SECURITY DEVICE FOR A PRESSURE ELECTROLYSIS APPARATUS

Abstract: 1. Safety installation for pressure-electrolysis apparatuses for the production of chlorine, alkali metal hydroxide solution and hydrogen, from an aqueous alkali metal chloride solution, this installation comprising devices (21) for measuring, adjusting and regulating the pressure in the anode chambers (5) and in the cathode chambers (6), these chambers being separated from one another by an ion-exchange membrane (10), the anode chambers being connected to separators (13) for separating chlorine and anolyte and the cathode chambers being connected with separators (14) for separating alkali metal hydroxide solution and hydrogen, characterised in that the anode chambers and cathode chambers additionally are connected to depressurisation vessel (43, 44) via depressurising valves (41, 42), the latter being provided with a differential-pressure instrumentation and control system (39, 40, 59).

Description: Sicherheitseinrichtung für Druckelektrolyseapparate Die Erfindung betrifft eine Sicherheitseinrichtung für Druckelektrolyseapparate zur Herstellung von Chlor, Alkalilauge und Wasserstoff aus wässriger Alkalichloridlösung mit Einrichtungen zum Messen, Einstellen und Regeln des Drucks in den Anoden und Kathodenkammern, die durch eine Ionenaustauschermembran voneinander getrennt sind. Verfahren zum Herstellen von Chlor aus wässriger Alkalichloridlösung unter Druck sind benannt. Dabei werden Drucke bis 50 bar in der Anoden- und Kathodenkammer, die durch eine Membran voneinander getrennt sind, angewendet. Um die Membran nicht zu schädigen, muss die Druckdifferenz zwischen Anoden- und Kathodenkatrjner möglichst gering gehalten werden. Hierfür sind Einrichtungen zum Messen, Einstellen und Regeln des Druckes in der Anoden- und Kathodenkammer der für die Druckelektrolyse erforderlichen Druckelektrolyseapparate bekannt. Diese Enrichtungen zum Regeln des Druckes versagen jedoch bei plötzlich eintretenden Störungen im Elektrolysebetrieb wie sie z.B. durch AbreiBen einer Anolytrohrleitung eintreten können, weil ein Druckausgleich zwischen den Sammern wegen der der Elektrolysezellen nachgeschalteten Aufbereitungsanlage für die Elektrolyseprodukte bei spontan absinkendem Druck in einer der Kammern nicht möglich ist. Eine ähnliche Situation wiebeim Abreissen ist beim Anfahren der Elek trolyseanlage zu beobachten. Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erz in dung,wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist,löst die Aufgabe dadurch, dass die Anoden- und Kathodenkammern über Entspannungsventile mit Entspannungsgefässen verbunden sind, wobei die Entspannungsventile mit einer Differenzdruck-mess- und regeleinrichtung versehen sind. Den Ent spannungsgefässen kann jeweils eine Kondensationseinrichtung insbesondere eine Waschkolonne zugeordnet sein. Die Differenzdruck-mess- und regeleinrichtung kann aus einem oder zwei Differenzdruckgebern bestehen. Die Entspannungsventile sind zweckmässig mit den Kopf der Entspannungsgefässe verbunden. Die Waschkolonnen können direkt auf den Entspannungsgefässen angeordnet sein, wobei Trennwände zwischen den Entspannungsgefässen und den Waschkolonnen nicht erforderlich sind. Dabei ist der Sumpf der Entspannungsgefässe mit dem Kopf der jeweiligen Waschkolonne durch eine Leitung verbunden, in der eine Pumpe angeordnet ist. In diesen Leitungen können jeweils Wärmetauscher angeordnet sein, und den Waschkolonnen können Drosselventile nachgeschaltet werden. Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass bei plötzlich auftretenden Druckdifferenzen zwischen Anoden- und Kathodenkammern, diese rasch ausgeglichen werden können, ohne dass durch die damit verbundenen Gasstösse, z. B. Wasserverdampfung durch Druckentlastung,von beachtlichem Volumen wender die nachgeschaltete Aufbereitungsanlage noch die Umwelt, in die die Gase abgelassen werden müssten, belastet wird. Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Fliessbildern näher erläutert. Es zeigt Figur 1 eine Druckelektrolyseanlage, symbolisiert durch eine Druckelektrolysezelle mit nachgeschalteter Trennanlage für die Elektrolyseprodukte und Einrichtungen zum Messen, Einstellen und Regeln des Druckes in den Anodenund Kathodenkammern; Figur 2 die Sicherheitseinrichtung mit 2 Differenzdruckgebern; Figur 3 die Sicherheitseinrichtung mit einem Differenzdruckgeber. Die Alkalichloridlösung wird über Leitung 1 und Pumpe 3 der Anodenkammer 5 der Elektrolysezelle 9 zugeführt und Wasser bzw. Natronlauge der Kathodenkammer 6 über Leitung 2 und Pumpe 4. Die Elektrolysezelle 9 enthält die Anode 7 und die Kathode 8, die durch eine Ionenaustauschermembran 10 getrennt sind. Der Anolyt mit dem erzeugten Chlor wird über Leitungen 11 von den einzelnen Anodenkammern 5 einer Elektrolysezelle 9 der Sammelleitung 19 zugeführt und gelangt in den Abscheider 13, wo sich Anolyt und Chlor voneinander trennen. Entsprechend wird der Wasserstoff und die Natronlauge aus den Kathodenkammern 6 über Leitungen 12 in die Sammelleitung 20 und den Abscheider 14 eingebracht, in dem sich der Wasserstoff und die Lauge voneinander trennen. Die Gase aus den Abscheidern 13 und 14 gelangen über die Leitungen 15 und 16, die beiden Druckhalteventile 17 und 18 sowie über die Leitungen 22 und 23 in nachgeschaltete Anlagen zur Aufbereitung (nicht dargestellt). Die beiden Druckhalteventile 17 und 18 sind mit einer Differenzdruckregeleinrichtung 21 über Leitungen 24 und 25 verbunden und zwar so, dass unabhängig von den Absolutdrücken dafür gesorgt ist, dass die Drücke in den Abscheidern 13 und 14 annähernd gleich gross sind. Aus den Abscheidern 13 rund 14 werden die Flüssigkeiten mit Hilfe der Standregler 26 und 27 abgeleitet und zwar ein Teil der Lauge über Leitung 28, Leitung 32 und Pumpe 4 zurück in die Kathodenkammer 6 und der andere Teil über das Regelventil 30 und Leitung 33 in die Natronlaugenaufbereitung (nicht dargestellt). Die Sole'aus dem Abscheider 13 gelangt über Leitung 29 und Regelventil 31, das von dem Standregler 27 gesteuert wird, und Leitung 34 in die Entchlorungsanlage und Soleaufbereitung oder Salzlöse- station (nicht dargestellt). Durch die Bezugszeichen 35 und 36 sind Rohrleitungen angedeutet, mit denen die Sicherheitseinrichtung an die Sammelleitungen 19 und 20 angeschlossen werden kann. Je nach den örtlichen Verhältnissen, Grösse der Anlage, und Einteilung des Zelienblocks, kann die Sicherheitseinrichtung an die Sammelleitungen 19 und 20 oder an die Abscheider 13 und 14, und zwar an die gestrichelt gezeichneten Abgänge 37 und 38 angeschlossen werden, wobei der Anschluss an die Abscheider 13 und 14 den Vorteil hätte, daS vornehmlich Gase und Dampfe bei erforderlicher Druckentlastung abgeführt würden. Bedingung ist generall, dass der Anschluss der Sicherheitseinrichtung möglichst dicht bei den Zellenabgängen ange ordnet et ist und überall für den Störungsfall ausreichend grosse Strömungsquerschnitte zur Ableitung der grossen Gasmengen zur Verfügung stehen. Die Sicherheitseinrichtung nach Figur 2 weist als Differenzdruck-mess- und -regeleinrichtung zwei Differenz druckgeber 39 und 40 mit zwei Entspannungsventilen 41 und 42, zwei Entspannungsgefässen 43 und 44, zwei Waschkolonnen 45 und 46, zwei Umwälzpumpen 47 und 48, zwei Kühler 49 und 50 und zwei Regelventile 51 und 52, die z.B. weitgehend, vom Vordruck unabhängig, auf eingestellte max. Durchgangsmenge gesteuert werden können oder deren Durchgang sich cit steigendem Vordruck vergrössert. Je nach den vorliegenden örtlichen Verhältnissen wird man verschiedene Ausführungsarten wählen. Von den Sammelleitungen 19 und 20, die die Ausgangs produkte der Elektrolysezellen 9, die Chlor und Wasser stoff enthalten, aufnehmen, zweigen die Rohrleitungen 35 und 36 ab. Diese münden über regelbare Entspannungsventile 41 und 42 in die Entspannungsbehälter 43 und 44, denen jeweils druckfest ausgeführte Waschkolonnen 45 und 46 zugeordnet sind. Die in den Waschkolonnen aufsteigenden Gase werden durch Flüssigkeit, z.B. Alkalichloridlösung, Alkalilauge oder Wasser gekühlt. Mitgerissene Sole und Lauge wird ausgewaschen, Chlor absorbiert und Wasserdampf niedergeschlagen. Hierdurch werden die Gesamtvolumina der Gas ströme stark vermindert. Die Entspannungsgefässe 43 und 44 sind gleichzeitig als Sammelbehälter für die umlaufenden Flüssigkeiten aus -gebildet. Mit Hilfe der Pumpen 47 und 48 werden die Waschflüssigkeiten über die Leitungen 53 und 54, in denen Wärmetauscher 49 und 50 angeordnet sein können, aus den Entspannungsgefässen 43 und 44 abgesaugt und den Köpfen 55, 56 der Waschkolonnen aR nnd Ç 7ugefiihre Bei plötzlichem Öffnen eines der Entspannungsventile 41 oder 42 kann wie es zur schnellen Verminderung des Differenzdruckes erforderlich ist eine grössere Gasmenge in das System Entspannungsgefäss 43, 44 Waschkolonne 45, 46 entweichen. Dort wird aber die Gasmenge, wie erwähnt spontan vermindert. Das System 43, 44, 45, 46 ist ausserdem im Volumen so ausgelegt, dass es unter Drucksteigerung eine ausrechende Gasmenge abpuffern kann. Der Uberdruck wird über die Leitungen 57 und 58 sowie den Regelventilen 51 und 52 abgebaut, in dem die Regelventile 51 und 52 eine bis auf ein Maximum begrenzte Menge der Gase in die nachgeschalteten Anlagen, z.B. für das Chlor in eine Chlorrernichtung, über Leitungen 66, 67 durchlassen (nicht dargestellt). Auf diese Weise wird eine Uber lastung der nachgeschalteten Aufbereitungsanlagen vermieden. An Stelle der Regelventile können je nach den örtlich gegebenen Verhältnissen bzw. Auslegung der Anlagen auch einfache Drosselorgane eingesetzt werden. Das Offenen und Schliessen derEntspannungsventile 41 und 42 wird getrennt voneinander mit Hilfe der Differenz druck-mess- und -regeleinrichtung 39, 40 bzw. 59 vorgencnrni. Und zwar öffnet das Entspannungsventil 41, wenn in der Leitung 35 gegenüber.Leitung 36 ein festgelegter Differenz druck überschritten wird. Das Entspannungsventil 42 bleibt dabei geschlossen. Umgekehrt ist es, wenn der Druck in der Leitung 36 höher ist als in der Leitung 35, und dieser Differenzdruck einen festgelegten Wert überschreitet. Wenn die Druckdifferenz sich verringert, schliesst das jeweils geöffnete Entspannungsventil wieder uixlbei normalem Betriebszustand der Elektro lyseanlage sind die Entspannungsventile 41 und 42 ge schlossen. Es sei hier nochmals auf die verschiedene Funktionsweise der Druckhalteventile 17 und 18 (Figur 1) und der Entspannungsventile 41 und 42 der Sicherheits -rinrichtung figuren 2 und 3)hingcwcscn-.DieVontil-- 17 und 18 sind beim Betrieb der Elektrolyseanlagen in ständigem Spiel, d.h. jedes für sich lässt soviel Gase und Dämpfe durch, dass der Druck in der Elektrolyse anlage und zwar in den Anoden- wie den Kathodenkammern 5, 6 auf einem konstanten und eingestellten, auf beiden Seiten gleichen Wert, gehalten wird. Die Entspannungs ventile 41 und 42 der Sicherheitseinrichtung sind beim Betrieb der Elektroyseanlage dagegen normalerweise geschlossen und sprechen nur bei einem überhöhten Differenzdruck zwischen der Anoden- und Kathodenkammer 5 und 6 der Elektrolysezelle 9 an. Dieser überhöhte Differenzdruck kann in einem Störungsfall, z.B. beim Abriss einer Leitung oder auch beim An- oder Abfahren der Elektrolysenanlage auftreten. In diesen Fällen sind die Druckhalteventile 17 und 18 nicht in der Lage die plötzlich auftretenden Druck differenzen auszucleichen, da sie für die normal auf tretenden Durchflussmengen bemessen sein müssen und die anfallenden grossen Mengen an Gasen und Dämpfen daher nicht verarbeitet werden können. Ausserdem ist das Vorhandensein einer unabhängig arbeitenden Sicherheitseinrichtung grosser Abblaseleistung zum Schutz der wertvollen Anlagen vorteilhaft, denn mit dem Versagen eines Reglers muss bekanntlich stets gerechnet werden. Die Entspannungsgefässe 43 und 44 können räumlich getrennt von den Waschkolonnen 45 und 46 aufgestellt sein. Die Kühler 49 und 50 können entfallen, wenn die Entspannungsgefässe 43 und 44 als Doppelmantelgefässe ausgebildet sind oder in diese Kühlschlangen eingebaut werden. Wenn grosse WaschflUssigkeitsmengen vorgehalten werden müssen, kann unter Umständen auf eine Kühlung verzichtet werden. Die Regelventile 51 und 52 sollten so eingestellt werden, dass eine Uberlastung der nachgeschaltenten Produktionsanlagen vermieden wird. Während für die Sicherheitseinrichtung gemäss Figur 2 zwei Differenzdruckgeber 39, 40 vorgesehen sind, weist die Sicherheitseinrichtung gemäss Figur 3 lediglich einen Differenzdruckgeber 59 auf. Die Differenzdruckgeber sind jeweils über Leitungen 60, 61, 62, 63, 64, 65 mit den Leitungen 35, 36 der Sicherheitseinrichtung verbunden.

Claims: Patentansprüche: 1. Sicherhe itseinrichtung für Druckelektrolyseapparate zur Herstellung von Chlor, Alkalilauge und Wasserstoff aus wässriger Alkalichloridlösung mit Einrichtungen zum Messen, Einstellen und Regeln des Drucks in den Anoden und Kathodenkammer, die durch eine Ionenaustauscher membran voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeich net, dass die Anoden- und Kathodenkammern über Ent spannungsventile. (4 1, 42) wt. Entspannungsgefässen (43, 44) verbunden sind, wobei die Entspannungsventile (41, 42) mit einer Differenzdruck-meB- und regeleinrich tung versehen sind. 2. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass den Entspannungsgefässen (43, 44) jeweils eine Kondensationseinrichtung (45, 46), insbesondere eine Waschkolonne zugeordnet ist. 3. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzdruck-mess- und regel einrichtung aus zwei Differenzdruckgebern (39, AO) besteht. 4. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsventile (41,-42) mit dem Kopf der Entspannungsgefässe (43, 44) s unden sind 5. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet,dass die Waschkolonnen (45, 46) auf den Ent spannungsgefässen (43, 44) angeordnet sind, wobei Trenn wände zwischen den Entspannungsgefässen (43, 44) und den Waschkolonnen (45, 46) nicht erforderlich sind, und der Sumpf der Entspannungsgefässe (43, 44) mit dem Kopf (55, 56) der jeweiligen Waschkolonne (45, 46) durch eine Leitung (53, 54) mit Pumpe (47, 48) verbunden ist. 6. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Leitungen (53, 54) je weils ein Wärmetauscher (49, 50) angeordnet ist. 7. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass den Waschkolonnen (45, 46) Regelventile (51, 52) nachgeschaltet sind.

Inventors: BERGNER, DIETER, DR., HANNESEN, KURT, MULLER, WOLFGANG, SCHULTE, WILFRIED, STEINMETZ, PETER, Müller, Wolfgang
Applicants: HOECHST AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1982
Main classification: C25B15
IPC codes: C25B9, C25B15