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

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к конструкции электролизеров для получения магния и хлора электролитическим способом.

Известен бездиафрагменный электролизер для получения магния и хлора, включающий электролитические отделения с установленными в них анодами и катодами, ячейку для сбора магния, отделенную от электролитического отделения перегородкой с верхними и нижними переточными окнами и выступом, расположенным ниже верхнего переточного окна, обращенным к электролитическому отделению и образующим с катодом зазор с Z-образным профилем. Верхнее переточное окно выполнено со скосом в сторону электролитического отделения (патент РФ N 2094536, опубл. 27 октября 1997 г.).

Недостатком данного электролизера являются неудовлетворительные гидродинамические условия накопления магния в сборной ячейке. Выходящий из электролитического отделения поток электролита с магнием в сборной ячейке в основной массе направлен к подине электролизера и заносится обратно в электролитическое отделение, что увеличивает потери металла и снижает выход магния по току.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности признаков является "Бездиафрагменный электролизер для получения магния", прототип (авт. св. СССР N 583204, C 25 C /04, опубл. 05.12.1997 г. Бюллетень N 45).

Электролизер состоит из электролитических отделений с установленными в них катодами и анодами для сбора магния, отделенными огнеупорной перегородкой со сквозными каналами V-образной формы с сечением, уменьшающимся в направлении к ячейке для сбора магния. Перегородка имеет выступ, расположенный ниже входного отверстия каналов, обращенный к электролитическому отделению, и перекрывающий зазор между анодами и перегородкой.

Гидродинамические испытания этой конструкции показали, что вынос потока электролита с магнием из рабочего отделения в сборную ячейку затруднен большим гидравлическим сопротивлением переточного канала V-образной формы. В результате этого происходит раздвоение выходящего потока электролита с магнием: часть его направляется в переточное окно, а другая часть - в зазор между торцами анодов и перегородкой. Наличие желобообразного выступа у перегородки не в состоянии ликвидировать этот нисходящий поток. Это приводит к значительным потерям магния из-за повторного его заноса в хлоронасыщенную зону.

Экраны, размещенные по торцам катодных листов со стороны сборной ячейки, не позволяют установить оптимальные для выноса магния в сборную ячейку расстояния катод-перегородка. В зоне, расположенной ниже выступа перегородки, образуются замкнутые циркуляционные контуры, которые препятствуют быстрому выносу капель магния в сборную ячейку.

Заявляемое устройство направлено на решение задачи, заключающейся в организации оптимального распределения потоков электролита с магнием как в электролитическом отделении, так и в сборной ячейке, которое обеспечит сокращение потерь магния и повышение выхода по току.

Указанные технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в бездиафрагменный электролизер для получения магния и хлора, включающий одно и более электролитическое отделение, в котором размещены аноды и катоды, одну и более ячейку для сбора магния, отделенную от электролитического отделения одной и более перегородкой, которая выполнена с выступом, расположенным ниже входного отверстия переточного канала и обращенным в сторону электролитического отделения, особенность заключается в том, что он снабжен дополнительным выступом, расположенным ниже входного отверстия переточного канала и обращенным в сторону ячейки для сбора магния, стороны выступов с двух сторон перегородки выполнены разной высоты относительно верхней кромки катода и соединены дугообразной направляющей одинакового радиуса, образующей с верхними гранями выступов форму клина или ступени; выше входного отверстия переточного канала перегородка выполнена в форме трапеции со сторонами, размещенными под разными углами к горизонтали.

Кроме того, выступ меньшей стороной размещен в сторону электролитического отделения.

Кроме того, стороны трапеции размещены со стороны электролитического отделения под углом 60 - 80^o, а со стороны ячейки для сбора магния - под углом 40 - 70^o.

Кроме того, сторона выступа перегородки со стороны электролитического отделения равна 1,0 - 2,0 высоты проходного сечения переточного канала, а сторона выступа перегородки со стороны ячейки для сбора магния равна 1,5 - 2,5 этой же величины.

Кроме того, верхняя кромка выступа перегородки со стороны электролитического отделения размещена относительно верхней кромки катода на ±0,05 - 1,5 высоты проходного сечения переточного канала. Предлагаемая форма переточного канала позволяет обеспечить плавное и полное вхождение в него потока электролита с магнием за счет снижения гидравливлического сопротивления канала. Это достигается тем, что меньшая сторона выступа перегородки ниже входного отверстия переточного канала размещена со стороны электролитического отделения, что увеличивает площадь входного отверстия переточного канала и создает благоприятные гидродинамические условия для вывода магния из электролитического отделения.

Исследования, проведенные на модели модули разработанной конструкции электролизера, позволили определить его оптимальные геометрические параметры.

Определена зависимость высот сторон выступов, перегородки от высоты проходного сечения переточного канала. Оптимальными выбраны соотношения для сторон: - со стороны электролитического отделения - 1,0-2; - со стороны ячейки для сбора магния - 1,5-2,5. Уменьшение этих соотношений приводит к нарушению направленности выходящего потока электролита с магнием: в электролитическом отделении у перегородки возникает замкнутый контур, в котором задерживается металл. А выходящий поток в ячейке для сбора магния не имеет направления к поверхности электролита. Все это увеличивает потери магния и снижает выход по току.

Превышение соотношений больше, чем 2,0-2,5 приводит к значительному повышению гидравлического сопротивления переточного канала, что затрудняет эвакуацию магния из электролитического отделения, в котором образуются замкнутые циркуляционные контуры, в которых долго находятся капли металла.

Размещение верхней кромки стороны выступа перегордки со стороны электролитического отделения относительно верхней кромки катода определяется газонаполнением электролита в электролитическом отделении, которое зависит от плотности тока и уровня электролита.

Пределы углов наклона сторон перегородки выше входного отверстия переточного канала выбраны после исследования их влияния на циркуляцию электролита с магнием и на выбросы хлора в ячейку для сбора магния.

Исследования показали, что уменьшение угла наклона стороны перегородки выше входного отверстия переточного канала со стороны электролитического отверстия приводит к увеличению сопротивления переточного канала, что затрудняет выход магния в ячейку для сбора металла и образованию зоны замкнутой циркуляции у разделительной перегородки.

Увеличение угла наклона более 80^o приводит к резкому увеличению потерь хлора с газами санитарно-технического отсоса.

Пределы изменения наклона стороны перегородки со стороны ячейки для сбора магния выбраны с учетом направления потока к поверхности электролита с магнием в ячейке для сбора металла.

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 условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить 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 влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображен поперечный разрез электролизера; на фиг. 2 - варианты выполнения выступов перегородки.

Электролизер состоит из кожуха 1, футеровки 2, перегородки 3 с переточным каналом 4, разделяющей электролитическое отделение 5 и сборную ячейку 6. В электролитическом отделении установлены аноды 7 и катоды 8.

Ниже входного отверстия переточного канала 4 перегородка 3 со стороны электролитического отделения 5 снабжена выступом 9, а со стороны ячейки для сбора металла 6 - выступом 10.

Выступы 9 и 10 соединены дугообразной направляющей одинакового радиуса 11, образующей с верхними гранями выступов форму клина или ступень (фиг. 2).

Сторона выступа 10, расположенная со стороны ячейки для сбора металла равна 1,5 - 2,5 высоты проходного сечения переточного канала 4.

Сторона выступа 9 равна 1,0 - 2,0 высоты проходного сечения переточного канала 4. Верхняя кромка стороны выступа 9 может размещаться на уровне верхней кромки катода 8 или на ±0,05-1,5 высоты проходного сечения переточного канала 4.

Выше входного отверстия переточного канала 4 перегородка 3 выполнена в форме трапеции со стороны под разными углами к горизонтали 12: со сторонами электролитического отделения 5 под углом 60 - 80^o, а со стороны ячейки для сбора магния - 40-70^o.

В электролизер, состоящий из кожуха 1 с футеровкой 2 в электролитическое отделение 5 устанавливаются аноды 7 и катоды 8. Для разделения электролитического отделения 5 и сборной ячейки 6 устанавливают перегородку 3, в которой ниже входного отверстия переточного канала 4 выполняют, например, путем кладки кирпичем выступ 9, обращенный в сторону электролитического отделения 5 и равный 1,0-2,0 высоты проходного сечения переточного канала 4 и выступ 10 - в сторону ячейки для сбора магния 6, равный 1,5 - 2,5 высоты проходного сечения переточного канала 4. А выше входного отверстия переточного канала 4 перегородку путем кладки кирпичем изготовляют в форме трапеции под углом 60-80^o со стороны электролитического отделения и под углом 40^oC70^o со стороны ячейки для сбора магния. Нижнее отверстие переточного канала 4 вложено в виде дугообразной направляющей одинакового радиуса 11.

В сборную ячейку 6 заливают расплав хлористых солей. К аноду 7 и катоду 8 подают электрический ток.

При прохождении электрического тока на анодных поверхностях 7 выделяется газообразный хлор, а на катодных 8 - жидкий магний. Пузырьки хлора и капли магния вместе с электролитом поднимаются вверх между рабочими поверхностями электродов. Хлор отделяется от электролита в электролитическом отделении 5, а поток электролита с магнием захватывается выступом 9, проходит по направляющей 11 и выступом 10 направляется к поверхности электролита в сборной ячейке 6, где происходит сепарация капель магния от основного потока электролита, который опускается к подине сборной ячейки 6 и возвращается в электрическое отделение 5.

Исследования, проведенные на гидродинамической модели разработанной конструкции электролизера, показали, что по сравнению с прототипом, в электролизере предлагаемой конструкции создаются благоприятная гидродинамическая обстановка, обеспечивающая максимально быстрый и полный вынос металла в сборную ячейку при минимальных его потерях и повышение выхода по току.

Изобретение может быть использовано для получения магния электролизом расплавленных солей. Электролизер включает кожух 1, футеровку 2, перегородку 3 с переточным каналом 4, разделяющую электролитическое отделение 5 и сборную ячейку 6. В электролитическом отделении 5 установлены аноды 7, катоды 8. Перегородка 3 ниже переточного канала 4 имеет выступы 9 и 10, стороны которых выполнены разной высоты относительно катода 8 и соединены направляющей 11, образующей с верхними гранями выступов форму клина или ступени. Выше переточного канала 4 перегородка 3 выполнена в форме трапеции со сторонами, размещенными под различными углами, сокращаются потери магния, повышается выход по току. 5 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Бездиафрагменный электролизер для получения магния и хлора, включающий одно и более электролитическое отделение, в котором размещены аноды и катоды, одну и более ячейку для сбора магния, отделенную от электролитического отделения одной и более перегородкой, которая выполнена с выступом, расположенным ниже входного отверстия переточного канала и обращенным в сторону электролитического отделения, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным выступом, размещенным ниже входного отверстия переточного канала и обращенным в сторону ячейки для сбора магния, стороны выступов с двух сторон перегородки выполнены разной высоты относительно верхней кромки катода и соединены дугообразной направляющей одинакового радиуса, образующей с верхними гранями выступов форму клина или ступени, выше входного отверстия переточного канала перегородка выполнена в форме трапеции со сторонами, размещенными под разными углами к горизонтали. 2. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что выступ меньшей стороной размещен в сторону электролитического отделения. 3. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что стороны трапеции размещены со стороны электролитического отделения под углом 60 - 80^o, а со стороны ячейки для сбора магния - под углом 40 - 70^o. 4. Электролизер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что сторона выступа перегородки со стороны электролитического отделения равна 1,0 - 2,0 высоты проходного сечения переточного канала, а сторона выступа перегородки со стороны ячейки для сбора магния равна 1,5 - 2.5 этой же величины. 5. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что верхняя кромка выступа перегородки со стороны электролитического отделения размещена на уровне верхней кромки катода. 6. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что верхняя кромка выступа перегородки со стороны электролитического отделения размещена относительно верхней кромки катода на ± 0,05-1,5 высоты проходного сечения переточного канала.