DE2454014A1

DE2454014A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung und kontrolle des anodenstromes und zur vermeidung von kurzschluessen zwischen den elektroden einer elektrolysezelle

Info

Publication number: DE2454014A1
Application number: DE19742454014
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dipl Phys Sieberer
Original assignee: Fac Conradty
Current assignee: Fac Conradty
Priority date: 1974-11-14
Filing date: 1974-11-14
Publication date: 1976-05-20
Also published as: US4003808A

Description

G. GOlIRADTY, NÜRNBERG 11. 11.

PA 3/155

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung und Kontrolle des Anodenstromes und zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen den Elektroden einer Elektrolysezelle

Die vorliegende Erfindung "betrifft ein \Terfahren und eine Vorrichtung zur Regelung und Kontrolle des Stromes zwischen Anoden und Kathoden in einer Elektrolysezelle mit verstellbaren Anoden. Im folgenden wird insbesondere die Anwendung "bei Chloralkalielektrolyse-Zellen mit Quecksilberkathode beschrieben, obwohl diese Vorrichtung und dieses Verfahren auch bei vielen anderen Elektrolysezellen verwendet werden kann.

Die für den Einsatz in der GhIoralkalielektrolyse bisher üblichen Graphitanoden unterliegen während des Elektrolysebetriebes einem ständigen Abbrand, wodurch der Abstand zwischen den Anoden und der Kathode ständig wächst und bei unterschiedlichem Abbrand der einzelnen Anoden eine unterschiedliche Anodenstromstärke bei verschiedenen Anoden resultiert. Um die Wirtschaftlichkeit des Elektrolysebetriebes und um eine gleichmäßige Stromstärke bei allen Anoden zu erhalten, ist deshalb innerhalb gewisser Zeitabstände eine Nachstellung der Anoden notwendig.

Beschichtete, aktivierte Titananoden, die in der Chloralkalielektrolyse seit geraumer Zeit immer größere Verbreitung finden, behalten dagegen während der gesamten Dauer des Elektrolyseprozesses ihre !Form bei. TJm im Interesse der V/irtschaftlichkeit des Elektrolyseprozesses die Zellenspannung möglichst niedrig zu halten, ist der Abstand zwischen den Anoden - sowohl bei Graphit- als auch bei Titananoden - und der Kathode jedoch möglichst klein zu halten, wodurch Kurzschlüsse zwischen Anoden und Kathode und eine ungleichmäßige Strombelastung der einzelnen Anoden, z. "B. bedingt durch Ablagerung von Amalgambutter und

609821/0482

-P-

der daraus resultierenden Höhenänderung der Kathode, nicht mehr auszuschließen ist. Hieraus kann eine Schädigung der Anoden und darüber hinaus von Teilen der Elektrolysezelle resultieren. Außerdem führen bei beschichteten Titananoden Überlastungen über längere Zeiträume, die die Nennbelastung überschreiten und länger anhalten zu einer Schädigung der Aktivschicht und somit zu reduzierter Lebensdauer der Aktivschicht .

Bekannt sind Vorrichtungen zum Regeln des Abstandes zwischen den Anoden und der Kathode einer Elektrolysezelle und somit auch zum Segeln des Anodenstromes, bei denen das durch den Anodenstrom erzeugte magnetische Feld zur Steuerung der Vorrichtung benutzt wird, wobei als Sensoren Schutzgasrohrkontakte oder Magnetschalter verwendet werden. Bei diesen Vorrichtungen muß neben dem durch den Anodenstrom erzeugten magnetischen Feld noch zusätzlich ein weiteres magnetisches Feld künstlich erzeugt werden und aus der Summe oder Differenz dieser beiden Magnetfelder wird das Signal zur Steuerung der Vorrichtung gewonnen. Die Erzeugung des bei diesen bisherigen Vorrichtungen nötigen zweiten, künstlichen Magnetfeldes ist von großem Nachteil, da für dessen Erzeugung und Einstellung zusätzliche Leitungen, Spulen und 3teuerungselemente benötigt werden. Weiter ist nachteilig, daß die Schutzgasrohrkontakte und Magnetschalter mechanisch schaltende Bauelemente darstellen und mit allen Nachteilen und Störanfälligkeiten behaftet sind, die elektrischen Bauelementen mit mechanisch schaltenden Kontakten eigen sind.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die

1. die Überwachung der Stromaufnahme einzelner Anoden oder einzelner Anodengruppen erlaubt,

2. auf Grund des hierbei gewonnenen Signals und der Verstellung der Anoden oder Anodengruppen die Regelung des Anodenstromes gestattet und Kurzschlüsse vermeiden hilft, und die

608*21/0482 " ⁵"

3. die bei den bekannten Vorrichtungen vorhandenen Nachteile beseitigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kontrolle des Anodenstromes und zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen den Anoden und der Kathode einer Elektrolysezelle, welche dadurch gekennzeichnet sind, daß der zur Ansteuerung der Vorrichtung benutzte Sensor eine Feldplatte, eine Magnetdiode oder ein Magnettransistor ist, wobei die Widerstandsänderung des Sensors durch das Magnetfeld des zu einer Anode oder Anodengruppe fließenden Stromes bewirkt wird. I¹ eidplatt en werden auch magnetisch steuerbare Widerstände genannt und ändern beim Einbringen in ein äußeres Magnetfeld ihren elektrischen Widerstand in eindeutiger Art und Weise. Auch Magnetdioden und Magnettransistoren ändern -ihren inneren Widerstand in Abhängigkeit des sie durchsetzenden Magnetfeldes.

Nun gilt für das Magnetfeld & eines stromdurchflossenen geraden Leiters im Abstand r:

" 2 ir * r

d. h. bei einer Anbringung des Sensors in einem festen Abstand r vom stromdurchflossenen Leiter ist das den Sensor durchsetzende Magnetfeld proportional zu dem durch den jeweiligen Leiter fließenden Strom I. Nun ist bei Feldplatten die Widerstandszunahme der Feldplatte ab einer gewissen Magnetfeldstärke proportional zur Stärke des Magnetfeldes und folglich ist die Widerstandszunähme der in einem festen Abstand r von einem Leiter angebrachten Feldplatte proportional zu dem durch den Leiter fließenden Strom. Die Änderung des Widerstandes der Feldplatte stellt also ein Maß für die Änderung des durch den Leiter fließenden Stromes dar. Ebenso ist bei Magnetdioden und Magnettransistoren der elektrische Widerstand, wenn auch in komplizierterer Weise, mit der Stärke des Magnetfeldes, das die Magnetdioden oder Magnettransistoren durchsetzt, verknüpft.

$09821/0482 - ⁴ -

Aus Figur 1 ist die Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes einer Magnetdiode vom sie durchsetzenden Magnetfeld ersichtlich. Bedingt durch ihre Materialeigenschaften ist der Widerstandswert einer Magnetdiode im starken Maße temperaturabhängig. Diese starke Temperaturabhängigkeit von Magnetdioden kann durch zwei elektrisch hintereinandergeschaltete Magnetdioden behoben werden, wohei sie aber so angeordnet werden müssen, daß sie vom gleichen Magnetfeld entgegengesetzt durchsetzt werden. Diese Anordnung nennt man Magnetdoppeldiode. Auch bei den Feldplatten und Magnettransistoren können temperaturempfindliche Bauteile vorgesehen werden, die einer temperaturbedingten Widerstandsänderung dieser Sensoren entgegenwirken.

Bei einer allgemeinen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Sollstromstärke der Anoden mit einem Sollwert des Widerstandes der Sensoren verknüpft. Abweichungen des ' Widerstandswertes eines Sensors um mehr als den tolerierten Betrag bewirken die Auslösung eines elektrischen Signals.

So wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung des Anodenstromes und zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen den verstellbaren Anoden und der Kathode einer Elektrolysezelle mittels einer Vorrichtung, die durch eine Feldplatte, eine Magnetdiode oder einen Magnettransistor angesteuert wird, dessen elektrischer Widerstand ein Maß für den zu einer Anode oder Anodengruppe fließenden Strom darstellt und somit für einen Sollwert des Stromes auch einen Sollwert des Widerstandes aufweist, bei einer Abweichung des Stromes vom Sollwert die Abweichung des elektrischen Widerstandes des Sensors vom Sollwert benutzt, um den elektrischen Widerstand des Sensors und somit auch den Strom der Anode oder Anodengruppe durch Verstellen der Anode oder Anodengruppe wieder auf den Sollwert einzustellen. Das Verstellen der Anode oder Anodengruppe erfolgt je nach Automatisierungsgrad der Elektrolyseanlage von Hand oder mittels Stellmotoren, wobei Stellmotoren vorzugsweise ganze Anodengruppen verstellen. Die Ansteuerung der

$09121/0482 . - 5 -

Stellmotoren erfolgt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung so lange, "bis der Sensor wieder seinen Sollwert erreicht hat.

ITm die Verstellhäufigkeit zu reduzieren, kann auch eine Abweichung des Sensorwertes vom Sollwert innerhalb größerer vorgegebener Grenzen toleriert werden« Die automatische Verstellung der jeweiligen Anoden oder die Anzeige, daß eine Verstellung der Anoden von Hand vorgenommen werden soll, erfolgt in jedem Fall erst nach Überschreitung der festgelegten Grenzwerte.

Falls der Anodenstrom jeder -Einzel anode kontrolliert werden soll, wird für jede Anode ein Sensor benötigt, während zur Überwachung von-Anodengruppen nur ein Sensor an der Stelle, an der der Gesamtstrom der zu überwachenden Gruppe fließt, benötigt wird. Bei Einzelanodenüberwachung wird der Sensor zweckmäßigerweise an den Anodenstromzuführungsstab und bei der Anodengruppenüberwachung an das gemeinsame Kupferband oder an der Kupferschiene angebracht. Die als Sensor benutzten FeIdplatten, Kagnetdioden oder Tlagnettransistoren müssen keinesfalls unmittelbar am Stromleiter befestigt werden. Sie können auch in einen geringen Abstand von diesem befestigt sein und außerdem kann, eine Abschirmung gegen ein Fremdfeld vorgesehen werden. " .

Da eine Elektrolyseanlage in der Regel aus mehreren Zellen besteht, wobei jede Zelle eine Vielzahl von Anoden aufweist, muß - falls aus Kostengründen erwünscht - nicht für jede Elektrolysezelle eine komplette Anzeige- und Steuereinheit zur Ansteuerung der Stellmotoren jeder Elektrolysezelle vorgesehen werden. Man kann die Sensoren der Anoden und die Stellmotoren jeder Elektrolysezelle mittels elektronischer Umschalter, die eine hinreichend hohe Umsehaltfrequenz aufweisen, nacheinander auf eine Anzeige- und Steuereinheit schalten. Hier erweist es sich als besonderer Vorteil, der aus der Vervrendung von Feldplatten, Magnet dioden oder Hagnettransistoren als Sensoren resultiert, daß bei diesen elektronischen Bauteilen nur die Bestimmung ihres elektrischen Widerstandes nötig ist. Diese

609821/0*82 ^

Viderstandsbestimmung kann in viel kürzerer Zeit erfolgen als es bei den herkömmlichen Vorrichtungen, bei denen ein zweites Magnetfeld künstlich aufgebaut werden muß, der Fall ist. Außerdem lasser: sich extreme Vi der stands änderung en der Sensoren, wie sie durch einen plötzlich auftretenden starken Kurzschluß hervorgerufen werden, mittels einfacher Vorrichtungen feststellen, die auch dann ein Hochfahren des entsprechenden Zellendeckels bewirken, wenn die Anzeige- und Steuereinheit zu diesem Zeitpunkt auf die Sensoren einer anderen Elektrolysezelle geschaltet ist, wie es in Anlagen mit einer Vielzahl von Zellen trotz der hohen Schaltfrequenz des elektronischen Umschalters der Fall sein kann.

Obwohl grundsätzlich Jede auf die Widerstandsänderung des Oensors ansprechende Methode angewendet werden kann, soll die Erfindung in folgenden an einem Beispiel näher erläutert aber keinesfalls eingeschränkt werden.

In Figur 2 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Leuchtdiodenanzeige dargestellt. Eine integrierte Schaltung, in der Figur mit IO bezeichnet, ähnlich der handelsüblichen Type UM 1?0, steuert in Abhängigkeit von der Eingangsspannung Ur, die Leuchtdioden so an, daß entweder der Eindruck eines wachsenden Lichtbandes entsteht oder daß ein Leuchtpunkt wandert, wie es bei der UAA I70 der Fall ist. Die Spannungen U-n und U₇. stellen die zweckmäßigerweise stabilisierten Spannungen für die integrierte Schaltung (!'C) und für die Versorgungsspannung der an der ersten bis η-ten Anode oder Anodengruppe einer Elektrolysezelle angebrachten Sensoren S_x, bis S dar. Mit tL ist der vorzugsweise elektronische Meßstellenumschalter angedeutet, der stets die n-te Anode oder Anodengruppe einer Elektrolysezelle auf den gezeichneten IO schaltet. Die für die Sensoren S_x, bis S_x, notwendigen IG's wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeichnet. Mit Ug ist die je nach Widerstand des Sensors S . der abhängig ist von der Strombelastung der η-ten Anode oder Anodengruppe der Elektrolysezelle, aus der Versorgungsspannung Uy resultierende Steuer-

6ϋ9β2ΐ/0*θ2 bad gwginal "⁷"

Spannung für die integrierte Schaltung bezeichnet. Als Leuchtdioden werden zweckmäßigerweise die gleichen Typen verwendet, doch lassen sich durch verschiedene !Farben der Leuchtdioden zulässige und unzulässige Bereiche kennzeichnen, z. B. fur Normalbelastung grüne LED¹S und für Überlastung rote LED's. Parallel oder an Stelle der Leuchtdiode, die die höchste Strombelastung anzeigt, wird ein Transistor' geschaltet, der, falls bei Überschreitung der tolerierten Strombelastung diese Leuchtdiode vom IG angesteuert wird, über ein Relais oder über Thyristoren die'Stellmotoren betätigt, die ein automatisches Hochfahren des entsprechenden Zellendeckels bewirken, oder - bei Handbedienung der Verstellvorrichtung - ein akustisches Signal gibt. Analog läßt sich auch eine Tieferstellung des Zellendeckels steuern. Durch die Wahl der Spannung Uy läßt sich der Sollwert genau in die Mitte des Anzeigebereiches der Leuchtdiodenskala legen. Bei einer vom Betreiber gewollten Änderung der Strombelastung der Zelle würde sich das Magnetfeld an den Sensoren verändern, so daß der neue Sollwert sich nicht mehr in der Mitte des Anzeigebereiches der Leuchtdiodenskala befindet . Durch entsprechende Änderung der Spannung Uj kann der neue Sollwert aber leicht wieder in die Mitte der Skala gebracht werden. Die gleiche Wirkung hat bei einer gewollten Änderung der Zellenbelastung auch die Änderung der Versorgungsspannung TLp wobei in diesem Fall U-j- nicht geändert wird.

In einer anderen Ausführungsform können die in Figur 2 gezeichneten Sensoren S^₁ bis S alle an den Meßstellenumschalter Μ_σ

ι η ο

angeschlossen sein, so daß mittels einer integrierten Schaltung nacheinander die Strombelastung der Anoden einer Zelle bestimmt werden kann. Diese Variante ist für Elektrolyseanlagen mit wenigen Zellen interessant.

In Figur 3 ist der IC der Figur 2 durch ein LED-Voltmeter ersetzt. Die Wirkungsweise entspricht der Schaltung aus Figur

Selbstverständlich können die Feldplatten, Magnetdioden oder Magnettransistoren auch als Sensoren für Elektronenrechner eingesetzt werden, die als Prozeßrechner den Betrieb der

6ύ9β21/0|82

Elektrolyseanlage überwachen. Weiterhin ist der Einsatz dieser Sensoren nicht auf ZLektrolysezellen mit verstellbaren Anoden "begrenzt, sondern es läßt sich die Stromstärke mittels dieser Sensoren auch an anderen Zellen messen. Die Regelung der Stromstärke hat in diesem Fall durch geeignete Maßnahmen zu erfolgen. So kann mittels dieser Sensoren bei Zlektrolysezellen, die nach dem Diaphragma-Verfahren arbeiten, ebenfalls die Strombelastung der einzelnen Anoden bestimmt v/erden.

60 9Θ21/04Θ2

Claims

24540H Pat e η ta η s ρ r ü c h e :

1) Verfahren zur Regelung des Anodenstromes und zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen den verstellbaren Anoden und der Kathode einer .Elektrolysezelle, dadurch gekennzeichnet , daß mittels einer Vorrichtung, die durch eine Feldplatte, eine Magnetdiode oder einen Magnettransistor als Sensor angesteuert wird, dessen elektrischer V/iderstand ein Kaß für den Strom darstellt, der zu einer Anode oder Anodengruppe fließt und somit für einen Sollwert des Stromes auch, einen Soll viert des Widerstandes aufweist, bei einer Abweichung des Stromes vom Sollwert die Abweichung des elektrischen Widerstandes des Sensors vom Sollwert benutzt wird, um den elektrischen Widerstand, des Sensors und somit-auch den. Strom der Anode oder Anodengruppe durch Verstellen der Anode oder Anodengruppe wieder auf den Sollwert einzustellen.

2)" Verfahren nach Anspruch 1 ,· dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung durch eine I-Iagnetdoppeldiode angesteuert wird.

3) Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach Anspruch 1 und 2_r dadurch gekennzeichnet, da3 der zur Ansteuerung der Vorrichtung benutzte Sensor eine Feldplatte, eine Magnetdiode oder ein Hagnettransistor ist, dessen Widerstandsänderung durch, das Magnetfeld des Stromes bewirkt wird, der zu einer Anode oder Anodengruppe fließt.

4-) Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Sensor eine liagnetdoppeldiode ist.

5) Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige des Sensorwertes durch eine Leuchtdiodenskala erfolgt. -

TNWP-Irg/-

PA 3/155 ■■:■"-

AO
Leerseite