DE3212975C2 - - Google Patents
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- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
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- C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kathodenein
richtung einer Elektrolysezelle des Diaphragmatyps ge
mäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Seit mehreren Jahrzehnten benutzt man für die Elektro
lyse von Alkalichloriden und insbesondere für die Her
stellung von Chlor und Natronlauge Kathoden mit "über
querenden oder nichtdurchgehenden Handschuhfingern"
je nachdem, ob sie von einer Seite der Zelle bis zur
anderen reichen oder an ihren inneren Enden einen Gang
für die Zirkulation des Elektrolyten übrig lassen. Diese
Kathoden werden über die senkrechten Wände eines Rah
mens der Zelle und einem Kathodengürtel, der aus einer
hufeisenförmig gebogenen Platte oder mehreren Platten
aus gut leitendem Metall besteht, die an der Außenseite
von einer oder mehreren dieser Rahmenwände angebracht
sind, mit elektrischem Strom versorgt. Der Strom muß
mit Mitteln, die einen möglichst geringen Widerstand
haben, im Inneren der Zellen und insbesondere auf die
bei der Elektrolyse aktiven, den Anoden gegenüberste
henden Kathodenflächen gleichnäßig verteilt werden.
Es ist darauf hinzuweisen, daß in der Chlor-Industrie
mit dem Begriff "Kathode" nicht nur der innere Teil
der Zelle bezeichnet wird, der für die Entladung der
positiven Ionen eine aktive Rolle spielt, sondern
auch die senkrechten Wände des Rahmens der Zelle
und der Kathodengürtel, d.h. das ganze System, das
den Strom von dem mit einer negativen Stromquelle,
im allgemeinen über andere Zellen, verbundenen Leiter
bis zum Elektrolyten leitet.
Der Begriff "Kathodeneinrichtung" wird nachstehend
für die Bezeichnung der "Kathode" in diesem weiteren
Sinne gebraucht und schließt daher den inneren Teil
der Zelle ein, der "Innenkathode" genannt und selbst
von einer von den Wänden umschlossenen Kammer mit
rohrförmigen Fingern von rechteckigem Querschnitt
gebildet wird, die mit der Kammer in Verbindung stehen.
Die aus durchlöchertem Blech oder häufiger einem Eisen-
oder Stahldrahtgeflecht bestehenden Finger der Innen
kathode tragen das durch Filtrieren auf ihnen abgela
gerte Diaphragma, wozu das durchlöcherte Metall mittels
eines im Inneren der Kathode geschaffenen Unterdrucks
als Filter für den den Feststoff des Trennmittels ent
haltenden Brei dient. Asbestfasern, die lange Zeit den
Hauptbestandteil dieses Materials bildeten, werden jetzt
durch fluorierte Harze ergänzt oder ersetzt, was nach
der Ablagerung eine Erhitzung auf eine Temperatur bis
in die Nähe von 400°C erfordert, um das Diaphragma
durch Sintern zu verfestigen. Der auf die Innenkathode
einwirkende Druck und die durch die thermische Behand
lung hervorgerufenen Spannungen bei großen Elektroden
oberflächen haben häufig Deformationen zur Folge und
schaden der Planheit und Parallelität der aktiven
Oberflächen untereinander und gegenüber den Anoden.
Um diese verschiedenen Schwierigkeiten zu beheben, wurde
es notwendig, im Innern der Kathodenfinger Verstärkungs
elemente in Form von gewellten Stahlplatten anzuordnen.
Diese Platten, auf denen die Innenkathode angeordnet
ist, vermeidet das Zerdrücken der Finger bei der Ablage
rung des Diaphragmas. Eine solche Anordnung vermeidet
jedoch nicht vollständig die oben aufgezeigten Schwierig
keiten; darüber hinaus ist der Kontakt zwischen diesen
Elementen und den durchbrochenen Enden der Innenkathode
punktuell und kommt häufig über oxydierte Oberflächen
zustande. Daher tragen sie praktisch nicht zur Strom
leitung bei und das umso mehr, als die elektrischen und
mechanischen Verbindungen zwischen der Zellenwand und
dem aktiven Teil der Kathode im wesentlichen über die
unteren und oberen durchbrochenen Platten der Ring
kammer zustande kommen.
In der FR-PS 22 87 527 wird die Verwendung von Ab
standsstücken in Form von rechteckigen Platten mit
längsgezahnten Rändern vorgeschlagen. Im einzelnen
empfiehlt dieses Patent die Verwendung von Abstands
stücken, dessen Zähne einen Querschnitt in Form eines
Rechtecks haben, dessen eine Seite größer und dessen
andere Seite kleiner als der Durchmesser der durch
löcherten Platten ist, und wobei der Abstand der
Zähne anders ist als der der Löcher der perforierten
Platten, die die kastenförmige Struktur der Kathoden
elemente bilden (S.16, Z.14 bis S.17, Z.2 der vorge
nannten Patentschrift).
In der US-PS 33 42 717 werden Kathodeneinrichtungen
von Elektrolysezellen des Diaphragmatyps beschrieben,
die die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1
aufweisen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine
Kathodeneinrichtung zur Verfügung zu stellen, bei
der Zusammenbau und Demontage des Innenteils erleich
tert sind, die bei den verschiedenen Behandlungen sta
bil gegen Deformationen ist, die dem Durchgang des
elektrischen Stroms einen verhältnismäßig geringen
Widerstand bietet und die eine fehlerfreie Ausbil
dung des Diaphragmas auf den Kathodenfingern sicher
stellt.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1
gelöst.
Der Rahmen der Kathodeneinrichtung besteht im allge
meinen aus kohlenstoffarmem Stahl. Er trägt wenig
stens an einer aber in der Regel an dreien seiner äuße
ren Flächen einen Kathodengürtel, der meistens aus
einer Kupferplatte besteht. Die Kammer wird nach außen
von diesem Rahmen und nach oben und unten von Wänden
aus durchbrochenem Metall begrenzt. An zwei ihrer
Innenseiten sind die rohrförmigen Finger angebracht,
deren Achsen zwei Rahmenwänden parallel sind. Das
bevorzugte Material für die Innenkathode, die das
Diaphragma trägt, ist durchlöchertes Eisen- oder
Stahlblech.
Die Versteifungsplatten im Inneren der Finger sind
in einem Abstand zueinander angeordnet, der von der
Steifigkeit des für die Innenkathode benutzten Mate
rials abhängt. Es empfiehlt sich eine solche Zahl
von Versteifungsplatten, daß der Abstand zwischen
zwei Platten 5 bis 15% der Entfernung des unteren
Endes vom oberen Ende der Kathodenfinger beträgt.
Diese Angabe gilt für eine gleichmäßige Verteilung
der Platten, aber man kann ohne den Rahmen der Er
findung zu verlassen, den Abstand von zwei aufeinan
derfolgenden Platten um ± 20% variieren. Sie wer
den mit ihren Längsrändern an die Innenflächen der
Finger punktweise und mit ihren äußersten Enden an
den vertikalen Platten angeschweißt. Die verschiede
nen Möglichkeiten der Anordnung dieser vertikalen
Platten werden unten erläutert.
Die Verbindung zwischen den vertikalen Platten und
dem Rahmen erfolgt, wie das gleichfalls nachstehend
im einzelnen gezeigt wird, über S- oder Z-förmige
Stützplatten aus Stahl, die eine gewisse Biegsam
keit besitzen und die an der Rahmenwand etwa in der
Höhe des Kathodengürtels angeschlossen sind.
Die Dicke der Platten wird in Abhängigkeit von der
Stromstärke der Zelle und der Art des eingesetzten
Metalls gewählt, um keinen merklichen Widerstand
zu bieten und keine Energieverluste durch den Joule
effekt zu bewirken.
Die Dicke der S- oder Z-förmigen Stützplatten ist in
der Größenordnung von 3 bis 6 mm.
Um eine freie Zirkulation des Elektrolyten zu ermög
lichen, ist es notwendig, daß die Versteifungsplat
ten mit Löchern versehen sind. Der Anteil der Leer
räume, bezogen auf die gesamte Fläche dieser Teile,
beträgt vorzugsweise 10 bis 30%. Die vertikalen
Platten können gleichfalls aus einem durchbrochenen
Metall in der gleichen Art wie die Innenkathode be
stehen.
Der Kathodengürtel besteht im allgemeinen aus Kupfer
und sein Querschnitt und seine Anordnung sind der
art, daß nennenswerte Stromverluste durch den Joule
effekt vermieden werden und daß eine gleichmäßige
Verteilung des Stroms begünstigt wird, wie das in
der Chlor-Industrie bekannt ist.
Die Fig. 1 ist eine Gesamtansicht einer Kathoden
anordnung einer Elektrolysezelle des Diaphragmatyps.
Die Fig. 2 und 5 sind Schnitte von Teilen der
Zelle, deren Detailansichten entsprechend von den
Fig. 3 und 4 wiedergegeben werden.
Man erkennt in der Fig. 1 den Rahmen 1 einer Elektro
lysezelle mit senkrechten Wänden, die an ihrem Unter-
und Oberteil mit Flanschen 2 versehen sind. An diesen
Wänden ist ein Kathodengürtel 3 angebracht. Im Innern
des Rahmens 1 stellt eine Kammer 4, von der man die
Oberseite sieht, mit angedeuteten rohrförmigen Fingern
5, von denen man gleichfalls die Oberseite sieht, den
Kathodenraum der Zelle dar. Zwischen den Fingern 5
sind freie Räume 6 angedeutet, die die am Boden der
Zelle befestigten Anoden bei dessen Montage aufnehmen.
Die Anoden sind nicht dargestellt. Die mit der Kammer 4
in Verbindung stehende Öffnung 7 erlaubt die Abführung
des an der Kathode gebildeten Gases.
Die Wände der Kathodenfinger 5 und der Kammer 4 sind
gleichfalls sichtbar in der Fig. 2. Man sieht die
waagerecht und im Innern der Kathodenfinger durch
punktweises Schweißen in der Figur durch schwarze
Punkte dargestellt, und an ihren Enden an der verti
kalen Platte 9 angeschweißte Versteifungsplatten 8.
Die Platten 9 sind mit der Rahmenwand 1 durch bieg
same Stützplatten 10 verbunden. Die Teile der Innen
kathode sind in der Fig. 3 dargestellt. Wie ersicht
lich, sind die Versteifungsplatten 8 an ihren Enden
mit den vertikalen Platten 9 verschweißt, die mit Ab
stand zu den Kathodenräumen und den entsprechenden
Fingern 5 angeordnet sind.
Eine analoge Ausführung wird in den Fig. 4 und 5
gezeigt. Die vertikalen Platten 9 bestehen jedoch
aus den bei 9 a umgebogenen Abkantungen des perforier
ten Metalls der Innenkathode. Winkeleisen aus Voll
metall könnten gleichfalls anstelle des durchbroche
nen umgebogenen Metalls verwendet werden. Die waage
rechten Versteifungsplatten 8, die an die vertikalen
Platten 9 angeschweißt sind, stehen aus dem Raum
zwischen den Kathodenfingern 5 vor.
Das Innenteil der Kathode wird vorzugsweise ausge
bildet, indem man zuerst die waagerechten Verstei
fungsplatten 8 im Innern der Kathodenfinger 5 ver
schweißt und dann die Versteifungsplatten an den
vertikalen Platten 9 anschweißt. Die biegsamen Stütz
platten 10 werden an der Innenwand des Rahmens 1
angeschweißt. Dann wird der Innenteil in das Innere
des Rahmens gebracht. Die vertikalen Platten 9 wer
den mit den biegsamen Stützplatten 10 verschweißt
und schließlich werden die unteren und oberen Wände
der Kanmer auf die Flansche 2 des Rahmens 1 geschweißt.
Die Biegsamkeit der S- oder Z-förmigen Stützplatten 10
zwischen den vertikalen Platten 9 und den senkrechten
Wänden des Rahmens erlaubt ein rasches und genaues
Einpassen des Ganzen.
Wenn erforderlich, kann der Innenteil der Kathode
von dem Kasten getrennt werden. Die Maßnahmen sind
dann folgende: Erst Öffnen der Kammer 4 und dann
Trennen der Schweißstellen zwischen den vertikalen
Platten 9 und den biegsamen Stützplatten 10.
Eine Zelle mit einem Rahmen von 760 mm Höhe, 1800 mm
Länge und 1600 mm Breite, dessen Wände aus Stahl von
10 mm Dicke bestehen, trägt einen Kathodengürtel 3
aus Kupfer von 39 mm Dicke und 460 mm Breite an drei
seiner senkrechten Seiten. Der Boden und der Deckel
bestehen aus Polyester. Diese Zelle vom Diaphragma
typ enthält eine Innenkathode von der Bauart der
sog. überquerenden Finger 5. Diese Finger sind mit
Hilfe eines Spanners aus mit dem Kasten verschweißten
Wellblech verstärkt. Die 20 Finger bestehen aus per
foriertem Eisenblech von 2,5 mm Dicke. Die Löcher
haben 3 mm Durchmesser und befinden sich in einem
Abstand von 5 mm voneinander. Der Leerraumanteil
beträgt 32%. Die Finger selbst haben eine Gesamt
dicke von 22 mm und sind voneinander durch einen
Zwischenraum von 57 mm getrennt, in dem die Anoden
aus einem mit einer Platinlegierung bedeckten Titan
gitter einer mittleren Dicke von 37 mm untergebracht
sind. Der Leerraumanteil des Gitters beträgt 21%±
5%.
Die Elektrolyse einer Natriumchloridlösung von 300 g/l
wird in dieser Zelle mit einer Stromdichte von 25 A/dm2
durchgeführt. Die nach Stabilisierung der Zelle gemes
senen Spannungsunterschiede betragen zwischen dem Ende
und der Mitte eines Fingrs 35 mV und zwischen dem Ende
der Finger und dem Kasten 90 mV, was einem gesamten
Stromabfall von 125 mV entspricht.
Eine identische Zelle enthält eine analog geformte
Kathode mit Fingern 5, die aus durchlöchertem Eisen
blech von 2,5 mm Dicke besteht, wobei die Löcher 3 mm
Durchmesser haben und 5 mm voneinander entfernt sind.
Der Leerraumanteil des perforierten Bleches beträgt
32%. Die Finger 5 dieser Kathode sind jeweils mit
6 waagerechten Versteifungsplatten 8 aus Eisen von
4 mm Dicke verstärkt. Diese Platten 8 sind über ihre
ganze Länge perforiert (Löcher von 10 cm Durchmesser,
Hohlraumanteil 15%) und an den Rändern abgeschrägt,
um ihr Verschweißen mit dem die Kathodenfinger 5 bil
denden durchlöcherten Blech zu ermöglichen. Sie sind
auch an den beiden äußeren Enden der Finger 5 mit den
vertikalen Platten 9 verschweißt, die ihrerseits mit
der Wand des Rahmens 1 durch die Stützplatten 10 ver
bunden sind. Diese Zelle wird für die Elektrolyse
einer Natriumchloridlösung von 300 g/l, wie in dem
Vergleichsbeispiel, verwendet. Der Potentialabfall
nach der Stabilisierung beträgt im Mittel 40 mV zwi
schen dem Ende und der Mitte eines Fingers und 50 mV
zwischen den Fingern und dem Kasten, d.h. insgesamt
90 mV. Weder in den Stunden nach der Inbetriebnahme
der Zelle, noch nach einer Betriebsdauer von 30 Mo
naten ist eine nennenswerte Veränderung festzustellen.
Claims (3)
1. Kathodeneinrichtung einer Elektrolysezelle des
Diaphragmatyps für die Elektrolyse von Alkali
chloriden mit einem Rahmen (1) aus vertikalen,
elektrisch gut leitenden Metallplatten und einer
darin angeordneten Kammer (4), die mit rohrför
migen Fingern (5) von im wesentlichen rechtecki
gem Rohrquerschnitt aus durchlöchertem Blech in
leitender Verbindung steht, die als Diaphragma
träger sich vertikal in das Innere der Kammer
(4) erstrecken, wobei die Finger (5) mit einer
Anzahl von durchbrochenen Versteifungsplatten
(8) aus Metall verstärkt sind, die, horizontal
im Innern der Finger (5) regelmäßig verteilt
übereinander angeordnet, mit den Fingern (5)
an ihren Längsrändern durch Schweißung befestigt
und mit ihren beiden Kopfenden an vertikalen,
in der Kammer (4) angeordneten Platten (9) ange
schweißt sind, die ihrerseits mit dem Rahmen
(1) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Versteifungsplatten (8) an ihren Längs
rändern abgeschrägt und nur punktweise an den
Fingern (5) angeschweißt sind und daß die ver
tikalen Platten (9) mit dem Rahmen (1) jeweils
über biegsame S- oder Z-förmige metallische
Stützplatten (10) durch Schweißungen verbunden
sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die horizontalen Versteifungsplatten
(8) einen Leerraumanteil von 10 bis 30% haben.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zahl der horizontalen Versteifungsplatten
(8) so groß ist, daß der Abstand zwischen zwei auf
einanderfolgende Platten zwischen 5 und 15% der
Entfernung zwischen dem unteren und oberen Ende
der Kathode ausmacht.
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