NO134495B

NO134495B -

Info

Publication number: NO134495B
Application number: NO148373A
Authority: NO
Inventors: P Mcintosh; R D Holliday
Original assignee: Conzinc Riotinto Ltd
Priority date: 1972-04-17
Filing date: 1973-04-10
Publication date: 1976-07-12
Also published as: NO134495C

Description

Oppfinnelsen vedrører en celle for bruk ved elektrolytisk fremstilling av metaller i smeltede halogenidsystemer, omfattende to eller flere i nær avstand plaserte, i det vesentlige parallelle, plane, ikke-forbrukbare elektroder som er skråstilt om en vinkel på mellom 7 og 15° i forhold til vertikalplanet, og med et mellomrom mellom elektrodene for det smeltede halogenidsystem og hvor katodeflaten er skråstilt om en positiv vinkel i forhold til vertikalplanet og anoden er skråstilt om en tilsvarende negativ vinkel til vertikalplanet. The invention relates to a cell for use in the electrolytic production of metals in molten halide systems, comprising two or more closely spaced, substantially parallel, planar, non-consumable electrodes inclined at an angle of between 7 and 15° in relation to the vertical plane, and with a space between the electrodes for the molten halide system and where the cathode surface is inclined at a positive angle in relation to the vertical plane and the anode is inclined at a corresponding negative angle to the vertical plane.

De celler oppfinnelsen vedrører er spesielt beregnet til fremstilling av aluminium og magnesium, men kan også The cells to which the invention relates are particularly intended for the production of aluminum and magnesium, but can also

anvendes i et hvilket som helst system hvor metallproduktet er tyngre enn elektrolytten og hvor metallet blir dannet som en væskefase, f.eks. bly, bismut, sink, cerium, gallium, fra den respektive smelte av halogenidoppløsninger (fortrinnsvis klori-der ) . used in any system where the metal product is heavier than the electrolyte and where the metal is formed as a liquid phase, e.g. lead, bismuth, zinc, cerium, gallium, from the respective melt of halide solutions (preferably chlorides).

Det er kjent å benytte vertikale elektroder i celler for produksjonen av både aluminium og magnesium, f.eks. i US-patent nr. 2.512.157. Cellene i dette patent er imidlertid begrenset til å raffinere urene faste aluminiumanoder i kloridelektrolytter med avsetting av fast aluminium på aluminiumkatoder. Da det ikke er sørget for tilstrekkelig mulighet for frigjøring ' av gass fra mellomrommet mellom elektrodene, vil dette resultere i lave strømnyttevirkninger dersom denne cellen ble tilpasset for elektroutvinning av aluminium. It is known to use vertical electrodes in cells for the production of both aluminum and magnesium, e.g. in US Patent No. 2,512,157. However, the cells in this patent are limited to refining impure solid aluminum anodes in chloride electrolytes with the deposition of solid aluminum on aluminum cathodes. As there is not sufficient opportunity for the release of gas from the space between the electrodes, this will result in low current efficiency if this cell were adapted for the electroextraction of aluminium.

Tidligere ekstraksjonsprosesser for aluminium, slik som f.eks. de som er angitt i US-patentene nr. 2.959-533, 3.382.166 og 3.352.767 virker med variable elektrodeavstander og sørger heller ikke for tilstrekkelig separasjon av gassen. Disse Previous extraction processes for aluminium, such as e.g. those set forth in US Patent Nos. 2,959-533, 3,382,166 and 3,352,767 operate with variable electrode distances and also do not provide adequate separation of the gas. These

•patenter spesifiserer også bruken av den konvensjonelle kryolitt-A^O-j-elektrolytten, inkludert de selvbrennende karbonanoder som •patents also specify the use of the conventional cryolite A^O-j electrolyte, including the self-igniting carbon anodes which

er obligatorisk i et slikt system. is mandatory in such a system.

I tilfelle av magnesium anvender de konvensjonelle elektrolysecellene som benyttes for reduksjon av magnesiumklorid, vertikale anoder i forbindelse med elektrolytter med høy tetthet, dvs. elektrolytter som er tyngre enn den smeltede magnesium som er produsert, og det blir således nødvendig med komplekse katode-konstruksjoner for å samle den smeltede magnesium ved overflaten av smeiten. Selv om man nå kjenner kloridelektrolytter med lav tetthet som muliggjør at magnesium kan bli samlet på cellegulvet, In the case of magnesium, the conventional electrolytic cells used for the reduction of magnesium chloride employ vertical anodes in conjunction with high density electrolytes, i.e. electrolytes heavier than the molten magnesium produced, thus requiring complex cathode structures for to collect the molten magnesium at the surface of the smelt. Although low density chloride electrolytes are now known which enable magnesium to accumulate on the cell floor,

er de eksisterende cellekonstruksjoner til bruk med slike elektrolytter helt forskjellige fra de nye og effektive cellekonstruksjoner som foreslås ifølge foreliggende oppfinnelse. are the existing cell constructions for use with such electrolytes completely different from the new and efficient cell constructions proposed according to the present invention.

US-patentene nr. 2.468.022 og 2.696.688 (Blue et al) beskriver en celle med bipolare elektroder for magnesium av betydelig kompleksitet som anvender vertikale elektroder. Hensiktene med Blue-konstruksjonen er å forenkle konstruksjonen US Patent Nos. 2,468,022 and 2,696,688 (Blue et al) describe a magnesium bipolar electrode cell of considerable complexity employing vertical electrodes. The purposes of the Blue construction are to simplify the construction

av elektrolysekamrene for å sørge for forbedret gassforsegling og for å øke kapasiteten av cellene véd å sørge for flere elektroder enn i det konvensjonelle apparat. Imidlertid blir disse hensikter oppnådd med betydelige omkostninger ved at den totale cellekonstruksjon kompliseres. Således består et separat tilføringskammer med to eller tre avdelinger, sammen med et fordelingssystem for saltsmelten, enten av et demningskammer som er montert over midten av cellen eller av en rekke fordelings-kanaler som er innebygget i veggene i cellen. I tillegg er det nødvendig med en pumpe for smeltet salt for sirkulering av elektrolytten. of the electrolysis chambers to ensure improved gas sealing and to increase the capacity of the cells by providing more electrodes than in the conventional apparatus. However, these purposes are achieved at considerable cost by complicating the overall cell construction. Thus, a separate supply chamber with two or three compartments, together with a distribution system for the salt melt, consists either of a dam chamber which is mounted over the middle of the cell or of a series of distribution channels which are built into the walls of the cell. In addition, a molten salt pump is required to circulate the electrolyte.

Blue-cellen er avhengig av tvungen sirkulasjon av smeiten for å fjerne magnesium fra rommene mellom elektrodene i cellene som benytter smeltesystemer med høyere tetthet enn magnesium. I disse cellene flyter det smeltede metall opp til overflaten. Det hevdes at cellen fungerer ved 0,43 - 0,45 amp/ cm , som er typisk for almxnnelig praksis. Imidlertid sies det at strømnyttevirkningen er omkring 75 %, og det må legges merke til at det egentlig ikke er beskrevet noen driftsbetingelser. The Blue cell relies on forced circulation of the melt to remove magnesium from the spaces between the electrodes in cells that use higher density melt systems than magnesium. In these cells, the molten metal floats to the surface. It is claimed that the cell works at 0.43 - 0.45 amp/cm, which is typical for common practice. However, the power efficiency is said to be around 75%, and it must be noted that no operating conditions are actually described.

Den lave strømnyttevirkning er ikke overraskende fordi man mener The low current efficiency is not surprising because one thinks

at konstruksjonen er helt utilstrekkelig for å sikre separering that the construction is completely inadequate to ensure separation

av klor fra magnesium. Betraktelige, mengder innesperret gass mellom elektrodene må forekomme, noe som ikke bare skyldes at elektrodene ikke har noen helling, men også fordi avstanden mellom elektrodene er små helt opp og forbi overflaten av smeiten. of chlorine from magnesium. Considerable quantities of trapped gas must occur between the electrodes, which is not only due to the fact that the electrodes have no slope, but also because the distance between the electrodes is small all the way up and beyond the surface of the melt.

Blue-cellen gir ikke en tilstrekkelig kompakthet og effektivitet fordi det benyttes lav strømtetthet og mer spesielt fordi det ikke er sørget for tilstrekkelig fjerning av klor, noe som fører til lav strømnyttevirkning. Videre er det sannsynlig at omkostningene ved tilleggskomponentene i stor utstrekning opphever den påståtte fordel som gjør det mulig å anvende flere elektroder med mindre avstand innenfor elektrolysekammeret enn i konvensjonelle anlegg. The Blue cell does not provide sufficient compactness and efficiency because a low current density is used and more particularly because adequate removal of chlorine is not provided for, which leads to low current efficiency. Furthermore, it is likely that the costs of the additional components to a large extent negate the claimed advantage which makes it possible to use more electrodes with a smaller distance within the electrolysis chamber than in conventional plants.

US-patent nr. 3-396.094 (Sivilotti et al) illustrerer hvor langt det er nødvendig å gå for å forbedre strømnyttevirk-ningen i konvensjonelle celler ved å modifisere fremgangsmåten med å samle opp magnesium på smeltens overflate. US-patent nr. 3-418.223 (Love) viser den plass man taper inne i en celle som et resultat av å benytte en katode av to deler for å samle opp metall på overflaten av smeiten, og nevnte patent viser også konstruksjonsmessig kompleksitet av det typiske kammer for opp-samling av klor. I både Sivilotti-celler og Love-celler kan man vente at separering av klor fra smeiten kan bli ufullstendig fordi det mangler tilstrekkelig fri overflate for gasseparering. Det er videre kjent, f.eks. fra US-patent nr. I.545.383 å benytte celler med tett sammenpakkede skråstilte elektroder. Ved slike systemer har man imidlertid en stor skumdannelse og man har videre den ulempe at man ikke får en tilfredsstillende strømtetthet. US Patent No. 3-396,094 (Sivilotti et al) illustrates how far it is necessary to go to improve current efficiency in conventional cells by modifying the method of collecting magnesium on the surface of the melt. US Patent No. 3-418,223 (Love) shows the space lost inside a cell as a result of using a two-piece cathode to collect metal on the surface of the smelt, and said patent also shows the structural complexity of the typical chambers for collecting chlorine. In both Sivilotti cells and Love cells, one can expect that separation of chlorine from the smelt may be incomplete because there is a lack of sufficient free surface for gas separation. It is further known, e.g. from US Patent No. I,545,383 to use cells with tightly packed inclined electrodes. With such systems, however, there is a large formation of foam and you also have the disadvantage that you do not get a satisfactory current density.

I US-patent nr. 3.067.124 er det vist en elektrolyse-celle hvor alle fire sider i rektangulære seksjonsceller benyttes som arbeidskatode. Man har også ved denne utforming det problem som forefinnes ved benyttelsen av skråstilte elektroder i celler, nemlig at det opptrer en utstrakt tilbakereaksjon for katode-produktet på grunn av kontakten med anodegass-skum. In US patent no. 3,067,124 an electrolysis cell is shown where all four sides of rectangular section cells are used as working cathode. This design also has the problem that occurs with the use of inclined electrodes in cells, namely that an extensive back reaction occurs for the cathode product due to the contact with anode gas foam.

Videre er det fra US-patent nr. 3-028.324 kjent en celle for elektrolyse av A120^ oppløst i smeltet kryolitt. Dette - er et meget korrosivt system og medfører en rekke problemer som man ikke har ved kloridelektrolyser, og cellen har i tillegg følgende ulemper. Por å oppnå motstand mot korrosjon av katoden må det brukes komplekse og dyre materialer såsom legeringer av Furthermore, from US patent no. 3-028,324 a cell for the electrolysis of Al 2 O 3 dissolved in molten cryolite is known. This - is a very corrosive system and entails a number of problems that you do not have with chloride electrolysis, and the cell also has the following disadvantages. In order to achieve resistance to corrosion of the cathode, complex and expensive materials such as alloys must be used

■ TiB2 og TiC. ■ TiB2 and TiC.

Cellen drives med lavt strømutbytte som er typisk for kryolyttiske smelter. Videre har cellen alle de problemer som fremkommer med bruken av karbonanode som forbrukes, og særlig den ujevne brenning av anoden utgjør et hovedproblem for å The cell is operated with a low current yield which is typical for cryolytic melts. Furthermore, the cell has all the problems that arise with the use of carbon anode which is consumed, and in particular the uneven burning of the anode constitutes a main problem for

opprettholde en lik elektrodeavstand i cellegeometrien. Dess-■ uten vil cellen være utsatt for skumproblemer av den samme type som man har funnet er typisk for driften med skråstilte elektrodesystemer, og vil således ikke bare bli utsatt for reduksjon av katodeutbyttet ved tilbakereaksjon, men også oksydasjon av katodeflåtene på grunn av kontakt med CC^, som vil være hoved-komponenten for anodegasskummet i elektrolysen av A^O^. maintain an equal electrode spacing in the cell geometry. Otherwise, the cell will be exposed to foaming problems of the same type that have been found to be typical for operation with inclined electrode systems, and will thus not only be exposed to a reduction of the cathode yield by back reaction, but also to oxidation of the cathode floats due to contact with CC^, which will be the main component of the anode gas foam in the electrolysis of A^O^.

Foreliggende oppfinnelse har til hensikt å unngå problemer av den art som fremkommer ved denne tidligere kjente celle, og de skumdannelsesproblemer man har ved celler med skråstilte elektroder. The purpose of the present invention is to avoid problems of the kind that arise with this previously known cell, and the foaming problems one has with cells with inclined electrodes.

Dette oppnås ved en celle av den innledningsvis This is achieved by a cell of it initially

nevnte type som er kjennetegnet ved det som fremgår av kravene. said type which is characterized by what appears in the requirements.

Et av hovedtrekkene ved foreliggende oppfinnelse er således den erkjennelse at halogenid-smeltesystemer, og spesielt klorid-smeltesystemer, spesielt beregnet på aluminium- og magnesiumproduksjon i celler hvor det anvendes nær hverandre anbragte parallelle elektrodesystemer, ble utsatt for utstrakt skumdannelse og tilbakeholdelse. Man har funnet at tilbake-reaks j onen mellom tilbakeholdt anodegasskum og katodemetall-utfellingen er hovedgrunnen til tap i strømeffektiviteten og at således dannelsen av skum er et hovedproblem som må overvinnes hvis et system med nær hverandre anbragte elektroder skal virke tilfredsstillende. Man har funnet at dette problem kan overvinnes ved en celle som er. utformet i samsvar med oppfinnelsen slik at det som en integrert del av cellekonstruksjonen er anordnet et nøyaktig dimensjonert kammer over elektrodene og i kontakt direkte med mellomrommet mellom elektrodene i systemet. Man har dessuten funnet at det er kritisk viktig at dimensjonene for gassfrigivningskammeret er nøyaktig tilpasset til de totale dimensjoner for elektrodesystemet og til elektrodemellomrommet for enhver gitt hellingsvinkel for elektrodene i forhold til One of the main features of the present invention is thus the recognition that halide smelting systems, and especially chloride smelting systems, especially intended for aluminum and magnesium production in cells where closely spaced parallel electrode systems are used, were exposed to extensive foaming and retention. It has been found that the back-reaction between retained anode gas foam and the cathode metal precipitation is the main reason for loss in current efficiency and that thus the formation of foam is a main problem that must be overcome if a system with closely spaced electrodes is to function satisfactorily. It has been found that this problem can be overcome by a cell which is designed in accordance with the invention so that, as an integral part of the cell construction, a precisely dimensioned chamber is arranged above the electrodes and in direct contact with the space between the electrodes in the system. It has also been found that it is critically important that the dimensions of the gas release chamber are precisely matched to the overall dimensions of the electrode system and to the electrode gap for any given angle of inclination of the electrodes relative to

vertikalplanet. the vertical plane.

Skumproblemet er ikke tidligere blitt betraktet i forbindelse med elektrolysecellekonstruksjonene og således vil det til tross for at det eksisterer mange patenter angående bruken av parallelle, skråstilte elektroder, ikke finnes noe konstruksjonstrekk av den type som oppfinnelsen vedrører som gjør det mulig å drive cellene riktig for å oppnå en høy katodestrøm^ effektivitet. The foam problem has not previously been considered in connection with the electrolysis cell constructions and thus, despite the existence of many patents regarding the use of parallel, inclined electrodes, there is no construction feature of the type to which the invention relates which makes it possible to drive the cells correctly in order to achieve a high cathode current^ efficiency.

Et viktig punkt ved foreliggende oppfinnelse er at når det riktige skritt tas for å holde skumvirkningen tilbake, kan det oppnås meget høye strømeffektiviteter i smeltesystemer, hvilke strømeffektiviteter ville gi problemer i andre celle-konstruks j oner . Tidligere arbeider har vist at oppsamlingen av uoppløsbare stoffer på katodene, særlig når en horisontalkon-struksjon benyttes, kan bevirke problemer under dannelse av en uoverkommelig høy indre motstand og dessuten medføre en markert synkning i elektrostatisk avskjermingseffekt. An important point of the present invention is that when the right steps are taken to hold back the foaming effect, very high current efficiencies can be achieved in melting systems, which current efficiencies would cause problems in other cell constructions. Previous work has shown that the accumulation of insoluble substances on the cathodes, especially when a horizontal construction is used, can cause problems by forming an prohibitively high internal resistance and also lead to a marked decrease in the electrostatic shielding effect.

Selve utformingen ifølge oppfinnelsen gjør det mulig å drive systemet med en ren katode, selv hvis grensen for opp-løselighet for oksyd eller andre urenheter overskrides. Den tilnærmet vertikale utforming av katodene sikrer at katodeflaten vil være selvrensende for slike utfellinger på grunn av gravita-sjonsstrømningen nedover for metallet etterhvert som det utfel-les. Man overvinner således problemet med begrensninger med hensyn til elektrolyttrenhet, slik det kreves ved andre systemer. The very design according to the invention makes it possible to operate the system with a clean cathode, even if the solubility limit for oxide or other impurities is exceeded. The almost vertical design of the cathodes ensures that the cathode surface will be self-cleaning for such deposits due to the downward gravitational flow of the metal as it is deposited. One thus overcomes the problem of limitations with regard to electrolyte purity, as required in other systems.

Arealet av den smeltede overflate og dybden av den flytende elektrolytten i gasseparasjonskammeret er fortrinnsvis tilstrekkelig for å tillate separasjon av gass fra elektrolytten i gasseparasjonskammeret med i det vesentlige den samme hastighet som nevnte gass blir produsert i rommet mellom elektrodene. The area of the molten surface and the depth of the liquid electrolyte in the gas separation chamber are preferably sufficient to allow separation of gas from the electrolyte in the gas separation chamber at substantially the same rate as said gas is produced in the space between the electrodes.

Ved cellen ifølge oppfinnelsen utnyttes fordelen ved den kompakte oppbygging som fremkommer ved å benytte et system av i liten avstand fra hverandre anbragte plane elektroder som er skrådd i forholdsvis små vinkler ( 7 - 15°) i forhold til vertikalplanet, og som arbeider ved høye strømtettheter, f.eks. mer enn 1 A/cm 2 , fortrinnsvis ikke mindre enn 1,5 A/cm 2. Rommet eller avstanden mellom elektrodene er mindre enn 5<0>,0 mm og fortrinnsvis mellom 30,5 og 45,7 mm. I et hvilket som helst gitt tilfelle vil vinkelen som elektrodene blir skrådd i variere med de normale driftsparametrene, f.eks. kan det ventes at hellingsvinklene vil. bli større for høyere strømtettheter og for mindre avstand,meilom elektrodene. Oppfinnelsen gjør det således mulig å oppnå ubetydelige fordeler med hensyn til drifts-kostnader og kapitalkostnader. The cell according to the invention utilizes the advantage of the compact structure that results from using a system of planar electrodes placed at a small distance from each other, which are inclined at relatively small angles (7 - 15°) in relation to the vertical plane, and which work at high current densities , e.g. more than 1 A/cm 2 , preferably not less than 1.5 A/cm 2 . The space or distance between the electrodes is less than 5<0>.0 mm and preferably between 30.5 and 45.7 mm. In any given case, the angle at which the electrodes are tilted will vary with the normal operating parameters, e.g. it can be expected that the inclination angles will become larger for higher current densities and for smaller distances between the electrodes. The invention thus makes it possible to achieve insignificant advantages with regard to operating costs and capital costs.

I tilfelle av aluminium kan størrelsen av reduksjons-cellen reduseres slik at behovene for stål og ildfaste materialer blir av størrelsesorden en fjerdepart av behovene ved konvensjonelle celler med den samme produksjonskapasitet, og det nød-vendige gulvareal kan bli redusert til en femtedel. Typiske celledimensjoner for mulige elektrodekonfigurasjoner som er utledet av resultater som er oppnådd fra eksperimentene som det er henvist til i eksemplene som følger, er vist i tabell I: In the case of aluminium, the size of the reduction cell can be reduced so that the needs for steel and refractory materials are of the order of a quarter of the needs of conventional cells with the same production capacity, and the necessary floor area can be reduced to a fifth. Typical cell dimensions for possible electrode configurations derived from results obtained from the experiments referred to in the examples that follow are shown in Table I:

På grunn' a<y> den forenklede konstruksjon og den sterkt reduserte størrelsen til celler som er konstruert i overensstemmelse med foreliggende oppfinnelse er det beregnet at kapital-kostnadene kan bli redusert til omkring en fjerdedel av kapital-kostnadene for konvensjonelle celler for et nivå på 150.000 amp., og totale kostnader for elektrolyseanlegg kan bli redusert til omkring en tredjedel av kostnaden for konvensjonelle anlegg. Due to the simplified construction and the greatly reduced size of cells constructed in accordance with the present invention, it is estimated that the capital costs can be reduced to about a quarter of the capital costs of conventional cells for a level of 150,000 amp., and total costs for electrolysis plants can be reduced to about a third of the cost of conventional plants.

Ved magnesiumproduksjon kan kostnaden for celler som benytter elektrolytter med lav tetthet på lignende måte bli redusert med en faktor 2-3 sammenlignet med cellekonstruksjoner som benyttes i konvensjonelle prosesser, eller med magnesiumceller av Hall-typen som benytter sammenlignbare elektrolytter med lav tetthet. In magnesium production, the cost of cells using low-density electrolytes can similarly be reduced by a factor of 2-3 compared to cell designs used in conventional processes, or with Hall-type magnesium cells using comparable low-density electrolytes.

En vesentlig driftsfordel med den vertikale elektrode-geometri er generelt at begrensningene for cellestrømmen eller strømtettheten er fjernet, hvilken begrensning er eh ulempe ved konvensjonelle celler med flytende katode på grunn av de magne-tiske omrøringseffektene ved de store strømmene. Unngåelsen av denne begrensning ved eliminasjon av den flytende katode og ved den forbedrede cellegeometri betyr at celler med kapasitet for flere hundre tusen ampere nå ligger innenfor det praktiske område. I tillegg opprettholdes stabile verdier for avstandene mellom elektrodene uten at det er nødvendig å flytte elektrodene eller justere nivået på metallbassenget som er samlet opp i bunnen på cellen. A significant operating advantage with the vertical electrode geometry is generally that the limitations for the cell current or current density are removed, which limitation is a disadvantage of conventional cells with a liquid cathode due to the magnetic stirring effects of the large currents. The avoidance of this limitation by the elimination of the liquid cathode and by the improved cell geometry means that cells with a capacity of several hundred thousand amperes are now within the practical range. In addition, stable values are maintained for the distances between the electrodes without the need to move the electrodes or adjust the level of the metal pool that is collected at the bottom of the cell.

På grunn av stabiliteten med hensyn til avstanden mellom elektrodene og mangelen på forstyrrelse av magnetisk for-årsaket omrøring, kan reduksjonsceller for klorid med skrå katoder virke med betraktelig mindre avstand mellom elektrodene enn hva som er praktisk mulig med konvensjonelle celler. Da en vesentlig del av energien som forbrukes i konvensjonelle elektro-lytiske celler blir omdannet til varme (på grunn av motstands-effekter), forårsaker elektrodegeometrien at det blir mulig ikke bare å spare på elektrisk energi, men at det også blir mulig med en forenkling av problemet med å fjerne varme fra store celler. Because of the stability with respect to electrode spacing and the lack of disturbance by magnetically induced stirring, inclined cathode chloride reduction cells can operate with considerably less electrode spacing than is practically possible with conventional cells. As a significant part of the energy consumed in conventional electrolytic cells is converted into heat (due to resistance effects), the electrode geometry makes it possible not only to save electrical energy, but also to simplify of the problem of removing heat from large cells.

Den viktige betingelse ifølge oppfinnelsen for vel-lykket drift av celler med skrå, nært sammenpakkede elektroder med høy strømtetthet, er at det forefinnes et egnet gasseparasjonskammer. Modeller av strømningsmønstre for gasser og væsker som produseres ved anodereaksjonen har vist at det er nødvendig å sørge for tilstrekkelig dybde i den flytende elektrolytten og et tilstrekkelig grenseflateareal mellom væske og gass over katoden for å tillate fullstendig separering av gass fra elektrolytten med i det vesentlige den samme hastighet som den blir produsert ved anodereaksjonen. Pumpeeffekten av gassen fra anodereaksjonen frembringer hvirvler i nærheten av grenseflaten mellom smelte og gass. Dersom utviklingen av gass fra smeiten ikke går fort nok, på grunn av utilstrekkelig fritt overflate-areal, så kan gass som ikke har sluppet vekk fortsette å sirku-lere i en hvirvel hvor den vil oppsamles og forårsake at det dannes et skumlag som øker i tykkelse inntil det strekker seg inn i området mellom elektrodene. Når gassutviklingshastigheten eller med andre ord, strømtettheten blir øket i en celle med gitt elektrodeavstand, kommer man i tillegg til et punkt hvor gassen blir blandet inn i smeiten som returnerer til området mellom elektrodene. The important condition according to the invention for successful operation of cells with inclined, closely packed electrodes with high current density is that there is a suitable gas separation chamber. Models of the flow patterns of gases and liquids produced by the anode reaction have shown that it is necessary to provide sufficient depth in the liquid electrolyte and a sufficient liquid-gas interfacial area above the cathode to allow complete separation of gas from the electrolyte with substantially the same rate as that produced by the anode reaction. The pumping effect of the gas from the anode reaction produces vortices near the interface between melt and gas. If the development of gas from the smelter does not go fast enough, due to insufficient free surface area, then gas that has not escaped can continue to circulate in a vortex where it will collect and cause a foam layer to form which increases in thickness until it extends into the area between the electrodes. When the gas development rate or, in other words, the current density is increased in a cell with a given electrode spacing, a point is also reached where the gas is mixed into the melt which returns to the area between the electrodes.

Avstanden mellom elektrodene har i tillegg en viktig effekt på grunn av at smeiten som returnerer til rommet mellom elektrodene etter at den er blitt gasspumpet til overflaten, kan virke sammen med den oppstigende strøm av gass og væske. Dette • bevirker at gass blir avledet fra den oppovergående strøm og blir dirigert nedover igjen og inn i rommet mellom elektrodene. For en gitt gassutviklingshastighet, dvs. strømtetthet, vil en økning av elektrodeavstanden eliminere denne effekt. For en gitt total gassutviklingshastighet eksisterer det således en optimal elektrodeavstand som representerer det beste kompromiss mellom det å unngå resirkulering av gass og økning av cellespenning på grunn av økningen i strømvei. For strømtettheter i nærheten av 1,5 amp/cm og med elektroder opp til 61 cm i arbeidslengde og med en helling på 10° med vertikalen, har man funnet at en elektrodeavstand på 38,1. mm er nær det optimale. The distance between the electrodes also has an important effect because the melt that returns to the space between the electrodes after it has been gas-pumped to the surface can act together with the rising flow of gas and liquid. This • causes gas to be diverted from the upward current and directed downwards again into the space between the electrodes. For a given gas evolution rate, i.e. current density, an increase in the electrode distance will eliminate this effect. Thus, for a given total gas evolution rate, there exists an optimal electrode spacing that represents the best compromise between avoiding gas recirculation and increasing cell voltage due to the increase in current path. For current densities in the vicinity of 1.5 amp/cm and with electrodes up to 61 cm in working length and with an inclination of 10° to the vertical, it has been found that an electrode spacing of 38.1. mm is close to optimal.

To kritiske parametre for gasseparasjonskammeret er bredden av overflaten på smeiten (dvs. overflaten mellom den flytende elektrolytten og gassen) i gasseparasjonskammeret, og dybden av væskeelektrolytten i gasseparasjonskammeret over katoden. Disse to parametere er vist på fig. 1 på tegningen som .henholdsvis S og D. På fig. 1 angir tallet 1 anoden, 2 angir katoden, 5 angir den flytende elektrolytt i gasseparasjonskammeret over katoden 2, 8a angir det rolige nivå til smeiten, S angir bredden av smeltens overflate, D angir dybden av elektrolytten i gasseparasjonskammeret over katoden, L angir katodens lengde og M angir avstanden mellom elektrodene. Two critical parameters for the gas separation chamber are the width of the surface of the melt (ie the surface between the liquid electrolyte and the gas) in the gas separation chamber, and the depth of the liquid electrolyte in the gas separation chamber above the cathode. These two parameters are shown in fig. 1 in the drawing as respectively S and D. In fig. 1 indicates the number 1 the anode, 2 indicates the cathode, 5 indicates the liquid electrolyte in the gas separation chamber above the cathode 2, 8a indicates the calm level of the melt, S indicates the width of the surface of the melt, D indicates the depth of the electrolyte in the gas separation chamber above the cathode, L indicates the length of the cathode and M indicates the distance between the electrodes.

Modellstudier viser at for elektroder som har en helling mellom 7 og 15° med vertikalplanet, kan minimumsverdier for S finnes ved å anvende den • empiriske utviklede formel: Model studies show that for electrodes inclined between 7 and 15° to the vertical plane, minimum values for S can be found by applying the • empirically developed formula:

hvor S er i cm, C er den numeriske verdi av strømtettheten i amp/cm , L er den numeriske verdi av katodens lengde i cm og M er den numeriske verdi av avstanden mellom elektrodene i cm. where S is in cm, C is the numerical value of the current density in amp/cm, L is the numerical value of the length of the cathode in cm and M is the numerical value of the distance between the electrodes in cm.

Bredden på smeltens overflate og dybden av væskeelektrolytten i gasseparasjonskammeret er fortrinnsvis ikke mindre enn to ganger avstanden mellom elektrodene, og er fortrinnsvis ikke mindre enn 10 cm. Fortrinnsvis er S ikke større enn D. The width of the surface of the melt and the depth of the liquid electrolyte in the gas separation chamber is preferably not less than twice the distance between the electrodes, and is preferably not less than 10 cm. Preferably, S is not greater than D.

Ved cellen ifølge foreliggende oppfinnelse er katodeoverflaten skrådd i en positiv vinkel, 7 - 15° i forhold til vertikalplanet og vender mot en parallell eller i det vesentlige parallell plan anode som er skrådd i en negativ vinkel, 7-15° i forhold til vertikalplanet. Arbeidsoverflaten til katoden er derved anordnet slik at den vender litt oppover og at den motsvarende overflate til anoden er anordnet slik at den vender litt nedover. In the cell according to the present invention, the cathode surface is inclined at a positive angle, 7-15° in relation to the vertical plane and faces a parallel or substantially parallel plane anode which is inclined at a negative angle, 7-15° in relation to the vertical plane. The working surface of the cathode is thereby arranged so that it faces slightly upwards and the corresponding surface of the anode is arranged so that it faces slightly downwards.

Avstanden mellom elektrodene er mindre enn 5 cm, og fortrinnsvis mellom 3,05 og 4,37 cm. Som forklart i detalj ovenfor, leder studiet av smeltens sirkulasjonsbane til den foretrukne spesifikasjon av en avstand mellom anode og katode på omkring 3,8l cm ved strømtettheter på 1,5 amp/cm - 2,0 amp/ cm<2.>The distance between the electrodes is less than 5 cm, and preferably between 3.05 and 4.37 cm. As explained in detail above, the study of the melt circulation path leads to the preferred specification of an anode-cathode distance of about 3.8l cm at current densities of 1.5 amp/cm - 2.0 amp/cm<2.>

Andre parametere av viktighet i konstruksjonen av gasseparasjonskammeret er elektrolyttdybden over katoden og bredden eller arealet av overflaten av elektrolytten i gasseparasjonskammeret. Det ble funnet at et gasseparasjonskammer som strekker seg bakover 10,2 - 12,7 cm fra anodeskulderen, tvers over avstanden mellom elektrodene, og som strekker seg over top-pen av katodekonstruksjonen, var tilstrekkelig for 30,48 cm katoder. For andre verdier av celleparametrene er formelen A som det er referert til ovenfor, anvendbar innenfor det angitte Other parameters of importance in the construction of the gas separation chamber are the electrolyte depth above the cathode and the width or area of the surface of the electrolyte in the gas separation chamber. It was found that a gas separation chamber extending rearward 10.2 - 12.7 cm from the anode shoulder, across the distance between the electrodes, and extending over the top of the cathode structure, was sufficient for 12 inch cathodes. For other values of the cell parameters, the formula A referred to above is applicable within the specified range

hellingsområde for elektrodene. slope range for the electrodes.

Nettopp den vesentlige og noe uventede fordelaktige virkning av elektrodeanordningen i foreliggende oppfinnelse er demonstrert ved å sammenligne fig. 2 og 3 på tegningene, som illustrerer driften av henholdsvis en mindre gunstig og en mer gunstig celleutforming. Precisely the significant and somewhat unexpected beneficial effect of the electrode arrangement in the present invention is demonstrated by comparing fig. 2 and 3 in the drawings, which illustrate the operation of a less favorable and a more favorable cell design, respectively.

På fig. 2 og 3 angir henvisningstallet 1 anoden som har de aktive anodeoverflater la, mens 2 angir katodene som har de aktive katodeoverflater 2a, og 8 angir elektrolytten, 8a den øvre overflate av elektrolytten og 10 avstanden mellom elektrodene . In fig. 2 and 3, the reference numeral 1 denotes the anode having the active anode surfaces la, while 2 denotes the cathodes having the active cathode surfaces 2a, and 8 denotes the electrolyte, 8a the upper surface of the electrolyte and 10 the distance between the electrodes.

A angir områder med sterk gassdannelse og B angir områder med mindre sterk gassdannelse. På fig. 3 er gasseparasjonskammeret 9 umiddelbart over katoden 2. A indicates areas with strong gas formation and B indicates areas with less strong gas formation. In fig. 3, the gas separation chamber 9 is immediately above the cathode 2.

På fig. 2 og 3 var hellingen av de aktive elektrode-overflåtene i forhold til vertikallinjen omkring 10°, og avstanden mellom elektrodene var 3,8l cm. På fig. 2 var strømtettheten 1 amp/cm 2 og på fig. 3 var den 2 amp/cm 2. På fig. 2 var dybden for den rolige elektrolytten over den aktive katodeoverflaten innenfor rommet mellom elektrodene 5,08 cm, og på fig. 3 var dybden for den rolige elektrolytten over den aktive katodeoverflaten innenfor gasseparasjonskammeret 10,16 cm. Bredden til den øvre overflaten av elektrolytten var 3,81 cm på fig. 2 og 10,16 cm på fig. 3- In fig. 2 and 3, the inclination of the active electrode surfaces in relation to the vertical line was about 10°, and the distance between the electrodes was 3.81 cm. In fig. 2 the current density was 1 amp/cm 2 and in fig. 3 it was 2 amp/cm 2. In fig. 2, the depth of the quiescent electrolyte above the active cathode surface within the space between the electrodes was 5.08 cm, and in fig. 3, the depth of the quiescent electrolyte above the active cathode surface within the gas separation chamber was 10.16 cm. The width of the upper surface of the electrolyte was 3.81 cm in FIG. 2 and 10.16 cm in fig. 3-

Man vil se at det å holde tilbake gass mellom elektrodene er meget vanskelig under de forhold som er vist på fig. 2, selv ved en moderat lav strømtetthet på 1 amp/cm . Drift under slike forhold resulterer i tilbakereaksjon på omkring 30 % av produktet, med andre ord en strømnyttevirkning på 70 % eller It will be seen that retaining gas between the electrodes is very difficult under the conditions shown in fig. 2, even at a moderately low current density of 1 amp/cm . Operation under such conditions results in a back-reaction of around 30% of the product, in other words a power efficiency of 70% or

• mindre. • less.

Fig. 3 viser virkningen av elektrolyse ved bruken av en cellekonstruksjon med et gasseparasjonskammer i overensstemmelse med foreliggende oppfinnelse.. Drift med forbedret gass-frigjøring under betingelsene som er vist på fig. 3, økte strøm-nyttevirkningen til omkring 90 %. Fig. 3 shows the effect of electrolysis using a cell construction with a gas separation chamber in accordance with the present invention. Operation with improved gas release under the conditions shown in Fig. 3, the power efficiency increased to about 90%.

En egenskap med den form av oppfinnelsen som er vist på fig. 3, sammenlignet med cellekonstruksjonen vist på fig. 2, er at bredden og dybden av gasseparasjonskammeret 9 umiddelbart over den aktive katodeoverflaten 2a er tilstrekkelig til å sikre A feature of the form of the invention shown in fig. 3, compared to the cell construction shown in fig. 2, is that the width and depth of the gas separation chamber 9 immediately above the active cathode surface 2a is sufficient to ensure

(a) at gassen som dannes i rommet 10 mellom elektrodene under elektrolyse blir sluppet ut eller frigjort i en vesentlig grad fra rommet 10-og inn i gasseparasjonskammeret 9, og (b) at nevnte gass blir frigjort i en vesentlig grad fra elektrolytten i gasseparasjonskammeret 9- Fortrinnsvis er bredden og/eller dybden til gasseparasjonskammeret 9 i det minste to ganger avstanden mellom elektrodene. Den ovenfor beskrevne celleanord-ning reduserer der tilbakereaksjonen vesentlig, som ellers ville .opptre mellom gassen og metallet i nærheten av katodeoverflaten 2a (som angitt på fig. 2) og vil således øke strømnyttevirkningen av cellen vesentlig. Fig. H viser et skjematisk vertikalsnitt av en celle-type med flere elektroder som er konstruert i overensstemmelse med oppfinnelsen. Cellenes dimensjoner er fortrinnsvis som angitt i tabell I. 1 angir grafittanodene med elektrolytisk aktive overflater la i en negativ vinkel på omkring 10° mot vertikallinjen, og utstyrt med utsparinger 4 slik at det dannes et gassfrigjøringskammer 5 som fortrinnsvis er utformet i overensstemmelse med formelen A og som gir en tilstrekkelig hastighet på gassutviklingen fra smelteoverflaten 8a. 2 angir katodene som for aluminiumproduksjon er av grafitt, og for magnesiumproduksjon kan være hule sammensatte stålkonstruksjoner eller glatte stål-plater, som har katodeoverflater 2a som har en positiv vinkel på omkring 10°"til vertikallinjen, og som i det vesentlige er parallelle med anodeoverflåtene la, og 3 representerer den ildfast kledde stålkappe. 8 angir elektrolytten og 6 de elektriske strømforbindelser for anodene. Forbindelser for katodene 2 er ikke vist. Disse kan, om ønskelig, føres direkte til kappen 3. Man vil forstå at i en hvilken som helst celleutforming kan anoden(e) justeres i en vertikal eller i det vesentlige vertikal retning for innstilling eller ny-innstilling av elektrodeavstanden. Fig. 5 viser et skjematisk vertikalsnitt av en mer kompakt elektrodeutforming, nemlig med bipolare elektroder. De (a) that the gas formed in the space 10 between the electrodes during electrolysis is released or released to a significant extent from the space 10 into the gas separation chamber 9, and (b) that said gas is released to a significant extent from the electrolyte in the gas separation chamber 9- Preferably, the width and/or depth of the gas separation chamber 9 is at least twice the distance between the electrodes. The cell arrangement described above significantly reduces the back reaction, which would otherwise occur between the gas and the metal near the cathode surface 2a (as indicated in Fig. 2) and will thus significantly increase the current efficiency of the cell. Fig. H shows a schematic vertical section of a cell type with several electrodes which is constructed in accordance with the invention. The dimensions of the cells are preferably as indicated in Table I. 1 indicates the graphite anodes with electrolytically active surfaces 1a at a negative angle of about 10° to the vertical line, and equipped with recesses 4 so as to form a gas release chamber 5 which is preferably designed in accordance with the formula A and which provides a sufficient rate of gas development from the melting surface 8a. 2 indicates the cathodes which for aluminum production are of graphite, and for magnesium production can be hollow composite steel structures or smooth steel plates, which have cathode surfaces 2a which have a positive angle of about 10°" to the vertical line, and which are essentially parallel to the anode surfaces 1a, and 3 represents the refractory-clad steel sheath. 8 denotes the electrolyte and 6 the electrical current connections for the anodes. Connections for the cathodes 2 are not shown. These may, if desired, be fed directly to the sheath 3. It will be understood that in any cell design, the anode(s) can be adjusted in a vertical or substantially vertical direction for setting or readjusting the electrode spacing. Fig. 5 shows a schematic vertical section of a more compact electrode design, namely with bipolar electrodes.

angitte tall på konstruksjonsdelene er ikké de samme som på fig. given numbers on the construction parts are not the same as in fig.

4. 1 angir grafittanoden med skrå aktive overflater la, 2 angir de bipolare elektrodene med aktive overflater 2a. Disse elektrodene 2 kan være monolittiske grafittblokker som blir understøttet i endene av de isolerende vegger av cellen. 3 angir oppsamlingskatodene som kan være av stål i tilfelle av magnesiumceller men av grafitt i tilfelle av aluminiumceller, og 3a viser de aktive overflatene til katodene 3. 4 angir den ildfast kledde ytre stålkappe og 5 gassfrigjøringskammeret, dimensjonert i overensstemmelse med formelen A. De isolerende nedre støttene 6 for de bipolare elektroder 2 tjener som barrierer for å redusere lekkasj estrømmen. 4. 1 denotes the graphite anode with inclined active surfaces la, 2 denotes the bipolar electrodes with active surfaces 2a. These electrodes 2 can be monolithic graphite blocks which are supported at the ends by the insulating walls of the cell. 3 indicates the collector cathodes which may be of steel in the case of magnesium cells but of graphite in the case of aluminum cells, and 3a shows the active surfaces of the cathodes 3. 4 indicates the refractory-clad outer steel jacket and 5 the gas release chamber, dimensioned in accordance with formula A. The insulating the lower supports 6 for the bipolar electrodes 2 serve as barriers to reduce the leakage current.

Eksempel 1 Example 1

Et forsøk ble utført i en celle som hadde en enkel skrå anode med den génerelle form som er vist på fig. 3- Det effektive elektrodeareal var omkring 1000 cm p. Elektrolyttsammensetningen var 21 % MgCl2 - 75 % KC1 - 4$ LiCl, og en total cellestrøm på 400 amp. ble benyttet ved en temperatur på 850°C. An experiment was carried out in a cell having a simple inclined anode of the general shape shown in fig. 3- The effective electrode area was about 1000 cm p. The electrolyte composition was 21% MgCl2 - 75% KC1 - 4$ LiCl, and a total cell current of 400 amp. was used at a temperature of 850°C.

Skråvinkelen for anode og katode var 9° i forhold til vertikallinjen og var innenfor det anbefalte område for effektiv drift. De andre parametrene ble valgt for å prøve noen av de mindre gunstige forhold for gassfrigjøring. Den mest ugunstige egenskapen var bruken av en smeltedybde på bare 358l cm over katoden, sammen med en strømtetthet på bare 0,36 amp/cm 2. Under disse forhold ble det ventet at det skulle opptre betydelig tilbakereaksjon på grunn av tilbakesirkulasjon av klor inn i rommet mellom elektrodene. The slant angle for anode and cathode was 9° relative to the vertical line and was within the recommended range for efficient operation. The other parameters were chosen to sample some of the less favorable conditions for gas release. The most unfavorable feature was the use of a melting depth of only 358l cm above the cathode, together with a current density of only 0.36 amp/cm 2 . Under these conditions, significant back-reaction was expected to occur due to the recirculation of chlorine into the space between the electrodes.

Ved et forsøk med 61 min. varighet ble det produsert 404 g Cl2 og 543 g MgCl2 ble brukt opp. In an attempt with 61 min. duration, 404 g of Cl2 were produced and 543 g of MgCl2 were used up.

Strømnyttevirkningen var 75 %• The power efficiency was 75%•

Eksempel 2 - magnesium Example 2 - magnesium

Et forsøk ble utført ved å benytte en celle med en enkelt anode med den generelle form som er vist på fig. 3 og som hadde et effektivt elektrodeareal på omkring 1000 cm 2. An experiment was carried out using a single anode cell of the general form shown in fig. 3 and which had an effective electrode area of around 1000 cm 2.

Elektrolyttsammensetningen var 21 % MgCl2, 75 % KC1 og 4 % LiCl. The electrolyte composition was 21% MgCl2, 75% KC1 and 4% LiCl.

Skråvinkelen for anode og katode var 9° i forhold til vertikallinjen og var innenfor det anbefalte område for effektiv drift. Katodelengden L var 30,48 cm, S og D var hver 10,16 cm. Driftstemperaturen var 850°C, strømtettheten var 0,64 amp/cm<2> og en total cellestrøm på 700 amp. ble opprettholdt under de 60 min. som forsøket varte. The slant angle for anode and cathode was 9° relative to the vertical line and was within the recommended range for efficient operation. The cathode length L was 30.48 cm, S and D were each 10.16 cm. The operating temperature was 850°C, the current density was 0.64 amp/cm<2> and a total cell current of 700 amp. was maintained during the 60 min. as the experiment lasted.

801 g Cl2 ble produsert og 1077 g MgCl2 ble brukt opp slik at strømnyttevirkningen var 88 %. 801 g of Cl2 were produced and 1077 g of MgCl2 were used up so that the electricity efficiency was 88%.

Eksempel 3 ~ magnesium Example 3 ~ magnesium

Et annet forsøk ble utført i den samme celle som i eksempel 2 hvor det ble benyttet en elektrolytt som inneholdt 22 % MgCl2, 28 % KC1 og 50 % LiCl. Driftsbetingelsene ble valgt for å vise en av de optimale kombinasjoner av oppnåelige para- Another experiment was carried out in the same cell as in example 2 where an electrolyte containing 22% MgCl2, 28% KC1 and 50% LiCl was used. The operating conditions were chosen to show one of the optimum combinations of achievable para-

metere i en cellemodell. meters in a cell model.

p p

Strømtettheten ble øket til 1,5 amp/cm og cellen The current density was increased to 1.5 amp/cm and the cell

ble kjørt med en smeltedybde på 10,16 cm over katoden ved en temperatur på 850°C. L var 30,48 cm og S og D var hver 10,16 cm. Under forsøk som hadde en varighet på 45 min., ble det benyttet en konstant cellestrøm på 1650 amp. was run with a melting depth of 10.16 cm above the cathode at a temperature of 850°C. L was 30.48 cm and S and D were each 10.16 cm. During experiments which had a duration of 45 min., a constant cell current of 1650 amps was used.

1477 g Cl2 ble tilbake og 1981 g MgCl2 ble brukt 1477 g of Cl2 remained and 1981 g of MgCl2 was used

opp, slik at strømnyttevirkningen var 90 %. up, so that the power efficiency was 90%.

Eksempel 4 - aluminium Example 4 - aluminium

Et forsøk ble utført i en celle med den generelle An experiment was carried out in a cell with the general

form som er vist på fig. 3 hvor det ble benyttet en smeltesam-mensetning som i gjennomsnitt besto av 10 % AlCl^, 45 % NaCl, 45 % KC1. Dimensjonene for cellen var som angitt i eksempel 3. Temperaturen var 730°C. Under kjøringen på 1 time var celle-strømmen 1400 amp. form shown in fig. 3 where a melt composition was used which on average consisted of 10% AlCl^, 45% NaCl, 45% KC1. The dimensions of the cell were as indicated in example 3. The temperature was 730°C. During the 1 hour run, the cell current was 1400 amps.

1857 g Cl2 ble tilbake og 2323 g AlCl^ ble brukt 1857 g of Cl 2 remained and 2323 g of AlCl 2 were used

opp. Den gjennomsnittlige strømnyttevirkning var 89 %. up. The average power efficiency was 89%.

Claims

1. Cell for use in the electrolytic production of metals in molten halide systems, comprising two or more closely spaced substantially parallel, planar, non-consumable electrodes inclined at an angle of between 7

and 15° in relation to the vertical plane, and with a space between the electrodes for the molten halide system, and where the cathode surface is inclined at a positive angle in relation to the vertical plane and the anode is inclined at a corresponding negative angle to the vertical plane, characterized in that the distance between the electrodes is less than 5 cm and that a gas separation chamber is placed above and is connected to the space between the electrodes into which the gas is fed, that the surface area of the melt in the molten halide system in the gas separation chamber and the depth of the electrolyte in the gas separation chamber are sufficient to allow a separation of gas from the electrolyte in this chamber at substantially the same rate as it is produced in the space between the electrodes, whereby the width of the surface of the melt in the gas separation chamber is not less than where C is the current density in amp/cm, L is the length of the cathode in cm, M the distance between the electrodes in cm, and that the width of the surface of the melt and the depth of the electrolyte in the gas separation chamber are not less than twice the electrode spacing.

2. Electrolytic cell according to claim 1, characterized in that it comprises several electrode pairs which are arranged in parallel.

3. Electrolytic cell according to claim 1, characterized in that the width of the surface of the melt is not greater than the depth of the electrolyte in the gas separation chamber.