CH618471A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseapparat gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-AS 1 421 051 ist eine Mehrfachelektrolysezelle bekannt, bei der zwischen den Graphit- oder Platinmetallanoden und den Metallkathoderi ein Asbestdiaphragma angeordnet ist. Diaphragma, Metallkathode und Anode bilden eine sogenannte Montageeinheit, die durch einen Rahmen von der nächstfolgenden Einheit auf Abstand gehalten wird. Um für den Katholyten den notwendigen Raum zu schaffen, ist der an der Anode anliegende Teil der Kathode mit Warzen versehen, auf denen sich das auf einem Metallgazesieb aufgezogene Diaphragma abstützt.

Aus der DE-OS 21 00 214 ist eine ähnliche Mehrfachelektrolysezelle bekannt, bei der die mit Warzen versehenen Metallelektroden paarweise verschweisst sind und benachbarte Elektrodenpaare durch eine Membran voneinander getrennt sind. Die Membran stützt sich dabei auf den Warzen gegenüberliegender Elektroden ab. In den dadurch zustande kommenden Kanälen befindet sich der Anolyt bzw. der Katholyt.

Nachteilig bei den bekannten Mehrfachelektrolysezellen ist, dass bei Beseitigung von Betriebsstörungen, wie Leckagen zwischen den einzelnen Elementen, Defekte an den Elektroden oder der Trennwand, der Elektrolyseapparat stets entleert und wieder gefüllt werden muss, was sehr zeitraubend und aufwendig ist. Es ist auch nicht ohne weiteres möglich, ohne komplette Demontage des Apparates den Ort der Betriebsstörung zu lokalisieren und ohne vollständige Demontage und ohne vollständige Erneuerung der einzelnen Dichtungen der Elemente den Elektrolyseapparat wieder in betriebsbereiten Zustand zu versetzen.

Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass keine Möglichkeit besteht, das entstehende Gas rasch von der aktiven Elektrodenoberfläche wegzuleiten. Es sind keine separaten Gasabzugskanäle möglich, so dass Anolyt und Katholyt nach Verlassen des Elektrolyseapparates entgast werden müssen. Bei Explosionen, die bei dieser Art der Elektrolyse nicht auszu-schliessen sind, wird in der Regel der gesamte Elektrolyseapparat zerstört.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Elektrolyseapparates der eingangs genannten Art, der die Nachteile bekannter Ausführungen nicht aufweist und der sich insbesondere aus Einzelzellen so aufbauen lässt, dass die Dichtigkeit der einzelnen Zellen, der Zustand der elektrischen Kontakte und die Stromverteilung ohne weiteres überwacht werden können. Ferner wurde angestrebt, dass die Einzelzellen für sich allein funktionsfähig sind, um im Reparaturfall leicht entfernt oder ausgetauscht werden zu können und um ohne Demontage des gesamten Apparates den Betrieb desselben nur kurzfristig unterbrechen zu müssen. Schliesslich wurde angestrebt, das Austragen von Chlor und Anolyt einerseits und Alkalilauge und Wasserstoff andererseits zu verbessern und dementsprechend das Gehäuse der einzelnen Elektrolysezellen zu gestalten. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 definierten Massnahmen gelöst.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des Elektrolyseapparats sind in den Patentansprüchen 2 bis 8 umschrieben.

Der Elektrolyseapparat kann aus einer Elektrolysezelle,

aber auch aus einer Vielzahl hintereinandergeschalteter Zellen bestehen, wobei der elektrische Kontakt benachbarter Zellen jeweils über die elektrisch leitenden Bolzen erfolgt.

Die Kathoden können aus Eisen, Kobalt, Nickel oder Chrom oder einer ihrer Legierungen und die Anoden aus Titan, Niob oder Tantal oder einer Legierung dieser Metalle, oder aus einem metall- oder oxydkeramischen Material bestehen. Darüber hinaus können die Anoden mit einem elektrisch leitfähigen, katalytisch wirksamen Uberzug versehen sein, der Metalle der Platingruppe oder deren Verbindungen enthält. Falls die Elektroden aus durchbrochenem Material wie Lochblech, Streckmetall, Flechtwerk oder Gebilden aus dünnen Rundstäben bestehen und in geeigneter Weise in der Elektrolysezelle angeordnet sind, können die bei der Elektrolyse gebildeten Gase leicht in den Raum hinter den Elektroden eintreten. Ein solcher Gasabzug aus dem Elektrodenspalt hat nämlich eine Verminderung des Gasblasenwiderstandes zwischen den Elektroden und damit eine Verminderung der Zellenspannung zur Folge.

Die Halbschalen können aus Eisen, Eisenlegierungen wie Gusseisen oder glasfaserverstärkten Kunststoffen wie glasfaserverstärkten, ungesättigten Polyesterharzen, glasfaserver5

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stärkten, chlorierten Polyesterharzen und glasfaserverstärkten Vinylesterharzen bestehen, wobei darauf zu achten ist, dass die Halbschale der Anodenseite aus einem gegen Chlor beständigen Material hergestellt wird.

Als Trennwand kommen die in der Chloralkalielektrolyse üblichen Diaphragmen aus Asbest bzw. Ionenaustauschermembranen in Betracht. Als Ionenaustauschermaterial eignet sich zum Beispiel ein Copolymerisat aus Tetrafluoräthylen und einer Perfluorvinyläthersulfonsäure :

-(CF2CF2MCF2CFMCF2CF2)-,

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wobei r = -0-CF2-CF(CF3)-0-CF2-CF2S03H ist.

Die Äquivalentgewichte solcher Ionenaustauscher liegen zwischen 900 und 1600, vorzugsweise zwischen 1100 und 1500.

Diese Ionenaustauschermembranen verhindern wie die Asbestdiaphragmen die Vermischung von Wasserstoff und Chlor, erlauben aber wegen ihrer selektiven Permeabilität nur den Durchgang von Alkalimetallionen in den Kathodenraum, das heisst, sie verhindern weitgehend den Übergang von Halo-genid in den Kathodenraum und den Durchtritt von Hydroxyl-ionen in den Anodenraum. Dadurch erhält man eine praktisch salzfreie Lauge, wogegen aus dem Katholyten der Diaphragmazellen das Salz erst in einem aufwendigen Verfahren entfernt werden muss. Dazu kommt, dass im Gegensatz zu Asbestdiaphragmen die Ionenaustauschermembranen dimensionsstabile Trennwände darstellen, die auch beständiger sind gegen die aggressiven Medien der Alkalihalogenid-Elektrolyse und daher eine höhere Lebensdauer besitzen als Asbestdiaphragmen.

Bevorzugte Ausführungsformen des Erfindungsgegenstands werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher beschrieben, dabei zeigen:

Fig. 1 einen Elektrolseapparat mit nur zwei Elektrolysezellen im Schnitt;

Fig. 2 in grösserem Masstabe den Ausschnitt A aus der Fig. 1;

Fig. 3 eine Variante des in Fig. 2 gezeigten Ausschnitts;

Fig. 4 eine Halbschale des Elektrolyseapparates der Fig. 1 in schaubildlicher Darstellung, teilweise geschnitten; und

Fig. 5 einen Anschluss zwischen einem Elektrolyseraum und einer Sammelleitung für Chlor und Anolyt bzw. Wasserstoff und Natronlauge.

Das Gehäuse einer Elektrolysezelle besteht aus zwei Halbschalen 1, 10. Die Halbschalen sind mit flanschartigen Rändern 30 (Fig. 4) versehen, zwischen die mittels Dichtelementen 14 eine Trennwand 6 eingespannt wird. Selbstverständlich sind auch andere Methoden die Trennwand einzuspannen möglich. Zwei Elektroden 3, 7 sind über elektrisch leitende Bolzen 2 mit den Halbschalen 1,10 verbunden, wobei die Bolzen 2 durch die Wandung der Halbschalen hindurchragen. Auf den äusseren Stirnseiten 22 der Bolzen 2 liegen Stromzuführungen 23 und Spanneinrichtungen 12 auf. Die Spanneinrichtung 12 besteht zum Beispiel aus einem U-förmigen Rahmen, dessen einer Flansch mit Spannschrauben 24 versehen ist, während der andere Flansch Stützbolzen 25 aufweist. In Verlängerung der Bolzen 2 sind auf der elektrolytisch aktiven Seite der Elektroden 3, 7 elektrisch isolierende Distanzstücke 5 angeordnet. Die Bolzen 2 können entweder in die Halbschalen eingelassen (Fig. 3) oder mit den Elektroden verbunden sein (Fig. 2). Im Falle der metallischen Halbschalen können sie direkt angeformt sein.

Die Montage einer Zelle mit den konstruktiven Elementen entsprechend Fig. 1 und 2 erfolgt so, dass die Bolzen 2, die mit den Elektroden 3, 7 fest verbunden sind (eingeschweisst, geschraubt oder genietet), durch entsprechende Öffnungen 26 in die Halbschalen gesteckt werden und dass die Halbschalen durch auf die Bolzen 2 aufgeschraubte Muttern 27 gehalten werden. Dichtungen 28, 29 dienen zum Abdichten der Bolzen

2. Gemäss Fig. 3 sind die Bolzen in die Halbschale 1 eingelassen bzw. an die Halbschale 10 angeformt. Die Distanzstücke 5 und die Elektroden 3, 7 werden mittels Schrauben 8 bzw. Steckverbindungen 9 mit den Halbschalen verbunden. 4 deutet eine an dieser Stelle vorhandene Verstärkung der Elektroden

3, 7 an. Die so montierten Zellenhälften werden gegebenenfalls mit den Distanzstücken 5, Dichtungen 14 und der Trennwand 6 versehen und an den Rändern mittels Schrauben 13 zusammengeschraubt. Die so montierte Elektrolysezelle kann, wenn gewünscht, nun mit Elektrolyseeingangsprodukt gefüllt werden, bevor sie in die Spanneinrichtung 12 mit ihren mit Federn 11 belasteten Spannschrauben 24 eingesetzt wird. 15, 16 sind Zuleitungen für das Elektrolyseeingangsprodukt. Bei Verwendung von Ionenaustauschermembranen wird in den Anodenraum als Elektrolyseeingangsprodukt Alkalichloridlösung und in den Kathodenraum Wasser oder verdünnte Alkalilauge eingeleitet. Verwendet man mikroporöse Durchlaufdiaphragmen, wie z.B. Asbestdiaphragmen oder Kunststoffdiaphragmen, entfällt die Zuleitung zum Kathodenraum, und durch die andere Zuleitung wird die Alkalihalogenidlösung in den Anodenraum eingespeist. Rohrleitungen 17,18 dienen zum Austragen von Chlor und Wasserstoff und Rohrleitungen 19, 20 für Anolyt und Katholyt. 21 deutet Isolatoren an.

Gemäss Fig. 4 und 5 werden die wannenartigen Halbschalen 1,10 über die flanschartigen Ränder 30, die durch Rahmen 31 verstärkt sind, verschraubt. Zwischen den Rändern 30 ist mit Dichtelementen eine nicht dargestellte Trennwand eingespannt. 32 deutet Bohrungen für die Verschraubung der Halbschalen an. Die Trennwand und jede Halbschale 1, 10 umschliessen einen Elektrolyseraum, in dem sich eine Elektrode 3 bzw. 7 befindet. In diese Räume werden von unten die Elektrolyseeingangsprodukte, also in den Anodenraum Alkali-chloridlösung und in den Kathodenraum Wasser oder verdünnte Alkalilauge eingeleitet. Anolyt und Halogen bzw. Alkalilauge und Wasserstoff werden am Kopf des jeweiligen Raumes durch einen Ablauf 33 in ein Auge 34 geleitet. Das Auge 34 ist an eine Sammelleitung 35 (Kompensatoren oder dergleichen) angeschlossen. Die Verbindung kann mittels loser Flanschringe 36, 36a und Schrauben 37 hergestellt werden. Mit dieser Art Anschluss an die jeweilige Sammelleitung ist es einfach, einzelne Elektrolysezellen aus dem Elektrolyseapparat zu entfernen, ohne dass hierzu aufwendige Montagearbeiten notwendig werden. Diese Art der Schaltung weist eindeutig Vorteile auf gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Verrohrung.

Bei Elektrolyseapparaten mit mehreren Elektrolysezellen sind Anode und Kathode benachbarter Zellen über die Bolzen 2 elektrisch verbunden, so dass der Apparat einen echten bipolaren Elektrolyseapparat darstellt.

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4 Blatt Zeichnungen

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1. Elektrolyseapparat zur Herstellung von Chlor aus wässri-ger Alkalichloridlösung, der mindestens eine Elektrolysezelle aufweist, die aus einem Gehäuse mit Einrichtungen zum Zuführen des Elektrolysestromes und der Elektrolyseeingangsprodukte und zum Abführen der Elektrolyseprodukte besteht und in der die Anode und die Kathode durch eine Trennwand voneinander getrennt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,

a) dass das Gehäuse aus zwei Halbschalen (1, 10) besteht,

b) dass die Elektroden (3, 7) über elektrisch leitende Bolzen (2) mit den Halbschalen (1,10) mechanisch verbunden sind, wobei die Bolzen (2) durch die Wandung der Halbschalen (1, 10) hindurchragen und wobei auf ihrer äusseren Stirnseite Stromzuführungen (23) und Einrichtungen (12) zum Zusammenpressen der Stromzuführungen (23), der Halbschalen (1, 10), der Elektroden (3, 7) und der Trennwand (6) aufliegen und c) dass die Trennwand (6) zwischen elektrisch isolierenden Distanzstücken (5), die in der Verlängerung der Bolzen (2) auf der elektrolytisch aktiven Seite der Elektroden (3,7) angeordnet sind, und mittels Dichtelementen (14) zwischen den Rändern der Halbschalen (1,10) eingeklemmt ist.

2. Elektrolyseapparat nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Halbschale (1,10) ein Auge (34) aufweist, in das ein Ablauf (33) aus dem von der jeweiligen Halbschale (1,10) und der Trennwand (6) gebildeten Elektrolyseraum mündet.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Elektrolyseapparat nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode aus Eisen, Kobalt, Nickel oder Chrom oder einer ihrer Legierungen besteht.

4. Elektrolyseapparat nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode aus Titan, Niob, Tantal oder einer Legierung dieser Metalle oder aus einem metall- oder oxydkeramischen Material besteht und mit einem elektrisch leitfähigen, elektrokatalytisch wirksamen Überzug versehen ist, der Metalle der Platingruppe oder deren Verbindungen enthält.

5. Elektrolyseapparat nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbschale der Anodenseite aus einem gegen Chlor beständigen, faserverstärkten Kunststoff besteht.

6. Elektrolyseapparat nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbschale der Kathodenseite aus einem gegen Alkalilaugen beständigen, faserverstärkten Kunststoff oder aus Eisen oder einer Eisenlegierung, insbesondere aus Gusseisen, besteht.

7. Elektrolyseapparat nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Trennwand eine Ionenaustauschermembrane verwendet wird.

8. Elektrolyseapparat nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Trennwand ein mikroporöses Durchlaufdiaphragma verwendet wird.