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Dokumentenidentifikation EP1249516 21.11.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 1249516
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung einer Chloralkali-Schmelzflusselektrolyse
Anmelder Mitbauer, Heinz, Prof. Dr., 47057 Duisburg, DE
Erfinder Mitbauer, Prof. Dr., Heinz, 47057 Duisburg, DE
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument DE
EP-Anmeldetag 09.04.2002
EP-Aktenzeichen 020078804
EP-Offenlegungsdatum 16.10.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.11.2002
IPC-Hauptklasse C25C 3/02
IPC-Nebenklasse C25C 7/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer Chloralkali-Schmelzflusselektrolyse unter erhöhter Temperatur in einem Reaktionsbehälter, wobei der bzw. die vorgewärmten Reaktanden der Reaktionszone im Innern des Reaktionsbehälters zugeführt werden.

Es ist bekannt, die bei chemischen Reaktionen entstehende Wärme mehr oder weniger zur Vorwärmung der oder des Reaktanden zu benutzen. Beispiele hierfür sind Wärmetauscher, z. B. der Liebigsche Kühler, die teilweise Möllererwärmung durch abzuführende Gichtgase beim Hochofenprozess und die Vorwärmung der Reaktanden durch Zuführung im Hohlrohr bei Lichtbogenöfen nach dem Knapsackverfahren.

Nachteilig ist hier, dass die Abwärme nur teilweise genutzt wird. Die nicht genutzte Abwärme muss entweder durch Kühlung, also meistens ökonomisch nutzlos und oft auch mit schlechtem Wirkungsgrad, abgeführt und/oder mehr oder weniger ungünstig im ökologischen Sinne an die Umgebung abgegeben werden.

Die Chloralkali-Schmelzflusselektrolyse dient zur Gewinnung der Alkalimetalle und Chlor, insbesondere der Gewinnung von Natrium und Chlor. Bei der Schmelzflusselektrolyse enthält ein mit feuerfesten Steinen ausgemauerter Behälter die Chloralkali-Schmelze. Das an der Anode entstehende Chlorgas entweicht durch eine übergestülpte Glocke. Unter der Glocke sammelt sich das an der Kathode frei werdende Alkalimetall. Das flüssige Metall steigt in ein Speichergefäß. Diese Reaktion findet in einem engen Temperaturbereich statt. Die Wände des Reaktionsbehälters sind in der Regel mit wärmedämmenden feuerfesten Materialien ausgekleidet, welche durch die flüssige Salzschmelze angegriffen und nach verhältnismäßig kurzer Zeit zerstört werden.

Der Erfindung liegt daher insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass bei der unter erhöhter Temperatur stattfindenden Reaktion eine bessere Nutzung der Abwärme und eine wirtschaftliche Schonung der Wände des Reaktionsbehälters erreicht wird.

Diese Aufgabe wird beim eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der bzw. die Reaktanden im wesentlichen von allen Seiten der Reaktionszone zugeführt werden, wobei zwischen der Reaktionszone und der Innenseite der Wände des Reaktionsbehälters eine Schicht von festem Chloralkali angeordnet ist. Dabei liegt das Chloralkali bei Raumtemperatur insbesondere in rieselfähiger fester Form vor.

Erfindungsgemäß wird der Wärmefluss aus der Reaktionszone nach außen durch einen entsprechenden Stofffluss des bzw. der zuzuführenden Reaktanden von außen nach innen ganz oder weitgehend kompensiert, so dass sich auf den Reaktionsbehälter bezogen ein zeitlich konstantes Wärmegefälle von der Reaktionszone nach außen einstellen kann. Der bzw. die zuzuführenden Reaktanden werden gleichzeitig vorgewärmt. Auf diese Weise geht die abzuführende Wärme nicht verloren, sondern wird in sinnvoller Weise für die ohnehin notwendige Vorwärmung des bzw. der Reaktanden eingesetzt. Der Wärmefluss aus der Reaktionszone nach außen in die Umgebung wird auf diese Weise völlig oder weitgehend verhindert. Eine beträchtliche Einsparung von Energie und eine völlige oder sehr weitgehende Vermeidung der Hochtemperaturkorrosion bei thermischen Prozessen wird erfindungsgemäß erreicht.

Die Menge des bzw. der von außen zugeführten Reaktanden ist gleich der in der Reaktionszone umgesetzten Menge des bzw. der Reaktanden und der Abstand der Reaktionszone von den Wänden des Reaktionsbehälters ist derart groß bemessen, so dass sich ein zeitlich konstantes Temperaturgefälle von der Reaktionszone bis zur Innenwand des Reaktionsbehälters einstellt.

Das für die Reaktion bestimmte feste Chloralkali schmilzt erst innerhalb der Reaktionszone auf und kommt mit der Innenseite der Wände des Reaktionsbehälters überhaupt nicht in Berührung. Damit wird die Korrosion der feuerfest ausgekleideten Wände des Reaktionsbehälters vermieden. Die Wärmeabgabe an die Umgebung wird sehr stark herabgesetzt und vorzugsweise sogar vollständig vermieden, wobei Vorteile auch beim Umweltschutz und bei der Einsparung von Energie erreicht werden. Die zwischen der Reaktionszone und der Innenseite der Wände angeordnete Schicht von festen Chloralkali bildet nämlich eine vollständige Wärmedämmung. Die häufigen Erneuerungen der Feuerfestauskleidung nach deren Abnutzung sind nicht mehr erforderlich. Die bisher bekannte und nachteilige Infiltration durch Abrieb der feuerfesten Auskleidung wird vermieden. Der bisherige Vorteil des Temperaturbereiches in engen Grenzen oberhalb der Schmelztemperatur des Reaktionsgemisches wird beibehalten. Im Vergleich zur wässrigen Elektrolyse entfällt der Wasserverbrauch, wodurch Ressourcen geschont werden.

Es ist nicht notwendig, teure hochtemperaturkorrosionsfeste Werkstoffe, die gegebenenfalls auch plattiert sein können, einzusetzen, wodurch eine deutliche Kostenersparnis erreicht wird.

Schließlich betrifft die Erfindung auch die entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Reaktionsbehälter mit Wänden umfasst, wobei zwischen der Reaktionszone und der Innenseite der Wände des Reaktionsbehälters eine Schicht von festem Chloralkali angeordnet ist, und dass Mittel, z. B. eine Schnecke, im unteren Bereich des Reaktionsbehälters zum Zuführen des Chloralkali vorgesehen sind.

Im folgenden werden das Grundprinzip der Erfindung sowie ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Figur 1
einen Querschnitt durch einen Reaktionsbehälter in schematischer Darstellung,
Figur 2
einen Querschnitt durch einen zylindrischen Reaktionsbehälter, welcher das Reaktionsgemisch enthält, ebenfalls in schematischer Darstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Prinzips und
Figur 3
einen Längsschnitt in schematischer Darstellung durch einen Reaktionsbehälter für eine Schmelzflusselektrolyse von Chloralkali.

In allen Zeichnungen haben gleiche Bezugszeichen die gleiche Bedeutung und werden daher gegebenenfalls nur einmal erläutert.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Prinzip werden der bzw. die Reaktanden zur Vermeidung von Wärmeverlusten dem auf höherer Temperatur, nämlich der Reaktionstemperatur liegenden Innenraum zugeführt (Figur 1). Im stationären Zustand ist die von außen zugeführte Menge des bzw. der Reaktanden gleich der im Reaktionsraum umgesetzten Menge.

In der Figur 1 sind außerdem die Richtungen 3 des Flusses des bzw. der Reaktanden, also des Stoffflusses, und die Richtungen 4 des Wärmeflusses eingezeichnet.

Die Abmessungen und der Platzbedarf des Reaktors hängen ab von der Größe des Reaktorraumes, von der spezifischen Wärmekapazität des bzw. der Reaktanden, von deren Temperaturleitfähigkeit und von deren Dichte.

Die unterschiedlichen Zonen innerhalb eines zylindersymmetrischen Reaktionsbehälters werden schematisch in Figur 2, nämlich in einem horizontalen Schnitt gezeigt.

Von der Behälterwand 1, gegebenenfalls mit Auskleidung (Zustellung), erstrecken sich die folgenden konzentrischen Zonen zylinderschalenförmig von außen nach innen: Nach der Zone 5, die am weitesten außen liegt, und zum Ausgleich der Schwankungen der Außentemperatur, die in der Regel der Raumtemperatur entspricht, dient, folgt eine Reaktandenaufheizzone 6. Diese Zone hat ein zeitlich konstantes Temperaturgefälle, bezogen auf die Anlage, wenn das Gleichgewicht zwischen dem zugeführten und dem umgesetzten Reaktionsgut erreicht ist. Der Wärmeabfluss nach außen wird dann durch den Stofffluss nach innen kompensiert. Innerhalb der Reaktandenaufheizzone 6 kann eventuell eine Aufschmelzzone 7 für das Reaktionsgut liegen, sofern die Reaktion im geschmolzenen Reaktionsgemisch stattfindet und die Reaktanden in festem rieselfähigen Zustand zugeführt werden. Schließlich liegt innerhalb der Aufschmelzzone 7 die zentrale Reaktionszone 8. Die Richtungen von Wärmefluss und Stofffluss, welche ebenso wie in Figur 1 radial nach außen bzw. nach innen verlaufen, sind hier der Deutlichkeit halber nicht eingezeichnet.

Als Ausführungsbeispiel der Erfindung sei nun die Chloralkali-Schmelzflusselektrolyse näher erläutert. Die Chloralkali-Schmelzflusselektrdlyse hat gegenüber der wässrigen Elektrolyse viele Vorteile. Es sei hier nur erwähnt, dass kein Wasser benötigt wird, so dass die Ressourcen geschont und die Umwelt weniger stark beeinträchtigt wird. Die bisherigen Nachteile der Chloralkali-Schmelzflusselektrolyse waren unter anderem die Korrosion der Ausmauerung (Zustellung) der Reaktionsbehälter durch die Salzschmelze sowie der verhältnismäßig hohe Verbrauch an elektrischer Energie. Die Korrosion der Ausmauerung wird bei Anwendung der Erfindung verhindert, denn die Salzschmelze berührt nicht mehr die Ausmauerung, wie nachfolgend noch gezeigt wird. Der hohe Verbrauch an elektrischer Energie kann außerdem zumindest verringert werden.

Eine Schmelzflusselektrolysezelle für die Chloralkali-Schmelzflusselektrolyse ist schematisch in Figur 3 dargestellt. Die Elektroden sind in üblicher Weise angeordnet und in Figur 3 der Deutlichkeit halber nicht dargestellt.

An der Innenseite der Wand 1 des Reaktionsbehälters sind feuerfeste Steine vorgesehen. Vor der Inbetriebnahme der Elektrolysezelle kann diese Innenseite der Ausmauerung mit geschmolzenem Salz überzogen und geglättet werden. Nach der Erstarrung sind die feuerfesten Steine mit einer festen Salzschicht überzogen, welche die Steine vor einer Beschädigung schützt. Auf diese Weise kommt das zugeführte Salz mit der Ausmauerung direkt nicht mehr in Berührung. Es bewegt sich praktisch nur körniges bzw. pulveriges Salz auf festem glattem Steinsalz.

Der Abstand zwischen der Reaktionszone 8 und der Wand 1 ist so gross, dass bei einem Gleichgewicht von umgesetztem und zugeführtem Reaktionsgut der Wärmefluss nicht die Ausmauerung erreichen kann.

Zur Zuführung des pulverigen bzw. körnigen Salzes ist im unteren Bereich eine kontinuierliche Schubvorrichtung, z. B. Schnecke 10 vorgesehen, welche das Salz entsprechend den Pfeilen in Figur 3 von unten nach oben in Richtung auf die Reaktionszone 8 transportiert.

Der Reaktionsbehälter hat vorzugsweise einen runden Querschnitt. Die Wand 1 des Reaktionsbehälters ist im oberen Teil leicht nach innen gebogen, wie es übertrieben in Figur 3 dargestellt ist, damit das noch umzusetzende Reaktionsgut beim Hochsteigen von unten nach oben nach innen in die Richtung der Reaktionszone 8 fällt. Schließlich ist eine an sich bekannte Glocke 11 zur Aufnahme und zum Abführen des entstehenden Chlorgases vorgesehen.

Die wichtigsten Vorteile der Erfindung werden nachfolgend zusammengefasst. Durch den vollständigen oder teilweisen Wegfall der Kühlung kann Wasser eingespart werden. Eine Energieeinsparung wird erreicht. Die vollständige oder teilweise Einsparung von teuren hochtemperaturkorrosionsresistenten Werkstoffen oder auch teuren Plattierungen ist möglich. Eine Infiltration des Reaktionsgemisches durch einen Abrieb der feuerfesten Auskleidung wird vermieden. Nur eine einmalige Auskleidung der Reaktionsbehälter bei der Schmelzflusselektrolyse ist anstelle der üblichen häufigen Erneuerung nach einer relativ kurzen Betriebszeit erforderlich. Eine Erwärmung der Umgebung durch die Wärmeabgabe beim Betrieb findet nicht mehr statt.

Bezugszeichenliste

1
Wand
3
Richtung (Stofffluss)
4
Richtung (Wärmefluss)
5
Zone zum Ausgleich der Schwankungen der Außentemperatur
6
Reaktandenaufheizzone
7
eventuelle Aufschmelzzone
8
Reaktionszone
9
äußerer Bereich
10
Schubvorrichtung, z. B. Schnecke
11
Glocke


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Durchführung einer Chloralkali-Schmelzflusselektrolyse unter erhöhter Temperatur in einem Reaktionsbehälter, wobei der bzw. die vorgewärmten Reaktanden der Reaktionszone (8) im Innern des Reaktionsbehälters zugeführt werden,

    dadurch gekennzeichnet,

    dass der bzw. die Reaktanden im wesentlichen von allen Seiten der Reaktionszone (8) zugeführt werden, wobei zwischen der Reaktionszone (8) und der Innenseite der Wände (1) des Reaktionsbehälters eine Schicht von festem Chloralkali angeordnet ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,

    dadurch gekennzeichnet,

    dass die Menge des bzw. der von außen zugeführten Reaktanden gleich der in der Reaktionszone (8) umgesetzten Menge des bzw. der Reaktanden ist, und dass der Abstand der Reaktionszone (8) von den Wänden (1) des Reaktionsbehälters derart groß bemessen ist, so dass sich ein zeitlich konstantes Temperaturgefälle von der Reaktionszone (8) bis zur Innenwand des Reaktionsbehälters einstellt.
  3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2,

    dadurch gekennzeichnet,

    dass die Vorrichtung einen Reaktionsbehälter mit Wänden (1) umfasst, wobei zwischen der Reaktionszone (8) und der Innenseite der Wände (1) des Reaktionsbehälters eine Schicht von festem Chloralkali angeordnet ist, und dass Mittel (10) im unteren Bereich des Reaktionsbehälters zum Zuführen des Chloralkali vorgesehen sind.






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