DE1758358C - Anode für eine Salzschmelze-Elektrolysezelle - Google Patents

Description

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dung eine wesentliche Herabsetzung des Anoden- Die bevorzugte Gestallung des Hohlraums in der Widerstandes im Vergleich zum Widerstand ähnlicher Anode zusammen mit der bevorzugten Art von PerAnoden, die mit Hohlräumen der bisherigen :iylindri- forationen zur Herstellung einer Verbindung zwischen sehen Form versehen sind, erreichen läßt. dem Hohlraum und der Elektrolysezone sind in der

Der Stand der Technik läßt darauf schließen, daß 5 Zeichnung gezeigt. Bei der bevorzugten Ausführungsdie Fachwelt bisher von dem Vorurteil ausging, daß form der Erfindung hat daher die Elektrolysezone bei einer relativ starken zylindrischen Anodenwan- etwa die gleiche Längenerstreckung wie der obere dung, wie sie zur Erzielung eines niedrigen Wider- Teil der Anode, so daß der Hohlraum in der Anode stands zweckmäßig ist, eine Verjüngung im Hinblick annähernd die gleiche Längenerstreckung wie die auf die erhöhten Herstellungskosten einer verjüngten io Elektrolysezone hat und dieser im wesentlichen Anode nicht lohnen würde, so daß für den Fachmann gegenüberliegt. Wie dargestellt, hat der Hohlraum 3 kein Anlaß vorlag, Vergleichsversuche zwischen zy- in der Anode an seinem oberen Ende einen Durchlindrischen Ringanoden und verjüngten Anoden messer, der etwa das Zweifache seines Durchmessers durchzuführen. Dies gilt um so mehr, als derartige am ußteren Ende beträgt, wobei der Durchmesser Versuche nicht gerade als »einfach« anzusehen sind, 15 oben etwa halb so groß wie der Durchmesser der sondern einen beträchtlichen Aufwand erfordern, Anode ist. Bei der in der Zeichnung dargestellten be-, weil hierzu Vergleichsmessungen mit einer normalen vorzugten Ausführungsform besteht die Elektrolyt-Zelle über die gesamte Lebensdauer einer Zelle vor- verbindung zwischen dem Hohlraum 3 und der Elekgenommen werden müssen. trolysezone durch vier Schlitze 4, die in gleichen Ab-

Durch die Erfindung wird erstmals seit einem hai- 20 ständen umfangsseitig am oberen Teil 2 der Anode

ben Jahrhundert, während welchem Elektrolysezellen liegen. Je nach der Breite dieser Schlitze können

betrieben werden, eine verjüngte Ausbildung der mehr oder weniger als vier Schlitze, z. B. zwei bis

Vertiefung vorgeschlagen und der Nachweis erbracht, acht Schlitze, die in gleichen Abständen am Anoden-

daß diese Ausbildung vorteilhaft ist und eine um teil 2 vorgesehen sind, verwendet werden, jedoch

2 bis 3 °/o erhöhte Ausbeute bringt. as sind gewöhnlich vier Schlitze in der angegebenen

Die Erfindung wird anschließend an Hand eines Weise angeordnet, je mit einer Breite von etwa 5 bis

Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigt 20Vo, vorzugsweise 8 bis 12°/o, des oberen Durch-

F i g. 1 eine Seitenansicht im Aufriß einer erfin ■ messers des Hohlraums,

dungsgemäßen Anode, Zweckmäßig wird der sich verjüngende Hohlraum 3

Fig. 2 eine Draufsicht der in Fig. 1 dargestellten 30 nicht größer als notwendig gehalten, um in Verbin-Anode, wobei ferner eine umgebende Kathode und dung mit den Schlitzen 4 eine wirksame Zirkulation ein ringförmiges Diaphragma, das zwischen der An- des Elektrolyten vom Hohlraum in die Elektrolyseode und der Kathode angeordnet ist, gezeigt sind, zone zu erhalten, da sonst der elektrische Widerstand

Fig. 3 eine Ansicht im vertikalen Schnitt der in der Anode in der Zelle unerwünscht zunehmen würde.

F i g. 2 dargestellten Bauform. 35 Der Durchmesser des Hohlraums beträgt an diesem

In der Zeichnung bezeichnet I eine auf dem Boden ·■■,. oberen Ende 30 bis 80%, und vorzugsweise 40 bis

angeordnete vertikale zylindrische Graphitanode, » 60%, des Durchmessers der Anode. Um eine wesent-

deren oberer Teil 2 mit einem sich verjüngenden ₄ liehe Verringerung im Anodenwiderstand zu ermög-

Hohlraum 3 versehen ist, welcher durch als vertikale ' liehen, jedoch immer noch eine wirksame Zirkulation

Schlitze 4 ausgebildete Perforationen mit der Elek- 40 des Elektrolyter« aufrechtzuerhalten, ist der Durch-

trolysezone zwischen dem Teil 2 der Anode und der messer des Hohlraums an dessen unterem Ende nicht

Kathode 6 in offener Verbindung steht. Es sind vier größer als 70% des Durchmessers des Hohlraums an

solche Schlitze gezeigt, von denen sich jeder vertikal dessen oberem Ende. Der Durchmesser des Hohl-

vom unteren Ende des Hohlraums 3 aus erstreckt raums an dessen unterem Ende kann 0 bis 70% des

und kurz vor dem oberen Ende der Anode endet, so 45 Durchmessers an dessen oberem Ende betragen und

daß ein voller Bund 5 erhalten bleibt, der wegen der beträgt vorzugsweise 30 bis 60% des Durchmessers

höheren Festigkeit wünschenswert, jedoch für die am oberen Ende. Der Hohlraum kann als umgekehr-

Wirkungsweise der Anode nicht wesentlich ist. Die ter Kegel ausgebildet sein, vorzugsweise jedoch als

Anode 1 ist auf dem Boden der nicht gezeigten Zelle umgekehrter Kegelstumpf.

angeordnet, so daß ein inniger Kontakt mit einem 50 Die Perforationen in der Anodenwand, welche die

metallischen leitenden Teil 8 besteht, der mit der Verbindung zwischen dem Hohlraum und der Elek-

Stromquelle verbunden ist. trolysezone herstellen, können aus mehreren öffnun-

Wie gezeigt, ist der obere Teil 2 der Anode 1 von gen bestehen, die quer durch die Wände der Anode einer zylindrischen Metallkathode 6 umgeben, welche verlaufen. Wenn solche öffnungen verwendet werden, gewöhnlich von nicht gezeigten Kathodenarmen ge- 55 sollen sie möglichst gleichmäßig über denjenigen Teil tragen wird, die sich durch die nicht gezeigten Zellen- der Anode verteilt sein, der zusammen mit der wände erstrecken und den Kontakt mit der Strom- Kathode die Elektrolysezone begrenzt, z. B. derjenige quelle herstellen. Ein ringförmiges durchlässiges Dia- Teil der Anode, der im wesentlichen die gleiche Erphragma 7, gewöhnlich ein Stahldrahtsieb, ist in der Streckung wie die Schlitze 4 in der Zeichnung hat. An Elektrolysezone, d. Ii. in der Zone zwischen der 60 Stelle von Queröffnungen können auch schräg verKathode 6 und dein oberen Teil 2 der Anode, ange- laufende öffnungen verwendet werden. Die hevorordnet. Das Diaphragma 7 ist gewöhnlch starr an zugte Art von Perforationen besteht jedoch in der einem abnehmbaren Produktsamniler (nicht gezeigt) Form von vertikalen Schlitzen, wie die in der /eich befestigt, an dem es in der in der Zeichnung angege- nung gezeigten Schlitze 4. Die Zahl und die Breite benen Stellung aufgehängt ist. Wie ersichtlich, befin- 65 der Schlitze soll ausreichen, um die gewünschte Flekdet sich der Hohlraum 3 in der Anode gewöhnlich trolytzirkulation sicherzustellen, gegenüberliegend der Elektrolysezone und hat im Die Seitenwände des Anodenhohlraums sind wesentlichen die gleiche vertikale Länge wie diese. gerade, es können jedoch auch Seitenwände veiwen-

dct werden, die etwas gekiüinml sind, entweder nach brauchswerte entsprechen einer Herabsetzung von

innen oder nach außen, obwohl dies keine Vorteile etwa 0,06 Volt zugunsten der Zellen der 'l'cstgi lippe,

bringt. Wie in der Zeichnung gezeigt, ist der Hohl- d.h. der Zellen mit sich verjüngenden Hohlräumen,

raum zur Längsachse der Anode symmetrisch, da Der niedrigere Lcistungsverbiauch in den Zellen der

sonst die Verteilung des Stromflusses zu den aktiven 5 Testgruppe wurde durch eine Verringerung des Wi-

Anodenflächcn nicht gleichmäßig ist. Sechs Natrium- dcrstandcs der Anoden mit sich verjüngenden Hohl-

/cllen vom Downs-Typ wurden zui Bildung einer räumen erhalten. Der ei mitteile IJntci schied im Lci-

» Testgruppe« mit Anoden der in der Zeichnung slungsverbrauch ist wesentlich und bedeutet auch

gezeigten Art vcischen. Jede Anode besaß einen etwa einen wesentlichen Vorteil, da or etwa 5,25 Dfg je

in ihrer oberen Hallte zentrierten, sich verjüngenden 10 45,66 kg Natrium bei einem Strompreis von 1 75 Dfg

1 lohlraum gegenüberliegend der Iilcktrolysezone und je Kilowattstunde entspricht.

annähernd von gleicher Längenerstreckung wie diese. Weitcrc Vorteile ergeben sich aus der Verwendung Der abc ι c Durchmesser der Hohlräume entsprach von Anoden mit sich verjüngenden Hohlräumen indem halben Durchmesser der Anoden, während der sofern, als die Spannung bei solchen Zellen nicht so untere Durchmesser der Hohlräume halb so groß wie 15 rasch mit dem Alter ansteigt, wie dies bei Anoden ihr oberer Durchmesser war. Jede Anode war ferner mit zylindrischen Hohlräumen der Fall ist. Dies ist mit vier vertikalen Schlitzen versehen, die in der in durch den Umstand bedingt, daß bei der Abnutzung der Zeichnung gezeigten Weise angeordnet waren der Anoden die Querschnittsfläche einer Anode mit und deren Breite je etwa 20% des Durchmessers des sich verjüngendem Hohlraum sich proportional wcniunteren lindes des Hohlraums und etwa 10% des ao ger verringert als diejenige einer entsprechenden Durchmessers am oberen Ende des Hohlraums be- Anode mit zyylindrischem Hohlraum. Beispielsweise trug. Neun weitere Zellen vom Downs-Typ wurden hat bei Anoden mit Abmessungen in den bevorzugten als »Bezugsgruppe« mit Anoden ausgerüstet, deren Bereichen eine neue Anode mit sich verjüngendem Anodenhohlräume von herkömmlicher zylindrischer Hohlraum eine um etwa 25% größere Ouerschnitts-P01 m waren und deren oberer und unterer Durch- 25 fläche als die entsprechende Anode mit zylindrischem messer gleich dem oberen Durchmesser der Hohl- Hohlraum in der Nähe des unteren Endes der Elekräumc der Anoden in der Zelle der Testgruppe waren. trolysezone. Nahe dem Ende der nutzbaren Lebens-Mit Ausnahme der Gestaltung der Hohlräume in den dauer solcher Anoden hat jedoch die Anode mit verwendeten Anoden waren die Zellen der Test- einem sich verjüngenden Hohlraum eine um etwa gruppe und diejenigen der Bezugsgruppe die 30 50% größere Querschnittsfläche. Dies ist wichtig, da gleichen. der Leistungsverlust in älteren Zellen die Strom-Die Zellen jeder der vorgenannten Gruppen wur- belastung bestimmt, die sie aufnehmen können, sowie den zur Herstellung von Natrium und Chlor über das Alter, bei welchem sie entfernt werden müssen. Zeiträume von etwa 9.5 bis 20,8 Monaten betrieben, Hinsichtlich der Spannungsverringerung gegen das und die statistischen Werte für den Leistungsver- 35 Ende der nutzbaren Lebensdauer der Zeilen besteht brauch (Kilowattstunden) für 45,36 kg hergestellten bei dem sich verjüngenden Hohlraum ein Vorteil von Natriums (mittlere Lebensdauer) wurden bestimmt. etwa 0,1 bis 0,15 Volt. Der Effekt der verringerten Der mittlere Leistungsverbrauch je 45,66 kg herge- mittleren Spannung und die stärkere Herabsetzung stellten Natriums in der Testgruppe der Zellen betrug der Spannung bei älteren Zellen ist eine Zunahme der 423,4 Kilowattstunden, bezogen auf das Alter der 40 Strombelastbarkeit von etwa 2 bis 3%. Ein gegebener Zellen, während der entsprechende Wert für die Aufwand für Elektrolysezellen und die zugehörigen Bezugsgruppe der Zellen 426,4 Kilowattstunden be- Einrichtungen kann daher zur Herstellung von 2 bis trug. Die vorstehend angegebenen Leistungsver- 3% mehr Natrium führen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

durchlässiges Diaphragma eingesetzt, um die Elektro- Patentansprüche: lyseprodukte voneinander zu trennen. Das an der Anode entstehende Ch'lor wird aus dem oberen Teil

1. Anode für eine Salzschmelze-Elektrolyse- der Zelle durch eine oberhalb der Anode angeordzelle, die eine vertikal angeordnete zylindrische 5 nete Gasglocke abgeleitet. Das an der Kathode entAnode und eine die Anode konzentrisch um- stehende Natrium steigt in eine Sammelleitung auf, gebende Kathode aufweist, mit einem Hohlraum aus der es durch ein vertikales Rohr, welches mit der im oberen Teil, der sich in Anodenmitte vom Außenseite der Zelle in Verbindung steht, entfernt Anodenende bis in die Elektrolysezone erstreckt wird.

und über Perforationen mit dem Elektrolyten in ^l0 Ein Faktor, der den wirtschaftlichen Betrieb von Verbindung steht, dadurch gekennzeich- Downs-Zellen beeinflußt, ist der Zellenwiderstand, so net, daß sich der Hohlraum(3) nach unten hin daß, wenn dieser Widerstand so gering wie möglich verjüngt und am oberen Ende einen Durchmesser gehalten wird, der Zellenspannungsabfall und die von 30 bis 8.0% des Anodendurchmessers und Energiekosten herabgesetzt werden können. Zur Verunten einen Durchmesser von maximal 70% des »5 ringerung des Anodenwiderstandes und damit des Hohlraumdurchmessers am oberen Anodenende Gesamtwiderstandes der Zelle werden die Anoden aufweist. mit Bezug auf die anderen Zellenteile so groß wie

2. Anode nach Anspruch 1, dadurch gekenn- möglich hergestellt. Hinsichtlich der Größe der Anzeichnet, daß der Durchmesser des Hohlraums öden, die verwendet werden kann, besteht jedoch am oberen Ende gleich 40 bis 6O°/o des Anoden- ao wegen der nachteiligen Wirkung übermäßig großer durchmessen ist und der Durchmesser des Hohl- · Anoden auf die Zirkulation des Elektrolyten eine raums unten gleich 30 bis 60% des Hohlraum- Beschränkung. Eine gute Elektrolytenzirkulation, durchmessers am oberen Ende ist. besonders in der Elektrolysezone, ist für eine wirt-

3. Anode nach Anspruch 1, dadurch gekenn- schaftliche Leistung der Zelle wesentlich. Um diese zeichnet, daß der Durchmesser des Hohlraums as Zirkulation zu erleichtern, war es bisher üblich, Anam oberen Ende etwa die Hälfte des Anoden- öden zu verwenden, die mit zylindrischen Hohlräudurchmessers beträgt und der Durchmesser des men in ihrer Mitte versehen sind, wobei die Hohl-Hohl raums unten etwa die Hälfte des Durchmes- räume mit der Elektrolysezone durch Perforationen ser des Hohlraums am oberen Ende beträgt. in der Anodenwandung in Verbindung stehen. Solche

4. Anode nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 30 Perforationen ermöglichen einen Umlauf des Elekzeichnet, daß die Perforationen (4) in der Anoden- trolyten durch den Anodenhohlraum in die Elektrowand durch mehrere vertikale Schlitze in gleichen lysezone, wodurch die Gesamtleistung der Zelle er-Abständen um die Anode herum gebildet werden, höht wird.

von welchen Schlitzen jeder eine Breite hat, die Der Nutzen, der durch die Verwendung von An-

etwa gleich 5 bis 20% des Durchmessers des 35 öden erhalten wird, welche mit Hohlräumen in VerHohlraums am oberen Ende ist. bindung mit Perforationen in der Anodenwand ver-

5. Anode nach Anspruch 4, dadurch gekenn- sehen sind, durch welche die Elektrolytenzirkulation zeichnet, daß die Perforationen in der Anoden- begünstigt wird, ist seit langem bekannt. Kombinawand aus vier vertikalen Schlitzen bestehen, die tionen solcher Anodenhohlräume und Schlitze sind in gleichen Abständen um die Anode herum vor- 40 indenUSA.-Patenten2194443,2390548,2414 831, gesehen sind und im wesentlichen die gleiche ver- 2 755 244 und 2 921894 offenbart. Wie in diesen tikale Länge wie der Hohlraum haben, von wel- Patenten gezeigt, war der Hohlraum in der Anode chen Schlitzen jeder eine Breite hat, die gleich immer von zylindrischer Gestalt und in der Mitte der etwa 8 bis 12% des Durchmessers des Hohlraums Anode. Es wurden verschiedene Arten von Perforaam oberen Ende ist. 45 tionen vorgeschlagen, die mit dem Hohlraum in Verbindung stehen, obwohl vertikale Schlitze im allgemeinen bevorzugt zu werden scheinen.

Obwohl die Verwendung von Hohlräumen in den

Anoden in Verbindung mit den vorerwähnten Schlit-50 zen vom Gesichtspunkt der verbesserten Zirkulation

Die Erfindung betrifft eine Anode für eine Salz- des Elektrolyten vorteilhaft ist, haben solche Hohlschmelze-Elektrolysezelle, die eine vertikal angeord- räume den wesentlichen Nachteil, daß sie den Annete zylindrische Anode und eine die Anode konzen- odenwiderstand erhöhen, so daß, um den Vorteil trisch umgebende Kathode aufweist, mit einem Hohl- einer verbesserten Zirkulation zu erzielen, der Nachraum im oberen Teil, der sich in Anodenmitte vom 55 teil eines erhöhten Anodenwiderstandes in Kauf ge-Anodenende bis in die Elektrolysezone erstreckt und nommen werden mußte.

über Perforationen mit dem Elektrolyten in Verbin- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den

dung steht. elektrischen Widerstand derartiger, mit einem Hohl-

Natrium wird im großtechnischen Maßstab durch raum versehener zylindrischer Elektroden gegenüber die lUektrolyse eines schmelzllüssigen Elektrolyten ^6o bekannten Anodenbauarten mit zylindrischem Hohlaus Natriumchlorid in Zellen hergestellt, welche in raum zu verringern.

ihrer fluufomi der Downs-Zelle, die in dem USA- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

Puteiit 1 501 756 beschrieben ist, im grundsätzlichen löst, daß sich der Hohlraum nach unten hin verähnlich ist. Bei solchi.·!! Zellen werden auf dem Boden jungt und am oberen Ende einen Durchmesser von angeordnete vim tikale (Iraphitanodcn verwendet, von ⁶S 30 bis 80% iles Anodendurchmessers und unten diiKii jede von einer Metallkathuiii- umgeben ist, so einen Durchmesser von maximal 70% des llohldaß die hciilen Elektroden eine ringförmige F.lektro- rauindurchmesscrs am oberen Anodenende aufweist, lysc/one begrenzen. In die Elektrolysezone ist ein Es wurde festgestellt, daß sich durch diese Ausbil-