NO326669B1 - Magnesiumreduksjonsceller som har magnesiumreservoar - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse omhandler en elektrolysecelle for fremstillingen av smeltede metaller fra smeltede salter hvor tettheten til det smeltede metall er lavere enn den til elektrolytten ifølge krav 1, samt en fremgangsmåte for å operere slike celler ifølge krav 17.

Mer spesielt omhandler oppfinnelsen elektrolytiske reduksjonsceller av denne type som har reservoarer for oppsamlingen av det smeltede metallet fremstilt ved cellene.

Bakgrunnsteknikk

Magnesium og, i en mindre utstrekning, litiummetaller blir vanligvis produsert på en kommersiell skala ved elektrolyse av kloridsaltene deres inneholdt i en oppvarmet smeltet elektrolytt i en elektrolytisk reduksjonscelle. Ettersom elektrolyse går fremover, blir metall fremstilt i smeltet form (siden dets smeltepunkt er lavere enn temperaturen til den smeltede elektrolytten) og, fordi det har en lavere tetthet enn elektrolytten, flyter det smeltede metallet på overflaten til elektrolytten, hvor det samles og blir fjernet periodisk.

De fleste slike reduksjonsceller inneholder en metallgjenvinningsseksjon separat fra en elektrolyseseksjon. Metallgjenvinningsseksjonen tar form av en relativt rolig seksjon av cellen i hvilken metallseparasjon kan foregå effektivt.

I de fleste tilfeller, er en barriere eller deling gitt mellom elektrolyseseksjonen og metallgjenvinningsseksjonen slik at det separerte metall i metallgjenvinningsseksjonen, som flyter på elektrolyttoverflaten, blir opprettholdt utenfor kontakt med klorgassen, det andre elektrolysepro-duktet. Elektrolytt blir resirkulert fra metallgjenvinningsseksjonen tilbake til elektrolyseseksjonen slik at det alltid er tilstrekkelig elektrolytt for elektrolyseproses-sen. Enhver barriere eller deling gitt for denne hensikt har generelt kanaler eller åpninger mellom nivåene til metallaget for å tillate slik resirkulering. For å assistere i elektrolyttsirkuleringen, anvender noen elektrolytiske reduksjonsceller av denne type nivåkontrollanordninger for å kontrollere væskenivået (metall pluss elektrolytt) i metallgjenvinningsseksjonen. For eksempel, kan en åpenbunnet klokke eller "ubåt" nedsenket i elektrolytten som er forbundet med en inert gasstilførsel anvendes, hvor gasstrykket anvendes for å justere væskenivået lagret i klokken, som dermed endrer væskenivået i cellen.

Moderne elektrolyseceller, spesielt de av multipolar type, har høy produktivitet, men genererer på samme tid over-skuddsvarme som må fjernes for å opprettholde elektrolyt-temperaturen ved et konstant målnivå. Dette blir ofte gjen-nomført ved anvendelse av en luft til væske varmeveksler, nedsenket, for eksempel i metallgjenvinningsseksjonen.

Produktiviteten til slike multipolare celler har blitt økt til det punkt at enten kapasiteten til metallgjenvinningsseksjonen må økes for å tillate lagring av mer metall mellom periodiske metallfjerningsoperasjoner (metalltapping), eller alternativt, frekvensen av metallfjerning må økes. Ingen av disse løsningene er spesielt tilfredsstillende. Tilveiebringelsen av større metallgjenvinningsseksjoner ville bety at cellestørrelsen ville økes, dermed økende størrelsen av metallproduksjonsfasilitetene. Hyppigere metalltapping resulterer i redusert effektivitet av celledrift. De svært ønskelige effektivitetsgevinstene av metallproduksjon produserer derfor sine egne problemer angå-ende anleggsdesign og drift.

Videre, opererer moderne elektrolyseceller for magnesium-produksjon ved temperaturer svært nær smeltepunktet til elektrolytten for å maksimere strømutbyttet. Dette betyr også at celledriftstemperaturen ligger nær frysepunktet til magnesiumproduktet. Når magnesium blir samlet på elektrolyttoverflaten som i konvensjonelle celler, kan den bli halvfast, eller i det minste viskøs og vanskelig å tappe. Den konvensjonelle løsning til dette problemet er, på noen måte, å varme hele metall"puten" i metallgjenvinningsseksjonen før tapping. Dette, hever selvsagt eletrolyttempera-turen og reduserer strømutbyttet for en del av celledrif-ten. Varmevekslere som beskrevet over kan anvendes for å opprettholde temperaturen på et relativt konstant nivå, selv når ekstra varmetilførsel anvendes i løpet av tapping, men i celler med stor kapasitet, blir varmevekslerstørrel-sene som er nødvendig for å gjennomføre dette i løpet av og etter en tappingsoperasjon forhindrende store og dyre og krever store cellestørrelser for å romme dem.

PCT patentpublikasjon WO 97/28295, publisert 7. august, 1997 i navn av Olivo Sivilotti, fremlegger en fremgangsmåte og apparatur for å elektrolysere metallkloridsalter. I dette patentdokumentet, blir metall fra en metalloppsam-lingsseksjon sirkulert til et reservoar gitt innen cellen nedsenket under den smeltede elektrolytten, og blir der periodisk tappet fra reservoaret. Reservoaret er plassert omkring sentralt i cellen for å sikre korrekt elektrolytt-sirkulering, som er forbundet med den spesielt tenkte fremgangsmåten for å drive denne spesielle cellen. Det sentrale nedsenkede reservoar er gitt for å opprettholde det smeltede metallet utenfor kontakt med de ildfaste celleveggene så mye som mulig, for å forhindre reaksjon med det ildfaste materialet og følgelig forurensning av metallet. Ulempen med denne design er at den er svært spesialisert, kompleks og følgelig dyr. Eksisterende celler kan ikke enkelt modi-fiseres for å huse denne design. Den sentrale plassering av reservoaret tenderer å maksimere varmeutjevning mellom reservoaret og cellen, som kan resultere i reduksjoner i strømutbytte.

Det er derfor et behov for en mindre kompleks og mer prak-tisk løsning av problemet av å øke metallagringen i metallproduksjon s celler .

Fremleggelse av oppfinnelsen

Et formål med foreliggende oppfinnelse er å forbedre effek-tiviteten og produksjonslettheten av metall i elektrolytiske reduksjonsceller hvor tettheten til det smeltede pro-duserte metallet er lavere til den for elektrolytten.

Et annet formål med foreliggende oppfinnelse er å gi en fremgangsmåte og elektrolytisk apparatur for å produsere smeltede metaller med lavere tetthet enn elektrolytten i hvilken økte volumer av smeltet metall kan huses innen elektrolyseceller, spesielt de med stor produksjonskapasi-tet, uten å måtte ty til celler med mye større størrelse, til tappingsoperasjoner ved mye mer enn normal frekvens, eller til anvendelse av overdrevent store og dyre varmevekslere .

Enda et annet formål med foreliggende oppfinnelse er å muliggjøre at smeltet metall i elektrolytiske reduksjonsceller kan holdes i det minste temporært ved temperaturer over de til den smeltede elektrolytten uten å redusere celleeffektiviter.

Ifølge en utførelse av oppfinnelsen er det gitt en elektrolysecelle for å fremstille et smeltet metall som har en tetthet lavere enn en tetthet til en smeltet elektrolytt anvendt for å produsere metallet i cellen, omfattende: minst en del for elektrolysen av et salt av metallet inneholdt i en smeltet elektrolytt for å danne dråper av metallet i smeltet form inneholdt i elektrolytten; elektroder innen nevnte minst ene elektrolyseseksjon for å utføre elektrolysen;

metallgjenvinningsseksjon for å separere metallet fra elektrolytten for å danne et smeltet metallag, som har en øvre overflate, flytende på en øvre overflate til den smeltede elektrolytten;

et væskefylt reservoar som kommuniserer med en øvre del av metallgjenvinningsseksjonen for oppsamlingen av smeltet

metall fra det smeltede metallaget ved overløp av laget inn i reservoaret; og

tappeanordning for periodisk fjerning av smeltet metall fra cellen;

som er kjennetegnet ved

væskeoverføringsapparatur som kommuniserer med reservoaret for å muliggjøre at smeltet metall fra laget akkumulerer i reservoaret ved forskyvning av væske som allerede er tilstede i reservoaret, uten å fjerne væsken permanent fra cellen.

Ved "overløp" av det smeltede metallet fra gjenvinningsseksjonen til reservoaret, mener vi ikke nødvendigvis at de øvre overflatene til de smeltede metallagene i disse delene av cellene har ulike vertikale nivåer. Faktisk, kan disse overflatene være kontinuerlig (dvs. på samme vertikale nivå). Når dette er tilfelle, vil metall likevel "flyte over" fra gjenvinningsseksjonen til reservoaret som et resultat av forskjellen i metall-lagtykkelse i de to celledelene forårsaket av virkningen av drift av metalloverføringsapparaturen.

Ifølge en annen utførelse av oppfinnelsen er det gitt en fremgangsmåte for å fremstille et metall, i hvilken et salt av metallet inneholdt i en smeltet elektrolytt blir elektrolysert i en elektrolyseseksjon av en elektrolysecelle for å produsere en blanding av smeltet metall og smeltet elektrolytt; blandingen blir transportert til en metallgjenvinningsseksjon av cellen og metallet og elektrolytten er tillatt å separere til lag i metallgjenvinningsseksjonen, metallet i smeltet form har en tetthet som er mindre enn den smeltede elektrolytten; smeltet elektrolytt fra metallgjenvinningsseksjonen blir resirkulert til elektrolyseseksjonen; og smeltet metall blir periodisk fjernet fra cellen;

som er kjennetegnet ved at fremgangsmåten inkluderer tilveiebringelse av et væskefylt reservoar som kommuniserer med en øvre del av metallgjenvinningsseksjonen for

oppsamlingen av smeltet metall fra det smeltede metallaget ved overløp av laget til reservoaret og væskeoverføringsap-paratur som kommuniserer med reservoaret; og væskeoverfø-ringsapparaturen slipper ut væske som allerede er tilstede i reservoaret for å muliggjøre at smeltet metall fra laget akkumulerer i reservoaret, uten å fjerne væske permanent fra cellen.

Foretrukket har reservoaret en topp, sider og bunn, minst en åpning i toppen eller sidene kommuniserer med metallgjenvinningsseksjonen, minst en del av denne minst ene åpning ligger under den øvre overflaten til metallaget i løpet av minst en del av normale celleoperasjoner, alle disse minst ene åpning ligger over den øvre overflaten til elekrolytten i metallgjenvinningsseksjonen i minst en del av de nevnte normale celleoperasjoner, og sidene og bunnen er ellers lukket for å forhindre den frie flyt av metall eller elektrolytt mellom metallgjenvinningsseksjonen og reservoaret.

Foretrukket ligger den nevnte minst del av den minst ene åpning under overflaten til metallaget i metallgjenvinningsseksjonen i løpet av alle normale celleoperasjoner.

Reservoarsidene kan dannes ved flere tilgrensende sidevegger (for eksempel som i en rektangulær beholder) eller en enkelt kontinuerlig sidevegg (for eksempel som i en sylindrisk beholder).

Mest foretrukket har reservoaret en topp som er fullstendig åpen slik at reservoaret er i form av en åpen-toppet beholder som har faste sidevegger og en fast bunnvegg, hvori minst en del av sideveggene ligger under overflaten til metallaget i metallgjenvinningsseksjonen i løpet av normale celleoperasjoner, men sideveggene ligger helt over den øvre overflaten til elektrolytten i metallgjenvinningsseksjonen i løpet av normale celleoperasjoner. En del av sideveggene ligger over metallaget i tillegg i løpet av normale celleoperasjoner, men sideveggene kan også være fullstendig nedsenket under toppoverflaten til metallet i løpet av normale celleoperasjoner.

Væskeoverføringsapparaturen som forskyver væske i reservoaret gjør mest foretrukket dette uten å fjerne væsken fra cellen i det hele tatt (eller midlertidig). Imidlertid, kan midlertidig fjerning av væsken være ønsket i noen tilfeller for enkelthets skyld, for eksempel væsken kan dirigeres utenfor cellen fra et punkt i cellen til et annet. Følgelig kan forskyvningen av væske fra reservoaret dirigeres via en vei innen cellen eller passerende midlertidig utenfor cellen. Foretrukket er væskeoverføringsapparaturen opererbar kun i løpet av den delen av normale celleoperasjoner i hvilken en del av den minste ene åpning ligger under overflaten til metallet i metallgjenvinningsseksjonen.

Væskeoverføringsapparaturen kan være, for eksempel en klokke eller ubåt innen reservoaret forbundet med en ekstern gasstilførsel, hvori gasstrykket kan justeres for å forskyve væske fra reservoaret til klokken eller ubåten. Det er spesielt foretrukket at væskeoverføringsapparaturen trekker væske fra reservoaret og returnerer den til metallgjenvinningsseksjonen. En pumpe vil generelt anvendes for å utføre dette. En slik pumpe kan være av enhver form som er kompatibel med cellemiljøet. En gassløftepumpe eller impellerdrevet sugerør kan anvendes. En pumpe i hvilken væske alternerende trekkes i og drives ut fra et kammer ved hjelp av anvendelse av vakuum og gasstrykk, og strømmen kontrol-leres ved anvendelse av avstengningsventiler kan også anvendes. Det er også mulig å anvende sentrifugale pumper for en slik anvendelse. Pumpen kan mate et sekundært lagerre-servoar eller "surge"-volum eller lignende beholder fra hvilken den strømmer tilbake inn i metallgjenvinningsseksjonen. Foretrukket, blir væsken i reservoaret forskjøvet eller fjernet fra bunnen i det minste halvveis ned i reservoaret og mest foretrukket fra på eller nær bunnen. Normale celleoperasjoner referer til celledriftsbetingelser som forekommer i løpet av hoveddelen av tiden cellen er i drift, og ekskluderer oppstart og nedstengningsoperasjoner, og korte forstyrrelser til metall- og elektrolyttnivåer som kan forbindes med tapping av metall fra cellen eller tilsette elektrolytt- og metallsalt.

Tappeanordningen er foretrukket en hevert for metallfjerning og anvendes for å fjerne metall fra reservoaret. Pum-peanordninger inkluderer sentrifugalpumper og pumper som opererer ved syklisk sug og trykk kan også anvendes for å fjerne metall fra cellen.

Metallet til hvilke oppfinnelsen er anvendbart er foretrukket en av magnesium, litium, natrium, kalsium og blandinger derav. Mest foretrukket er metallet magnesium.

Foretrukket er elektrolyseseksjonen og metallgjenvinningsseksjonen separert ved hjelp av en deling eller barriere som forhindrer de gassformige elektrolyseproduktene fra å entre metallgjenvinningsseksjonen og som har åpninger for å tillate sirkulering av elektrolytt.

Funksjonen til det smeltede metallreservoaret er å midlertidig lagre mer metall fra cellen enn kan passende holdes i metallgjenvinningsseksjonen som et lag som flyter på den smeltede elektrolytten. Reservoaret kan danne en integrert eller intern del av cellen eller være separat fra den. Hvis separat fra cellen, kan det være i form av en isolert beholder knyttet til en ytre cellevegg. Den isolerte beholderen kan være en ildfast beholder eller en stålbeholder med et isolerende materiale på sin overflate. Imidlertid, er reservoaret foretrukket en integrert eller intern del av cellen og er plassert umiddelbart tilgrensende til eller innen metallgjenvinningsseksjonen og separert fra den kun ved en vegg eller vegger (vanligvis en vegg eller vegger til reservoaret i seg selv). Bunnveggen til reservoaret er foretrukket plassert betraktelig vertikalt under den vanligvis aller øverste posisjon til den smeltede elektrolytt i metallgjenvinningsseksjonen slik at reservoaret virker som en "kilde", dvs. et lagerareal til hvilket det smeltede metallet kan flyte til en dybde større enn den som er opp-nåelig i metallgjenvinningsseksjonen. Dette tillater at metallagerkapasiteten kan øke uten unødvendig økning i den totale cellestørrelsen. For å gi maksimal lagerkapasitet er det fordelaktig å plassere bunnveggene til reservoaret ved bunnen av metallgjenvinningsseksjonen, og i visse utførel-ser, kan bunnen av metallgjenvinningsseksjonen danne bunnveggen til reservoaret. Faktisk, kan metallreservoaret deles ut fra metallgjenvinningsseksjonen til en eksisterende vegg ved å bygge en passende separeringsvegg over en ende eller et hjørne til den tidligere gjenvinningsseksjonen. Det kan også være i form av en boks innen metallgjenvinningsseksjonen uten noen felles vegger med metallgjenvinningsseksjonen. Dette reduserer volumet av elektrolytt tilgjengelig for cellen, men ikke tilstrekkelig til at drift blir svekket eller at normal sirkulering av elektrolytt mellom metallgjenvinningsseksjonen og elektrolyseseksjonen blir signifikant påvirket. I alle tilfeller, er det fordelaktig å plassere reservoaret i en del av metallgjenvinningsseksjonen hvor elektrolyttstrømmen er relativt rolig. Dette vil typisk være ved et punkt fjernt fra kana-lene eller passasjene som kommuniserer med elektrolysesek-sjonene. Mens reservoaret kan ligge innen metallgjenvinningsseksjonen eller deles ut fra den ved anvendelse av delende vegger, er det operasjonelt forskjellig fra det i at mens metallgjenvinningsseksjonen anvendes for å separere små dråper av smeltet metall fra elektrolytten for å danne et lag på overflaten, blir reservoaret anvendt for å samle noe eller alt av dette allerede dannede laget og å holde det før tapping. Cellen virker ellers på samme måte som en konvensjonell celle som ikke har et smeltet metallreservoar.

Ved oppsamling av metallet i et slik reservoar, kjøles metallet ikke så lett ved stråling. Fordi enhver ytterligere varme krevd for å varme metallet før tapping blir anvendt i et mer begrenset rom, blir de termiske virkninger på cellen redusert hvilket tillater at mindre varmevekslere anvendes.

Reservoaret kan lages fra ethvert materiale som er kompati-belt med cellemiljøet. Stål kan anvendes, og fordi reservoaret i løpet av normale celleoperasjoner opererer med et lignende hydrostatisk trykkhode innenfor og utenfor (enhver trykkhodeforskjell blir forårsaket kun av forskjellen i de relative nivåer av metall og elektrolytt innenfor reservoaret og utenfor reservoaret) kan reservoargeometrien velges for å optimalisere rom uten nødvendigheten til å forsterke eller spesielt designe reservoaret for å overkomme mulig kollaps ved høye temperaturer. Stål er fordelaktig i tillegg til at et fjernbart reservoar derved kan konstrueres for å tillate at reservoaret periodisk kan fjernes fra cellen for service eller erstatning.

Når metallreservoaret er plassert umiddelbart til grensende metallgjenvinningsseksjonen ved anvendelse av en separe-rende vegg for å dele av deler av metallgjenvinningsseksjonen for denne hensikt, er det fordelaktig hvis den felles veggen som separerer reservoaret og metallgjenvinningsseksjonen ikke danner mer enn en mindre del (dvs. mindre enn omkring halvparten) av de eksterne vertikale vegger til reservoaret. Dette gir minimum areal for å overføre over-skuddsvarme til metallgjenvinningsseksjonen når metallet i reservoaret blir varmet umiddelbart før periodisk tapping.

Det kan være ytterligere fordelaktig å tilveiebringe en vegg mellom reservoaret og metallgjenvinningsseksjonen som har isolerende egenskaper, slik som smeltet støpt alumina, alumino-silikat eller ethvert materiale slik at veggen er resistent overfor det smeltede metall og elektrolytten, for å ytterligere begrense varmeoverføringen. En isolasjonsfak-tor i området på 1 til 10 W/m°C er vanligvis passende for denne hensikt selv om dette avhenger av celledesign og driftstemperaturer, etc. Dette er spesielt anvendbart når det er ønsket å minimalisere varmevekslerkravene for tempe-raturkontroll. Den ildfaste veggen kan være tilstede enten som en delevegg som beskrevet over, eller som et belegg på innsiden eller utsiden av en stålbeholder.

Selvsagt, kan oppvarming av elektrolytten i metallgjenvinningsseksjonen av metallet i reservoaret unngås fullstendig ved fysisk separering av reservoaret fra metallgjenvinningsseksjonen. Ikke desto mindre, er dette vanligvis ikke foretrukket. Ved å plassere reservoaret tilstøtende metallgjenvinningsseksjonen, passerer varme fra metallgjenvinningsseksjonen gradvis gjennom den forbundne veggen (selv om denne er gjort av isolerende ildfast materiale) for å holde metallet i reservoaret ved en smeltetemperatur uten ytterligere oppvarming. Den isolerende natur og/eller be-grensende eksponering for den forbundne veggen, beskytter imidlertid elektrolytten fra de tilfeldige og korte øknin-ger i temperatur av metallet som kan være nødvendig før tapping.

I løpet av drift, ettersom metall blir produsert i elektrolyseseksjonen, blir det ført til metallgjenvinningsseksjonen hvor det separerer for å danne et metallag eller "pute" på overflaten til elektrolytten. I løpet av driftsperioder hvor åpningen eller åpningene mellom reservoaret og metalloppsamlingsseksjonen ligger under metallnivået, flyter metall inn i reservoaret i tillegg. Ved drift, vil reservoaret fylles med metall og elektrolytt i ulike forhold av-hengig av tappesyklusen. Væske, som generelt er elektrolytt, blir fjernet fra bunndelen av reservoaret. Denne elektrolytten kan fjernes enten til en ubåt eller klokke plassert innen reservoaret eller kan pumpes til metallgjenvinningsseksjonen. Dette forårsaker at mer metall flyter inn i reservoaret, resulterende i en større dybde av metall i reservoaret enn i metallgjenvinningsseksjonen. Når reservoaret inneholder en metallmengde passende for tapping, blir metallet foretrukket varmet 20 til 50°C over elektro-lyttemperaturen og metallet blir ledet gjennom en hevert fra reservoaret. Ettersom metallet blir ledet gjennom heverten, blir væske returnert til reservoaret, enten fra ubåten eller klokken eller ved overløp fra metallgjenvinningsseksjonen eller fra en kombinasjon av de to. Denne væsken kan være metall eller elektrolytt eller en kombinasjon av de to. Med en gang tapping er fullført, blir prose-dyren repetert.

Når en ubåt eller klokke blir anvendt, kan elektrolytten i reservoaret ikke kontakte og blandes med elektrolytten i metallgjenvinningsseksjonen i noen vesentlig grad eller i det hele tatt. Dette betyr at elektrolyttsammensetningen i reservoaret kan avvike fra elektrolyttsammensetningen i resten av cellen. Dette kan forekomme gjennom naturlige endringer (for eksempel endringer i magnesiumkloridnivå-ene), eller gjøres med hensikt (for eksempel for å gi et ulikt smeltepunkt).

Reservoaret blir designet slik at de eneste delene i reservoaret som fritt kommuniserer med metallgjenvinningsseksjonen er åpningene i toppen eller sidene spesifikt plassert med hensyn til metall og elektrolyttoppoverflåtene beskrevet over. Alle åpninger i sidene eller bunnen som tillater fri kommunikasjon mellom reservoaret og metallgjenvinningsseksjonen og som ikke møter disse krav vil forårsake at apparaturen mislykkes i å samle metall som krevet skal derfor å unngås. For eksempel, vil en åpning i sidene eller bunnen som alltid er under elektrolyttoppoverflaten og tillater fri kommunikasjon mellom metallgjenvinningsseksjonen og reservoaret ikke tillate korrekt drift av reservoaret. Imidlertid, kan visse åpninger som tillater væskestrøm i kun en retning (for eksempel ved anvendelse av avstengningsventiler) og som derfor ikke tillater metall og elektrolytt til å strømme fritt mellom reservoaret og metallgjenvinningsseksjonen, anvendes uten å påvirke driften av apparaturen og kan være anvendbare i visse typer av pumper anvendt for å overføre elektrolytt fra reservoaret til metallgjenvinningsseksjonen.

I visse driftsmoduser, er det mulig for væskenivåene i metalloppsamlingsseksjonen å være lave nok til at åpningen eller åpningene til reservoaret ligger over metallet i metalloppsamlingskammeret. Ettersom metall blir produsert, stiger nivået og til slutt kan metallet strømme inn i reservoaret ved det punkt væskefjerning fra reservoaret kan settes i gang. Det er uønskelig å operere anordningen for væskefjerning fra reservoaret hvis det ikke er noen annen væskekommunikasjon med metallgjenvinningsseksjonen fordi væskenivåubalansen fremstilt slik kan forårsake driftsvan-skeligheter inkludert forspenning av reservoarveggene. Det er foretrukket, for enkelthets skyld å bedre total kontroll av operasjoner, og operere cellen med en del av åpningen eller åpningene alltid nedsenket under metalloverflaten i metallgjenvinningsseksjonen. Dette blir mest passende sik-ret ved hjelp av en nivåkontrollanordning som opererer i metallgjenvinningsseksjonen. Denne nivåkontrollanordning kan være en klokke, eller ubåt (lignende anordning som kan anvendes i reservoaret for midlertidig lagring av væske).

I løpet av oppstart av celler av denne type, vil reservoaret typisk være fylt med elektrolytt. Dette kan gjøres ved å tilsette elektrolytt til reservoaret direkte som resten av cellen fylles med elektrolytt, eller ved å heve elektrolyttnivået i metallgjenvinningsseksjonen midlertidig for å tillate elektrolytten å løpe over til reservoaret. Hvis en ubåt eller klokke anvendes i reservoaret, vil denne fyllin-gen foretrukket gjøres med ubåten eller klokken fylt med trykkgass.

Fordelene med oppfinnelsen er at kapasiteten til elektrolyseceller til å lagre smeltet metall mellom tappingsoperasjoner blir økt uten vesentlig å øke gulvplassen krevd for slike celler og uten å redusere strømutbyttet til cellen i løpet av normal drift.

Kort beskrivelse av tegningene

Fig. 1 er et vertikalt tverrsnitt av en elektrolytisk re-duks jonscelle av en første type modifisert for å inkludere en utførelse av et metalloppsamlingsreservoar passende for anvendelse i foreliggende oppfinnelse; Fig. 2 er et vertikalt tverrsnitt av en elektrolytisk reduksjonscelle av en annen type modifisert for å inkludere andre utførelse av et metalloppsamlingsreservoar passende for anvendelse i foreliggende oppfinnelse; Fig. 3 er et delvis tverrsnitt av en elektrolytisk reduksjonscelle som viser ytterligere apparatur som danner en første foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse; Fig. 4 er et horisontalt tverrsnitt av utførelsen ifølge Fig. 3; Fig. 5 er delvis tverrsnitt av en elektrolytisk reduksjonscelle som viser ytterligere apparatur som danner en andre foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse; Fig. 6 er et delvis tverrsnitt av en elektrolytisk reduksjonscelle som viser ytterligere apparatur som danner en tredje foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse; Fig. 7 er et delvis tverrsnitt av en elektrolytisk reduksjonscelle som viser ytterligere apparatur som danner en fjerde foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse; Fig. 8 er et delvis tverrsnitt av en elektrolytisk reduksjonscelle som viser en apparatur lignende fig. 6, med en tappeapparatur inkludert; Fig. 9 er et delvis tverrsnitt av en elektrolytisk reduksjonscelle som viser ytterligere apparatur som danner en femte foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse; Fig. 10 er et delvis tverrsnitt av en elektrolytisk reduksjonscelle som viser ytterligere apparatur som danner en sjette foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse; Fig. 11 er et delvis tverrsnitt av en elektrolytisk reduksjonscelle som viser ytterligere apparatur som danner en syvende foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse; Fig. 12A, 12B og 12C er vertikale snitt av en side av reservoaret i foregående utførelser, som viser ulike former av åpninger som kommuniserer med metallgjenvinningsseksjonen; Fig. 13 er et vertikalt snitt av en elektrolytisk reduksjonscelle som viser en reservoarmodifikasjon passende for celler som ikke har noen metallnivåkontroll; Fig. 14 er en perspektivbetraktning som viser en del av en elektrolytisk reduksjonscelle og et eksternt plassert reservoar; Fig. 15 er en perspektivbetraktning av et reservoar av en foretrukket måte vist isolert fra en celle; Fig. 16 er et delvis tverrsnitt av en videre utførelse av metallreservoaret, Fig. 17 er et forstørret tverrsnitt av metallgjenvinningsseksjonen som viser en alternativ design; Fig. 18 er et tverrsnitt lignende Fig. 17 som viser en videre modifisert design; og Fig. 19 er et tverrsnitt av en del av metallgjenvinningsseksjonen som viser en alternativ måte for metallstrømning.

Beste utførelsesmåter av oppfinnelsen

Apparaturen ifølge foreliggende oppfinnelse kan, i foretrukne utførelser, ta form av en modifikasjon av en ellers konvensjonell magnesiumreduksjonscelle av enhver type som har en metallgjenvinningsseksjon dannet av en metalloppsam-lingsseksjon i hvilken metalldråper i elektrolyttblandingen fra en elektrolyseseksjon blir tillatt å flyte til overflaten og forene seg for å danne et flytende lag av smeltet metall. Modifikasjonen involverer dannelsen av et metallreservoar forbundet med metalloppsamlingsseksjonen og å skaffe utstyr innen reservoaret og/eller innen metallopp-samlingsseks j onen for å tillate smeltet metall å fjernes til reservoaret, varmes (hvis nødvendig) og periodisk fjernes .

Eksempler på strukturelle modifikasjoner av konvensjonelle celler er vist i fig. 1 og 2. Fig. 1 viser et vertikalt tverrsnitt av en multipolar elektrolysecelle 10 i form av et stålskall 11 belagt på innsiden med et ildfast materiale 12. Cellen er oppdelt i to seksjoner med en ildfast vegg 13 for å gi en elektrolyseseksjon 14 og en metallgjenvinningsseksjon 15. Den ildfaste veggen 13 har øvre og nedre åpninger 16, 17 for å tillate elektrolytt å sirkulere mellom seksjonene 14 og 15. Innen elektrolyseseksjonen 14 er en eller flere elektrodesammenstillinger 18, hver bestående av en anode 19 og en katode 20 og en eller flere bipolare elektroder 21. Elektriske forbindelser 22 og 23 er gitt for henholdsvis anoden og katoden.

Ulik en konvensjonell celle av denne typen, inneholder cellen et smeltet metallreservoar 25 i form av et minst delvis åpen-toppet rektangulært rom (beskrevet som en "kilde") delt ut av metallgjenvinningsseksjonen 15 ved en stålboks-aktig struktur som har sidevegger 26 og en bunnvegg 27. Boksen kan også konstrueres fra isolerende ildfaste materialer eller fra stålark belagt eller overflatet med isolerende ildfaste materialer. Reservoaret opptar en ende av den rektangulære cellen 10 men er separert fra den (har ingen felles vegger). I denne utførelsen, ligger bunnveggen 27 til reservoaret 25 signifikant over bunnveggen 28 av metallgjenvinningsseksjonen 15, og støttende søyler 30 er gitt for å sikre stabilitet. En del 31 av sideveggene 26 er lavere enn resten av sideveggene. Generelt vil dette være en del som vender mot metallgjenvinningsseksjonen. En adgangsport 32 er gitt i toppen 33 av cellen for å tappe metall fra reservoaret.

Metallgjenvinningsseksjonen 15 kan inneholde en væskenivå-kontrollanordning (ikke vist) for å opprettholde væskenivåene relativt konstant i løpet av de fleste driftstrinn. Ytterligere detaljer av elektrolyseceller av denne typen (uten reservoaret) kan finnes, for eksempel i internasjonal patentpublikasjon WO 96/33297 (Sivilotti et al.) publisert 24. oktober 1996.

Fig. 2 viser et vertikalt tverrsnitt av en andre type multipolar elektrolysecelle 40. Cellene i denne utførelsen er igjen i form av et metallskall 41 som har et ildfast belegg 42 internt delt av en ildfast vegg 43 ved det øvre celle-nivå til en elektrolyseseksjon 44 og en metallgjenvinningsseksjon 45. En væskenivåkontrollerende anordning 46 er inneholdt i metallgjenvinningsseksjonen 45 og består av et hult kammer 4 7 utstyrt med en åpning 4 8 i bunnen som kommuniserer med den flytende elektrolytt 49 i metallgjenvinningsseksjonen 45 og som er forbundet ved hjelp av et rør til en ekstern kilde til inert gass (ikke vist). Kammeret er omgitt av en forseglet mantel 50 gjennom hvilken luft blir ført, fra en ekstern blåser (ikke vist). Denne luften entrer via rør 51, og forlater ut gjennom et andre rør ikke vist i denne figuren.

Cellen har blitt modifisert til å inkludere et smeltet metallreservoar 60 som har blitt delt ut av metallgjenvinningsseksjonen 45 ved en fast ildfast vegg 61 som strekker seg fra gulvet 62 av cellen opp til et øvre hjørne 63 nær celletoppen 64 for å danne reservoaret 60. Derfor, er reservoaret i form av en brønn med toppoverflaten fullstendig åpen, og sideveggene dannet delvis av veggen 61 og delvis av en del av de ildfaste celleveggene 42, og bunnen dannes av en del av cellegulvet 62. En adgangsport 65 er gitt på toppen av cellen 63 for å gi adgang til reservoaret 60. Andre trekk av multipolare celler av denne type (unntatt reservoaret 60) er beskrevet i US patent 4,518,475 til Sivilotti utgitt 21. mai 1985.

Begge cellene ifølge fig. 1 og fig. 2 opererer på lignende måte for å produsere magnesiummetall. Strøm blir ført gjennom elektrodesammenstillingen(e) via elektrolytt inneholdt mellom elektrodene. Magnesiummetall blir produsert ved katoden og på de katodiske overflatene til bipolare elektroder, og klorgass blir produsert ved anoden og de ano-diske overflatene til bipolare elektroder. Klorgassen forårsaker at den magnesium-dråpe-inneholdende elektrolytten stiger i åpningene mellom elektroden til toppen av elektro-desammenstillingene hvor elektrolytten løper over, passerer under barriereveggen eller gjennom et hull i toppdelen av barriereveggen og entrer metallgjenvinningsseksjonen. Denne virkning forårsaker at klorgassen separerer fra elektrolytten og forblir i toppen av elektrolyseseksjonen, fra hvilken den blir ekstrahert, og forårsaker at metalldråpene fø-res over inn i metallgjenvinningsseksjonen hvor de flyter til toppoverflaten av elektrolytten for å danne et metallag 70, Elektrolytt blir returnert fra metallgjenvinningsseksjonen til elektrolyseseksjonen ved åpninger i den lavere delen av celledeleveggen (fig. 1) eller under den lavere kanten av en hengende delevegg (fig. 2).

I tilfelle av utførelsen ifølge fig. 2, blir for å opprettholde elektrolyttstrømmen ved et optimalt nivå, nivåkon-trollanordningen 46 gitt. Trykket av inert gass i anordningen blir justert for å tillate at elektrolytt kommer inn eller blir drevet ut fra det hule kammeret 47 i anordningen for å opprettholde væskene ved det ønskede målnivå i cellen i løpet av normal drift og for å kompensere for saltuttyn-ning og metallproduksjon. Slike anordninger kan også anvendes i utførelsen ifølge fig. 1, eller en nivåkontrollanordning integrert med katodesammenstillingen 20 kan anvendes. En slik anordning er beskrevet i PCT-søknad W096/33297 (Sivilotti et al.).

I alle utførelser av foreliggende oppfinnelse, blir cellen drevet slik at den laveste delen av den øvre kanten (31 i fig. 1, 63 i fig. 2) av sideveggene i reservoaret ligger under den øvre overflaten 71 av metallet innen den metall-gjenvinnende seksjonen i løpet av minst noen del av normal celledrift. Væskenivåene kan fluktuere i løpet av driften av noen celledesign mellom tapping og tilførselssykler, og reservoaret kan opereres gitt at nivået av væske blir opprettholdt slik at den laveste delen av den øvre kanten og sideveggene er under den øvre overflaten til metallet tilstrekkelig ofte til at metallet produsert kan strømme over kanten og inn i reservoaret. Imidlertid, er det spesielt foretrukket at den laveste delen av den øvre kanten av sideveggene ligger under den øvre overflaten 71 av metallet i løpet av i all vesentlig all normal celledrift. Dette kan mest hensiktsmessig sikres ved hjelp av en væskenivåkon-trollanordning 4 6 av den typen beskrevet i forbindelse med fig. 2.

I alle utførelser av foreliggende oppfinnelse, blir cellen operert slik at den laveste delen av den øvre kanten av sideveggene ligger over en grenseflate 72 mellom metallet og elektrolytten i løpet av en del av de normale celleoperasjoner foretrukket i en vesentlig del av normale celleoperasjoner (for eksempel 80% - eller enda mer foretrukket, alle normale celleoperasjoner). Kun når den øvre kanten ligger over grenseflaten 72 vil reservoaret operere effektivt for å samle metall og, derfor skulle dette foretrukket forekomme i det meste av tiden cellene er i drift. Fig. 1 og 2 viser tilveiebringelsen av smeltet metallreser-voarer (25 i fig. 1, 60 i fig. 2) i ulike celletyper. Imidlertid, er ytterligere utstyr inkludert for å få apparaturen ifølge oppfinnelsen til å virke på den tenkte måten. Detaljene med dette ytterligere utstyr vil bli beskrevet i det følgende med referanse til fig. 3 til 6. Det skulle imidlertid bemerkes, at dette tilleggsutstyret kan anvendes med cellen ifølge fig. 1, cellen ifølge fig. 2, eller enhver alternativ celletype som har en metallgjenvinningsseksjon og metallreservoar. Fig. 3 og 4 viser et reservoar 80 og en del av en metallgjenvinningsseksjon 81 av den typen vist i fig. 1 eller fig. 2. Når cellen er i normal drift, har væsken i metallgjenvinningsseksjonen (bestående av elektrolytt og variable mengder av smeltet metall på overflaten av elektrolytten) et normalt driftsnivå (nivå til sin øvre overflate) 82 som er opprettholdt over den laveste delen av den øvre kanten 83 av sideveggene 84. Reservoaret 80 inneholder en væske-lagringsklokke (eller ubåt) 85 bestående av en åpenbunnet men ellers forseglet invertert beholder 86 tilført ved et gassleveringsrør 87 forbundet med en ekstern kilde (ikke vist) av en (foretrukket inert) gass, som kan operere under trykk eller sug. Hvis sug anvendes på gassleveringsrøret

87, så blir væske (generelt elektrolytt) fjernet fra reservoaret til innsiden av beholderen 86, og metall fra metallgjenvinningsseksjonen kan entre reservoaret ettersom væsken blir trukket ut fra reservoaret.

Reservoaret kan bli periodisk tappet ved hjelp av en hevert (ikke vist), som kan komme inn i reservoaret i arealet 88 (se fig. 4) via en åpning 89 på toppen 90 av cellen. I løpet av tapping, kan trykk anvendes på gassleveringsrøret 87 som returnerer den midlertidige lagrede væsken i beholder 86 til reservoaret for å innta rommet holdt av det tap-pede metall, og generelt heve metall-elektrolyttgrensefla-ten innen det fremstilte reservoaret for å motta mer metall. Væskelagringsklokken er vist innen reservoaret i fig. 3 og 4, men kan være plassert utenfor reservoaret, hvis ønsket, kommuniserende via et lukket rør som forbinder den lavere delen av beholderen (nå forseglet til røret) med den lavere delen av reservoaret.

En immersjonsvarmeveksler 95 kan være gitt for reservoaret og kan være permanent montert i reservoaret, eller innsatt midlertidig i løpet av tapping, hvis ønsket. Immersjonsvar-mevekslere passende for dette formål er beskrevet, for eksempel i US patent 4,420,381 (Sivilotti et al.) som kan anvendes for oppvarming så vel som for kjøling som beskrevet i det patent, eller i japansk åpenlagt patentsøknad JP02-129391 (Maebara et al.). Alternativt, kan andre typer vekslere (for eksempel, resistive elektriske varmere neddykket i væsken i reservoaret eller innstøpt i den ildfaste veggen 96 i cellen tilgrensende til reservoaret, eller AC-elektroder neddykket i elektroden i bunnen av reservoaret) anvendes.

Selv om ikke spesifikt vist, er alle anordninger som forlater cellen (for eksempel forbindelser til varmeveksleren, og gasstilførselen til ubåten), forseglet inn i celletoppen 90 hvor de passerer gjennom. Åpningen gitt på celletoppen for å sette inn en avtappingshevert er også utstyrt med et fjernbart lokk. Derfor, er celletoppen forseglet i løpet av det meste av dens operasjoner og en inert gasskylling blir gitt for å forhindre oksidasjon av magnesiumen i metallgjenvinningsseksjonen og reservoaret.

Figurene 5 til 9 viser kun et reservoar 100 inneholdt innen metallgjenvinningsseksjonen av en celle i foreliggende oppfinnelse. I fig. 5, ligger sideveggene 101 av reservoaret 100 fullstendig under toppoverflaten 102 av metallet. I figurene 6 til 9, ligger kun en del 103 av sideveggene 101 under toppoverflaten 102 av metallet. Selv om ikke vist, kan metallgjenvinningsseksjonen være utstyrt med en nivåkontrollanordning og varmeveksler, og reservoaret kan være utstyrt med enten en permanent eller immersjonstype varmeveksler (dvs. som illustrert i fig. 2, 3 og 4). Reservoaret vil tappes som i de foregående utførelser.

Fig. 5 viser en gassugepumpe 110 anvendt for å overføre væske fra reservoaret til metallgjenvinningsseksjonen. Pumpen består av et indre gassleveringsrør 111 som er forseglet til celletaket (ikke vist) og et konsentrisk væskeinne-holdelsesrør 112. En kilde til inert gass (ikke vist) er knyttet til rørenden 113 utenfor cellen. Gass blir levert til gassleveringsrøret og stiger opp i det ringformede rommet mellom det røret og det konsentriske væskeinneholdende røret. Dette forårsaker at væske innen ringrommet bæres oppover og strømmer inn i utløpsrøret 114 og renner over ved enden av røret hvor det drypper tilbake inn i metallgjenvinningsseksjonen. Gassen unnslipper ved 115 og blir tømt ut med andre vanlige cellegasser fra metallgjenvinningsseksjonen. Utløpsrøret 114 kan også forlenges (vist med stiplede linjer 116) slik at det terminerer under væs-keoverflaten i metallgjenvinningsseksjonen. I et slikt tilfelle, er en åpning fremdeles gitt for at gassen skal unn-slippe. En slik modifikasjon tillater væsken å strømme ut under overflaten og reduserer turbulens og spruting. Gass-sugepumpen kan opereres kontinuerlig eller periodisk, men

blir foretrukket operert periodisk. Pumpen forårsaker væske (elektrolytt) i reservoaret og overføres til metallgjenvin-ningskammeret og denne væsken blir erstattet ved metall som tillater at reservoaret fylles med økende mengder flytende

metall. Ulikt ubåten eller klokken som reverserer operasjo-nen i løpet av tapping for å returnere væske til reservoaret for å kompensere for metallfjerningen, reverserer ikke nåværende type av pumpe, men stoler på en returmåte for væske over de nedsenkede veggene 101 i reservoaret 100 for å returnere væske (vanligvis metall) til reservoaret, siden væskenivået 102 i metallgjenvinningsseksjonen alltid er høyere enn veggene 101. Hvis overskudd metall blir tappet, kan noe elektrolytt overføres til reservoaret, mens ettersom dette vil bli pumpet i den neste syklus, forårsaker ikke dette noen driftsproblemer. Fig. 6 viser en sugerør-væskesirkulasjonsanordning 120 anvendt for å overføre væske fra reservoaret. Anordningen består av et sugerør 121 åpent i bunnen, med et overløpsut-løp 122 som munner ut i metallgjenvinningsseksjonen. En impeller 123 forbundet til et skaft 124 er montert innen sugerøret. Skaftet passerer gjennom celletoppen (ikke vist) hvor det er forseglet ved et roterende segl (ikke vist). Impelleren roteres med en motor eksternt til cellen (ikke vist) som kan være av enhver passende type (for eksempel, en elektrisk eller pneumatisk motor). Impelleren 123 er konfigurert slik for å forårsake at væsken strømmer oppover i sugerøret 121 og deretter til overløp ved utløpet 122. Driften er ellers lignende utførelsen ifølge fig. 5, unntatt at væskereturveien er begrenset til den neddykkede delen 103 av veggene 101 for å returnere væske til reservoaret 100 når væsken blir pumpet fra reservoaret til metallgjenvinningsseksjonen . Fig. 7 viser en ytterligere pumpetype som kan anvendes med foreliggende oppfinnelse. I denne pumpen, er et innløpsrør 130, og utløpsrør 131 og et holderør 132 gitt. Holderøret

(eller et smalere diameter rør forbundet til holderøret)

passerer gjennom toppen av ovnen (ikke vist) og er forseglet ved det punktet. Utløpsrøret munner ut i metallgjenvinningsseksjonen. Innløpsrøret og utløpsrøret er begge utstyrt med enveisventiler 133, 134 konfigurert slik at væske kun kan strømme i retningen som vist. En kilde til inert gass blir anvendt på enden 135 av holderøret 132. Ved å anvende alternerende sug og trykk, blir væske først trukket oppover etter ventilen 133 (sugedel av syklusen) og inn i delen av holderøret 132, i løpet av denne tiden blir ventilen 134 holdt lukket av vekten av væsken over den. I løpet av trykkdelen av syklusen, blir væske tvunget forbi ventilen 134 og blir tømt ut inn i metallgjenvinningsseksjonen, mens ventilen 133 blir holdt lukket av vekten av væsken. Denne pumpen opererer også på annen måte på samme måten som den ifølge fig. 5 eller 6.

Andre pumper kan også anvendes. For eksempel, kan sentrifugalpumper som har et innløp neddykket i reservoaret og et utløp som munner ut i metallgjenvinningsseksjonen også anvendes, pumpen blir drevet av et skaft som strekker seg oppover gjennom toppen av cellen (ikke vist) hvor det er utstyrt med en roterende forsegling (ikke vist) og drevet av en ekstern motor (ikke vist).

Fig. 8 viser et reservoar 100 i hvilken åpning 140 er gitt i en av sideveggene 101. Åpningen som illustrert er vist fullstendig neddykket under toppoverflaten 102 av metallet, selv om den også kan arrangeres til å være kun delvis nedsenket hvis ønsket. Toppen 141 av reservoaret kan være fullstendig dekket unntatt hvor den ulike apparaturen slik som varmeveksler, pumpe og hevert passerer gjennom, eller kan ha åpninger i tillegg. Det er foretrukket at minst en åpning er gitt slik at det er "gass"-kommunikason mellom reservoaret og metallgjenvinningsseksjonen, selv om en slik åpning kan være enkelt gitt av et gap hvor den ulike apparaturen passerer gjennom reservoartoppen. En gass-sugepumpe 142 (mer fullt beskrevet i fig. 5) er også vist og enden til en avtappingshevert 143 er også vist nedsenket under metallnivået 102. Tappesmeltedigelen forbundet til denne heverten er ikke vist, men er av konvensjonelt design. I løpet av normal drift unntatt for tappeoperasjoner, ligger elektrolyttnivået 144 i metallgjenvinningsseksjonen under enhver kommuniserende åpning mellom reservoaret og metallgjenvinningsseksjonen. I operasjonsmodusen illustrert i fig. 8, er toppoverflaten 102 til metall"puten" opprettholdt ved konstant doseringsnivå ved anvendelse av en nivåkontrollanordning (ikke vist i denne figuren, men illustrert, for eksempel i fig. 2). I løpet av normale operasjoner før tapping, ettersom metall blir produsert og separert i metallgjenvinningsseksjonen (som beskrevet over), blir det øvre nivået 102 opprettholdt konstant eller innen bånd omkring et forutbestemt nivå og elektrolyttnivået 144 vil falle inntil pumpen 142 trekker væske fra reservoaret 100 og returnerer den til metallgjenvinningsseksjonen, dermed trekkende metall inn i reservoaret 100 og forårsakende metall-elektrolytt-grenseflaten 145 i reservoaret og grenseflateposisjonen 144 å stige. Når cellen blir tappet for metall, trekker heverten 143 metall fra metallaget i reservoaret og metallnivået 102 blir opprettholdt konstant, elektrolyttnivået 144 stiger ytterligere. Grenseflaten 145, forblir imidlertid ved et konstant nivå hvis pumpen 142 ikke opereres i løpet av tappeoperasjonen, eller vil falle ytterligere hvis pumpen fortsetter å operere. Hvis tilstrekkelig metall blir fjernet ved heverten, kan elektrolyttnivået stige til et nivå 146 (på eller like over det laveste punktet 147 på sideåpningen 140) ved denne tiden vil elektrolytt 148 strømme inn i reservoaret over det lave punkt 147 av åpningen 140 og oppta noe av rommet under grenseflaten 145. Denne elektrolytten vil til slutt returneres til metallgjenvinningsseksjonen ved pumpen etterfølgende tapping siden metall igjen starter å bygge opp, men det er ønskelig at dette skjer i så kort en tids-lengde som mulig for å forhindre unødvendige krav på pumpe-driften 140. Det vil være klart fra denne figuren at hvis elektrolytten forble på eller over nivå 146 i forlengede tidsperioder, ville metallnivået i reservoaret være likt det i metallgjenvinningsseksjonen (såfremt pumpen 140 har en høy driftskapasitet tilstrekkelig til å minst overkomme strømningshastigheten til elektrolytten inn i reservoaret) og derfor ville ingen ytterligere metallagring være tilgjengelig i løpet av de periodene, og cellen ville ikke operere på en optimal måte. Det er klart vesentlig at enhver kommunikasjonsåpning ligger over elektrolyttnivået i metallgjenvinningsseksjonen i minst deler av normal celleoperasjon, ellers vil anvendbarheten til reservoaret tapes. Det er spesielt foretrukket at alle kommuniserende åpninger ligger fullstendig over elektrolyttnivået i metallgjenvinningsseksjonen for mye av cellens normale operasjon (80% eller mer), og hvis mulig i alt vesentlig alle cellens normale operasjoner.

Fig. 9 viser ytterligere en annen pumpetype for anvendelse med foreliggende oppfinnelse. I dette tilfellet, passerer pumpeinnløpsrøret 150 gjennom en vegg 151 til reservoaret 100. Pumpen 152 er en gassugepumpe som illustrert i fig. 5, for eksempel, men gassen og væsken i denne gassen tømmes begge inn i væsken i metallgjenvinningsseksjonen 153. Gassen stiger så til overflaten. En avstegningsventil 154 er gitt slik at hvis pumpen stopper å operere blir væske for-hindret fra å strømme tilbake inn i reservoaret. Denne avstengningsventilen forhindrer dermed at elektrolytten strømmer fritt mellom reservoaret og metallgjenvinningsseksjonen. Selv om en gassugepumpe er vist, kan enhver av de andre pumpene ifølge foreliggende oppfinnelse anvendes like godt. Innløpet 150 til pumpen kan være plassert i sideveggen 151 som vist eller kan til og med være plassert i bunnen av reservoaret hvis beholderen som danner reservoaret har en passende geometri (for eksempel som vist i fig. 1). Fig. 10 viser en variasjon av gassugepumpe som også kan anvendes med foreliggende oppfinnelse. I dette tilfellet er en gassugepumpe 160 gitt som beskrevet i fig. 5 unntatt at utløpsrøret 161 er fullstendig neddykket i væsken i reservoaret 100 og metallgjenvinningsseksjonen 162. Den pumpede væsken blir tømt inn i metallgjenvinningsseksjonen ved røret 163, og gassen anvendt for å operere pumpen unnslipper gjennom røret 164 som strekker seg opp gjennom toppoverflaten til væsken og kan hvis ønskelig munne ut eksternt til cellen. En avstengningsventil 165 ved pumpeinnlø-pet er også gitt i dette tilfellet for å unngå tilbake-strømning av væske hvis pumpen stopper å operere. Avstengningsventilen kan også være plassert i utløpsrøret 163. Alle pumpene tidligere beskrevet kan også substitueres for gassugepumpen. Fig. 11 viser en videre variasjon av gassugepumpen. I dette tilfellet er en gassugepumpe 170 gitt hvor utløpsrøret 171 munner ut i en tank 172. Denne tanken kan være internt eller eksternt til cellen, og kan tjene, for eksempel som tank for å blande ytterligere råmateriale inn i elektrolytten for anvendelse i cellen. Tanken er utstyrt med et utløp 173 som har en doseringspumpe eller ventil 174 for å kontrollere hastigheten av væskeretur til metallgjenvinningsseksjonen. Når anvendt eksternt til cellen, må pumpen og tanken være utstyrt med passende oppvarming for å forhindre størkning av væskene. Pumpeinnløpet 175 må være plassert på et nivå i reservoaret 100 slik at kun elektrolytt vil trekkes inn i tanken 172. Om tanken 172 er plassert eksternt til cellen eller ikke, ingen elektrolytt blir fjernet permanent fra cellen i løpet av operasjon. Figurene 12a, 12b og 12c viser en del av siden av reservoa-rene illustrert i de tidligere figurene. Generelt er dette siden som vender mot metallgjenvinningsseksjonen. I alle figurene er den foretrukne plassering 180 av metalltoppen i metallgjenvinningsseksjonen vist (stiplet linje). I fig. 12a, har åpningen i reservoaret (som kan inkludere en topp-åpning i tillegg) en rektangulær utskåret del 181 hvor åpningen blir opprettholdt under toppnivået til metallet. I fig. 12b, er en rekke diagonale utsnitt 182 gitt for samme hensikt. I fig. 12c er en serie av hull 183 gitt i siden slik at minst en del av disse hullene ligger under metalloverflaten. Utførelsen av fig. 12c kan anvendes med en åpen-topp beholder eller med en lukket-topp beholder, for eksempel som vist i fig. 8. Disse figurene er illustrative på noen av typene åpninger som kan anvendes med foreliggende oppfinnelse. Imidlertid, kan enhver åpningskonfigura-sjon som møter immersjonskriteriene anvendes, og valget vil avhenge av plasseringen av andre komponenter som kan være tilstede i en spesiell cellekonfigurasjon. Fig. 13 viser en alternativ åpningsdesign som er tenkt for anvendelse primært hvor posisjonen av den øvre metalloverflaten ikke er kontrollert. En side av reservoaret 190 er utstyrt med en glidende veggdel 191 som er opphengt fra en henger 192 som strekker seg opp gjennom toppen (ikke vist) av cellen hvor den kan heves eller senkes ved enhver pas-

sende mekanisk anordning (for eksempel en skruejekk). Den glidende veggdelen 191 er fri til å bevege seg i den vertikale retningen og blir beveget opp eller ned i respons til en måling av posisjonen til metalloverflaten 193 i metalloppsamlingsseksjonen. Posisjonen kan måles ved hjelp av en posisjonssensor 194 (for eksempel en laserposisjonssensor, kapasitanssensor, flottør eller lignende anordning). Den glidende veggdelen inneholder en åpning eller åpninger av enhver passende type (slik som illustrert i fig. 12a til 12c) og den vertikale bevegelsen av veggdelen sikrer at minst en del av veggseksjonen og åpningene i den vil være under metalloverflaten i de fleste normale operasjonsperio-der av cellen.

Fig. 14 er en perspektivbetraktning av en del av metallsek-sjonen 200 med et "eksternt" reservoar 201 knyttet til det. Metallgjenvinningsseksjonen er inneholdt innen en ildfast belagt stålvegg 202, og reservoaret i seg selv blir dannet fra tre ildfast belagte stålvegger 203 med utsiden av metalloppsamlingsseksjonen dannende den lukkende veggen 204. Den ytre ståldelen kan fjernes fra metalloppsamlingsseksjonen for delen som danner den lukkende veggen. Reservoaret er utstyrt med et gulv (ikke synlig i denne figuren) som kan være ved et nivå forskjellig fra gulvet i metalloppsam-lingsseks jonen hvis ønsket. En korridor 205 er gitt som

passerer gjennom den lukkende veggen og tillater kommunikasjon mellom reservoaret og metallgjenvinningsseksjonen. Ved drift, blir metallnivået i metallgjenvinningsseksjonen opprettholdt ved en posisjon indikert ved en stiplet linje

206, slik at bunnen 207 av korridoren 205 ligger under den øvre metalloverflaten. Elektrolyttnivået 208 i metallgjenvinningsseksjonen vil vanligvis ligge under bunnen 207 av korridoren. Metallgjenvinningsseksjonen og reservoaret vil vanligvis være dekket med deksel belagt med gass til et ildfast materiale gjennom hvilke de ulike metallnivåkontrollanordninger, varmere og tappearrangementer allerede passert vil passere. Enten den interne ubåt eller pumpear-rangementer allerede beskrevet vil være anvendbare med

reservoaret for å fjerne væske fra reservoaret og å returnere væsken enten til reservoaret eller til metallgjenvinningsseksjonen . Fig. 15 viser en foretrukket reservoard.esign isolert fra cellen. I denne design, er reservoaret 220 en åpen-toppet boks som har faste sidevegger 221, 222, 223 og 224, en fast bunnvegg (ikke synlig) og en fullstendig åpen topp 225. Sideveggen 222 har en øvre kant 22 6 som er lavere enn de øvre kantene 227, 228 og 229 til de andre sideveggene. Det åpne rommet 230 over den øvre kanten 226 danner en åpning gjennom hvilken smeltet metall kan entre reservoaret fra de tilstøtende metallgjenvinningsseksjonen (ikke vist) det øvre nivået til det smeltede metallet er indikert ved linje 231 og det øvre nivå til den smeltede elektrolytten er indikert ved linje 232. Som vil være åpenbart fra tegningen, ligger den øvre kanten 226 under det smeltede metallnivået 231 men under (over?) det smeltede elektrolyttlaget 232 slik at kun smeltet metall entrer reservoaret. Fig. 16 illustrerer en videre utførelse av metallreservoaret i hvilken reservoaret blir kombinert med en metallnivå-kontrollanordning og derfor kombinerer en enkelt anordning både funksjoner og tillater elimineringen av separate reservoarer og metallnivåkontrollanordninger slik som gjen-standene 60 og 46 i fig. 2. Dette reduserer romkravene innen metallgjenvinningsseksjonen i cellen. Dette metallreservoaret 300 består av en lukket stålbeholder 314 med et gassrør på toppen som kommuniserer med cellens ytre. Et stigerør 301 er gitt som strekker seg fra nær reservoarbun-nen til et punkt som generelt er innen metall"puten" 302 i metallgjenvinningsseksjonen til cellen. Det eksterne gass-rør 303 er forbundet med en trykkontroller 304 som kontrol-lerer innstrømming eller utstrømming av en inert gass slik som argon til et gassrom 306 gitt i den øvre del av reservoaret. En nivåsensor 305 er også gitt som melder tilbake et signal til trykkontrolleren slik at trykkontrolleren slipper inn eller tømmer ut gass fra gassrommet 306 for å opprettholde det øvre nivået av metall"puten" i gjenvinningsseksjonen konstant omkring et forutbestemt doseringsnivå. Nivåsensoren kan være enhver type av anordning passende for å dosere væskenivåer i tanker eller lignende utstyr, gitt at den kan tilpasses miljøet i en magnesium-celle. Kapasitans, laseranordninger er kjent eller det hyd-rostatiske trykk tatt ved et forutbestemt punkt under væs-keoverf laten i cellen kan alle anvendes for denne hensikt.

I løpet av drift av cellen, blir metall produsert kontinuerlig og magnesiumklorid blir tilført til cellen enten kontinuerlig eller periodisk for å opprettholde et konstant øvre nivå til metallet i gjenvinningsseksjonen, gass blir tilført eller sluppet ut fra gassrommet 306 og i løpet av perioder når gass blir sluppet ut, flyter metall inn og samler 307 i reservoaret, forskyvende noe av gassen. Det er foretrukket at magnesiumkloriden blir tilført kontinuerlig i hvilket tilfelle kontrollen er slik at gassen blir tømt ut mer eller mindre kontinuerlig fra reservoaret ettersom metall blir produsert og tilføres til reservoaret. Noen ganger, kan noe elektrolytt entre reservoaret, enten inn-blandet i metallet eller gjennom midlertidig prosessfor-styrrelser og dette vil samles i en dam 308 ved reservoar-bunnen.

Det er fordelaktig som i andre utførelser av reservoaret å inkorporere varmere for å varme opp metallet før tapping. En varmeveksler tilført med varm gass kan anvendes eller AC-motstandsvarmere kan anvendes. I utførelsen i fig. 16, blir AC-motstandsvarmere 309, tilført fra strømkabler 310 som entrer via forseglinger 311 inn i gassrøret 303 anvendt og er inneholdt innen det indre av en stål-yttermantel 312 til reservoaret. Isolering 313 kan også være gitt mellom den ytre og indre mantelen til reservoaret.

Metall blir periodisk fjernet fra cellen ved å tappe fra metall"puten" 302 på vanlig måte. Dette forårsaker at det øvre nivået til metallet begynner å falle, ved denne tid blir gass sluppet inn i gassrommet 306 via trykkontrolleren 304 og minst en del av metallet 307 blir drevet tilbake til metall"puten" 302 hvor det kan danne en del av den avtap-pede mengden. Fordi stigerøret 301 strekker seg til nær bunnen av reservoaret, vil hvis en overdreven mengde elektrolytt har blitt omsluttet i reservoaret (i laget 308 ved bunnen), minst en del av dette laget blir drevet ut tilbake opp stigerøret og vil bli returnert til hoveddelen av elektrolytt i cellen i løpet av en tappeoperasjon. Tappehever-ten kan være plassert med sin spiss ethvert sted innen metall"puten" 302, og kan også være plassert med spissen spennende ned stigerøret 301 i det minste en del av veien.

I sistnevnte tilfelle, kan tilveiebringelse av elektro-lyttseparasjon fra metallet eksternt cellen være krevd for å håndtere enhver elektrolytt som blir fanget innen reservoaret fra tid til tid.

I fig. 17, er en del av metallgjenvinningsseksjonen 400 vist, med isolert bunnvegg 401, sidevegg 402 og et isolert toppdeksel 403. Det gjenvunnede metallet danner et lag 404 på toppen av elektrolyttlaget 405. Et metallreservoar 406 i form av en beholder som har et sylindrisk tverrsnitt med lukkede ender er gitt og en åpning 407 i toppen av beholderen som kommuniserer med metallaget 404. Når ønsket, kan metall fjernes fra reservoaret ved å sette innløpet av en tappestøpeovn via åpning 407 og en port (ikke vist) inn i toppdekselet. En pumpe 408 av enhver av typene tidligere beskrevet er gitt slik at væske kan fjernes fra reservoaret og metall dermed kan flyte over inn i reservoaret som i de tidligere utførelser.

I fig. 18, er en del av metallgjenvinningsseksjonen 405 vist, med isolert bunnvegg 451, sidevegg 452 og et isolert toppdeksel 453. Det gjenvunnede metallet danner et lag 454 på toppen av elektrolyttlaget 455. Et metallreservoar 456 i form av en beholder som har et sylindrisk tverrsnitt med lukkede ender er gitt og en åpning 457 som vender sideveis er gitt som kommuniserer med metallaget 454. En pumpe 458 av enhver av typene tidligere beskrevet er gitt. En åpning 459 er gitt i reservoartoppen som kommuniserer med gassrommet 456 over metallet i metallgjenvinningsseksjonen for å jevne ut gasstrykk mellom reservoar og gjenvinningsseksjon (hvis den øvre overflaten til metallet 461 stiger over toppen av åpningen 457) og dermed sikrer at den øvre overflaten av metallet 461 innenfor reservoaret forblir utjevnet med den på utsiden av reservoaret. Åpningen 4 59 gir også en anordning for å ha tilgang til metallet i reservoaret for tapping.

I fig. 19, er en del av metallgjenvinningsseksjonen 500 vist, med isolert bunnvegg 501, sidevegg 502 og et isolert toppdeksel 503. Det gjenvunnede metallet danner et lag 504 på toppen av elektrolytten 505. Et metallreservoar i form av en rektangulær boks er gitt med en åpning 507 i toppoverflaten som kommuniserer med gassrommet 508 over metallgjenvinningsseksjonen for å gi tilgang for tapping av metallet i reservoaret og for å forsikre at den øvre metalloverflaten i reservoaret 509 og i metallgjenvinningsseksjonen 510 er utjevnet. Et rør 511 er gitt med en toppåp-ning 512 som kommuniserer med metallaget 504 og som er forbundet med bunnoverflaten til reservoaret 513. En pumpe 514 av enhver av de tidligere beskrevne typer er gitt. Pumpe-innløpet 515 blir plassert så langt som mulig fra rørfor-bindelsen 513 for å tillate at metall som entrer via røret inn i reservoaret stiger for å danne laget 516 innen reservoaret uten å bli trukket umiddelbart inn i pumpen. En li-ten barrierevegg 517 kan også anvendes for å redusere denne forbiføring.

Claims (18)

1. Elektrolysecelle for å fremstille et smeltet metall som har en tetthet lavere enn en tetthet til en smeltet elektrolytt anvendt for å produsere metallet i cellen, omfattende: minst en del for elektrolysen av et salt av metallet inneholdt i en smeltet elektrolytt for å danne dråper av metallet i smeltet form inneholdt i elektrolytten; elektroder innen nevnte minst ene elektrolyseseksjon for å utføre elektrolysen; metallgjenvinningsseksjon for å separere metallet fra elektrolytten for å danne et smeltet metallag, som har en øvre overflate, som flyter på en øvre overflate til den smeltede elektrolytten; et væskefylt reservoar som kommuniserer med en øvre del av metallgjenvinningsseksjonen for oppsamlingen av smeltet metall fra det smeltede metallaget ved overløp av laget inn i reservoaret; tappeanordning for periodisk fjerning av smeltet metall fra cellen;karakterisert ved væskeoverførings-apparatur som kommuniserer med reservoaret for å muliggjøre at smeltet metall fra laget akkumulerer i reservoaret ved forskyvning av væske som allerede er tilstede i reservoaret, uten å fjerne væsken permanent fra cellen.

2. Celle ifølge krav 1, karakterisert ved at den øvre overflaten til det smeltede metallaget i gjenvinningsseksjonen er kontinuerlig med en øvre overflate av det smeltede metallet i reservoaret.

3. Celle ifølge krav 1, karakterisert ved at cellen har en sidevegg og hvori reservoaret er plassert tilstøtende sideveggen .

4. Celle ifølge krav 1, karakterisert ved at reservoaret har en sidevegg tilstøtende metallgjenvinningsseksjonen og sideveggen inkorporerer et lag av et varmeisolerende materiale.

5. Celle ifølge krav 1, karakterisert ved at væskeoverføringsappa-raturen omfatter en beholder som har et indre volum som kommuniserer med reservoaret og forbundet med en ekstern gasstilførsel, og gass fra gasstilførselen kan anvendes for å bevege væske fra reservoaret til beholderen eller, alternativt, å bevege væske ut av beholderen inn i reservoaret.

6. Celle ifølge krav 1, karakterisert ved at væskeoverføringsappa-raturen omfatter en anordning for å trekke væske fra reservoaret og levere den til metallgjenvinningsseksjonen.

7. Celle ifølge krav 6, karakterisert ved at væskeoverføringsappa-raturen er en gassugepumpe, et impellerdrevet sugerør, en pumpe i hvilke væske blir alternativt trukket inn i og drevet ut fra et kammer ved hjelp av anvendelse av vakuum og gasstrykk, strømmen blir kontrollert ved avstemningsventi-ler, eller en sentrifugalpumpe.

8. Celle ifølge krav 6, karakterisert ved at væskeoverføringsappa-raturen fyller en beholder fra hvilken væsken blir dosert tilbake inn i metallgjenvinningsseksjonen.

9. Celle ifølge krav 1, karakterisert ved at reservoaret er i form av en beholder som har minst en åpning som kommuniserer med metallgjenvinningsseksjonen, minst en del av denne minst ene åpning ligger under den øvre overflaten til metallaget i løpet av minst en del av normale celleoperasjoner, alle disse minst ene åpning ligger over den øvre overflaten til elektrolytten i metallgjenvinningsseksjonen i minst en del av den normale celleoperasjonen, og beholderen er på annen måte lukket for å forhindre den frie strøm av elektrolytt eller metall mellom metallgjenvinningsseksjonen og reservoaret .

10. Celle ifølge krav 9, karakterisert ved at minst en del av nevnte minst ene åpning ligger under den øvre overflaten til metallaget i løpet av alle normale celleoperasjoner.

11. Celle ifølge krav 10, karakterisert ved at alle de nevnte minst ene åpning ligger over den øvre overflaten til elektrolytten i minst 80% av tiden som cellen opererer under normale celleoperasjoner.

12. Celle ifølge krav 11, karakterisert ved at alle de nevnte minst ene åpning ligger over den øvre overflaten til elektrolytten i løpet av alle normale celleoperasjoner.

13. Celle ifølge krav 10, karakterisert ved at den nevnte minst ene åpning er delvis over både den øvre overflaten til elektrolytten og den øvre overflaten til metallaget i løpet av normal celleoperasjon.

14. Celle ifølge krav 10, karakterisert ved at reservoaret er åpent ved en topp derav og har en fast sidevegg som danner sider og har en fast bunnvegg, hvori sideveggen har en øvre kant og minst en del av den øvre kanten som definerer den nevnte minst ene åpning ligger under den øvre overflaten til det smeltede metallaget i metallgjenvinningsseksjonen i løpet av normale celleoperasjoner, men den nevnte minst ene åpning av den øvre kanten av sideveggen ligger helt over den øvre overflaten til elektrolytten i metallgjenvinningsseksjonen i løpet av normale celleoperasjoner.

15. Celle ifølge krav 14, karakterisert ved at hele nevnte del av den øvre kanten av sideveggen ligger under den øvre overflaten til metallaget i løpet av normale celleoperasjoner.

16. Celle ifølge krav 1, karakterisert ved at reservoaret inkluderer anordninger for å varme metallet i reservoaret.

17. Fremgangsmåte for å fremstille et metall, i hvilken et salt av metallet inneholdt i en smeltet elektrolytt blir elektrolysert i en elektrolyseseksjon av en elektrolysecelle for å produsere en blanding av smeltet metall og smeltet elektrolytt; blandingen blir transportert til en metallgjenvinningsseksjon av cellen og metallet og elektrolytten er tillatt å separere til lag i metallgjenvinningsseksjonen, metallet i smeltet form har en tetthet som er mindre enn den smeltede elektrolytten; smeltet elektrolytt fra metallgjenvinningsseksjonen blir resirkulert til elektrolyseseksjonen; og smeltet metall blir periodisk fjernet fra cellen; karakterisert ved at fremgangsmåten inkluderer tilveiebringelse av et væskefylt reservoar som kommuniserer med en øvre del av metallgjenvinningsseksjonen for oppsamlingen av smeltet metall fra det smeltede metallaget ved overløp av laget til reservoaret og væskeoverføringsap-paratur som kommuniserer med reservoaret; og væskeoverfø-ringsapparaturen slipper ut væske som allerede er tilstede i reservoaret for å muliggjøre at smeltet metall fra laget akkumulerer i reservoaret, uten å fjerne væske permanent fra cellen.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 17, karakterisert ved at den indre overflate av det smeltede metallaget i gjenvinningsseksjonen blir holdt kontinuerlig med en øvre overflate av det smeltede metallet i reservoaret.