ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИЯ И ХЛОРА Российский патент 1999 года по МПК C25C3/04 

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов, в частности, к способу получения магния и хлора электролизом расплава хлоридов.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Кроме того, высота ребер на катоде составляет 0,2-0,4 величины межэлектродного расстояния.

Кроме того, расстояние между ребрами катода равно 1 или 2 расстояниям между осями хлоротводящих каналов на аноде.

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.

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.

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.

На чертеже показана конструкция электролизера с нижним вводом анодов. Ввод анодов может быть сверху.

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.

Пример.

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.

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).

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.

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.

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.

Электролизер работает следующим образом.

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.

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.

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.

Электролизер может быть использован для получения магния и хлора электролизом расплавленных солей. В электролизере для получения магния и хлора, включающем кожух с футеровкой, сборную ячейку и электролитические отделения, в которых размещены на межэлектродном расстоянии катоды с ребрами и аноды с хлоротводящими каналами, выполненными с чередующимися между собой выступами и впадинами на наружной поверхности анода, ребра катодов расположены напротив выступов хлоротводящих анодов, причем высота ребер на катоде равна 0,2-0,4 величины межэлектродного расстояния, а расстояние между ребрами катода равно 1 или 2 расстояниям между осями хлоротводящих каналов на аноде. Повышается выход магния по току и производительность электролизера, снижается удельный расход электроэнергии. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Электролизер для получения магния и хлора, включающий кожух с футеровкой, сборную ячейку и электролитические отделения, в которых размещены на межэлектродном расстоянии катоды с ребрами и аноды с хлоротводящими каналами, выполненными в виде чередующихся между собой впадин и выступов на наружной поверхности анода, отличающийся тем, что ребра на рабочей поверхности катода расположены напротив выступов хлоротводящих каналов анода. 2. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что высота ребер на катоде равна 0,2 - 0,4 величины межэлектродного расстояния. 3. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что расстояние между ребрами катода равно 1 или 2 расстояниями между осями хлоротводящих каналов на аноде.