Verfahren zur Regelung von Salzsole-Elektrolyse-Zellen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung von Salzsole-Elektrolyse-Zellen, insbesondere in Elektrolyse-Zelllen mit Quecksilberkathoden.
Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht die Erzielung einer verbesserten elektrischen Charakteristik in Elektrolyse-Zellen auf einfache und billige Weise und dadurch die Erzielung von wesentlichen praktischen und wirtschaftlichen Vorteilen. Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung kann bei Elektrolyse-Zellen von beliebigem Typ angewendet werden, ohne dass der grundsätzliche Aufbau der Zellen geändert werden muss.
Ferner ermöglicht das Verfahren nach der Erfindung eine Elektrolyse mit einer praktisch isothermen anstelle einer adiabatischen Charakteristik, wodurch es möglich ist, die festen und die variablen Kosten, die Imit der Bereitstellung der zur Elektrolyse zu verwendenden Sole verbunden sind, zu senken.
Diese Vorteile werden bei dem Verfahren nach der Erfindung zur Regelung von Salzsole Elektrolyse-Zellen, dadurch erreicht, dass während der Elektrolyse mit Hilfe in den Zellen angeordneter Mittel die Temperatur der Sole zur Erzielung eines vorbestimmten elektrischen Leitungswiderstandes der Sole in der Zelle geregelt wird.
Im folgenden wird das Verfahren der Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Wie bekannt, tritt bei einer Zunahme der Temperatur des elektrolytischen Bades einer Elektrolysen Zelle eine Abnahme des Leitungswiderstandes des Bades auf, so dass bei gleichbleibender Stromstärke, die von der Zelle aufgenommene elektrische Leistung abnimmt. Weiter ist bekannt, dass bei Elektrolyse-Prozessen eine umgekehrte Proportionalität zwischen der aufgenommenen Gleichstromleistung und der Konzentration und der mittleren Temperatur der Sole in der Zelle besteht. Da anderseits die mittlere Temperatur der Sole von der Durchflussgeschwindigkeit der Sole durch die Zelle abhängt, ist somit auch der Verbrauch an elektrischer Leistung von der Durchflussgeschwindigkeit der Sole durch die Zelle abhängig.
Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht, wie bereits erwähnt, die Aufrechterhaltung von isothermen Bedingungen in einer Elektrolyse-Zelle und damit die Unabhängigkeit der mittleren Temperatur der Sole in der Zelle von der Durchfluss geschwindigkeit der Sole durch die Zelle. Ist daher einmal die Durchfluss.ge- schwindigkeit der Sole, beispielsweise durch eine Elektrolyse-Zelle mit Quecksilberkathode zur Erzeugung von Natriumhydroxyd und Chlor, in bezug auf die früher genannten festen und veränderlichen Kosten, welche beide von der Durchflussgeschwindigkeit der Sole abhängig sind, festgelegt, so ist nur noch darauf zu achten, dass die Konzentration der für Elektrolyse zu verwendenden Sole das mögliche Maximum aufweist,
welches bei der erwähnten Elektrolyse-Zelle mit Quecksilberkathode in der Grössenordnung von 320 g NaCl pro Liter liegt.
Tritt dann der Fall auf, dass es von V < > rteil ist, wenn die Sole im Verlauf der Elektrolyse bis zu einer Restkonzentration von 200 bis 220 g NaC1 pro Liter ausgenützt wird, so kann dazu die Durchflussgeschwindigkeit der Sole durch die Zelle entsprechend der gewünschten Ausnützung der Sole verringert werden, wodurch auch die von der Durchflussgeschwindigkeit der Sole durch die Zelle abhängigen festen Kosten entsprechend abnehmen.
Bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung lassen sich ferner unerwünschte änderungen der Temperatur der Sole zwischen dem Beginn und dem Ende der Elektrolyse verhindern und eine erwünschte grössere mittlere Temperatur der Sole in der Zelle erzielen.
Diese Vorteile lassen sich mit einer Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung dadurch erzielen, dass innerhalb der Zelle Wärmeaustauscher zur Regelung der Temperatur der Sole verwendet werden, durch welche Kühlwasser oder ein anderes geeignetes flüssiges Kühlmittel geleitet wird, derart, dass eine be stimmte Wärmemenge aus der Sole abgeführt wird.
Auf diese Weise kann bei zunehmender Temperatur der in die Zelle fliessenden Sole die Temperatur der aus der Zelle fliessenden Sole auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden.
Wie durch Versuche an Elektrolyse-Zellen mit Quecksilberkathoden für die Erzeugung von Natriumhydroxyd und Chlor festgestellt wurde, ist es notwendig, dass im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit des ganzen Prozesses die Temperatur der aus der Zelle fliessenden Sole und allgemein die mittlere Temperatur des Bades in der Zelle eine Temperatur von etwa 800 C nicht überschreiten soll, da bei höheren Temperaturen nachteilige Einflüsse auf den Aufbau der Zellen und eine zu grosse Aufzehrung der bei Elektrolyse-Zellen mit Quecksilberkathode verwendeten Graphitanoden auftreten würden.
Bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung kann die Sole mit der Temperatur der Elektrolyse-Zelle zugeführt werden, mit welcher sie aus der Aufbereitungs- oder Reinigungsanlage austritt, wodurch eine Kühlung der Sole vor ihrem Eintritt in die Elektrolyse Zelle überflüssig wird. Die Eintritts-Temperatur der Sole kann bei Anwendung des Verfahrens der Erfindung von etwa 450 C (wie sie beispielsweise bei einer Stromdichte von 88 A pro dm in der Zelle, einer Zellenbelastung von 100 kA und bei einer Konzentration von 320 g pro Liter der in die Zelle fliessenden Sole und von 200 bis 220 g pro Liter der aus der Zelle fliessenden Sole ohne Anwendung des Verfahrens der Erfindung notwendig wäre, bis auf etwa 750 C erhöht werden.
Das Verfahren nach der Erfindung kann auch zur Heizung der Sole in der Zelle verwendet werden, indem statt einer Kühlflüssigkeit eine Heizflüssigkeit durch den Wärmeaustauscher in die Zelle geleitet und die Anordnung des Wärmeaustauschers in der Zelle entspre chend geändert wird. Die Notwendigkeit einer Heizung der in die Zelle fliessenden Sole kann während des Winters und ganz allgemein bei besonderen klimatischen Bedingungen auftreten.
Als Wärmeaustauscher können Rohrschlangen aus einem beliebigen Material verwendet werden, sofern dieses die Bedingungen erfüllt, dass es durch nasses Chlor nicht angegriffen wird. Ein solches Material ist beispielsweise Titan, welches sich für diesen Zweck als sehr gut geeignet erwiesen hat.
Die Rohrschlangen sind in der Zelle verschieden anzuordnen, je nachdem, ob die in die Zelle fliessende Sole geheizt oder die aus der Zelle fliessende Sole gekühlt werden soll.
a) Soll die in die Zelle fliessende Sole geheizt werden, so sind die Rohrschlangen in der Nähe des Einlasses der Zelle für die Sole anzuordnen und es ist durch diese eine Heizflüssigkeit zu leiten.
b) Soll die aus der Zelle fliessende Sole gekühlt werden. so sind die Rohrschlangen in der Nähe des Auslasses der Zelle für die Sole anzuordnen und es ist durch diese eine Kühlflüssigkeit zu leiten.
Im folgenden wird an zwei speziellen Ausführungsbeispielen das Verfahren nach der Erfindung näher erläutert.
Beispiel 1
In einer Elektrolyse-Zelle mit einer Quecksilberkathode zur Erzeugung von Chlor und Natriumhydroxyd wurde innerhalb der Zelle in der Nähe des Auslasses für die Sole eine Rohrschlange aus Titan mit einem Aussendurchmesser von 3/4 Zoll und mit einer Länge von 10 Meter angeordnet, welche sich über etwa 13 % der Länge der Zelle erstreckte. Zur Kühlung der Sole wurden pro Stunde 1 bis 1,5 m1 Wasser mit einer Temperatur von etwa 200 C durch die Rohrschlange geleitet und dadurch aus dem Elektrolyse-Bad eine Wärmemenge von 35 000 bis 45000 kcal pro Stunde abgeführt.
Bei Zufuhr einer Menge von 3,5 m3 Sole pro Stunde mit einem spezifischen Gewicht von 1,175 kg pro Liter und einer spezifischen Wärme von 0,82 kcal/kg C ergab sich eine Abnahme der Temperatur der Sole um etwa 100 C oder genau um: 35000 kcal/h = 10,40 C 0,82 kcal/kg0 C 3,5 m3/h 1,175 kg/m3
Bei unveränderter Temperatur der aus der Zelle fliessenden Sole von 820 C, wie sie üblicherweise zur Vermeidung von nachteiligen Einflüssen auf die Widerstandsfähigkeit des Aufbaus der Elektrolyse-Zelle und zur Vermeidung einer zu raschen Aufzehrung der Graphitanoden in der Zelle einzuhalten ist, konnte daher die Temperatur der in die Zelle fliessenden Sole von dem üblichen Wert von etwa 650 C auf etwa 750 C erhöht werden.
Während somit bei den üblichen Verhältnissen die mittlere Temperatur der Sole in der Zelle (65 + 82)/ 2 = 73,5 C beträgt, konnte durch das erfindungsgemässe Verfahren unter Verwendung der Kühlschlange aus Titan die mittlere Temperatur der Sole in der Zelle auf (75 + 82)/2 =78,50 C erhöht werden. Durch Messungen an der Zelle wurde festgestellt, dass die Abnahme der Zellenspannung bei einer Zunahme der Temperatur der Sole in der Zelle zwischen 13 mV pro OC bei einer Graphitanode mit 3 Monaten Be triebsdauer und 16 mV pro 0 C bei einer Graphitanode mit 9 Monaten Betriebsdauer lag.
Wird eine Abnahme der Zellens,panoung bei Zunahme der Temperatur von 16 mV pro 0 C und eine Stromausbeute von 95,0 an genommen, so ergibt sich durch das erfindungsrgemässe Verfahren eine Einsparung an elektrischer Leistung von: 1,000. 0,014 V/ C (78,5-73,5) = 55 kWh/t
0,95 1,325 t/h kA
Beispiel 2
Einer Elektrolysezelle für die Herstellung von Chlor und Natriumhydroxyd mit einer Stromaufnahme von 100 kA und einer Stromdichte von 88 A/dm9 wurden aus einer Reinigungsanlage zur Reinigung der Salzsole pro Stunde eine Menge von 2,05 m3 Sole zugeführt.
Die in die Zelle fliessende Sole hatte eine Konzentration von 320 g NaCl pro Liter, welche Menge der maximalen, technisch zulässigen Konzentration entspricht und die aus der Zelle fliessende Sole eine solche von 220 g pro Liter. Um die höchste zulässige Temperatur von 820 C der aus der Zelle fliessenden Sole nicht zu überschreiten, hätte im vorliegenden Fall ohne Anwendung des Verfahrens der Erfindung die aus der Reinigungsanlage fliessende Sole vor ihrem Eintritt in die Zelle auf eine Temperatur von 450 C abgekühlt werden müssen, wodurch sich eine mittlere Temperatur der Sole in der Zelle von 63 bis 640 C ergeben hätte. Auch für das vorliegende Beispiel gelten die im Beispiel 1 gemachten Ausführungen über die Einsparung an elektrischer Leistung durch Verwendung einer Sole mit höherer Eingangstemperatur.
Es ist jedoch im vor liegenden Fall zu berücksichtigen, dass bei Verwendung einer Sole mit der für diesen Zweck erwünschten höheren Temperatur von 750 C, der Zelle mehr als 10 m3 Sole pro Stunde anstelle der tatsächlich zur Verfügung stehenden Menge von 2,05 m3 Sole pro Stunde hätte zugeführt werden müssen, da die folgende Beziehung gilt: 2,05 (8245) .0,82.1,175 0,82 - 1,175 = 10,6 (82-75). 0,82 1,175
Die Behandlung von 10,6 m3 Sole pro Stunde in der Zelle anstelle von 2,05 m3 Sole pro Stunde hat jedoch, wie dem Fachmann bekannt ist, einen fünfmal grösseren Verbrauch von Natriumhydroxyd zur Folge.
Obgleich sich der Vorteil ergeben würde, dass bei gleicher mittlerer Temperatur des Bades der Leitungswiderstand des Bades als Funktion der mittleren Konzentration der Sole bei einer Durchfluss geschwindigkeit von 10,6 m3 Sole pro Stunde durch die Zelle kleiner ist als im Falle des Durchflusses von nur 2,05 m3 Sole pro Stunde, ist der wirtschaftliche Vorteil der sich durch die kleinere Leistungsaufnahme infolge des kleineren Leitungswiderstandes ergibt vernachlässigbar gegenüber den zusätzlichen Kosten, die sich durch den fünfmal grösseren Verbrauch von Natriumhydroxyd erergeben.
Durch Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens unter Benutzung von Rohrschlangen konnte auch bei einer Durchflussgeschwindigkeit von nur 2,05 m3 Sole pro Stunde eine Sole mit einer Eintrittstemperatur in die Zelle von 750 C verwendet werden, d. h. mit derjenigen Temperatur, welche die Sole am Ende der Reinigungsanlage aufwies. Bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens kann die Temperatur der Sole auch grösser als 750 C sein, wenn z. B. die Reini- gungsanlage so ausgelegt ist, dass sie weniger Wärme abgibt als für eine Temperaturabnahme von 820 C auf 750 C notwendig ist. Unter Betriebsbedingungen ist dann die mittlere Temperatur der Sole in der Zelle 78 bis 790 C, entsprechend der Temperatur der Sole am Einlass der Zelle (750 C) und am Auslass der Zelle (820 C).
Aus den beschriebenen Beispielen ergibt sich, dass die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung die folgenden Vorteile bietet.
1. Die Möglichkeit der Verringerung der Durchflussgeschwindigkeit der Sole durch die Zelle auf ein vorbestimmtes wirtschaftliches Minimum, ohne dass die Sole der Zelle mit niedriger Temperatur zugeführt werden muss.
2. Eine praktische konstante Temperatur der Sole in der Zelle vom Beginn bis zum Ende der Elektrolyse und daher:
3. Eine praktisch isotherme Elektrolyse anstelle einer adiabatischen und damit eine wesentlich leichtere Regelung des Abstandes zwischen den Elektroden der Zelle.
4. Die Möglichkeit der Aufrechterhaltung einer hohen mittleren Temperatur des Elektrolyse-Bades, die den maximalen Wert erreichen kann, der mit der maximal zulässigen Temperatur, (im vorliegenden Fall 820 C) der aus der Zelle fliessenden Sole noch verträg lichist.