DE2934108A1

DE2934108A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von chlor, wasserstoff und alkalilauge durch elektrolyse von nacl- oder kcl-sole in einer diaphragmazelle.

Info

Publication number: DE2934108A1
Application number: DE19792934108
Authority: DE
Inventors: Luciano Mose; Bernd Dr.-Ing. 4700 Hamm Strasser; Wolfgang Dr.-Ing. 4600 Dortmund Strewe
Original assignee: Hooker Chemicals and Plastics Corp
Current assignee: Occidental Chemical Corp
Priority date: 1979-08-23
Filing date: 1979-08-23
Publication date: 1981-03-12
Also published as: US4342630A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Chlor, Wasserstoff und Alkalilauge durch Elektrolyse von NaCl- oder KCl-SoIe in einer Diaphragmazelle

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Chlor, Wasserstoff und Alkalilauge durch Elektrolyse von NaCl- oder KCl-SoIe in einer Diaphragmazelle mit einer Vielzahl von parallel nebeneinander angeordneten Metallanoden und-kathoden und mit einer Vielzahl von Reaktionsbereichen.

Herkömmliche Diaphragmazellen monopolarer Bauart, wie sie z. B. für die Alkalichloridelektrolyse benutzt werden, bestehen aus einem Zellenbehälter, in dem eine Vielzahl von Anoden- und Kathodenelementen angeordnet ist. Im Falle der Alkalichloridelektrolyse befindet sich außerdem in dem Zellenbehälter zwischen Anoden und Kathoden ein Diaphragma für die Trennung der Elektrolyseprodukte Cl„, H„ und NaOH. Solche Diaphragmen bestehen beispielweise aus Asbestfasern, aus Mischungen von Asbestfasern mit Bindemitteln, aus mikroporösen Folien oder auch aus Ionenaustauschermaterialien.

Während des Elektrolysevorganges ist der Zellenbehälter bis über die Oberkante der Elektroden mit Elektrolytlösung gefüllt und es wird kontinuierlich frische Lösung, in die Zelle eingespeist, im Falle der Alkalichloridelektrolyse wässrige NaCl - oder KCl-SoIe. Die Zugabe der frischen Sole erfolgt entweder durch eine Deckelöffnung auf die Oberfläche der Solefüllung oder durch ein Rohr im Boden des Zellenbehälters.

Die Sole wird dann in den Spalten zwischen Anoden und Kathoden, den Reaktionsbereichen, elektrochemisch getrennt, wobei sich an ; der Anode Chlorgas abscheidet, während sich an der Kathode j Wasserstoffgas bildet und eine wässrige alkalische Lösung, die

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sogenannte Zellenlauge zurückbleibt. Werden flüssigkeitsdurchlässige Diaphragmen verwendet, so strömt die an Chlor verarmte Sole durch das Diaphragma in den Kathodenraum der Zelle. Die Zellenlauge enthält in diesem Falle auch einen entsprechenden Anteil an Chlorid.

Bekanntermaßen werden heute fast ausschließlich Metallanoden in Diaphragmazellen für die Alkalichlorid-Elektrolyse verwendet. Gegenüber den früher üblichen Diaphragmazellen mit Graphitanoden zeichnen sie sich vor allem durch niedrigere Zellenspannung und dementsprechend niedrigeren Stromverbrauch bei sonst gleichen Betriebsbedingungen aus. Die niedrigere Zellenspannung wird dabei durch den geringen Abstand zwischen den einzelnen Anoden- und Kathodenelementen erzielt, der entsprechend geringen Spannungsabfall im Elektrolyten zur Folge hat.

Als Folge der ständig ansteigenden Enargiekosten versucht man neuerdings, den Stromverbrauch durch Betreiben der Zellen bei niedrigeren Stromdichten, d.h. bei niedrigeren Stromstärken je Flächeneinheit, weiter zu senken. Zum Beispiel könnte bei Reduzierung der Stromdichte von den heute üblichen Werten von

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etwa 2,3 kA/m auf 1,5 kA/m die Zellenspannung von ca. 3,4 Volt auf ca. 3,1 Volt reduziert werden. Das entspricht einer theoretischen Stromersparnis von ca. 10 %. In Wirklichkeit ist die Stromersparnis jedoch weitaus geringer, da mit abnehmender Stromdichte in zunehmendem Maße unerwünschte Nebenreaktionen, vor allem die anodische Erzeugung von Sauerstoff, auftreten, und dadurch die pro kAh erzeugte Chlormenge, d.h. die Stromausbeute, verringern. Dadurch wird nicht nur die theoretisch mögliche Stromersparnis nicht erzielt, sondern auch die Reinheit des Chlorgases durch den zunehmenden Anteil an Sauerstoff verringert.

£ Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Stromausbeute und die Chlorkonzentration in Diaphragmazellen mit Metallanoden

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besonders bei Betreiben der Zellen mit niedrigen Stromdichten zu verbessern.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß die Aufgabe gelöst wird, wenn jedem zwischen den Metallelektroden liegenden Reaktionsbereich frische NaCl- oder KCl-SoIe zugeführt wird.

Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn die zugeführte NaCl- oder KCl-SoIe gleichmäßig auf alle Reaktionsbereiche verteilt wird.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich die Diaphragmazelle dadurch aus, daß unterhalb jedes Elektrodenpaares ein Einfach- oder Doppelrohr angeordnet ist, das einerseits an die Elektrolytzuführungsleitung angeschlossen ist und andererseits unter jedem Reaktions-bereich mindestens eine Austrittsöffnung aufweist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich in Diaphragmazellen mit Metallelektroden eine höhere Stromausbeute, d. h. niedrigerer Stromverbrauch je Gewichtseinheit erzeugtem Produkt und eine höhere Chlorreinheit erzielen lassen.

In 4 Vergleichsversuchen wurde dem konventionellen Verfahren das erfindungsgemäße Verfahren gegenübergestellt. Dazu werden 4 Diaphragmaelektrolysezellen eingesezt, wovon 3 konventionell und eine erfindungsgemäß ausgerüstet war. Bei den 3 Zellen wurde der Elektrolyt über 2 Zuführungen 5 in den Zellenbehälter geleitet ohne jegliche Verteilungsvorrichtung. In der Zelle für das erfindungsgemäße Verfahren wurden Elektrolytverteilerrohre derart eingebaut, daß unter jeder Anodenhälfte, d. h. seitlich vom Stromzuführungsstab 9 eine Elektrolytzuführung zu dem jeweiligen Reaktionsbereich angeordnet war. Um einen gleichmäßigen

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Elektrolytfluß in alle Reaktionsbereiche zu gewährleisten, wurde bei 108 Austrittsöffnungen im Verteilerrohr der Querschnitt einer Öffnung mit ca 1/100 des Querschnitts des Verteilerrohres gewählt. Die Zellen selbst waren alle mit ^!'box type"-Anoden ausgerüstet sowie mit Asbestdiaphragmen mit Polymerzusatz.

Die Zellen wurden in Betrieb genommen und alle auf die gleiche

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Stromdichte von 1,51 kA/m und gleiche Solezufuhr von 730 l/h eingestellt.

Unmittelbar nach Inbetriebnahme wurden Vergleichsmessungen durchgeführt. In Tabelle 1 sind die Meßergebnisse der 4 Diaphragmaelektrolysezellen gegenübergestellt:

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Tabelle 1

Versuchszelle	1	2	3	70	2	4
	ohne spezielle	46,4	72	mit spez.
	Elektrolytverteilung	730		Elektrolyt
		310	98,5	verteilung
Zellenbelastung kA		54	98,3
Anodenfläche m		2	98,0
Solezufuhr l/h		77	97,5
Solekonzentration g NaCl/1
Anodenzahl			96,3
Anzahl Solezuführungen	2	97,3		108
Diaphragmagewicht kg	76		77
Chlorkonzentration Vol. %		96,5
nach 0,5 h		96,5
1	98,5	96,0	99,2
1,5	98,3
2			99,1
3	98,0		98,5
4
7	95,0		97,2

Alle 4 Zellen hatten nach 4 bis 6 Betriebsstunden die volle Zellenlauge-Konzentration von 160 g NaOH/1 erreicht. Bei dieser Konzentration behielt die Zelle mit Soleverteilervorrichtung (Versuchsreihe 4) auch während der folgenden Betriebszeit die Chlorkonzentration· von 97,2 %, während die drei anderen Zellen sich auf Chlorkonzentrationen von nur 95 bis 96 % einstellten.

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Die vollständige Gasanalyse, die daraus errechnete Stromausbeute und der Stromverbrauch für die Zelle mit Soleverteilungsvorrichtung und für die Zellen ohne diese Vorrichtung sind in Tabelle 2 gegenübergestellt.

Zelle

ohne

Tabelle 2

mit

Soleverteiler

Gaszusammensetzung	Stromausbeute	95,5	97,2	Vol. %
^C12	Ze11ensp annung	3,99	2,29
°2	Stromverbrauch	0,10	0,10
co₂		0,06	0,06
^H2	0,35	0,35
^N2	91,9	95,1	%
3,21	3,21	V
2641	2552	kWh/t Cl

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Die Ergebnisse zeigen, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit der Vorrichtung zur Soleverteilung die Stromausbeute um 3,2 % erhöht wird, was zu einer Stromeinsparung von etwa 90 kWh/t Cl führt. Durch die Soleverteilungsvorrichtung werden demnach Verbesserungen hinsichtlich Stromausbeute und Chlorreinheit erzielt.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist in Figur 1 und 2 dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben, wobei Fig.l eine Seitenansicht, Fig. 2 eine Draufsicht zeigt.

Der Diaphragmazelle 1 mit der Vielzahl an Metallanoden 2 und kathoden 3 wird über die Solezuführungsleitung 4 die Sole zugeführt. Dazu weist die Solezuführungsleitung 4 mehrere Anschlüsse 5 im Zellenboden 6 auf. Von den Anschlüssen 5 verläuft ein ringförmiges Verteilerrohr 7 am Boden der Zelle unterhalb der Metallanoden 2 und -kathoden 3. Das Verteilerrohr 7 weist Bohrungen 8 auf, so daß die frische Sole aus diesen austreten kann und direkt in die Reaktionsbereiche zwischen Anode und Kathode gelangt. Das Verteilersystem wird so dimensioniert, daß eine gleichmäßige Soleverteilung zu den einzelnen Reaktionsbereichen gewährleistet wird.

Die in Fig. 1 und 2 gezeigte Darstellung für das Verteilersystem ist nur beispielhaft. Selbstverständlich können auch andere Ausführungen des Verteilersystems, z.B. zwei oder mehrere Verteilerrohre 7, gewählt werden, die die erfindungsgemäße Aufgabe erfüllen.

Durch die Erfindung ist es somit möglich, die Diaphragmazelle^ heutiger Bauart, das heißt solche mit Metallanoden, mit besserer Stromausbeute und höherer Chlorreinheit zu betreiben als bisher bekannt.

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ΙΙΜΠΕ

Die bessere Stromausbeute führt zu niedrigerem Stromverbrauch der Zellen und bedeutet somit eine entsprechende Einsparung an elektrischer Energie pro Tonne erzeugtem Produkt.

Die größere Chlorreinheit wirkt sich vorteilhaft bei der Weiterverarbeitung bzw. Verwendung des Chlorgases aus. Bei den meisten Chlorierungsprozessen wirken die Inertgasanteile im Chlor, und davon vor allem der Sauerstoff, störend. Das obige Beispiel zeigt, daß durch die Erfindung der Sauerstoffgehalt von ca. 4 auf 2,3 %, also auf fast die Hälfte gesenkt werden kann.

Wird das Chlor nicht an Ort und Stelle verwendet, muß es für den Transport verflüssigt werden. Auch bei der Chlorverflüssigung wirkt sich ein niedriger Inertgasanteil sehr vorteilhaft aus, da dadurch der Verflüssigungsgrad erhöht werden kann, während apparativer Aufwand und Energieverbrauch verringert werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung von Chlor,, Wasserstoff und Alkalilauge durch Elektrolyse von NaCl- oder KCl-SoIe in einer Diaphragmazelle mit einer Vielzahl von parallel nebeneinander angeordneten Metallanoden und -kathoden und mit einer Vielzahl von dazwischen liegenden Reaktionsbereichen, dadurch gekennzeichnet, daß jedem zwischen den Metallelektroden liegenden Reaktionsbereich frische NaCl- oder KCl-SoIe zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zugeführte NaCl- oder KCl-SoIe gleichmäßig auf alle Reaktionsbereiche in der Diaphragmazelle verteilt wird.

3. Diaphragmazelle zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb jedes Elektrodenpaares (2;3) ein Einfach- oder Doppelverteilerrohr (7) angeordnet ist, das einerseits an die Sölezuführungsleitung (4) angeschlossen ist und andererseits unter jedem Reaktionsbereich mindestens eine Öffnung (8) aufweist.

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