dichtung (von normalerweise 80-100 Dichtungen) ausreichend ist, um die Zelle zu schließen und sie betriebs­ unfähig zu machen. Ein weiterer erschwerender Faktor besteht darin, daß die Anoden infolge der Größe der elektrochemischen Zellen am Einsatzort in den Zellen befestigt werden müssen.

EP-A1-0 014 595 betrifft eine elektrochemische Zelle zur Erzeugung von Chloralkali. Diese Zelle beinhaltet ein an einer Zellenbasis angebrachtes Steigelement sowie eine Deck­ platte, die direkt an einen Flansch des Steigelements ange­ schweißt ist. Abgesehen von der Neigung zum Brechen infolge der Ausdehnungskraft (in der Zellenbasis tritt zwischen Titan und Kupfer ein Unterschied von etwa 2 mm in der Längsausdeh­ nung auf) weist die Erfindung gemäß EP-A1-0 014 595 weiterhin den Nachteil auf, daß es schwierig und kostspielig war, ein am Verwendungsort, also am Befestigungsort, stattfindendes Schweißen durchzuführen. Die gewerbliche Anwendung von EP-A1-0 014 595 war sehr begrenzt.

Mit der Vorrichtung gemäß der vorlie­ genden Erfindung wurden die oben erwähnten Probleme durch Abdichten einer Deckplatte für eine Elektrolysezelle gelöst.

Die Lösung erfolgt mit den Merkmalen der Patentansprüche.

Durch die vorliegende Erfindung werden die Probleme des Brechens in der Konstruktion gelöst, und sie hat den Vorteil, als flexibler und elastischer Übergang zwischen dem Anodensteigelement und der Zellenbasis bzw. der Deckplatte zu wirken. Die Erfindung bietet eine zuverlässige Dichtung mit einer Nutzungsdauer, die diejenige der eigentlichen Zelle übersteigt. Weitere Vorteile bestehen darin, daß die Zelle unter aktiven Nutzungsbedingungen verhältnismäßig leicht aber vor allem sicher am Einsatzort zusammengeschweißt werden kann. Bei der Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung können einzelne Moden nun leicht ausgetauscht werden.

Die vorliegende Erfindung kann sowohl auf neu herge­ stellte als auch auf bestehende Konstruktionen mit Deckplat­ ten angewendet werden. Die Deckplatte besteht in geeigneter Weise aus Titan und kann beispielsweise mit Ruthenium und/oder Palladium legiert sein, und sie hat vorzugsweise eine zwischen 0,7 mm und etwa 1,5 mm liegende Dicke, oder sie kann mit einer vorzugsweise auf Platinmetall oder seinen Oxiden beruhenden geeigneten Schutzschicht überzogen sein. Ein großer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Deckplatte an allen Stellen, an denen Anoden angeordnet werden müssen, mit Löchern versehen sein kann. Bei dieser Ausführungsform wurde vorzugsweise auch ein Balg oder ein Teil eines Balgs an die Deckplatte angeschweißt. Der Montagevorgang ist auf diese Weise stark vereinfacht, und er kann direkt am Montageort stattfinden.

Erfindungsgemäß ist eine weitere Platte aus einem dünnen elastischen Material gepreßt, das als Balg wirkt. Die Dicke des Metallblechs des Balgs liegt geeig­ neterweise im Bereich zwischen etwa 0,2 mm und etwa 1,0 mm und vorzugsweise zwischen etwa 0,4 mm und etwa 0,7 mm. Der Balg besteht geeigneterweise aus Titan, das vorzugsweise mit einer oder mehreren der Substanzen Palladium, Ruthenium und/oder Molybdän legiert ist, wodurch eine Korrosion an den Schweißverbindungen verhindert wird. Indem vorzugsweise ein Balg aus einem dünnen Material und geeigneterweise mit einer bestimmten Form verwendet wird, können seitliche Kräfte infolge der Wärmeausdehnung usw. absorbiert werden, ohne daß die auf die Schweißverbindung wirkenden Spannungen unzuläs­ sige Werte erreichen.

Der Balg kann auf verschiedene Arten ausgelegt sein. Der Balg hat wenigstens einen vorstehenden Teil, der geeigneterweise z. B. durch Pressen eines flachen Metallblechs als Ausgangsmaterial hergestellt wird. Das Formen oder Prägen kann durch Tiefziehen, heißes Formen, Vakuumformen usw. vorgenommen werden. Der Balg weist geeigneterweise mehrere gefaltete Abschnitte auf, die eine Anzahl durch mehrere Einpressungen in ein Metallblech erzeugter vorstehender Teile bilden. Der gefaltete Balg kann auf diese Weise die Form des Buchstabens S oder Z aufweisen oder durch mehrere Faltungen mehrere aufeinanderfolgende S oder Z bilden. Zumindest die bevorzugten vorstehenden Teile des Balgs sollten relativ hoch sein, um die Wärmeausdehnung zu absorbieren. Die Höhe des Balgs kann geeigneterweise 10 mm oder mehr betragen. Die obere Grenze ist nicht kritisch, sie ist jedoch aus prakti­ schen Gründen auf max. 50 mm festgelegt. Die Höhe des Balgs liegt vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 15 mm und etwa 25 mm. Die Breite des Balgs entspricht vorzugsweise seiner Höhe, und sie kann geeigneterweise im Bereich zwischen etwa 10 mm und etwa 30 mm liegen. Der Abstand ist geeigneterweise so eingerichtet, daß ein gutes und zuverlässiges Schweißen gewährleistet ist. Die Materialdicke der Deckplatte ist vorzugsweise höher als die Metallblechdicke des Balgs.

Gemäß einer Ausführungsform kann der Balg auf einer wählbaren Seite auch mit einem als Falz bezeichneten kleine­ ren konzentrisch gefalteten Abschnitt versehen sein. Dieser Falz ist dafür ausgelegt, Spannungen, sogenannte gerichtete Spannungen, zu absorbieren, die beim Befestigen/Ausrichten der Elektrode auftreten. Der Falz kann durch eine Anzahl von Faltungen des Balgs gebildet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Balg vorzugsweise geteilt. Dies kann so vorgenommen werden, daß der Balg zu Beginn geeigneterweise in zwei getrennten Teilen hergestellt wird oder daß ein fertiggestellter ganzer Balg in zwei oder mehr Teile geteilt wird. Der Balg wird geeigneter­ weise in dem Abschnitt geteilt, in dem er seine höchsten oder tiefsten Falten aufweist, nämlich in der Nähe des höchsten Punkts des Balgs. Bei Verwendung eines geteilten Balgs kann der Teil des Balgs, der am dichtesten an der Deckplatte angeordnet werden sollte, zuerst an dieser angeschweißt werden. Der Teil des Balgs, der dem Anodensteigelement zugeordnet werden sollte, kann geeigneterweise an das Anodensteigelement angeschweißt werden, bevor er mit dem entsprechenden anderen Teil des Balgs, der an der Deckplatte befestigt ist, verschweißt wird. Die jeweiligen Teile des Balgs, die dem Anodensteigelement bzw. der Deckplatte zugeordnet sind, können geeigneterweise in einer Werkstatt verschweißt werden. Die Endmontage und das endgültige Verschweißen des Balgs und der jeweiligen Teile werden vorzugsweise am Ort der Fertigungseinrichtung ausgeführt. Es ist jedoch nicht kritisch, in welcher Reihenfolge oder an welchem Ort die Schweißvorgänge vorgenommen werden, falls wenigstens einer der Schweißvorgänge des Balgs am Einsatzort ausgeführt wird. Es wird bei Verwendung dieses Verfahrens vermieden, daß die Anoden für eine ganze Zelle bei der Auslieferung an die Deckplatte angeschweißt werden müssen, was für einen industriellen Betrieb sehr unzweckmäßig ist.

Beim Schweißvorgang wird geeigneterweise ein zuverlässi­ ges Schweißverfahren, wie Wolfram-Inertgas-Schweißen, Plasma-, Laser- oder Widerstandsschweißen verwendet.

Die oben beschriebene elektrochemische Zelle kann in geeigneter Weise zur Erzeugung von Chloralkali verwendet werden. Bei dieser elektrochemischen Erzeugung wird geeigne­ terweise ein zwischen der Anode und der Kathode angeordnetes Diaphragma verwendet, um einen Anodenbereich und einen Katho­ denbereich voneinander zu trennen. Diese Trennung kann auch unter Verwendung halbdurchlässiger und/oder ionenselektiver Membranen im Elektrolyten erreicht werden.

Bei dem Entwurf mit einem Balg gemäß der vorliegenden Erfindung können Anoden unter Verwendung eines Lasers oder durch Abtrennen mittels eines Wasserstrahl-Schneidgeräts oder durch Einführen eines Klinkwerkzeugs, einer Stichsäge, einer Mikroplasma-Schneideinrichtung oder dergleichen in die Oberfläche des Balgs sehr leicht abgelöst werden, und der Balg wird geeigneterweise zerschnitten, und die Anode kann entfernt werden. Die eigentliche Schweißfläche des Steigelements wird vorzugsweise wiederum in einer Drehbank zum Schweißen vorbereitet und der Rest des alten Balgs wird durch einen neuen ersetzt, der an die Anode angeschweißt wird, bevor die Anode noch einmal an die Deckplatte ange­ schweißt wird. Die Schweißfläche der Deckplatte, an der der Balg angebracht war, kann unter Verwendung eines Lochstanzers zum erneuten Schweißen vorbereitet werden.

Die Erfindung wird nun mittels der begleitenden Zeich­ nung beschrieben, die nur berücksichtigt wird, um Ausfüh­ rungsformen zu veranschaulichen, und die den Schutzumfang in keiner Weise einschränkt.

Die Fig. 1 und 2 betreffen Konstruktionen gemäß dem Stand der Technik. In Fig. 3 sind die Erfindung und eine Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Fig. 4 be­ trifft verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Balgs. Die Fig. 5 und 6 veranschaulichen weitere erfin­ dungsgemäße Ausführungsformen.

In Fig. 1 ist eine elektrochemische Zelle mit einem durch eine Schraubmutter (4) in der Zellenbasis (2) angebrachten Anodensteigelement (1), einem Flansch (6) und einem am Steigelement befindlichen Ansatz (3) sowie einer an der Zellenbasis angeordneten flexiblen Gummimatte (5) dargestellt.

In Fig. 2 ist eine elektrochemische Zelle mit einem durch eine Schraubmutter (4) in der Zellenbasis (2) angebrachten Anodensteigelement (1), einem Flansch (6) und einem am Steigelement befindlichen Ansatz (3) sowie einer an der Zellenbasis angeordneten Deckplatte (8) veranschaulicht. Die Dichtung zwischen dem Titanblech und dem Steigelement ist in diesem Fall mittels einer speziellen Dichtung (7) hergestellt.

Fig. 3 betrifft eine Konstruktion einer elektrochemi­ schen Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung. Die elektroche­ mische Zelle beinhaltet ein durch eine Schraubmutter (4) in der Zellenbasis (2) angebrachtes Anodensteigelement (1), einen Flansch (6) und einen am Steigelement befindlichen Ansatz (3) sowie eine Deckplatte (8) und eine an der Zellenbasis (2) angeordnete Isolation (16). Gemäß der Erfindung wird ein Balg (9) in Form eines zwischenstehend angeordneten gefalteten Metallblechs an die Deckplatte (8) und den Flansch (6) am Steigelement (1) angeschweißt (10; 11). Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Balg (9) in zwei oder mehr Teile (14; 15) geteilt sein, wie in der Figur dargestellt ist. Das Verschweißen (12) der jeweiligen freien Enden (14; 15) des Balgs wird dann geeigneterweise nur beim abschließenden Montieren am Verwendungsort vorgenommen. Gemäß einer Ausführungsform (nicht dargestellt) kann die Isolation (16) relativ hoch sein, und die Isolation mit einer Deckplatte (8) auf der Isolation kann sich bis zum höchsten Punkt des Balgs an der Schweißverbindung (12) erstrecken. Der Balg wird bei dieser Ausführungsform am höchsten Punkt (12) an die Deckplatte angeschweißt. Die Dicke der Isolation kann demgemäß im Bereich von 10-30 mm liegen. Der Balg kann auch mit einem Falz (17) versehen sein.

In Fig. 4 sind mehrere für verschiedene Spannungstypen vorgesehene Entwürfe des Balgs (9) dargestellt, nämlich eine S-Form (a), eine Z-Form (b) oder mehrere miteinander verbun­ dene S-(c)- oder Z-(d)-Formen oder eine andere abgeänderte Faltung (e).

In Fig. 5 ist eine Schweißbefestigung für eine elektro­ chemische Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Anoden sollten in einer Ebene und parallel zur kurzen Seite der Zellenbasis und senkrecht zu diesem angeordnet werden. Dies wird geeigneterweise durch Befestigen der Spitze der Anoden und des Flansches (6) in einer Befestigung erreicht, bei der die Anoden auf dem Kopf stehend angeordnet werden können. Oberhalb der so angeordne­ ten Anoden werden alle Balgteile oder alternativ eine Deck­ platte mit den Balgteilen angeordnet, und das Befestigen wird durch die Schweißbefestigung (18) erreicht, die den Balg durch Gewindeschneiden am Flansch (6) befestigt, und das Schweißen kann dann stattfinden (10). Das Schweißen kann mittels einer halbautomatischen Befestigung ausgeführt wer­ den, die an der Befestigung (18) angebracht ist. Gemäß dem­ selben Prinzip kann nun der Balg befestigt werden (13), wobei die Befestigung (18) gemäß demselben Prinzip, das den Balg befestigt (13), gegen eine größere Befestigung ausgetauscht wird. Die Schweißbefestigung funktioniert demgemäß derart, daß sie das Gewinde im Kupferstab der Anode und das Steigelement (1) als Befestigungspunkt verwendet, und sie ermöglicht es, den dünnen Balg gegen den Flansch (6) zu pressen und eine Schweißstelle (10) zu erzeugen. Die Schweißbefestigung kann auch Gasleitungen enthalten, um in der Nähe der Schweißstelle (10) Schutzgas zuzuführen, während sie gleichzeitig einen Befestigungspunkt für eine Drehbefestigung bildet, die zum Erreichen einer rotationssymmetrischen Schweißverbindung (10) verwendet wird, indem die Befestigung um die Längsachse der Anode gedreht wird.

In Fig. 6 sind bei einer weiteren Ausführungsform ein zweiteiliger Balg (20), eine innere Balghälfte (21), die an den Flansch (24) angeschweißt (23) ist, sowie eine äußere Balghälfte (22), die an die Deckplatte (26) angeschweißt (25) ist, sowie das Zusammenschweißen (27) der freien Enden der Balghälften dargestellt.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Abdichten einer Deckplatte für eine Elektrolysezelle, wobei die Zelle eine Basis (2), Steigelemente (1) für die Anoden der Zelle, die in der Zellenbasis verankert sind, und eine Deckplatte (8; 26), die auf der Basis zum Inneren der Zelle hin angeordnet ist, aufweist, wobei das Steigelement einen Dichtflansch (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckplatte über einen Balg (9; 20), der im Dichtflansch (6) bzw. in der Deckplatte (8) verankert ist, mit dem Dichtflansch verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Balg (9; 20) geteilt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Balg (9; 20) eine innere Balghälfte (15; 21) und eine äußere Balghälfte (14; 22) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Basis (2) wenigstens ein Grundmaterial mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, vorzugsweise Kupfer, hat, eine weitere Leiterplatte zwischen dem Steigelement und der Deckplatte befestigt ist, um als Balg (9; 20) zu dienen, und der Balg durch Schweißen (10; 11) am Dichtflansch (6) des Steigelements bzw. der Deckplatte (8) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zelle wenigstens eine Anode und eine Kathode aufweist und zwischen der Anode und der Kathode ein Diaphragma zum Trennen eines Anodenbereichs und eines Kathodenbereichs angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die innere Balghälfte (21) an den Flansch (24) angeschweißt (23) ist, die äußere Balghälfte (14; 22) an die Deckplatte (26) angeschweißt (25) ist, und die Balghälften zusammengeschweißt (27) sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Balg (9) durch Tiefziehen, heißes Formen oder Vakuumformen geprägt ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Materialdicke der Deckplatte (8; 26) größer ist als die Materialdicke des Balgs (9; 20).

9. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle zur Erzeugung von Chloralkali verwendet wird.