Электролизер для получения магния и хлора

 

Техническим результатом изобретения является снижение потерь магния при электролизе, повышение выхода магния по току и производительности электролизера, снижение удельного расхода электроэнергии за счет перераспределения плотности тока на участках катода, организации направленной циркуляции электролита и ускорения вывода магния из электролитического отделения. Электролизер для получения магния и хлора содержит кожух с футеровкой, сборную ячейку и электролитические отделения, в которых размещены катоды с ребрами и аноды с хлоротводящими каналами, выполненными в виде чередующихся между собой впадин и выступов на наружной поверхности анода. Часть ребер на катоде со стороны сборной ячейки расположена напротив впадин анода, а другая часть - напротив выступов на аноде. Количество ребер катода, расположенных напротив впадин анода, равно 0,15-0,25 от их общего количества. Впадины и/или выступы хлоротводящих анодов выполнены трапецеидальной формы. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к устройствам для получения магния электролизом расплавленных солей.

Основные потери магния при электролизе зависят от величины плотности тока на электродах и времени пребывания его в электролитической ячейке в атмосфере хлора. С повышением катодной плотности тока и ускорения вывода магния в сборную ячейку потери магния за счет его взаимодействия с хлором снижаются, возрастает выход магния по току, а удельный расход электроэнергии соответственно снижается.

Известен электролизер (авт. св. СССР N 533676, опубл. БИ 40 1976 г.), включающий стальной кожух с футеровкой. Через перекрытие в электролитическую ячейку введены графитовые аноды и стальные катоды, на рабочей поверхности которых размещены вертикальные пластины - ребра. Внутреннее пространство электролизера разделено перегородкой на сборную ячейку и электролитические отделения. Кроме того, ребра на катодах имеют переменную высоту, составляющую 0,6-0,8 межэлектродного расстояния в нижней части катода, и 0,01-0,02 - в верхней части катода.

Данное техническое решение направлено на снижение омического сопротивления электролизера и не решает задачи по разделению продуктов электролиза. Магний и хлор в межэлектродном пространстве транспортируются вверх совместно. Наличие ребер позволяет перераспределить плотность тока по катоду. Но в то же время магний и хлор сближаются, их вероятность взаимодействия возрастает и выход по току не может быть высоким, т.к. внешний край ребер приближается к поверхности катода на 1-3 см.

Известен электролизер для получения магния и хлора (патент РФ N 2087594, опубл. БИ 23 1997 г.), содержащий футеровку, катоды и аноды с хлоротводящими каналами, открытыми в сторону межэлектродного зазора, причем каналы выполнены с переменной шириной и глубиной при их увеличении снизу вверх на рабочей части анода, причем суммарное поперечное сечение каналов составляет 0,01-0,30 сечения межэлектродного зазора.

Недостаток данного электролизера заключается в том, что плотность тока остается сравнительно низкой (до 0,25 А/см²) и магний на катоде выделяется в виде мелких капель, суммарная поверхность их велика, что не позволяет достаточно полно разделить продукты электролиза.

Известен электролизер (патент РФ N 2128245, опубл. БИ N9 1999 г.), наиболее близкий по существенным признакам и достигаемому результату (прототип). Данный электролизер для получения магния и хлора включает кожух с футеровкой, сборную ячейку и электролитические отделения, в которых размещены на межэлектродном расстоянии катоды с ребрами и аноды с хлоротводящими каналами, выполненными в виде чередующихся между собой впадин и выступов на наружной поверхности анода, причем ребра на рабочей поверхности катода расположены напротив выступов хлоротводящих каналов анода.

Недостатком данного электролизера является то, что при равномерном распределении плотности тока на катоде не создается направленной циркуляции электролита с магнием в сторону сборной ячейки и потери магния за счет взаимодействия его с хлором сравнительно велики, т.к. в межэлектродном пространстве не исключаются встречные потоки и замкнутая циркуляция газожидкостных потоков.

Задачей изобретения является снижение потерь магния при электролизе, повышение выхода магния по току и производительности электролизера, снижение удельного расхода электроэнергии за счет перераспределения плотности тока на участках катода, организации направленной циркуляции электролита и ускорения вывода магния из электролитического отделения.

Поставленная задача решается так, что в электролизере для получения магния и хлора, включающем кожух с футеровкой, сборную ячейку и электролитические отделения, в которых размещены катоды с ребрами и аноды с хлоротводящими каналами, выполненными в виде чередующихся между собой впадин и выступов на наружной поверхности анода, предложено часть ребер на катоде со стороны сборной ячейки расположить напротив впадин анода, а другую часть - напротив выступов на аноде.

Кроме того, количество ребер катода, расположенных напротив впадин анода, равно 0,15-0,25 от их общего количества.

Кроме того, впадины и/или выступы хлоротводящих анодов выполнены трапецеидальной формы.

Размещение вертикальных ребер на катоде со стороны сборной ячейки напротив впадин хлоротводящих каналов анода, а на остальной части катода - напротив выступов позволяет создать в электролитическом отделении электролизера переменное межэлектродное расстояние и перераспределить плотность тока на катоде. В зоне повышенной плотности тока скорость газожидкостного потока значительно выше, создается избыточный динамический напор и поток электролита с магнием направляется в сторону сборной ячейки, время пребывания магния в электролитическом отделении существенно сокращается, что повышает выход магния по току, производительность электролизера, а удельный расход электроэнергии снижается.

Количество ребер на катоде, расположенных напротив впадин анода, определяется расчетом и проверяется экспериментом, оно составляет 0,15-0,25 от общего количества ребер на катоде. При количестве ребер более 0,25 от общего числа существенно сокращается зона с повышенной плотностью тока и выход магния по току заметно снижается, а менее 0,15 - объем зоны с пониженной циркуляцией электролита недостаточен, направленная циркуляция электролита ослабевает и потери магния за счет его хлорирования существенно возрастают.

Выполнение впадин и/или выступов трапецеидальной формы позволяет улучшить отвод хлора в поверхности анода.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного электролизера. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На чертеже показана конструкция электролизера с нижним вводом анодов и размещением катодов в продольной стенке. Возможна такая конструкция анодов и катодов и для электролизера с верхним вводом анодов.

Электролизер состоит из кожуха 1, футеровки 2, перегородки 3, разделяющей сборную ячейку 4 от электролитических отделений 5, в которых размещены аноды 6 с хлоротводящими каналами с впадинами 7 и выступами 8, катодов 9 с ребрами 10.

Электролизер работает следующим образом.

В сборную ячейку 4 заливают расплав хлоридов металлов, содержащий хлорид магния. Сборная ячейка 4 отделена от электролитических отделений 5 с помощью перегородки 3 с переточными окнами, через которые расплавленное сырье поступает из сборной ячейки в электролитические отделения. На помещенные в электролитические отделения 5 аноды 6 и катоды 9 подают постоянный электрический ток. Создают на катодах плотность тока, равную d_К = 0,25 А/см², устанавливают межэлектродное расстояние l_э=7 см, высоту ребер 10 на катоде 9 Н_р=2 см, глубину хлоротводящих каналов (впадин 7) на аноде 6 Н_хо = 3 см. Тогда максимальное межэлектродное расстояние l_мах = l_э-Н_р+Н_хо-7 - 2 + 3 = 8 см, минимальное l_min=l_э - Н_р = 7-2 = 5 см. Под воздействием постоянного тока хлорид магния разлагается и на ребрах 10 катодов 9 выделяется магний, на выступах 8 анодов 6 - хлор. Плотность тока на ребрах катода перераспределяется в зависимости от их расположения таким образом, что на ребрах в зоне у сборной ячейки она примерно в 1,6 раз меньше, чем на ребрах у продольной футеровки 2 электролизера, и тем самым создается разность динамических напоров газожидкостных потоков и электролит с магнием направляется в сторону сборной ячейки 4. Плотность тока распределяется обратно пропорционально расстоянию между электродами 6 и 9, а падение между электродами на всех участках одинаковое.

Тогда d_кI_эρ_э = d_maxI_minρ_э = d_minI_maxρ_э, (1) где ρ_э удельное сопротивление электролита d_max = d_кI_эρ_э/I_minρ_э = 0,25·7/5 = 0,35 A/см² (2) d_min = d_kI_эρ_э/I_minρ_э= 0,25·7/8 = 0,22 A/см² (3) Соотношение плотностей тока d_max/d_min = 0,35/0,22 = 1,59 (4) Время нахождения магния в электролитическом отделении и его потери за счет хлорирования становятся минимальными. Исследования показали, что электролизер предложенной конструкции имеет более высокий выход магния по току и производительность, а удельный расход электроэнергии постоянного тока существенно ниже.

Формула изобретения

1. Электролизер для получения магния и хлора, включающий кожух с футеровкой, сборную ячейку и электролитические отделения, в которых размещены катоды с ребрами и аноды с хлоротводящими каналами, выполненными в виде чередующихся между собой впадин и выступов на наружной поверхности анода, отличающийся тем, что часть ребер на катоде со стороны сборной ячейки расположена напротив впадин анода, а другая часть - напротив выступов на аноде.

2. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что количество ребер катода, расположенных напротив впадин анода, равно 0,15 - 0,25 от их общего количества.

3. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что впадины и/или выступы выполнены трапецеидальной формы.

РИСУНКИ

Рисунок 1