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Anodenaufbau für Schmelzflußelektrolysezellen, insbesondere zur Herstellung
von Natrium Die Erfindung betrifft Zellen für die Schmelzflußelektrolyse, insbesondere
eine Verbundanode aus Graphit für Zellen zur Erzeugung von Natrium.
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Seit Jahrzehnten wird Natrium in großen Mengen in der Downsschen Zelle
erzeugt, bei welcher eine zylindrische Graphitanode mit einer zylindrischen Stahlkathode
umgeben ist. Mit Vergrößerung der Zellen und Erhöhung ihrer Erzeugungskapazität
sowie dem steigenden Markt für Natrium ist der Bedarf an einer rechteckigen Zelle
für die Natriumerzeugung ent-,standen. Die Raumform der herkömmlichen zylindrischen
Zelle bedingt für eine gegebene Fertigungskapazität eine Fertigungsfläche, die im
Vergleich mit jeder denkbaren rechteckigen Bauart verhältnismäßig groß ist. Eine
rechteckige Zelle für die Natriumerzeugung, deren Wirkungsgrad Lind Ausstoß mit
derjenigen der herkömmlichen zylindrischen Zellen vergleichbar sind, ist bisher
nicht verfügbar.
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Die Erfindung stellt eine räumlich große Zelle für die Schmelzflußelektrolyse
zur Verfügung, die mit einer rechteckigen Verbundanode aus einer Anzahl von Graphitstücken
versehen ist.
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Der Graphitanodenaufbau gemäß der Erfindung kennzeichnet sich dadurch,
daß die Anode mit rechteckigem Querschnitt aus einer Mehrzahl vertikaler, langgezogener
Graphitstücke (3) aufgebaut ist, welche an ihren Füßen mittels einer oder
mehrerer Spanorgane zusammengehalten werden.
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In den Zeichnungen ist zur Erläuterung eine beispielsweise Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Es zeigt Fig. 1 teils im Vertikalschnitt und teils
im Aufriß eine Endansicht einer Zelle für die Schmelzflußelektrolyse mit einem eingebauten
Anodenaufbau aus vier vertikalen Graphitanoden und Fig. 2 einen Vertikaischnitt
nach Ebene 11 der Fig. 1.
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Die Zelle ist mit einer Grundrahmenplatte 1 aus Stahl versehen,
die Rechteckform hat und vertikale Seitenwände 2 aufweist, was ein rechteckiges
kastenartiges Gebilde ergibt, das man auch als »Anodenkasten« bezeichnen könnte.
In die Grundrahmenplatte 1 sind vier Anoden 3 eingesetzt, welche auf
Ansätzen 4 ruhen, die ihrerseits am Boden der Grundrahmenplatte 1 festgelegt
sind. Die Ansätze 4 sind auf eine gemeinsame Höhe gearbeitet und dienen auf diese
Weise zur richtigen Ausfluchtung der auf ihnen ruhenden Anoden 3. Sie können,
wenn gewünscht, wegfallen, wenn der Boden der Grundrahmenplatte 1 so eben
ausgebildet wird, daß die Anoden 3 in der richtigen Weise ausgefluchtet werden.
Die Füße der vier Anoden 3 werden von zwei Spannstangen 5
zu einem dichten Bündel zusammengehalten: die Stangen 5 sind an jedem
Ende mit Gewinden versehen, die Muttern 6 und Unterlegscheiben
7 aufnehmen. Am einen Ende jedes Stabes 5 ist zwischen zwei Unterlegscheiben
7 eine starke Stahlfeder 8 eingefügt, welche in eine in der Anode
ausgeschnittene Aussparung paßt. Auf die beiden Stäbe 5
wird eine solche Spannung
ausgeübt, daß die Anodenfüße in einem beträchtlichen Temperaturbereich, der von
der Zusammenbautemperatur (gewöhnlich Raumtemperatur) bis zur maximalen Arbeitstemperatur
reicht, fest zusammengehalten werden. Da Stahl einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
als Graphit hat, muß die Anfangszusammenpressung, welcher die Feder 8 beim
Zusammenbau unterworfen wird, die Differenz zwischen den Ausdehnungen des Stahls
und des Graphits in dem Temperaturbereich zwischen Zusammenbautemperatur und maximaler
Arbeitstemperatur, z. B. in der Größenordnung von 100' C über und unter der
Normalarbeitstemperatur der Zelle, überschreiten.
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Durch den Boden der Grundrahmenplatte 1 erstrecken sich vertikal
acht Bolzen 9, die am oberen Ende ösen oder Haken aufweisen, durch welche
die Spannstangen 5 hindurchgeführt sind. Die Bolzen sind mit Muttern und
Unterlegscheiben befestigt; sie verankern die Anoden gegen eine Neigung, im Elektrolyten
zu schwimmen, und halten sie in der richtigen Lage.
Der die Füße
der Anoden 3 umgebende Raum der Grundplatte 1 ist mit einer niedrigschmelunden
Metallegierung 10, wie Woodschem-Metall, gefüllt, die bei der Zellen-Arbeitstemperatur
flüssig ist und zur Ausbildung eines guten elektrischen Kontaktes zwischen den Garphitanoden
3 und der aus Stahl bestehenden Grundrahmenplatte 1 dient. Diese Maßnahme
ist bereits aus der USA.-Patentschrift 2592483 bekannt. An der Grundrahmenplattel
sind (nicht eingezeichnete) Stromschienen befestigt, welche der Zellenanode Strom
zuführen. Am Boden der Grundrahmenplatte 1 sind zylindrische überlaufartige
Stahlteile 11 angeschweißt, welche die Bolzen 9
umgeben und ein leckartiges
Austreten der niedrigschmelzenden Legierung an den Bolzen verhindern. Die Teile
11 (die an Stelle eines runden auch einen rechteckigen Querschnitt haben
können) ragen in entsprechende, in Anodenflüssen vorgesehene Öffnungen hinein, welche
genügend größer als die Teile sind, damit eine Ausdehnung der Teile und der Grundrahmenplatte
beim Aufziehen auf Arbeitstemperatur nicht zu Einwirkung mechanischer Spannungen
auf die Graphitanode führt.
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Am Boden der Grundrahmenplatte 1 ist eine Vertikahippe 14 angesetzt,
welche den Anodenaufbau gegen eine Längsverschiebung in der Grundplatte hält. Die
Rippe 14 verteilt und gleicht ferner die Ausdehnung der Grundrahmenplatte
1 beim Erhitzen in die beiden Richtungen seitlich der Rippe aus. Die Rippe
14 soll hierzu mittig im Anodenaufbau angeordnet sein.
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Die Seitenwände der Zelle sind in der dargestellten Weise mittels
Bolzen oder mittels anderer geeigneter Mittel an der Grundrahmenplatte
1 befestigt. Sie sind bei der in den Zeichnungen dargestellten beispielsweisen
Ausführungsform in herkömmlicher Weise aufgebaut und bestehen aus dem mit feuerfesten
Steinen 13 ausgekleideten Stahlmantel 12. Der Mantel 12 ist vorzugsweise
gegen die Grundrahmenplatte 1 elektrisch isoliert, was aber für die vorliegende
Erfindung nicht wesentlich ist.
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Zum Einbau der Anoden 3 in die Grundrahmenplatte
1 kann man zuerst die Anoden mittels der Spannstangen 5, mit welchen
die Ösen oder Haken der Bolzen 9 bereits im Eingriff stehen, zusammenklemmen
und die erhaltene Anordnung in die Grundrahmenplatte senken, worauf die Muttern
auf den Bolzen 9 festgezogen werden. Bei einer anderen Arbeitsweise müssen
in die Seitenwände 2 der Grundrahmenplatte 1 öffnungen eingeschnitten werden,
welche die Einführung der Spannstäbe 5 ermöglichen. Bei dieser Arbeitsweise
werden zuerst die Anoden 3 einzeln in ihre Lage über den aufrechtstehenden
überlaufartigen Teilen 11 gebracht. Dann werden die Bolzen 9 durch
die Teile 11 hindurch und weiter die Spannstangen 5 durch die Ösen
im oberen Ende der Bolzen 9 hindurch in ihre Lage geschoben. Man schiebt
dann die Unterlegscheiben 7 und Federn 8 auf und spannt den
Aufbau mittels der Muttern 6, um die Anoden 3 fest zusammenzuhalten.
Hierauf werden die Bolzen 9 mit Muttern und Unterlegscheiben befestigt. Die
vier öffnungen in den beiden Endseiten der Grundrahmenplatte 1, welche den
Zugang für die Spannstangen 5 ermöglichten, müssen dann mit dichtpassenden
Stopfen oder Abdeckungen verschlossen werden. Der Zusammenbau wird vervollständigt,
indem man die geschmolzene Legierung eingibt, während die Anordnung auf eine Temperatur
oberhalb des Schmelzpunktes der Legierung erhitzt wird. Der von der geschmolzenen
Legierung 10 eingenommene Raum wird dann mittels eines feuerfesten Zementes
15 abgedeckt.
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Die Zelle ist weiter mit einer rechteckigen Stahlkathode
16 versehen, die sich durch die Zellenwände erstreckende Arme 17 aufweist.
An den Kathodenarmen 17 befestigte (nicht eingezeichnete) Stromschienen dienen
zur Stromzuleitung zur Zellenkathode. Zwischen den Anoden 3 und der sie umgebenden
Kathode 16 ist ein (schematisch eingezeichnetes) Diaphragina 18 üblicher
Art aus Drahtgaze eingefügt. Die Zelle ist ferner mit geeigneten Mitteln zum
Sammeln der Elektrolyseprodukte versehen, die mit der Ausnahme, daß sie anstatt
Kreisform Rechteckform haben, in herkömmlicher Weise ausgebildet sein können.
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Im Rahmen der Erfindung liegen über die vorstehende, nur der Erläuterung
dienende Beschreibung hinaus zahlreiche weitere Ausführungsformen. All-
gemein
besteht das Erfindungsprinzip darin, eine Anzahl Graphitstücke von rechteckigem
Querschnitt in einer Reihe unter Bildung einer rechteckigen Verbundanode anzuordnen
und mittels eines Spannorgans (z. B. der Spannstäbe 5 mit den ihnen zugeordneten
Federn 8) zusammenzuhalten und weiter Verankerungsmittel (z. B. Bolzen
9) vorzusehen, welche der Neigung der Anode, in der Elektrolyt-Salzschmelze
zu schwimmen, entgegenwirken und die Anoden in der richtigen Lage halten.
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Wenn gewünscht, kann man an Stelle der beiden dargestellten Spannstäbe
5 mit einem Einzelstab oder mit mehr Stäben arbeiten. Anstatt in der dargestellten
Weise an einem Ende können Spannfedem an beiden Enden jedes Stabes vorgesehen werden.
Ferner kann man an Stelle der Stäbe und zugeordneten Federn andere Spannvorrichtungen
verwenden, um die Anoden zusammenzuhalten. Zum Beispiel kann man zwischen einem
Ende der Verbundanode und der Endseitenwand 2 der Grundrahmenplatte 1 oder
deren Äquivalent Federn oder äquivalente federnde bzw. elastische Mittel einfügen
und zusammen mit Mitteln verwenden, welche die Feder gegen das Anodenende anziehen.
In einem solchen Fall kann man den Spannstab weglassen und, wenn gewünscht, andere
Mittel, wie Dübel, dazu verwenden, um benachbarte Graphitstücke ineinander eingreifen
zu lassen und zu »versperren«. In jedem Falle gehört gemäß der Erfindung zu den
Mitteln zum Zusammenpressen der Graphitstücke eine oder mehrere Federn oder äquivalente
elastische Elemente, welche in einem beträchtlichen Temperaturbereich einen im wesentlichen
konstanten Druck aufrechterhalten.
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Die Bolzen 9 können durch andere Verankerungsvorrichtungen,
z. B. Stifte oder Nasen an den Seitenwänden der Grundrahmenplatte oder Äquivalenten
desselben ersetzt werden, welche in Schlitze oder Löcher in den Graphitstücken greifen.
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Wenn gewünscht, kann man die Graphitstücke mit Vertikallöchern versehen,
wobei von diesen Schlitze oder Löcher zu dem Raum zwischen Anode und Kathode führen.
Eine solche Abänderung, welche eine Elektrolytzirkulation schafft, wird sich dem
Fachmann auf dem Gebiete der Natriumherstellung anbieten, da man solche Anodenhohlräume
und -Schlitze bei den herkömmlichen zylindrischen Natriumzellen verwendet hat.
Die
Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Verbundanode aus vier Anodenstücken
beschränkt. Man kann mit einer beliebigen Anzahl von Graphitstücken arbeiten und
auf diese Weise eine Anode beliebiger gewünschter Länge, z. B. aus drei bis zehn
Anodenstücken mit einer Dicke (in Richtung der Verbundanodenlänge) von jeweils ungefähr
20 bis 46 cm aufbauen. Beim Anodenaufbau kann man die Querschnittsmasse der Graphiteinzelanoden
so wählen, daß der rechteckige Aufbau quadratisch oder länglich ist. Ferner kann
man in eine Einzelzelle eine Anzahl solcher Verbundelektroden, vorzugsweise Seite
an Seite, mit dazwischenliegenden Kathoden einbauen und auf diese Weise eine Zelle
sehr großer Kapazität erhalten, die eine verhältnismäßig kleine Fertigungsfläche
einnimmt.
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Der Aufbau einer rechteckigen Natriumzelle derart, daß die Arbeitsprinzipien
und guten Eigenschaften der herkömmlichen zylindrischen Natriumzellen bewahrt werden,
stellt vor neue Probleme. Eines dieser Probleme ist die Auswirkung der Ausdehnung
der Stahlteile beim Aufheizen auf die Arbeitstemperatur. Die Ausdehnung von Stahl
ist zwar auch bei den zylindrischen Zellen in gewissem Grade ein Problem, aber die
herkömmlicherweise dort zu seiner überwindung verwendeten Methoden sind auf die
Rechteckausbildung nicht anwendbar. Dieses Problem wie andere Probleme werden durch
die Erfindung zufriedenstellend gelöst.
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Unter »rechteckig« ist hier die ungefähre Form eines Vierecks zu verstehen,
das quadratisch oder länglich ist, vier rechte Winkel einschließt und dessen gegenüberliegende
Seiten parallel verlaufen. Unter »rechteckiger Zelle« ist eine Zelle zu verstehen,
deren Anode in der Elektrolysezone einen rechteckigen Horizontalquerschnitt hat.