DE3212975C2 - - Google Patents

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.

VERGLEICHSBEISPIEL

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.

BEISPIEL NACH DER ERFINDUNG

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.