DE2360448A1 - Mehrfach-elektrolysezelle zur herstellung von alkalihydroxiden - Google Patents

Description

EIKENBERG & BRÜMMERSTEDT

PATENTANWÄLTE IN HANNOVER

Kureha Kagaku Kogyo K.K. - 235/70

Mehrfach-Elektrolysezelle zur Herstellung von Alkalihydroxideη

Die· Erfindung betrifft eine Mehrfach-Elektrolysezelle zur Herstellung von Alkalihydroxiden, insbesondere "kau3tifizierter Soda", nach dem Diaphragmaverfahren, bestehend aus einer größeren Anzahl von elektrisch parallelgeschalteten Zellen-Einheiten mit jeweils durch ein vertikales Diaphragma gegeneinander abgeteilten Kathodenräumen und Anodenräumen,

Zur Herstellung von kaustifizierter Soda und entsprechenden Alkalihydroxiden sind bereits Mehrfach-Elektrolysezellen mit vertikalem Diaphragma bekannt. So zeigen die US-PSn 2 742 419 und 2 742 420 Zellen mit einem Kathoden-Haum, der aus einer großen Anzahl von zu einer Einheit vereinigten Kathoden-Abteilen besteht, von denen jedes von einer Eisennetz-Kathode umgeben ist. Die Diaphragmen sind dabei zwischen den

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entsprechenden Anodenplatten angeordnet, die eng beieinander in einem Anoden-Tank montiert sind. Aus der U8-PS 1 806 ist weiterhin eine entsprechende Zelle "bekannt, bei der sich eine einzige, lange Kathodenkammer Zick-Zack-förmlg durch die Zwischenräume zv/ischen zahlreichen Anodenplatten, die sich Seite an Seite in einem Anoden-Tank befinden, erstreckt.

Bei diesen bekannten Elektrolysezellen besitzen die Anodenplatten im allgemeinen eine verhältnismäßig große Oberfläche, sie sind etwa 70 - 80 cm hoch und können eine Breite von etwa 100 - 200 cm aufweisen. Weiterhin sind die Anoden und Kathoden in einem sehr geringen Abstand voneinander, in der Größenordnung von 1 cm, angeordnet. Bei der Größe der Platten hat es sich dabei als außerordentlich schwierig erwiesen, den Plattenabstand innerhalb der Zelle überall gleichförmig zu halten, mit der ITolge, daß die mittlere Zellen-Spannung auf einem Niveau von mehr als- 4-,0 Y gehalten werden muss. Ein i^eiterer Nachteil besteht bei den bekannten Zellen darin, daß die Beton- oder Gummiauskleidung, mit denen die Innenwandung des Anoden-Tanks beschichtet ist, den Tank nicht ausreichend gegen eine Korrosion durch das an der Anode entstehende Chlorgas schützt, so daß eine häufige Reparatur des Anoden-Tanks erforderlich v/ird. Auch die Eisennetz—Kathode und das Diaphragma müssen oft repariert oder ersetzt v/erden, wobei es erforderlich ist, die gesamte, in ihren Einzelteilen zusammenhängende Zelle auseinanderzubauen und nach dem Ersatz der schadhaften oder abgenutzten Teile wieder neu zusammenzusetzen. Das ist außerordentlich zeit- und arbeitsaufwendig, wobei noch ein zusätzlicher Aufwand dadurch entsteht, daß die Plattenabstände innerhalb der Zelle jedesmal wieder neu eingustiert werden müssen.

Mit der Erfindung soll eine Elektrolysezelle geschaffen werden, bei der ohne besonderen Aufwand ein gleichförmiger Abstand zwischen den Anoden und Kathoden gevrährleistet ist,

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so daß die Zelle mit einer unterhalb von 4-, O V liegenden mittleren Zellen-Spannung betrieben werden kann, und bei der eine leichte und schnelle Reparatur schadhafter und abgenutzter Teile möglich ist.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß jede Zellen-Einheit als Baueinheit in einen Zatlioden-T-iiil·:¹ eingesetzt ist und zwei Anodenplatten enthält, die mit mindestens zwei elektrisch leitenden, mit einer äußeren Anoden-Stromschiene verbundenen Tragstäben verschweißt und die in vorgegebenem, engem Abstand von einem Kathoden-Rahmen umgeben sind, wobei der Kathoden-Rahmen aus einem mit einem Asbest-Diaphragma kaschierten Eisennetz besteht, nach oben hin durch eine Kappe aus korrosionsfestem Material abgeschlossen ist und an seinem unteren Ende von einem Bodenteller» durch den die Tragstäbe elektrisch isoliert hiadurchgexührt sind, gehalten ist.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle, die die Einzelheiten und Vorteile der Erfindung veranschaulichen, anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei stellen dar:

!"ig. i einen Querschnitt einer Zelleneinheit gemäß' einer bevorzugten Aus lührungs forin' der Erfindung (Schnittebene A-A in 5¹Ig. 2), und

Eig. 2 einen Ausschnitt aus einem Kathoden-Tank mit mehreren darin eingesetzten Zellen-Einheiten.

Die in Fig. Λ gezeigte Zellen-Einheit 1 enthält zwei aufrechte Anodenplatten 2 aus Titan, die 2 - 3 nun stark sind und eine elektroplatfeLerte Oberflächenschicht 3 aus z.B. einem Metall der Platin-Gruppe 'besitzen. Um diese beiden

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Anodenplatten herum ist ein Kathoden-Rahmen angeordnet, der aus einer Eisennetζ-Kathode 4- und einem darauf aufkaschierten Asbest-Diaphragma 5 besteht. Der Abstand zwischen dem Kathoden-Rahmen und der jeweils gegenüberliegenden Anodenplatte ist dabei fest auf einen gleichförmigen Wert in der Größenordnung von etwa 6 ram eingestellt- Der Kathoden-Rahmen ist nacii ooonhin durch eine Kapp ο 5 aoge sonics sen, die zus einen gegenüber dem sich bildenden Chlorgas und auch gegenüber der als Ausgangsmaterial eingesetzten Kochsalz-Lösung (bzw. der Lösung des entsprechenden Alkalichlorids) korrosionsbeständigem Material besteht, beispielsweise aus Gummi, Polyvinylchlorid oder Polyvinylidenfluorid.

An seinem unteren Ende ist der Kathoden-Rahmen durch einen Bodenteller 7 gehalten, der mit aufrechtstehenden Flanschen in den Kathoden-Rahmen eingreift und der zweckmäßig aus dem gleichen korrosionsbeständigen Material besteht wie die Kappe 6. In die Plansche 8 des Bodentellers 7 ist dabei zweckmäßig, zur mechanischen Verfestigung, ein Eisenrahmen eingebettet. Zur Befestigung des Kathoden-Rahmens an dem Bodenteller 7 dienen Flansch-artige Klemmteile 12, die ihrerseits mittels Einstellschrauben 13 an einer eisernen Bodenplatte 9 befestigt sind und die den Kathoden-Rahmen fest, aber einstellbar gegen die Flansche 8 des Bodentellers 7 drücken. Die Bodenplatte 9 ist die Bodenplatte eines größeren Kathoden-Tanks 10 (Fig. 2) und ist elektrisch mit einer nicht näher dargestellten Kathoden-Sammelschiene verbunden. Der elektrische Anschluss der "Kathoden 4· an die Bodenplatte 9 erfolgt über die Schrauben 13 und die Klemmteile 12.

Die beiden aufrechten Anodenplatten 2 sind mit mindestens zwei ebenfalls aufrechten Tragstäben 14· verschweißt, die aus Titan-plattiertem Kupfer bestehen und etwa 30 mm 0 besitzen. Das untere Ende dieser Tragstäbe 14- ist durch die eiserne Bodenplatte 9 hindurchgeführt und unterhalb der Bodenplatte

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über Schraubbolzen 17 oder dergl". mit einer Änoden-Sammelschie elektrisch verbunden. Im Bereich,der Durchführung der Tragstäbe. sind in der Bodenplatte 9 Bohrungen 18 angebracht, in die eine Manschette aus Gummi oder einem entsprechenden Material eingesetzt ist, welche sowohl die erforderliche elektrische Isolation zwischen den anodischen und den kathodisclien Teilen der Zelle besorgt als auch- die Abdichtung der Zelle gegen ein Herauslecken der Elektrolyse-Lösung aus dem Kathoden-Tank 10..

Zur Gewährleistung des gleichförmigen Abstandes zwischen den Seitenwandungen des Kathoden-Rahmens und der jeweils zugeordneten Anodenplatte sind im Bereich des oberen Endes des Kathoden-Rahmens mehrere Einstellschrauben 20 angebracht, .die mittels einer Packung 21 gegen den Kathoden-Rahmen elektrisch isoliert und zugleich auch gasdicht gemacht sind. Biese Einstellschrauben 20 stützen die oberen äußeren Wandungen des aus den Anodenplatten 2 und den Tragstäben 14- bestehenden Anoden-Satzes ab und verhindern damit, daß der obere Teil des Anoden-Satzes im Betrieb relativ zum Kathoden-Rahmen hin- und herschwingen kann.

Um den Anoden-Satz etwas weniger aufwendig zu machen, können die Anodenplatten 2 und die Tragstäbe 14- auch aus einem.Stück aus Graphit hergestellt werden. Allerdings wird eine Graphit-Anode bei einer industriellen Großproduktion von kaustifizierter Soda häufig nicht akzeptiert, weil das Graphit-Material während der Formung und des Einbaus der Anode und auch während des Betriebs abbröckeln kann.

Die Fig. 2 lässt erkennen, wie eine größere Anzahl der vorangehend erläuterten Zellen-Einheiten 1 innerhalb eines Kathoden-Tanks 10 angeordnet werden kann. Die einzelnen Zellen-Einheiten 1 stehen dabei parallel nebeneinander und

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sind auch elektrisch parallelgeschaltet. In die Kappen 6 einer jeden Zellen-Einheit ist gasdicht ein Anschlussrohr eingeführt, welches ebenfalls gasdicht durch den Deckel 2 J des Kathoden-Tanks 10 hindurchgeführt und oberhalb des Tanks mit einem horizontal verlaufenden Sannnelrohr 24 verbunden ist. Über die Rohre 22 und 24 wird die Elektrolyse-Lösung in die Zelle eingespeist und zugleich das sich bildende Chlor abgezogen. Die Zufuhr der Elektrolyse-Lösung erfolgt dabei über einen direkt mit dem Sammelrohr 24 verbundenen Einlass 25? während zum Abzug des sich bildenden Chlors ein mit dem Sammelrohr 24 verbundenes aufrechtes Standrohr 26 vorgesehen ist, an das ein Chlor-Auslass 27 angeschlossen ist. Alle Rohre 22, 24-, 25, 26 und 27 bestehen dabei aus einem korrosionsbeständigen Material. An dem Standrohr 26 kann noch, was nicht weiter dargestellt ist, ein Plüssigkeitsstand-Anzeiger vorgesehen sein. Der obere Deckel 23 des Kathoden-Tanks 10 ist weiterhin noch mit einem Auslassrohr 28 für das sich an den Kathoden der Zelle bildende Wasserstoffgas versehen, und außerdem befindet sich in der einen Seitenwand 29 des Kathoden-Tanks 10, und zwar etwa in der Höhe der Kappen 6 der einzelnen Zellen-Einheiten 1, ein Auslassrohr JO zur Entnahme der durch die Elektrolyse gebildeten Alkalihydroxi Lösung.

Im Falle der Herstellung von EFaOH wird eine gesättigte Kochsalz-Lösung über den Einlass 25* das Sammelrohr 24 und die einzelnen Anschlussrohre 22 in die einzelnen Zellen-Einheiten eingespeist. Die Strömungsrate der Lösung lässt sich dabei mittels des Flüssigkeitsstand-Anzeigers steuern. Die Elektrolyse der eingespeisten Lösung erfolgt kontinuierlich, indem ständig eine geeignete Spannung zwischen den Anoden und den Kathoden der Zellen-Einheiten aufrechterhalten x^ird. Das sich während der Elektrolyse an den Anodenplatten 2 bildende Chlorgas perlt innerhalb einer jeden Zellen-Einheit 1 nach oben

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und v/ird über die Rohre 22, 24, 26 und 27 zur Weiterverarbeitung abgezogen. Gleichzeitig erfolgt ein laufender Abzug von kathodisch gebildetem Wasserstoffgas über das Rohr 28 sowie des Rohprodukts, nämlich einer NaOH-Lösung, über den Auslass

Die beiden schmalen Stirnflächen des Kathoden-Rahmens können in der gleichen ¥eise ausgebildet sein wie die den Anodenplatten 2 gegenüberliegenden Flächen, d.h. sie können aus einem Eisennetz 4- und einem darauf aufkaschierten Diaphragma bestehen. Ebenso gut ist es aber auch möglich, diese beiden Stirnflächen aus einer mit einem korrosionsbeständigen Material beschichteten Eisenplatte herzustellen, so daß sie nicht mit als Kathode wirken. Eine andere Modifikation der vorangehend erläuterten Zelle kann darin bestehen daß das gemeinsam für die Elektrolyse-Lösung und das Chlorgas benutzte Sammelrohr durch' z»rei separate, jeweils nur für die Elektrolyse-Lösung bzw. das Ghlorgas dienende Rohre ersetzt v/ird. Schließlich ist es auch möglich, die Stromzufuhr zu den Anoden nicht von unten, sondern von oben vorzunehmen. Bei dieser weiteren Abwandlung, die zeichnerisch ebenfalls nicht dargestellt ist, werden gewissermaßen die einzelnen Zellen-Einheiten 1 auf den Kopf gestellt, so daß die Enden der Tragstäbe 14· nach oben aus dem Kathoden-Tank 10 herausragen. Sie sind dann in elektrischer und gasdichter Isolierung durch den Deckel des Kathoden-Tanks 10 hindurchgeführt und an eine oberhalb des Tanks verlaufende Anoden-Sammelschiene angeschlossen.

Wie bereits erwähnt, sind bei allen bisher bekannten Mehrfach-Elektrolysezellen zur Herstellung von Alkalihydroxiden die Anoden und die Kathoden der einzelnen Zellen-Einheiten zu einem einheitlichen Körper integriert. Falls bei einer solchen Anordnung ein Teil der Zelle beschädigt v/ird oder ausfällt, muss der gesamte integrierte Körper aus dem Anoden-Tank herausgenommen v/erden, um außerhalb des Tanks das beschädigte Teil ersetzen zu können. Da der integrierte Körper

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eine verhältnismäßig komplizierte Formgebung hat, ist das eine sehr seit- und arbeitsaufwendige Maßnahme. Im übrigen ist es auch sehr schwierig, bei dem reparierten Körper, nach den Wiedereinsetzen in den Anoden-Tank, wieder innerhalb der gesamten Zelle einen gleichförmigen Abstand z\v^rischen den Kathoden und den Anoden einzustellen.

Im Gegensatz dazu ist eine eventuell notwendig werdende Reparatur bei der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle außerordentlich einfach. Da die einzelnen Zellen-Einheiten gewissermaßen separate Baueinheiten von einfacher Konstruktion darstellen, die auch separat in dem Kathoden-Tank 10 angeordnet sind, ist es zur Reparatur einer beschädigten Zellen-Einheit lediglich erforderlich, den Kathoden-Tank zu öffnen, die beschädigte Zellen-Einheit für sich herauszunehmen und eine neue Zellen-Einheit wieder einzusetzen. Das läßt sich sehr schnell und einfach durchführen. In diesem Zusammenhang ist noch wichtig, daß sich bei der reparierten Zellen-Einheit der Abstand zwischen Anode und Kathode ohne besondere Schwierigkeiten, also sehr leicht und einfach, wieder auf den erforderlichen genauen Wert einjustieren läßt. Das spart nicht nur zusätzlichen Arbeitsaufwand, sondern sichert auch eine zuverlässige Aufrechterhaltung des genauen Plattenabstandes zwischen Anode und Kathode und ermöglicht es, die wässrige ITaOH-Lösung mit besserer Konzentrations-Konstanz und v/irksam mit niedrigerer Zellen-Spannung herzustellen, als das bei den bekannten Zellen der Pall war.

Zur v/eiteren Erläuterung der Vorteile der Erfindung seien einige Zahlenbeispiele genannt. Bei den bekannten Zellen dauert eine Reparatur des Anoden- oder Kathoden-Körpers mindestens 5 Stunden, wogegen bei der erfindungsgemäßen Zelle sich ein Ersatz einer in dem Kathoden-Tank eingesetzten Zellen-Einheit in etwa einer halben Stunde durchführen läßt.

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Weiterhin benötigen die bekannten Zellen, bei denen die Anoden und Kathoden im Mittel einen Abstand von etwa 10 mn voneinander haben, eine mittlere Zellen-Spannung von mehr als 4,0 V zur Herstellung einer 11$-igen wässrigen NaOH-Lösung. Bei der erfindungsgemäßen Zelle lässt sich der. Abstand zwischen Anoden und Kathoden exakt auf 6 mm einstellen, und es itfird zur Herstellung der gleichen Lösung nur eine mittlere Zellen-Spannung von weniger als 3₅8 V benötigt. In beiden Vergleichsfällen ist dabei eine Betriebs-Stromdichte von etwa 25 A/dm und eine Elektrolyse-Temperatur von etwa 90 G angenommen.

Zur Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Elektrolyse-Zelle ist es z\"/eckmäßig, um die Bildung eines explosiven Gasgemisches aus Wasserstoff und Sauerstoff innerhalb des Kathoden-Tanks 10 zu verhindern, die Spannung erst anzulegen, wenn der Kathoden-Tank vollständig mit der Elektrolyse-Lösung gefüllt ist, und danach den Flüssigkeitsstand graduell mit dem bei der Elektrolyse zunehmenden Volumen an gebildetem Wasserstoffgas zu senken.

Der Auslass 30 für die gebildete NaOH-Lösung sollte in der Seitenwand 29 des Kathoden-Tanks 10 in solcher Höhe angeordnet sein, daß bei normalem Betrieb der Flüssigkeitsstand innerhalb des Kathoden-Tanks 10 im wesentlichen in der Höhe des oberen Endes der einzelnen, Zellen-Einheiten liegt. Im übrigen ist es notwendig, die einzelnen Zellen-Einheiten stets völlig mit Elektrolyse-Lösung gefüllt zu halten, und dazu ist es zweckmäßig, die Zufuhr der Elektrolyse-Lösung so einzustellen, daß zufubrseitig deren Flüssigkeitsstand innerhalb des Standrohres 26 liegt. Bei dem vorangehend erwähnten Zahlenbeispiel wurde unmittelbar nach der ersten Inbetriebnahme der Zelle ein Höhenunterschied zwischen den Flüssigkeitsständen im Anoden-Raum und im Kathoden-Raum von etwa 30 cm eingestellt.

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Nach sechs Monaten Betriebsdauer wurde dieser Höhenunterschied auf et via I50 cm erhöht, um den sich vergrößernden Ströiaungsv/iderstand des Diaphragmas zu überwinden.

- Patentansprüche

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   (Λ\ Mehrfach-Elektrolysezelle zur Herstellung von Alkalihydroxiden nach dem Diaphragmaverfahren, bestehend aus einer größeren Anzahl von elaicfcrisch parallelgeschalteten Zelleri-Einheiten mit ^jeweils durch ein vertikales Diaphragma gegeneinander abgeteilten Kathoden-Räumen und Anoden-Räumen, dadurch gekennzeichnet, daß ,jede Zellen-Einheit (1) als Baueinheit in einen Kathoden-Tank (10) eingesetzt ist undzwei Anodenplatten (2) enthält, die mit mindestens zwei elektrisch leitenden, mit einer äußeren Anoden-Stromschiene (16) verbundenen Tragstäben verschweißt und in vorgegebenem engem Abstand von einem Kathoden-Rahmen umgeben sind, wobei der Kathoden-Rahmen aus einem mit einem Asbest-Diaphragma (5) kaschierten Eisennetz (A) besteht, nach obenhin durch eine Kappe (6) aus korrosionsfestem Material abgeschlossen ist und an seinem unteren Ende von einem Bodenteller, der mit aufrechten Flanschen (8) in den Kathoden-Rahmen eingreift, gehalten ist.
2. 2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der enge Abstand zwischen den Anodenplatten (2) und dem Kathoden-Rahmen (4-, 5) auf etwa 6 mm eingestellt ist.
3. 3. Elektrolysezelle"nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathoden-Rahmen (4-, 5)mittels Klemmteilen (12), die sein unteres Ende gegen die Flansche (8) des Bodentellers (7) drücken, und mit Einstellschrauben an der Bodenplatte (9) des Kathoden-Tanks (10) befestigt ist.

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4. 4. Elektrolysezelle nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die schmalen Stirnflächen des Kathoden-Rahmens (4-, 5) jeweils aus einer mit einem korrosionsbeständigen Material beschichteten Eisenplatte bestehen.
5. 5- Elektrolysezelle nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Seitenwand (29) des Kathoden-Tanks (10) ein Auslass (30) für die gebildete Alkalihydroxid-Lösung vorgesehen ist, und zwar etwa in Höhe des oberen Endes der einzelnen Zellen-Einheiten (1).
6. 6. Elektrolysezelle nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in das obere Ende einer jeden mit dem Kathoden-Rahmen (4-, 5) verbundenen Kappe (6) ein Anschlussrohr (22) zur Zufuhr von Elektrolyse-Lösung und zum Abzug von gebildetem Chlorgas eingeführt ist, und daß alle Anschlussrohre mit einem horizontal über den Kathoden-Tank (10) laufenden Sammelrohr (24) verbunden sind, wobei an das Sammelrohr direkt der Einlass (25) für die Elektrolyse-Lösung und über ein aufrechtes Standrohr (26) der Auslass (27) für das gebildete Chlorgas angeschlossen sind.

   7· Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an das obere Ende einer Jeden mit dem Kathoden-Rahmen (4-, 5) verbundenen Kappe "zwei Anschlussrohre angeschlossen sind, von denen das eine zum Abzug des gebildeten Chlorgases dient und mit einem Chlorgas-Sammelrohr verbunden ist, xiährend das andere zur Zufuhr der Elektrolyse-Lösung dient und mit einem Sammelrohr für die Elektrolyse-Lösung verbunden ist, wobei beide Sammelrohre sich horizontal über den Kathoden-Tank (10) erstrecken und wobei das Sammelrohr für die Elektrolyse-Lösung mit einem Einlass für die Elektrolyse-Lösung und mit einem aufrechten Standrohr verbunden ist.

   KRE/hn ._._.

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