RU2128245C1

RU2128245C1 - Electrolyzer producing magnesium and chlorine

Info

Publication number: RU2128245C1
Application number: RU98108011/02A
Authority: RU
Inventors: В.А. Колесников; П.А. Донских; В.И. Трифонов; М.М. Николаев; В.С. Бабин
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 includes housing with lining, assembled cell and electrolytic compartments where cathodes with ribs and anodes with chlorine-removing conduits are placed at interelectrode distance. Conduits have alternating protrusions and recesses in outer surface of anode and ribs of cathodes are located in opposition to protrusions of chlorine-removing conduits. Height of ribs on cathodes is equal to 0.2-0,4 value of interelectrode distance and distance between ribs of cathodes is equal to 1 or 2 distances between axes of chlorine-removing conduits of anodes. EFFECT: enhanced yield of magnesium and productivity of electrolyzer, reduced specific consumption of electricity. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов, в частности, к способу получения магния и хлора электролизом расплава хлоридов. The invention relates to the field of metallurgy of non-ferrous metals, in particular, to a method for producing magnesium and chlorine by electrolysis of a chloride melt.

Выход магния по току существенно зависит от плотности тока на катоде, он возрастает с повышением плотности тока. Потери магния и хлора снижаются, а их выход повышается при достаточно быстром и полном их разделении в процессе электролиза. The current output of magnesium substantially depends on the current density at the cathode; it increases with increasing current density. Losses of magnesium and chlorine are reduced, and their yield is increased when they are quickly and completely separated during electrolysis.

Известен бездиафрагменный магниевый электролизер (а.с.390195, опубл. БИ N 30, 1973г. ), включающий футерованную ванну, перегородки, разделяющие сборную ячейку от электролитического отделения, в котором установлены клиновые катоды, объединенные в раму, состоящую из секций, с разновеликим межэлектродным расстоянием, в котором улучшена направленность циркуляции электролита и вынос магния в сборную ячейку. Known diaphragm-free magnesium electrolyzer (AS 390195, publ. BI N 30, 1973), including a lined bath, partitions separating the assembly cell from the electrolytic compartment, in which wedge cathodes are installed, combined in a frame consisting of sections, with a different size interelectrode distance, in which the directivity of the circulation of the electrolyte and the removal of magnesium into the collection cell are improved.

Однако плотность тока по поверхности катода изменяется незначительно, что не обеспечивает устойчивого катодного процесса и получения высокого выхода по току. Продукты электролиза не разделяются, соприкасаются в межэлектродном пространстве, потери магния и хлора сравнительно велики. However, the current density on the cathode surface varies insignificantly, which does not provide a stable cathodic process and a high current efficiency. The electrolysis products are not separated, they are in contact in the interelectrode space, the losses of magnesium and chlorine are relatively large.

Известен электролизер для получения магния (а.с. 533676, опубл. БИ N 40, 1976г. ), включающий стальной кожух с футеровкой. В верхней части электролизера находится перекрытие, через которое в рабочую ячейку введены графитовые аноды и стальные катоды. На рабочей поверхности катодов приварены вертикальные пластины - ребра. Внутреннее пространство электролизера разделено перегородкой на сборную и рабочую ячейки. Кроме того, ребра на катодах имеют переменную высоту, составляющую 0,6-0,8 межэлектродного расстояния в нижней части катода, и 0,0-0,2 - в верхней части катода. Known electrolyzer for magnesium (AS 533676, publ. BI N 40, 1976), including a steel casing with a lining. In the upper part of the cell there is an overlap through which graphite anodes and steel cathodes are introduced into the working cell. On the working surface of the cathodes, vertical plates are welded - ribs. The inner space of the electrolyzer is divided by a partition into a team and a working cell. In addition, the ribs on the cathodes have a variable height of 0.6-0.8 interelectrode distances in the lower part of the cathode, and 0.0-0.2 in the upper part of the cathode.

Данное техническое решение направлено на снижение омического сопротивления электролизера и не решает задачи по разделению продуктов электролиза. Магний и хлор в межэлектродном пространстве транспортируется вверх совместно. Наличие ребер позволяет перераспределить плотность тока по катоду. Но в то же время магний и хлор сближаются, их вероятность взаимодействия возрастает и выход по току не может быть высоким, т.к. внешний край ребер приближается к поверхности анода на 1-3 см. This technical solution is aimed at reducing the ohmic resistance of the electrolyzer and does not solve the problem of separation of electrolysis products. Magnesium and chlorine in the interelectrode space are transported upward together. The presence of ribs allows you to redistribute the current density along the cathode. But at the same time, magnesium and chlorine are converging, their probability of interaction increases and the current efficiency cannot be high, because the outer edge of the ribs approaches the surface of the anode by 1-3 cm.

Известен электролизер для получения магния и хлора (патент N 2087594, опубл. БИ 23, 1997г.), содержащий футеровку, катоды и аноды с хлоротводящими каналами, открытыми в сторону межэлектродного зазора, причем каналы выполнены с переменной шириной и глубиной при их увеличении снизу вверх на рабочей части анода, причем суммарное поперечное сечение каналов составляет 0,01-0,30 сечения межэлектродного зазора. Разделение продуктов электролиза улучшается, выход по току возрастает. Known electrolyzer for producing magnesium and chlorine (patent N 2087594, publ. BI 23, 1997), containing a lining, cathodes and anodes with chlorine-conducting channels open towards the interelectrode gap, and the channels are made with a variable width and depth as they increase from bottom to top on the working part of the anode, and the total cross section of the channels is 0.01-0.30 section of the interelectrode gap. The separation of electrolysis products improves, the current efficiency increases.

Однако ток по поверхности катода распределяется равномерно, плотность тока остается сравнительно низкой (до 0,25 А/см²) и магний на катоде выделяется в виде мелких капель, суммарная поверхность их велика. Достаточно полно разделить продукты электролиза не удается и часть магния взаимодействует с хлором. С увеличением суммарной поверхности капель магния потери магния за счет взаимодействия с хлором в межэлектродном пространстве существенно возрастают.However, the current on the cathode surface is evenly distributed, the current density remains relatively low (up to 0.25 A / cm ² ) and the magnesium on the cathode is released in the form of small droplets, their total surface is large. It is not possible to completely separate the electrolysis products and part of the magnesium interacts with chlorine. With an increase in the total surface of magnesium droplets, magnesium losses due to interaction with chlorine in the interelectrode space significantly increase.

Задачей изобретения является повышение выхода по току, производительности электролизера и снижение удельного расхода электроэнергии за счет повышения плотности тока на участках катода, на которых выделяется магний, путем перераспределения ее по поверхности катода, и более полного разделения магния и хлора в межэлектродном пространстве. The objective of the invention is to increase current efficiency, productivity of the electrolyzer and reduce specific energy consumption by increasing the current density in the areas of the cathode where magnesium is released, by redistributing it over the surface of the cathode, and more complete separation of magnesium and chlorine in the interelectrode space.

Поставленная задача решается за счет того, что в электролизере, включающем кожух с футеровкой, сборную ячейку и электролитические отделения, в которых установлены на межэлектродном расстоянии катоды с ребрами и аноды с хлоротводящими каналами, выполненными в виде чередующихся между собой впадин и выступов на наружной поверхности анода, новым является то, что ребра на рабочей поверхности катодов расположены напротив выступов хлоротводящих каналов анода. The problem is solved due to the fact that in the electrolyzer, which includes a casing with a lining, a collection cell and electrolytic compartments in which cathodes with ribs and anodes with chlorine-conducting channels are installed at an interelectrode distance, made in the form of alternating hollows and protrusions on the outer surface of the anode , new is that the ribs on the working surface of the cathodes are located opposite the protrusions of the chlorine-conducting channels of the anode.

Кроме того, высота ребер на катоде составляет 0,2-0,4 величины межэлектродного расстояния. In addition, the height of the ribs on the cathode is 0.2-0.4 values of the interelectrode distance.

Кроме того, расстояние между ребрами катода равно 1 или 2 расстояниям между осями хлоротводящих каналов на аноде. In addition, the distance between the ribs of the cathode is equal to 1 or 2 distances between the axes of the chlorinating channels on the anode.

При расположении ребер на катоде напротив выступов хлоротводящих каналов анода магний выделяется преимущественно на ребрах, где плотность тока повышается в 1,5-2,0 раза, и в виде крупных капель с ребер перемещается в пространство между ребрами, где циркуляция электролита слабая, там капли еще более укрупняются и поднимаются в верхние слои электролита. Незначительная часть крупных капель магния, попадающих в межэлектродное пространство и реагирующих с хлором, решающего значения на выход по току не имеют. Хлор с выступов хлоротводящих каналов отводится в каналы и по ним транспортируется в газовую фазу над поверхностью электролита. When the ribs are located on the cathode opposite the protrusions of the chlorine-conducting channels of the anode, magnesium is released mainly on the ribs, where the current density increases by 1.5-2.0 times, and moves in the form of large droplets from the ribs into the space between the ribs, where the electrolyte circulation is weak, there are drops even larger and grow into the upper layers of the electrolyte. An insignificant part of large drops of magnesium entering the interelectrode space and reacting with chlorine have no decisive effect on the current efficiency. Chlorine from the protrusions of the chlorinating channels is discharged into the channels and transported through them to the gas phase above the surface of the electrolyte.

Таким образом, продукты электролиза надежно разделяются, удаляются друг от друга, потери магния и хлора за счет их взаимодействия снижаются, выход по току и производительность электролизера возрастают, удельный расход электроэнергии снижается. Thus, the electrolysis products are reliably separated, removed from each other, the losses of magnesium and chlorine due to their interaction are reduced, the current efficiency and productivity of the electrolyzer increase, the specific energy consumption decreases.

Высота ребер на катоде зависит от межэлектродного расстояния l_э: если высота ребер меньше 0,2 l_э, то перераспределение плотности тока и выход по току повышаются незначительно, а при более 0,4 l_э расстояние между ребрами и выступами хлоротводящих каналов на аноде уменьшается настолько, что процесс электролиза становится нестабильным, возрастают потери за счет взаимодействия магния и хлора. Количество ребер на катоде также зависит от l_э: при пониженных l_э ребра расположены против каждого выступа на аноде, а при повышенных l_э - против каждого второго выступа на аноде.The height of the ribs on the cathode depends on the interelectrode distance l _e : if the height of the ribs is less than 0.2 l _e , then the redistribution of current density and current efficiency increase slightly, and with more than 0.4 l _{e the} distance between the ribs and protrusions of the chlorine-conducting channels on the anode decreases so much so that the electrolysis process becomes unstable, losses due to the interaction of magnesium and chlorine increase. The number of ribs on the cathode also depends on l _e : at lower l _{e, the} ribs are located against each protrusion on the anode, and at higher l _e - against each second protrusion on the anode.

На чертеже показана конструкция электролизера с нижним вводом анодов. Ввод анодов может быть сверху. The drawing shows the design of the cell with the lower input of the anodes. Input anodes may be on top.

Электролизер состоит из кожуха 1. футеровки 2, перегородки 3, разделяющей сборную ячейку 4 от электролитических отделений 5, в которой размещены аноды 6 с хлоротводящими каналами, представляющими собой чередование впадин 7 и выступов 8 на их поверхности, и катоды 9 с ребрами 10. The electrolyzer consists of a casing 1. of the lining 2, a partition 3, dividing the collection cell 4 from the electrolytic compartments 5, in which anodes 6 are placed with chlorinated channels, which are an alternation of depressions 7 and protrusions 8 on their surface, and cathodes 9 with ribs 10.

Пример. Example.

Имеем межэлектродное расстояние l_э = 7,0 см, катодную плотность тока d_к = 0,25 А\см², высоту ребра на катоде H_р = 0,3 l_э = 0,3 х 7 = 2,1 см, глубину хлоротводящего канала H_х = 2см. Тогда расстояние между ребром катода и выступом хлоротводящего канала на аноде ( плотностью анода) составит l_min = 7,0 - 2,1 = 4,9 см, а расстояние между катодом и дном хлороотводящего канала на аноде l_max = 7,0 + 2,0 = 9,0 см.We have the interelectrode distance l _e = 7.0 cm, the cathodic current density d _k = 0.25 A cm ² , the height of the ribs on the cathode H _p = 0.3 l _e = 0.3 x 7 = 2.1 cm, depth chloro-leading channel H _x = 2cm. Then the distance between the cathode rib and the protrusion of the chlorine-removing channel at the anode (anode density) will be l _min = 7.0 - 2.1 = 4.9 cm, and the distance between the cathode and the bottom of the chlorine-removing channel at the anode is l _max = 7.0 + 2 , 0 = 9.0 cm.

Плотность тока распределяется обратно пропорционально расстоянию между электродами, а падение напряжения между электродами на трех участках одинаковое. Тогда d_k•ρ_э•l_э = d_min•ρ_эл•l_max = d_max•ρ_э•l_min (ρ_э - удельное сопротивление электролита, Ом•см).The current density is distributed inversely with the distance between the electrodes, and the voltage drop between the electrodes in the three sections is the same. Then d _k • ρ _e • l _e = d _min • ρ _e • l _max = d _max • ρ _e • l _min (ρ _e is the electrolyte resistivity, Ohm • cm).

Плотность тока на ребрах катода d_max = d_k•ρ_э•l_э/l_min•ρ_э = 0,25 х 7,0/4,9 = 0,36 A/см².The current density at the edges of the cathode d _max = d _k • ρ _e • l _e / l _min • ρ _e = 0.25 x 7.0 / 4.9 = 0.36 A / cm ² .

Плотность тока между ребрами катода
d_min = d_k•ρ_э•l_э/l_max•ρ_э = 0,25x7,0/9,0=0,19 А/см².Current density between cathode ribs
d _min = d _k • ρ _e • l _e / l _max • ρ _e = 0.25x7.0 / 9.0 = 0.19 A / cm ² .

Плотность тока на ребрах катодов по сравнению с d_к выше в 0,36/0,25=1,44 раза, а по сравнению с плотностью тока между ребрами катода в 0,36/0,19=1,89 раз.The current density at the edges of the cathodes is 0.36 / 0.25 = 1.44 times higher than that of d _к , and 0.36 / 0.19 = 1.89 times higher than the current density between the cathode edges.

Электролизер работает следующим образом. The cell operates as follows.

Сырье заливается в сборную ячейку 4, отделенную от электролитических отделений 5 разделительной перегородкой 3. Под действием постоянного тока содержащихся в электролите хлорид магния разлагается, и на ребрах 10 катодов 9 выделяется магний. Капли магния растут и при достижении определенного размера потоком электролита выносятся в пространство между ребрами, где скорость потока значительно ниже ("тихая зона"), что создает условия для слияния капель в компактную форму. Далее крупные капли магния по каналам между ребрами поднимаются вверх и вместе с электролитом выносятся в сборную ячейку 4. Выделяющийся на выступах 8 анода 6 хлор образует пузырьки, которые скатываются в хлоротводящие каналы 7 и по ним поднимаются вверх, переходя в газовую фазу над электролитом. The raw material is poured into the collection cell 4, separated from the electrolytic compartments 5 by a dividing partition 3. Under the influence of direct current contained in the electrolyte, magnesium chloride decomposes, and magnesium is released on the edges 10 of the cathodes 9. Magnesium droplets grow and when a certain size is reached, the electrolyte flow is carried out into the space between the ribs, where the flow rate is much lower ("quiet zone"), which creates the conditions for the droplets to merge into a compact form. Next, large drops of magnesium flow upward through the channels between the ribs and together with the electrolyte are carried out to the collection cell 4. Chlorine released on the protrusions 8 of the anode 6 forms bubbles that roll into the chlorine-conducting channels 7 and rise upward through them, passing into the gas phase above the electrolyte.

Таким образом, магний и хлор выводятся из межэлектродного пространства по раздельным каналам, вероятность их взаимодействия существенно снижается, возрастает выход по току и производительность электролизера, а удельный расход электроэнергии снижается. Thus, magnesium and chlorine are removed from the interelectrode space through separate channels, the probability of their interaction is significantly reduced, the current efficiency and productivity of the electrolyzer increase, and the specific energy consumption decreases.

Расчеты и исследования показали, что электролизер предлагаемой конструкции имеет выход по току, производительность электролизера и удельный расход электроэнергии ниже по сравнению с известными конструкциями электролизеров. Calculations and studies have shown that the electrolyzer of the proposed design has a current output, the productivity of the electrolyzer and the specific energy consumption is lower compared to the known designs of electrolyzers.

Claims

1. An electrolyzer for producing magnesium and chlorine, including a casing with a lining, a collection cell and electrolytic compartments, in which cathodes with fins and anodes with chlorine-conducting channels are made at the interelectrode distance, made in the form of alternating depressions and protrusions on the outer surface of the anode, characterized the fact that the ribs on the working surface of the cathode are located opposite the protrusions of the chlorinating channels of the anode.

2. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the height of the ribs on the cathode is 0.2 to 0.4 times the interelectrode distance.

3. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the distance between the ribs of the cathode is equal to 1 or 2 distances between the axes of the chlorinating channels on the anode.