[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Diaphragmas für Elektrolysezellen,
die zum Elektrolysieren z. B. von Alkalimetall-Halogeniden in wäßriger Lösung benutzt
werden.
[0002] Es verfolgt den Zweck, den Aufbau des schichtförmigen Diaphragmas, das aus einer
Suspension mit hohem Feststoffgehalt an Diaphragma-Material auf einem hohlen Diaphragmaträger
niedergeschlagen wird, zu vergleichmäßigen.
[0003] Solche Diaphragmen werden nach dem folgenden beispielhaften Verfahren hergestellt,
das anhand eines für die Chloralkali-Elektrolyse geeigneten Diaphragmas erläutert
wird; das Diaphragma wird in diesem Falle auf einen Diaphragmaträger aufgebracht,
der in der Elektrolysezelle später als Kathode geschaltet wird.
[0004] Der Diaphragmaträger ist ein Hohlkörper, der mehrere scheibenförmige Gitterflächen
für die Abscheidung des Diaphragma-Materials hat. Die Innenräume dieser Scheiben sind
untereinander verbunden und bilden den Hohlraum der
.Kathode, der im Elektrolysebad den Katholyt enthält. Auf der Außenseite der stark
gegliederten Diaphragmafläche im Elektrolysebad befindet sich der Anolyt. Der Hohlkörper
hat im allgemeinen zwei Öffnungen, eine kleinere für den Austritt des Katholyten und
eine größere, aus der der Wasserstoff entweicht, wenn der fertig beschichtete Diaphragmaträger
als Kathode im Elektrolysebad benutzt wird.
[0005] Eine Mischung aus kurzen und langen Asbestfasern, z. B. Chrysotil-Asbest, die gegebenenfalls
Fasern aus organischen, synthetischen Polymeren oder andere organische und anorganische
Zusätze enthalten kann, wird in kochsalzhaltiger, verdünnter Natronlauge, die der
Zusammensetzung der Zellenlauge entspricht und eine kleine Menge von oberflächenaktiven
Substanzen enthält, aufgeschlämmt und in ein hinreichend großes'Becken gegeben.
[0006] An den Katholyt-Ausgang des noch unbeschichteten Diaphragmaträgers wird über einen
Saugschlauch eine Saugpumpe angeschlossen und der Diaphragmaträger wird in das Becken
mit der Aufschlämmung des Diaphragma-Materials gehängt, wobei der Diaphragmaträger
in der Aufschlämmung vollständig untertaucht. Die scheibenförmigen Gitterflächen stehen
vertikal. Mit Hilfe der Saugpumpe wird die Aufschlämmung durch die Gitterflächen des
Diaphragmaträgers gesaugt und in einen Auffangbehälter gepumpt. Das Diaphragma-Material
setzt sich auf den Gitterflächen ab und baut dort das schichtförmige Diaphragma auf,
das durch die Strömung der Flüssigkeit auf der Gitterfläche verdichtet wird. Die abgepumpte
Aufschlämmung wird später zum Ansetzen des folgenden Bades verwendet.
[0007] Der fertig beschichtete Diaphragmaträger wird in einem Ofen getrocknet und - in Abhängigkeit
von der Art der Zusätze zur Aufschlämmung - bei erhöhter Temperatur behandelt, wodurch
das Diaphragma in sich gebunden wird. Damit ist der Beschichtungsprozeß des Diaphragmaträgers
abgeschlossen, und ein gebrauchsfertiges Diaphragma liegt vor. Einzelheiten zu dem
Verfahren sind z. B. enthalten in DE-AS 24 01 942, DE-OS 26 08 398, DE-OS 27 56 720,
D
E-OS 28 34 556, US-4.180.449, EP-1 661
1, E
P-18 034.
[0008] Entscheidende Bedeutung für die Eigenschaften des Diaphragmas während des späteren
Elektrolysevorganges in der Elektrolysezelle hat die Art und der Ablauf der Anschwemmung
des Diaphragma-Materials auf dem Diaphragmaträger. Solange das Diaphragma eine Fläche
bis etwa 0,2m
2 hat, wie es für Elektrolysezellen im Labormaßstab benutzt wird, ist es leicht, eine
gleichmäßige Diaphragmaschicht aufzubringen. Großtechnische Zellen dagegen haben eine
Diaphragmafläche bis zu 60 m
2, Bei derartig großen Diaphragmen beobachtet man immer wieder Unterschiede im Aufbau
und im Verhalten des Diaphragmas sowohl innerhalb einer dieser großflächigen Beschichtungen
als auch zwischen mehreren Diaphragmen, die unter unveränderten Bedingungen nacheinander
hergestellt wurden. Solche Unterschiede machen sich nachteilig bemerkbar im elektrischen
Wirkungsgrad der Elektrolysezellen, in ihrer Gebrauchsdauer und in der Zusammensetzung
der Elektrolyseprodukte.
[0009] Die gewünschten gleichmäßigen Diaphragmen sind charakterisiert durch eine möglichst
konstante Schichtdicke und eine möglichst konstante Packungsdichte des Diaphragma-Materials,
sowie durch einen möglichst konstanten Strömungswiderstand auf der gesamten Fläche.
[0010] Diese Bedingungen sollen sowohl innerhalb des Diaphragmas auf einem Diaphragmaträger
als auch zwischen den Diaphragmen auf mehreren Trägern eingehalten werden, was sich
nur über einen hinreichend gleichmäßigen und reproduzierbaren Anschwemmprozeß erzielen
läßt und bei großen Diaphragmen bisher nur unvollkommen erreicht wird.
[0011] Damit stellt sich die Aufgabe, den Anschwemmvorgang des Diaphragma-Materials auf
dem Diaphragmaträger wirksam zu verbessern.
[0012] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, das durch folgende
Maßnahmen gekennzeichnet ist:
- Der Diaphragmaträger wird während des Anschwemmvorganges des Diaphragma-Materials
in der Aufschlämmung in vertikaler'Richtung mit festgelegter Frequenz, Amplitude und
Geschwindigkeit gehoben und gesenkt.
- Die Standhöhe der Aufschlämmung wird ständig gemessen.
- Der obere Umkehrpunkt der Oberseite des Diaphragmaträgers liegt in einem vorgegebenen
Abstand unterhalb der Standhöhe des Bades.
- Der untere Umkehrpunkt der Unterseite des Diaphragmaträgers kann einen Mindestabstand
vom Boden des Anschwemmbeckens nicht unterschreiten.
- Der Saugdruck innerhalb des Hohlraumes des Diaphragmaträgers wird gemessen und auf
einem vorgegebenen Wert konstant gehalten.
[0013] Zum Heben und Senken des Diaphragmaträgers wird ein Kran benutzt, mit dem der Diaphragmaträger
in das Becken eingebracht wird, an dem er während des gesamten Anschwemmvorganges
hängt und mit dem er aus dem Becken entnommen wird.
[0014] Während des Durchsaugens der Aufschlämmung durch die Gitterflächen des Diaphragmaträgers
sinkt die Standhöhe der Aufschlämmung im Becken langsam ab. Die Standhöhe wird nach
einem bekannten Verfahren ständig gemessen, z. B. mit einem Schwimmer-Meßgerät oder
mittels einer Gaseinperlung. Von diesem Meßgerät wird die veränderliche Lage des oberen
Umkehrpunktes der Pendelbewegung in bekannter Weise abgegriffen und auf ein Steuergerät
gegeben. Am Steuergerät werden die Frequenz und die Amplitude der Pendelbewegung sowie
die untere Grenzlage eingestellt.
[0015] Das Steuergerät bestimmt nach bekannten Verfahren die Drehrichtung, die Drehzahl
und die Laufdauer des Kranmotors.
[0016] Der Saugdruck der Pumpe wird mittels eines üblichen Druckfühlers im Hohlraum des
Diaphragmaträgers gemessen und mittels eines bekannten Regelventils auf einen vorgegebenen
Wert geregelt. Der Druckfühler wird vorzugsweise in der Wasserstoff-Auslaßöffnung
des Diaphragmaträgers angebracht.
[0017] Die Frequenz der vertikalen Pendelbewegung liegt zwischen 0,1 bis 10 min
-1, die Amplitude zwischen 10 cm und 100 cm. Im oberen Umkehrpunkt der Pendelbewegung
befindet sich die Oberseite des Diaphragmaträgers 10 bis 25 cm unter der Standhöhe
des Bades. In der unteren Grenzlage befindet sich die Unterseite des Diaphragmaträgers
mindestens 30 cm oberhalb des Bodens des Anschwemmbeckens.
[0018] Die Weg-Zeit-Kurve der Pendelbewegung ist beispielsweise die Kurve einer Sägezahn-Schwingung
oder einer Trapez-Kippschwingung, jeweils mit fallender Mittellinie. Die Heb- und
Senkgeschwindigkeit des Diaphragmaträgers beträgt 2 bis 20 cm/s. Während der Zeitabschnitte
einer Schwingungsphase, die nicht auf die Hub- und Senkbewegung entfallen, befindet
sich der Diaphragmaträger im oberen oder unteren Umkehrpunkt der Schwingung in Ruhe.
Die Ruhezeit kann auf die beiden Umkehrpunkte weitgehend beliebig verteilt werden;
bevorzugt wird die gleichlange Aufteilung auf beide Umkehrpunkte.
[0019] Die Dauer des Anschwemmvorganges richtet sich nach Größen wie gewünschter Dicke des
Diaphragmas auf dem Diaphragmaträger und Feststoffgehalt der Aufschlämmung, die für
das erfindungsgemäße Verfahren unerheblich sind. Dieser Zeitbereich kann jedoch in
zwei oder mehrere Abschnitte geteilt werden, in denen die für das erfindungsgemäße
Verfahren wesentlichen Merkmale geändert werden; auch eine kontinuierliche Änderung
dieser Merkmale während des Anschwemmvorganges ist möglich.
[0020] Bei der Aufteilung des Anschwemmvorganges in zwei Zeit- .abschnitte baut sich in
ersten Zeitabschnitt die untere Schicht des Diaphragmas auf den Gitterflächen auf,
der Strömungswiderstand der Gitterflächen ist noch gering und das entstehende Diaphragma
ist empfindlich gegen Strömungskräfte. Folglich sind der Saugdruck und die Pendelfrequenz
klein. Im zweiten Abschnitt ist das Diaphragma bereits dicker geworden, der Strömungswiderstand
ist gestiegen, und das Diaphragma ist weniger empfindlich gegen Strömungskräfte. Der
Saugdruck und die Pendelfrequenz werden deshalb erhöht. Die Grenze zwischen diesen
beiden Abschnitten ist erreicht, sobald eine vorgegebene Menge der Aufschlämmung in
den Auffangbehälter gepumpt worden ist.
[0021] Der Saugdruck der Pumpe, mit der die Aufschlämmung durch die Gitterflächen des Diaphragmaträgers
gesaugt wird, wird auf einen vorgegebenen Wert eingestellt. Während des ersten Abschnittes
des Anschwemmvorganges liegt er zwischen 10 und 100 mbar unterhalb des Luftdruckes
in der Umgebung, wenn eine der bisher für Diaphragmen in der Chloralkalielektrolyse
geeignete Aufschlämmung von Asbestfasern eingesetzt wird. Die Pendelfrequenz liegt
zwischen 0.1 und 2 min
-1.
[0022] Im zweiten Zeitabschnitt wird der Saugdruck auf 100 bis 500 mbar unter den Luftdruck
der Umgebung erhöht. Die Pendelfrequenz in diesem Teilabschnitt liegt zwischen 2 und
1
0 min
-1.
[0023] Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, das erfindungsgemäße Verfahren soweit wie möglich
mittels bekannter Hilfsmittel'der Meß-, Regel- und Steuerungstechnik automatisch ablaufen
zu lassen, damit es von unkontrollierbaren Einflüssen möglichst freigehalten wird.
[0024] Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind:
- Die Position des Diaphragmaträgers beim Anschwemmen ist innerhalb des Beckens reproduzierbar
und wird auf die sich ändernde Standhöhe der Aufschlämmung bezogen.
- Der hydrostatische Druck im Anschwemmbecken, der den Anschwernmvorgang trotz konstant
gehaltenem Saugdruck besonders im Anfangsbereich beeinflußt, ist für alle Anschwemmvorgänge
reproduzierbar.
- Kein Diaphragmaträger kann versehentlich zu nahe an die Standhöhe der Aufschlämmung
gehoben oder aus der Aufschlämmung teilweise herausgehoben werden.
- Kein Diaphragmaträger kann versehentlich auf den Beckenboden aufstoßen.
- Durch die Beseitigung bisher vorliegender Störeinflüsse werden die Schwankungen
des Saugdruckes recht klein.
- Amplitude und Frequenz der vertikalen Pendelbewegung des Diaphragmaträgers werden
exakt eingehalten.
- Je nach dem Ausmaß der Automatisierung des Verfahrens kann der Personaleinsatz herabgesetzt
werden.
[0025] Diese Vorteile wirken sich im Aufbau des Diaphragmas folgendermaßen aus:
- Das Diaphragma-Material wird wesentlich gleichmäßiger auf die Gitterflächen aufgetragen;
Schichtdicke und Packungsdichte schwanken innerhalb des Diaphragmas auf einem Diaphragmaträger
und zwischen den Diaphragmen' auf mehreren Trägern deutlich weniger als vorher.
- Zwischen den Teilen der Gitterfläche treten keine Asbestbrücken mehr auf; beim bisher
notwendigen manuellen Abstreifen dieser Brücken wurde das noch frische Diaphragma
oft beschädigt.
[0026] Die entscheidenden Verbesserungen der Chloralkalielektrolyse mittels der nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Diaphragmen sind:
- Die Chlorausbeute im Zellengas steigt und der Gehalt an unerwünschtem Sauerstoff
im Chlorgas fällt.
- Die Konzentration von unerwünschtem Na-hypochlorit in der Zellenlauge wird geringer.
- Der elektrische Wirkungsgrad der Elektrolysezelle steigt.
- Die Gebrauchsdauer der Diaphragmen nimmt zu.
- Der reproduzierbare Anschwemmvorgang erlaubt die Zuordnung von Parameteränderungen
dieses Vorganges zum Verhalten des Diaphragmas während der Elektrolyse. Der Einfluß
des Feststoffgehaltes der Aufschlämmung auf die Zellenspannung (bei fester Stromdichte)
läßt sich gut erkennen. Die Zellenspannung läßt sich gezielt herabsetzen und über
längere Zeit niedrig halten.
Beispiel
[0027] Das erfindungsgemäße Verfahren verläuft beispielsweise wie folgt:
In ca. 20 m3 Zellenlauge wird eine Asbestaufschlämmung hergestellt, wie sie in DE-AS 24 01 942
angegeben worden ist.
[0028] Der hohle Diaphragmaträger mit Gitterflächen wird am Katholytausgang an die Saugpumpe
angeschlossen. In den Wassertoffausgang wird der Druckfühler eingesetzt. Der Diaphragmaträger
mit ca. 60 m
2 Diaphragmafläche wird mittels eines Kranes in die Aufschlämmung eingetaucht.
[0029] Der Saugdruck der Pumpe wird auf 45 mbar unter den Luftdruck der Umgebung eingestellt
und geregelt. Die vertikale Pendelbewegung des Diaphragmaträgers hat eine Frequenz
von 1 min und eine Amplitude von 30 cm. Die Geschwindigkeit der Heb- und Senkbewegung
beträgt 6 cm/s. Im oberen Umkehrpunkt liegt die Oberseite des Diaphragmaträgers 20
cm unter der allmählich absinkenden Standhöhe der Aufschlämmung. Im oberen und unteren
Umkehrpunkt verteilt der Diaphragmaträger für jeweils ca. 25 s. Unter diesen Bedingungen
werden ca. 2,5 m
3 der Aufschlämmung durch die Gitterflächen hindurchgesaugt und in den Auffangbehälter
gepumpt; dabei sinkt die Standhöhe um etwa 30 cm. Dieser Vorgang dauert etwa 15 min.
[0030] Anschließend wird der Saugdruck auf 350 mbar unter den Luftdruck der Umgebung erhöht;
die Pendelfrequenz wird auf 3 min
-1 heraufgesetzt. Die Amplitude sowie die Heb-und Senkgeschwindigkeit bleiben unverändert.
Im oberen und unteren Umkehrpunkt verweilt der Diaphragmaträger für jeweils ca. 5
s.
[0031] Während der folgenden 30 min werden weitere ca. 7,
5 m
3 der Aufschlämmung durch die Gitterflächen gesaugt und in den Auffangbehälter gepumpt,
wobei die Standhöhe um weitere ca. 90 cm sinkt. Damit ist der erfindungsgemäße Anschwemmvorgang
beendet.
[0032] Der frisch beschichtete Diaphragmaträger wird aus dem Becken herausgehoben. Außerhalb
des Beckens wird der Saugdruck im Hohlraum des Diaphragmaträgers für weitere 3 Stunden
aufrechterhalten und das Diaphragma wird vorgetrocknet. Danach wird der beschichtete
Diaphragmaträger bei etwa 95 °C im Ofen getrocknet und je nach Zusammensetzung der
Aufschlämmung einer erhöhten Temperatur ausgesetzt.
VerGleich der erfindungsgemäß hergostollten Diaphragmen mit bisher üblichen Diaphragmen
[0033] In eine Gruppe von 35 Zellen einer Chloralkalielektrolyse-Anlage mit ca. 50 m
2 Diaphragmafläche je Zelle wurden nach dem erfindungsgemäßen Verfahron hergestellte
Diaphragmen eingesetzt. Zum Vergleich wurde eine andere Gruppe von 34 Zellen dieser
Anlage mit Diaphragmen ausgerüstet, die nach dem bisher üblichen Verfahren hergestellt
worden waren, d. h. mit unkontrollierter Vertikalbewegung des Diaphragmaträgers und
mit stark schwankendem Saugdruck während des Anschwemmvorganges. Die Zusammensetzung
der Aufschlämmung des Diaphragma-Materials wurde für alle Zellen unverändert gelassen
mit Ausnahme des Feststoffgehaltes, der von 11 g/l bis 17 g/l variiert wurde.
[0034] Bei der Vorbereitung und dem Betrieb dieser beiden Zellengruppen wurden die in Tabelle
1 und Tabelle 2 dargestellten Ergebnisse erhalten. Innerhalb jeder der beiden Zellengruppen
wurden in Abhängigkeit vom Feststoffgehalt der Aufschlämmung die Zellen zur besseren
Vergleichbarkeit in jeweils drei Untergruppen zusammengefaßt.
[0035] Der elektrische Wirkungsgrad und der spezifische Energieverbrauch wurden ermittelt
aus der von den Zellen abgegebenen Menge Chlorgas und der in die Zellen eingespeisten
elektrischen Energie. Bei beiden Zellengruppen schwankte die Auslastung in dem für
derartige Großanlagen üblichen Bereich.
[0036] Wie der Vergleich der beiden Zellengruppen bezüglich des elelctrischen Wirkungsgrades
und der Zellenspannung zeigt, kann man bei einem Feststoffgehalt der Aufschlämmung
von weniger als 12 g/l mit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Diaphragmen
bereits bei 3,32 V Zellenspannung einen elektrischen Wirkungsgrad von 96 % erreichen,
wogegen man mit nach dem üblichen Verfahren hergestellten Diaphragmen bei etwa der
gleichen Zellenspannung nur auf 94 % kommt. Diese Verbesserung mag geringfügig erscheinen,
sie hat jedoch für die Wirtschaftlichkeit der Chloralkali-Elektrolyse eine entscheidende
Bedeutung, zumal sie mit vergleichsweise geringem Aufwand erzielt wurde.
[0037] Bei nach dem üblichen Verfahren hergestellten Diaphragmen ist keine Beziehung zwischen
spezifischem Energieverbrauch und Feststoffgehalt der Aufschlämmung zu erkennen. Bei
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Diaphragmen dagegen ist diese Abhängigkeit
deutlich zu sehen; unterhalb 12 g/l Feststoffgehalt beträgt der spezifische Energieverbrauch
2610 kWh je Tonne Chlor, oberhalb 13 g/l Feststoffgehalt dagegen 2660 kWh je Tonne
Chlor. Auch dieser Unterschied ist für großtechnische Anlagen erheblich.
[0038] Bei der Sauerstoff-Konzentration-im Chlorgas und bei der Chlorat-Konzentration in
der Zellenlauge ist sowohl der Mittelwert als auch die Spannweite für die erfindungsgemäß
hergestellten Diaphragmen deutlich kleiner als für die üblichen Diaphragmen.
[0039] Während der Laufzeit des Versuches wurden von den erfindungsgemäß hergestellten Diaphragmen
keine ausgewechselt, während von den nach dem üblichen Verfahren hergestellten Diaphragmen
insgesamt vier Stück wegen allmählich schlechter gewordener Eigenschaften des Diaphragmas
erneuert wurden.

1. Verfahren zur Herstellung eines Diaphragmas für Elektrolysezellen, das aus einer
AufschlämmunG mit hohem Feststoffgehalt an Diaphragma-Material auf einem hohlen Diaphragmaträger
angeschwemmt wird, anschließend getrocknet und gegebenenfalls bei erhöhter Temperatur
nachbehandelt wird, gekennzeichnet durch
- periodisches Heben und Senken des Diaphragmaträgers mit festgelegter Frequenz, Amplitude
und Geschwindigkeit innerhalb der Aufschlämmung während des Anschwemmvorganges,
- ständiges Messen der Standhöhe der Aufschlämmung,
- Einhalten eines vorgegebenen Abstandes der Oberseite des Diaphragmaträgers im oberen
Umkehrpunkt der Pendelbewegung von der momentanen Standhöhe der Aufschlämmung,
- Einhalten eines Mindestabstandes der Unterseite des Diaphragmaträgers vom Boden
des Anschwemmbeckens,
- Einhalten eines vorgegebenen Saugdruckes innerhalb des Hohlraumes des Diaphragmaträgers.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
- eine Frequenz der vertikalen Pendelbewegung des Diaphragmaträgers zwischen 0,1 und
10 min-1.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch
- eine Amplitude der vertikalen Pendelbewegung des Diaphragmaträgers zwischen 10 cm
und 100 cm.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch
- eine Geschwindigkeit des Diaphragmaträgers während des Hebens und Senkens von 2
bis 20 cm/s.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch
- einen Abstand von 10 bis 25 cm der Oberseite des Diaphragmaträgers im oberen Umkehrpunkt
von der momentanen Standhöhe der Aufschlämmung.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch
- einen Abstand von mindestens 30 cm der Unterseite des Diaphragmaträgers vom Boden
des Anschwemmbeckens.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet durch
- einen Saugdruck im Hohlraum des Diaphragmaträgers zwischen 10 und 500 mbar unterhalb
des Luftdruckes der Umgebung.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet durch
- Aufteilen des Anschwemmvorganges in mehrere Zeitabschnitte und
- stufenweises Vergrößern des Saugdruckes und der Pendelfrequenz zwischen den Zeitabschnitten.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet durch
- einen in zwei Zeitabschnitte geteilten Anschwemmvorgang, wobei der erste Zeitabschnitt
etwa das erste Viertel des gesamten Vorganges umfaßt,
- eine Pendelfrequenz von 0,1 bis 2 min im ersten .Abschnitt bei einem Saugdruck zwischen
10 und 100 mbar,
- eine Pendelfrequenz von 2 bis 10 min -1 im zweiten Abschnitt bei einem Saugdruck zwischen 100 und 500 mbar.