JPS5817267B2 - 溶融塩浴を含有する室から熱を取り出す方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は溶融塩浴を含有する室から熱を取り出す方法に
関する。

さらに詳細には、本発明は溶融塩電解槽から熱を取り出
す技術に関する。

米国特許第３，８９３，８９９号明細書には、溶融塩浴
に溶解した塩化アルミニウムの電解に適用出来る電解槽
が示されている。

そこに示された電解槽は外側鋼殻を有する。

この殻の内部にはあらゆる所にレンガ状等の絶縁体が設
けられる。

前述の米国特許第３，８９３，８９９号明細書に示され
た電解槽の欠点は、絶縁体が熱を保持し、したがって電
解槽から熱を除去することが困難であるということであ
る。

溶融塩浴を含有する室から熱を取り出す方法において、 溶融塩浴上の浴から噴出および（または）蒸発された成
分を含有するガス空間と直接液する面を有する部分を上
記室上に設けること；および上記面を浴の温度以下少な
くとも２００℃でしかも上記成分の凝固点以上の温度に
維持し、それによって上記成分を上記面に液体状態で沈
着させ浴に落下により戻すことが出来るようにするため
の冷却装置を上記部分に設けること、 を含む上記方法が提供される。

浴上のガス空間に含まれる浴からの成分は、熱力学を考
慮した上で理解されるように、浴から蒸発された物質を
常に含むであろう。

これらの成分は浴から噴出された物質も含有することが
出来、この状況はたとえば浴中で電解が行われている際
に起り得るようにガスが浴から発生している時はいっで
も発生し得る。

噴出は米国特許第３，８３９，８９９号明細書に記載さ
れているようにガスリフト通路上で特に起ると思われる
。

本発明の方法の結果として、成分は前述した室の部分に
液体状態で沈着し、浴に落下により戻すことが出来る。

浴から第一にガス空間の成分として、次に前述の部分上
の液体として、そして最後に浴に戻った液体としての物
質の移動は浴から前述の部分への熱移動をもたらす。

一般に、これは熱が浴から前述の部分へ伝達される唯一
の方法ではない。

放射熱伝達が存在するであろうし、これは浴から前述の
部分への熱伝達の主要な形態であり得るとすら考えられ
る。

本発明を用いて溶融塩浴に溶解された塩化アルミニウム
の電解によりアルミニウムを電解製造するための電解槽
を図面に示す。

特に第１図および第１Ａ図を参照するに、電解ｉ構造体
は槽の鋼側壁１２を取り巻く外部銅冷却ジャケット１０
を包含する。

冷却流体（冷却剤）たとえば水が電解槽から熱を取り出
すためにジャケット１０を流れる。

冷却剤は冷却剤人口１１から冷却ジャケットに入り、出
口ノズル１５から除去きれる。

本発明によれば、代表的冷却剤人口１４ａおよび冷却剤
出口１４ｂを有する同様の冷却ジャケット１４が電解槽
の蓋１６をおおう。

蓋１６の下面は塩素および塩蒸気に直接さらされ、した
がって適当な耐塩素性金属たとえば商品名インコネルで
販売されている公称８０％Ｎｉ、１５ＱｂＣｒおよび５
％ Ｆ ｅを含有する合金でつくられる。

したがって、蓋１６は本発明により室上に設けられた浴
上のガス空間と直接液する面を有する部分の一実施態様
である。

冷却ジャケットの出入口へおよび出入口から走るすべて
の水パイプには、ゴムホース電気絶縁体が設けられ、し
たがって電流は他の金属管に沿って電解槽へまたは電解
槽から流れることが出来ない。

たとえば鋼製の構造体収容器１８は電解槽および冷却ジ
ャケントを包囲しかつ支持する。

一般に、たとえば収容器１８を絶縁材料たとえばフェノ
ールホルムアルデヒド樹脂を含浸した布または紙からつ
くった熱硬化性プラスチック材料たとえばＷｅｓｔｉｎ
ｇｈｏｕｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｒｐから商品名
マイカルタ（Ｍｉｃａｒｔａ ）で供給される材料上に
セットすることにより電解槽を床から隔離することが好
ましい実施法であることが判明した。

浴を含有する電解槽内面、すなわち側壁１２および鍋底
板２０で形成された内面はプラスチックまたはゴム物質
の連続耐食性電気絶縁ライニング２２で内張すされる。

熱硬化性エポキシベース塗料とガラス繊維布を交互にし
た層からなるライニング２２で良好な結果が得られる。

他のプラスチックまたはゴム物質も使用出来る。

ライニング２２の内部にガラス障壁１３が配置される。

このようなガラス障壁は米国聯許第３，７７３，６４３
および３，７７９，６９９号明細書に記載交れでいる。

電解槽はまた溶融した塩化アルミニウムを含有するハロ
ゲン化物の浴およびその分解生成物に抵抗性がある断熱
性、非導電性窒化物物質でつくった耐火性側壁レンガ２
４で内張すされる。

（米国特許第３，７８５，９４１号明細書参照）。

浴および電解槽の操作により生じる塩素ガスの腐食影響
をさらに防ぐために側壁のその横側におよびアノード４
６の上に黒鉛の追加のライニング３６を配置する。

このライニング３６は蓋１６まで真直ぐに延ばさないの
が有利であり得る。

むしろ、その上方部は蓋１６にとどかない点で終らせる
ことにより短絡の危険を除去することが出来る。

電解槽内は生成するアルミニウム金属を捕集するために
下部に溜め２６を包含する。

溜めは黒鉛製のおけ２８により境界づけられている。

おけ２８の上部はカソード５０の横に沿って上方へ延び
る。

おけ２８はガラス障壁１３を含む耐火性床３２上に位置
される。

電解槽内はまたその上部類域に浴溜め３４を包含する。

蓋１６を通って浴溜め３４に延びる第一ポートの取り出
しポート３４は真空取り出し管（英国特許第６８７，７
５８号明細書参照）を内部通路（図示せず）を介して溜
め２６に挿入して溶融金属を取り出すために用意される
。

第２ポートの供給ポート４２は塩化アルミニウムを浴に
供給するための入口装置を与える。

第３ポートの排気ポート４４は塩素を排出するための出
口装置を与える。

これらのポートは便宜上第１図ではその上部が開放して
示されている。

電解槽操作中、ポート３８はそれと合同した真空取り出
し装置を有することが出来、ポート４２はそれに結合さ
れたフィーダー機構を有し、ポート４４は塩素富化流出
物を運び去るためのパイプラインに連結されるであろう
。

電解槽くぼみ内には複数の板状電極が２列に積み重ねら
れている。

第１図の面に垂直な方向に（この方向に電極の深さが横
たわっている）、電極は電解槽のライニングに接触する
ように延びている。

各堆積は上部アノード４６、望ましくはかなりの数の複
極電極４８（１１個示されている）およびすべてがたと
えば黒鉛製の下部カソード５０を包含する。

これらの電極は電解槽内に一連の電極間空間を画成する
重ね合せて離隔した関係で配列される。

各電極は垂直堆積内に水平に配置されるのが好ましい。

各カソード５０は複数の黒鉛横支持柱（たとえば柱６０
）および中央支持柱（たとえば柱６１）により支持され
る。

電極の深さ方向に、図示した柱の後に他の柱がある。

これらの隠れた柱は図示の柱とかつ互いに離隔しており
、したがって溜２６内の浴循環が可能である。

残りの電極は電極間空間で耐火性スペーサー５３により
維持された離隔関係で互いに積み重ねられており、かつ
個々の絶縁ピン５４により側壁に連結されかつそれから
離隔されている。

これらのスペーサー５３は電極をきちんと離隔させる、
たとえば電極の対向面が１９ｍｍＣ５／４インチ）以下
分離されるように電極を離隔させるような寸法にされる
。

堆積上では、堆積を所定の位置に保持するために保持ブ
ロック４７がアノード４６の上面に重みをかけている。

図示の実施態様では、各堆積で対向電極間に１２個の電
極間空間が形成され、カソード５０と複極電極の最下部
電極間に１つの電極間空間、中間複極電極の連続対間に
１０個の電極間空間および複極電極の最上部電極とアノ
ード４６間に１つの電極空間が形成される。

各電極間空間は上部は電極下面（アノード面として機能
する）により、下部は電極上面（カソード面として機能
する）により境界つけられる。

その間の間隔はアノードーカンード距離と呼ぶ（電極−
電極距離はアルミニウムが生成するにつれてそれを除去
する浴の払いのけ作用のために有効なアノード−カソー
ド距離である；この払いのけは前述の米国特許 第３，８９３，８９９号明細書に開示されている几米国
特許第３，８９３，８９９号明細書に開示されているよ
うに、アノード面は電解有効電極間空間から塩素を迅速
に追い出すための塩素除去通路を有することが出来る。

溶融塩浴は電解槽の内部構造をより良く露出する目的で
電解槽から省略した。

電解槽壁の浴水率は操作中変化するが、しかし通常は電
解槽内の下の他のおいている空間をすべて充たすように
アノード４６の上にあるであろう。

塩化アルミニウム溶液の電解にとって、アルカリ金属ハ
ロゲン化物および（または）アルカリ土類金属ハロゲン
化物をベースとする浴が適当であり、塩化物が好ましい
。

電極の堆積間には、スペーサ５７により維持されたガス
リフト通路５５が配置される。

堆積中の電極の幅はガスリフト通路５５がアノード４６
間で最大の幅を有し、通路が堆積を下降するにつれて幅
は減少し、最下部の複極電極で最小幅になるように選ば
れる。

ガスリフト通路５５は俗物質が電極間空間を通過した後
溜め３４への上方循環を与え、流動は電極間空間で電解
により内部で生じた塩素ガスのガスリフト効果により誘
起される。

通路５５から噴出した浴成分は、浴の上面上の溜め３４
の上部に横たわるガス空間に直接後する蓋１６の下面に
耐着し得る。

蓋１６の下面は、これらの成分または浴から蒸発した成
分が蓋上で固化するほど冷たくされていないが、しかし
それでも蓋は浴温度の少なくとも２００°Ｃ１より好ま
しくは少なくとも４００℃、最も好ましくは少なくとも
６００℃低く保持され、その結果液体すなわち蓋１６に
投げつけられたまたは凝縮された溶融塩から熱が取り出
される。

蓋上の液体塩負荷はある程度まで蓄積し、次いで内部側
壁を落下または流下して浴に再び戻り始めるであろう。

このようにしてかつたとえば放射熱伝達と組合されて、
第１図に示すような電解槽からの熱取り出しのたとえば
５０係を頂部から実施することができる。

図示の実施態様では、蓋１６の下面で塩が固化しないよ
うにすることが特に重要である。

何となれば、塩が固化するとたとえば排気ポート４４の
閉塞が起り、最後には完全閉鎖が生じるからである。

排気ポート４４は発生塩素を除去出来るように電解槽操
作中自由である、すなわち障害のない状態でなければな
らない。

アノード面の前述した塩素除去通路は通路５５まで真直
ぐに延びることが出来、一方その対向端はふさがれてい
る。

これによって塩素を右方向、すなわち通路５５へ向けさ
せることが助けられることが判明した。

塩素がいったん所望の方向に流れ出しそして電解槽内の
種々の流動横断面が適当に寸法づけられていれば、塩素
はその方向に流れ続ける。

したがって、通路の一方側の閉鎖は不可欠ではない。

ガス流は他の手段により、たとえば浴の機械的ポンプ操
作を用いてまたは通路５５の底部にガスパルスを導入す
ることにより所望の方向に流すことが出来る。

通路５５および任意の特定の電解槽の流動横断面の寸法
づけは水モデル技術を用いて有利に行われる。

アノード上のガスリフト通路の出口端に隣接して配置さ
れたアツケカマーダム（ｕｐｃｏｍｅｒ ｄａｙｎ）５
９は、電解により得られた金属の望ましくない再塩素化
を防止するのに役立つ。

ダムの上部は浴の上部水準を越えて溜め３４の上部のガ
ス空間に突出しており、電極上の浴の横流れを通路６３
を通して矢印ＣおよびＤの方向に流動せしめる。

通路６３は浴の表面下で各ダム５９の両側で開いており
、浴面はダム５９の頂部の下にある。

形成される流路は通路５５を上方に運ばれる溶融金属部
分が浴面を破壊し、浴面上の溜め３４中の金属酸化性塩
素によって再び塩素化される傾向を阻止する。

カソード表面に生じた金属のほとんどは通路５５に落下
して溜２６へ至れば最良であろう。

何となれば、上方へ押し流される金属は浴の上面を押し
分けると再塩素化され得るからである。

ダム５９を設けるのはこの偶発事を防ぐためである。

矢印ＣおよびＤ方向への浴流速は電極間空間のカソード
表面が払われると同じ方法でアノード４６の頂部で米国
特許第３，８９３，８９９号明細書の払いのけ作用を行
うほど十分に大きい。

浴がダム５９の頂部の下に横たわる場合、ガラス障壁１
３、レンガ２４およびライニング３６をダム５９の頂部
の水準まで除去することにより本発明の方法で有効な追
加な面が形成され得ることが理解されるであろう。

各電極堆積と耐火性側壁２４との間には、各電極間空間
を通過しかっ複極電極、アノード４６およびカソード５
０を通過して延在する２つの浴供給通路５６が存在する
。

各通路はピン５４によって維持され、そのため電解槽の
各側には電解槽壁と電極間に一連の整列ルた間隙が生じ
、これらの空隙は２つの通路５６を形成する。

通路５６中の浴の移動は、まずアノード４６を下方向に
通過し、したがって最上部の電極間空間の外側預域に入
り、そこで浴の部分は最上部電極間空間への供給およ□
び払いのけを行うために分割される。

２つの側のどちらかに集中すると、浴の残りは次の電極
の外側を下方に流れて次の電極間空間の外側に至り、以
下同じ過程をたどる。

浴の最終部分はカソード５０の外側の開口を通過し、溜
め２６を介して次に通路５５に流れることが出来る。

前述したように、ガスリフトおよび浴供給通路の種々の
部分の寸法の設計は、生成金属が各電極間空間からカソ
ード表面に金属が実質的に蓄積することなく払いのけら
れることを確実にするために水モデルの原理を用いて有
利に行うことが出来る。

アノードは正導線として役立つ挿入された電極棒５８を
複数個有し、カソードは負導線として役立つ挿入された
コレクタ棒６２を複数個有する。

棒は電解槽および冷却ジャケット壁を通して延在し、そ
れらと適宜絶縁されている。

（米国特許第３，７４５，１０６号明細書参照。

）下記の例により本発明をさらに説明する。

例 電解槽に下記の組成（重量係）を有する平均溶融浴を充
填した： Ｌｉｃｌ ４０．０ ｋｌｃ１３ ６．５ Ｍｇ（Ｊ’２２．５ この組成物干自然の不純物で作動する電解槽壁は、分析
すると室温で少なくとも部分的に溶融する塩組成物を含
有することが常に見い出された。

溶融アルミニウムおよび塩素を製造するための電解は平
均温度７１５℃で行った。

水をジャケット１４に循環させて蓋１６の下面を約５０
℃（１２０’Ｆ）に保持した。

電解槽を後で開いたら、蓋の下面には浴の外被は本質的
に認められず、また蓋は塩素により腐食されていなかっ
た。

（蓋１６のインコネル金属は下面温度が５３０℃以上に
なるとこの環境で腐食する。

）注目すべきことは、１’−１１Ｃ１１ｓの昇華温度は
蓋の下面温度約５０℃（１２０′Ｆ）より確実に高いが
、しかし蓋に達する浴成分はフラックス作用を及ぼして
ＡｌＣｌ３が固体状で蓋に沈着するのを妨げる。

【図面の簡単な説明】

第１図は金属製造用の電解槽の断面正面図、第１Ａ図は
第１図の矢印Ａにより指摘された電解槽の部分の拡大図
である。 １４・・・・・・冷却ジャケット、１６・・・・・・蓋
、３４・・・・・・浴溜め、４４・・・・・・排気ポー
ト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アルカリ金属ハロゲン化物またはアルカリ土類ハロ
   ゲン化物を含む溶融塩浴に溶解されている塩化アルミニ
   ウムの電解を行なう複極電極の電解槽であって、該電解
   槽が槽中の複極電極に隣接してほぼ垂直なガス引き抜き
   通路を有し、かつ溶融塩浴の上のガス空間上に直接隣接
   する表面を有する非絶縁の金属部分を有する電解槽の室
   から熱を取り出す方法において、前記ガス引き抜き通路
   を介して前記空間中に溶融塩浴の上向き循環を与えて、
   前記金属部分の表面上に浴成分を噴出させ、その際、前
   記表面を浴成分の凝固点より高く、浴温よりも少なくと
   も２００℃低い温度に維持して前記循環浴成分が前記表
   面上に液体状で耐着し、液体状で浴中に戻るようにする
   ことを特徴とする、電解槽の室から熱を取り出す方法。 ２ 浴中の塩化アルミニウムの濃度が０．４モラル以上
   である上記第１項記載の方法。 ３ 二重電極電解槽の隣接電極が膜によって分離されて
   いない上記第１項記載の方法。