NO130119B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte for smelteelektrolytisk fremstilling

av magnesium og elektrolyser for gjennomføring av fremgangsmåten.

Denne oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for smelteelektrolytisk fremstilling av metaller fra metallklorider, og særlig en fremgangsmåte for fremstilling av magnesium og klor fra magnesiumkloridholdig saltsmelte. Videre vedrører oppfinnelsen en elektrolysør med spesielt utformede katoder for gjennomføring av fremgangsmåten.

Ved ordinær fremstilling av magnesium ved smelteelektrolyse av magnesiumklorid sirkulerer elektrolytten i en lukket sløyfe mellom selve elektrolyserommet og det som kan kalles de utenforliggende rom. Denne naturlige sirkulasjon skyldes

sannsynligvis i det alt vesentlige <::>gas-lif t"-effekten.

Et av hovedprinsippene for gjennomføring av Mg-elektrolysen og for den konstruktive utforming av Mg-elektrolyseceller er at de to produkter, magnesium og klor, skal kunne samles opp med minimalt rap. Da rekombinasjon av produktene er en nær li gi-ende tapsmulignet, legges det stor vekt på å hindre denne ved å tilstrebe hurtig og fullstendig separasjon av magnesium og klor. Vanligvis fjernes først gassen fra elektrolytt-/metallblandinge.n i et gassutskillingsrom og deretter metallet fra elektrolytten i et metallutskillingsrom. 1 de klassiske IG-elektrolysører for Mg-elektrolyse blir dannet klorgass og metall noldt adskilt ved hjelp av spesielle skjermer, såkalte diafragma, som deler 'den enkelte celle i Områder for henholdsvis klor- og magnesium-oppsamling. En elektrolysør med.flere celler har derfor mange gass- og metalloppsamlincisrom.

Utviklingen har imidlertid gått i retning av større og mer effektive elektrolysørtyper med dobbeltvirkende katoder, nvor gassen fra cellene oppsamles i et felles område, og hvor den naturlige strømning utnyttes til også å transpor-tere metall og elektrolytt fra den enkelte celle til et felles utskillings- og oppsamlingsområde for metall. Dobbeltvirkende katoder er katoder hvor.begge sideflater er elektrolytisk aktive, og hvor hver aktiv.flate vender mot en samsvarende anodeflate. Dette vil si at anoder og katoder er anordnet vekselvis etter hverandre i en rekke. Elektrolysører som arbeider etter dette prinsipp omfatter tre hovedområder, elektrolyserom, gassutskillingsrom og metallutskillingsrom. De to førstnevnte er i prinsippet adskilt fra sistnevnte ved en skillevegg. Skilleveggen nar åpninger ved den nedre ende■for gjennomstrømning av elektrolytt til elektrolyserommet. Det er videre anordnet åpninger ved den øvre ende, men under elektrolyttoverflaten, gjennom hvilke elektrolytt og dannet magnesiummetall strømmer .fra gassutskillingsrommene til metallo<p>psamlings-rommet. En elektrolysør av denne type er vist og beskrevet bl.a. i norsk patent nr. 123 727.

Karakteristisk for denne kjente elektrolysørkonstruksjon

med felles metallutskillingsrom for mange celler og samlet transport av elektrolytt og metall til dette, er at kommunikasjonen mellom gassutskillingsrom og metallutskillingsrom skjer via "vindusåpninger" i skilleveggen mellom dem.

Denne løsning har en del åpenbare svakheter. Metall som produseres langt borte fra å<p>ningen, får relativt lang oppholdstid i gass fylt elektrolytt med derav følgende øket risiko for rekombinasjon. Hovedstrømmen i elektrolyserommet følger diagonalen, slik at gassen i stor utstrekning føres frem mot skilleveggen og lett kan rives med gjennom åpningen. Det gis liten mulighet for regulering av .elektro-lytthastigheten foran og i selve åpningen, slik at det er vanskelig å oppnå en tilstrekkelig forskjell mellom gassboblenes og elektrolyttens hastighetsvektorer og derav resulterende effektiv adskillelse av gass fra elektrolytt og metall.

Dette kjente hovedprinsipp for cellekonstruksjon kompliserer avveiningen mellom kortest mulig oppholdstid for metallet i elektrolyse- og gassutskillingsrom og minst mulig overføring av gass til metallutskillingsrommet.

Problemene her er søkt løst på forskjellige måter. Eksempel-vis er det foreslått å benytte økende avstand mellom elektrodene i retning av skilleveggen, avtakende elektrodehøyde i samme retning og delvis avsugning av klor gjennom anodene, og da mest nærmest skilleveggen.

Det er videre kjent å la metallutskillingen skje i den enkelte celle, men deretter la metallet transporteres i omvendte renner til et felles: metalloppsamlingsrom. De åpenbare fordeler ved å ha' få rom for gass- og metall-bppsamlirrg utnyttes også i dette tilfelle. En elektrolys cSr basert på dette prinsipp er vist og beskrevet bl.a. i norsk patent nr. 3 7 6 36.

I denne cellskonstruksjonen er gass- og metallutskillings-rommene praktisk talt sammenfallende. Derte innskrenker mulighetene for å oppnå stor forskjell i gassboblenes, metalldråpenes og elektrolyttens hastighetvektorer i de kritiske områder. Også her er derfor avveiningen mellom kortest mulig oppholdstid for metallet i elektrolyse- og gassutskillingsrom og minst mulig overføring av gass til oppsamlingsrommet for metall, meget komplisert. Selv ved en optimal tilpasning av de aktuelle <p>arametere synes det ikke mulig å unngå et betydelig gasstap ved den strømning som tilveiebringes i denne kjente konstruksjon.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å oppnå

hurtig og fullstendig separasjon av gass og metall for derved å tilveiebringe en oppsamling av de to hovedprodukter magnesium og klor i få rom med minimalt tap på grunn av rekombinasjon av disse. Denne fullstendige adskillelse av magnesium og klor oppnås ved hjelp av en fremgangsmåte som gir utstrakt mulighet for variasjon av strømnings-hastighetene i det kritiske område hvor gasseparasjon skal finne sted. -

Andre fordeler og formål méd oppfinnelsen vil fremgå av

den nedenfor følgende beskrivelse.

Ifølge oppfinnelsen er hovedformålet søkt realisert ved å

la elektrolytten og metallet strømme i det vesentlige, i motsatt retning av gassboblene under gassutskillingen,

slik at de aktuelle hastighetsvektorer derved blir mest mulig forskjellige. Denne fremgangsmåte er, slik den er definert' i det etterfølgende patentkrav, kjennetegnet ved

at metallet sammen med elektrolytten skilles fra den oppstigende klorgasstrøm ved å avbøyes i en retning i.det vesentlige motsatt gassboblenes oppstigningsretning,

idet metall og elektrolytt under utnyttelse av den naturlige strømning bringes til å strømme gjennom ett eller flere hulrom anordnet i de enkelte katoder og ledes gjennom hulrommene over i det tilgrensende metallutskillings- og opp-samlingsrom, hvoretter elektrolytten sirkulerer videre inn i elektrolyserommene gjennom åpninger ved elektrolysørens bunn, mens det utskilte metall på i og for seg kjent måte stiger opp til overflaten i metalloppsamlingsrommet.

Oppfinnelsen vedrører videre en elektrolysør for gjennom-føring av fremgangsmåten. Elektrolysøren omfatter elektrolyserom , gassutskillingsrom og metallutskillingsrom, og den er utstyrt med vekselvis anordnede anoder og katoder, nvor de mot anoden vendende elektrolytisk aktive sider av katoden har samme polaritet. Elektrolysøren er spesielt kjennetegnet ved at i hver av katodene er anordnet ett eller flere hulrom som gir kommunikasjon mellom gassutskillingsrom og metallutskillingsrom."

Hulrommenes innløpsåpning ligger fortrinnsvis i katodenes topp, altså stort sett i et horisontalplan, mens utløps-åpningen ligger i et vertikalplan.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen medfører at strømningen

i elektrolyserommet, dvs. rommet mellom anode og katode,

i størst mulig grad skjer vertikalt oppover. Det er ingen tendens til diagonaleffekt. Dette er det "riktigste" strømningsforløp, det som raskest fører gass og metall bort fra rommet. I området over katoden, som her utgjør gassutskillingsrommet, snur elektrolytt- og metallstrømmen 180° og fortsetter vertikalt nedover. For en hurtig og fullstendig avgassing av væsken er dette altså den prinsipielt sett beste løsning. Elektrolytt- og metallstrømmen fortsetter deretter inne i katoden mot metallutskillingsrommet uten å forstyrre forholdene i elektrolyse- og gassutskillingsrommet.

Plasseringen, og utformingene av- strømningsh.ulrommets inn:l$ps-åpning muliggjør en utstrakt grad av regulering av strøm-ningshastighetene i gassutskillingsrommet. Ved å variere henholdsvis katodetoppens og innløpsspaltens bredde Kan hastighetene innstilles slik at metallet raskt føres med elektrolytten ut av gassutskillingsrommet mens gassen holdes tilbake. Konstruksjonen medfører videre at hele området over katoden funksjonerer som et gassutskillingsrom i motsetning til cellene med vanlig vinduså<p>ning. Det er derfor ikke oenov for tiltak som f.eks. avtakende elektrode-høyde mot skilleveggen eller øket avgassingsflate i nærheten av denne.

Den raske og effektive adskilling av gass fra elektrolytt/ metallblanding som oppnås ved oppfinnelsen, gir en rekke gevinstmuligheter.

Minsket kbntakttid mellom gass og metall reduserer rekcmbina-sjonsgraden, og derved øker strømutbyttet ved elektrolysen.

Redusert overføring av gass til metalloppsamlingsrom betyr mindre reelt tap av gass og minsker de miljømessige problemer som gasstapet medfører.

Både øket strømutbytte og minsket gasstap representerer kostnadsreduksj oner.

Oppfinnelsen skal i det etterfølgende beskrives mer utførlig i forbindelse med en utførelses form av en elektrolysør som er særlig- egnet for gjennomføring av en elektrolyttsirkula-sjon ifølge o<p>pfinnelsen, og som er vist på den medfølgende tegning.-

På tegningen viser. fig. 1 et norisontalsnitt av en elektrolysør med dobbeltvirkende katoder ifølge oppfinnelsen.

Fig. 2 viser et vertikalsnitt etter linjen A-A på fig. 1.

Fig. 3 viser et vertikalsnitt etter linjen B-B på fig. 2.

Anodene 1 og katodene 2 er plassert vekselvis slik at begge elektrodetyper er dobbeltvirkende, d.v.s. at de har elektrolytisk aktive ytterflater med samme polaritet.. Elektrolyserommet er betegnet med 3, gassutskillingsrommet med 4

og metallutskillingsrommet 5. Mellom elektrolyserommet 3

og metallutskillingsrom 5 er plassert en nedre skillevegg 9. Gassutskillingsrommet 4 og metallutskillingsrommet 5 er videre atskilt ved hjelp av en øvre vegg 10. Strømningshulrommene 6 i den hule katode har innløp ved 7 og utløp ved 8.

Hulrommets innløps åpning ligger i katodetoppens horisontalplan, mens utløpsåpningen ligger i et vertikalplan og munner ut i metallutskillingsrommet 5.

Som det fremgår av fig. 2 er katodene forlenget forbi skilleveggen 9. I denne forlengelse har kanalen et tak il som heller nedover. Dette nedover hellende tak tjener som en ytterligere sikring for å holde tilbake gass som vil trenge inn i metallutskillingsrommet og har videre betydning for strømningsforholdene i utløpsåpningen. Videre er hulrommet utformet med en svakt hellende bunn 12 i retning mot metallutskillingsrommet. Hellingsvinkelen innvirker på strømningsforholdene inne i selve hulrommet.

På snittet i følge fig. 3 som viser det vertikale strømnings-bilde under selve elektrolysen, er for oversiktens skyld det hellende tak 11 ikke inntegnet.

Strømningen i cellekonstruksjonen er antydet med piler. Hovedsaklig som følge av gassutviklingen ved anoden,

strømmer elektrolytten, sammen med gassen og metallet dannet ved katoden, vertikalt oppover i elektrolyserommet.

I gassutskillingsrommet snur elektrolytt/metallstrømmen

180° og strømmer vertikalt nedover inn i strømningskanalen

i katoden. Ved å velge den rette dimensjonering av katode-

topp og hulrommets innløpsåpning oppnås, som tidligere nevnt,

at gassen^ forlater væsken praktisk talt fullstendig mens metallet følger elektrolyttstrømmen. Inne i katoden snur elektrolytt/metallstrømmen 90° før den når metallutskillingsrommet. 1 dette skilles metallet ut, det stiger opp og legger seg på elektrolyttoverflaten. Elektrolytten strømmer nedover, svinger inn under elektrodene og derfra tilbake, til elektrolyserommet.

Det vil forstås at elektrolysøren som er vist på fig. 1-3

bare representerer en foretrukket utføreIses form av en elektrolysør for bruk ved den praktiske gjennomføring av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen og at andre konstruk-

sjoner og modifikasjoner kan anvendes som sørger for en gunstig tilpasning av de parametere som innvirker på strømningsforholdene. F.eks. kan katodene være forsynt med flere hulrom, og deres innløpsåpning henholdsvis utløpsåpning kan varieres i avhengighet av de strømnings-

forhold som søkes etablert. Likeledes kan utformingen av det forlengede tak og hellingsvinkelen for kanalens bunn varieres. Videre kan den øvre skillevegg 10 erstattes av andre innretninger, f.eks. av en neddykket klokke.

I stedet for to ulike skillevegger 9 og 10, kan også være

anordnet én eneste skillevegg.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte ved smelteelektrolytisk fremstilling av magnesium, under anvendelse av elektrolyserer med vekselvis anordnede, anoder og katoder, hvor de mot anoden vendende elektrolytisk aktive sider av katoden har samme polaritet og hvor flere, cellers gassutskillingsrom står i forbindelse med et felles metallutskillingsrom, cg elektrolytten under utnyttelse av "gas-lift"-effekten sirkulerer i en lukket sløyfe mellom den enkelte celles elektrolyserom og de utenforliggende rom, karakterisert ved at elektrolytten sammen med det dannede metall skilles fra det dannede klor ved avbøyning av- metall-elektrolytt-strømmen i en. retning motsatt gassboblenes onpstigningsretning ved at metall og elektrolytt tvinges til å strømme gjennom ett eller flere hulrom anordnet i hver katode og ledes gjennom disse hulrom over i det tilgrensende 'metallutskiIlings- og opp-samlingsrom, hvoretter elektrolytten føres tilbake til elektrolys erommene for fortsatt smelteelektrolyse, mens metallet po i og for seg kjent måte stiger opp til .overflaten i metallo<p>psamlingsrommet.

2. Elektrolysør for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1, med vekselvis anordnede anoder og katoder, hvor de mot anoden vendende elektrolytisk aktive, sider av katoden har samme polaritet og omfattende elektrolyserom, gassutskillingsrom og metallutskillingsrom, og hvor elektrolyserommet og metallutskillingsrommet er atskilt ved hjelp av en skillevegg, karakterisert ved at det i katodene(2) er anordnet ett eller flere hulrom (6) som gir kommunikasjon mellom gassutskillingsrom (4) og metallutskillingsrom (5).

3. Elektrolysør ifølge krav 2, karakterisert ved at hulrommene (6) har innløpsåpning (7) i eller ved katodenes (2) overkant.

4. Elektrolysør ifølge krav 3, karakterisert ved at katodene er forlenget gjennom skilleveggen (9) slik at hulrommenes utløpsåpning (3) ligger utenfor skilleveggens vertikalplan. b.

Elektrolysør ifølge krav 4, karakterisert ved at hulrommene i katodenes forlengelse har et hellende tak (11).

6. Elektrolysør ifølge krav 4 eller 6, karakterisert ved at hulrommenes bunn (12) forløper svakt hellende mot utløps-åpningen .