DE7207894U

DE7207894U - Elektrode, insbesondere anode

Info

Publication number: DE7207894U
Application number: DE19727207894
Authority: DE
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1972-03-02
Filing date: 1972-03-02
Publication date: 1972-11-30

Description

METALLGLSELLSCHAFT Prankfurt (M), den 29.Febr.1972

Aktiengesellschaft DrOz/HMü

Frankfurt (M)

Haus-Nr. 6940 LC

Elektrode, insbesondere Anode

Die Erfindung betrifft eine mit vertikalen Durchtrittskanälen für den flüssigen Elektrolyt versehene Elektrode,, insbesondere Anode.

Bei der Durchführung elektrochemischer Prozesse mit flüssigem Elektrolyt treten Hemmungen auf, die sich durch eine Spannungserhöhung der Elektrolysezelle über das Gleichßewichtspotential hinaus bemerkbar machen. Ursache hierfür sind zwei Fakten:

1. der innere V/iderstand der Elektrolysezelle

2. die Überspannung.

Der xnnere Widerstand ist u.a. abhängig von der Geometrie der Zelle. Hierauf soll hier nicht eingegangen werden.

Bei den Überspannungen unterscheidet man im allgemeinen zwischen:

1. der Durchtrittsüberspannung

2. der Reaktionsüberspannung

3. der Kristallisationsüberspannung und

4. der Diffusionsüberspannung.

Mit der Verminderung der unter 4. genannten Diffusionsüberspannung befaßt sich die vorliegende Erfindung.

Die Diffusionsübersnannung tritt dann auf, wenn bei Stromfluß der Herantransport der zu verbrauchenden Stoffe oder

der Abtransport der gebildeten Substanzen gehemmt ist. Bei der Elektrolyse von z.B. Natriumchloridlösungen nach dem Ainalgam-Verf ahreii mit nahezu wa η gerechten Elektroden ist man bemüht, mit sehr kleinen Abständen (2-4 mm) zwischen Anode und Kathode zu arbeiten, um den inneren Widerstand der Zelle möglichst klein zu halten. Hierdurch wird automatisch der hydraulische Widerstand des Spaltes zwischen Anode und Kathode vergrößert. Hat nun, wie z.B. in einer Zelle mit Quecksilber-Fließkathode, der Elektrolyt die Möglichkeit, in Räume mit geringerem hydraulischen Widerstand, 2,B. oberhalb der Anode, zu fließen, kommt es im Laufe der Elektrolyse zwangsläufig zu einer stetigen Verarmung an Ionen zwisehen den Elektroden. Hierdurch kann die Diffusionsüberspannung erhebliche Werte annehmen.

Nun sind in der Praxis die Anodenplatten zur Abfuhr des entwickelten Reaktionsgases, in dem gewählten Beispiel also des Chlors, mit einer Vielzahl zylindrischer Löcher oder auch Schlitze mit planparallelen Wänden versehen. (DT-OS 1 667 812, 1 792 183, GB-PS 1 229 402) Dabei sind Kanäle mit Gasdurchtrittsquerschnitten in der Größenordnung zv/ischen 15 - 35^r/° üblich. Größere Gasdurchtrittsquer schnitte vermeidet man, da dadurch die effektive Stromdichte zu groß wird und als Folge davon die Durchtrittsüberspannung ansteigt. Durch die aufsteigenden Gasblasen findet ein Elektrolytaustausch statt, der ein Ansteigen der Diffusionsüberspannung über eine bestimmte Grenze hinaus verhindert.

In umfangreichen Versuchen wurde festgestellt, daß bex der insgesamt ermittelten Überspannung ein erheblicher Anteil auf die Diffusionsüberspannung entfällt. Bei speziell hierzu angestellten Untersuchungen wurde gefunden, daß die bisher vorgesehenen zylindrischen Löcher und Schlitze mit planparallelen Wänden keinesfalls die stets angenommene gute Elektrolytzirkulation bewirken und damit auch die

Diffusionsüberspannung keineswegs hinreichend unterdrückt ist, sondern sogar erhebliche Beträge aufwei-

beil ricui

Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und eine Ausgestaltung der Elektrode zu finden, die die Diffusicnsüberspannung weitestgehend unterdrückt, und damit die Gesaratüberspannung erheblich reduziert. Die Aufgabe wird gelöst, indem die mit vertikalen Durchtrittskanälen für den flüssigen Elektrolyt versehene Elektrode, insbesondere /mode, entsprechend der Erfindung derart ausgestaltet v/ird, daß sich mindestens nahe der und zu einer Oberfläche der Elektrode hin erweiternde Kanäle ergeben.

Mindestens nahe der und zu einer Oberfläche der Elektrode sich erweiternd bedeutet, daß die Durchtrittskanäle beispielsweise nicht durchgehend zylindrisch oder quaderförmig ausgeführt sein dürfen. Es ist erforderlich, daß bei beispielsweise zylindrischer oder quaderförmiger Form zuraindestens nahe der und bis zur Elektrodenoberflasche hin eine Erweiterung, die durch Aufbohren oder Fräsen erhalten werden kann, vorhanden ist. Vorzugsweise sind die Durchtrittskanäle der Elektrode durchgehend konisch oder venturiartig geformt. Insbesondere der venturiartig gestaltete Durchtrittskanal hat den Vorteil, daß bei gleichem freiem Kanalquerschnitt im Vergleich zu einem Kanal mit planparallelen Wänden oder Wandteilen erheblich mehr Gas/ Flüssigkeits-Dispersion gefördert werden kann. Bei gleicher Förderkapazität für die Gas/Flüssigkeits-Dispersion hat die Elektrode eine größere Oberfläche. Sie kann demzufolge mit geringerer effektiver Stromdichte gefahren werden, was dazu führt, daß die Durchtrittsüberspannung niedriger ist.

Die - verglichen mit den bisher üblichen Elektrodenausgestaltungen - erzielte erhebliche Verbesserung der Bektrolytzirkulation läßt sich weiter vergrößern, wenn die Ka-

näle gegeneinander versetzt angeordnet v/erden. Im Beispiel der konischen Ausbildung v/echseln dann Kanäle
mit Erweiterung nach der oberen Elektrodenoberfläche
mit solchen mit Erweiterung nach der unteren Elektrodenoberfläche. Bei venturiartiger Ausgestaltung wechselt analog die Lage der stärksten Verjüngung des Durchtrittskanals.

Eine weitere Intensivierung der Elektrolytzirkulation
läßt sich erzielen, wenn die Kanäle derart versetzt angeordnet werden, daß eine Lafe der Erweiterung vorherrscht. Hierdurch ist eine Strömungsrichtung bevorzugt. Es werden dabei nur die Durchtrittskanäle von bei der Elektrolyse
entwickeltem Gas angeströmt, deren Strömungswiderstand
für die Gas/Flüssigkeits-Dispersion kleiner ist. als der des Kanals mix entgegengesetzt gerichteter Erweiterung.
Wird beispielsweise eine Elektrode^platte so mit venturiartig gestalteten Durchtrittskan«. .eü versehen, daß 2/3 der Kanäle eine Strömung vor unten nach oben und 1/3 die entgegengesetzte Richtung bewirken, bildet sich ein Strömungsbild, bei dem 2/3 der Kanäle eine Gas/Flüssigkeits-Dispersion nach dem Mammutpumpenprinzip aufwärts und 1/3 der Kanäle den Elektrolytrücklauf übernehmen. Hieraus resultiert eine sehr intensive Durchmischung des in den Zellenräumen befindlichen Elektrolyts.

Die erfindungsgemäße Elektrode kann aus jedem für den jeweiligen Anwendungsfall geeigneten Elektrodenmaterial bestehen. Insbesondere ist die Erfindung für massive Elektroden, wie auf Kohlenstoff-Basis, geeignet. Bei Elektroden auf Kohlenstoff-Basis werden dabei nicht nur die Arbeitsflächen nach an sich bekannten Methoden, sondern auch die Durchtrittskanäle für den Elektrolyten gegen Erosion, Korrosion und andere Angriffe während der iiLektrolyse resistent gemacht.

Die erfindungsgeinäße Elektrode ist für Elektrolyseprozesse geeignet, bei denen an der Kathode oder an der Anode gasförmige Produkte entstehen. Bevorzugter Anwendungsfall ist die" Chlox'alkali-Elektrolyse.

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Die Abbildungen und das Ausführungsbeispiel erläutern die Erfindung.

Die Abbildungen geben Schnitte durch Änodenplatten wieder, wobei die Durchtrittskanäle in

Abb. 1 zylindri jch

Abb. 2 venturiartig in einer Richtung verlaufend und

Abb. 3 venturiartig mit versetzter Richtung laufend

ausgebildet sind.

Ausführungsbeispiel;

ΐ Es wurden vier Anodenplatten aus Graphit von 50 mm Dicke

und den Abmessungen 400 χ 400 mm mit unterschiedlichen

Durchtrittskanälen versehen:

1) mit Bohrungen von 6,5 nun Durchmesser (vgl. Abb, I)₁

Der auf die wirksame (untere)Anuaenflache bezogene freie Querschnitt betrug 16,7%,·

2) mit Bohrungen von 9,0 mm Durchmesser. Der freie Querschnitt betrug 32,1%,

3) mit Bohrungen von 6,5 mm Durchmesser, die nach oben hin venturiartig auf 10 mm erweitert waren (Abb. 2).

D_er freie Querschnitt betrug 16,7%,

4) mit gleicher Bohrungszahl und Form wie Anode 3, jedoch hatten zwei von drei Bohrungen eine Venturirichtung von tint en nach oben (vgl. Abb. 3). Der freie Querschnitt betrug 24,5%.

Die vier Anoden wurden in eine großtechnische Zelle für die Chloralkali-Elektrolyse eingebaut und unter Betriebsbedingungen die sogenannte K-Zahl bestimmt. Die K-Zahl, die nach der

720789430.11.72

Beziehung

ν - 3,22 + K

Stromdichte

zur Ermittlung der Zeil spannung dient, ist ein Mali für die Güte einer Zelle und soll möglichst niedrig liegen. Bei sonst gleichen Bedingungen oder in der gleichen Zelle dient die K-Zahl zur Beurteilung ri.er Qualität einer Anode.

Die nachstehende Tabelle gibt das Ergebnis der vorstehend beschriebenen Versuche wieder:

Nr.	Kanalmuster	mm	zylindrisch	K-Zahlj
1 .	6,5	mm	zylindrisch	0,246
2.	0,9	mm eine	venturiartig Ri chtung	0,226
3.	6,5 in	mm in	venturiartig andere Richtung	0,191
4.	6 5 1/3	0.144

Es ist ersichtlich, daß die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Elektrode ermittelten K-Zahlen (3,4) erheblich unter denen liegen, die mit bekannten Elektrodentypen erhalten werden, und damit ein wesentlich wirtschaftlicher Betrieb einer Elektrolysezelle als bisher möglich ist.

Schut2:ansprüche

Claims

Schutzansprüche

1) Kit vertikalen Durchtrittskanälen für den flüssigen Elektrolyt versehene Elektrode, insbesondere Anode, gekennzeichnet durch sich mindestens nahe der und zu einer Oberfläche der Elektrode hin erweiterr.de Kanäle.

2) Elektrode nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch durchgehend konische Kanäle.

3) Elektrode nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch venturiartig geformte Kanäle.

4) Elektrode nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch verse ^zte Kanäle.

5) Elektrode nach Anspruch k, gekennzeichnet durch einen derartigen Versatz der Kanäle, daß eine Lage der Erweiterung vorherrscht.

6) Elektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Gerüstkörper auf Basis von Kohlenstoff, beispielsweise Graphit.