DE2150814C3

DE2150814C3 - Elektrolysezelle mit einer Kathode aus fließendem Quecksilber

Info

Publication number: DE2150814C3
Application number: DE2150814A
Authority: DE
Inventors: Vittorio De Nassau Bahama Inseln Nora (Grossbritannien); Giovanni Como Trisoglio (Italien)
Original assignee: Diamond Shamrock Technologies SA
Current assignee: De Nora Deutschland GmbH
Priority date: 1971-01-18
Filing date: 1971-10-12
Publication date: 1979-04-19
Also published as: FR2122461A1; DE2150814B2; DE2150814A1; CA951271A; FR2122461B1; US3725223A; GB1333289A; BE775395A

Description

Dk Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle mit einer Kathode aus fließendem Quecksilber mit einer Vielzahl von formbeständigen Metallanoden, die gitterförmige Anodenflächen mit 40 bis 60% Lücken der Gesamtvolumenfläche der Anodenflächen aufweisen, wodurch ein Elektrolysezwisehenraum zu der Quecksilberkathode für den zu elektrolysierenden Elektrolyten gebildet wird, und Sekundärleiterschienen, die an den wirksamen Anodenflächen angebracht sind, wobei die Primärleiterschienen und die wirksamen Anodenflächen voneinander getrennt gehalten werden, enthalten.

Eine derartige Elektrolysezelle, die aus der DE-OS

18 14 567 bekannt ist, hat gegenüber Elektrolysezellen mit Graphitanoden, die während der Elektrolyse aufgrund der Korrosion in der Elektrolysezelle allmählich abgetragen werden, wodurch sie eine Vergrößerung des Elektrolysezwischenraumes verursachen und die Wirksamkeit der Elektrolyse verringern, den Vorteil daß sich die Abmessungen der Anoden während der Elektrolyse nicht verändern. Die formbeständigen Anoden bestehen gewöhnlich aus einem Ventilmetall,

ίο wie Titan oder Tantal, das gegenüber den in der Elektrolysezelle herrschenden Verhältnissen widerstandsfähig ist. Die wirksamen Flächen der Titan- oder Tantalanoden sind mit einem elektrolytisch leitenden elektrokatalytischen Überzug aus einem Metall der

Platingruppe oder einem Oxid eines Metalles der Platingruppe oder einer Mischung aus Oxiden eines Metalles der Platingruppe mit Oxiden von Titan, Tantal

oder anderen Metallen überzogen.

Elektrolysezellen mit formbeständigen Anof'en wer-

den bei beträchtlich höheren Stromdichten betrieben, als ähnliche Zellen mit Graphitanoden und können daher bei höheren Temperaturen arbeiten. Während Graphitanoden in Elektrolysezellen mit einer Kathode aus fließendem Quecksilber für den Strom des Elektrolyten vom Einlaß zum Auslaß der Zelle aufgrund der Stärke der Graphitanoden Hindernisse darstellen, stellen formbeständige Anoden ein kleineres Hindernis für den Elektrolysestrom insbesondere in Zellen mit hoher Neigung dar, so daß sie auf einen größeren

JO Temperaturgradienten treffen. Es ist zwar aus der Schweizer Patentschrift 2 35 756, der japanischen Patentschrift 4 36 023 und der italienischen Patentschrift 7 90 278 grundsätzlich bekannt, in Elektrolysezellen mit Kathoden aus flüssigem Quecksilber und Graphitanoden Leitplatten vorzusehen, diese Leitplatten haben jedoch nicht den Zweck, den Temperaturgradienten in der Zelle zu verringern, d. h. für eine gleichförmige Temperaturverteilung zu sorgen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht

darin, bei einer Elektrolysezelle der eingangs genannten Art die Ableitung der Wärme und der Gasblasen vom elektrolytischen Zwischenraum sowie die Elektrolytzirkulation zu steigern, um dadurch eine gleichförmige Temperaturverteilung im Elektrolyten von einem Ende zum anderen Ende der Zelle zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Leitplatten gelöst, die stromaufwärts wenigstens einiger der Metallanoden angeordnet sind und sich von den wirksamen Anodenflächen aus nach oben derart

so erstrecken, daß dai Elektrolytvolumen in der Zelle stromaufwärts von den Leitplatten gesteigert wird.

Dadurch, daß die Leitplatten in dieser Weise vorgesehen sind, können die an den wirksamen Anodenflächen freigesetzten Gase nach oben an den Sekundärleiterschienen und den Primärleiterschienen vorbei und aus dem Elektrolyt abgeführt werden und kann die Erneuerung des Elektrolyten und die Ableitung der Wärme und der Gasblasen vom elektrolytischen Zwischenraum beschleunigt werden. Auf diese Weise ergibt sich eine gleichförmigere Temperaturverteilung im Elektrolyten,

Im folgenden werden anhand der Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Fig. I zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein typisches Beispiel formbeständiger Metallanoden mit darauf instalierten Leitplatten..

F i g. 2 zeigt eine Teilschnittansicht längs der Linie 2-2

in Fig. I.

Fig.2α zeigi in einer Fig;2 ähnlichen Ansicht ein abgewandeltes Ausführungsbejspiel,

Fig.3 zeigt eine perspektivische Ansicht der in F i g. 1 dargestellten Lejiplatte.

F i g, 4 zeigt eine Schnittansicht längs der Linie 7-7 in Fig. 3.

Fig.5 zeigt eine perspektivische Seitenansicht auf eine Seite der in F i g. 3 dargestellten Leitplatte.

Fig.6 zeigt eine Leitplatte, die mit Klammern zur Befestigung an den Zuleitungen der Anode versehen ist.

F i g. 7 zeigt eine teilweise perspektivische Ansicht, teilweise geschnittene Ansicht eines typischen Beispiels einer waagerechten Elektrolysezelle mit einer Kathode aus flieQendem Quecksilber und einer Leitplatte, die an einer formbeständigen Anode angebracht ist

F i g. 8 zeigt eine Schnittansicht längs der Linie 11-11 in F i g. 7.

Fig. 9 zeigt eine Schnittansicht längs der Linie 12-12 in F i g. 7. μ

In der Zeichnung und insbesondere in Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispie! einer formbeständigen Metall· anode A mit wirksamen Anodenflächen 1 oder 2 dargestellt, die aus einer Titan- oder Tantalgittergrundpiatte besteht, die mit einem elektrisch leitenden -'ϊ Überzug versehen ist, der die Chlorionenentladung katalysieren kann. Ein solcher Überzug besteht im Hauptanteil aus Titandioxid (TiO;) oder Tantalpentoxid (Ta₂O₅) zusammen mit einem kleineren Anteil eines Dotierungsgemisches, das in der Lage ist, das Tantaldioxid halbleitend zu machen, und einem Oxid oder einer Mischung von Oxiden eines Metalles der Platingruppe, das bzw. die Chlorionenentladung von der Oberfläche der Anode aus katalysieren kann. Andere formbeständige Anoden und andere elektrokatalytisch aktive Überzüge, wie beispielsweise Überzüge aus galvanischen oder chemischen Niederschlägen eines Metalles der Platingruppe, können gleichfalls verwandt werden. Die wirksamen Anodenflächen 1 oder 2 haben annähernd eine Stärke von 1 bis 3 mm und die Lücken zwischen der. Gittern bilden zwischen 40 und 60%, vorzugsweise zwischen 50 und 53%, der Gesamtvolumenfläche der Anodenflächen I oder 2. Die gitterförmige Anode kann auch aus einem dünnen Blech aus Titan oder Tantal oder einer Legierung aus Titan oder Tantal in großporiger oder aufgeweiteter Form, aus einem Drahtgitter oder einem Drahtnetz, aus einem Walzdrahtgitter, einem perforierten oder geschlitzten Titanoder Tantalblech oder aus im Abstand voneinander angeordneten Stäben oder Halbrundformen und ähnlichem bestehen. Statt Tiun und Tantal können auch Legierungen dieser Metalle mit anderen Metallen verwandt wvrden.

Die Anode A mit ihren wirksamen Flächen 1 oder 2 ist durch Schweißen, Nieten oder andere Verbindungsarten mit einer Vielzahl von Sekundärleiterschienen 3 verbunden, die quer durch die Elektrolysezelle verlaufen. Die Leiterschienen 3 sind mit den Primärleiterschienen 4 verbunden, die längs durch die Zelle verlaufen und die ihrerseits mit Kupferleitungen 5 verbunden sind, durch die der Strom in die Zelle geleitet wird. Die Kupferleitungen 5 sind mit den Primärleiterschienen 4 durch ein innen mit einem Schraubengewinde versehenes Titanauge 6 verbunden oder an die Primärleiterschienen 4 angeschweißt oder anderweitig befestigt. In f>⁵ F i g. I sind acht Szkundärstromleiterschienen 3 und zwei Primärstromleiterschienen 4 dargestellt, die Anzahl der Primär- u'.fj Sekundärleiterstreben ist jedoch nicht bestimmt, sondern ändert sich in Abhängigkeit von der Größe und der Ausbildung der Elektrolysezelle. Auch ihre Richtung innerhalb der Zelle ist nicht von ausschlaggebender Bedeutung.

Wie es in Fig.7 dargestellt ist, ist eine Vielzahl von formbeständigen Metallanoden in den Trog IQa der Elektrolysezelle 10 mit einer Kathode aus fließendem Quecksilber gehängt, in der das Quecksilber, das am Zellboden 11 entlang fließt, die Kathode der Zelle bildet und der Elektrolysezwischenraum zwischen den wirksamen Flächen der Anode A und der Kathode aus fließendem Quecksilber ausgebildet ist. Der Zelltrog (Oa verläuft schräg von einem Ende zum anderen, so daß das Quecksilber infolge seines Eigengewichtes am Zellboden entlang fließt und der Elektrolyt gewöhnlich am oberen Ende der Zelle eingeführt und am unteren Ende abgeleitet wird. Der Elektrolyt fließt somit zusammen mit dem Quecksilber, während an den Anoden die Zellgase freigesetzt werden, durch die Gitter der Anoden aufsteigen und durch den Elektrolyten über die wirksamen Anodenflächen zu einem Raum am oberen Ende der Zelle gelangen, von dem aus das Gas durch einen Auslaß 8a in der Zellabdeckung zu einer Gasaufnahmeeinrichtung strömt. Wenn Elektrolysezellen diesen Typs zur Herstellung von Chorgas verwenden werden, besteht der Elektrolyt aus einer gesättigten Lösung von Natriumchlorid. Zellen dieses Typs werden jedoch auch für die Herstellung anderer Elektrolyseprodukte verwandt. Dabei kann die Neigung der Zellen 0,25° bis 15" oder mehr betragen.

Ein typisches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle mit Leitplatten wird im folgenden anhand der F i g. 7,8 und 9 beschrieben.

Die Elektrolysezelle besteht aus einem Behälter 10a aus Stahl, durch den das die Kathode bildende Quecksilber fließt. Am oberen Ende jeder Seitenwand und jeder Stirnwand des Behälters 10a ist ein vorstehender Rand 12 ausgebildet und die Wände des Behälters sind gegenüber einer chemischen Korrosion durch eine Auskleidung 13 isoliert. Die in Fig. 1 dargestellten Anoden A sind über die Kupferleitungen 5, die mit den positiven Leiterschienen 14 durch Muttern 15 verbunden sind, die auf die Kupferleitungen 15 geschraubt sind, in den Behälter 10a gehängt.

Die Leitungen 5 und die Anoden A sind hängend angeordnet und werden von einer metalhnen Rahmenklemme 16 gehalten, die aus querverlaufenden Armen besteht, die an einem längsverlaufenden Träger 18 angebracht sind. Die querverlaurenden Arme 7 werden einstellbar durch Ständer 19, die auf dem oberen vorstehenden Rand 12 des Zellbehälters befestigt sind oder auf getrennten Stützen an jeder Seite des Zellbehälters gehalten, so daß die Höhe der Klemme to und der Anoden 8 relativ zum Zellbehälter eingestellt werden kann. Auf dem Träger 18 sind ösen angebracht, so daß die vollständige Anodenbank von dem Zellbehälter erforderlichenfalls abgehoben werden kann. Die von den Leitungen 5 herabhängenden Anoden hängen einstellbar von Stützstreben 21 herab und werden durch die Klemme 16 und die Muttern 15 so gehalten, daß die gesamte Anodenbank oder eine einzelne Anode im Zellbehälter eingestellt werden kann. Die biegsame Zellabdeckung 8 aus einen*. .Stück Gummi oder aus einem Kunststoffmaterial erlaubt diese Einstellung und wird auf den Zellbehälter über Druckstreben 22 md bewegliche Klemmen 22a gehalten. Eine ähnliche Elektrolysezelle mit einer Kathode aus fließendem Quecksilber und mit Graphit-

anöden ist in der US-PS 29 58 635 dargestellt. Die biegsame Abdeckung ist gasdicht um die Leitungen 5 durch Muttern und biegsame Dichtungsringe 156 abgedichtet. Die Elcktrolylzuführungsrohrc 23 führen den Elektrolyten in das obere Ende 24 der Zelle oder erforderlichenfalls gleichfalls an einer in der Mille liegenden Stelle ein.

Leitplatten 23 aus Titan oder einem anderen Ventilmetall sind stromaufwärts einiger der Anoden A angeordnet. Diese Lcilplalten 25 können beispielsweise auf der dritten, fünften, siebten, neunten, elften und dreizehnten Anodenreihe in einer Zelle mit vierzehn Anodenreihen odei an irdendeiner anderen Stelle oder auf einer anderen Anodenreihe in der Zelle angebracht sein. Die Leitplatten wirken wie eine Reihe von Dämmen, die den E'ektrolytstrom aufstauen und bewirken, daß der Elel.trolyt unter jeder Lcitplattc in den Elektrodenzwischenraum zwischen den wirksamen Flächen der Anoden und der Kathode aus fließendem Quecksilber und durch die Öffnungen in den wirksamen Anodenflächen nach oben strömt, wie es durch Pfeile in Fig. I, 2 und 8 Jargcstcllt ist. Dadurch wird das Abstreifen der Ga'blasen von den wirksamen Anodenflächen gefördert jnd eine Gasbedeckung der Anoden verhindert.

Stromaufwärts jeder Leitplatte 25 zeigt sich ein höherer Elektrolytpegel, wie es durch die Linie b in Pig. I und 7 dargestellt ist, und stromabwärts jeder Lcitplattc ist der Elcktrolytpcgel relativ nii-Jrig, wie es durch eine Linie c angedeutet ist. Der mittlere Elektrolytpegel ist durch die Linie d dargestellt. Die Linien b, c und d dienen lediglich zur Erläuterung des relativen Elektrolytpegels, der in Wirklichkeit auch höher oder niedriger liegen kann als es in der Zeichnung dargestellt ist. Durch das Aufstauen des Elektrolyten durch die Leitplattcn 25 wird die Strömungsgeschwindigkeit durch den Elektrolysespall infolge des höheren Druckes des höheren Elektrolytpegels stromaufwärts von jeder Leitplattc 25 erhöht und wird gleichzeitig die Aufwärtsströmung des Elektrolyten durch die wirksamen Anodenflächen verstärkt, um die Gasblasen von den wirksamen Anodenflächen abzustreifen.

Die Lcitplatten hindern den Elektrolyten darin, am Elektrolysespalt in den Zellen, die mit formbeständigen Anoden ausgerüstet sind, vorbeizuströmen und gewährleistet eine schnelle Erneuerung des Elektrolyten im Elektrolysezwischenraum. Da Zellen mit formbeständigen Anoden bei merklich höherer Stromdichte betrieben werden als Zellen mit Graphitanoden bewirkt der schnelle Elektrolytstrom durch den Elektrolysezwischenraum und die schnelle Erneuerung des Elektrolyten im Elektrfciysezwischenraum einen höheren Wirkungsgrad dieser Zellen.

Die Leitplatten können genau im rechten Winkel zur wirksamen Anodenfläche oder in einem Winkel von annähernd 30° bis 90° dazu angebracht sein, wie es in F i g. 2a dargestellt ist. Wenn sie im spitzen Winkel zur wirksamen Anodenfläche angebracht sind, wirken die Leitplatten wie eine Schleuse oder ein Trichter, so daß sie die Strömungsmenge des Elektrolyten durch den Elektrolysezwischenraum zwischen den Elektroden erhöhen.

Die Elektrolytmenge, die stromaufwärts von jeder Leitplatte gehalten wird, erhöht die Gesamtelektrolytmenge in der Zelle, während das freie Entweichen der Gasblasen von unten durch die öffnungen in den wirksamen Anodenflächen den Elektrolyten über diesen Flächen in einem Zustand starker Hcwcgungen un< Zirkulation in der Zelle hält, so daß dadurch die Temperatur des Elektrolyten niedriger gehalten wcrdcr kann und Unterschiede in der Temperatur und dci Zusammensetzung des Elektrolyten an verschiedener Bereichen der Zelle verhindert werden. Bei Elektrolysezellen diesen Typs wird der Elektrolyt gewöhnlich voi dem Einleiten in die Zelle gekühlt und durch die elektrolytische Reaktion in der Zelle erwärmt.

to Die Verwendung von derartigen Lcitplatten zusam men mit formbeständigen Anoden in einer Elektrolyse zelle mit einer Kathode aus fließendem Quecksilbei ergibt eine gleichförmige Konzentration und Tempera tür des gesamten Elektrolyten in jedem Zcllabtcil, da?

durch die Lcitplatten einschließlich dem S|>dli /wischer den Elektroden gebildet wird. In Bereichen, die unmittelbar an die Lcilplattcn angrenzen, wird die Oberfläche der Kathode von dem Eleklrolylcn iibersiri chcn, so daß in geringerer:-. M;ißc Quecksilberuutici erzeugt und eine bessere Stromverteilung erhallen wird

Es hat sich gezeigt, daß durch die Verwendung vor Lcitpliilcn bei verschiedenen Arten von lilcktrolysezcl

len mit einer Kathode aus fließendem Quecksilber und mit formbeständigen Anoden eine Verbesserung dc.< Faraday'schcn Wirkungsgrades von 1% oder mehr erreicht wird. Die Zcllspannung ist um 150 Millivolt bei Zellen geringer, die mit einer Stromdichte von 13 kA/nv irbeitcn. Die l.eitplattcn 25 können in verschiedener Weist auf den Anoden angebracht sein. Bei den in den Fig. I, 2, 3, 4, 5 dargestellten Ausführungsbcispielen sind die Lcitplaltcn 25 mit Bcfcstigungsklammcrn 25,-verschcn, die Preßfinger 25b a'ifwi iscn, die über die Leiterschienen 4 gleiten und die Lcitplaltcn auf den Anoden halten. In Fig. 6 sind die Leitplattcn 25 mil senkrechten Federklammcrn 52c versehen, die über die Tiianmaschcttcn 7 oder Ta gleiten, die die Leitungen 5 umgeben, um die Lcitplatten an den Anoden festzuhalten. Die Nuten 25A passen auf die Lcitcrschicncn 4. Die Lcitplatten können auch mit nach außen vorstehenden Ohren versehen sein, die auf dem vorspringenden Rand 12 des Zellbchältcrs unter der Zellbedcckung 8 aufsitzen, um die Leilplattcn in ihrer Stellung zu halten. Die Lcitplaltcn können auch auf die Enden der Leiterschienen 4 geschweißt sein oder in anderer Weise an den Anoden befestigt sein.

Die Unterkantc der Keilplatte 25 endet knapp vor dem Elektrolysespalt zwischen der wirksamen Anodenfläche und der Kathode aus fließendem Quecksilber, um den Elektrolytstrom in und durch den Spalt zu fördern und dem durch den Spalt strömenden Elektrolyten durch das aufgestaute Elektrolytbad stromaufwärts von jeder Lcitplatte eine größere Geschwindigkeit zu geben.

Vorzugsweise sind die Leitplatten 25 mit umgeboge-

nen Nasen 26 am oberen Rand versehen, die gegen die Zellabdcckung 8 drücken und sie davor bewahren, durchzuhängen und in Berührung mit dem Elektrolyten zu kommen. Eine Reihe von Nuten 27 bildet die öffnungen, durch die das Anodengas zum Gasauslaß 8a

t>o strömen kann und durch die der Elektrolyt von einem Bad zum anderen überfließen kann, wenn der Elektrolytpegel in einem aufgestauten Teil über die Höhe des Bodens der Nut 27 steigt. Die Hülle 25e verleiht den dünnen Titan- oder Tantalblechen, die zur Herstellung der Leitplatten verwandt werden, eine größere FestigkeiL

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Palentansprüche:

1. Elektrolysezelle mit einer Kathode aus fließendem Quecksilber mit einer Vielzahl von formbeständigen Metallanoden, die gitterförmige Anodenflächen mit 40 bis 60% Lücken der Gesamtvolumenfläche der Anodenflächen aufweisen, wodurch ein Elektrolysezwischenraum zu der Quecksilberkathode für den zu elektrolysierenden Elektrolyten gebildet wird, und Sekundärleiterschienen, die an den wirksamen Anodenflächen angebracht sind, wobei die Primärleiterschienen und die wirksamen Anodenflächen voneinander getrennt gehalten werden, enthalten, gekennzeichnet durch Leitplatten (25), die stromaufwärts wenigstens einiger der Metallanoden (A) angeordnet sind und sich von den wirksamen Anodenflächen (1, 2) aus nach oben derart erstrecken, daß das Elektrolytvolumen in der Zelle stromaufwärts von den Leitplatten (25) gesteigert wird.

2. Elektrolysezelle nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitplatten (25) auf verteilten Anodenreihen f/tyangebracht sind.

3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitplatten (25) abnehmbar auf den Anoden (A)geha\ten sind.

4. Elektrolysezelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitplatten (25) abhebbar auf den Anoden (A) durch Federklammern (25c) befestigt sind.

5. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitplatten (25) auf den Leiterschienen der Anaden (/,) durch Federklammern (25c)befestigt sind.

6. Elektrolysezelle nach Ar; pruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitplatten (25) auf die Anoden f/ljgeschweißt sind.

7. Elektrolysezelle nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitplatten (25) durch den Zellbehälter (12) gestützt sind.

8. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitplatten (25) genau im rechten Winkel zu den wirksamen Anodenflächen (1, 2) angebracht sind.

9. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitplatten (25) in einem Winkel zwischen 30° und 90° zu den wirksamen Anodenflächen (1,2) angebracht sind.

10. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitplatten (25) nach außen gebogene obere Kanten (26) mit öffnungen (27) aufweisen.