DE7207894U - Elektrode, insbesondere anode - Google Patents
Elektrode, insbesondere anodeInfo
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- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
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 - 35r/° 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.
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.
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.
720789420.1-.72 " 5"
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).
Der 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 (6)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19727207894 DE7207894U (de) | 1972-03-02 | 1972-03-02 | Elektrode, insbesondere anode |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19727207894 DE7207894U (de) | 1972-03-02 | 1972-03-02 | Elektrode, insbesondere anode |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE7207894U true DE7207894U (de) | 1972-11-30 |
Family
ID=6628631
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19727207894 Expired DE7207894U (de) | 1972-03-02 | 1972-03-02 | Elektrode, insbesondere anode |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE7207894U (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4557818A (en) * | 1983-07-13 | 1985-12-10 | Basf Aktiengesellschaft | Gas-evolving metal electrode |
-
1972
- 1972-03-02 DE DE19727207894 patent/DE7207894U/de not_active Expired
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4557818A (en) * | 1983-07-13 | 1985-12-10 | Basf Aktiengesellschaft | Gas-evolving metal electrode |
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