DE1671430A1

DE1671430A1 - Vorrichtung fuer elektrochemische Umsetzung

Info

Publication number: DE1671430A1
Application number: DE1967F0052800
Authority: DE
Inventors: Reinhard Heikaus; Herbert Dipl-Ing Wiechers
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1967-06-27
Filing date: 1967-06-27
Publication date: 1971-09-09
Also published as: GB1240337A; DE1671430B2; ES355525A1; US3778362A; BE717243A; FR1570279A; NL6808613A; AT279646B

Description

Heue, vollständige für den Druck dorOffenlegimgsschrift "bestimmte Anmelatmgstmtarlagen p i6 7t 430.0-45

FARBENFABRIKEN BAYER AG _167U30

L E V ER K U SEN - Bayerwerk

FATtNT APTEIUING D/AS

Vorrichtung für elektrochemische Umsetzungen

Es würde gefunden, daß man eine technisch besonders geeignete Vorrichtung für elektrochemische Umsetzungen in wässrigen Alkalihalogenidlösungen als Elektrolyten erhält, wenn man in einen Rahmen aus elektrisch nicht leitenden Materialien einen plattenförmigen Hohlkörper als bipolare Elektrode einfügt> dessen eine Stirnfläche die Anode und"dessen andere Stirnfläche die Kathode bildet, und dessen Inneres zugleich den Kathodenraum enthält, wcoei das Einfügen so geschieht, daß die Kathodenflache gegenüber der Fläche des Rahmens zurückspringt, so daß sich bei tilterpressenartiger Aneinanderfeihiing dieser Anordnung die Anödenräumö ausbilden.

Die tfö-ue Stelle sei anhand der beigefügten Abbildungen beschrieben (Abbildung i zeigt einen Schnitt durch den oberen feil der £eile, Abbildung S die Ansicht von der Kathöienöeite stm? einen Rahmen). Die Zelle in bipolarer Anordnung besteht aus einem Rahmen aus nicht leitenden Materialien %, &, aas "Kunststoff oder Kunstharz (1), in den üln plat tenföpißiger Biohlktxr«|ier (2) aus geger* 4en Katholyten widerstanäsfähigem Material eingefügt und befestigfc i&t, #i£r die Fertigung äöe Kunststoffrahmöiis eignen sich

gfjn 'Art..'¹;:". ,n.J..> «. ί SdtiUtJiiv Andorunß&aee.v.4i9.1&6?;

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ζ. B. alle elektrisch nicht leitenden Kunststoffe oder Kunstharze, die ausreichend widerstandsfähig sind gegen den chemischen Angriff des Elektrolyten und eine ausreichende mechanische Festigkeit gegen Deformierung durch die auftretenden Preßdrucke aufweisen. Die Kunststoffe bzw. Kunstharze können ungefüllt oder verstärkt verwendet werden.· Als Kunststoffe eignen sich vornehmlich Polyolefine, wie Polyäthylen, Polypropylen, Polybutylen, als Kunstharze vornehmlich Phenol/ Formaldehyd-Harze, insbesondere verstärkt mit Silikatfasern, z. B. Fasern aus weißem oder vorteilhafter, blauem Asbest. Es ist zweck; -i3ig, wenn die Zeitstandfestigkeit

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bei 50 C und 20 Kp/cm mindestens 10 h beträgt. Der plattenförmige Hohlkörper besteht aus einem Metallrahmen als Tragkörper für die Anode und Kathode. Als Metall für den Rahmen eignen sich beispielsweise Stähle und leg. Stähle.

Das Profil des Rahmens ist so gestaltet, da3 es für eine großtechnische Fertigung im Walzverfahren hergestellt werden kann. Der Rahmen trägt auf der einen Seite die Kathode (j), die als Drahtnetz oder auf andere Weise durchbrochen ausgebildet j.st, während auf der Gegenseite ein glattes unverformtes Bleich aus mit Edelmetall beschichtetem Titan die Anode (Λ) bildet. Die Kathode kann aus Eisen oder legiertem Stahl hergestellt weräen. Ein zwischen den Rahmen eingebrachtes dünnes Blech (5)* das vorteilhaft erweise aus dem gleichen Material ..hergestellt wird ■ wie die Kathode, kann den Kathodenraym zur Ano&enseite abtrennen und biläet mit dem Rahmen eine Höhlkatliode^ deren Inneres durch

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BAO

öffnungen im Rahmen mit Zu- und Abführungen (6) für Gase und Flüssigkeiten versehen ist. Während so der Kathodenraum durch den Metallrahmen selbst gebildet wird, entsteht der Anodenraum durch das Aneinanderfügen der einzelnen Kunststoffrahmen. Das beide Räume trennende Diaphragma (7) wird in Nuten (13) des Kunststoffrahmens eingespannt und liegt der Kathode direkt an. Pur die Zu- und Abführung von Elektrolyt bzw. Gasen zu den Anoden- und Kathodenräumen sind im Kunststoffrahmen Sammelkanäle (8) untergebracht, die durch Bohrungen (9) mit den einzelnen Räumen verbunden sind. Die Abdichtung der Räume und Sammelkanäle untereinander und nach außen erfolgt durch geeig- ^ net angeordnete Dichtungen (14). Durch Aneinanderfügen einer variablen Anzahl Einzelzellen - mindestens jedoch zwei- läßt sich ein Elektrolyseur zusammenstellen. Da auch die Größe der Einzelzelle noch variabel ist, kann man so die wirksame Anodenfläche eines Elektrolyseurs auf einfache Weise in weiten Grenzen verändern, um ein wirtschaftliches und technisches Optimum zu erreichen. Zusammengehalten werden die Einzelzellen durch stirnseitige Druckplatten (10), die außerdem die Anschlüsse für die Stromzuführungen (11) sowie die RohrleitungsanschlJsse m (12) für die in den Kunststoffrahmen angeordneten Sammelkanäle tragen. Diese Anordnung bedeutet eine wesentliche Vereinfachung im technischen Zubehör zum Elektrolyseur, da räumliche Anordnung und Anzahl der Anschlüsse unabhängig sind von der Anzahl der Einzelzellen.

Der elektrische Strom fließt von den Anschlüssen in der Stirnplatte (U) über dan Metallrahmen (2) vom äußeren Umfang her in die Anode. Dies erscheint für eine gleichmäßige Verteilung

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des Stromes über die Fläche der Anode und daralt für einen gleich-· mäßigen Übergang des Stroms in den Elektrolyten zunächst ungünstig, ist aber konstruktiv durchaus beabsichtigt. Denn einmal wird dadurch eine ganz einfache Anodenform erreicht, die nur aus einem glatten unverformten Blech besteht, zum Anderen liegt der Anschluß der Anode an den Metallrahmen äußerhalb des Elektrolyten. Man kann jetzt zur Erhöhung der Leitfähigkeit des Anodenblechs auf der dem Elektrolyten abgewandten Seite (Rückseite) die Anode mit einem elektrisch gut leitfähigen Metall, z. B. Kupfer, Silber, u.a.m., überziehen und den An- ^ Schluß an den Metallrihmen ζ. B. durch eine Lötverbindung (15) herstellen, womit ein einwandfreier Stromübergang Rahmen Anode gewährleistet ist und die Verbindung trotzdem leicht lösbar bleibt. Es ergibt sich also eine Mehrschichtenanode, bei der die Edelmetallbeschichtung die elektrolytisch aktive Oberfläche bildet, das Titanblech G^esen den Elektrolyten (Anolyten) korrosionsbeständig ist, während der Überzug auf der Rückseite für eine gute.elektrische Stromleitung sorgt. Hierdurch kann die Stärke des verhältnsimäßig teuren Titanblechs auf ein Minimum reduziert werden.

Die erfindungsgemäße Zelle eignet sich für die verschiedensten elektrochemischen Umsetzungen, die in wässrigen Alkalihalogenidlösungen durchgeführt werden z. B. Chloralkalielektrolyse oder Umsetzung von Olefinen zu Olefinoxiden z. B. Propylen zu Propylenoxid.

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Beispiel 1 O

Dieses Beispiel zeigt die Benutzung der erfindungsgemäßen Zellkonstruktion für die elektrochemische Umsetzung von Olefinen zu Olefinoxiden, in diesem Falle von Propylen zu Propylenoxid.

Die Zelle gemäß der Abbildung ist zu diesem Zweck in der Weise ergänzt worden, daß am unteren, erweiterten Ende des Anodenraumes eines jeden Rahmens der Zelle eine Vorrichtung, z. B. ein Prittenrohr, angebracht ist, welches die feinverteilte Einbringung des umzusetzenden olefinischen Gases in den jeweiligen Änodenraum gestattet. Der Zellrahmen (l) besteht aus Polyäthylen, der Metallrahmen (2) sowie die als Drahtnetz ausgebildete Kathode ('3) aus Edelstahl* Die Anode aus Titanbleeh ist auf der dem Elektrolyten zugewandten Seite mit einer dünnen Platin/Iridium-Schicht, auf der Rückseite mit einer dünnen Kupferschicht versehen. Die Anode ist durch eine Lötverbindung elektrisch gut leitend mit dem Edelstahlrahmen verbunden. Das der Kathode eng aufliegende Diaphragma besteht aus einem Polyacrylnitril-Gewebe.

Die Zelle ist mit einer 8,5 zeigen wäßrigen Kaliumchloridlösung gefüllt. Von. dieser werden stündlich 200 Liter/m Anodenfläche durch die entsprechenden Sammelkanäle (8) und Bohrungen (9) vom Anodenraum durch das Diaphragma (7) in den Kathodenraum geschickt und durch die entsprechenden öffnungen im Metallrahmen (6) und die Bohrungen (9) über die entsprechenden Sammelkanäle (8) aus der Zelle unten abgezogen. Die Temperatur des Elektrolyten in der Zelle beträgt 55°C, Es wird bei Normaldruck gearbeitet» Durch die oben erwähnte GasVerteilungsvorrichtung werden stündlich

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I5OO Liter/m Anodenfläche eines Gasgemisches eingebracht, welches 65 VbI. ·?# Propylen und 35 Vol. ~fo Inertgas, überwiegend/ Propan, enthält. ■

Durch Anlegen einer Gleichspannung an die Stromzuführungen (11) wird ein elektrischer Strom durch die Zelle geschickt derart,

daß sich eine Stromdichte von 20-A/dm Anodenfläche ergibt. Der Spannungsabfall Je ein Aggregat aus Anode/Kathode beträgt 4,1 Volt. Von dem eingebrachten Propylen werden im Durchgang durch den Anodenraurn ca. 85 % umgesetzt. Der Rest verläßt gasförmig den Anodenraum durch die entsprechenden Bohrungen (9) und Sammelkanäle (8) im oberen Teil der Zelle. Das gebildete Propylenchlorhydrin passiert, im Elektrolyten gelöst, das Diaphragma und die. Kathode, und im Kathodenraum erfolgt die Dehydrohalogenierung zu Propylenoxid, Dieses verläßt die Zelle teils im Elektrolyten gelöst, teils über die entsprechend"en öffnungen. Bohrungen und Sammelkanäle gasförmig zusammen mit dem kathodisch gebildeten Wasserstoff. Die im Anodengas, Kathodengas und Elektrolyten die Zelle verlassenden gasförmigen und flüssigen Reaktionsprodukte wurden zur Berechnung der in der nachstehenden Tabelle 1 aufgeführten Stromausbeuten herangezogen.

	Tabelle 1	Ausbeute In Strömt
Reaktionsprodukt		85,1
Propylenoxid		12,1
1,2-Dichlorpropan		0,0
Propylenglykol		0,5
Propylenchlorhydrin		Andere Chlor und Sauerstoff enthaltende Verbindungen " 0,6 109&37/T22Ö Le Λ 10 846 - 6 - BAU Ö

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Reaktionsprodukt ; Ausbeute in Strong

Sauerstoff 0*5

Kohlendioxid 0,1

100,0

Le A 10 846 - 7 -

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Ί67Τ430 S

In einer bipolaren Zelle wie sie in der Abbildung beschrieben Y/lrd, wurde eine Natriuiiichlorid-Elektrqlyse zur Erzeugung von Chlor, Wasserstoff und Natronlauge durchgeführt. Dabei wurde sowohl der Inhalt des Anoden- als auch Kathodenraums in raschem ffempo umgepumpt. Als Elektrolyt diente auf beiden Seiten konzentrierte Kochsalzlösung mit 310 g/Liter ITaCl. Als Diaphragma wurde einfaches PYC-PiItertuoh eingesetzt. Über die Druckdifferenz der während der Elektrolyse abgegebenen Gasefi, Chlor und V/asserstoff war es möglich, den Durchfluß durch das Diaphragma genau zu regeln, sie betrug bei einer Belastung der Zelle mit 60 Ampere, entsprechend einer spezifischen Belastung von 3.000 Amp/πι ,. etwa "50 mm HpO. Nach 6 Stunden Elektrolysedauer hatte sich auf der Kathodenseite eine kochsalzhaltige Lauge mit 41.2 g/Liter NaOH gebildet. Unter Berücksichtigung der Vorbelastung an Kochsalz durch die Füllung des Anodenraumes mit Salzlösung vor Beginn des Versuches errechnet sich ein Salz-Laugenverhältnis von

Mol NaCl

,54 Mol NaOH

bei einer Stromausbeute von mehr a.ls 90 ^c/o berechnet auf NaOH

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109837/12 2 0 BAD ORJGiNAl..

Claims

Patentansprüche; Jr

l) Vorrichtung für elektrochemische Umsetzungen in wässrigen 'Älkalihalogenidlösungen als Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Rahmen aus elektrisch nicht leitenden Materialien ein plattenförmiger Hohlkörper als bipolare Elektrode eingefügt wird, dessen eine Stirnfläche die Anode und dessen andere Stirnfläche die Kathode bildet und dessen Inneres zugleich den Kathodenraum enthält, wobei das Einfügen so geschieht, daß die Kathodenfläche gegenüber der Fläche des Rahmens zurückspringt, so daß sich bei filterpressenarui^er Aneinanderreihung dieser Anordnung die Anodenräume ausbilden. · '

2) Vorrichtung nach Anspruch 1, ist dadurch gekennzeichnet,

daß sich bei filterpressenartiger Aneinanderreihung ein Diaphragma zwischen- der Anode und Kathode vor· zwei aufeinanderfolgenden plattenförmigen Hohlkörpern befindet.

3) Zelle nach Anspruch 1 für die elektrochemische Umsetzung von Olefinen zu Olefinoxiden.

ή·) Vorrichtung nach Anspruch 1 bis J>, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper durch einen Profilrahmen aus gegen den KathoIyten widerstandsfähigem Metall gebildet wird, der auf der einen Seite die Kathode, die als Drahtnetz oder auf andere Weise durchbrochen ausgebildet ist, und auf der Gegenseite ein in seiner Gesamtheit ebenes und unverformtes Blech aus mit Edelmetall beschichtetem Tit&n als Anode trägt.

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5) Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein dünnes Blech den Kathodenraum zur Anodenseite abtrennt.

6) Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß im Kunststoffrahmen Sammelkanäle angeordnet sind, die über Bohrungen mit den einzelnen Anodenräumen und Kathodenräumen verbunden sind und so innerhalb des gesamten Zellenpaketes die gemeinsame Zu- und Abführung von Gasen und Flüssigkeiten zu und von den Einzelzellen gestatten.

7) Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode auf der Rückseite zur Erhöhung der Leitfähigkeit mit einem elektrisch gut leitfähigen Metall überzogen wird.

8) Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch, gekennzeichnet, daß der stromführende Anschluß an den kathodenraum durch eine elektrisch gut leitende Verbindung,vorzugsweise eine Lötverbindung, hergestellt wird.

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