Біполярний електролізер для одержання магнію та хлору

Реферат: Винахід належить до кольорової металургії, зокрема до пристроїв для електролізу розплавлених солей легких металів. Біполярний електролізер для одержання магнію та хлору включає футеровану ванну, розділену перегородкою з перетічними вікнами на збірну комірку та робочу комірку, у якій розміщена принаймні одна група електродів, що складається з анода, принаймні двох біполярних електродів і катода, виконаних у вигляді двох паралельних, вертикально розташованих і з'єднаних між собою металевих пластин з утворенням порожнини між ними, засобів для подачі електроліту і виводу продуктів електролізу, струмовідводи. Дві паралельно розташовані металеві пластини катода з'єднані нижньою, задньою та передньою стінками, в останній з яких на рівні перетічного вікна перегородки виконаний проріз, який повторює форму перетічного вікна, і сполучений з ним, біполярні електроди, установлені між катодом та анодом у кожній групі електродів, розташовані каскадно зі зменшенням висоти кожного наступного біполярного електрода в напрямку від анода до катода. Між двома паралельними металевими пластинами катода розміщені направляючі полиці, закріплені на пластинах з ухилом у бік збірної комірки під кутом 5-45º до горизонталі. Біполярні електроди виконані із графіту та встановлені один від одного на відстані 5,6-6,0 мм. Відстань між катодом і суміжним з ним біполярним електродом, анодом і суміжним з ним біполярним електродом дорівнює не менше 6,0 мм. Технічний результат: підвищення виходу магнію за струмом, а також збільшення терміну служби електролізера. UA 107310 C2 (12) UA 107310 C2 UA 107310 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до кольорової металургії, зокрема до пристроїв для електролізу розплавлених солей легких металів, і може бути використаний для одержання магнію і хлору з безводного хлориду магнію. Найбільш близьким до технічного рішення, що заявляється, за технічною суттю та результатом, що досягається, є біполярний електролізер, що включає футеровану ванну, розділену перегородкою з перетічними вікнами на збірну комірку та робочу комірку, у якій розміщена принаймні одна група електродів, що складається з анода, принаймні двох біполярних електродів і катода, виконаних у вигляді двох паралельних, вертикально розташованих і з'єднаних між собою металевих пластин з утворенням порожнини між ними, засобів для подачі електроліту і виводу продуктів електролізу, струмопідводи (див. патент РФ 10 на корисну модель №2078153, МПК С25С 3/04, заявл. 19.07.1994 р., опубл. 27.04.1997 р.). У відомому електролізері катод виконаний у вигляді двох паралельних вертикально розташованих металевих пластин, з'єднаних між собою на деякій відстані металевими стрижнями, з утворенням між ними відкритої порожнини. Біполярні електроди складаються з графітової анодної частини та сталевої катодної частини, з'єднаних між собою із зазором електропровідними стрижнями. Недоліком відомого електролізера є невисокий вихід магнію за струмом, а також низький термін служби електролізера. Виконання катода у вигляді двох паралельних вертикально розташованих металевих пластин, між якими утворена порожнина, яка відкрита по всіх торцевих стінках, приводить до неможливості одержання спрямованого циркуляційного потоку рідкого магнію та електроліту в бік збірної комірки. Це обумовлено багаторазовим обертанням мас магнію у вертикальній площині, в результаті чого збільшується шлях і час його перебування в робочій комірці, що збільшує тривалість контакту магнію з газоподібним хлором, а це, у свою чергу, приводить до втрат магнію, що в цілому знижує вихід його за струмом. Відсутність обмеження порожнини між пластинами в нижній частині катода сприяє також переносу значної частини потоку магнію та електроліту на подину електролізера, наступне залучення його в газохлорнасичену зону між катодом та анодом, що також приводить до окислення магнію та, відповідно, до його втрат. Крім того, виконання біполярного електрода з катодної сталевої частини та анодної графітової частини, з'єднаних між собою металевими стрижнями, які, перебуваючи постійно в агресивному хлорвмісному середовищі, піддаються інтенсивному хлоруванню та інтенсивному зносу, що веде до зниження терміну придатності електролізера. Розташування біполярних електродів між катодом і анодом так, що їхній верхній зріз лежить в одній площині, призводить до того, що потік магнію та електроліту, який виходить з міжелектродних просторів, переважно повертається до робочої комірки, в результаті чого він багаторазово циркулює в газорідинному потоці електролізера, що призводить до втрат магнію в результаті його хлорування. В основу винаходу поставлена задача удосконалення конструкції електролізера шляхом нового виконання окремих елементів, нового їх взаємного розташування, що сприяє оптимізації гідродинамічних умов руху газорідинних потоків у міжелектродних просторах електролізера, підвищенню ефективності процесу розподілу продуктів електролізу, що, у свою чергу, забезпечує підвищення виходу магнію за струмом, а також збільшення терміну служби електролізера. Поставлена задача вирішується тим, що біполярний електролізер для одержання магнію і хлору, що включає футеровану ванну, розділену перегородкою з перетічними вікнами на збірну комірку та робочу комірку, у якій розміщена принаймні одна група електродів, що складається з анода, принаймні двох біполярних електродів і катода, виконаних у вигляді двох паралельних, вертикально розташованих і з'єднаних між собою металевих пластин з утворенням порожнини між ними, засобів для подачі електроліту і виводу продуктів електролізу, струмопідводи, новим, відповідно до винаходу, є те, що дві паралельно розташовані металеві пластини катода з'єднані нижньою, задньою та передньою стінками, в останній з яких на рівні перетічного вікна перегородки виконаний проріз, який повторює форму перетічного вікна, і сполучений з ним, біполярні електроди, установлені між катодом та анодом у кожній групі електродів, розташовані каскадно зі зменшенням висоти кожного наступного біполярного електрода в напрямку від анода до катода. Новим є також те, що між двома паралельними металевими пластинами катода розміщені направляючі полиці, закріплені на пластинах з ухилом у бік збірної комірки під кутом 5-45° до горизонталі. Новим є також те, що біполярний електрод виконаний із графіту. 1 UA 107310 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Новим є також те, що відстань між катодом і суміжним з ним біполярним електродом, анодом і суміжним з ним біполярним електродом, дорівнює не менше 6,0 мм, переважно 6,0-7,0 мм. Новим є також те, що біполярні електроди встановлені один від одного на відстані 5,6-6,0 мм. Новим є також те, що висота біполярного електрода, що примикає до катода, становить 1,020-1,025 від висоти катода. Новим є також те, що висота кожного наступного біполярного електрода становить 1,0161,020 висоти попереднього біполярного електрода, розташованого ближче до катода. Новим є також те, що направляючі полиці, встановлені між паралельними пластинами катода, розміщені каскадно. Новим є також те, що напрямні полиці виконані зі сталі. Новим є також те, що у верхній частині порожнини між металевими пластинами встановлена принаймні одна вертикальна пластина. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю суттєвих ознак, що заявляються, і технічним результатом, що досягається, полягає в наступному. З'єднання паралельних металевих пластин катода глухими задньою, передньою та нижньою стінками, виконання прорізів у верхній частині порожнини, утвореній пластинами, та прорізу в передній стінці, а також розміщення між паралельними пластинами катода направляючих полиць із ухилом в бік збірної комірки, у сукупності з відомими суттєвими ознаками, дозволить створити оптимальний регульований спрямований потік продуктів електролізу з робочої комірки у збірну комірку. Каскадне розташування біполярних електродів між катодом та анодом сприяє тому, що магній і електроліт перетікають крізь прорізи, виконані у верхній частині порожнини катода, і потім через проріз у передній стінці цілеспрямовано надходять до збірної комірки, при цьому не утворюються зустрічні потоки, що виключає формування замкнутої циркуляції газорідинних потоків. При підтримці рівня електроліту в процесі електролізу на рівні верхнього зрізу катода увесь магній, який накопичується у внутрішній порожнині катода, попадає до збірної комірки і накопичується в ній. З'єднання паралельних пластин катода задньою та нижньою стінками дозволяє значно знизити опір вхідним потокам знизу у міжелектродний простір, і таким чином зменшити частину магнію, який попадає на подину електролізера. Це сприяє зменшенню втрат магнію та, відповідно, підвищенню виходу магнію за струмом. Розміщення у верхній частині порожнини між металевими пластинами вертикально встановлених пластин, підвищує жорсткість конструкції катода, а також оптимізує гідродинамічні рухи потоків і одночасно підвищує його конструкційну міцність. Виконання біполярного електрода повністю із графіту дозволяє значно підвищити термін служби електролізера внаслідок того, що графіт не піддається хлоруванню анодним хлором. Розташування направляючих полиць між паралельними пластинами катода з ухилом до збірної комірки під кутом 5-45° забезпечує необхідні та достатні гідродинамічні умови для формування спрямованого потоку рідкого магнію і хлору з робочої комірки в збірну. При значеннях величин кута нахилу полиць, які знаходяться за межами заявлених значень, погіршуються умови сепарації продуктів електролізу. Розміщення біполярних електродів суміжних з катодом і анодом у кожній групі електродів робочої комірки на відстані 6,0-7,0 мм, забезпечує при оптимальних гідродинамічних умовах руху потоків мінімальне значення питомої витрати електроенергії. При значеннях величин зазору, які знаходяться за межами значень, що заявляються, питома витрата електроенергії збільшується при значеннях більше 7,0 мм за рахунок збільшення опору в шарі електроліту, а при значеннях менше 6,0 мм внаслідок зниження виходу магнію за струмом. Розміщення біполярних електродів і катода відносно один одного в кожній групі електродів робочої комірки на відстані 5,0-6,0 мм дозволяє досягати мінімальних значень питомої витрати електроенергії. При перевищенні заявленого значення відбувається зростання витрати електроенергії через збільшення падіння напруги в шарі електроліту, а при значеннях, менших за заявлені, знижується вихід магнію за струмом. Вибір висоти біполярного електрода, що примикає до катода, рівною 1,020-1,025 від висоти катода, а висоти кожного наступного біполярного електрода рівною 1,016-1,020 від висоти попереднього біполярного електрода, розташованого ближче до катода, сприяє найбільш ефективному виносу магнію з міжелектродного простору, потраплянню його до внутрішньої порожнини катода і надалі до збірної комірки електролізера. 2 UA 107310 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 При значеннях висоти біполярного електрода, які виходять за межі значень, що заявляються, відбувається зниження виходу магнію за струмом. При значеннях, більших за заявлені, магній затримується в міжелектродному просторі та втрачається внаслідок хлорування; при співвідношенні висот, менших за заявлені значення, ускладнюється винос магнію в порожнину катода, внаслідок чого він затримується на поверхні електроліту в робочій комірці та втрачається через взаємодію із хлором. Технічна суть винаходу, що заявляється, пояснюється кресленнями, де: на фіг. 1 зображений біполярний електролізер для одержання магнію і хлору (поздовжній перетин), на фіг. 2 - розріз по А-А на фіг. 1, на фіг. 3 - схематично показана одна група електродів біполярного електролізера, на фіг. 4 - зображений катод біполярного електролізера в аксонометрії (розріз). Біполярний електролізер для одержання магнію і хлору включає ванну 1, внутрішня поверхня якої футерована вогнетривким матеріалом 2. Ванна 1 зверху закрита кришкою 3, в якій є патрубок 4 для завантаження безводного хлориду магнію. Внутрішня порожнина ванни 1 розділена перегородкою 5 з перетічними вікнами 6 на робочу комірку 7 і збірну комірку 8. У робочій комірці 7 розміщена принаймні одна група електродів, що складається з анода 9, принаймні двох і більше біполярних електродів 10, катода 11, які утворюють одне або кілька електролітичних відділень, рівнозначних по кількості груп електродів і робочій напрузі електролізера. Кількість груп електродів у робочій комірці 7 залежить від потужності та продуктивності електролізера. Катод 11 виконаний у вигляді двох паралельних вертикально розташованих на деякій відстані пластин 12 з утворенням порожнини 13. Пластини 12 з'єднані в задній і нижній частині глухими стінками 14 і 15, відповідно. У верхній частині порожнини 13 катода 11 утворений проріз 16, який вертикальними пластинами 17 розділяється на кілька відсіків. Передня частина паралельних пластин 12 з'єднана глухою стінкою 18, в якій виконаний також один проріз 19, розташований на рівні перетічного вікна 6. Форми і розміри прорізу 19 повторюють форми і розміри перетічного вікна 6, з яким з'єднаний проріз 19. Біполярні електроди 10 встановлені між катодом 11 і анодом 9, та розташовані каскадно зі зменшенням висоти кожного наступного біполярного електрода 10 в напрямку від анода 9 до катода 11. При цьому висота кожного наступного біполярного електрода 10 становить 1,0161,020 від висоти попереднього біполярного електрода 10, а висота біполярного електрода 10, суміжного з катодом 11, становить 1,020-1,025 від його висоти. Між паралельними пластинами 12 катода 11 розміщені направляючі полиці 20 з ухилом в бік збірної комірки 8 під кутом 5-45°. Полиці 20 розміщені на паралельних пластинах 12 каскадно в напрямку до збірної комірки 8. Оптимальна відстань між паралельними пластинами 12 катода 11 дорівнює 0,16-0,18 висоти катода. Біполярні електроди 10 виконані з графіту та розміщені один від одного на відстані 5,6-6,0 мм, причому біполярні електроди 10, які примикають до катода 11 і анода 9, розташовані від них на відстані не менше 6,0 мм, а переважно 6,0-7,0 мм. Електролізер оснащений засобами підведення розплавленого хлориду магнію, наприклад, ковшем (не показаний) та пристроями для виводу продуктів електролізу, наприклад, вакуумковшем для магнію та трубопровідною системою видалення та транспортування газоподібного хлору (не показані), а також засобами для електропостачання електролізера, наприклад, струмопідводами (не показані). Біполярний електролізер для одержання магнію і хлору працює таким чином. У збірну комірку 8 через патрубок 1 заливають розплав хлориду магнію. На анод 9 і катод 11 через струмопідводи подають постійний електричний струм. В процесі електролізу на аноді 9 та анодних поверхнях біполярних електродів 10 виділяється хлор, а на катоді 11 і катодних поверхнях біполярних електродів 10 виділяється рідкий магній. Бульбашки хлору та краплі магнію разом з електролітом піднімаються з міжелектродних просторів на поверхню електроліту в робочу комірку 7 електролізера. Хлор в основній масі відокремлюється від електроліту вище катода 11 у робочій комірці 7. Потік електроліту з рідким магнієм перетікає в проріз 16, сформований у верхній частині катода 11, і потім, здобуваючи спрямований рух завдяки напрямним полицям 20, перетікає до збірної комірки 8. Завдяки каскадному розташуванню біполярних електродів 10, між катодом 11 і анодом 9 під дією піднімальної сили, яка створюється спливаючими бульбашками хлору, утворюється спрямований потік електроліту і магнію від анода 9 до катода 11, в результаті чого основна 3 UA 107310 C2 5 10 кількість магнію, який утворився при електролізі, попадає в порожнину катода 11, а потім у збірну комірку 8. Все це сприяє ефективному розподілу продуктів електролізу і підвищенню виходу магнію за струмом. Отриманий магній вилучають з поверхні електроліту збірної комірки 8 електролізера за допомогою вакуум-ковша. Конструкція електролізера, що заявляється, створює сприятливі газогідродинамічні умови в робочій комірці 7, які забезпечують максимально швидкий винос магнію у збірну комірку 8 при мінімальних його втратах. Промислова придатність конструкції електролізера, який заявляється, підтверджується можливістю його виготовлення на відомому устаткуванні, в умовах промислового виробництва, з використанням відомих пристроїв, пристосувань і матеріалів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 35 40 45 1. Біполярний електролізер для одержання магнію та хлору, що включає футеровану ванну, розділену перегородкою з перетічними вікнами на збірну комірку та робочу комірку, у якій розміщена принаймні одна група електродів, що складається з анода, принаймні двох біполярних електродів і катода, виконаних у вигляді двох паралельних, вертикально розташованих і з'єднаних між собою металевих пластин з утворенням порожнини між ними, засобів для подачі електроліту і виводу продуктів електролізу, струмопідводи, який відрізняється тим, що дві паралельно розташовані металеві пластини катода з'єднані нижньою, задньою та передньою стінками, в останній з яких на рівні перетічного вікна перегородки виконаний проріз, який повторює форму перетічного вікна і сполучений з ним, біполярні електроди, установлені між катодом та анодом у кожній групі електродів, розташовані каскадно зі зменшенням висоти кожного наступного біполярного електрода в напрямку від анода до катода. 2. Електролізер за п. 1, який відрізняється тим, що між двома паралельними металевими пластинами катода розміщені направляючі полиці, закріплені на пластинах з ухилом у бік збірної комірки під кутом 5-45° до горизонталі. 3. Електролізер за п. 1, який відрізняється тим, що біполярний електрод виконаний із графіту. 4. Електролізер за п. 1, який відрізняється тим, що відстань між катодом і суміжним з ним біполярним електродом, анодом і суміжним з ним біполярним електродом дорівнює не менше 6,0 мм, переважно 6,0-7,0 мм. 5. Електролізер за п. 1, який відрізняється тим, що біполярні електроди встановлені один від одного на відстані 5,6-6,0 мм. 6. Електролізер за п. 1, який відрізняється тим, що висота біполярного електрода, що примикає до катода, становить 1,020-1,025 від висоти катода. 7. Електролізер за п. 1 який відрізняється тим, що висота кожного наступного біполярного електрода становить 1,016-1,020 висоти попереднього біполярного електрода, розташованого ближче до катода. 8. Електролізер за п. 2, який відрізняється тим, що направляючі полиці, встановлені між паралельними пластинами катода, розміщені каскадно. 9. Електролізер за п. 2 або 8, який відрізняється тим, що направляючі полиці виконані зі сталі. 10. Електролізер за п. 1, який відрізняється тим, що у верхній частині порожнини між металевими пластинами встановлена принаймні одна вертикальна пластина. 4 UA 107310 C2 5 UA 107310 C2 6 UA 107310 C2 7 UA 107310 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8