DE172403C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- Ju 172403 KLASSE 12/. GRUPPE

Dr. MEYER WILDERMANN in LONDON. Rührvorrichtung an elektrolytischen Zellen.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 2. Mai 1902 ab.

Vorliegende Erfindung betrifft eine elektrolytische Zelle zur Zersetzung von Salzlösungen, bei welcher in bekannter Weise die Zwischenwand zwischen Bildungskammer und Zersetzungskammer durch eine Reihe übereinander befindlicher Quecksilbertröge mit untereinander kommunizierenden beiderseitigen Trogabteilen gebildet wird. Bei diesen Zellen ist die Quecksilberkathode ruhend, und die Überführung des Amalgams von der Bildungskammer zu der Zersetzungskammer wurde bisher durch den Unterschied in der Oberflächenspannung in den beiden Trogabteilen bewirkt. Diese Zelle hat jedoch einen schlechten Wirkungsgrad und gestattet nur die Verwendung sehr geringer Stromdichten.

Nach vorliegender Erfindung werden nun in einer derartigen Zelle, auf derjenigen Seite der Tröge, auf der das Amalgam gebildet wird, Rührorgane vorgesehen, welche das an der Oberfläche des Quecksilbers sich bildende Amalgam bis unterhalb des Trennungssteges mit dem Quecksilber durchmischen. Diese Anordnung gestattet, mit der erwähnten Zelle einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen und sehr hohe Stromdichten, 30 bis hinauf zu 60 Amp. pro qdcm, zu benutzen, während man in den besten bekannten Zellen nur Stromdichten von 10 Amp. pro qdcm benutzen kann. Die an der Bildungsseite vorgesehenen Rührorgane dienen nach der Erfindung nicht zum eigentlichen Transport des Amalgams zur Zersetzungsseite, sie dienen vielmehr dazu, das sich an der Oberfläche des Quecksilbers bildende Amalgam durch Aufrühren mit dem Quecksilber bis unterhalb des Trennungssteges zu bringen, worauf es dann infolge seines leichteren spezifischen Gewichtes an der Zersetzungsseite aufsteigt.

Es werden für elektrolytische Zellen Rührvorrichtungen als bekannt vorausgesetzt, welche das Quecksilber körperlich von der Bildungskammerseite nach der Zersetzungskammerseite bewegen und das sich bildende Amalgam dabei mitnehmen, derart, daß die Rührvorrichtungen nicht durch Aufrühren, sondern durch körperliehe Bewegung von Amalgam und Quecksilber wirken. Diese Zellen leiden jedoch an der sogenannten Abstreifwirkung, indem sich das Amalgam an den Trennungsstegen abstreift und dadurch fest wird, um so die Wirkungsweise der Zellen zu beeinträchtigen. Eine derartige Abstreifwirkung tritt nach der Erfindung nicht ein. Nach dieser dienen die Rührorgane in der Bildungskammer vielmehr dazu, das Amalgam von der Oberfläche bis unterhalb des Trennungs-Steges mit dem Quecksilber durchzumischen, so daß das Amalgam' dann infolge seines leichteren spezifischen Gewichtes an der Zersetzungskammerseite aufsteigen kann. Versuche mit der neuen Zelle haben gezeigt, daß bei ihr Amalgamdichten bis hinauf zum starren Amalgam benutzt werden können.

Auf beiliegenden Zeichnungen sind Ausführungsformen eines der Erfindung gemäß eingerichteten Apparates veranschaulicht:

Fig. ι bis 3 sind Darstellungen einer kastenförmigen elektrolytischen Zelle, wobei die Vertikalschnittebene für Fig. ι durch die Linie A-A von Fig. 2, diejenige für die Querschnittfigur 2 durch die Linie B-B von Fig. 1 bezeichnet ist, während Fig. 3 den Grundriß zeigt;

Fig. 4 ist ein Vertikalschnitt einer runden

(2. Auflage, ausgegeben am 21. Dezember igio.J

elektrolytischen Zelle, die mit ringförmigen Quecksilbertrögen und mit entsprechend kreisförmig zu bewegender Rührvorrichtung ausgestattet ist ;

Fig. 5 ist die Oberansicht zu Fig. 4, mit Fortlassung des oberen Zellendeckels ;

Fig. 6 und 7 veranschaulichen in ähnlicher Darstellung wie Fig. 4 und 5 eine abgeänderte Ausführungsform, von welcher Fig. 8 eine Einzelheit zeigt.

Die Zelle nach Fig. 1 bis 3 besteht aus einem rechteckigen Kasten α mit Scheidewandeinsätzen, die von übereinander angeordneten Trögen b, welche Quecksilber enthalten, gebildet werden.

Die Tröge haben unten Rippen c, die in das Quecksilber der darunter befindlichen Tröge eintauchen und so einen Quecksilberverschluß herstellen. Als Träger für die aus Ebonit o. dgl.

bestehenden Tröge b dienen Rahmen- oder Endstücke d, die an den Seiten der Zelle befestigt und mit Aussparungen zur Aufnahme der Enden der Tröge versehen sind. Die Einrichtung dieser Trogscheidewände ist derartig, daß keine Flüssigkeit von einer Behälterabteilung in die andere mit Umgehung der Quecksilberverschlüsse gelangen kann. Die Kanten der unteren Tröge sind ein wenig über dem Boden der Zelle angeordnet, um das Ansetzen von Kohleteilchen, die von den Kohlenanoden abfallen könnten, auf der Quecksilberoberfläche zu vermeiden.

Die obere Rippe c¹ des Quecksilberverschlusses wird durch einen erhöhten Trog e getragen, der einen Wasserverschluß mit dem Flansch des Deckels f über der Alkalihydratlösung bildet. Die innerhalb der Bildungsabteilung befindlichen Kohlenanoden g führen an ihren Oberenden durch einen Deckel h aus säurebeständigem Isoliermaterial hindurch, der Flansche i besitzt, um einen Wasserverschluß mit den Wassertrögen m, m zu bilden, wodurch der Austritt von Chlorgas verhindert wird. Oberhalb sind die Kohlen leitend in einem Metallrahmen 0 mit der positiven Klemme η befestigt (Fig. 3). Die negative Klemme p sitzt an einem Metallstreifen q, der außen an einer Seite der Zelle angebracht ist. Letzterer steht durch Leitungsstücke r mit der Quecksilberfüllung der Tröge in Verbindung.

Es wird ein Quecksilberverschluß von 7 bis 10 mm Tiefe verwendet. Diese Tiefe überschreitet erheblich die Maximaltiefe, bei welcher eine selbsttätige Diffusion und Oberflächenspannungswirkungen einen Übertritt des Amalgams von einer Seite der Tröge nach der anderen bewerkstelligen. In bekannter Weise sind auf dem Quecksilber in den Trogabteilen, die nach der Seite der Zersetzungskammer hin liegen, Kohlestückchen / angeordnet, mittels deren die Zer-Setzung des Amalgams an dieser Seite in dem Maße beschleunigt werden kann, wie es nach der Zersetzungsabteilung hinübertritt. Mit 6, 7 bezw. 8, 9 sind die Ein- und Auslässe einerseits an der Bildungsabteilung, andererseits an der Zersetzungsabteilung bezeichnet, an welchen der Zu- und Abfluß der Lösung stattfindet. Entstehendes Chlorgas kann ebenfalls durch die öffnungen 7 abgeleitet werden, während für Wasserstoff Ableitung bei 8 Sorge zu tragen ist.

Die Neuerung gemäß der Erfindung besteht in der Einrichtung des Rührwerks, zum Zwecke, den Auftrieb des Amalgams zur Hinüberförderung in den Zersetzungsabteil j edes Quecksilbertroges nutzbar zu machen. In den nach der Bildungsabteilung zu liegenden Troghälften befinden sich die Rührorgane z. B. in der Form zweckmäßig gestalteter Rührflügel t; dieselben sind für Ausführung einer Rührbewegung längs den Trogseiten derart bestimmt, daß sich das Amalgam, das sich auf der Oberfläche des Queck-Silbers dieser Troghälfte bildet, tief in das Quecksilber hineintreiben und eine durchgreifende Amalgammischung, die sich indessen im wesentlichen auf die besagte Troghälfte beschränkt, bewirken. Es entsteht dadurch ein angereichertes, spezifisch leichtes Amalgam unterhalb der Rippe des Qüecksilberverschlusses auf der Seite der Bildungsabteilung. Infolgedessen tritt dieses Amalgam, weil es leichter ist als das Quecksilber der Zersetzungsabteilung, dem der Amalgamgehalt beständig (mittels der Kohlestückchen j) entzogen wird, in die andere Troghälfte (Zersetzungsabteil) und zur Oberfläche desselben über. Die heftige Ortswirkung, welche zwischen den Kohlestückchen erzeugt wird, gibt zu einer schnellen Zersetzung des Amalgams in der Zersetzungsabteilung Anlaß und wird dadurch der Vorgang der Hinüberwechselung des Amalgams durch Auftrieb beschleunigt fortgeführt.

Die Bewegungsvorrichtung für die Rührflügel t ist in dem gezeichneten Ausführungsbeispiel folgende: Die Rührflügel t sitzen reihenweise an Tragstreifen s, die durch Querstangen u zu einem Rahmen verbunden sind. Letzterer besitzt Tragestangen χ und wird mittels derselben von einer Schubstange y gehalten, die in Führungslagern ν an den Seiten in der Zelle längsweise beweglich ist. Zur Erleichterung der Bewegung können die Rahmen s u mit Stützrollen auf Führungsleisten I am Zellenboden laufen.

Die Schubstange y wird hin- und herbewegt und überträgt ihre Bewegung auf die Rührflügel, so daß die ganze Oberfläche des Quecksilbers auf der Bildungsabteilseite des Troges bei jedem Hube der Stange durchgerührt wird. Um zu verhindern, daß das Quecksilber über die Kanten der Tröge tritt, wenn es durch das Rührwerk in Bewegung gesetzt wird, werden Flansche ζ längs den Seiten des Troges angeordnet; diese Flansche nehmen dabei an Höhe gegen die Enden der Tröge hin zu, oder es können

die Enden der Tröge mit Streifen aus Ebonit bekleidet werden, die durch die darüber befindlichen Tröge gehalten werden.

Die Antriebsvorrichtung für die Schubstange y besteht nach Fig. 2 beispielsweise aus einem angelenkten Hebel 2, dessen eines Ende in zwei Bunde oder Ansätze 3 auf der Querstange y eingreift, während das andere mittels eines Exzenters in Schwingung versetzt wird,

ίο der auf eine sich drehende Welle aufgekeilt ist. Die Tragestangen χ führen gasdicht durch einen schmalen Ebonitdeckel 4, wobei die Flansche 5 des Deckels einen gasdichten Verschluß mit den Wasserkasten e und m bilden.

Die Wirksamkeit der elektrolytischen Zellen, welche eine Quecksilberkathode in dieser Anordnung anwenden, ist abhängig von der Geschwindigkeit, mit welcher das auf der Oberfläche des Quecksilbers in der Bildungsabteilung abgeschiedene Metall nach der Quecksilberoberfläche in der Zersetzungsabteilung überführt und von dieser Oberfläche entfernt werden kann. Die Rührflügel gemäß der beschriebenen Anordnung arbeiten in den Trogabteilen der Bildungskammerseite die obere Amalgamschicht in das Quecksilber ein und ermöglichen dadurch die Aufnahme neuen Alkalimetalles an der Oberfläche, so daß ziemlich schnell ein verhältnismäßig reiches homogen durchmischtes Amalgam entsteht.. Letzteres wird, was für die Erfindung charakteristisch ist, dann nicht infolge einer von den Rührflügeln ausgehenden Bewegung mechanisch zum Übertritt zur ande-. ren Troghälfte veranlaßt, sondern es steigt vielmehr vermöge des ihm innewohnenden Auftriebs von der Grenze zwischen beiden Räumen in dem Quecksilber dieses Trogabteils von selbst in die Höhe. Die Rührflügel, welche ausschließlich in dem Bildungsabteil arbeiten, gleichen in diesem außerdem die Konzentrationsunterschiede der Alkalichloridlauge, die durch Entziehung von Alkalimetall in der Nähe der Quecksilberoberflächen entstehen, schnell und vollständig aus.

Während die Zerlegung des reichen Amalgams in der Zersetzungsabteilung infolge des stärkeren Auftriebs schneller als bei den bisherigen mit ärmeren Amalgamen arbeitenden Apparaten erfolgt, geht entsprechend auch die Entstehung des Amalgams schneller vor sich als gewöhnlich, so daß man in dem Apparate mit etwa dem Fünffachen der Stromdichte, wie man sie sonst anwendet, arbeiten kann. Diese bisher für unanwendbar gehaltene, außerordentlich hohe Stromdichte führt wegen der energischen Durchmischung nicht zu einem Festsetzen des Amalgams wie bei älteren Apparaten, während sie andererseits den Vorteil bietet, daß man auf viel beschränkterem Räume und deshalb mit weit geringeren Anlagekosten auf dieselbe Höhe der Produktion an Ätzkali und Chlor wie mit den sonst benutzten Vorrichtungen kommen kann. Da infolge der Unabhängigkeit der Arbeitsweise von Diffusion und Oberflächenspannungswirkungen die gesamte Quecksilbermenge in den Bildungstroghälften für die Bildung von Amalgam herangezogen wird, braucht man eine nicht unerhebliche Menge Quecksilber weniger als in anderen Apparaten, bei denen diese gründliche Ausnutzung des Quecksilbers nicht stattfinden kann.

. Was die Anwendung von erheblich größeren Stromdichten pro Flächeneinheit Quecksilber anbelangt, so ist durch Versuche festgestellt worden, daß man unter den Bedingungen der Erfindung bei 30 ° auf 1,7 qdcm Quecksilberfläche. 20 Amp. bei einer Spannung von 5 Volt anwenden kann; bei einer auf 6 Volt erhöhten Spannung läßt sich die Stromstärke auf über 30 bis 50 Amp. erhöhen. Bei kleinerem Abstande zwischen den Kohlenanoden und der Quecksilberfläche sowie bei einer höheren Temperatur gelang es, nahezu dieselbe Stromdichte mit einer Spannung von 5 Volt zu erhalten. Es ist klar, daß bei einer so hohen Stromdichte das Hinüberwandern des Amalgams zur Zersetzungsabteilung und die Fortschaffung des Alkalimetalls sich äußerst schnell und wirksam vollzogen haben muß, sonst würde der Betrieb der Zelle sehr bald eine Unterbrechung durch die Bildung festen Amalgams in den Bildungshälften der Tröge erfahren haben. Auf rechnerischem Wege läßt sich zeigen, daß man durch einen Trog 1000 Amp. bei 1 qm Quecksilberfläche in jeder Abteilung hindurchzuleiten vermag. Eine verhältnismäßig kleine Zelle kann bis zu zehn solcher Tröge umfassen.

Eine andere, für Kreisbewegung statt Hin- und Herbewegung der Rührflügel eingerichtete Ausführungsform einer Zelle, an welcher die Erfindung verwirklicht ist, stellen Fig. 4 und 5 dar; in diesem Falle ist der Zellenbehälter a kreisförmig im Grundriß und besitzt eine Teilung zwischen der äußeren Bildungskammer und inneren Zersetzungskammer durch eine Scheidewand aus übereinander stehenden ringförmigen Quecksilbertrögen 11. Wie bei der erstbeschriebenen Ausführungsform ragen die Rippen jedes oberen Troges abwärts in das Quecksilber des darunter befindlichen Troges, so daß ein äußerer und innerer Ringtrogabteil entsteht. Nur der auf der Seite der Bildungsabteilung gelegene (äußere) Ringtrogabteil wird von den Rührflügeln t des Rührwerks beherrscht. Der unterste Trog 36 ist auf dem Boden der Zelle festgelegt. Die oberen Tröge besitzen Flansche 12, wo sie durch Befestigungsschrauben 10 mit Tragstreifen 13 eines Käfigs oder Halters 14 verbunden werden, der den mittleren Raum der Zelle einnimmt. Der Käfig 14 ist mit den ÖS-nungen 56 versehen, um die zu zersetzende Lösung frei hindurchtreten zu lassen. Die Tröge

und Tragstreifen sind über metallenem Kern mit einem geeigneten isolierenden Überzug versehen ; dadurch, daß Teile der Isolierung an den Böden

,- der Tröge freigelegt sind, wird das Quecksilber in den Trögen leitend verbunden. Bei 26 findet der Leitungsanschluß am metallenen Körper der Tragstreifen statt. Der oberste Trog 17 enthält Wasser anstatt Quecksilber und wirkt als ein Wasserverschluß für den Deckel 18 über der Zersetzungsabteilung. Die Kohlenanoden g in der Bildungsabteilung werden an ihren oberen Enden mit einem Metallrahmen 0 in elektrischen Kontakt gehalten, der die positive Klemme η trägt; der Rahmen 0 wird dabei von einem isolierten Deckel 21 getragen. Der äußere isolierte Flansch des Deckels taucht in einen isolierten, rings auf der Zellenwandung angebrachten Wassertrog 23 und der innere Flansch in einen ähnlichen Wassertrog 24, weleher durch Träger 25 gehalten wird, die an dem Boden der Zelle befestigt sind. Der aus Eisen bestehende Käfig 14 bildet auf der Seite der Zersetzungsabteilung eine Hilfskathode, welche beim Stromdurchgang dazu beiträgt, daß das Alkalimetall aus dem Amalgam entfernt wird. Als ein hauptsächlich wirksames Mittel für diesen Zweck werden indessen vorzugsweise Kohlestücke (wie in Fig. 1 bis 3 mit j bezeichnet) angewendet, indem sie auf die Oberfläche des Quecksilbers in der Zersetzungsabteilung gelegt werden.

, Träger der im Kreise stehenden Rührflügel t, die in das Quecksilber der äußeren Trogabteile hineinreichen, sind Stangen 27. Diese werden einstellbar durch einen runden Rahmen 28 getragen, welcher radiale Arme 29 und eine mittlere Nabe 31 besitzt, die an der vertikalen Welle 32 befestigt ist. Die Achse der Welle 32 fällt mit der vertikalen Mittellinie der runden Zer-Setzungsabteilung zusammen. Die Stangen 27 können an einer oder mehreren Stellen durch Klammern oder Bügel 33 verbunden werden; die Unterenden der Stangen werden durch Stützrollen, die auf Schienen 34 laufen, geführt. Die Welle 32 gestattet, dem ganzen System der Rührflügel eine Drehbewegung mitzuteilen, und erhält einen langsamen Drehungsantrieb in der einen oder anderen Richtung; gegebenenfalls kann die Vorrichtung auch hin- und hergedreht werden. Ein ringförmiger Deckel 22 ist an dem drehbaren Rahmen befestigt und mit tiefen Flanschen ausgestattet, welche in das Wasser in den Trögen 17 und 24 eintauchen, so daß dadurch ein Verschluß gegen Entweichen von Chlor gebildet wird.

Die Einlaß- bezw. Auslaßrohre an der Zelle sind mit 6 bezw. 7 bezeichnet. Frisches Wasser kann der Zersetzungsabteilung durch ein Rohr 37 zugeführt werden; außer jdem Bodenauslaß 38 besitzt die Zersetzungsabteilung noch ein Rohr 39 für Ableitung des Wasserstoffgases.

Die Wirkungsweise der im Kreise bewegten Rührflügel ist im wesentlichen dieselbe wie bei der Anordnung der hin- und herschiebbaren Rührflügel gemäß der zuerst beschriebenen Einrichtung; nur wird die Stauwirkung vermieden, die in letzterem Falle an den Enden der Quecksilbertröge auftreten kann.

Dieselbe Rührwirkung kann erzielt werden, wenn man die Rührflügel nicht beweglich, sondern feststehend anordnet und die Quecksilbertröge beweglich herrichtet. Eine besonders wirksame und einfache Ausführungsform der Vorrichtung in dieser Art ergibt sich dadurch, daß die übereinander befindlichen einzelnen Tröge selbst zu Trägern abwärts reichender Rührflügel gemacht werden, welche somit unterhalb in die zugehörige Troghälfte des nächst tiefer gelegenen Troges hineinragen, und daß man in der Reihe der Tröge feststehende mit bewegliehen abwechseln läßt. Diese Ausführungsform ist in Fig. 6 und 7 dargestellt. Fig. 8 zeigt eine Einzelheit derselben. Die Anordnung ist im ganzen der in Fig. 4 und 5 dargestellten Einrichtung ähnlich, insofern ebenfalls die Zelle α die runde Form hat und darin ringförmige Quecksilbertröge 30 und 20, einen mittleren Halterkäfig 14 mit öffnungen 56 sowie sonstige entsprechende Zubehörteile umfaßt. An Stelle des rotierenden Rührflügelträgers 27 (Fig. 4) sind feststehende aufrechte Träger 44 angebracht; ringsherum an denselben (getrennt von ihnen) befinden sich die Elektroden g. Sowohl der untere festliegende Trog 36 wie die mit 30 bezeichneten zwischenliegenden Tröge und auch der obere, nur mit Wasser gefüllte Trog 17 sind mittels Flanschen 42 an den Trägern 44 befestigt. Die zwischenliegenden Tröge 20 bilden hingegen in Verbindung mit den auf dem drehbaren Käfig 14 befestigten Halterstreifen 43, an denen sie mittels Flanschen 41 festgeschraubt sind, ein drehbares System. Die Tröge besitzen auf der Seite der Bildungsabteilung im Anschluß an ihre nach unten vorstehende Rippe die niederreichenden Rührflügel 53. Aus Fig 8 ist ersichtlich, wie bei 15 am Trogboden und bei 51 am Rippenunterende das Metall zur Stromzuführung zum Quecksilber entblößt ist.

Der Käfig 14 mit den von ihm getragenen Quecksilbertrögen 20 rotiert um die Achse 48 in der Mitte der Zelle und ist an dieser Achse mittels des mit Speichen 46 und Nabe 47 versehenen Radkranzes 45 durch Schrauben 49 befestigt. Die beispielsweise in einem Spurlager 54 in der Zellenmitte gelagerte Achse 48 erhält oben von beliebiger Antriebsvorrichtung ihre Drehbewegung. Durch die Drehung werden die Flügel 53 sämtlicher Tröge durch das Quecksilber in den äußeren Trogabteilen bewegt und wird dadurch die beschriebene Rührwirkung gemäß der Erfindung erzeugt, ohne daß die

Rührbeeinflussung sich auf die andere Seite der Quecksilbertröge erstreckt.

Während von η aus durch den Ring ο die Leitung an die Elektroden g heranführt, findet der Leitungsanschluß an die Quecksilberkathode bei 52 am oberen Troge 17 statt. Mit 39 und 55 sind Gasauslässe bezeichnet, die von den Wasserverschlußdeckeln 18 bezw. 21 der Zelle ausgehen.

Claims (2)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Rührvorrichtung an elektrolytischen Zellen mit ruhender Quecksilberkathode, bei denen übereinander angeordnete, mit Quecksilber gefüllte und mit einem bis in das Quecksilber reichenden Trennungssteg versehene Tröge eine Scheidewand zwischen den beiden Teilen der Zelle bilden, gekennzeichnet durch Rührorgane, welche auf derjenigen Seite der Tröge, auf der das Amalgam gebildet wird, das an der Oberfläche des Quecksilbers sich bildende Amalgam bis unterhalb des Trennungssteges mit dem Quecksilber durchmischen.
2. 2. Ausführungsform der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rührflügel im Innern der Bildungskammer mit beweglich angeordneten Scheidewandtrögen selbst in Verbindung gebracht sind, um mit denselben bewegt werden zu können.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.