NO178405B - Elektrolytisk celle for fremstilling av et metall ved elektrolyse av en smeltet elektrolytt - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en elektrolytisk celle av den art som er angitt i krav l's ingress for fremstilling av et metall ved elektrolyse av en smeltet elektrolytt med høyere tetthet enn metallet, som er spesielt anvendelig, men ikke begrenset til, fremstilling av magnesium ved elektrolyse av en smeltet elektrolytt som inneholder magnesiumklorid.

En elektrolytisk celle som beskrevet i europeisk patent-søknad nr. 83304465.4, har vist seg å ha et strømutbytte på over 80$ ved toppbelastning i perioden som følger etter energisetting av cellen. Det blir allikevel en gradvis reduksjon av effektiviteten ettersom de ildfaste veggene i elektrolysekammeret blir slitt, noe som medfører økende grad av strømlekkasjer, og som gir en negativ effekt på effektiviteten med hvilken metalldråper i elektrolytten kan overføres til et oppsamlingspunkt.

Slitasje av de ildfaste veggene i elektrolysekammeret tillater en økende mengde av elektrolytten som inneholder metalldråper å falle tilbake til rommet mellom elektrodene, hvor nærvær av klor og turbulente strømmer vil favorisere tilbakereaksj onen.

Cellespenningen vil også øke i løpet av cellens levetid på grunn av forbruk av grafitt fra elektrodematerialet på grunn av slitasje og oksydasjon. Selv om endringen av tykkelsen på karbonlaget på elektrodene er liten sammenlignet med tykkelsen ved start, er den resulterende endring i anode-katode-avstanden viktig på grunn av de små anode-katode-avstandene som benyttes. Konsekvensen av dette er at det ikke er uvanlig at den elektriske motstand er doblet ved enden av levetiden.

Den økende motstanden resulterer i en proporsjonal økning i varmebalansen. Sistnevnte er også påvirket av det samtidige tapet av strømutbyttet, fordi tilbakereaksjonen er svært eksoterm.

Cellen vil derfor behøve mer kjøling og kjølekapasiteten i varmeveksleren vil bli den begrensende faktor for at cellen skal fungere- tilfredsstillende.

Foreliggende oppfinnelse fører til forlengelse av cellens effektive levetid.

Ifølge et trekk ved oppfinnelsen er det beskrevet en elektrolytisk celle for fremstilling av et metall ved elektrolyse av en smeltet elektrolytt med større tetthet enn metallet, som består av et elektrolysekammer, et metallopp-samlingskammer, midler for å lede det produserte metallet og elektrolytten fra den øvre delen av elektrolysekammeret til et metal1oppsamlingskammer, midler for å lede elektrolytt fra metalloppsamlingskammeret til en nedre del av elektrolysekammeret, i det minste et elektrodeelement som omfatter et katodeelement med et vertikalt hulrom, en anode plassert i nevnte hulrom samt et eller flere mellomliggende bipolare elektrodeelementer plassert mellom anoden og katoden, og midler for å hindre eller vanskeliggjøre strømning av elektrolytt mellom katodeelementet og en av veggene i elektrolysekammeret og/eller mellom katodeelementet og en nærliggende katodeelement.

Oppfinnelsen er særpreget ved det som er angitt i krav l's karakteriserende del. Ytterligere trekk fremgår av kravene 2 - 10.

I henhold til en foretrukket utførelse av oppfinnelsen består de strømningshindrende midler av ledeplater. Ledeplatene kan bestå av en eller flere horisontale plater hvor den ene langsiden er festet til den ytre overflaten av katodeelementet og den motsatte siden er festet i veggen i elektrolysekammeret.

Alternativt kan ledeplatene omfatte en plate plassert for å lede elektrisk strøm til katodeelementet, hvor platen strekker seg gjennom og er forseglet med veggen i elektrolysekammeret og virker ved å hindre eller vanskeliggjøre strømning av elektrolytten i rommet mellom katodeelementet og nevnte vegg.

I et annet arrangement i henhold til oppfinnelsen har katodeelementet en ende som er langt fra oppsamlingskammeret som er plassert i nærhet av og hovedsakelig helt inntil nevnte vegg i elektrolysekammeret, hvor platene som hindrer eller vanskeliggjør strømning omfatter en eller flere horisontale lag på overflaten av nevnte vegg som vender mot katodeelementet og hvor disse lagene består av et materiale som er mer motstandsdyktig mot erosjon når elektrolytten strømmer over dem enn nevnte overflate.

I henhold til et annet trekk ved oppfinnelsen er det fremskaffet en elektrolytisk celle for fremstilling av et metall ved elektrolyse av en smeltet elektrolytt med større tetthet enn metallet, som omfatter et elektrolysekammer, et metall-oppsamlingskammer, midler for å lede det produserte metallet fra en øvre del av elektrolysekammeret til metall-oppsamlingskammeret, midler for å lede elektrolytten fra metall-oppsamlingskammeret til en lavere del av elektrolysekammeret, samt minst én elektrodeutførelse som omfatter en katode med et vertikalt hulrom, en anode plassert i dette hulrommet og en rekke mellomliggende bipolare elektroder, hvor minst en av de bipolare elektrodene er tykkere enn den bipolare elektroden ved siden av, som er nærmere anoden.

I foretrukne utførelser, har de bipolare elektrodeelementene avtagende tykkelse fra katodeelementet mot anoden.

Enkelte utførelser av oppfinnelsen vil i det etterfølgende bli beskrevet med eksempler som referer seg til de til-hørende figurer, hvor : Figur 1 er et snitt av en elektrolytisk celle i henhold til oppfinnelsen, hvor venstre og høyre del av tegningen henholdsvis er snittene A-A og B-B i figur 2,

Figur 2 er et snitt gjennom planet D-D i figur 1 og

Figur 3 er et utsnitt av en modifikasjon tilsvarende figur 2.

Hovedkonstruksjonen av elektrolysecellen vil nå bli beskrevet med referanse til figurene 1 og 2. Cellen er beregnet for fremstilling av magnesium ved elektrolyse av en smeltet elektrolytt som inneholder magnesiumklorid. Ved elektrolysen dannes magnesium ved katoden og klor ved anoden. Siden begge disse produktene er lettere enn elektrolytten, vil de migrere til overflaten hvor de fjernes. Elektrolysecellen består av et ytre stålskall (10), et indre skall (11) av termisk isolerende materiale, og en massiv ildfast foring (12) av et materiale, som i dette tilfellet er motstandsdyktig både mot smeltet magnesium og smeltet elektrolytt. Cellen består av et elektrolysekammer (14) og et oppsamlingskammer for magnesium (15), hvor henholdsvis klor og magnesium fjernes fra de to kamrene gjennom en kanal (17) og et tappehull for smeltet metall (18) som går gjennom veggen i kammeret (15). Utstyr for nivåkontroll (16) er plassert i oppsamlingskammeret for metall (15). I den viste figur er det plassert tre elektrodeelementer (20) i elektrolysekammeret (14), som hver består av en anode (21), et katodeelement (22) og fire mellomliggende bipolare elektrodeelementer (23). Hvert katodeelement (22) består av to relativt smale vertikale endeplater (22a) henholdsvis plassert ved siden av den bakre ildfaste murstensveggen (25) i kammeret (14) og ved siden av en vegg (26) mellom kamrene (14) og (15), og to vertikale sideplater (22b) som treffer endeplatene slik at det dannes et vertikalt hulrom i elementet. De fire bipolare elektrodeelementene (23) er montert ved siden av hverandre i hulrommet i katodeelementet (22), og hvert element (23) består på samme måte av to smale endeplater festet på to sideplater (23a), hvor de øvre delene er vertikale mens hunndelene (23b) danner en vinkel med hverandre på 45°. Hvert katodeelement (22) er festet til den bakre veggen (25) i elektrolysekammeret (14), og støtter de fire bipolare elektrodeelementene (23), elementene (22) og (23) holdes fra hverandre og fra anoden (21) ved hjelp av elektrisk isolerende avstandsstykker (ikke vist). For å kunne virke som støtter, har de to sideplatene (22b) i katodeelementet et innoverhellende bunnelement (28) som er sveiset fast til sideveggene (22a) og (22b) og som strekker seg mot hverandre men lar det bli igjen en spalte hvor den smeltede elektrolytten kan strømme oppover. Bunnelementene til katodeelementet har avstandsstykker som støtter opp de bipolare elektrodeelementene (23). Bunnspissen av de innoverhellende hunndelene (23b) til hver bipolar elektrode støter bare mot hverandre enkelte steder langs senterplanet til elektrodeelementet og danner på denne måten forlengede spalter langs nevnte plan, som tillater en kontrollert strømning av elektrolytten i mellomrommet mellom elektrodeelementene. Bunndelen av anoden (21) er kileformet for å gi bunnflater (21a) som er parallelle til de innoverhellende delene (23b) til de bipolare elektrodeelementene. Skilleveggen (26) utstrekker seg mellom øvre ende av elektrolyse og opp-saml ingskamrene og strekker seg en kort avstand under overflaten av elektrolytten. Veggene er støttet av støtte-pillarer (30) som hviler på bunnen av cellen. Et vinklet stykke (37) er sveist fast til yttersiden av hver sideplate (22b) til katodeelementet og dannes en omvendt kanal som samler opp dråper med magnesium metall og fører dem under den nedre enden av skilleveggen til oppsamlingskammeret hvor metallet danner et pverflatesjikt og tappes med jevne mellomrom ut gjennom tappehullet (18) i oppsamlingsrommet. Avsatsene (31) på pillarene (30) støtter ved hjelp av rullene (32) de nærmeste enden til katodeelementene, slik at elementene kan ekspandere og trekke seg sammen vertikalt fra og til den bakre veggen (25) i elektrolysekammeret.

Anodene (21) er støttet opp av dekselet (40) til elektrolysekammeret (14).

Til enden av katodeelementet som er nærmest den bakre vegg (25) er befestet i den øverste ende en robust plateleder (34),som stort sett har samme bredde som endeplatene (22a) til elementet, og som fortsetter videre ut gjennom veggen, isolert fra denne, til en samleskinne (35). Platelederen (34) er bygget inn i veggen (25) slik at når cellens levetid er forbi, kan katodelementene løftes ut av elektrolysekammeret etter at den øverste delen av murverket i den ildfaste veggen (12) er fjernet. På denne måten kan nye elementer plasseres i samme posisjoner som dem som er fjernet, og murverket i den ildfaste veggen kan settes på plass igjen. Platelederen (34) virker også som en ledeplate som hindrer at elektrolytt som fører med seg metalldråper kan passere nedover mellom katodeelementet og den bakre veggen i elektrolysekammeret (25) og hjelper på denne måten til å sikre at metalldråpene passerer under skilleveggen (26) inn i oppsamlingskammeret. Flere ledeplater (36) er av samme årsak plassert mellom elektrodeelementene. Ledeplatene (36) består av flenser som er sveiset fast til den ytre flaten av katodesideplatene (22a) og som strekker seg oppover fra den bakre celleveggen under skilleveggen (26) og inn i oppsamlingskammeret. Disse ledeplatene samarbeider med de tilsvarende ledeplater på katodeelementet ved siden av og hindrer at elektrolytten kan strømme nedover mellom de to katodeelementene. Det er allikevel nødvendig med en liten klaring mellom ledeplatene på grunn av utvidelser. Delen av sideplaten (22a) mellom det vinklede stykket (37) og ledeplaten (36) strekker seg under skilleveggen (26) inn i oppsamlingskammeret og har samme utstrekning som det vinklede stykket (37) og ledeplaten (36).

Platene som er satt sammen og danner kontinuerlige bipolare elektroder har fortrinnsvis gradert tykkelse, hvor platene til de bipolare elektrodene nærmest katodeelementet har størst tykkelse og platene nærmest anoden er tynnest. Forskjellen i tykkelse mellom platene er lik slitasjen på platene gjennom et celleløp. Når cellen stenges av blir elektrodeelementene fjernet og de innerste platene kastet. De andre platene trimmes ned til den mindre dimensjonen til neste, mindre elektrode, slik at den største elektroden må fornyes.

Figur 3 viser en modifikasjon av arrangementet i figur 2 og 3, hvor platelederen (34) forbundet med hvert katodeelement istedenfor å stikke ut gjennom hele tykkelsen av bakveggen har sin ytre ende (34a) rettet opp mellom det ytre skallet (10) og isolasjonslaget (11) slik at den stikker opp fra den øvre delen av celleveggen. Den øverste ende av platelederen er forbundet med en ledeskinne gjennom forbindelseselementer som er formet etter plasseringen av ledeskinnen.

I et alternativt arrangement i henhold til oppfinnelsen (ikke vist) har hvert katodeelement (22) festet til ende-platen nærmest bakveggen (25) en ledeplate som strekker seg på en forseglet måte gjennom, og støttet av, cellens ildfaste vegg (12), og de to vertikale sideplatene (22b) til katodeelementet har sveiset fast til sine ytre flater, plater som hviler på og er sveiset fast til respektive elektriske ledere som går gjennom celleveggen (25) og er koblet til ledeskinnene (35). For å kunne installere katode og bipolare elektrodeelementer, blir den øvre delen av den ildfaste veggen stående uferdig for å gjøre det mulig å senke elementene til den nederste delen av platene hviler på de fremstikkende deler av lederne. Platene blir så sveiset på plass på lederne, og veggen (26) bygges opp til over ledeplatene og lederne. På samme måte som i den illustrerte konstruksjonen blir flensene sveiset til den nærliggende katodestrukturen og danner ledeplater som forhindrer eller reduserer strømning av elektrolytten ned gjennom katodestrukturen.

Den ildfaste veggen (12), der hvor den strekker seg rundt elektrolysekammeret, kan i tillegg eller alternativt bestå av et eller flere horisontale lag av et ildfast materiale som har en høyere erosjonsmotstand mot den smeltede elektrolytten enn resten av materialet i veggen (12). Disse lagene er plassert rett under den øverste kanten av endeplatene (22a) til katodeelementene. Endeplatene (22a) er plassert i nærheten av veggen (12). Siden lagene har høyere motstand mot erosjon av elektrolytten, virker de til å opprettholde en god forsegling med katodeelementene gjennom cellens levetid, i motsetning til materialer som har lavere erosjonsmotstand og som vanligvis er billigere.

Claims (10)

1. Elektrolytisk celle for fremstilling av et metall ved elektrolyse av en smeltet elektrolytt med større tetthet enn metallet, som omfatter et elektrolysekammer (14), et metall-oppsamlingskammer (15), midler (37) for å lede det fremstilte metall og elektrolytt fra den øvre del av elektrolysekammeret til metalloppsamlingskammeret, midler (17) for å lede elektrolytten fra metalloppsamlingskammeret til den nedre del av elektrolysekammeret, samt minst et elektrodeelement inkludert et katodeelement (21), hvor katodeelementet (21) inneholder et vertikalt hulrom, en anode plassert i hulrommet, samt en eller flere mellomliggende bipolare elektrodeelementer (23) plassert mellom anode- og katodelementene, ledeplatemidler (34) for å vanskeliggjøre strømning av elektrolytten mellom katodeelementet (21) og en vegg, karakterisert ved at ledeplatemidlene omfatter én eller flere horisontale ledeplater (34), hvorav en del er innordnet i veggen i elektrolysekammeret (14) og én endedel utstrekker seg inn i elektrolysekammeret, hvilken endedel er festet til den ytre flate av katodeelementet (22).

2. Elektrolytisk celle i henhold til krav 1, karakterisert ved at ledeplatene (34) omfatter en plate plassert for å lede elektrisk strøm til katodeelementet, hvor nevnte plate går gjennom og er forseglet til nevnte vegg i elektrolysekammeret og virker ved å hindre eller vanskeliggjøre strømning av elektrolytten i rommet mellom katodeenheten og nevnte vegg.

3. Elektrolytisk celle i henhold til krav 1, karakterisert ved at ledeplaten er anordnet for å lede elektrisk strøm til katodeelementet og strekker seg gjennom og forseglet til en ildfast vegg og isolerende foring i cellen, men strekker oppover mellom nevnte foring og et metallskall som omgir foringen.

4. Elektrolytisk celle i henhold til ethvert av kravene 2-3, karakterisert ved at katodeelementet er støttet i enden nærmest oppsamlingskammeret på en måte som tillater ekspansjon og kontraksjon av lengden til katodeelementet i horisontal retning.

5. Elektrolytisk celle i henhold til ethvert av kravene 1-4, karakterisert ved at ledeplatene omfatter minst en ytterligere ledeplate plassert mellom hvert katodeelement og katodeelementet ved siden av og strekker seg tvers over elektrolysekammeret mot oppsamlingskammeret, ledeplaten heller oppover langs lengdeaksen mot oppsam-1ingskammeret.

6. Elektrolytisk celle i henhold til krav 1, karakterisert ved at katodeelementet har en ende lengst fra oppsamlingskammeret som er plassert i det vesentlige forseglende nærhet til veggen i elektrolysekammeret, et eller flere horisontale sjikt på overflaten av nevnte vegg mot katodeelementet er av et materiale mer resistent enn andre deler av nevnte vegg mot erosjon når elektrolytten strømmer over den.

7. Elektrolytisk celle i henhold til krav 1, karakterisert ved at hver mellomliggende bipolare elektrodeelement omfatter to sideplater, to endeplater koblet sammen med og strekker seg mellom sideplatene og danner et avlukke med åpen topp, hvor sideplatenes nedre ender begge er konvergente, men ikke møtes, slik at det dannes en slisse mellom dem.

8. Elektrolytisk celle i henhold til krav 7, karakterisert ved at anodens ytre overflate er formet slik at den er parallell med den nærliggende side og endeplater til det bipolare elektrodeelementet nærmest anoden.

9. Elektrolytisk celle ifølge kravene 1-8, karakterisert ved at i det minste et bipolart elektrodeelement er tykkere enn det bipolare elektrodeelementet som ligger nærmere anoden.

10. Elektrolytisk celle i henhold til krav 9, karakterisert ved at de bipolare elektrodeelementer har avtagende tykkelser i rekkefølge fra katodeelementet til anoden.