NO151595B - Fremgangsmaate for aa fjerne varme fra et kammer i en elektrolysecelle. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en fremgangsmåte for å fjerne

varme fra et kammer i en elektrolysecelle, hvor elektrolyse av aluminiumklorid utføres, idet kammeret inneholder et saltsmeltebad som i det vesentlige består av et alkaliummetallhalogenid eller alkalisk jordmetallhalogenid og i hvilket bad aluminiumkloridet er oppløst, og hvilket kammer omfatter et flateparti som grenser direkte til et gassrom over badet og inneholder bestanddeler som er utstøtt fra og /eller fordampet fra badet.

I U.S. patent 3 893 899 er det vist en celle som brukes

til elektrolyse av aluminiumklorid som er oppløst i et smeltet saltbad. Cellen er utstyrt med en ytre omhylling av stål. Over-alt på innersiden av denne omhylling er det anordnet isolasjon i form av sten 6.1. En ulempe ved cellen som er omtalt i patentet er at isolasjonen holder på varmen, slik at det er vanskelig å fjerne varmen fra cellen. Fra US patent 3784371 er en fremgangsmåte tidligere kjent hvor varmen ledes bort fra et kammer som inneholder et smeltet saltbad ved at kammeret har en flate som grenser direkte til gassrommet over badet. Overflatens temperatur er omtrent lik saltbadets temperatur. I britisk patent 1310158

er en elektrolysecelle omtalt med lokk som inneholder en kjøle-kappe.

Badets bestanddeler som finnes i gassrommet over badet vil alltid inneholde materialer som har fordampet fra badet. Disse bestanddeler kan også inneholde materialer som er sivet ut fra badet, hvilket f.eks. er mulig når gasser strømmer ut av badet når elektrolyse utføres i badet. Denne utskilling er særlig sannsynlig over en gassløftepas^asje, slik som beskrevet i U.S. patent 3 839 899.

Hensikten med oppfinnelsen er å oppnå at de ovenfor om-talte bestanddeler som befinner seg i gassrommet over smelteba-dets overflate kan utkondenseres på det nevnte flateparti slik at de kan dryppe ned tilbake til badet.

Dette er ifølge oppfinnelsen oppnådd ved at det nevnte flateparti av elektrolysekammeret kjøles ned til en temperatur på -200°C under badets temperatur og under bestanddelenes: Den re-sulterende bevegelse av materiale fra badet først som bestanddeler i gassrommet og deretter som væske på det nevnte parti, og endelig som væske som er falt ned tilbake til badet,tilveiebringer en ■ overføring av varme fra badet til det nevnte parti. Normalt vil dette ikke være den eneste måte å overføre varme på fra badet til det nevnte parti. Overføring ved varmestråling vil alltid finne sted og oppfatningen er at denne overføring vil utgjøre den over-veiende eller dominerende form av varmeoverføring fra badet til det nevnte parti.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere nedenfor ved hjelp av et eksempel og under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et tverrsnitt av en celle til fremstilling av metall, og fig. IA viser forstørret et parti av cellen som er vist med pilen A på fig. 1.

Tegningene viser en celle til elektrolytisk fremstilling av aluminium ved elektrolyse av aluminiumklorid som er oppløst i et saltsmeltebad. Cellekonstruksjonen omfatter en ytre kjølekap-pe 10 av stål som omgir cellens sidevegger 12 også av stål. Et kjølefluidum, f.eks. vann, passerer kjølekappen 10 og fjerner varme fra cellen. Kjølemidlet føres inn i kjølekappen gjennom inn-løpsporter 11 og fjernes gjennom utløpsdyser 15.

I samsvar med oppfinnelsen er det anordnet en lignende kjølekappe 14 med innløpsport 14a og utløpsport 14b for kjølemid-let som dekker cellens lokk 16. Undersiden av lokket 16 er direkte utsatt for klor og saltdamper og er fremstilt av et passende metall som er klorbestandig, såsom en legering som inneholder 80% Ni, 15% Cr og 5% Fe og som er kjent under varemerket "Inconel". Lokket 16 er således utført som en utførelse av en del eller et parti som er anordnet på kammeret i samsvar med oppfinnelsen og som har en flate som grenser direkte til et gassrom eller en gass-fase over saltbadet.

Alle vannledninger som fører til og fra portene av kjøle-kappene er utstyrt med gummislanger som bryter elektrisk strøm, slik at elektrisk strøm ikke kan passere til eller fra cellen gjennom de ellers metalliske rør.

En beholderkonstruksjon 18, f.eks. av stål, omgir og bærer cellen og kjølekappen. Det har vist seg å være hensiktsmessig å isolere cellen fra gulvet, f.eks. ved at beholderen 18 plasseres på et isolerende materiale, såsom med termoherdet plastimpregnert materiale fremstilt av tekstil eller papir og f.eks. impregnert med fenolformaldehydharpiks, såsom materiale som er kjent under varemerket "Micarta" fra Westinghouse Electric Corp.

Cellens innersider som ligger inntil badet, dvs. de som

er dannet av sidene 12 og stålbunnen 20, er foret ut med en kon-tinuerlig, korrosjonsbestandig og elektrisk isolerende foring 22 av plast eller gummimateriale. Gode resultater er oppnådd med en foring 22 av alternerende anbragt lag av termoherdende epoxy-maling og glassfiberduk. Andre plast- eller gummimaterialer kan brukes.

Innenfor foringen 22 finnes en barriere 13 av glass.

Slike glassbarrierer er beskrevet i U.S. patent 3 773 643 og

3 779 699. Cellen er også foret med ildfast sten 24 anbragt i sideveggen og fremstilt av varmeisolerende, ikke elektrisk leden-de, nitridmateriale som er motstandsdyktig overfor smeltet halo-genidbad som inneholder aluminiumklorid og dekomponeringsproduk-ter av samme (se U.S. patent 3 785 941).

En ytterligere foring 36 av grafitt er anordnet på sideveggene over cellens anoder 46 som ytterligere beskyttelse mot badets korrosive påvirkning og likeså mot klorgassen som dannes når cellen er i drift. Det kan være fordelaktig ikke å forlenge denne foring 36 helt opp til lokket 16. Ved å slutte foringen oventil et lite stykke fra lokket 16 kan en risiko for kortslut-ning unngås.

Cellekammeret har i sin nedre del en sump 26 for oppsamling av fremstilt aluminiummetall. Sumpen er omgitt av en kappe 28 av grafitt. Øvre del av kappen 28 strekker seg langs cellens katoder 50. Kappen 28 er anbragt på ildfast gulv 32 som omfatter glassbarrieren 13.

I cellekammerets øvre parti finnes en badbeholder 34. En første åpning som er en tappeåpning 38 og strekker seg gjennom lokket 16 og inn i badbeholderen 34, er anordnet for innsetning av et vakuumtapperør (se britisk patent 687 758) ned i sumpen 26, gjennom en ikke vist indre passasje, for uttagning av smeltet aluminium. En annen åpning, nemlig en mateåpning 42, er anordnet for innmatning av aluminiumklorid i badet. En tredje åpning, en lufteåpning 44, tjener til bortføring av klor. Disse åpninger er for enkelhets skyld vist åpne på toppen av cellen. Når cellen er i drift, kan åpningen 38 være tilkoblet vakuumtappeinnretninger, mens åpningen 42 kan være tilkoblet en matningsinnretning og porten 44 kan \ære i forbindelse med en rørledning for bortføring av klorholdig utslipp.

I cellekammeret er det anbragt flere plateformede elektroder anordnet i to kolonner. I retning vinkelrett på tegningens plan forløper elektrodene slik at de støter mot cellens foring. Hver kolonne omfatter en øvre anode 46, hensiktsmessig et passende antall bipolare elektroder 48 (11 er vist), og en nedre katode 50 og alle kan f.eks. være fremstilt av grafitt. Disse elektroder er anordnet over hverandre og i avstand fra hverandre med en rekke mellomrom mellom seg. Hver elektrode er fortrinnsvis anordnet horisontalt i en vertikal kolonne.

Hver katode 50 bæres av flere sidestøttesøyler 60 av grafitt og midtre støttesøyler 61. Det finnes således flere søyler bakenfor de viste i elektrodenes bredderetning. Søylene er anordnet i avstand fra hverandre, slik at badsirkulasjon gjennom sumpen 26 er mulig.

De øvrige elektroder er stablet med mellomrom oppå hverandre ved hjelp av avstandsstykker 53 i mellomrommene og er forbun-det med og isolert fra sideveggene ved hjelp av isolerende tapper 54. Avstandsstykkene 53 er dimensjonert slik at de holder elektrodene i liten avstand, f.eks. en avstand på mindre enn 19 mm mellom elektrodenes mot hverandre vendende flater.

Over elektrodekolonnene finnes holdeblokker 4 7 som trykker mot toppflatene av anodene 46 for å holde kolonnene på plass.

Ved den viste utførelse finnes tolv mellomrom mellom elektrodene i hver kolonne, et mellomrom mellom katoden 50 og den nederste bipolare elektrode, ti mellomrom mellom de suksessive mel-lomliggende par med bipolare elektroder, og et mellomrom mellom den øverste bipolare elektrode og anoden 46. Hvert rom mellom elektrodene er oventil avgrenset av en elektrodes underside (som virker som en anodeflate) og nedentil av en elektrodes toppside (som virker som en katodeflate). Mellomrommet betegnes som anode-katodeavstand (elektrode-til-elektrode-avstanden er den effektive anode-katode-avstand som skyldes den feiende virkning av badet som fjerner aluminium ettersom det dannes. Denne feiende virkning er beskrevet i det nevnte U.S. patent 3 89 3 899). Som nevnt i patentet kan anodeflatene være utstyrt med klorbortføringskanaler for rask bortføring av klor fra mellomrommene hvor elektrolyse foregår.

Selve badet er ikke vist på tegningene. Badnivået i cellen vil variere under driften, men normalt vil det befinne seg over anoden 46 og fylle alle mellomrom nedenfor i cellen. For opp-løsning av aluminiumklorid for elektrolyse kan et bad basert på alkalimetallhalogenider og/eller alkalinske jordmetallhalogenider benyttes, og klorider er å foretrekke.

Mellom elektrodekolonnene finnes en gassløftepassasje eller gassoppdriftspassasje 55 opprettholdt ved hjelp av avstandsstykker 57. Elektrodenes bredde er valgt slik at gasspassasjen 55 har sin største bredde mellom anodene 46 og bredden avtar i retning nedover og er minst mellom de nederste bipolare elektroder. Gasspassasjen 55 sikrer at badmateriale sirkulerer oppover til beholderen 34 etter at det har passert rommene mellom elektrodene. Gassoppdriften frembragt av klorgass som dannes nær elektrolysen frembringer så en materialstrøm i cellen. Badbestanddeler som kommer opp gjennom passasjen 55, kan komme i kontakt med undersiden av lokket 16 som støter direkte til gassrommet i beholderens 34 øvre parti over badets overflate. Undersiden av lokket 16 holdes ikke så kald at de nevnte bestanddeler eller bestanddeler som fordamper fra badet, vil fryse på lokket, men lokket holdes dog på en temperatur som er minst 200°C,og fortrinnsvis minst 400°C

og helst 600°C under badets temperatur, slik at varme fjernes fra væsken, dvs. fra smeltet salt som er slynget oppå eller konden-sert på lokket 16. Flytende salt vil samle seg oppå lokket i en viss utstrekning og deretter vil dryppingen komme igang, slik at saltet vil dryppe eller renne ned langs sideveggene og tilbake til badet. På denne måte og i kombinasjon med f.eks. strålevarmeover-føring vil f.eks.ca. 50% av den uttatte varme kunne fjernes fra cellen gjennom taket. I den viste utførelse er det særlig viktig ikke å fryse saltet på lokkets 16 underside, fordi dette ville resultere i tilstopping og til slutt fullstendig avstengning av f.eks. ventilasjonsåpningen 44, som må holdes fri under cellens drift, slik at den dannede klor kan føres bort.

De ovenfor nevnte kanaler i anodeflatene for bortføring av klor kan strekke seg rett inn i passasjen 55, mens de er lukket ved sine motsatte ender. Dette bidrar til å sette igang bevegel-sen for klorgassen i den riktige retning, dvs. mot og inn i passasjen 55. Når klorgassen engang er kommet i bevegelse i den ønske-de retning og de forskjellige strømningstverrsnitt i cellen er riktig dimensjonert, vil kloren fortsette å bevege seg i nevnte retning. Avstengning av den ene ende av kanalene er derfor ikke absolutt nødvendig. Gasstrømningen kan settes igang i den ønske-

de retning ved hjelp av andre innretninger, f.eks. ved mekanisk pumping av badet eller ved å innføre en gasspuls ved bunnen av passasjen 55. Dimensjonering av passasjen 55 og de andre gass-strømningstverrsnitt eller gjennomstrømningstverrsnitt i hver celle er hensiktsmessig utført ved hjelp av vannmodellteknikk.

Fremstikkende damoppbygninger 59 anordnet ved gassopp-drif tspassas jens utløpsende over anodene tjener til å forhindre uønsket reklorering av elektrolysemetallet. Oppbygningenes, øvre partier rager opp over badets toppflate og inn i gassrommet i beholderens 34 øvre parti og fremtvinger den siderettede strømning av badet over elektrodene, nemlig gjennom sidepassasjer 63, som vist med pilene C og D på fig. 1. Passasjene 6 3 munner ut på hver sin side av hver sin oppbygning 59 under badets overflate som ligger lavere enn oppbygningens 59 topp. Den frembragte strømning i badet forhindrer at fragmenter av smeltet metall som er bragt opp i passasjen 55, vil bryte gjennom badets overflate og vil rekloreres av den metalloksyderende klor i beholderen over badflaten.

Det beste ville være om metallet som dannes på katodeflåtene, kunne falle i passasjen 55 ned i sumpen 26, fordi alt metall som ri-ves med oppover, kan rekloreres hvis det kommer gjennom badover-flaten. Strømutbytte ville da bli meget ufordelaktig påvirket. Derfor er oppbygningene 59 anordnet. Badstrømmens hastighet i retning av pilene C og D er fortrinnsvis tilstrekkelig stor til å frembringe deri feiende virkning som omtalt i U.S. patent 3 893 899 på toppen av anodene 46 på samme måte som på katodeoverflåtene i mellomrommene mellom elektrodene.

Med en utførelse hvor badets overflate befinner seg under toppen av oppbygningene 59, kan ytterligere overflate frembringes som kan virke i samsvar med denne oppfinnelse ved at glassbarrieren 13, stenforingen 24 og foringen 36 senkes ned til nivået for toppen av de oppstikkende oppbygninger 59.

Mellom hver elektrodekolonne og den ildfaste sidevegg 24 finnes to badtilførselpassasjer 56 som strekker seg forbi hvert mellomelektroderom og forbi de polare elektroder, anoden 46 og katoden 50. Hver passasje opprettholdes ved hjelp av tapper 54

som på hver side av cellen danner en rekke i flukt med hverandre liggende gap mellom celleveggene og elektrodene og disse gap danner da disse to passasjer 56. I passasjene 56 beveger badet seg

først nedover forbi anodene 46, idet det først går inn i de ytre områder av de øverste mellomelektroderom, hvor deler av badet ad-skiller seg for å gå til og stryke over de øverste mellomelektro-derommene. Resten av badet samler seg på hver av de to sider og strømmer nedover forbi yttersiden av den neste elektrode til yttersiden av det neste mellomelektroderom osv. En siste del av badet kan strømme gjennom åpningene på yttersiden av katodene 50, inn og gjennom sumpen 26 og deretter opp i passasjen 55. Ved forsøk med vannmodeller kan man komme frem til de mest fordelakti-ge dimensjoner for de forskjellige partier av gassoppdriftspassa-sjen og badtilførselspassasjene, slik at metall som dannes feies ut av hvert av elektroderommene uten vesentlig oppsamling av metallet på katodeflåtene.

Anoden omfatter flere elektrodeskinner 58 innsatt i anoden og som tjener som ledere for positiv strøm, mens katoden har flere samleskinner 62 som er innsatt i katoden og tjener som ledere for negativ strøm. Skinnene strekker seg gjennom cellen og kjøle-kappeveggene og er isolert fra disse på en hensiktsmessig måte (se f.eks. U.S. patent 3 745 106).

Eksempel

Cellen ble fylt med et bad av vanlig smeltet salt med følgende sammensetning i vekt%:

Det har vist seg at veggene i celler hvor en slik komposi-sjon behandles og de forurensninger som naturlig forekommer, alltid inneholder saltkomposisjoner som i det minste delvis smelter ved romtemperatur. Elektrolysen for fremstilling av smeltet aluminium og klor ble utført ved en gjennomsnittstemperatur på 715°C. Ved vannsirkulasjon gjennom kappen 14 ble underflaten av lokket 16 holdt ved omtrent 50°C. Etter at cellen ble åpnet senere, ble stort sett ingen avleiringer fra badet funnet på undersiden av lokket og lokket var heller ikke korrodert av klor. ("Inconel"-metallet i lokket 16 korroderer i denne atmosfære hvis temperaturen av undersiden blir over 530°C). Det skal nevnes at sublima-sjonstemperaturen for AlCl^ er sikkert over temperaturen (50°C)

av lokkets underflate, men badbestanddelene som når lokket, ut-øver en spylende virkning som hindrer AlCl^ i å avsette seg i fast form på lokket.

Claims (1)

1. Fremgangsmåte for å fjerne varme fra et kammer i en elektrolysecelle, hvor elektrolyse av aluminiumklorid utføres, idet kammeret inneholder et saltsmelte. £>ad som i det vesentlige består av et alkaliummetallhalogenid eller alkalisk jordmetallhalogenid og i hvilket bad aluminiumkloridet er oppløst, og hvilket kammer omfatter et flate<p>arti (16) som grenser direkte til et gassrom over badet og inneholder bestanddeler som er utstøtt fra og/eller fordampet fra badet, karakterisert ved at nevnte parti (16)kjø-les til en temperatur på minst 200°C under badets temperatur, under bestanddelenes duggpunkt, slik at bestanddelene kan avsettes i væskeform på nevnte overflate og dryppe tilbake til badet.