Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysevorrichtung zur Herstellung von Alkalimetall aus einer flüssigen Alkalimetall-Schwermetalllegierung.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind unter einen Alkalimetall insbesondere Natrium, Kalium oder Lithium zu verstehen.
Natrium ist ein wichtiges anorganisches Grundprodukt, das u.a. zur Herstellung von Natrium-Verbindungen wie zum Beispiel Natriumperoxid, Natriumhydrid, Natriumboranat und Natriumamid, zur Titangewinnung durch Metallothermie, sowie zu Reduktionszwecken in der organischen chemischen Industrie, zur Reinigung von Kohlenwasserstoffen und Altöl, zu Kondensationen, zur Alkoxidherstellung, als Polymerisationskatalysator und in der präparativen organischen Chemie eingesetzt wird. Die Natriumgewinnung erfolgt heute hauptsächlich nach dem Downs-Verfahren durch Schmelzflusselektrolyse eines ternären Gemisches aus NaCl, CaCl2 und BaCl2.
Lithium findet u.a. Verwendung in der Kerntechnik zur Herstellung von Tritium, als Legierungszusatz zu Aluminium, Blei oder Magnesium, bei organischen Synthesen, zur Synthese komplexer Metallhydride, zur Herstellung metallorganischer Verbindungen, für Kondensationen, Dehydrohalogenierungen, zur Herstellung ternärer Amine oder quarnären Ammoniumsalzen, in der Mineralölindustrie als Katalysator und zur Entschwefelung, zur Polymerisation von Isopren zu cis-Polymeren, in der Keramikindustrie zur Regelung des Ausdehnungskoeffizienten, Senkung der Schmelztemperatur und dergleichen, zur Herstellung von Schmiermitteln, als Desoxidations- und Reinigungsmittel bei der Metallurgie von Eisen, Nickel, Kupfer und deren Legierungen. Lithium wird im Stand der Technik im industriellen Maßstab ebenfalls nach dem Downs-Prozess durch Elektrolyse von wasserfreien Alkalichloridschmelzen hergestellt, wobei die Schmelzpunkte der Salzschmelzen durch Zusätze von Alkalichloriden herabgesetzt werden.
Bei beiden Metallen, Natrium und Lithium, ist die Standzeit der bekannten Elektrolysezellen auf 2 bis 3 Jahre begrenzt. Eine Unterbrechung der Stromversorgung oder das Abstellen der Zelle führt in der Regel zur Zerstörung der Zelle. Das nach dem Downs-Prozess gewonnene Natrium hat, bedingt durch die Schmelzzusätze, den Nachteil, dass es primär mit Kalzium verunreinigt ist, dessen Restgehalt durch nachträgliche Reinigungsschritte zwar vermindert, aber niemals völlig entfernt werden kann. Bei dem nach dem Downs-Prozess gewonnenen Lithium besteht ein wesentlicher Nachteil darin, dass die wässrigen Lithiumchloridsolen, die bei der chemischen Umsetzung von Lithium anfallen, vor dem Einsatz in der Elektrolyse erst zum wasserfreien Lithiumchlorid aufgearbeitet werden müssen.
Kalium ist ebenfalls ein wichtiges anorganisches Grundprodukt, das beispielsweise für die Herstellung von Kaliumalkoholaten, Kaliumamiden und von Kaliumlegierungen verwendet wird. Heute wird es technisch vor allem durch Reduktion von Kaliumchlorid durch Natrium in einer Reaktivdestillation hergestellt. Nachteilig ist, dass das Verfahren bei hohen Temperaturen arbeitet. Außerdem enthält das entstehende Kalium ca. 1% Natrium als Verunreinigung und muss daher noch durch eine weitere Rektifikation aufgereinigt werden. Der größte Nachteil ist, dass das eingesetzte Natrium teuer ist. Dies liegt auch daran, dass Natrium technisch nach dem Downs-Prozess durch Elektrolyse von geschmolzenem Kochsalz gewonnen wird, wobei ein hoher Energieaufwand nötig ist.
Alkalimetallamalgame fallen bei der Chloralkalielektrolyse nach dem Amalgamverfahren als Zwischenstufe in großen Mengen an und werden in der Regel mit Wasser zu Alkalimetalllaugen umgesetzt und dann im geschlossenen Kreislauf in die Chloralkalielektrolyse zurückgeführt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine Elektrolysevorrichtung bereitzustellen, die auf dem in der
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Elektrolysevorrichtung zur Herstellung von Alkalimetall aus einer flüssigen Alkalimetall-Schwermetalllegierung, gekennzeichnet durch
Die erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung hat den Vorteil, dass sie modular aufgebaut ist. Es sind mindestens zwei übereinander angeordnete Rohre zu einer Elektrolyseeinheit verbunden, die durch einen Volumenstrom aus Alkalimetall-Schwermetalllegierung vom ersten bis zum letzten Rohr durchströmt wird. Die Anzahl der Rohre kann dabei beliebig erhöht werden. Ebenso kann die Anzahl der parallel eingesetzten Elektrolyseeinheiten beliebig vergrößert werden. Die erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung ist für den kontinuierlichen Betrieb vorgesehen. Die Strömung der flüssigen Alkalimetall-Schwermetalllegierung wird vorzugsweise durch eine außerhalb der Elektrolysevorrichtung liegende Pumpe angetrieben. Die im Wesentlichen waagerecht angeordneten Rohre bilden zusammen mit den in sie eingeschobenen Festelektrolytröhren die Reaktionsmodule, in denen die Elektrolyse stattfindet. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Elektrolysevorrichtung wird sichergestellt, dass die Alkalimetall-Schwermetalllegierung so geführt wird, dass der Transport des in dem Schwermetall gelösten Alkalimetalls an die Oberfläche des Alkalimetallionen leitenden Festelektrolyten für hohe Stromdichten einer industriellen Produktion gewährleistet ist.
Ferner kann durch die geeignete Werkstoffauswahl für die Konstruktion der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung eine lange Standzeit erreicht werden, wie es für Vorrichtungen der industriellen Chemie üblich ist. Die Elektrolyse kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung jederzeit unterbrochen werden, ohne die Vorrichtung zu schädigen.
Der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine flüssige Alkalimetall-Schwermetalllegierung zugeführt, insbesondere ein Alkalimetallamalgam mit Natrium, Kalium oder Lithium als Alkalimetall. Weitere mögliche Schwermetalle als Bestandteil der flüssigen Alkalimetall-Schwermetalllegierung sind Gallium oder Blei oder Legierungen aus Gallium, Blei und Quecksilber.
Um Natriumamalgam in flüssiger Form zu halten, muss die Natriumkonzentration dieser Lösung Werte von weniger als 1 Gew.-%, bevorzugt 0,2 bis 0,5 Gew.-% aufweisen. Um Kaliumamalgam in flüssiger Form zu halten, liegt die Kaliumkonzentration der Lösung bei weniger als 1,5 Gew.-%, vorzugsweise 0,3 bis 0,6 Gew.-%. Um Lithiumamalgam in flüssiger Form zu halten, liegt die Lithiumkonzentration der Lösung bei weniger als 0,19 Gew.-%, vorzugsweise 0,02 bis 0,06 Gew.-%.
Als Material für die im Wesentlichen horizontal angeordneten, miteinander verbundenen Rohre wird vorzugsweise Edelstahl oder Graphit gewählt. Als Material für die Festelektrolytröhren kommen bei der Natriumherstellung keramische Materialien wie NASICON® in Betracht, deren Zusammensetzung in der
Die Festelektrolytröhren sind einseitig geschlossen und vorzugsweise dünnwandig, aber druckfest und mit einem kreisförmigen Querschnitt gestaltet.
Die übereinander angeordneten, miteinander verbundenen Rohre weisen eine Länge zwischen 0,5 m und 2 m, bevorzugt zwischen 0,9 m und 1,1 m auf. Der Innendurchmesser der Rohre beträgt zwischen 35 mm und 130 mm, bevorzugt zwischen 65 mm und 75 mm. Die Rohrdicke (Wandstärke) liegt zwischen 1 mm und 30 mm, bevorzugt zwischen 2,5 mm und 3,6 mm, wenn handelsübliche, geschweißte Rohre verwendet werden und bevorzugt zwischen 15 und 20 mm, wenn das Rohr durch Gießen hergestellt wurde.
Die Festelektrolytröhren weisen einen Außendurchmesser zwischen 30 mm und 100 mm auf, bevorzugt zwischen 55 mm und 65 mm. Die Wandstärke der Festelektrolytröhren beträgt zwischen 0,9 mm und 2,5 mm, bevorzugt zwischen 1,2 mm und 1,8 mm.
Sie weisen eine Länge von zwischen 20 cm und 75 cm, bevorzugt zwischen 45 cm und 55 cm auf.
Damit ergibt sich eine Spaltbreite des ersten Ringspaltes zwischen 2,5 mm und 15 mm, bevorzugt zwischen 4,5 mm und 5,5 mm.
Die Alkalimetall-Schwermetalllegierung gelangt über den Legierungszulauf in den die Festelektrolytröhren umgebenden ersten Ringspalt. Die Elektrolyse wird dadurch betrieben, dass zwischen der Außenseite der einseitig geschlossenen Festelektrolytröhre, die aus einem Alkalimetallionen-leitenden Festelektrolyten besteht, und der Innenseite eine elektrische Spannung angelegt wird, so dass die außen in dem ersten Ringspalt in Längsrichtung strömende Alkalimetall-Schwermetalllegierung den Pluspol und das innen gebildete Alkalimetall den Minuspol bildet. Die Spannungsdifferenz bewirkt einen Elektrolysestrom, der dazu führt, dass an der Grenzfläche zwischen Alkalimetall-Schwermetalllegierung und Ionenleiter Alkalimetall oxidiert, dann als Alkalimetallion durch den Ionenleiter transportiert wird und dann an der Grenzfläche zwischen lonenleiter und Alkalimetall im Innenraum der Festelektrolytröhre wieder zu Metall reduziert wird. Bei der Elektrolyse wird also der Alkalimetall-Schwermetalllegierungsstrom hinsichtlich seines Alkalimetallgehaltes proportional zum fließenden Elektrolysestrom kontinuierlich abgereichert. Das so auf die Innenseite der Festelektrolytröhre überführte Alkalimetall kann von dort über den Alkalimetallablauf kontinuierlich abgeführt werden. Die Elektrolyse wird bei einer Temperatur im Bereich von 260 bis 400°C durchgeführt. Für die Elektrolyse eines Alkalimetallamalgams sollte die Temperatur unterhalb der Siedetemperatur von Quecksilber liegen, bevorzugt bei 310°C bis 325°C, falls das Alkalimetall Natrium ist, und bei 265°C bis 280°C, falls das Alkalimetall Kalium ist, und bei 300°C bis 320°C falls das Alkalimetall Lithium ist.
Vorzugsweise wird die Alkalimetall-Schwermetalllegierung bereits auf 200°C bis 320°C, bevorzugt auf 250°C bis 280°C vorgeheizt der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung zugeführt. Dazu kann der Elektrolysevorrichtung ein Wärmetauscher, insbesondere ein Gegenstrom-Wärmetauscher, zugeordnet sein, so dass die in Bezug auf das Alkalimetall abgereicherte, das letzte Rohr der Elektrolysevorrichtung verlassende heiße Alkalimetall-Schwermetalllegierung den Legierungszulauf des ersten Rohres beheizt. Ein Vorheizen der Alkalimetall-Schwermetalllegierung ist aber auch mit Hilfe von um den Zulauf gewickelten Heizdrähten möglich.
An den beiden Stirnseiten der im Wesentlichen waagerecht angeordneten Rohre befindet sich je eine Verschlussvorrichtung, die geeignet ist, jeweils eine einseitig geschlossene Festelektrolytröhre, bestehend aus einem Alkalimetallionen-leitenden Festelektrolyten, aufzunehmen. Die Öffnung der Festelektrolytröhre ist nach außen gerichtet. Die Verschlussvorrichtung ist hinsichtlich der Abdichtungen so ausgeführt, dass der mit Alkalimetall-Schwermetalllegierung gefüllte Raum in den im Wesentlichen waagerechten Rohren sowohl zur Umgebung, als auch zum Innenraum der Festelektrolytröhre leckagefrei abgedichtet ist. Ferner erfüllt die Verschlussvorrichtung auch die Forderung, den Innenraum der Festelektrolytröhre gegen die Umgebung abzudichten. Die Verschlussvorrichtung ist vorzugsweise zumindest teilweise lösbar mit dem Rohr verbunden, so dass die Festelektrolytröhren im Reparaturfall problemlos ausgetauscht werden können.
Die erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung umfasst vorzugsweise 2 bis 100 Rohre, besonders bevorzugt 5 bis 25 Rohre pro Elektrolyseeinheit. Sie enthält n parallel angeordnete Elektrolyseeinheiten mit n bevorzugt zwischen 1 und 100, besonders bevorzugt zwischen 5 und 20.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Elektrolysevorrichtung einen Legierungsverteiler zum Versorgen mindestens einer Elektrolyseeinheit mit der Alkalimetall-Schwermetalllegierung, wobei der Legierungsverteiler über je einen Auslassstutzen mit einer Elektrolyseeinheit verbunden ist. Der Alkalimetall-Schwermetalllegierungsstand in dem Legierungsverteiler wird vorzugsweise konstant gehalten. Der Legierungsverteiler ist zum Beispiel ständig zur Hälfte mit flüssiger Alkalimetall-Schwermetalllegierung gefüllt. Im Boden des Legierungsverteilers befinden sich n Auslassstutzen, die jeweils in eine als hintereinander geschaltetes Rohrsystem gestaltete Elektrolyseeinheit münden. Der dem Legierungsverteiler zulaufende Alkalimetall-Schwermetalllegierungsvolumenstrom wird folglich auf n parallele einzelne Volumenströme aufgeteilt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind der Legierungszulauf und der Legierungsablauf an den Rohren so angeordnet, dass die Alkalimetall-Schwermetalllegierung als mäanderförmiger Strom durch die Elektrolyseeinheit geführt wird. Die Alkalimetall-Schwermetalllegierung läuft dabei durch eine Elektrolyseeinheit umfassend ein Rohrsystem aus im Wesentlichen waagerecht angeordneten Rohren, wobei sie von einem Rohr über dessen an einer Seite angeordneten Legierungsablauf in das nächst tiefere Rohr über dessen auf der selben Seite angeordneten Legierungszulauf fließt, dieses dann waagerecht durchströmt, um es wiederum über den an der anderen Seite angeordneten Legierungsablauf nach unten zu verlassen und dem nächsten im Wesentlichen waagerechten Rohr zuzufließen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Elektrolysevorrichtung einen Legierungssammler zur Aufnahme der durch die Elektrolyseeinheit geströmten Alkalimetall-Schwermetalllegierung, wobei der Legierungssammler zur zumindest teilweisen Rückführung der Alkalimetall-Schwermetalllegierung mit dem Legierungsverteiler verbunden sein kann. Die zurückgeführte, bezüglich des Alkalimetalls abgereicherte Alkalimetall-Schwermetalllegierung wird im Legierungsverteiler mit bezüglich des Alkalimetalls angereicherter Alkalimetall-Schwermetalllegierung vermischt.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird Legierungsverteiler ständig und ausschließlich mit angereicherter Alkallmetall-Schwermetalllegierung versorgt und die in der Elektrolyseeinheit abgereicherte Alkalimetall-Schwermetalllegierung wird im Legierungssammler gesammelt und nicht wieder rückgeführt.
Das im Innenraum der Festelektrolytröhren entstandene Alkalimetall wird erfindungsgemäß über den Alkalimetallablauf abgeführt. Vorzugsweise ist der Alkalimetallablauf über eine Ableitung mit einem Alkalimetallsammler verbunden, in den die Ableitung von seiner Oberseite aus mündet. Der Alkalimetallsammler hat vorzugsweise die Form einer Sammelrinne mit einem Deckel. Die Einführung des Alkalimetalls in den Alkalimetallsammler von seiner Oberseite aus hat den Vorteil, dass das Alkalimetall nicht aus dem Alkalimetallsammler über die Ableitung in die Elektrolyseeinheit zurückfließen kann, beispielsweise im Falle einer zerbrochenen Festelektrolytröhre. Ein Zurückfließen könnte in der Zerstörung der gesamten Elektrolyseeinheit resultieren, da das zurückfließende Alkalimetall mit Alkalimetall-Schwermetalllegierung in Kontakt kommen und eine exotherme Rückreaktion ablaufen würde.
Aus dem Alkalimetallsammler läuft das flüssige Alkalimetall über beheizte Rohrleitungen in Lagertanks. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Alkalimetallsammler höher als der Legierungsverteiler angeordnet und/oder der Alkalimetallsammler enthält ein Inertgas mit einem gegenüber der Umgebung erhöhten Druck. Dies hat den Vorteil, dass zum Beispiel im Falle einer zerbrochenen Festelektrolytröhre keine Alkalimetall-Schwermetalllegierung zu dem in dem Alkalimetallsammler enthaltenen Alkalimetall gelangen kann. Das Inertgas weist vorzugsweise einen Überdruck zwischen 0,2 bar und 10 bar auf, besonders bevorzugt 1 bar. Das Alkalimetall wird durch den Druck des im Innenraum der Festelektrolytröhre neu entstehenden Alkalimetalls gegen den Inertgasdruck und/oder gegen die aufgrund des Höhenunterschieds zwischen der Alkalimetallquelle und dem Alkalimetallsammler entstehenden Kräfte in den Alkalimetallsammler transportiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist jedes Rohr und jede Festelektrolytröhre einen separaten elektrischen Anschluss auf. Dadurch wird erreicht, dass bei der Unterbrechung eines elektrischen Anschlusses die Elektrolysevorrichtung nicht vollständig außer Betrieb gesetzt wird, sondern nur lokal ein Rohr oder eine Festelektrolytröhre.
Vorzugsweise enthält bei der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung jede der Verschlussvorrichtungen einen Alkalimetallablauf und einen elektrischen Anschluss für die Kathode. Die elektrische Stromversorgung der Kathode kann beispielsweise über den als elektrisch leitfähiges Ableitungsrohr ausgeführten Alkalimetallablauf erfolgen.
Der elektrische Anschluss für die Kathode von einer Vielzahl der in einer Elektrolyseeinheit enthaltenen Festelektrolytröhren verläuft vorzugsweise über je ein elastisches elektrisch leitfähiges Band, das eine Minusbrücke kontaktiert. Die Minusbrücke ist ein elektrisch leitfähiges Bauteil, das an den Minuspol einer Spannungsquelle angeschlossen ist. Sie ist jeweils über ein elastisches elektrisch leitfähiges Band mit dem elektrischen Anschluss der Kathode im Innenraum jeder der Vielzahl von Festelektrolytröhren verbunden. Das Band ist elastisch, um verschiedene Wärmedehnungseigenschaften der Minusbrücke und des elektrischen Anschlusses auszugleichen. Ferner kann das Band als Schmelzsicherung ausgebildet sein, die im Falle einer zu hohen Stromstärke durch die entstehende Wärme zerstört wird.
Jedes elektrisch leitfähige Band kann ferner einen individuellen elektrischen Widerstand aufweisen, der so ausgelegt ist, dass an jedem Rohr die gleiche Spannung anliegt.
Der Alkalimetallsammler ist gegenüber dem Innenraum der jeweiligen Festelektrolytröhre elektrisch isoliert. Dies wird zum Beispiel dadurch erreicht, dass die jeweilige Rohrdurchführung, durch die die Ableitung in die Oberseite des Alkalimetallsammlers mündet, elektrisch isoliert ausgeführt ist, so dass zwischen den einzelnen Alkalimetallquellen, die alle über ihre Ableitung mit dem Alkalimetallsammler verbunden sind, und zwischen der jeweiligen Alkalimetallquelle und dem Alkalimetallsammler eine elektrische Potentialtrennung besteht. Dies ist nur möglich, da das Alkalimetall von oben in den (z.B. mit Stickstoff gefüllten) Alkalimetallsammler eintropft und keinen durchgehenden Flüssigkeitsfaden bildet. Im Falle eines Bruches einer Festelektrolytröhre wird so u.a. ein Kurzschluss der betroffenen Ableitungen vermieden.
In einer bevorzugten Erfindung der vorliegenden Erfindung verläuft der elektrische Anschluss für die Anode über das Rohr, das eine Plusbrücke kontaktiert. Die Plusbrücke ist ein elektrisch leitfähiges Bauteil, das an den Pluspol einer Spannungsquelle angeschlossen ist. Sie kann beispielsweise als Flachstange mit einer Vielzahl von balkonartigen Vorsprüngen gestaltet sein, wobei jeweils ein Rohr auf einem Vorsprung aufliegt und durch diesen einerseits getragen und andererseits elektrisch kontaktiert wird. Bei der Plusbrücke handelt es sich in diesem Fall vorzugsweise um eine massive Stahlkonstruktion, die diese Doppelfunktion übernehmen kann. Die Plusbrücke kann jedoch auch eine zusätzliche nicht tragende Aluminiumschiene sein, die über elastische, elektrisch leitfähige Bänder mit den Rohren verbunden ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung ist im Innenraum jeder der Festelektrolytröhren ein Verdrängungskörper so angeordnet, dass sich ein zweiter Ringspalt zur Aufnahme des flüssigen Alkalimetalls zwischen der Außenseite des Verdrängungskörpers und der Innenseite der Festelektrolytröhre befindet. Durch den Verdrängungskörper wird das Volumen im Innenraum der Festelektrolytröhre, das durch Alkalimetall ausgefüllt werden kann, verringert. Dies hat den Vorteil, dass zu jedem Zeitpunkt nur eine geringe Menge von Alkalimetall in der Festelektrolytröhre enthalten ist, so dass bei einem plötzlichen Versagen der Festelektrolytröhre nur diese geringe Menge mit der die Festelektrolytröhre umgebenden Alkalimetall-Schwermetalllegierung in Kontakt kommen kann. Damit wird das Energiepotential der Rückreaktion möglichst gering gehalten. Als Verdrängungskörper kann ein massiver Metallkörper dienen. Dieser Metallkörper hat den weiteren Vorteil, dass er als Kathode eingesetzt werden kann, wenn die Elektrolyse mit einer noch nicht mit Alkalimetall gefüllten Festelektrolytröhre gestartet wird. Als Verdrängungskörper kann aber auch ein geschlossener Hohlkörper dienen. Dieser Hohlkörper hat den Vorteil, dass er aufgrund seines geringeren Gewichts einfacher in die Festelektrolytröhre eingeschoben werden kann, ohne diese zu beschädigen. Ferner kann als Verdrängungskörper ein einseitig geschlossenes, genau an die Form des Innenraums der Festelektrolytröhre angepasstes dünnwandiges Blechrohr dienen, das in die Festelektrolytröhre eingeführt wird, so dass sich ein sehr schmaler zweiter Ringspalt ausbildet. In das dünnwandige Blechrohr kann ein weiterer Körper zur Verstärkung eingesetzt werden. Der als Blechrohr ausgeführte Verdrängungskörper hat den Vorteil, dass die Menge an Alkalimetall, die beim Versagen der Festelektrolytröhre mit Alkalimetall-Schwermetalllegierung gemischt wird, sehr gering ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umgibt eine mit Umluft beheizte, thermisch gedämmte Heizkammer die Rohre mit den Verschlussvorrichtungen. Die Elektrolysevorrichtung wird dadurch auf die bei der Elektrolyse erforderliche Temperatur gebracht, dass sie in die mit Umluft beheizte, gegen die Umgebung thermisch gedämmte Heizkammer eingebaut ist. Die Beheizung kann auf elektrischem Wege oder mit Öl- oder Gasbrennern erfolgen. Gegebenenfalls ist eine Beheizung nur beim Anfahren der Elektrolyse oder in Phasen, in welchen die Elektrolyse unterbrochen ist, notwendig. Eine Kühlung der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung kann erfolgen, indem der Heizkammer Umgebungsluft zugeführt und heiße Abluft entnommen wird.
Die Erfindung hat ferner die Verwendung der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung zur Herstellung von Natrium, Kalium oder Lithium aus einem flüssigen Alkalimetall-Amalgam zum Gegenstand.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigt:
Figur 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung mit einer Vielzahl von Elektrolyseeinheiten.
Die Elektrolysevorrichtung umfasst eine Vielzahl von übereinander im Wesentlichen horizontal angeordneten, miteinander verbundenen Rohren 1, die eine Elektrolyseeinheit 2 bilden. Die dargestellte Vorrichtung enthält eine Vielzahl von Elektrolyseeinheiten 2, die parallel zueinander angeordnet sind und mit n = 1, 2, .....n durchnummeriert sind. Die Rohre 1 innerhalb einer Elektrolyseeinheit 2 sind über Verbindungsstutzen 3 miteinander verbunden. Die Rohre 1 verschiedener Elektrolyseeinheiten 2 weisen keine Verbindung untereinander auf. An den Enden jedes Rohres 1 sind Verschlussvorrichtungen 4 angeordnet, die mit je einem Verbindungsstutzen 3 verbunden sind. Ein Legierungsverteiler 5 ist bis ca. zur Hälfte mit flüssiger Alkalimetall-Schwermetalllegierung 6 gefüllt und versorgt die n Elektrolyseeinheiten 2 über je einen Auslassstutzen 7 mit der Alkalimetall-Schwermetalllegierung 6. Der Auslassstutzen 7 mündet dabei in einen Legierungszulauf 8 eines Rohres 1, der in der Nähe eines Endes des Rohres 1 liegt. In dem Rohr 1 (in dem nicht dargestellten ersten Ringraum) strömt die Alkalimetall-Schwermetalllegierung 6 bis in die Nähe des anderen Endes des Rohres 1, wo sich der Legierungsablauf 9 dieses Rohres 1 befindet. Durch den Legierungsablauf 9, einen Verbindungsstutzen 3 und einen Legierungszulauf 8 des nächst tieferen Rohres 1 gelangt die Alkalimetall-Schwermetalllegierung 6 in dieses nächste tiefer liegende Rohr 1, um in Längsrichtung wiederum dieses zu durchströmen. Die Alkalimetall-Schwermetalllegierung 6 wird also als mäanderförmiger Strom durch die Elektrolyseeinheit 2 geführt. Aus dem letzten Rohr 1 jeder der n Elektrolyseeinheiten 2 nimmt ein Legierungssammler 10 die durch die Elektrolyse bezüglich des Alkalimetalls abgereicherte Alkalimetall-Schwermetalllegierung auf, die entweder in die Elektrolysevorrichtung zurückgeführt oder in einen Lagerbehälter abgeführt wird. Das bei der Elektrolyse entstandene Alkalimetall wird durch einen (nicht dargestellten) Alkalimetallablauf an jedem Ende des Rohres 1 abgezogen.
Figur 2 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung.
Es sind drei übereinander angeordnete Rohre 1 einer Elektrolyseeinheit 2 dargestellt. In jedem Rohr 1 sind zwei an einem Ende geschlossene, an dem anderen Ende eine Öffnung 11 aufweisende Festelektrolytröhren 12 vorhanden. Die Festelektrolytröhren 12 sind in dem Rohr 1 konzentrisch angeordnet und mit der Öffnung 11 je einem Ende des Rohrs 1 zugewandt. Zwischen der Innenseite des Rohrs 1 und der Außenseite der Festelektrolytröhren 12 befindet sich ein erster Ringspalt 13 zur Führung der eine Anode bildenden flüssigen Alkalimetall-Schwermetalllegierung 6, die aus dem Legierungsverteiler 5 über den Auslassstutzen 7 und den Legierungszulauf 8 in das oberste Rohr 1 gelangt und durch den Ringspalt 13 an den Festelektrolytröhren 12 entlang bis zum Legierungsablauf 9, der in einen Verbindungsstutzen 3 mündet, strömt. Jede Verschlussvorrichtung 4 dient als Halterung für eine Festelektrolytröhre 12, die lösbar ist, so dass eine defekte Festelektrolytröhre 12 problemlos ausgetauscht werden kann. Der Innenraum 14 der Festelektrolytröhre 12 ist gegenüber den Alkalimetall-Schwermetalllegierung führenden Teilen der Elektrolyseeinheit 2 abgedichtet, insbesondere gegenüber dem Legierungszulauf 8, dem ersten Ringspalt 13 und dem Legierungsablauf 9 des Rohres 1, in dem sich die Festelektrolytröhre 12 befindet. Der Innenraum 14 dient dazu, während der Elektrolyse dort entstehendes flüssiges Alkalimetall aufzunehmen, das als Kathode der Elektrolysevorrichtung nutzbar ist. Der Innenraum 14 ist mit einem Alkalimetallablauf 15 verbunden, der über eine Ableitung 16 das Alkalimetall 22 zu einem oberhalb des Legierungsverteilers 5 positionierten Alkalimetallsammler 17 leitet. Der Alkalimetallsammler 17 ist vorzugsweise mit einem unter Überdruck stehenden Inertgas gefüllt. Der Alkalimetallsammler 17 ist in der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Sammelrinne 18 mit einem Deckel 19 gestaltet, wobei die Ableitung 16 von oben durch den Deckel 19 in den Alkalimetallsammler 17 mündet. Beim Ausfall einer der Festelektrolytröhren 12 kann aufgrund dieses Aufbaus nur eine geringe Menge Alkalimetall aus der Ableitung 16 und dem Innenraum 14 mit der Alkalimetall-Schwermetalllegierung in dem Rohr 1 reagieren. Die Alkalimetall-Schwermetalllegierung 6 gelangt nicht in den Alkalimetallsammler 17. Daher wird der Ausfall von der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung toleriert, ohne dass die Elektrolyse unterbrochen werden muss und ohne dass es zu Folgeschäden oder Qualitätseinbußen bei dem erzeugten Alkalimetall kommt. Mit dem unbeschädigten Festelektrolytröhren 12 kann die Elektrolyse fortgesetzt werden.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform einer Elektrolyseeinheit mit ihren elektrischen Anschlüssen.
Die Elektrolyseeinheit 2 wird wiederum durch eine Vielzahl von Rohren 1 gebildet. Jedes Rohr 1 und jede (nicht dargestellte) Festelektrolytröhre 12 weist einen getrennten elektrischen Anschluss auf. Jede Verschlussvorrichtung 4 enthält außer einem Alkalimetallablauf 15 auch einen elektrischen Anschluss für die Kathode. Der elektrische Anschluss für die Kathode in allen Festelektrolytröhren 12 auf einer Seite der Rohre 1 erfolgt mittels einer auf negativem elektrischen Potential liegenden ersten Minusbrücke 20, die über je ein elastisches elektrisch leitfähiges Band 21 an je einem als Metallröhrchen ausgeführten Alkalimetallablauf 15 angeschlossen ist. Das elektrisch leitfähige Band ist in Figur 3 nur für ein Rohr 1 angedeutet, jedoch für alle anderen Rohre ebenso ausgeführt. Eine zweite Minusbrücke 23 ist mit den Kathoden auf der anderen Seite der Rohre 1 verbunden.
Der elektrische Anschluss für die Anode erfolgt über das Rohr 1 selbst, das elektrisch leitfähig ist, indem jedes der Rohre 1 mit seiner Außenseite eine Plusbrücke 24 kontaktiert, die auf einem positiven elektrischen Potential liegt. Der Alkalimetall führende Teil der Verschlussvorrichtung 4 ist dabei von dem Alkalimetall-Schwermetalllegierung führenden Teil elektrisch isoliert. Die Plusbrücke 24 dient außer zur elektrischen Kontaktierung auch zur Herstellung der einzelnen Rohre 1 (siehe Figur 4) und ist mit Hilfe einer Aufhängung 25 an einem tragenden Gestell befestigt.
Figur 4 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit mehreren Plusbrücken für mehrere Elektrolyseeinheiten.
Die Rohre 1 der fünf dargestellten Elektrolyseeinheiten 2 liegen jeweils auf einem Vorsprung 26 einer Plusbrücke 24 auf und werden so einerseits getragen und andererseits elektrisch kontaktiert. Die Plusbrücke 24 mit den Vorsprüngen 26 ist dabei vorzugsweise eine massive Stahlkonstruktion.
Figur 5 zeigt einen Ausschnitt aus zwei übereinander angeordneten Rohren.
Innerhalb eines Rohres 1 ist der erste Ringspalt 13 erkennbar, der die Festelektrolytröhre 12 umgibt. Der Innenraum der Festelektrolytröhre 12 ist fast vollständig von einem Verdrängungskörper 27 ausgefüllt, so dass lediglich ein zweiter Ringspalt 28 zwischen der Außenseite des Verdrängungskörpers 27 und der Innenseite der Festelektrolytröhre 12 für das entstehende Alkalimetall frei bleibt. Das Alkalimetall wird durch das neu entstehende Alkalimetall in eine als Alkalimetallablauf 15 dienende Bohrung 29 der Verschlussvorrichtung 4 gedrückt. Die Alkalimetall-Schwermetalllegierung 6 strömt durch den ersten Ringspalt 13 des oberen Rohres über ein Sieb 31 und einen Ringraum 30 in den Verbindungsstutzen 3 und von dort in das untere Rohr. Diese geometrische Ausführung, in der die Verbindungsstutzen 3 in einen Ringraum 30 münden, der von dem jeweiligen ersten Ringspalt 13 durch ein umlaufendes Sieb 31 abgetrennt ist, ist vorteilhaft für die Verteilung der Alkalimetall-Schwermetalllegierungs-Strömung über den Querschnitt des als Reaktionszone dienenden ersten Ringspaltes 13. Ferner verhindert diese Anordnung, dass störende Festkörperteilchen in die Reaktionszone gelangen und dort zu Blockaden führen. Die Herstellung der in Figur 5 ausschnittsweise dargestellten Elektrolyseeinheit erfolgt durch Verschweißen von Drehteilen an den dargestellten Schweißstellen 32. Es ist aber auch die einstückige Herstellung dieser Teile durch Metaligießen möglich.
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