Verfahren zum Einstellen des Elektrodenabstandes in Elektrolysezellen mit fliessender Quecksilberkathode
Die in der Alkalichloridelektrolyse verwendeten Graphitanoden werden durch chemischen und elektrochemischen Angriff abgezehrt. Die Abzehrung ist stromdichteabhängig. Dem Problem einer schnell ausführbaren kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Anodentiefstellung zur Abstands- bzw. Spannungskorrektur kommt eine besondere Bedeutung zu, zumal moderne Anlagen mit immer höheren Stromdichten betrieben werden.
Zum Tiefstellen der Anoden sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen bekannt (siehe S. Hass Chem.
Ing. Technik 34 (1962) Nr. 5, 337 bis 345). Da jedoch eine einfache und direkte Abstandsmessmethode bisher nicht bekannt ist, bieten alle bekannten Verfahren und Vorrichtungen in der Praxis beträchtliche Schwierigkeiten.
Bei den bekanntesten Tiefstellverfahren wird die Stromstärke der Einzelelektroden entweder mit einer Ampere-Messzange oder über eine geeichte Widerstandsstrecke in der Stromzuführungsleitung gemessen, und dabei jede einzelne Elektrode solange nachgestellt, bis die Einzelelektroden mit annähernd gleichen Stromstärken belastet sind, und die gewünschte Zellenspannung erreicht ist.
Da Änderungen an einer Elektrode auch die Stromstärke der Nachbarelektroden beeinflussen, ist dieses Tiefstellverfahren schwer durchzuführen und ungenau.
Es lässt sich damit auch nur ein durchschnittlich gleicher Elektrodenabstand erzielen, wobei jedoch einzelne Elektroden erheblich abweichen können. In der Praxis stellt das Verfahren grosse Anforderungen an das Personal.
Nach anderen bekannten Verfahren werden auf der Kathode Distanzstücke angebracht, die aus nichtleitendem Material bestehen und auf die die Anoden aufgesetzt werden. Es handelt sich hier beispielsweise um Leisten oder Nocken, die bisweilen auch im Zellenboden versenkbar angeordnet sind. Nachteilig ist dabei, dass der Quecksilberfluss gestört wird, und dass der Zellenboden bald verschmutzt. Ferner werden die Anoden an den Stellen, an denen sie auf den Distanzstücken aufsitzen, unregelmässig oder gegenüber der übrigen Anodenfläche weniger stark aufgezehrt. Wenn die Distanzstücke in der Kathode versenkbar angeordnet sind, so kommt als weitere Schwierigkeit die Abdichtung gegen Quecksilber hinzu.
Es wurde auch schon vorgeschlagen, den Abstand durch Elektrodenkurzschluss festzustellen, bei dem eine schnelle Steigerung der Stromstärke auftritt. Nach Eintritt des Kurzschlusses wird die jeweilige Elektrode in den für die angestrebte Spannung erforderlichen Abstand zurückgestellt. Dieses Verfahren hat naturgemäss viele Nachteile. So führen die an den kurzgeschlossenen Elektroden auftretenden hohen Stromstärken zu einer starken Erwärmung oder Verbrennung der Elektroden.
Der Einsatz bekannter und sehr vorteilhafter Schmelzsicherungen ist bei diesem Tiefstellverfahren ausgeschlossen. Ausserdem wird durch die starke Störung des elektrischen Feldes die Quecksilberoberfläche so heftig bewegt, dass die Elektroden in der Umgebung ebenfalls zum Kurzschluss neigen. Diese Erscheinungen treten mit den angestrebten höheren Stromdichten in immer stärkerem Mass auf.
Schliesslich ist noch ein Verfahren zum Einstellen des Abstandes zwischen Graphitanoden und Quecksilberkathode in Elektrolysezellen bekannt, bei dem durch den Zellendeckel ein U-förmiger Fühler zwischen Anode und Zellenboden eingeführt und damit der Abstand genau festgelegt wird. Bei diesem Verfahren müssen verhältnismässig viele Distanzhaken durch den Deckel geführt und abgedichtet werden. Ausserdem besteht die Gefahr, dass das Quecksilberband aufreisst.
Zum Tiefstellen der Anoden in Elektrolysezellen hat man sich trotz aller Mängel bisher notgedrungen der oben beschriebenen Verfahren bedient.
Die bekannten Tiefstellverfahren sind jedoch ungeeignet, um sehr ideine Elektrodenabstände einzustellen und einzuhalten. Dies kann jedoch vorteilhaft sein, wenn es aus wirtschaftlichen Gründen günstiger ist, die Zellen unter Inkaufnahme einer etwas verminderten Stromausbeute bei möglichst kleiner Spannung zu betreiben.
Zweck der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Einstellen des Elektrodenabstandes in Elektrolysezellen mit fliessender Quecksilberkathode anzugeben, dem obige Nachteile nicht anhaften. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass man die Anoden einzeln oder in Gruppen der Kathode nähert, bis bei geringem Elektrodenabstand charakteristische Stromstärke- oder Spannungsschwankungen auftreten und man anhand dieser charakteristischen Stromstärke- oder Spannungsschwankungen den Betriebs-Elektrodenabstand einstellt.
Das neue Verfahren ermöglicht es beispielsweise, die Anoden in einem bestimmten sehr geringen Abstand von der Kathode zu bringen und entweder diesen Abstand einzuhalten oder von diesem Bezugspunkt aus die Anoden auf einen genau bestimmten Abstand von der Kathode zurückzustellen.
Der Erfindung liegt die Beobachtung zugrunde, dass charakteristische Schwankungen der Spannung oder der Stromstärke auftreten, wenn eine Anode oder eine Anodengruppe der Kathode, beispielsweise bis auf einen sehr geringen Abstand genähert wird. Diese Schwankungen lassen sich mit bekannten Messeinrichtungen erfassen.
Ihre Amplitude nimmt dabei mit abnehmendem Elektrodenabstand zu. Beispielsweise ist der einem bestimmten Schwellwert (Amplitude) entsprechende Abstand reproduzierbar. Er kann überraschenderweise beliebig lange aufrechterhalten werden, ohne dass Störungen oder Kurzschlüsse auftreten.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Verfahrens sind nachfolgend näher erläutert.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens verfährt man so, dass man die Anode oder Anodengruppe der Kathode soweit nähert bis die Amplitude der charakteristischen Stromstärke- oder Spannungsschwankungen einen vorbestimmten Schwellwert erreichen und man die Anode oder Anodengruppe dann auf einen der gewüschten Zellenspannung entsprechenden Abstand zurückstellt.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird ein festgelegter Schwellwert der Amplitude der Stromstärke oder Spannungsschwankungen als Regelgrösse zur Einstellung des Elektrodenabstandes verwendet.
Beim Stellen können die Anoden jeweils bis zum festgelegten Schwellwert gesenkt und hierauf auf den gewünschten Abstand zurückgestellt werden. Zweckmässig ist an der Tiefstellvorrichtung eine entsprechend geeichte Skala oder Markierung vorgesehen. Es ist selbstverständlich auch möglich, das Zurückstellen durch entsprechend viele Drehungen der zum Verstellen der Anoden verwendeten Spindel vorzunehmen, wenn deren Steigung bekannt ist.
Soll der einem festgelegten Schwellwert der Stromstärke- oder Spannungsschwankungen entsprechende geringe Elektrodenabstand aufrechterhalten werden, so wird zweckmässig die zeitliche Ableitung des Stroms oder der Spannung als Regelgrösse in einen entsprechenden Regler eingegeben.
Die Messung der Stromstärkeschwankungen erfolgt zweckmässig dadurch, dass zunächst die zeitliche Ableitung des Stroms gebildet wird. Ein einfaches Mittel zur Bildung der zeitlichen Ableitung besteht darin, die Stromzuführung zur Anode in die Achse eines ringförmigen übertragers zu bringen, in dessen Wicklung eine Spannung induziert wird, die der zeitlichen Ableitung des Stroms direkt proportional ist. Durch die im Kern angebrachten Luftspalte wird dafür gesorgt, dass sich die durch den Gleichstromanteil bedingte Vormagnetisierung des Übertragerkerns in zulässigen Grenzen hält.
Die induzierte Spannung wird zweckmässig zunächst einem Tiefpassfilter zugeführt, das die vom Mehrphasengleichrichter zur Erzeugung des Elektrolysegleichstroms herrührende Restwelligkeit ausfiltert und nur die von den charakteristischen Stromschwankungen induzierte Wechselspannungskomponente niederer Frequenz passieren lässt.
Ein geeigneter Indikator zeigt diese charakteristische Wechselspannungskomponente entweder direkt an oder meldet das überschreiten eines bestimmten Schwellwertes. Als Indikator kann z.B. ein Gleichrichter mit einem angeschlossenen Drehspulmesswerk dienen. Das Messwerk wird zweckmässig durch eine Abschirmung aus hochpermeablem Material vor dem Einfluss der umgebenden Magnetfelder geschützt. Ferner erfolgt in der Zuleitung zum Gleichrichter zweckmässig eine Spannungsbegrenzung, z.B. durch antiparallel geschaltete Zenerdioden, zum Schutz des Gleichrichters und des Messwerks vor Überspannung, die im Fall eines Kurzschlusses zwischen Anode und Quecksilberkathode auftreten kann.
Die Verwendung anderer Indikatoren, beispielsweise Glüh- oder Glimmlampen, Schauzeichen oder ähnliche strom- oder spannungsgesteuerter Signalgeräte, ist selbstverständlich möglich.
Zur Durchführung der Messung kann man z.B. den Kern des Übertragers soweit öffnen, dass sich der Stromzuleiter der tiefzustellenden Anode in die Achse des ringförmigen Übertragers bringen und von diesem umschliessen lässt. Formstücke aus einem entsprechenden Isoliermaterial sorgen für eine Zentrierung des Stromleiters in der Achse beim Wiederschliessen des Übertragerkerns. Durch Distanzstücke wird der gewünschte Luftspalt eingehalten. Nun erfolgt die Tiefstellung der Anode so lang, bis die Anzeige des Messgerätes einen fixierten Schwellwert überschreitet, bzw. bis die Signalvorrichtung anspricht. Die Anode hat dann den vorher ermittelten sehr geringen Abstand von der Quecksilberkathode. Hierauf wird die Anode wieder soweit angehoben, bis der als optimal erkannte Abstand von der Kathode erreicht ist.
Die Abstandsmessung mittels der auftretenden Spannungsschwankungen basiert auf der Tatsache, dass den oben auseinandergesetzten Stromschwankungen beim Tiefstellen einer einzelnen Anode eine Schwankung der an der betreffenden Anode liegenden Spannung entspricht. Analog wie bei der Strommessung werden die Spannungsschwankungen zweckmässig dadurch gemessen, dass die zeitliche Ableitung der Spannung gebildet und einer Anzeige oder einem Indikator bzw. einem Regler zugeführt wird. Ein einfaches Mittel zur Bildung der zeitlichen Ableitung der Spannung ist die Messung des Ladestroms eines an die zu messende Spannung angeschlossenen Kondensators. Die Weiterverarbeitung des Signals erfolgt entsprechend dem bei der Strommessung erläuterten Verfahren.