-
Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Alkalihydroxyd Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Natriumhydroxyd oder
anderen Alka:li@hydroxyden; insbesondere betrifft sie die Gewinnung von, APkalihydroxyden
aus Alkaliamalgamen, die in einer Quecksilberkat'hoden-Elektroly:sezel'le gewonnen
worden sind. Im nachfolgenden wird besonders die Herstellung von Natriumamal.gam
und- Natriumhydroxyd beschrieben. Die Erfindung beschränkt sich jedoch keineswegs
darauf, sondern ist in, gleicher Weise auch für andere Alkaliamalgame und -hyd.roxyde
anwendbar.
-
In. den bekannten Quecksil.berkathoden-Elektrolysezellen zur Gewinnung
von Natriumhydroxyd wird das in der Primärzelle gewonnene Natriumamalgam in der
Sekundärzelle (Zersetzer) mit Wasser zersetzt, wobei sich Natriumhydroxyd und Wasserstoff
bilden. Das abgespaltene Quecksilber fließt zur Primärzelle zurück, um erneut die
Kathode der Zelle zu bilden. Die Amalgamzersetzer der gewöhnlichen Art weisen eine
horizontale Bauart auf und bestehen aus einem langen, einen geneigten Boden aufweisenden
Trog mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt, wobei das an einem Ende eintretende
Amalgam auf der ganzen Länge des Troges in Kontakt mit dem Wasser steht, welches
im Gegenstrom durch den Trog fließt. Gewöhnlich entspricht die Länge der
horizontalen
Sekundärzelle etwa der der Primärzelle.
-
Zur Erleichterung der Amailgamzersetzung sind Lm Zersetzer Graphitkörper
vorgesehen. Diese horizontalen Zersetzer haben. jedoch den Nachteil, daß sie sogar
in Gegenwart von Graphitkatalysatoren nur Natriumhydroxydlösungen verhältnismäßig
niedriger Konzentration erzeugen, deren Konzentration etwa 5o°/o Na O H nicht überschreitet,
auch nicht unter optimalen Arbeitsverhältnissen und der günstigsten technischen
Arbeitsweise.
-
Jüngst hat man auch sogernannte Vertikalzersetzer, die etwas kleiner
als die horizontalen sind, entwickelt. In diesen Vertikalzersetzern wird das zu
zersetzende Amalgam an der obersten Stelle des Zersetzers verteilt und fließt dann
im Gegenstrom zu dem von unten. in den Zersetzer eingeführten Wasser herab. Sogar
diese Vertikalzersetzer erzeugen keine Natriumhydroxydlösung mit einer im Durchschnitt
größeren Konzentration als 500/0
Na OH, und zwar aus dem Grunde, weil bei
jedem Versuch, diese Konzentration zu überschreiten, das Quecksilber in ungenügend
zersetztem Zustand aus dem Zersetzer austritt.
-
Das Quecksilber kann daher. nicht zur Primärzelle zurückgeleitet werden
ohne ernstliche Gefahr, daß sich der aus dem unvollständig zersetzten Quecksilber
befreite Wasserstoff mit dem normalerweise in der Elektrolysenzelle entstehenden
Chlorgas zu einer explosiven Mischung verbindet. Ein großer Nachteil der bekannten
Veritikalzersetzer ist auch, daß sie Nat.riümhydroxyd erzeugen, welches mit suspendiertem
Graphit verunreinigt ist und dadurch weniger brauchbar wird.
-
Ferner ist es bekannt, die Zersetzung des Amalgams stufenweise mittels
zweier in Reihe geschalteter Zersetzer durchzuführen, wobei ein Teil des teilweise
zersetzten Amalgams in die Elektrolysenzelle zurückgeleitet und der Rest einer weiteren
Zersetzung unterworfen wird.
-
Gegenstand der Erfindung sind,demgegenüber ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Gewinnung von Natriumhy droxyd, welche die bekannten Nachteile und
Mängel nicht aufweist und, die Herstellung von Natrium'hydroxyd hoher Qualität und
Konzentration in genügenden Mengen ermöglicht. Gemäß der Erfindung ist ein Natriumamalgam-Zersetzungssystem
vorgesehen, welches reines, klares, von. Graphit, Quecksilber und Schwermetallen
freies N atriumhydroxyd direkt, ohne zusätzlichen Wärmebedarf, erzeugt, das eine
Konzentration von 73 bis 78°/o Na O H aufweist und deshalb bei den vorliegenden
Temperaturen fest ist, während gleichzeitig das Amalgam vollständig zersetzt und
das Ouecksilber ohne Gefahr zur Elektrolysenzelle wird.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur-Zersetzung eines in einer Quecksilberka;t!lioden-Elektrolysenzelle
erzeugten Alkaliamalgams mittels zweier in Reihe angeordneter Zersetzer isst im
wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Elektrolysenzelle austretende
Amalgam .erst durch einen senkrechten Zersetzer, »in dem zur teilweisen Zer-Setzung
des Amalgams Wasser im Gleichstrom fließt, und sodann das. teilweise zersetzte Amalgam
durch einen waagerechten Zersetzer geführt wird, in welchem es zur vollständigen
Zersetzung weit im Gegenstrom fließendem Wasser in Berührung tritt-Die erfindungsgemäße
Vorrichtung umfäßt einen Zersetzer; der aus einer vertikalen und einer an diese
angeschlossenen horizontalen Einheit sowie einem zwischen diesen. Einheiten liegenden,
an. die senkrechte Einheit angeschlossenen Wärmeaustauscher besteht. Das Wasser
wird daher in dem Vertikalzersetzer im Gleichstrom zum Amalgam geführt, während
es im Horizontalzersetzer dem Amalgam entgegenströmt. Bei Anwendung dieses Verfahrens
und dieser Vorrichtung werden mehr als 8o 1/o des aus dem Amalgam gewonnenen Natrium-hydroxyds
mit einer Konzentration von 73 bis 78'/o NaOH im VertikaIzersetzer und die restlichen
etwa :2o%, mit einer niedrigeren Konzentration von z. B. 35 bis 40 % Na O H im Horizontalzersetzer
gewonnen.
-
Der erfindungsgemäße Vertikalzersetzer ermöglicht eine hohe Zersetzungsintensität
und ist vorteilhaft mit einer Packung von kabalyfiisch wirkenden Grap:hitkörpern
in Form von. kleinen Würfeln mit gerauhter Oberfläche ausgestattet.
-
Der Horizontalzersetzer ist in Reine mit dem V ertkalzersetzer angeordnet
und nimmt das von der Vertikaleinheit kommende, fast vollständig zersetzte Amalgam
auf, um diese rest'lic'hen Amalgammengen mit dem nach dem Gegenstromprinzip zugeführten
Frischwasser zu zersetzen. Der Horizontalzersetzer ist noch mit Blöcken.aus l<:atalytisch
wirkendem Graphit ausgestattet, die gruppenweise am Boden angeordnet sind.
-
Der Wärmeaustauscher ist vorteilhaft am Boden des Vertikalzersetzers
angeordnet und mit diesem verbunden, um das von der Primärzelle kommende Amalgam
vor der Berührung mit dem im Vertikalzersetzer fließenden Wasser vorzuwärmen und
das im wesentlichen zersetzte Amalgam vor dem Übertritt in die Horizontaleinheit
abzukühlen.
-
Während die bekannten Horizontal- und Vertikalzersetzer mit einem
Wasserfluß nach dem Gegenstromprinzip zu dem zu zersetzenden. Amalgam arbeiten,
so daß das am wenigsten Natrium enthaltende Amalgam in Berührung mit dem Frischwasser
kommt, .halt sich herausgestellt, daß bedeutend günstigere Ergebnisse erzielt werden,
wenn im Vertikalzersetzer das Wasser im Gleichstrom mit dem zu zersetzenden Amalgam
fließt. Kommt aber das am meisten mit Natrium angereicherte Amalgam mit dem Frischwasser
in- Berührung, so kommt es infolge der intensiven Zersetzung zu einem raschen Temperaturanstieg,
der nicht nur die weitere Zersetzung fördert, .sondern auch das gewonnene- Natriumhydroxyd
in geschmolzenem Zustand erhält, obwohl es eine Konzentration von 73 bis 78 % Na
OH aufweist. Hinzu kommt, daß im Gleichstromprinzip kein Grap'hitkörper losgetrennt
wird. Das im- Vert:kalzersetzer abgespaltene Quecksilber, das noch kleine Mengen
Amalgam enthält, wird im Horizontalzersetzer
leicht und vollständig
vom Alkalimetall durch das im Gegenstrom zum Quecksilber geführte Wasser befreit.
-
Das am Ende des Horizonbalzersetzers austretende Quecksilber wird
dann zur Primärzelle zur weiteren Amalgamierung zurückgeleitet.
-
Die erfindungsgemäße Kombination der zwei Zersetzereinheiten, und
zwar eine nach dem Gleichstromprinzip arbeitende vertikale und eine nach dem Gegenstromprinzip
arbeitende horizontale, sowie einem dazwischengeschalteten Wärmeausrauscher ergibt
in direkten Arbeitsgang ein Natriumhydroxyd von .hoher Reinheit in Form einer konzentrierten
wäßrigen Lösung mit 73 bis 78% I\Tatriumhydroxydigeha'lt. Diese 'hohe Konzentration
von 73 bis 78°/o an Natriumhydroxyd bedeutet einen wesentlichen Fortschritt, da
das Natriumhydroxyd bei dieser Konzentration unmittelbar marktgängig anfällt und
von Metallen und Carbonaten frei ist.
-
Die relativ kleine Menge des Natriumhy:droxyds von 35 bis 40'1o NaOH-Konzentration
des Horizontalzersetzers bedeutet keinen Nachteil, da es entweder in gewissen Industriezweigen
Verwendung finden :oder ganz oder nur teilweise zum Vertikalzersetzer zurückgeführt
werden kann.
-
Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Es
stellt dar Fi:g. i einen Schnitt :durch eine Teileinheit eines Vertikal-Amalgam-Zersetzers,
Fig. a einen Schnitt durch einen Vertikalzersetzer, Fig. a a eine Draufsicht
zu Fig. a,
Fig.3 einen Längsschnitt eines Horizontalzerset7ers, Fig. 3 a einen
Querschnitt zu Fig. 3, Fig. q. und 5 Schemen zweier Elektrolyse-Zersetzer-Sy steme.
-
Fig. i zeigt eine Einheit eines Vertikalzersetzers, der aus einer
Mehrzahl von solchen aufeinander angeordneten Kästen oder Körben A besteht und durch
bei I verbundene Gehäuse G und H säulenförmig gestaltet ist.
-
Wie die Fig. a und :2a zeigen, weist jeder der Körbe A, die
aus Gußeisen bestehen und mit katalytisch wirkenden Graphitkörpern E gefüllt sind,
einen kreisförmigen Boden mit einer Reihe von Öffnungen B auf. Diese Öffnungen sind
mit Deckeln C abgedeckt. Außerdem sind die öffnungen b' im Innern des Korbes
von einer Erhebung umgeben, die bewirkt, daß der Korbboden während .des Durchflusses
des Amalgams durch die Öffnungen B mit einer Schicht desselben bedeckt ist. Die
Perforation in den Deckeln C ermöglicht den Abfluß des Natrium'hydroxyds und das
Aufsteigen des Dampfes und Wasserstoffes. Jedoch verhindern diese Deckel C ein Mitreißen
der Graphitkörper E. Ein die Graph.itkörper E jedes Korbes abdeckendes Metallsieb
D wirkt als Verteiler für _ das nach unten fließende Amalgam, so d@aß dieses möglichst
@gleiehmäßig über .den Katalysator verteilt wird. In der Mitte besitzt jeder Korb
einen röhrenförmigen Kanal, durch den eine Amalgam-Speiseröhre F führt. Am oberen
Ende sind die Kanalwände der Körbe durchlöchert, wodurch ein rascher Austritt des
Wasserstoffgases ermöglicht wird. Das obere Ende der AmaIgamspeiseröhre F besitzt
einah Verteiler 3 zum möglichst gleichmäßigen Verteilen des Amalgams über die Körper
E im obersten Korb. Mit ihrem untersten Ende steht die Röhre mnit dem Innern eines
Wärmeaustau.schers L im Verbfindung, welcher unten am Gehäuse G befestigt ist und
einen Einlaß i für dass Amalgam besitzt. In diesem Wärmeaustauscher L erstrecken
sich senkrecht verlaufende Röhren zwischen den Austau.scherstirnwänden. Diese Austauscherrohre
münden nach unten in eine Auslaßöffnung 4. und oben in :eine Kammer K, welche vom
Gehäuse G unter dem untersten, :durch Winkelschienen gesicherten Korb A gebildet
ist. Über die oberen Röhrenenden sind Strömungskontrollkappen Y gestülpt. Die Kammer
besitzt einen Auslaß 7.
-
Der Vertikalzersetzer trägt oben einen vom Cehäuse G gebildeten Aufsatz
M mit einer Gasauslaßöffnung 6 und einem Wassereinlaß 5. Im Innern des Aufsatzes
M ist eine Mittelstütze N mit versetzt angeordneten Wärmeau.stauschplatten vorgesehen,
über welche das einströmende Wasser in seinen Abwärtslauf fließt und dem hochsteigenden
Dampf und Wasserstoff Wärme entzieht, wobei das entstehende Kondensat nach unten.
fließt.
-
Im Betrieb strömt das zu zersetzende Amalgam durch die Einlaßöffnung
i in den Vertikalzersetzer, füllt den Wärmeaustauscher L und steigt durch die Röhre
F nach oben, worauf es sich durch die Verteilerarme 3 über die Graphntkörper E des
obersten Korbes A verteilt. Durch. den Einlaß 5 tritt Wasser ein, das sich, wie
auch das Amalgam über die Graphitkörper E nach unten bewegt. Nachdem das Wasser
und Amalgam den Boden des obersten Korbes erreicht haben, fließen sie durch die
öffnungen B auf den nächsten darunterliegenden Korb A usw., bis die ganze Kolonne
durchflossen ist, wobei die Zersetzung des Amalgams unter Bildung von Natriumhydroxyd
und Wasserstoff erfolgt. Die auf den Körben vorgesehenen Siebe D verteilen das Wasser
und Amalgam gleichmäßig, wodurch die Zersetzung des Amalgams begünstigt wird. Der
durch die chemische Reaktion entstandene Wasserstoff und Wasserdampf entweichen
teilweise durch die Öffnungen B und teilweise durch die Löcher, die mit den mittleren
Kanalwänden, durch welche die Röhre F verläuft, in Verbindung stehen, nach oben
und kommen in Berührung mit den Wärmeaustauschplatten N, wobei der Dampf kondensiert
wird und der Wasserstoff durch die Öffnung 6 ausströmt. Je weiter das Wasser und
das Amalgam im Zersetzer nach unten .gelangen, desto mehr reichert sich das Wasser
mit Natriun#hydroxyd an, während die Amalgammenge verringert wird. Ist schließlich
die Kammer erreicht, so weist die Lösung eine Konzentration von 73 bis 78 01o Na
O H auf, während das Amalgam fast vollständig zersetzt ist. Das entamalgamierte
Quecksilber, als
die schwerere Flüssigkeit, setzt sich in der Kammer
K ab und fließt unter die Kappen Y durch die Röhren des Wärmeanstauschers und durch
den Auglaß 4 ab. Die Alkali'hydroxydlösung schwimmt auf dem Quecksilber und tritt
durch den Auslaß 7 aus.
-
Gemäß der Erfindung fließt das fast vollständig entamalgamierte Quecksilber
vom Vertikalzersetzer in den Horizontalzersetzer, in. dem die Zersetzung vervollständigt
wird. Dieser Horizontalzersetzer besteht .nach Fig. 3 Lund 3 a aus einem langgestreckten
Trog 0 aus Blech od. dgl. und einem flüssigkeitsdicht abschließenden Deckel P, sowie
einem Gaseinlaß 12 und einem Auslaß ifl.. Außerdem besitzt der Trog 0 eine Amalgameinlaßöffnung
8, eine Quecksüberauslaßöffnung 9, einen Wasserzulauf io und eine Auslaßöffnung
ii für die Nätriumhydroxydlösung. Die Ein- und Auslaßöffnungen für das Amalgam und
Wasser sind dabei, so angeordnet, daß diese im Gegenstrom den Trog 0 durchströmen.
Zweckmäßig fällt der Trogboden in Richtung zum Quecksilberauslaß 9 hin leicht ab.
Auf dem Boden des Trogs 0 sind als Katalysatoren winkende Grap vitplatten Q zur
Förderung der abschließenden Zersetzung des vom Vertikalzersetzer gelieferten Amalgams
vorgesehen. Im Betrieb ist der Auslaß 4 des Vertikalzersetzers mit dem Einlaß 8
des Horizontalzensetzers verbunden, und das Amalgam fließt über den Boden .des Trogs
0 zum Auslaß g. Der Gasaustritt 6 des: Vertikalzersetzers ist wit .dem Gaseinlaß
12 des Horizontalzersetzers verbunden, und das gesamte in beiden Zersetzern erzeugte
Gas entweicht schließlich durch den Auslaß 13. Es ist ein Kennzeichen der Erfindung,
daß beide Zersetzer der vorbeschriebenen Art mit einer Primärelektrolysenzelle zu
einer einwandfreien kontinuierlich arbeitenden Eimheft zusammengeschlossen werden.
Dabei bestehen viele Möglichkeiten des Zusammenschlusses; zwei der .besonders vorteilhaften
Anordnungen sind in den Fig. 4 und 5 gezeigt. Gemäß Fig. 4 ist die Primärzelle T
über dem Vertikalzersetzer V und dem Horizontalzersetzer W angeordnet. Die Primärzelle
T kann von bekannter Art :sein, z. B. in der USA.-Patentschrift 2 503 337.
Der Amälgamauslaß der Zelle T ist .mit dem Einlaß i des Vertikalzersetzers V verbunden.
Als Ergebnis des vollständigen Zersetzungsprozesses in den beiden Zersetzern befindet
sich das bei 9 aus dem Horizonta'lzersetzer austretende, vollständig vom Amalgam
befreite Quecksilber in einem Zustand, der die direkte Verwendung in der Primärzelle
T erlaubt. Daher wird das Quecksilber durch eine Pumpe R .durch den Einlaß S in
die Zelle T :gepumpt. Der Kreislauf kann sich wiederholen.
-
Die durch die Zersetzung in den beiden Zer= setzern V und W entstehenden
Produkte sind: Wasserstoff (Auslaß 13) - - 73- bis 78o/oiges Alkalimetallhydroxyd
(Auslaß 7) - und 35- bis 4oo/oiges Alkali-hydnoxyd (Auslaß i i)..
-
Eine weitere Anordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist schematisch
in Fig. 5 dargestellt. Hierbei sind der Vertikalzersetzer Y am höchsten, die Primärzelle
T am tiefsten und der Horizontalzersetzer W in der Mitte gelagert. Das durch den
Auslaß U ausfließende Amalgam der Primärzelle wird von der Pumpe R zum Einlaß i
und durch die vertikale Röhre F gepumpt. Das Amalgam fließt aus der Röhre F und
läuft durch den Vertikalzersetzer durch Auslaß 4 in Einlaß 8 des Hörizontafizersetzers.
Noch -unter der Schwerkraftwirkung durchfließt es den Horizontalzersetzer, in dem
es vollständig zersetzt wird, und das freigewordene Quecksilber gelangt durch den
Auslaß 9 zum Einlaß 5 der Primärzelle zurück, und dieser Kreislauf wiederholt sich.
-
An, Stelle der einen tlektro)lytzelle T gemäß Fig. 4 und 5 können
auch mehrere Zellen zur Versorgung der Zersetzerein'heiten vorgesehen sein.