保护电解槽侧壁的系统与方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本专利申请是非临时性的，并且要求2014年9月10日提交的美国专利申请号62/ 048,375的优先权，通过引用将其整体并入本文。
技术领域
[0003] 广义上，本公开设及电解槽的侧壁特征(例如内部侧壁或热表面），其在电解槽的 操作中（例如在电解槽中生产金属)保护侧壁免受电解槽浴影响。更具体地，在本公开的一 个或多个实施方案中，在没有沿整个内部侧壁或者一部分内部侧壁的冷凝槽帮（frozen ledge)的情况下，内部侧壁特征提供与电解槽中的金属、浴和/或蒸气的直接接触。
【背景技术】
[0004] 传统上，电解槽的侧壁由热传导材料构成，W沿着整个侧壁(和槽浴的上表面)形 成冷凝槽帮从而维持电解槽的完整性。通过本公开的各种实施方案，用本公开的一个或多 个侧壁实施方案至少部分地替代所述侧壁。
【发明内容】
[000引在一些实施方案中，提供了一种稳定的侧壁材料，通过使槽浴(bath)化学组成中 的一种或多种成分维持在特定的饱和度百分比，使得该侧壁材料在烙融电解液(如槽浴）中 是稳定的（例如基本上是非反应性的）。在一些实施方案中，在电解槽中通过至少一个进料 装置(例如沿着侧壁定位)维持槽浴化学组成，该进料装置向电解槽中提供进料(例如该进 料保持为位于电解槽侧壁附近的保护沉积物）。在一些实施方案中，该保护沉积物向槽浴 (例如向紧邻侧壁的槽浴中）提供至少一种槽浴成分（例如氧化侣）。作为一个非限制性实 例，随着保护沉积物慢慢溶解，邻近侧壁的槽浴化学组成处于或接近该槽浴成分的饱和度， 从而保护侧壁免于因与烙融电解液/槽浴相互作用而溶解(例如溶解/侵蚀）。在一些实施方 案中，对于特定的槽浴成分(例如氧化侣)槽浴的百分比饱和度在电解槽运行条件下（例如 溫度、槽浴比率、和槽浴化学组成和/或含量)是进料浓度(例如氧化侣）的函数。
[0006] 在一些实施方案中，极化的侧壁(例如阳极极化侧壁和/或阴极极化侧壁)积极地 辅助传导电流进入或离开所述壁，其中此类极化材料耐受:蒸气相、槽浴/空气界面、槽浴、 槽浴/金属界面、金属垫、W及它们的组合。
[0007] 在一些实施方案中，冷凝槽帮装置和/或热导体(例如绝缘材料)包括侧壁的至少 一部分，并且配置成在特定位置从槽浴中提取热量，从而限定出沿着侧壁一部分的局部冷 凝槽帮。在一些实施方案中，将该局部冷凝槽帮配置成介于相反极化的侧壁部分和/或界面 (例如槽浴-蒸气界面或金属-槽浴界面)之间的电绝缘体。在一些实施方案中，该冷凝槽帮 装置和/或热导体材料与下列中的至少一种结合使用：（a)非反应性侧壁材料(也被称为稳 定侧壁材料)和/或(b)极化的侧壁材料。在一些实施方案中，该冷凝槽帮装置是可调的，可 复位的和/或可移动的。在一些实施方案中，该冷凝槽帮装置是整体(例如部分)侧壁。
[0008] 在一些实施方案中，本公开的侧壁相比于传统的导热材料封装提供如下能量节 省:至少约5% ;至少约10% ;至少约15% ;至少约20% ;至少约25% ;或至少约30%。
[0009] 在一些实施方案中，热通量（即，在电解槽运行期间跨电解槽侧壁的热量损失)为： 不大于约8kW/m2;不大于约4kW/m 2;不大于约3kW/m2;不大于约2kW/m2;不大于约IkW/m2;不大 于约 0.75kW/m2。
[0010] 在一些实施方案中，热通量（即，在电解槽运行期间跨电解槽侧壁的热量损失)为： 至少约8kW/m2;至少约4kW/m 2;至少约3kW/m2;至少约2kW/m2;至少约IkW/m2;至少约0.75kW/ m2。
[0011] 与此形成鲜明对比的是，市售的霍尔槽运行时具有约8-15kW/m2之间的跨侧壁的 热通量。
[0012] 在本公开的一个或多个实施方案中，为金属电解槽提供活性/动态的侧/端壁，其 中该侧壁的内部部分（内壁)是正极化的、负极化的、或者是组合的（正极化并负极化-在正 极化侧壁部分和负极化侧壁部分之间具有绝缘体）。在本公开的一个或多个实施方案中，该 中间部分（绝缘体)是用热和电的绝缘材料构造 W防止热量损失。在一个或多个实施方案 中，该侧壁的外部是外壳(例如钢）W实现结构稳定性。在一些实施方案中，使用稳定的材料 和/或局部冷凝，并且具体设计/配置成延伸跨越所述动态(活性)侧/端壁中的间隙（例如密 封和/或电绝缘）
[0013] 在本公开的一个方面，提供了一种电解槽，其包括：阳极;与阳极间隔开的阴极;与 该阳极和阴极液体连通的烙融电解液槽浴;包括侧壁和底部的电解槽本体，其中该电解槽 本体配置成保持所述烙融电解液槽浴;其中该侧壁包括:极化侧壁部分，其中该极化侧壁部 分与该烙融电解液槽浴液体连通。
[0014] 在本公开的一个方面，提供了一种电解槽壁，其包括:包含侦幢和底部的电解槽本 体，其中该电解槽本体配置成保持烙融电解液槽浴;其中该侧壁包括:极化侧壁部分，其中 该极化侧壁部分配置成与该烙融电解液槽浴液体连通。
[0015] 在本公开的一个方面，提供了一种电解槽，其包括：阳极;与阳极间隔开的阴极;与 该阳极和阴极液体连通的烙融电解液槽浴;电解槽本体，该电解槽本体包括侧壁和底部，其 中该电解槽本体配置成保持该烙融电解液槽浴;其中该侧壁包括:极化侧壁部分和非极化 侧壁部分，其中该极化侧壁部分和非极化侧壁部分两者彼此相邻并且与该烙融电解液槽浴 液体连通。
[0016] 在本公开的一个方面，提供了一种电解槽，其包括：阳极;与阳极间隔开的阴极;与 该阳极和阴极液体连通的烙融电解液槽浴;电解槽本体，该电解槽本体包括侧壁和底部，其 中该电解槽本体配置成保持该烙融电解液槽浴;其中该侧壁包括：占侧壁至少约50%的极 化侧壁部分和非极化侧壁部分，其中极化侧壁部分和非极化侧壁部分两者彼此相邻并且与 该烙融电解液槽浴液体连通。
[0017] 在本公开的一个方面，提供了一种电解槽侧壁，其包括：电解槽本体，该电解槽本 体包括侧壁和底部，其中该电解槽本体配置成保持烙融电解液槽浴;其中该侧壁包括:极化 侧壁部分(例如占侧壁的约1%到约100%)，其中该极化侧壁配置成与该烙融电解液槽浴液 体连通。
[0018] 在一些实施方案中，该极化侧壁部分选自：阳极极化侧壁、阴极极化侧壁、W及它 们的组合。
[0019] 在一些实施方案中，该非极化侧壁部分选自基本上由下列构成的组:热导体;稳定 材料(非反应性材料）;冷凝槽帮装置，W及它们的组合。
[0020] 在一些实施方案中，该极化侧壁包括：阴极侧壁，其中该阴极极化侧壁部分位于电 解槽本体底部附近(例如在槽浴-蒸气界面下方)并与其连通;此外其中该非极化侧壁部分 位于阴极极化侧壁部分上方并且与槽浴-空气界面连通。
[0021] 在一些实施方案中，极化侧壁包括阳极极化侧壁部分，其中该阳极侧壁位于槽浴-蒸气界面附近并且与其连通，并且在电解槽本体的底部上方(例如在槽浴-金属界面上方； 或不与阴极块或阴极电解槽底部直接接触）；此外其中该非极化侧壁部分位于该阳极极化 侧壁部分下方并且与下列至少一个连通:（a)槽浴-金属界面和(b)电解槽底部。
[0022] 在本公开的一个方面，提供了一种电解槽侧壁，包括:包含侧壁和底部的电解槽本 体，其中该电解槽本体配置成保持烙融电解液槽浴;其中该侧壁包括:极化侧壁部分和非极 化侧壁部分，其中该极化侧壁部分和非极化侧壁部分两者彼此相邻并且与烙融电解液槽浴 液体连通。
[0023] 在本公开的一个方面，提供了一种电解槽，包括：阳极;与阳极间隔开的阴极;与该 阳极和阴极液体连通的烙融电解液槽浴；电解槽本体，该电解槽本体包括:至少一个侧壁和 底部，其中该电解槽本体配置成保持该烙融电解液槽浴;其中该侧壁包括:与电解液槽浴液 体连通的阳极极化侧壁部分，其中该阳极极化侧壁位于电解槽本体底部上方并且远离电解 槽本体底部，而且与槽浴-空气/蒸气界面连通;和非极化侧壁材料，该材料与阳极极化侧壁 部分邻近并且与下列至少之一液体连通：（a)金属垫和(b)电解槽底部。
[0024] 在一些实施方案中，非极化侧壁配置成从槽底部延伸到高于金属垫-槽浴界面的 高度。
[0025] 在本公开的一个方面，提供了一种电解侧壁，包括：电解槽本体，该电解槽本体包 括:至少一个侧壁和底部，其中该电解槽本体配置成保持烙融电解液槽浴；其中该侧壁包 括:与电解液槽浴液体连通的阳极极化侧壁部分，其中该阳极极化侧壁位于电解槽本体底 部的上方并且远离电解槽本体底部，与槽浴-蒸气界面连通;和非极化侧壁材料，该材料与 阳极极化侧壁部分邻近并且与下列至少之一液体连通：（a)金属垫和(b)电解槽底部。
[0026] 在本公开的一个方面，提供了一种电解槽，包括：阳极;与阳极间隔开的阴极;与该 阳极和阴极液体连通的烙融电解液槽浴；电解槽本体，该电解槽本体包括:至少一个侧壁和 底部，其中该电解槽本体配置成保持烙融电解液槽浴;其中该侧壁包括:与电解液槽浴液体 连通的阳极极化侧壁部分，其中该阳极极化侧壁位于电解槽本体底部的上方并且远离电解 槽本体底部，与槽浴-空气界面连通;和非极化侧壁材料，该非极化侧壁材料包含与阳极极 化侧壁部分邻近并且与下列至少之一液体连通的热导体：（a)金属垫和(b)电解槽底部，其 中该热导体配置成从邻近于热导体接触点的烙融电解液槽浴接受热量，其中，通过该热导 体，沿着侧壁的一部分在热导体和烙融电解液槽浴之间形成冷凝槽帮（例如局部的）。作为 非限制性实例，该热导体配置成使该阳极极化侧壁部分与阴极部分(例如金属垫、阴极、或 电解槽底部)绝缘。
[0027] 在本公开的一个方面，提供了一种电解侧壁，包括：电解槽本体，该电解槽本体包 括:至少一个侧壁和底部，其中该电解槽本体配置成保持烙融电解液槽浴；其中该侧壁包 括:与电解液槽浴液体连通的阳极极化侧壁部分，其中该阳极极化侧壁位于电解槽本体底 部的上方并且远离电解槽本体底部，与槽浴-空气界面连通;和非极化侧壁材料，该非极化 侧壁材料包含与阳极极化侧壁部分邻近并且与电解槽底部液体连通的热导体，其中该热导 体配置成从邻近于热导体接触点的烙融电解液槽浴接受热量，其中，通过该热导体，沿着侧 壁的一部分在热导体和烙融电解液槽浴之间形成冷凝槽帮。
[0028] 在一些实施方案中，金属产物从电解槽底部排出。
[0029] 在本公开的一个方面，提供了一种电解槽，包括：阳极;与阳极间隔开的阴极;与该 阳极和阴极液体连通的烙融电解液槽浴；电解槽本体，该电解槽本体包括:至少一个侧壁和 底部，其中该电解槽本体配置成保持烙融电解液槽浴;其中该侧壁包括:与电解液槽浴液体 连通的阳极极化侧壁部分，其中该阳极极化侧壁位于电解槽本体底部的上方并且远离电解 槽本体底部，与槽浴-蒸气界面连通;和非极化侧壁部分，该非极化侧壁部分与阳极极化侧 壁部分邻近并且与下列至少之一液体连通：（a)金属垫和(b)电解槽底部，其中该非极化侧 壁包含非反应性材料，该非反应性材料是槽浴化学组成的成分;此外其中，通过槽浴化学组 成和非反应性材料在槽浴中的百分比饱和度，该侧壁与所述烙融盐电解液基本上不反应 (例如在电解槽操作期间）。
[0030] 在本公开的一个方面，提供了一种电解侧壁，包括：电解槽本体，该电解槽本体包 括:至少一个侧壁和底部，其中该电解槽本体配置成保持烙融电解液槽浴；其中该侧壁包 括:与电解液槽浴液体连通的阳极极化侧壁部分，其中该阳极极化侧壁位于电解槽本体底 部的上方并且远离电解槽本体底部，与槽浴-空气界面连通;和非极化侧壁部分，该非极化 侧壁部分与阳极极化侧壁部分邻近并且与下列至少之一液体连通：（a)金属垫和(b)电解槽 底部，其中该非极化侧壁包含非反应性材料，该非反应性材料是槽浴化学组成的成分;此外 其中，通过槽浴化学组成和非反应性材料在槽浴中的百分比饱和度，该侧壁与所述烙融盐 电解液基本上不反应(例如在电解槽操作期间）。
[0031] 在一些实施方案中，该非极化侧壁部分(例如稳定侧壁)配置成从侧壁(例如侧壁 轮廓)延伸出去并且提供阶梯构造。在一些实施方案中，该电解槽配置成带有进料器，该进 料器向槽浴中提供进料，该进料被保持为沿着稳定侧壁材料的阶梯向外部分的至少一部分 (例如沿着顶部和/或侧部）。在一些实施方案中，该稳定侧壁材料位于阳极极化侧壁部分附 近并与其连通（即，使得该阳极极化侧壁部分延伸到热绝缘封装的整个长度，并且该稳定侧 壁材料配置成安置在该阳极极化侧壁部分的一部分上方，邻近金属垫和/或槽浴-金属垫界 面）。在一些实施方案中，稳定侧壁材料的顶表面是平坦的。在一些实施方案中，该稳定侧壁 的顶部/表面是倾斜的（例如，朝向阳极极化侧壁）。在一些实施方案中，该倾斜的稳定侧壁 与该阳极极化侧壁共同限定出沟槽(trough),配置该沟槽W将保护沉积物保持在其中。在 一些实施方案中，该倾斜的稳定侧壁朝向电解槽/金属垫的中屯、倾斜(远离侧壁）。
[0032] 在一个方面，提供了一种电解槽，包括：阳极；阴极;与该阳极和阴极液体连通的烙 融电解液槽浴；电解槽本体，该电解槽本体包括:至少一个侧壁和底部，其中该电解槽本体 配置成保持该烙融电解液槽浴;其中该侧壁包括:与电解液槽浴液体连通的阳极极化侧壁 部分，其中该阳极极化侧壁位于电解槽本体底部的上方并且远离电解槽本体底部，与槽浴-空气界面连通;和非极化侧壁部分，该非极化侧壁部分与阳极极化侧壁部分邻近并且与下 列至少之一连通：（a)金属垫和(b)电解槽底部，其中该非极化侧壁包括冷凝槽帮装置:其 中，通过该冷凝槽帮装置，热量被从邻近该冷凝槽帮装置的烙融盐槽浴中提取出来从而限 定出沿着与该冷凝槽帮装置邻近的侧壁部分的冷凝槽帮。
[0033] 在本公开的一个方面，提供了一种电解侧壁，包括：电解槽本体，该电解槽本体包 括:至少一个侧壁和底部，其中该电解槽本体配置成保持烙融电解液槽浴；其中该侧壁包 括:与电解液槽浴液体连通的阳极极化侧壁部分，其中该阳极极化侧壁位于电解槽本体底 部的上方并且与其远离，与槽浴-蒸气界面连通;邻近该阳极极化侧壁部分并且与电解槽底 部连通的非极化侧壁部分，其中该非极化侧壁包括冷凝槽帮装置:其中，通过该冷凝槽帮装 置，热量被从邻近该冷凝槽帮装置的烙融盐槽浴中提取出来从而限定出沿着与该冷凝槽帮 装置邻近的侧壁部分的冷凝槽帮。
[0034] 在一些实施方案中，使金属产物从电解槽排出。
[0035] 在一些实施方案中，冷凝槽帮装置包括:本体，该本体具有入口和出口；热交换器 通道，其中该热交换器通道沿着本体的内部延伸并且与入口和出口液体连通;和冷却剂，其 中该冷却剂沿着由热交换器通道、入口和出口限定的流动路径行进。
[0036] 在一些实施方案中，该通道包括沿着本体外壁的多个扩展区域，其中配置该扩展 区域W提供增加的表面积用于从烙融电解液槽浴向冷却剂中的热传递。
[0037] 在一些实施方案中，该冷却剂选自：氣气、氮气和空气。
[0038] 在一些实施方案中，该扩展区域进一步包括多个罐状物(fin)。
[0039] 在一些实施方案中，该冷凝槽帮装置从该电解槽中提取至少约5kW/m2热通量。
[0040] 在一些实施方案中，该冷凝槽帮装置进一步包括连接至冷却剂出口的热交换器。
[0041] 在一些实施方案中，该非极化侧壁部分配置成维持跨该非极化侧壁部分的热量损 失不大于约8kW/m2。
[0042] 在本公开的一个方面，提供了一种电解槽，包括：阳极;与阳极间隔开的阴极;与该 阳极和阴极液体连通的烙融电解液槽浴；电解槽本体，该电解槽本体具有底部和至少一个 侧壁，其中该电解槽本体配置成保持烙融电解液槽浴，其中该侧壁包括:第一侧壁部分，其 配置成安置到侧壁的热绝缘封装上并且保持电解液，该第一侧壁部分包含阳极极化侧壁部 分;和第二侧壁部分，其配置成从该电解槽本体底部向上延伸，其中该第二侧壁部分与第一 侧壁部分纵向间隔，使得该第一侧壁部分、该第二侧壁部分W及第一侧壁部分和第二侧壁 部分之间的基底限定出沟槽;其中该沟槽被配置成接收保护沉积物和保持该保护沉积物与 电解槽底部(例如金属垫)分离。
[0043] 在本公开的一个方面，提供了一种电解槽侧壁，包括：电解槽本体，该电解槽本体 具有:底部和至少一个侧壁，其中该电解槽本体配置成保持烙融电解液槽浴，其中该侧壁包 括:第一侧壁部分，其配置成安置到侧壁的热绝缘封装上并且保持电解液，该第一侧壁部分 包含阳极极化侧壁部分;和第二侧壁部分，其配置成从该电解槽本体底部向上延伸，其中该 第二侧壁部分与第一侧壁部分纵向间隔，使得该第一侧壁部分、该第二侧壁部分W及第一 侧壁部分和第二侧壁部分之间的基底限定出沟槽;其中该沟槽被配置成接收保护沉积物和 保持该保护沉积物与电解槽底部(例如金属垫)分离。
[0044] 在本公开的一个方面，提供了一种电解槽，包括：阳极;与阳极间隔开的阴极;与该 阳极和阴极液体连通的烙融电解液槽浴；电解槽本体，该电解槽本体具有底部和至少一个 侧壁，其中该电解槽本体配置成保持烙融电解液槽浴，其中该侧壁包括:第一侧壁部分，该 第一侧壁部分包括阳极极化侧壁部分，其配置成安置到侧壁的热绝缘封装上并且保持电解 液;和第二侧壁部分，其配置成从该电解槽本体底部向上延伸，其中该第二侧壁部分与第一 侧壁部分纵向间隔，使得该第一侧壁部分、该第二侧壁部分W及第一侧壁部分和第二侧壁 部分之间的基底限定出沟槽;其中该沟槽被配置成接收保护沉积物和保持该保护沉积物与 电解槽底部(例如金属垫)分离;和引导部件，其中该引导部件位于该阳极侧壁部分和该第 二侧壁部分之间，此外其中该引导部件在沟槽基底上方侧向间隔，使得该引导部件被配置 为引导保护沉积物进入沟槽内。
[0045] 在一些实施方案中，该引导部件包含阳极极化材料。在一些实施方案中，该引导部 件包含非反应性(例如稳定的)材料。在一些实施方案中，该引导部件包含阴极极化材料。
[0046] 在本公开的一个方面，提供了一种电解槽，包括：阳极;与阳极间隔开的阴极;与该 阳极和阴极液体连通的烙融电解液槽浴；电解槽本体，该电解槽本体具有底部和至少一个 侧壁，其中该电解槽本体配置成保持烙融电解液槽浴，其中该侧壁包括:第一侧壁部分，该 第一侧壁部分包括阳极极化侧壁部分，其配置成安置到侧壁的热绝缘封装上并且保持电解 液;第二侧壁部分，其配置成从该电解槽本体底部向上延伸，其中该第二侧壁部分与第一侧 壁部分纵向间隔，使得该第一侧壁部分和该第二侧壁部分限定出间隙;和热导体，其配置成 安置在所述间隙中，并且在第一侧壁部分和第二侧壁部分之间延伸；其中该热导体配置成 从烙融电解液槽浴接收热量，其中，通过由该热导体从烙融电解液槽浴跨侧壁的热转移，在 热导体和烙融电解液之间形成冷凝槽帮，该冷凝槽帮跨越第一侧壁部分和第二侧壁部分之 间的间隙。
[0047] 在本公开的一个方面，提供了一种电解槽组件，包括：电解槽本体，该电解槽本体 具有底部和至少一个侧壁，其中该电解槽本体配置成保持烙融电解液槽浴，其中该侧壁包 含:第一侧壁部分，该第一侧壁部分包括阳极极化侧壁部分，其配置成安置到侧壁的热绝缘 封装上并且保持电解液;第二侧壁部分，其配置成从该电解槽本