<Desc/Clms Page number 1>
Elektrolytische, mit Diaphragma ausgerüstete Zelle.
Die Elektrolyse von Nlkaliehloridlösungen wird bei Verwendung'vertikaler Kathoden aus stirren Metallen (Eisen, Kupfer) entweder unter Zuhilfenahme poröser Scheidewände von hohem, oder solchem von niederem Diffusionswiderst'nde durchgeführt. Im ersteren Falle bleibt der Kathodenraum grund- sätzlich mit Elektrolyt gefüllt (Griesheim-, Me Donald-Zelle), im letzteren Falle wird er nach dem Vorschlage von Hargreave und Bird leer gehalten. Der Elektrolyt wird dann durch hydrostatischen Druck aus dem Anodenraum durch das Filterdiaphragma zur Kathode gedrückt (Hargreaves-Bird-, Allen-Moore-, Nelson-, Townsend-Zelle).
Letztere Arbeitsweise ermöglicht es zwar höhere Ausbeuten zu erzielen ; da aber der hydrostatische Druck des Anolyten in den tiefer liegenden Zonen des Diaphragmas viel grösser ist wie in den oberen, während doch die Durchlässigkeit des Diaphragmas und die Stromdichte über die
EMI1.1
wesentlich andere Dichte, wie die Lösung besitzen muss.
Bei leerem Kathodenraum bilden sich oft Krusten, Übergangswiderstände an den Kathoden aus usw. Die Kathoden haben auch nicht immer genügend guten Kontakt mit dem Diaphragma bzw. mit der Lösung. Man sieht sich zur Behebung der dadurch hervorgerufenen Störungen oft gezwungen, zeitweise oder fortgesetzt Dampf in den Kathodenraum zu blasen usw.
Diese Missstände liessen sich dadurch beheben, dass man den Kathodenraum mit Elektrolyt gefüllt hält. Dann würde auch auf der Kathodenseite ein hydrostatischer Druck auf das Diaphragma wirken, welcher im selben Masse, wie auf der Anodenseite von oben nach unten zunimmt. Die Kathoden stünden in innigem Kontakt mit der Lösung und der Bildung von Krusten wäre vorgebeugt. Man konnte die Elektrolyse gleichwohl unter Gegenbewegung des Elektrolyten gegen die OH'-Jenen durchführen, wenn man einen entsprechenden hydrostatischen Überdruck im Anodenraum wirken liesse. Versuche, welche darauf hinzielten, diese Methode zur Anwendung zu bringen, sind auch gelegentlich ausgeführt worden.
Sie scheiterten aber daran, dass man den hydrostatischen Überdruck nicht richtig zu bemessen wusste oder ungeeignete Zellen oder Diaphragmen verwendete, welche den Verhältnissen nicht angepasst waren. So schlug z. B. Kellner im britischen Patent Nr. 20889 im Jahre 1903 vor, die Salzlösung in einer derartigen Anordnung mit solcher Geschwindigkeit in den Kathodenraum zu treiben, dass die Salzlösung bei ihrem Durchgang durch das Diaphragma völlig oder doch nahezu völlig erschöpft werde und mit Diaphragmen
EMI1.2
nichtleitendem Material verringert werden sollte. Während Le Sueur sowie Riekmann im D. R. P.
Nr. 60755,80454, dem britischen Patente Nr. 5983 aus dem Jahre 1891, Waite im britischen Patent Nr. 13756 ans dem Jahre 1894 eine mit Filterdiaphragmen ausgerüstete Zelle beschrieben, bei welcher der Kathodenraum zwar mit Elektrolyt gefüllt blieb, bei welcher aber die schräg liegenden Kathoden und Diaphragmen so angeordnet wurden, dass die hydrostatische Druckdifferenz auf beiden Seiten des Diaphragmas von Ort zu Ort wechselt. Die Verwendung von im Wesen horizontal angeordneten Elektroden lässt diese Zelle an und für sich schon als prinzipiell verschieden erscheinen und
<Desc/Clms Page number 2>
schliesst sie vom näheren Vergleich aus.
Gleichfalls grundverschiedene das dargelegte Prinzip nicht befolgende Zellen mit vertikaler Anordnung und flüssigkeitserfüllten Kathodenräumen beschrieben
EMI2.1
des in der Lösung enthaltenen Salzes zerlegt bzw. umgesetzt werden, wobei die Speisung des Kathodenraumes vorteilhafterweise ausschliesslich aus dem Anodenraum erfolgt.
Genau genommen sind die spezifischen Gewichte des Anolyten und des Katholyten allerdings
EMI2.2
beträgt bei der Kochsalzelektrolyse bei 200 rund 1'17-1'19, das des Katholyten 1'21-1'24), dass die hiedurch örtlich hervorgerufenen Differenzen der überdruck auf der Anodenseite des Diaphragmas keine Missstände herbeiführen. Vielmehr haben diese Dichteunterschiede, da das spezifische Gewicht des Katholyten etwas grösser ist wie das des Anolyten, zur Folge, dass der Elektrolyt durch tiefer liegende Zonen des Diaphragmas etwas langsamer durchtritt, wie durch höher liegende.
Da aber auch die Stromdichte infolge des elektrischen Leitungswiderstandes der Elektroden von oben nach unten etwas abnimmt, weil der Stromanschluss oben erfolgt, so wird die Proportionalität der Stromdichte mit Geschwindigkeit der Elektrolytbewegung hiedureh gerade noch vollkommener gewahrt. Man ist in der Lage, Zellen von bedeutend grösserer Höhenausdehnung mit besserem Erfolge zu verwenden wie bisher.
Zur Durchführung der Elektrolyse wird man nach den dargelegten Grundsätzen, sobald der richtige hydrostatische Überdruck einmal hergesteltist, nur noch dafür zu sorgen haben, dass die Speiss'lösung dem Anodenraum gleichmässig (genau genommen der jeweiligen Stromstärke proportional) zugeführt wird, u. zw. unter den angegebenen Bedingungen bei der KochsalzelektrolY3e je 12-26 i ! gesättigter Kochsalz- lösung pro Kiloampére und Stunde. Dies ist verhältnismässig leicht zu erreichen.
Die angegebene Bemessung des hydrostatischen Überdruckes in der Zelle setzt natürlich vorlauf dass die Zelle in geeigneter Weise ausgebildet ist.
In den Figuren sind Ausführungsbeispiele von elektrolytischen Zellen dargestellt, die sich für die oben erwähnte Bemessung des hydrostatischen Überdruckes besonders eignen. Fig. 1 und 2 zeigen Vertikalschnitte solcher Zellen, während in Fig. 3 teils in Seitenansicht, teils im Längsschnitt eine weitere Ausführungsform für eine solche Zelle dargestellt ist.
In Fig. 1 sind die Anoden 1 mit ihren vertikal angeordneten Stromzuführungen l'in den inneren Raum der Zelle eingesetzt und mittels eines Deckels 4 nach oben abgeschlossen. Der Anodenraum der Zelle ist durch Wandungen 5 nach oben hin verlängert. Die Niveauhöhe des Anolyten ist bei 6 angedeutet. Der Anodenraum ist durch ein Filterdiaphragma 3 von dem Kathodenraum getrennt. Das Diaphragma. 1 ist unmittelbar vor einer Drahtnetzkathode 2 gelagert. Die Niveauhöhe des Katholyten ist bei 7 angedeutet. Die erwähnten Teile-sind auf einem beispielsweise aus Beton hergestellten Fuss 12 montiert.
Für den Abfluss des Katholyten sind Rohre 13 vorgesehen, während ein Rohr 14 für den Austritt des
EMI2.3
durch Nachfüllen in den Anodenraum auch aufrechtzuerhalten, dass die oben erwähnte Grösse für den hydrostatischen Überdruck beständig erhalten bleibt.
EMI2.4
aus perforiertem Blech hergestellten Kathode 2 angeordnet ist. Der Gasschinm 8, dessen Bedeutung unten erläutert wird, ist zwischen den oberen Begrenzungswandungen 5 des Anodenraumes, ihren an den Stirnseiten des Gefässes befindlichen Verlängerungen 5", Fig. 3 und dem am Boden des Gefässes gelagerten Sockel 5'angeordnet, der zweckmässig mit den Teilen 5"verbunden ist.
Das Kathodenblech 2 und das ihm benachbarte Diaphragma 3 sind um den Sockel 5'derart herumgeführt, dass am Boden der Zelle ein Raum 10 entsteht, aus dem sich hier abzusetzende Niederschläge, im Bedarfsfalle zeitweise durch eine nichtdargestellte Öffnung abgelassen werden können.
Während in Fig. 1 und 2 die Stromzuführungen l'für die Anoden 1 vertikal angeordnet sind, ist
EMI2.5
Stromzuführungen 77 für die Anoden 1 nach Fig. 3 bestehen aus horizontal gelagerten, durch die Stirnwand eingeführten Graphitblöcken, Magnetithohlzylindern od. dgl. Die Zuführungen 11 sind an der Stimseite der Zelle, oberhalb des Katholytspiegels 7, eingebracht. An den Wandungen 5 sind bei der Zelle nach Fig. 3 Ringe 9 vorgesehen, die ein gleichzeitiges Abheben des Deckels 4 des Rahmens, der gebildet wird durch die Seitenwandungen 5, den Sockel J'des in dem Rahmen angeordneten Gasschirmes 8 und der Anoden 1 nebst den Zuführungen H gestatten. Sind die erwähnten Teile aus der Zelle
<Desc/Clms Page number 3>
herausgenommen, so ist das Diaphragma 3 freigelegt.
Das Diaphragma nebst dem Kathodenblech : 2 können dann ebenfalls aus der Zelle herausgenommen werden. Das Zusammensetzen der Zelle erfolgt in umgekehrter Reihenfolge. Ein solcher Aufbau einer Zelle ermöglicht insbesondere eine sehr bequeme Reinigung und leichte Ausbesserung etwaiger Schäden.
Der Gasschirm 8 kann beispielsweise aus Glasfliessen, Glasgeflechten od. dgl., gegebenenfalls
EMI3.1
merklichen Widerstand, ändert aber auch die Durchtrittsgeschwindigkeit des Elektrolyten durch das Diaphragma nicht wesentlich. Ein solcher Gasschirm hat eine doppelte Wirkung. Einerseits hemmt er das anodiseh entstehende Gas, z.
B. Chlorbei der Chloralkalielektrolyse, sich seitlich auszubreiten und schützt dadurch das Diaphragma vor unmittelbarer Berührung mit dem Anodengas und vor den heftigen Flüssigkeitswirbeln, welche durch das aufsteigende Gas besonders bei hohen Stromdichten und bei Verwendung sehr hoher Zellen entstehen und anderseits verhindert er, dass unlösliche Verbindungen, welche sich aus Verunreinigungen des Elektrolyten in dem Zwischenraum zwischen den Teilen 3 und 8 in Fig. 2 abscheiden,
EMI3.2
werden ein Verstopfen des Diaphragmas oder andere durch diese unlöslichen Verbindungen hervorgerufene Unzuträglichkeiten vermieden.
Die Ausbildung des für die neue Zelle verwendeten Diaphragmas spielt keine sehr wesentliche Rolle. Indessen empfiehlt es sich, besonders Diaphragmen zu verwenden, die aus einem Grundstoff von faseriger Struktur, z. B. Asbest, bestehen, dessen Durchlässigkeitsgrad mittels eines geeigneten Füllmaterials auf den gewünschten Wert gebracht ist. Das Füllmaterial kann entweder in die inneren Zwischenräume des Grundstoffes eingebracht oder mit dem Grundstoff oberflächlich durch ein Bindemittel verbunden sein.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektrolytisehe, mit Diaphragma ausgerüstete Zelle, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung, dass der hydrostatische Überdruck auf der Anodenseite durch Ausfüllen des Kathodenraumes mit Elektrolyt über die ganze Diaphragmenfläche im wesentlichen gleichmässig verteilt ist und gleichzeitig die Niveaudifferenz zwischen dem Anolyten und dem Katholyten so hoch gehalten werden kann,
EMI3.3
60% des Salzes umgesetzt werden, wobei zweckmässig die Speisung der Zelle ausschliesslich durch den Anodenraum erfolgt.
EMI3.4
<Desc / Clms Page number 1>
Electrolytic cell equipped with a diaphragm.
The electrolysis of potassium chloride solutions is carried out with the use of vertical cathodes made of rigid metals (iron, copper) either with the aid of porous partition walls with high or low diffusion resistance. In the former case, the cathode compartment remains basically filled with electrolyte (Griesheim, Me Donald cell), in the latter case it is kept empty according to the suggestion of Hargreave and Bird. The electrolyte is then pressed by hydrostatic pressure from the anode compartment through the filter diaphragm to the cathode (Hargreaves-Bird, Allen-Moore, Nelson, Townsend cell).
The latter procedure makes it possible to achieve higher yields; but since the hydrostatic pressure of the anolyte in the lower lying areas of the diaphragm is much greater than in the upper areas, while the permeability of the diaphragm and the current density over the
EMI1.1
significantly different density as the solution must have.
When the cathode compartment is empty, crusts and contact resistances often form on the cathodes, etc. Nor do the cathodes always have good enough contact with the diaphragm or with the solution. To rectify the malfunctions caused by this, one is often forced to temporarily or continuously blow steam into the cathode compartment, etc.
These shortcomings could be remedied by keeping the cathode compartment filled with electrolyte. Then a hydrostatic pressure would also act on the diaphragm on the cathode side, which increases from top to bottom to the same extent as on the anode side. The cathodes would be in intimate contact with the solution and the formation of crusts would be prevented. The electrolysis could nonetheless be carried out with a counter-movement of the electrolyte against the OH 'if a corresponding hydrostatic overpressure was allowed to act in the anode compartment. Attempts aimed at using this method have also been made on occasion.
They failed, however, because the hydrostatic overpressure was not properly measured or unsuitable cells or diaphragms were used that were not adapted to the conditions. For example B. Kellner in British Patent No. 20889 in 1903 proposed to drive the saline solution into the cathode compartment in such an arrangement at such a rate that the saline solution would be completely or almost completely exhausted as it passed through the diaphragm and with diaphragms
EMI1.2
non-conductive material should be reduced. While Le Sueur and Riekmann in the D. R. P.
No. 60755,80454, British Patent No. 5983 from 1891, Waite in British Patent No. 13756 from 1894 described a cell equipped with filter diaphragms, in which the cathode compartment remained filled with electrolyte, but in which the inclined lying cathodes and diaphragms were arranged in such a way that the hydrostatic pressure difference on both sides of the diaphragm changes from place to place. The use of essentially horizontally arranged electrodes makes this cell appear in and of itself as fundamentally different
<Desc / Clms Page number 2>
excludes them from closer comparison.
Likewise, fundamentally different cells, which do not follow the principle presented, have a vertical arrangement and liquid-filled cathode spaces are described
EMI2.1
of the salt contained in the solution are broken down or converted, the cathode compartment advantageously being fed exclusively from the anode compartment.
Strictly speaking, however, the specific weights of the anolyte and the catholyte are
EMI2.2
is around 1'17-1'19 in saline electrolysis at 200, that of the catholyte 1'21-1'24), so that the local differences in the overpressure on the anode side of the diaphragm do not cause any problems. Rather, since the specific gravity of the catholyte is somewhat greater than that of the anolyte, these density differences mean that the electrolyte passes through deeper areas of the diaphragm than through higher areas.
However, since the current density also decreases slightly from top to bottom due to the electrical line resistance of the electrodes, because the current connection is at the top, the proportionality of the current density with the speed of the electrolyte movement is just more fully preserved. One is able to use cells of significantly greater height with better results than before.
To carry out the electrolysis, according to the principles outlined above, once the correct hydrostatic overpressure has been established, all that is left to do is to ensure that the Speiss'lösung is fed evenly to the anode compartment (strictly speaking proportional to the respective current intensity), and between 12-26 i each under the specified conditions for the saline electrolyser! saturated saline solution per kiloampere and hour. This is relatively easy to achieve.
The specified dimensioning of the hydrostatic overpressure in the cell naturally assumes that the cell is designed in a suitable manner.
In the figures, exemplary embodiments of electrolytic cells are shown which are particularly suitable for the above-mentioned dimensioning of the hydrostatic overpressure. 1 and 2 show vertical sections of such cells, while in Fig. 3 a further embodiment for such a cell is shown partly in side view, partly in longitudinal section.
In FIG. 1, the anodes 1 with their vertically arranged power supply lines 1 ′ are inserted into the inner space of the cell and closed at the top by means of a cover 4. The anode space of the cell is extended upwards by walls 5. The level of the anolyte is indicated at 6. The anode compartment is separated from the cathode compartment by a filter diaphragm 3. The diaphragm. 1 is stored directly in front of a wire mesh cathode 2. The level of the catholyte is indicated at 7. The parts mentioned are mounted on a foot 12 made of concrete, for example.
Pipes 13 are provided for the outflow of the catholyte, while a pipe 14 is provided for the outlet of the
EMI2.3
also to maintain by refilling in the anode space that the above-mentioned size for the hydrostatic overpressure is constantly maintained.
EMI2.4
Cathode 2 made of perforated sheet metal is arranged. The gas chimney 8, the meaning of which is explained below, is arranged between the upper boundary walls 5 of the anode space, their extensions 5 ″, FIG. 3, located on the front sides of the vessel, and the base 5 ′ mounted on the bottom of the vessel, which is conveniently arranged with the parts 5 "is connected.
The cathode plate 2 and the diaphragm 3 adjacent to it are guided around the base 5 'in such a way that a space 10 is created at the bottom of the cell, from which deposits to be deposited here can be drained if necessary through an opening (not shown).
While in FIGS. 1 and 2 the power supply lines 1 ′ for the anodes 1 are arranged vertically
EMI2.5
Power supply lines 77 for the anodes 1 according to FIG. 3 consist of horizontally mounted graphite blocks, hollow magnetite cylinders or the like that are inserted through the end wall. The supply lines 11 are introduced on the front side of the cell, above the catholyte level 7. In the cell according to FIG. 3, rings 9 are provided on the walls 5, which simultaneously lift off the cover 4 of the frame, which is formed by the side walls 5, the base J 'of the gas screen 8 arranged in the frame and the anodes 1 allow the feeders H. Are the mentioned parts out of the cell
<Desc / Clms Page number 3>
taken out, the diaphragm 3 is exposed.
The diaphragm and the cathode plate: 2 can then also be removed from the cell. The assembly of the cell is done in reverse order. Such a structure of a cell enables, in particular, very convenient cleaning and easy repair of any damage.
The gas screen 8 can, for example, be made of glass tiles, glass braids or the like, if necessary
EMI3.1
noticeable resistance, but also does not significantly change the speed at which the electrolyte passes through the diaphragm. Such a gas screen has a double effect. On the one hand, it inhibits the anodic gas produced, e.g.
B. Chlorine in the chlor-alkali electrolysis to spread laterally and thereby protects the diaphragm against direct contact with the anode gas and against the violent fluid vortices, which are created by the rising gas especially at high current densities and when using very high cells and on the other hand it prevents insoluble compounds , which are deposited from impurities in the electrolyte in the space between parts 3 and 8 in Fig. 2,
EMI3.2
clogging of the diaphragm or other inconveniences caused by these insoluble compounds are avoided.
The design of the diaphragm used for the new cell does not play a very important role. However, it is advisable to use particularly diaphragms made from a base material with a fibrous structure, e.g. B. Asbestos exist, whose degree of permeability is brought to the desired value by means of a suitable filler material. The filler material can either be introduced into the inner spaces of the base material or be connected to the base material on the surface by a binding agent.
PATENT CLAIMS:
1. Electrolyte cell equipped with a diaphragm, characterized by such a design that the hydrostatic overpressure on the anode side is essentially evenly distributed over the entire diaphragm surface by filling the cathode space with electrolyte and at the same time the level difference between the anolyte and the catholyte is kept so high can be,
EMI3.3
60% of the salt are converted, the cell being expediently fed exclusively through the anode compartment.
EMI3.4