RU2128244C1

RU2128244C1 - Electrolyzer producing magnesium and chlorine

Info

Publication number: RU2128244C1
Application number: RU98107996/02A
Authority: RU
Inventors: П.А. Донских; В.С. Бабин; П.М. Габов
Original assignee: Открытое акционерное общество "АВИСМА титано-магниевый комбинат"
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 1999-03-27

Abstract

FIELD: production of magnesium and chlorine by electrolysis of molten salts. SUBSTANCE: electrolyzer producing magnesium and chlorine has housing which walls are lined on inside, electrolytic cells with cathodes of frame type with longitudinal and lateral plates brought into them, anodes placed between plates with interpole gaps and prefabricated cells separated from electrolytic cells by diaphragm ( partition ). Longitudinal axes of anodes located by wall of electrolyzer opposite to prefabricated cell and longitudinal axes of plates of cathodes are parallel to prefabricated cell. Longitudinal axes of anodes and cathodes positioned in frame cathode are perpendicular to prefabricated cell. Upper edges of cathodes are located at different levels with decrease towards prefabricated cell by value of 1.5-2.5 interpole gap. EFFECT: increased current efficiency in output of magnesium, decreased specific consumption of electrical energy. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к устройствам для получения магния электролизом. The invention relates to ferrous metallurgy, in particular to devices for producing magnesium by electrolysis.

Потери магния при электролизе и выход магния по току существенно зависят от характера циркуляции электролита в электролизере, от того, насколько быстро и полно выводится магний из электролитической ячейки в сборную ячейку. Около 80% всех потерь магния составляют потери за счет взаимодействия жидкого магния с газообразным хлором (Лебедев О.А. Производство магния электролизом. - М.: Металлургия, 1988, с. 177). Для успешной работы электролизера любой конструкции необходимо создать четко выраженную горизонтальную составляющую циркуляции электролита, обеспечивающую быстрый вынос магния из рабочей ячейки в сборную. Исследования показывают, что при хорошо организованной и направленной циркуляции электролита, когда исключаются встречные потоки и не образуются зоны замкнутой циркуляции; застойные зоны, выход магния по току на 2-3% выше. The losses of magnesium during electrolysis and the current output of magnesium substantially depend on the nature of the circulation of the electrolyte in the electrolyzer, on how quickly and completely magnesium is removed from the electrolytic cell to the collection cell. About 80% of all magnesium losses are losses due to the interaction of liquid magnesium with gaseous chlorine (Lebedev OA Production of magnesium by electrolysis. - M .: Metallurgy, 1988, p. 177). For the successful operation of the electrolyzer of any design, it is necessary to create a clearly defined horizontal component of the electrolyte circulation, which ensures the rapid removal of magnesium from the working cell to the team. Studies show that with a well-organized and directed circulation of the electrolyte, when oncoming flows are excluded and zones of closed circulation are not formed; stagnant zones, the current yield of magnesium is 2-3% higher.

Известен электролизер для получения магния (авт. свид. 429135, БИ N 19, 1974), включающий футерованную ванну, в которой размещены электролитическое отделение с размещенными в нем электродами и одна и более сборная ячейка, расположенная перпендикулярно или параллельно рабочим поверхностям электродов. Это позволяет увеличить скорость вывода магния и создать условия для более полной выборки магния из сборной ячейки. A known electrolyzer for producing magnesium (ed. Certificate 429135, BI N 19, 1974), including a lined bath, which houses an electrolytic compartment with electrodes placed in it and one or more assembly cells located perpendicular to or parallel to the working surfaces of the electrodes. This allows you to increase the speed of output of magnesium and create conditions for a more complete selection of magnesium from the collection cell.

Недостатком известной конструкции является то, что в ней нет конкретных технических решений, обеспечивающих направленную циркуляцию электролита с магнием из электролитических ячеек в сборные и, следовательно, не исключаются встречные потоки и зоны замкнутой циркуляции электролита с магнием внутри электролитических ячеек. Потери магния в электролизере сравнительно велики. A disadvantage of the known design is that it does not have specific technical solutions that provide directional circulation of electrolyte with magnesium from electrolytic cells to prefabricated cells and, therefore, counter flows and zones of closed circulation of electrolyte with magnesium inside electrolytic cells are not excluded. Loss of magnesium in the electrolyzer is relatively large.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является электролизер для получения магния и хлора (прототип - авт. свид. 514045, БИ 18, 1976), включающий футерованную ванну, в которой размещены электролитическая ячейка с анодами из чередующихся длинных и коротких брусьев и с катодам рамного типа, состоящего из нескольких продольных и поперечных пластин, и сборная ячейка, причем продольные оси анодов и продольные пластины катодов перпендикулярны к сборной ячейке. Высота поперечных пластин катода уменьшается от 1 до 0,5-0,8. Это позволяет улучшить вынос магния в сборную ячейку и упростить обслуживание электролизера. The closest device of the same purpose to the claimed invention in terms of features is an electrolyzer for producing magnesium and chlorine (prototype - author certificate 514045, BI 18, 1976), including a lined bath, in which an electrolytic cell with anodes of alternating long and short bars and cathodes of the frame type, consisting of several longitudinal and transverse plates, and a collection cell, and the longitudinal axis of the anodes and longitudinal plates of the cathodes are perpendicular to the collection cell. The height of the transverse plates of the cathode decreases from 1 to 0.5-0.8. This allows you to improve the removal of magnesium in the collection cell and simplify the maintenance of the cell.

Недостатком данной конструкции электролизера является то, что изменение высоты катодов не увязано с величиной межполюсного зазора, т.е. с объемом электролита и магния, перемещаемого из электролитических ячеек в сборную ячейку и, поэтому не обеспечивается направленная циркуляция электролита. Кроме того, чрезмерное уменьшение высоты поперечных пластин катодов от 1 до 0,5-0,8 повышает плотность тока, напряжение на электролизере и удельный расход электроэнергии. The disadvantage of this design of the electrolyzer is that the change in the height of the cathodes is not linked to the magnitude of the interpolar gap, i.e. with the volume of electrolyte and magnesium transported from the electrolytic cells to the collection cell and, therefore, directional circulation of the electrolyte is not provided. In addition, an excessive decrease in the height of the transverse plates of the cathodes from 1 to 0.5-0.8 increases the current density, voltage on the cell and the specific energy consumption.

Задачей данного изобретения является создание направленной циркуляции электролита и полного выноса магния из электролитических ячеек в сборную ячейку. Это позволит снизить потери магния при электролизере, повысить выход магния по току, снизить удельный расход электроэнергии. The objective of the invention is the creation of directional circulation of the electrolyte and the complete removal of magnesium from the electrolytic cells into the collection cell. This will reduce the loss of magnesium during the electrolysis cell, increase the current output of magnesium, and reduce the specific energy consumption.

Это достигается тем, что в электролизере для получения магния и хлора, содержащем кожух, стенки которого футерованы изнутри, электролитические ячейки с введенными в них катодами рамного типа с продольными и поперечными пластинами, между которыми размещены аноды с межполюсным зазором, и сборные ячейки, отделенные от электролитических ячеек диафрагмой (перегородкой), новым является то, что продольные оси анодов, размещенных у противоположной от сборной ячейки стенки электролизера, расположены параллельно сборной ячейки, а продольные оси анодов и катодов, размещенных в рамном катоде, установлены перпендикулярно сборной ячейке, причем верхние кромки катодов размещены на разных уровнях с понижением в сторону сборных ячеек. И верхние кромки катодов смещены относительно друг друга на 1,5-2,5 величин межполюсного зазора. This is achieved by the fact that in the electrolyzer for producing magnesium and chlorine, containing a casing, the walls of which are lined from the inside, electrolytic cells with cathodes of the frame type inserted into them with longitudinal and transverse plates, between which anodes with an inter-pole gap are placed, and prefabricated cells separated from of electrolytic cells with a diaphragm (septum), it is new that the longitudinal axis of the anodes located at the cell wall opposite the collecting cell is parallel to the collecting cell, and the longitudinal axis Nodes and cathodes, the cathode placed in the frame, set perpendicularly modular cell, wherein the upper edges of the cathodes are arranged on different levels with decreasing towards prefabricated cells. And the upper edges of the cathodes are offset relative to each other by 1.5-2.5 magnitudes of the interpolar gap.

Размещение в электролитических ячейках анодов, установленных у противоположной от сборной ячейки стенки электролизера, и продольных пластин катодов параллельно сборным ячейкам, а анодов и катодов, размещенных в рамных катодах, - перпендикулярно сборным ячейкам, позволяет направить поток электролита с магнием в сторону сборных ячеек. Расположение катодов в электролитических ячейках на разных уровнях с понижением в сторону сборных ячеек усиливает направленность циркуляции и разделяет потоки электролита с магнием по высоте. В этом случае магний с потоком электролита выводится из межполюсных зазоров на разных уровнях и эти потоки не препятствуют друг другу. Placing in the electrolytic cells of the anodes mounted on the cell wall opposite the collecting cell and longitudinal cathode plates parallel to the collecting cells, and the anodes and cathodes placed in the frame cathodes perpendicular to the collecting cells, allows directing the flow of the electrolyte with magnesium towards the collecting cells. The location of the cathodes in electrolytic cells at different levels with a decrease towards the prefabricated cells increases the direction of circulation and separates the flow of electrolyte with magnesium in height. In this case, magnesium with an electrolyte flow is removed from the interpolar gaps at different levels and these flows do not interfere with each other.

Уровни верхних кромок катодов смещены относительно друг друга на величину 1,5-2,5 межполюсных зазоров. При менее 1.5 межполюсного зазора эффективность разделения потоков резко снижается. Снижение уровня верхних кромок катодов более чем на 2.5 межполюсного зазора приведет к существенному повышению плотности тока, повышению удельного расхода электроэнергии и экономически невыгодно. The levels of the upper edges of the cathodes are offset relative to each other by 1.5-2.5 interpolar gaps. With less than 1.5 interpolar gap, the efficiency of the separation of flows decreases sharply. A decrease in the level of the upper edges of the cathodes by more than 2.5 gap between the poles will lead to a significant increase in current density, an increase in specific energy consumption and is economically disadvantageous.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенном в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "новизна". Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявитель признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patent and scientific and technical sources of information, and the identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, allowed to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical (identical) to all the essential features of the claimed invention. The definition from the list of identified analogues of the prototype, as the closest in the set of essential features of the analogue, allowed to identify the set of essential distinctive features perceived by the applicant in the claimed device set forth in the claims. Therefore, the claimed invention meets the criterion of "novelty." To verify the conformity of the claimed invention with the condition "inventive step", the applicant conducted an additional search for known solutions, so that the identifier features matching the distinctive features of the claimed device from the prototype. The search results showed that the claimed invention does not follow explicitly from the prior art for the specialist, since the influence of the transformations provided for by the essential features of the claimed invention on the achievement of the technical result is not revealed from the prior art determined by the applicant.

На фиг. 1 и 2 показана конструкция предлагаемого электролизера. Электролизер выполнен из стального кожуха 1, огнеупорной футеровки 2, образующих футерованную ванну, двух электролитических ячеек 3 и одной сборной ячейки 4, размещенной между электролитическими отделениями. Электролизер может быть выполнен в виде двух сборных ячеек и трех электролитических ячеек и более. Aноды 5, расположенные у противоположной от сборной ячейки стенки электролизера, и продольные пластины 6 рамного катода расположены параллельно сборной ячейке, аноды 7, размещенные в рамном катоде, и поперечные катоды 8 установлены перпендикулярно сборной ячейки. Верхние кромки катодов 6 выше верхних кромок катодов 8 на величину 1.5-2.5 межполюсных зазоров 10. Верхние кромки катодов 9 ниже верхних кромок катодов 8. Электролитическая ячейка отделена от сборной ячейки диафрагмой (перегородкой) 11. In FIG. 1 and 2 show the design of the proposed cell. The cell is made of a steel casing 1, a refractory lining 2, forming a lined bath, two electrolytic cells 3 and one prefabricated cell 4, located between the electrolytic compartments. The electrolyzer can be made in the form of two prefabricated cells and three electrolytic cells or more. Anodes 5 located at the cell wall opposite the collecting cell and longitudinal plates 6 of the frame cathode are parallel to the collection cell, anodes 7 located in the frame cathode and transverse cathodes 8 are mounted perpendicular to the collecting cell. The upper edges of the cathodes 6 are higher than the upper edges of the cathodes 8 by an amount of 1.5-2.5 between-pole gaps 10. The upper edges of the cathodes 9 are lower than the upper edges of the cathodes 8. The electrolytic cell is separated from the collecting cell by a diaphragm (partition) 11.

Электролизер работает следующим образом. В сборную ячейку 4 заливают расплавленный карналлит или хлористый магний, которые поступают в электролитические ячейки 3. При подаче постоянного электрического тока на аноды 5, 7 и катоды 6 - 9, на катодах выделяется магний, на анодах - хлор. Капельки магния растут и при достижении определенного размера срываются с катодов. Выделившийся на анодах хлор образует пузырьки, которые наполняют электролит. В межполюсном зазоре 10 пузырьки хлора поднимаются вверх, увлекая электролит и капли магния. Достигая верхней кромки катодов, электролит с магнием через зазор между катодом 9 и диафрагмой 11 выводится в сборную ячейку 4 на разных уровнях (на фиг. 1 показано стрелками). В сборной ячейке магний накапливается и периодически извлекается вакуум-ковшом, хлор из электролитических ячеек непрерывно удаляется по хлоропроводу, очищается и передается потребителю. The cell operates as follows. Molten carnallite or magnesium chloride is poured into the collection cell 4, which enters the electrolytic cells 3. When a constant electric current is applied to the anodes 5, 7 and cathodes 6 - 9, magnesium is released at the cathodes and chlorine is released at the anodes. Magnesium droplets grow and, upon reaching a certain size, break away from the cathodes. Chlorine released at the anodes forms bubbles that fill the electrolyte. In the interpolar gap 10, chlorine bubbles rise up, trapping electrolyte and drops of magnesium. Reaching the upper edge of the cathodes, an electrolyte with magnesium through the gap between the cathode 9 and the diaphragm 11 is discharged into the collection cell 4 at different levels (shown in Fig. 1 by arrows). In the collection cell, magnesium is accumulated and periodically removed by a vacuum ladle, chlorine from the electrolytic cells is continuously removed through the chlorine pipeline, cleaned and transferred to the consumer.

Таким образом, данная конструкция электролизера позволяет за счет направленной циркуляции электролита, снизить потери магния за счет уменьшения взаимодействия его с хлором, выход магния по току возрастет и снизится удельный расход электроэнергии. Thus, this design of the electrolyzer allows, due to the directed circulation of the electrolyte, to reduce magnesium losses by reducing its interaction with chlorine, the current output of magnesium will increase and the specific energy consumption will decrease.

Claims

1. An electrolyzer for producing magnesium and chlorine, including a casing, the walls of which are lined with a refractory inside, electrolytic cells with frame-type cathodes inserted into them with longitudinal and transverse plates, between which anodes with an inter-pole gap are installed, and prefabricated cells separated from the electrolytic cells by a diaphragm or a partition, characterized in that the longitudinal axes of the anodes located at the opposite collecting cell of the cell wall, and the longitudinal plates of the cathodes are parallel to the collecting cell, and the longitudinal axes of the anodes and cathodes located in the frame cathode are mounted perpendicular to the assembly cell, the upper edges of the cathodes being placed at different levels with decreasing towards the assembly cell.

2. The electrolyzer according to claim 2, characterized in that the upper edges of the cathodes are offset from each other by 1.5 - 2.5 magnitudes of the interpolar gap.