Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zur Herstellung von flüssigem Al¬ kalimetall aus einer flüssigen Alkalimetall-Schwermetalllegierung.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind unter einen Alkalimetall insbeson¬ dere Natrium, Kalium oder Lithium zu verstehen.

Natrium ist ein wichtiges anorganisches Grundprodukt, das u.a. zur Herstellung von Natri¬ um-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 prä- parativen organischen Chemie eingesetzt wird. Die Natriumgewinnung erfolgt heute haupt¬ sächlich nach dem Downs-Verfahren durch Schmelzflusselektrolyse eines ternären Gemi¬ sches aus NaCl, CaCl2 und BaCl2.

Lithium findet u.a. Verwendung in der Kerntechnik zur Herstellung von Tritium, als Legie¬ rungszusatz zu Aluminium, Blei oder Magnesium, bei organischen Synthesen, zur Synthese komplexer Metallhydride, zur Herstellung metallorganischer Verbindungen, für Kondensa¬ tionen, Dehydrohalogenierungen, zur Herstellung ternärer Amine oder quarnären Ammoni¬ umsalzen, in der Mineralölindustrie als Katalysator und zur Entschwefelung, zur Polymeri- sation von Isopren zu cis-Polymeren, in der Keramikindustrie zur Regelung des Ausdeh¬ nungskoeffizienten, 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 Alkalichlo- ridschmelzen hergestellt, wobei die Schmelzpunkte der Salzschmelzen durch Zusätze von Alkalichloriden herabgesetzt werden.

Bei beiden Metallen, Natrium und Lithium, ist die Standzeit der bekannten Elektrolysezel¬ len 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 gewon¬ nene Natrium hat, bedingt durch die Schmelzzusätze, den Nachteil, dass es primär mit Kal¬ zium verunreinigt ist, dessen Restgehalt durch nachträgliche Reinigungsschritte zwar ver- mindert, aber niemals völlig entfernt werden kann. Bei dem nach dem Downs-Prozess ge¬ wonnenen Lithium besteht ein wesentlicher Nachteil darin, dass die wässrigen Lithiumchlo¬ ridsolen, 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 Tempe- raturen arbeitet. Außerdem enthält das entstehende Kalium ca. 1% Natrium als Verunreini¬ gung 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 ge¬ wonnen 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 Alkalime¬ talllaugen umgesetzt und dann im geschlossenen Kreislauf in die Chloralkalielektrolyse zurückgeführt.

GB 1,155,927 beschreibt ein Verfahren, nach welchem unter Einsatz eines festen Natriumi¬ onenleiters mit Amalgam als Anode und Natrium als Kathode auf elektrochemischem Wege Natriummetall aus Natriumamalgam gewonnen werden kann. Die Ausführung des in GB 1,155,927 beschriebenen Verfahrens führt aber nicht zu den dort beschriebenen Ergebnissen hinsichtlich Natriumumsatz, Produktreinheit und Stromdichte. Ferner verhält sich das be¬ schriebene System im Verlauf weniger Tage instabil, wenn der beanspruchte Temperaturbe¬ reich eingehalten wird.

EP 1 114 883 Al beschreibt ein gegenüber dem in Dokument GB 1,155,927 beschriebenen Verfahren verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Alkalimetalls ausgehend von Alka¬ limetallamalgam. Die Herstellung erfolgt bei diesem Verfahren durch Elektrolyse mit einer Alkaliamalgam enthaltenden Anode, einem Alkalimetallionen-leitenden Festelektrolyt und flüssigem Alkalimetall als Kathode, wobei das Alkaliamalgam als Anode bewegt wird. Die Elektrolyse wird dabei in einer Elektrolysezelle durchgeführt, die einen einseitig geschlos- senen rohrförmigen Festelektrolyten umfasst, der in ein konzentrisches Edelstahlrohr derart eingebaut ist, dass ein Ringspalt entsteht. Dieses Verfahren, durchgeführt in dieser Elektro- lysezelle, hat gegenüber dem oben erläuterten Stand der Technik, insbesondere gegenüber der Alkalimetall-Herstellung nach dem Downs-Prozess, folgende Vorteile:

Die Zelle erlaubt einen Prozess mit einem um 40% geringeren Energiebedarf, die Vorstufe dabei eingeschlossen, bedingt durch die höhere Stromausbeute aufgrund der verhinderten Rückreaktion und durch die geringe Zellspannung.

Die Zelle hat keine prozessbedingte Limitierung der Lebensdauer.

- Es ist Teillast oder gar die Unterbrechung der Produktion möglich.

Es werden nur flüssige Stoffe eingesetzt und erzeugt, die leicht zu dosieren sind.

Die Salze werden in der Vorstufe des beschriebenen Prozesses als wässrige Solen ein- gesetzt.

Der Apparat läuft voll automatisch.

Es werden hochreine Alkalimetalle erzeugt.

Es sind keine zusätzlichen Reinigungsschritte mehr erforderlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine Elektrolysezelle bereitzustellen, die auf dem in der EP 1 114 883 Al beschriebenen Verfahren und der darin offenbarten Vorrich- tung basiert, bei der eine effektive Trennung Alkalimetall-Schwermetalllegierungs- führender von Alkalimetall-führenden Bauteilen erreicht wird. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, eine kostengünstige und problemlose Wartung der Elektrolysezelle zu ermöglichen.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch eine Elektrolysezelle zur Herstellung von flüssigem Alkalimetall aus einer flüssigen Alkalimetall-Schwermetalllegierung, enthal¬ tend

- ein im Wesentlichen horizontal angeordnetes Rohr mit je einer Verschlussvorrichtung an jedem der zwei Enden des Rohres, - mindestens eine in dem Rohr angeordnete, an einem Ende geschlossene, an dem anderen Ende eine Öffnung aufweisende Festelektrolytröhre, die Alkalimetallionen leitet, wobei die Festelektrolytröhre in dem Rohr konzentrisch angeordnet und mit der Öffnung einem Ende des Rohrs zugewandt ist, so dass sich ein erster Ringspalt zur Führung der eine Anode bil- denden flüssigen Alkalimetall-Schwermetalllegierung zwischen der Innenseite des Rohrs und der Außenseite der Festelektrolytröhre befindet,

- einen Innenraum in der Festelektrolytröhre zur Aufnahme des als Kathode nutzbaren flüs¬ sigen Alkalimetalls,

wobei die Verschlussvorrichtung eine in den ersten Ringspalt mündende Alkalimetall- Schwermetalllegierungs-Zuführung oder -Abführung, eine Halteeinrichtung für die Fest¬ elektrolytröhre, eine mit dem Innenraum der Festelektrolytröhre verbundene Alkalimetallab¬ führung und ein Dichtungssystem zur Abdichtung des Innenraums der Festelektrolytröhre und der Alkalimetallabführung gegen den ersten Ringspalt, die Alkalimetall- Schwermetalllegierungs-Zuführung oder -Abführung und gegen die Umgebung der Elektro¬ lysezelle umfasst.

Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle ermöglicht ein Betreiben der Elektrolyse im techni- sehen Maßstab. Die Verschlussvorrichtung übernimmt dabei eine Vielzahl von Funktionen, so dass ein einfacher Aufbau der Elektrolysezelle erreicht wird. Die erfindungsgemäße E- lektrolysezelle ist für den kontinuierlichen Betrieb vorgesehen. Die Strömung der flüssigen Alkalimetall-Schwermetalllegierung wird vorzugsweise durch eine außerhalb der Elektroly¬ sezelle liegende Pumpe angetrieben. Das im Wesentlichen horizontal angeordnete Rohr bil- det zusammen mit der in sie eingeschobenen Festelektrolytröhre das Reaktionsmodul, in dem die Elektrolyse stattfindet. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Elektrolysezelle wird sichergestellt, dass die Alkalimetall-Schwermetalllegierung so geführt wird, dass der Transport des in dem Schwermetall gelösten Alkalimetalls an die Oberfläche des Alkalime¬ tallionen leitenden Festelektrolyten für hohe Stromdichten einer industriellen Produktion gewährleistet ist.

Ferner kann durch die geeignete Werkstoffauswahl für die Konstruktion der erfindungsge¬ mäßen Elektrolysezelle eine lange Standzeit erreicht werden, wie es für Vorrichtungen der industriellen Chemie üblich ist. Die Elektrolyse kann bei der erfindungsgemäßen Zelle je- derzeit unterbrochen werden, ohne die Zelle zu schädigen. Der erfindungsgemäßen Zelle wird eine flüssige Alkalimetall-Schwermetalllegierung zuge¬ führt, insbesondere ein Alkalimetall-Amalgam mit Natrium, Kalium oder Lithium als Alka¬ limetall. Weitere mögliche Schwermetalle als Bestandteil der flüssigen Alkalimetall- Schwermetalllegierung sind Gallium oder Blei oder Legierungen aus Gallium, Blei und Quecksilber. Um Natrium-Amalgam in flüssiger Form zu halten, muss die Natriumkonzent¬ ration dieser Lösung Werte von weniger als 1 Gew.-%, bevorzugt 0,2 bis 0,5 Gew.-% auf¬ weisen. Um Kalium-Amalgam in flüssiger Form zu halten, liegt die Kaliumkonzentration der Lösung bei weniger als 1,5 Gew.-%, vorzugsweise 0,3 bis 0,6 Gew.-%. Um Lithium¬ amalgam in flüssiger Form zu halten, liegt die Lithiumkonzentration der Lösung bei weni- ger als 0,19 Gew.-%, vorzugsweise bei 0,02 bis 0,06 Gew.-%.

Als Material für das im Wesentlichen horizontal angeordnete Rohr wird vorzugsweise Edel¬ stahl oder Graphit gewählt. Als Material für die Festelektrolytröhre kommen bei der Natri- umherstellung keramische Materialien wie NASICON® in Betracht, deren Zusammenset¬ zung in der EP-A 0 553 400 angegeben ist. Auch Natriumionen-leitende Gläser sind geeig¬ net sowie Zeolithe und Feldspate. Bei der Herstellung von Kalium kommt ebenfalls eine Vielzahl von Materialien in Frage. Sowohl die Verwendung von Keramiken als auch die Verwendung von Gläsern sind möglich. Beispielsweise kommen folgende Materialien in Betracht: KBiO3, Galliumoxid-Titandioxid-Kaliumoxid-Systeme, Aluminiumoxid- Titandioxid-Kaliumoxid-Systeme und KASICON®-Gläser. Bevorzugt sind jedoch Natrium- ß"-Aluminiumoxid, Natrium-ß-Aluminiumoxid und Natrium-ß/ß"- Aluminiumoxid bezie¬ hungsweise Kalium-ß"-Aluminiumoxid, Kalium-ß-Aluminiumoxid und Kalium-ß/ß"- Aluminiumoxid. Kalium-ß"-Aluminiumoxid, Kalium-ß-Aluminiumoxid beziehungsweise Kalium-ß/ß"-Aluminiumoxid können ausgehend von Natrium-ß"-aluminiumoxid, Natrium- ß-Aluminiumoxid beziehungsweise Natrium-ß/ß "-Aluminiumoxid durch Kationenaustausch hergestellt werden. Bei der Herstellung von Lithium kommt ebenfalls eine Vielzahl von Materialien in Frage. Beispielsweise kommen folgende Materialien in Betracht: Li4-XSi1- xPχO4, Li-beta" -Al2O3, Li-beta- Al2O3, Lithiumanaloga von NASICON®-Keramiken, Li- thiumionenleiter mit Perowskitstruktur und sulfidische Gläser als Lithiumionenleiter.

Die Festelektrolytröhre ist einseitig geschlossen und vorzugsweise dünnwandig, aber druck¬ fest und mit einem kreisförmigen Querschnitt gestaltet.

Das Rohr weist eine Länge zwischen 0,5 m und 2 m, bevorzugt zwischen 0,9 m und 1,1 m auf. Der Innendurchmesser des Rohrs beträgt zwischen 35 mm und 130 mm, bevorzugt zwi- schen 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 verwen¬ det werden und bevorzugt zwischen 15 und 20 mm, wenn das Rohr durch Gießen hergestellt wurde.

Die Festelektrolytröhre weist einen Außendurchmesser zwischen 30 mm und 100 mm auf, bevorzugt zwischen 55 mm und 65 mm. Die Wandstärke der Festelektrolytröhre beträgt zwischen 0,9 mm und 2,5 mm, bevorzugt zwischen 1,2 mm und 1,8 mm. Sie weist eine Länge 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, be¬ vorzugt zwischen 4,5 mm und 5,5 mm.

Die Alkalimetall-Schwermetalllegierung gelangt über die Alkalimetall- Schwermetalllegierungs-Zuführung in den die Festelektrolytröhre umgebenden ersten Ring¬ spalt. Von dort aus durchströmt die Alkalimetall-Schwermetalllegierung das Rohr durch den ersten Ringspalt, um schließlich über die Alkalimetall-Schwermetalllegierungs-Abführung aus dem Rohr abzufließen. Die Elektrolyse wird dadurch betrieben, dass zwischen der Au¬ ßenseite 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 bil¬ det. 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 Ionenleiter 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 Fest- elektrolytröhre überführte Alkalimetall kann von dort über den Alkalimetallablauf kontinu¬ ierlich abgeführt werden. Die Elektrolyse wird bei einer Temperatur im Bereich von 260 bis 4000C durchgeführt. Für die Elektrolyse eines Alkalimetallamalgams sollte die Temperatur unterhalb der Siedetemperatur von Quecksilber liegen, bevorzugt bei 3100C bis 325°C, falls das Alkalimetall Natrium ist, und bei 265°C bis 2800C, falls das Alkalimetall Kalium ist, und bei 3000C bis 3200C falls das Alkalimetall Lithium ist. Vorzugsweise wird die Alkalimetall-Schwermetalllegierung bereits auf 2000C bis 3200C, bevorzugt auf 2500C bis 2800C vorgeheizt der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle zuge¬ führt. Dazu kann der Elektrolysezelle ein Wärmetauscher, insbesondere ein Gegenstrom- Wärmetauscher, zugeordnet sein, so dass die in Bezug auf das Alkalimetall abgereicherte, das Rohr der Elektrolysezelle verlassende heiße Alkalimetall-Schwermetalllegierung die Alkalimetall-Schwermetalllegierungs-Zuführung des Rohres beheizt. Ein Vorheizen der Alkalimetall-Schwermetalllegierung ist aber auch mit Hilfe von um die Zuführung gewi¬ ckelten Heizdrähten möglich.

An den beiden Stirnseite des im Wesentlichen waagerecht angeordneten Rohrs befindet sich je eine Verschlussvorrichtung, die geeignet ist, jeweils eine einseitig geschlossene Festelekt¬ rolytröhre, 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 gefüllt Raum in den in 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 Festelekt¬ rolytröhre gegen die Umgebung abzudichten. Sie enthält ein Dichtungssystem zur Abdich¬ tung des Innenraums der Festelektrolytröhre und der Alkalimetall-Abführung gegen den ersten Ringspalt, die Alkalimetall-Schwermetalllegierungs-Zuführung oder -Abführung und gegen die Umgebung der Elektrolysezelle.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Verschluss¬ vorrichtung einen fest mit dem Rohr verbundenen Teil und einen abnehmbaren Teil, wobei der fest mit dem Rohr verbundene Teil der Verschlussvorrichtung stoffschlüssig oder einstückig mit dem Rohr verbunden ist. Dadurch, dass die Verschlussvorrichtung einen ab¬ nehmbaren Teil enthält, wird ein Zugriff auf die in dem Rohr angeordneten Bauteile der Elektrolysezelle ermöglicht, insbesondere zu ihrer Reparatur, zum Austausch oder zur War¬ tung. In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle um- fasst der abnehmbare Teil der Verschlussvorrichtung einen T-förmigen Stutzen, der die Al¬ kalimetall-Abführung enthält. Über die Alkalimetall-Abführung kann schmelzflüssiges Al¬ kalimetall aus dem Innenraum der Festelektrolytröhre abgezogen werden. Der T-förmige Stutzen ist vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, so dass er als elektrischer Anschluss für die Kathode einsetzbar ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind ein erster Isolati¬ onsring und ein zweiter Isolationsring so in der Verschlussvorrichtung angeordnet, dass sie den T-förmigen Stutzen gegenüber anderen elektrisch leitfähigen Bestandteilen der Ver¬ schlussvorrichtung elektrisch isolieren. Wird also der T-förmige Stutzen als elektrischer Anschluss für die Kathode genutzt, so ist er gegen die mit der Anode verbundenen elekt¬ risch leitfähigen Bestandteile der Elektrolysezelle, zum Beispiel gegenüber dem Rohr elekt¬ risch isoliert, so dass ein Kurzschluss vermieden wird. Die Isolationsringe bestehen vor¬ zugsweise aus einem elektrisch nicht leitenden keramischen Material. Insbesondere beste¬ hen sie aus gesintertem Al2O3, ZrO2, Magnesiumoxid oder Bornitrid.

Das Dichtungssystem, das in der Verschlussvorrichtung angeordnet ist, umfasst vorzugs¬ weise zwei an zwei Seiten des ersten Isolationsrings anliegende Dichtungsringe. Dabei han¬ delt es sich z.B. um handelsübliche Flachdichtungsringe aus flnxibler Graphitfolien, die mit Edelstahlfolien verstärkt sind, beispielsweise SIGRAFLEX®. Grundsätzlich sind alle hin- sichtlich Temperatur- und chemischer Beständigkeit geeigneten Dichtungen einsetzbar. Ein weiteres Beispiel für verwendbare Dichtungsringe sind laminierte Glimmerdichtungen wie KLINGERmilam®.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist angrenzend an den ersten Isolationsring zwischen den zwei Dichtungsringen ein Ringraum zur Führung eines unter Druck zugeführten Inertgases, insbesondere von Stickstoff, angeordnet. Damit ist das Dichtungssystem der Elektrolysezelle besonders sicher. Das Inertgas wird unter Druck in den Ringraum geleitet. Es kann weder Alkalimetall-Schwermetalllegierung über den einen Dichtungsring, noch Alkalimetall über den anderen Dichtungsring in den Ringraum ge- drückt werden, wenn der Druck des Inertgases ausreichend hoch eingestellt wird. Vorzugs¬ weise wird das Inertgas mit einem höheren Druck aufgepresst als Gegendruck auf der Alka- limetall-Schwermetalllegierungs-Seite oder auf der Alkalimetall-Seite zu erwarten ist. Falls die Dichtungsringe unzureichend abdichten, tritt Inertgas in die Alkalimetall- Schwermetalllegierung oder das Alkalimetall über, woraus sich keine negativen Konse- quenzen ergeben. Ohne diesen Ringraum mit Inertgas zwischen den zwei Dichtungsringen könnte durch Leckage austretende Alkalimetall-Schwermetalllegierung oder austretendes Alkalimetall einen elektrischen Kurzschluss zwischen Anode und Kathode verursachen. Ferner wird durch diese Maßnahme verhindert, dass zum Beispiel Quecksilberdampf, falls es sich bei der Alkalimetall-Schwermetalllegierung um ein Amalgam handelt, über die Dichtungsringe in das Alkalimetall permeiert. In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle ist im In¬ nenraum der Festelektrolytröhre ein Verdrängungskörper so angeordnet, dass sich ein zwei¬ ter Ringspalt zur Aufnahme des flüssigen Alkalimetalls zwischen der Außenseite des Ver¬ drängungskörpers und der Innenseite der Festelektrolytröhre befindet. Durch den Verdrän- gungskörper wird das Volumen im Innenraum der Festelektrolytröhre, das durch Alkalime¬ tall 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 ei¬ ner noch nicht mit Alkalimetall gefüllten Festelektrolytröhre gestartet wird. Als Verdrän¬ gungskörper kann aber auch ein geschlossener Hohlkörper dienen. Dieser Hohlkörper hat den Vorteil, dass er aufgrund seines geringeren Gewichts einfacher in die Festelektrolytröh¬ re eingeschoben werden kann, ohne diese zu beschädigen. Ferner kann als Verdrängungs¬ körper ein einseitig geschlossenes, genau an die Form des Innenraums der Festelektrolytröh¬ re angepasstes dünnwandiges Blechrohr dienen, das in die Festelektrolytröhre eingeführt wird, so dass sich ein sehr schmaler zweiter Ringspalt ausbildet. In das dünnwandige Blech- röhr kann ein weiterer Körper zur Verstärkung eingesetzt werden. Der als Blechrohr ausge¬ führte Verdrängungskörper hat den Vorteil, dass die Menge an Alkalimetall, die beim Ver¬ sagen der Festelektrolytröhre mit Alkalimetall-Schwermetalllegierung gemischt wird, sehr gering ist.

Vorzugsweise sind in dem Rohr zwei Festelektrolytröhren angeordnet, die mit der Öffnung je einem Ende des Rohres zugewandt sind.

Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Elektrolysevorrichtung mit einer Vielzahl von E- lektrolysezellen, wobei die Elektrolysezellen so miteinander verbunden sind, dass die flüs- sige Alkalimetall-Schwermetalllegierung als mäanderförmiger Strom durch die Elektrolyse¬ zellen geführt wird. Die erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung hat den Vorteil, dass sie modular aufgebaut ist. Es sind mindestens zwei übereinander angeordnete Zellen zu einer Elektrolyseeinheit verbunden, die durch einen Volumenstrom aus Alkalimetall- Schwermetalllegierung vom ersten bis zum letzten Rohr durchströmt wird. Die Anzahl der Elektrolysezellen kann dabei beliebig erhöht werden. Ebenso kann die Anzahl der parallel eingesetzten Elektrolyseeinheiten beliebig vergrößert werden. Damit wird eine Herstellung von Alkalimetallen im industriellen Maßstab ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung umfasst vorzugsweise 2 bis 100 Rohre, be- sonders 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.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer erfindungsgemäßen E- lektrolysezelle zur Herstellung von Natrium, Kalium oder Lithium aus einem flüssigen Al¬ kalimetall-Amalgam.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

Es zeigt:

Figur 1 einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle und

Figur 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung.

Besondere Ausführungsformen

Figur 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle zur Herstel¬ lung von flüssigem Alkalimetall aus einer flüssigen Alkalimetall-Schwermetalllegierung.

Die Elektrolysezelle umfasst ein im Wesentlichen horizontal angeordnetes Rohr 1. In Figur 1 ist nur ein Ende des Rohres 1 mit einer Verschlussvorrichtung 4 dargestellt. Die erfin- dungsgemäße Elektrolysezelle ist jedoch weitgehend symmetrisch aufgebaut mit einer wei¬ teren (nicht dargestellten) Verschlussvorrichtung 4 am anderen Ende des Rohres 1. In dem Rohr ist eine Festelektrolytröhre 12 konzentrisch angeordnet, die an ihrem (nicht dargestell¬ ten) Ende geschlossen ist und an dem anderen (dargestellten) Ende eine Öffnung 11 auf¬ weist. Die Öffnung 11 ist dem Ende des Rohres 1 zugewandt. Zwischen der Innenseite des Rohrs 1 und der Außenseite der Festelektrolytröhre 12 befindet sich ein erster Ringspalt 13 zur Führung der eine Anode bildenden flüssigen Alkalimetall-Schwermetalllegierung, die durch die Alkalimetall-Schwermetalllegierungs-Zuführung 8 in das Rohr 1 gelangt und durch den ersten Ringspalt 13 an der Festelektrolytröhre 12 entlang bis zu einer (nicht dar¬ gestellten) Alkalimetall-Schwermetalllegierungs- Abführung 9 am anderen Ende des Rohrs 1 strömt. Der Innenraum 14 der Festelektrolytröhre 12 dient dazu, während der Elektrolyse dort entstehendes flüssiges Alkalimetall aufzunehmen, das als Kathode der Elektrolysezelle nutzbar ist.

In die jeweilige Verschlussvorrichtung 4 sind neben der Alkalimetall- Schwermetalllegierungs-Zuführung 8 oder Alkalimetall-Schwermetalllegierungs- Abführung 9 eine Haltereinrichtung für die Festelektrolytröhre 12, eine mit dem Innenraum 14 der Festelektrolytröhre 12 verbundene Alkalimetall- Abführung 15 und ein Dichtungssystem integriert. Die Verschlussvorrichtung 4 enthält einen fest mit dem Rohr 1 verbundenen Teil 20 und einen abnehmbaren Teil, wobei der fest mit dem Rohr 1 verbundene Teil 20 der Ver¬ schlussvorrichtung 4 stoffschlüssig mit dem Rohr 1 verbunden ist.

Der abnehmbare Teil der Verschlussvorrichtung 4 ist mit Hilfe eines Spannrings 3 an dem fest mit dem Rohr 1 verbundenen Teil 20 der Verschlussvorrichtung 4 befestigbar. Der Spannring 3 ist mit Hilfe zweier in je eine Gewindebohrung 10 im fest mit dem Rohr 1 ver¬ bundenen Teil 20 der Verschlussvorrichtung 4 eingeschraubter Gewindebolzen 21, die sich durch je eine Bohrung 22 im Spannring 3 erstrecken und mittels einer Mutter 23 und einer Spannscheibe 24 an der Verschlussvorrichtung 4 festspannbar.

Der abnehmbare Teil der Verschlussvorrichtung 4 umfasst einen T-förmigen Stutzen 25, der die Alkalimetall- Abführung 15 enthält. Der T-förmige Stutzen 25 ist vorzugsweise aus ei- nem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, so dass er als elektrischer Anschluss für die Kathode einsetzbar ist. Er kontaktiert direkt das im Innenraum 14 bei der Elektrolyse ent¬ stehende Alkalimetall.

In der in Figur 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind ein erster Isolationsring 26 und ein zweiter Isolationsring 27 so in der Verschlussvor¬ richtung 4 angeordnet, dass sie den T-förmigen Stutzen 25 gegenüber anderen elektrisch leitfähigen Bestandteilen der Verschlussvorrichtung 4 elektrisch isolieren. Der erste Isolati¬ onsring 26 ist mit dem die Öffnung 11 aufweisenden Ende der Festelektrolytröhre 12 mit Hilfe eines elektrisch nicht leitenden Klebers 28 verbunden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Kleber 28 um ein Glas. Der abnehmbare Teil der Verschlussvorrichtung 4 umfasst neben dem Spannring 3 und dem T-förmigen Stutzen 25 auch den zweiten Isolationsring 27. Im festgespannten Zustand drückt der Spannring 3 den zweiten Isolationsring 27, den T-förmigen Stutzen 25 und den ersten Isolationsring 26 gegen den fest mit dem Rohr 1 verbundenen Teil 20 der Ver- Schlussvorrichtung 4. Diese Bauteile bilden so eine Halteeinrichtung für die Festelektrolyt¬ röhre 12, die durch den Druck auf den mit ihr verbundenen ersten Isolationsring 26 an dem fest mit dem Rohr 1 verbundenen Teil 20 der Verschlussvorrichtung 4 festgehalten wird. Zwischen dem Spannring 3 und dem zweiten Isolationsring 27 ist ein weiterer Dichtungs¬ ring 38 angeordnet. Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle enthält ferner eine federnde Stützvorrichtung 29, welche den konzentrischen Einbau der Ionen-leitenden Festelektrolyt¬ röhre 12 in das Rohr 1 erleichtert und die Gewichtskräfte im leeren Zustand und die Auf¬ triebskraft im gefüllten Zustand des Innenraums 14 der Festelektrolytröhre 12 zum Teil auf¬ nimmt.

Das Dichtungssystem der Verschlussvorrichtung 4 umfasst zwei an zwei Seiten des ersten Isolationsrings 26 anliegende Dichtungsringe 30, 31. Angrenzend an den ersten Isolations¬ ring 26 ist zwischen den zwei Dichtungsringen 30, 31 ein Ringraum 32 zur Führung eines unter Druck zugeführten Inertgases angeordnet. Das Inertgas wird über eine Gasleitung 33 dem Ringraum 32 unter Druck zugeführt.

Mit dem fest mit dem Rohr 1 verbundenen Teil 20 der Verschlussvorrichtung 4 ist die Alka- limetall-Schwermetalllegierungs-Zuführung 8 beziehungsweise -Abführung 9 verbunden. In Figur 1 ist eine Alkalimetall-Schwermetalllegierungs-Zuführung 8 dargestellt, über die die Alkalimetall-Schwermetalllegierung in einen Legierungs-Ringraum 34 fließt, der von dem ersten Ringspalt 13 durch ein umlaufendes Sieb 35 abgetrennt ist. Dieser Aufbau ist vorteil¬ haft für die Verteilung der Alkalimetall-Schwermetalllegierungs-Strömung über den Quer¬ schnitt des als Reaktionszone dienenden ersten Ringspaltes 13. Ferner verhindert diese An¬ ordnung, dass störende Festkörperteilchen in die Reaktionszone gelangen und dort zu Blo¬ ckaden führen.

Der Innenraum 14 der Festelektrolytröhre 12 ist fast vollständig von einem Verdrängungs¬ körper 36 ausgefüllt, so dass lediglich ein zweiter Ringspalt 37 zwischen der Außenseite des Verdrängungskörpers 36 und der Innenseite der Festelektrolytröhre 12 für das entstehende Alkalimetall frei bleibt. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrich¬ tung.

Die Elektrolysevorrichtung umfasst eine Vielzahl von Rohren 1, die eine Elektrolyseeinheit 2 bilden. Es sind drei übereinander angeordnete Rohre 1 einer Elektrolyseeinheit 2 darge¬ stellt. 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 Festelekt- rolytröhren 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 die Alkalimetall-Schwermetalllegierungs-Zuführung 8 in das oberste Rohr 1 gelangt und durch den Ringspalt 13 an den Festelektrolytröhren 12 entlang bis zur Alkalimetall-Schwermetalllegierungs-Abführung 9 und von dort aus in das nächst tiefere Rohr 1 strömt. Die Alkalimetall-Schwermetalllegierung wird durch die dargestellte Anord¬ nung der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung als mäanderförmiger Strom durch die Elektrolyseeinheit 2 geführt. Jede Verschlussvorrichtung 4 dient als Halterung für eine Fest¬ elektrolytröhre 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, wie oben zu Figur 1 beschrieben. Der Innenraum 14 dient dazu, während der Elektrolyse dort entstehendes flüssiges Alkalimetall aufzunehmen, das als Kathode der Elektrolysevor¬ richtung nutzbar ist. Der Innenraum 14 ist mit einer Alkalimetall- Abführung 15 verbunden, die über eine Ableitung 16 das Alkalimetall 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 Fest¬ elektrolytröhren 12 kann die Elektrolyse fortgesetzt werden. Bezugszeichenliste

1 Rohr 2 Elektrolyseeinheit 3 Spannring 4 Verschlussvorrichtung 5 Legierungsverteiler 6 Alkalimetall-Schwermetalllegierung 7 Auslassstutzen 8 Alkalimetall-Schwermetalllegierungs-Zuführung 9 Alkalimetall-Schwermetalllegierungs-Abführung 10 Gewindebohrung 11 Öffnung 12 Festelektrolytröhre 13 erster Ringspalt 14 Innenraum 15 Alkalimetall-Abführung 16 Ableitung 17 Alkalimetallsammler 18 Sammelrinne 19 Deckel 20 fest mit dem Rohr verbundener Teil der Verschlussvorrichtung 21 Gewindebolzen 22 Bohrung im Spannring 23 Mutter 24 Spannscheibe 25 T-förmiger Stutzen 26 erster Isolationsring 27 zweiter Isolationsring 28 elektrisch nicht leitender Kleber 29 federnde Stützvorrichtung 30 erster Dichtungsring 31 zweiter Dichtungsring 32 Ringraum 33 Gasleitung 34 Legierungs-Ringraum umlaufendes Sieb Verdrängungskörper zweiter Ringspalt Dichtungsring