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La présente invention se rapporte à la. production de permanganate de potassium, et particulièrement, à un procédé perfectionné à haut rendement du ty- pe continu de production de permanganate de potassium par l'oxydation électrolyti- que de manganate de potassium.
Parmi les procédés connus de production du permanganate de potassium par l'oxydation électrolytique de manganate de potassium, figure un procédé par charges séparées dans lequel on agite ou on fait passer en écoulement par gravité en courants parallèles une solution de manganate de potassium par des batteries de cellules comportant des cathodes et des anodes séparées. Un autre procédé consiste à faire passer une solution de manganate de potassium en écoulement par gravité en série par un certain nombre de cellules dipolaires voisines.
La solution d'alimentation de manganate de potassium est préparée en dissolvant du manganate de potassium dans de l'hydroxyde de potassium aqueux pour former une so- lution concentrée contenant de l'ordre de 100-225 grammes par litre de manganate de potassiumo Cette solution est introduite dansune cellule et soumise à.une élec- trolyse jusqu'au moment où elle est oxydée au point terminal, ou, dans lé cas, de l'oxydation dans un certain nombre de cellules en série, la solution est par- tiellement oxydée, le permanganate¯de potassium produit est cristallisé, et l'élec- trolyse est poursuivie par un second passage dans les cellules. Ce processus est répété jusqu'au moment où l'oxydation est complète.Du permanganate de potassium est séparé entre les passes pour éviter la cristallisation dans les cellules.
Les procédés connus présentent l'incpnvénient de la faible pureté des cristaux du permanganate produit, qui est spécialement due à la présence de sels dot bles de permanganate de potassium et de manganate de potassium, nécessitant des opérations de recristallisation et les processus de séparation qu'elles impli- quento Des difficultés sont soulevées par la cristallisation dans les cellules, les rendements des cellules et de la conversion- sont souvent médiocres et la con- sommation de puissance est souvent élevée. La construction des cellules électroly- tiques et leur fonctionnement,nécessitent des installations de dimensions consi- dérables et des investissement% importants, de grands espaces, un coût de fonction- nement et de main d'oeuvre élevé.
La présente invention a pour buts : de procurer un procédé perfectionné de production de permanganate de potassium qui supprime les inconvénients rencontrés dansle passé; de procurer un procédé nouveau et perfectionné qui puisse êtré exé- cuté de. façon continue et donner de façon constante et sûre un produit de haute qualité; de produire directement des cristaux de permanganate de potassium dehaute pureté, sans sels doubles, tout en réduisant de façon sensible l'impor- tance des opérations de finition et de séparation; de procurer un procédé dans lequel l'oxydation et l'électrolyse aient un rendement élevée de procurer un procédé d'oxydation exécuté avec écoulement réglé d'élec trolyte dans une cellule fermée;
de procurer un procédé dans lequel les conditions d'électrolyse sont réglées en fonction de la production d'oxygène dans la cellule; de procurer à cet effet une cellule électrolytique et une électrode perfectionnées, s'adaptant particulièrement au procédé; de procurer pour la cellule une électrode dipolaire très efficace, assurant des densités de courant élevées à la cathode et des densités de courant faibles à l'anode.
Ces buts et-d'autres, les avantages et les possibilités de la présen- te invention ressortiront mieux'''de la description et des ' d e s s i n s @
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annexés, dessins dans lesquels les mêmes éléments sont représentés parles mêmes références et dans lesquels
Fig. 1 est un schéma d'un procédé général préféré, décrivant un mode d'utilisation de la nouvelle cellule en relation avec le nouveau procédé qui y est exécuté;
Fig. 2 est une vue en perspective d'une cellule ou d'une batterie de cellules préférée suçant la présente invention;
Fig. 3 est une vue fragmentaire agrandie en perspective et en coupe de la cellule;
Fig. 4 est une autre vue en coupe fragmentaire agrandie représentant l'assemblage et la construction des électrodes pour former une cellule individuel- le de la batterie;
Fig. 5 est une vue de dessous en plan agrandie d'une électrode, prise suivant la ligne 5-5 de la Fig. 4.
Fig. 6 est une vue de dessus en plan agrandie d'une électrode d'ex- trémité, prise suivant la ligne 6-6 de la Fig. 4;
Fig. 7 est une autre vue en plan fragmentaire agrandie d'un élément de cathode de l'électrode, correspondant à une vue prise suivant la ligne 5-5 de la Fig. 4;
Fig. 8 est une élévation de c8té de l'élément de la Fig. 7 ;
Fig. 9 est une vue transversale agrandie d'un séparateur, prise sui- vant la ligne 9-9 de la Fig. 5 ;
Fig. 10 est une vue transversale agrandie représentant la construction d'un des séparateurs, prise suivant la ligne 10-10 de la Fig. 5.
Fig. 11 est une vue de dessous èn plan fragmentaire agrandie d'une électrode supérieure ou d'extrémité prise suivant la ligne 11-11 de la Fig. 3; et
Fig. 12 est un diagramme exprimant le rendement de l'anode en fonc- tion de la proportion d'oxygène des gaz produits dans la cellule.
Le nouveau procédé et le nouvel appareil décrits dans le présent mémoire se rapportent spécialement aux Fig. 2 à 12 des dessins. La Fig. 1 représente l'utilisation préférée dans le procédé général d'un brevet de même date de la Demanderesse intitulée: "Production de permanganate de potassium".
Le nouveau procédé qui fait l'objet de ce brevet consiste à préparer une solution de manganate de potassium dans de l'hydroxyde de potassium aqueux, à mélanger ou à diluer la solution avec la solution produite, à oxyder par électrolyse la solu- tion résultante et à cristalliser la solution résultante pour former des cristaux de permanganate de potassium et une liqueur-mère qui est la dite solution produite précitée. Le procédé peut être exécuté de façon continue d'une façon ex- trêmement avantageuse. Dans le présent mémoire, par "manganate de potassium", on entend le K2MnO4 dans lequel le manganèse à la valence 6.
Un des résultats du nouveau procédé est qu'on puisse préparer d'em- blée une solution concentrée de manganate de potassium,ce qui est extr3mement dési- rable dans la fabrieation tant du point de vue de la solubilité du manganate de potassium dans les solutions aqueuses d'hydroxyde de potassium que pour maintenir les volumes de la solution dans les limites pratiques pour la manipulation et le traitement. En même.temps, on a découvert, suivant la présente invention, que l'alimentation de la cellule électrolytique est très avantageusement fai- te à l'aide de solution diluée de manganate de potassium. On évite la formation de sels doubles, et la pureté du permanganate s'en trouve beaucoup améliorée.
La dilution de la solution de manganate est réalisée en la mélangeant avec des liqueurs-mères ou d'autres matières analogues qui sont des produits de 1'
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électrolyse. Ce mélangeage a également pour objet de recycler le manganate de potassium qui reste après l'oxydation. Il convient également d'attirer l'at- tention sur le fait très important qu'une partie des liqueurs-mères est utilisée pour préparer la solution concentrée de manganate, ce qui y assure une poncentra- tion substantielle en permanganate de potassium qui sert à éviter l'hydrolyse du manganate de potassium concentré. En même temps, de l'hydroxyde de potassium est continuellement recyclé et réutilisé, une partie de la liqueur-mère étant retirée de la circulation pour en séparer l'hydroxyde de potassium formé au cours du procédé.
Le nouveau procédé général est donc de préférence un procédé cyclique d'oxydation électrolytique du manganate de potassium, de cristallisation du produi- d'oxydation pour former des cristaux de permanganate de potassium et une liqueur- mère, de retrait d'une partie de la liqueur-mère pour en séparer l'hydroxyde de potassium produit, d'addition de manganate de potassium et d'eau au reste de la liqueur-mère .et de recyclage de la solution résultante à l'oxydation électrolyti- que
L'invention-qui fait l'objet du présent mémoire concerne particuliè- rement le nouveau procédé d'oxydation électrolytique et la nouvelle cellule.
Des caractéristiques importantes du nouveau procédé sont, entre autres, l'oxydation dans une cellule fermée, l'écoulement de l'électrolyté en co-pourant avec les gaz produits, et le réglage des conditions de l'électrolyse en fonction de la for- mation d'oxygène dans la cellule. La solution d'alimentation est de préférence une solution diluée de manganate de potassium.' La cellule est composée d'un cer- tain nombre de cellules individuelles dipolaires fermées que l'électrolyte tra- verse en série.
L'oxydation électrolytique de la solution de manganate de potassium contenant du permanganate de potassium est effectuée de façon à obtenir une quan- tité de permanganate de potassium qui .se trouve dans les limites de la solubilité dans la solution ou électrolyte après l'oxydation. La cristallisation de cette dernière solution donne des cristaux de permanganate de potassium de haute pureté, et la liqueur-mère qui reste est réutilisée dans le procédé avec les importants avantages indiqués plus haut.
La nouvelle cellule comprend de nouvelles électrodes et une combinai- son et un agencement avantageux des éléments. La cellule complète se compose d'un certain nombre de cellules électrolytiques dipolaires voisines se prêtant à l'ap- plication d'une tension en série et à l'écoulement en série d'un électrolyte, les cellules dipolaires comportant des électrdes qui se composent d'une tôle métalli- que conductrice formant anode, d'éléments métalliques conducteurs reliés électri- quement à la tôle et faisant saillie vers l'extérieur depuis des points espacés répartis sur une des faces de la tôle et d'une matière isolahte remplissant les espaces formés entre les éléments dont les extrémités extérieures sont exposées et forment cathode.
Sur la Figo 1 des dessins, le procédé commence:par la préparation d'une solution de manganate de potassium dans de 1 hydroxyde=de potassium aqueux dans un récipient de lixiviation 1. Du manganate de potasium frais est amené au procédé, et du manganate de potassium récupéré et recyclé y est ajouté. Le manganate est lixivié ou dissous dans une solution aqueuse d'hydroxyde de potassium qui consiste en des liqueurs-mères du procédé, contenant de l'hydroxyde de potassium, du manganate de potassium et du permanganàte de potassium. Pour dissoudr le manganate, on utilise les eaux de lavage (flèche F ), y compris l'eau de lava- ge du permanganate.
Les eaux de lavage remplacent l'eau extraite du procédé cycli- que, et réduise la concentration en hydroxyde de potassium des liqueurs-mères au niveau requis .-pour un rendement élevé de la cellule.
La solution de lixiviation est conduite par une pompe 2 du récipient
1 à un filtre 3, pour en éliminer les matières insolubles. Le filtrat passe dans un second récipient de mélangeage 4 dans lequel il est dilué-ou mélangé avec un
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supplément de liqueur-mère produite dans le procédé. En travail continu, un ré- servoir de stockage, non représenté, peut être établi entre les premier et second récipients du mélangeage 1 et 40 Les quantités de liqueur-mère introduites dans les premier et second récipients de mélangeage 1 et 4 sont soutirées d'un cris- tallisoir 5 au voisinage de la partie supérieure de la solution qu'il renferme.
Les matières introduites dans le second récipient de mélangeage 4 sont chauffées à la vapeur vive (flèche F2), mais on peut évidemment recourir à d'autres modes de chauffage. La solution est alors retirée et conduite par une pompe 6 à une cellule électrolytique 7. La solution provenant du second récipient 4 constitue 1' électrolyte de la cellule, et traverse la cellule en écoulement réglé pour oxy- der le manganate de potassium en permanganate de potassium suivant l'équation
EMI4.1
ai-pprès
EMI4.2
Cathode Anode K2Mn 4 + H 20 électrol KOH + 1/2H2 + ENNO4
La solution oxydée provenant de la cellule 7 est conduite à un sépa- rateur de gaz 8 où les gaz produits sont libérés de la solution et analysés de façc continue pour en déterminer la teneur en oxygène.
On conduit ensuite la solution à une colonne montante 9, reliée au cristallisoir 5, dans laquelle elle s'élève en même temps qu'un volume important de liqueur du cristallisoir sous l'action d'une pompe 10. Le contenu delà colonne montante se déverse dans un vaporiseur 11 qui est maintenu sous pression réduite, ou sous vide, par un condenseur et un appa- reil à vide représentés en 12. L'évaporation et le refroidissement résultant de la solution ont lieu dans le vaporiseur.
La solution refroidie se trouvant dans le vaporiseur est sur-saturée de permanganate de potassium, et elle descend dans le cristallisoir 5 en un point voisin de son fond. La sur-saturation est relâchée dans le cristallisoir, des cris- taux de permanganate de potassium se formant sur les germes ou les cristaux pré- sents dans le cristallisoir. Ceci a pour résultat la formation dans le cristal- lisoir, d'une certaine quantité de cristaux de permanganate de potassium et d'une masse de liqueur-mère saturée.
De la liqueur-mère est soutirée à la partie supérieure du cristalli- soir, comme décrit précédemment, et des cristaux de permanganate de potassium sont soutirés sous la forme d'un magma à sa partie inférieure, à l'aide d'une pompe 13. Les cristaux de permanganate de potassium sont séparés et lavés à l'eau dans une centrifugeuse 14, après quoi ils sont séchés par des moyens classiques, non représentés, La liqueur-mère provenant de la centrifugeuse est recyclée au cristallisoir. Une certaine partie de la liqueur du cristallisoir 5 est également soutirée et conduite à un évaporateur CE) pour séparer l'hydroxyde de potassium produit au,cours de l'oxydation électrolytique et éliminer les divers sels et impuretés., par des procédés classiques.
Les matières séparées et sous produites sont réutilisées dans toute la mesure du possible. Ainsi, l'eau de lavage du permanganate de potassium est uti- lisée pour préparer la solution de lixiviation du premier récipient demélangeage 1. Par l'évaporation de liqueur, on récupère de l'hydroxyde de potassium qu'on peut utiliser pour préparer du manganate de potassium. Du manganate de potassium et du permanganate de potassium sont séparés au cours de l'évaporation, et ils peuvent être conduits au premier récipient de mélangeageô
Les appareils représentés schématiquement sur la Fig. lisent clas- siques, exception faite pour la cellule 7,décrite ci-après.
Le cristallisoir 5 illustré et utilisé dans le procédé cité en exemple dans le présent mémoire est un récipient de suspension Strùthers Wells d'un diamètre de 3,05 m et d'une capacité d'environ 26.495 litres. La pompe 10 reliée à la colonne mpntante 9 partant du cris tallisoir a une capacité de 11.355 litres par minute. Le vaporiseur 11 est un va- poriseur Struthers Wells d'un diamètre cle 2,60 mètres environ.
Le nouveau procédé est de préférence et très avantageusement exécuté
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en se servant de la nouvelle cellule électrolytique\ou batterie de cellules 7 re- présentée sur les Figso 2 à 10. La construction et le fonctionnement de la cellule et le procédé d'oxydation électrolytique font l'objet de la présente invention.
Fig. 2 représente une cellule complète 7 constituée parune batterie ou colonne d'électrodes dipolaires 15 disposées côte à côte et assemblées de fa- çon à former un certain nombre de cellules individuelles fermées. On verra que deux électrodes voisines quelconques forment une cellule. La batterie de cellules 7, dans le mode de réalisation illustré, est également divisée en trois sections de cellules 16a, 16b et 16c. La solution d'alimentation est amenée à la batterie de cellules 7 en série parallèle, c'est-à-dire que la solution d'alimentation tra- verse en série les cellules de chaque section de cellules et que les trois sec- tions de cellules sont alimentées en parallèle.
Dans le mode de réalisation parti- culier représenté, on constatera que la séparation de la batterie de cellules 7 en trois sections de vingt cellules individuelles chacune est préférable, parce que la résistance à l'écoulement devient importante pour plus de vingt cellules en série
La.solution d'alimentation est donc amenée par un tuyau principal ou conduit 17 à trois groupes parallèles de conduits d'alimentation 18a, 18b et 18c des sections, qui entrent dans la première cellule de chacune des sections de vingt. La solution oxydée quitte la vingtième ou dernière cellule de chaque section par des groupes parallèles de conduits 19a, 19b et 19c, d'où elle est conduite au séparateur de gaz 8 par un conduit d'évacuation 20.
Entre chaque condui d'alimentation et de sortie et son collecteur respectif, se trouve une section de 1,22 mètre environ de tuyau de verre, par exemple 18aa ou 19aa, à des fins d'isolement électrique.
Les électrodes 15 sont assemblées en un complexe étanche aux gaz par des tirants 21 ou d'autres éléments analogues. Les électrodes d'extrémité, su- périeure et inférieure, 22 et 23 sont isolées par des feuilles isolantes 24 et 25, de préférence à base d'amiante,.Des barres omnibus 26 et 27 sont reliées électriquement aux électrodes d'extrémité respectives 22 et 23, au voisinage d'une de leurs extrémitésainsi qu'à une source de courant continu, de préfé- rence d'environ 140-170 volts, suivant le-courant désiré. Aux cellules indivi- duellés et aux électrodes 15 est appliquée une tension en série, de telle sorte que la'différence de potentiel dans chacune des soixante cellules représente un soixantième de la tension totale.
Sous ce rapport, il est évident que les dimen- sions des cellules de la tension et le courant total appliqués correspondants,' sont déterminés sur la base de considérations pratiques et d'après la puissance dont on dispose. Le procédé'd'oxydation électrolytique exécuté dans- la cellule n'est fpndamentalement fonction que de la densité de courant aux électrodes.
Les'fig 4 à 8 représentent en détail la construction des électrodes 15 à leur montage. Les électrodes sont dipolaires et chacune d'elles constitue à la fois une anode 28 et une cathode 29, excepté les électrodes supérieure,- et inférieure 22 et 23 qui ne remplissent nécessairement qu'une seule fonction, Item: électrodes voisines -ferment ensemble unecellule, de l'anode de l'une et de la cathode de l'autre. L'3lectrolyte de la solution à oxyder et sous oxydation s'écou- le entre l'anode et la cathode d'électrodes voisines.
Il faut, pour l'oxydation, que la densité de courant à la cathode 29 soit beaucoup plus élevée que celle à l'anode 28. La densité de courant doit être élevée à la cathode pour éviter qu'il ne s'y produise une réduction du permangana- te de potassium. La densité de courant doit être faible à l'anode pour que l'ano- de ait un rendement élevé et pour réaliser une oxydation satisfaisante du mangana- te de potassium en permanganate de potassium et une faible formation d'oxygène. Dans le passé, l'anode était constituée par une tôle métallique nue, et la cathode était une tôle métalliquerne plus petite, ou recouverte d'une matière isolante perforée, telle que la transite pour réduire la surface.-effective de la cathode et augmen- ter la densité de courant.
De plus, des diaphragmes étaient disposés entre les élec-
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-brodes. Toutefois, ces matières perforées ne donnaient pas satisfaction, parce que leurs ouvertures étaient rapidement obturées par des matières solides. L'élec- trode 15 représentée assure de façon très satisfaisante la densité de courant nécessaire, et les difficultés provoquées par le dépôt de matières solides sont très sensiblement réduites. La surface de la cathode 29 est construite de façon . à éviter cet encrassement. L'anode ne doit être nettoyée qu'après des périodes d'une à six Semaines pour en éliminer les matières solides.
L'électrode 15 est construite en matériaux résistant aux solutions alcalines de 'manganate aux températures utilisées dans les conditions de l'élec- trolyse. Ainsi, on peut utiliser une tôle de support 30 d'acier laminé à chaud de jauge 11. La tôle de support des électrodes supérieure et inférieure 22 et 23 dépasse des extrémités.de la cellule pour former sur chacune d'elles une bride
31 permettant le montage des barres omnibus 26 et 27.
La surface de l'anode 28 de l'électrode comporte un ou plusieurs écrans de fil 32, de préférence de métal monel, qui sont reliés électriquement entre eux, et à la tôle de support 30 par une soudure par points, ou d'une façon analogue, aux bords et en un certain nombre de points répartis sur la surface de l'anode.
Sur la surface de la cathode 29 de l'électrode, une tôle 33 d'acier laminée à froid de jauge 22, est reliée électriquement à la tôle de support 30, par exemple par soudureLa tôle 33 est emboutie ou découpée pour former des élé- ments métalliquesconducteurs 34 faisant saillie perpendiculairement vers l'exté- rieur, partiellement séparés et solidaires de la tôle ou reliés à celle-ci, comme le montrent les Figs. 4, 5, 7 et 8, et laissant des perforations ou ouvertu- res 35 correspondantes dans la tôle. Les espaces entre les éléments conducteurs 34 à la surface de la cathode sont remplis d'une matière isolante ou non conductrice
36 qui peut être une résine organique synthétique ou une autre matière offrant la résistance requise aux conditions de l'électrolyse.
On utilise, de préférence et de façon très satisfaisante, le polystyrène,Une autre résine thermoplastique qu'on peut utiliser.,est un polymère de tétrafluoréthylène.
Pour construire l'électrode, les écrans 32 d'anode et la tôle de ca- thode 33 sont reliés à la tôle de support 30 et les espaces entre les éléments conducteurs 34 sont remplis de poudre à mouler de polystyrène qui est chauffée et plastifiée pour remplir complètement et sceller les espaces. Puis, le poly- styrène est fraisé pour exposer les bouts ou extrémités d'acier 37 des éléments conducteurs, ayant l'aspect représenté sur la Fig. 80
De cette façon, on expose une faible surface de cathode, constituée par les extrémités des éléments conducteurs uniformément répartis en des points espacés sur toute la surface de la cathode 29. Dans le mode de réalisation repré- sentatif, 4% de la surface de la cathode sont du métal correspondant aux bords ex- posés des éléments et le reste est du polystyrène.
L'envers de l'électrode 15, , qui constitue l'anode, a de préférence une surface conductrice sensiblement ac- crue, à cause des écrans 32 et de la surface supplémentaire importante qu'ils développent. On utilise un ou plusieurs,et de préférence deux écrans 32, et on peut en utiliser davantage, si on le désire. Les écrans remplissent une autre, fonction utile du fait qu'ils provoquent une turbulence ou une agitation de l'élsc trolyte s'écoulant à travers la cellule, ce qui affecte très favorablement le ren- dement de la conversion à l'anode.
Les figs. 5 et 6 représentent une des cellules individuelles la pre- mière cellule ou cellule d'extrémité inférieure de la batterie de cellules 7. Dans l'agencement de la cellule, l'électrode de la Fig. 5 peut être visualisée comme étant retournée sur la surface de l'électrode de la Fig. 6 de la façon dont on fer un livre. Dans la construction des cellules,des intercalaires d'étanchéité ou de fermeture 39 sont disposés en bordure des électrodes, et des séparateurs d'é- coulement 39 sont disposés sur les surfaces des électrodes.
Pour monter la cellule les intercalaires et les séparateurs sont motés sur la surface de cathode 20, à
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laquelle) ils sont soudés et à laquelle ils adhèrent par des soudures plastiques, par exemple,par l'application de polystyrène dans un solvant tel que le toluène aux soudures,et par évaporation du solvant.
Avant le montage, une couche de matière goudronneuse lourde 40 est étendue sur les bords exposés des intercalaires 38 et des séparateurs 39, pour réaliser un joint étanche quand les plaques sont empilées et boulonnées ensemble ou assemblées d'une autre. façon,.On verra sur la Fig. 6 que les écrans 32 sont emplacés sur la surface de la tôle de support 30 au moyen d'un gabarit ou d'une pièce analogue, laissant des zones non recouvertes ou exposées 41 sur la surface de la tôle de support qui correspondent aux emplacements de; intercalaires'38 et des séparateurs 39, pour permettre le montage des pièces de la cellule.
La Fig. 3 montre la façon dont les conduits d'alimentation 18a-C et les conduits d'évacuation 19a - c sont reliés aux cellules. Ils traversent les intercalaires 38 et communiquent avec l'intérieur des cellules. Les conduits d'alimentation et d'évacuation sont en matière non conductrice, de préférence en polymère de tétrafluoréthylène. La Fig. 9 montre''le léger effilement des sé- parateurs 39, dont'le but est d'assurer une plus grande tolérance aux écrans ma- nufacturés 32 dans le montage de la cellule.
La description plus spécifique faite ici et dans l'exemple se réfère particulièrement à une cellule 7 qui comprend des électrodes 15 ayant des extré- mités d'une largeur de 121,9 cm et des côtés de 243,8 cm, y compris les interca- laires 38, mais les prolongements 31 exclus. Cette surface est réduite par les intercalaires 38 dont la largeur est de 50,8 mm et qui ont une profondeur de 31,7 mm. Les séparateurs 39 ont une largeur de 25,4 mm à la base et de 12,7 mm au commet 'et une profondeur de 31,7 mm. La distance entre la cathode d'une électro- de 15 et l'anode de l'électrode voisine est de 22,2 mm, surface à surface, permet- tant un courant de liquide ayant approximativement la même épaisseur ou profondeur.
On prévoit deux écrans de fil d'anode 32 superposés, à 8 mailles, de métal monel de jauge 0,047. Les extrémiés des éléments de cathode 37 ont une longueur de 6,3 mm, et les éléments 34 font saillie de 4,8 mm de la surface de''la tôle de cathode 33. Il y a environ 5000 éléments de cathode. La surface conductrice de la cathode est de 930 cm2, et celle de l'anode de 140.000 centimetres carrés (rapport 1:150),
En service, les cellules sont disposées de façon que les anodes 28 se trouvent au-dessous des cathodes 29, mais en principe, leur disposition pourrait être inversée. L'écoulement de la solution à oxyder ou électrolyte est représenté sur la Fig. 5 en sè référant aux séparateurs.
Les figs. 5 et 11 illustrent, res- pectivement, l' alimentation de la batterie de cellules 7 et l'évacuation de cette batterie. Le liquide entre par les conduits d'alimentation 18 a - c au-dessus de la première électrode 15 de chaque section de cellules 16a - c, dans le canal défini par le séparateur d'extrémité 39a et l'intercalaire 38. Le canal est isolé par une bande 29a à base d'amiante disposée sur la surface de la cathode 29. Le li- quide traverse la cellule en un courant tortueux autour des séparateurs et quitte,la cellule par une ouverture 42 ménagée dans l'électrode à l'extrémité opposée au point d'entrée.
Le liquide pénètre par l'ouverture dans la cellule voisine sui- vante, qui se trouve au-dessus de la cellule précédente, dans l'écoulement en sé- rie, dans le mode de réalisation représentée L'agencement des séparateurs 29, et l'écoulement correspondant du liquide dans la cellule voisine suivante sont une image en miroir de ceux représentés,de telle sorte que l'ouverture 42 communique avec un canal qui est une reproduction de celui représenté tel qu'il est formé par le séparateur d'extrémité 39a et l'intercalaire 38, qui se trouve à l'extré- mité opposée dans la cellule suivante.
Le liquide, dans la cellule suivante, s'é- coule donc dans la direction opposée et en sort par une autre ouverture analogue à l'ouverture 42 de'-la première cellule, à l'extrémité opposée de l'électrode suivante.Le liquide s'écoule en série en un mouvement d'aller-retour d'une cellule à la suivante jusqu'au.moment où il traverse la. dernière ou vingtième cellule de cha- que section de cellules. Le liquide sort ensuite de la batterie de cellules 7 à l' extrémité où se fait l'alimentation,-par les conduits d'évacuation 19a - c,qui font
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saillie dans l'extrémité de la cellule dans la zone correspondant à l'ouverture d'évacuation 42 qui se trouve dans les cellules précédentes (voir Fig. 11).
La cellule et l'écoulement sont conçus de façon à établir un co-couran du liquide et des gaz, de telle sorte que la cellule fonctionne en circulation forcée sans entrave provoquée par les gaz. Les gaz sortent sans heurts et de fa- çon con tinu en même temps que la solution oxydée par le conduit d'évacuation 20, et le mélange est conduit au séparateur de gaz 8. Les gaz sont libérés et analysés continuellement pour en établir le teneur en oxygène, sur la base de laquelle on règle l'opération, comme on le verra ci-après. Pour réaliser cet écoulement'en co-courant, le fond de la cellule, comme représenté, forme uh angle 9 avec hori- zontale, 30 sur la Fige 1. Cette vue est une représentation du côté étroit ou ex- trémité de la cellule.
Ainsi, l'intercalaire 38a de chaque électrode voisin de l'ouverture d'évacuation 42 se trouve au bord supérieur et l'intercalaire opposé 38b au bord inférieur.. Le liquide s'écoule dans chaque cellule de la zone voisine du bord inférieur vers la zone voisine du bord supérieur et cet écoulement est ac- compagné d'une montée du gaz. L'alimentation de chaque cellule se faisant au bord élevé 38a, on prévoit une ouverture by-pass 43 dans le séparateur d'extré- mité 39a à son extrémité supérieure (voir Fig. 10). L'ouverture court-circuite ou libère le gaz qui n'est pas conduit par le liquide de cette zone. Pour établir l'écoulement en co-courant, il est également possible de monter la cellule de façon que les électrodes s'étendent à des angles différents ouverticalement.
Bien que l'appareil et l'agencement des éléments illustrés soient préférés, il est évident qu'on peut y apporter de nombreuses modifications sans sortir du cadre de la présente invention.
Pour exécuter le procédé, la concentration en hydroxyde de potassium dans le premier récipient de mélangeage, ou lixiviateur 1, doit être suffisamment élevée pour éviter unehydrolyse importante du manganate de potassium. Cette con- centration ne doit pas être trop élevée, parce qu'elle peut, ultérieurement dans le procédé,porter préjudice au rendement des cellules et à la pureté des cristaux.
Il est préférable que la concentration en hydroxyde de potassium soit d'environ 70 à 150 grammes par litre, et mieux, de 80 à 120 grammes par litre.
La concentration en manganate de potassium ne doit pas être trop élevée parce que, 1' hydrolyse s'accentue avec la formation de permanganate et de dio- xyde de manganèse. Avec des concentrations faibles en manganate, il faut manipuler des quantités excessives de liquide0 Il est préférable que la concentration en manganate de potassium soit d'environ 100 à 200 grammes par litre, et mieux, de 120 à 180 grammes par litre.
On préfère également qu'il y ait autant de permanganate de potassium que possible dans le liquide de lixiviation pour empêcher l'hydrolyse du mangana- te concentré. Ainsi, une solution contenant environ 100 grammes par litre d'hy- droxyde de potassium et environ 150 grammes par litre de manganate de potassium est de préférence saturée de permanganate de potassium, ce qui représente environ 50 grammes par litre.
La solution de lixiviation est préparée à environ 50-6000, filtrée, et introduite ensuite dans le second récipient de mélangeage 4. Dans ce récipient, la solution de lixiviation est diluée avec plusieurs volumes de liqueur-mère prove- nant du cristallisoir 5, les propprtions dépendant des quantités de matières pré- sentes dans les deux liquides. Le mélange est chauffé, par exemple à la vapeur vive, suivantla nécessité, pour le porter à une température qui est de préférence d'environ 55 à 75 C.
La solution ainsi préparée pour l'oxydation électrolytique contient de préférence 80 à 180 , et @ieux de 120 à 150 grammes par litre d'hydroxyde de potas- sium. La concentration en manganate de potassium est de préférence d'environ 35 à 80 grammes par litre, et mieux, de 50 à 60 grammes-par litre. La concentration en permanganate de potassium est de préférence inférieure à environ 35 grammes par
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litre.Les proportions de manganate et de permanganate sont choisies de façon que dans les conditions de travail, la quantité de permanganate de potassium produite dans la-cellule 7 se trouve dans ses limites de solubilité dans la solution ou électrolyte après l'oxydation.
Dans ce cas, il n'y a pas de problème de cristal- lisation dans la celluleo
La solution est oxydée à une température d'environ 55 à 80 C. La so- lution initiale entre dans la cellule à une température préférée d'environ 55 à 75 C, et la température sélève dans la cellule d'environ 3-5 C. On évitera des températures plus élevées, parce qu'elles réduisent le rendement de la cellule.
Le procédé est exécuté de façon à obtenir une solution oxydée contenant de préférence environ 30 à 70 grammes par litre de permanganate de potassium, et mieux 45 à 55 grammes par litre, La concentration résultante en manganate de potassium est de préférence d'environ 15 à 50 grammes par litre, et mieux 'de 20 à 30 grammes par litre, 15 à 20 grammes constituant sensiblement le point terminal de l'oxydation électro'Lytique. Il est préférable d'éviter un accroisse- ment de la quantité de manganate de potassium restant pour ne pas porter pré judice à la pureté des cristaux produits et réduire au minimum la quantité de sous-sels à traiter. Par "point terminal", on entend la concentration en manganate de potas- sium à laquelle la vitesse d'oxydation du manganate tombe rapidement.
La concentra- tion en hydroxyde de potassium s'accroît proportionnellement à la formation du per- manganate, 1 mole d'hydroxyde de potassium étant produite par mole de permanganate produite. Les proportions des matières sont, après l'oxydation, en rapport consis- tant avec les proportions initiales, telles que le permanganate de potassium se trouve dans les limites de sa solubilité dans la solution.
'Sous ce rapport, la production d'une solution d'une concentration plus élevée én permanganate de potassium tend à réduire le rendement de l'anode.
La production de permanganate de potassium est régie en outre par la quantité présente dans la solution de départ, décrite ci-dessus. De plus, il est préféra- ble que l'électrolyte soit surchauffé d'au moins environ 5 C pour éviter une cris- tallisation possible du permanganate dans la cellule qui serait due à une sursa- turation locale.
La solution d'alimentation est amenée à la-cellule 7 décrite avec un débit d'environ 151 à 284 litres par minute, de préférence d'environ 170 à 246 litres par minute. L'écoulement est suffisant pour créer une turbulence autour de l'anode 28, de préférence d'environ 10,2 à 15,2 cm par seconde sur l'anode.
Le débit est également en corrélation avec la vitesse d'oxydation, déterminée par l'apport de courant, et avec la température de la solution, qui détermine sa capacité à l'égard du permanganate. Ainsi, par exemple, pour un courant de 1200 ampères et une production correspondante de 5,44 kg de permanganate-par minute, la solution étant à 62 C, on choisit un débit d'environ 227 litres par minute.
La densité de courant à la cathode est de préférence égale à 50 à 400 fois la densité de courant à l'anode, et mieux, à 100 à 200. Pour assurer ces rap- ports entre les densités de courant, les surfaces conductrices de la cathode et de l'anode sont en rapport inverse, à savoir 1:50 à 400. La densité de courant à la cathode pour le mode de réalisation décrit est de préférence de 0,4 à 2,0 ampè- res par cm2, et mieux de 0,6 à 1,5 ampère par cm2. La densité de courant à l'ano- de est de préférence de 0,003 à 0,014 ampère par cm2, et mieux, de 0,005 à 0,009 ampère par cm2.
La surface de cathode exposée représentée par les extrémités 37 de l'élément conducteur 34, et la surface d'anode exposée représentée-par les écrans 32 et la surface voisine de la feuille de support 30 sont déterminées'de façon à assurer les densités de courant adéquates. La différence de potentiel dans chaque cellule est déterminée par la densité de courant et la résistance de la cellule. Dans le mode de réàlisation représenté, la résistance est faible et la tension de la cellule individuelle se trouve dans la gamme d'environ 2,3 à 2,8 volts.
Après l'amorçage de 1-'opération, les conditions de travail de la cel-
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Iule et les conditions d'électrolyse sont réglée.!;! fondamentalement, suivant la présente invention, en fonction de la production d'oxygène dans la cellule, production qui est déterminée par l'analyse des gaz de sortie. Pour ce faire, il est d'abord nécessaire de déterminer le rendement de la cathode dans des con- ditions données de densité de courant et de température de travail. Cela se fait d'une façon connue en déterminant la production d'hydrogène et en la compa- rant avec la production théoriquea En même temps, on détermine la densité optimum de courant à la cahode.
Pour une densité de courant etme température de travail données, le rendement de la cathode reste relativement constant quand les conditions d'ali- mentation, à savoir le débit de la solution ou sa composition, varient. On calcule- pour un rendement de cathode donné, la teneur en oxygène des gaz de sortie (H2 et O2) correspondant aux divers rendements de l'anode? On établit un diagram- me du rendement de l'anode en fonction de la teneur en oxygène pour le rendement de la cathode auquel on mettra en service la cellule, comme le représente la Fig.12 des dessins. Ce diagramme porte en ordonnées la teneur en pour-cent en oxygène et en abscisses le rendement en pour-cent de l'anode. Les deux courbes représentent respectivement des rendements de la cathode de 90% et de 80%.
En pratique, on mesure la teneur en oxygène des gaz de sortie et on détermine, sur cette base, le rendement de l'anode en se référant au diagramme.
L'invention est exécutée avec un rendement de l'anode 'au voisinage de 90-92%. Le rendement tombe quand l'écoulement de l'électrolyte est trop lent, la concentra- tion en manganate de la solution d'alimentation trop basse ou quand des dép8ts s'accumulent sur l'anode. Par conséquent, si la teneur en oxygène accuse un ren- dement sensiblement moins élevé, indicatif d'une plus grande électrolyse de l'eau, le débit d'alimentation est accru pour amener plus de manganate à l'oxydation et rétablir le rendement prévu de l'anode. En variante, le même résultat est atteint en accroissant la concentration en manganate de la solution d'alimenta- tion.
En variante encore, la densité de courant peut être réduite, en abaissant la tension, pour rétablir le rendement prévu de l'anode. Quand la mo- dification n'est pas considérable, la variation du rendement de la cathode peut être négligée, spécialement aux niveaux élevées de rendements de la cathode.
Sinon, on utilise une courbe différente sur le diagramme, courbe qui correspond au rendement différent résultant de la cathode. Ainsi, le fonctionnement de la cellule est réglé de façon simple et sûre en fonction de la formation d'oxygè- ne dans la cellule. Quand l'accumulation de dépôts sur l'anode atteint le point où l'opération perd son efficacité, on nettoie les cellules.
La solution du produit d'oxydation est conduite du séparateur de gaz**8 à la colonne montante 9, reliée au cristallisoir 5 comme décrit précé- demment. La pompe 10 met en circulation la liqueur-mère et la solution de pro- duit frais avec un débit de 110355 litres par minute, le vaporiseur se trouve sous une pression absolue d'environ 35 mm de merdure, et la température régnant dans le vaporiseur 11 et dams le cristallisoir 5 est d'environ 38 C, dans le mode de réalisation décrit. Toutefois, on peut faire varier ces conditions. Ainsi, on peut recourir à un vide plus poussé avec une évaporation et un refroidissement accrus en conséquence dans le vaporiseur.
Une quantité plus grande de permanga- nate de potassium cristallisa alors dans le cristallisoir, et les liqueurs-mères contiennent moins de permanganate de potassium.
Les liqueurs-mères sont conduites aux récipients de mélangeage 1 et 4, comme décrit, les proportions étant réglées de façon à obtenir les compositions- décrites précédemment. Une certaine quantité de liquide est également retirée du cristallisoir pour en séparer l'hydroxyde de potassium formé au cours du processus et en éliminer les impuretés. Le permanganate de potassium cristallisé produit est soutiré au fond du cristallisoir par la pompe 13 sous la forme d'un magma à en- viron 30% de matières solides. la suite du traitement se fait comme décrit précé- demment.
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L'exemple suivant illustre l'exécution du procédé suivant la présente invention, mais il est évident que l'invention n'est pas limitée à l'installation, aux proportions, aux conditions et aux processus particuliers décrits.
EXEMPLE .-
On prépare une solution de lixiviation dans le premier récipient de mé- langeage 1 à partir de manganate de potassium frais d'une pureté d'environ 82-90% et à partir de sels récupérés, de ligueur-mère du cristallisoir. et d'eaux de la- vage. La solution, préparée à 50-60 C, a la composition suivante :
EMI11.1
<tb> 100 <SEP> grammes <SEP> par <SEP> litre <SEP> KOH
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 150 <SEP> grammes <SEP> par <SEP> litre <SEP> K2Mn04
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 50 <SEP> grammes <SEP> par <SEP> litre <SEP> KMn04
<tb>
On filtre 53 litres par minute de la solution par le filtre 3 pour en éliminer les impuretés et les matières insolubles, et on les conduit ensuite au second ré- cipient de mélangeage 4.
Dans le second récipient de mélangeage, la solution de lixiviation est mélangée continuellement dans la proportion de 1 partie en volume pour en- viron 3 parties en volume de liqueur-mère provenant du cristallioir 5, la li- queur-mère se trouvant à 380C et ayant larcomposition suivante :
EMI11.2
<tb> 135 <SEP> grammes <SEP> par <SEP> litre <SEP> KOH
<tb>
<tb>
<tb> 25 <SEP> grammes <SEP> par <SEP> litre <SEP> K2MnO4
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 25 <SEP> grammes <SEP> par <SEP> litre <SEP> KMnO <SEP> 4 <SEP>
<tb>
On introduit de la vapeur vive dans le second récipient jusqu'au moment où la température atteint 65 C.
La solution résultante pour l'oxydation a la composi- tion suivante
EMI11.3
<tb> 120 <SEP> grammes <SEP> par <SEP> litre <SEP> KOH
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 53 <SEP> grammes <SEP> par <SEP> litre <SEP> K2MnO4
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 30 <SEP> grammes <SEP> par <SEP> litre <SEP> KMnO4
<tb>
La solution est continuellement conduite du second récipient 4 par la pompe 6 à la cellule,74-avec un débit de 189 litres par minute, en trois courants parallèles qui traversent les trois sections de cellules 16a -c. Du cou- rant continu est amené à la cellule, 155 volts et 1150 ampères. La densité ré- sultante du courant à la cathode est de 1,3 ampère par cm2, et à l'anode de 0,009 ampère par cm2. La température du courant de sortie de la cellule est de 68-70 C.
La solution oxydée s'écoule vers le séparateur de gaz 8 où les gaz sont libérés. Les gaz sont continuellement analysés pour en déterminer la teneur en oxygène à l'aide d'un appareil Beckman et on enregistre de façon continue le pourcentage d'oxygène des gaz. La cellule doit fonctionner avec un rendement d'anode d'environ 90-92% et un rendement de cathode d'environ 89%, ce qui corres- pond à une production moyenne d'oxygène d'environ 4-5%, comme le montre la Fige 12.
Si la teneur en oxygène s'élève à plus de 6%, le débit de la solution de lixivia- tion est porté à environ 60-61 litres par minute, et d'habitude, cette teneur re- tombe. Si elle ne retombe pas, mais continue à monter, il faut arrêter la cellule et la nettoyer, après quoi son opération est de nouveau ramenée à la normale.
Quand le débit de la solution de lixiviatioh est accru de la façon déctite ci-des- sus; la quantité de liqueur-mère qu'on y mélange dans le second récipient 4 est maintenue constante, ainsi que le débit d'alimentation de la cellule 7..Ceci a pour résultat une concentration accrue en manganate de la solution d'alimentation de la cellule.
Opérant de cette façon, le produit issu de la cellule a la composition moyenne suivante : ,
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EMI12.1
<tb> 128 <SEP> grammes <SEP> par <SEP> litre <SEP> KOH
<tb>
<tb>
<tb> 24 <SEP> grammes <SEP> par <SEP> litre <SEP> K2MnO4
<tb>
<tb>
<tb> 53 <SEP> grammes <SEP> par <SEP> litre <SEP> KMnO4
<tb>
La solution chaude de produit est mélangée avec la solution du crie- tallisoir, qui se trouve à 38 C, et le mélange est pompé dans la colonne montan- te 9 avec un débit de 11.355 litres par minute. La pression absolue régnant dans 1 vaporiseur est d'environ 35 mm de Hg, et environ 13,2 litres par minute d'eau sont vaporisés, ce qui refroidit la solution de cette colonne montante d'environ 38,5 C à 37,8 C.
La cristallisation qui a lieu dans le cristallisoir laisse une liqueur- mère ayant à peu près la composition suivante :
EMI12.2
<tb> 135 <SEP> grammes <SEP> par <SEP> litre <SEP> KOH
<tb>
<tb> 25 <SEP> grammes <SEP> par <SEP> litre <SEP> K2MnO4
<tb>
<tb> 25 <SEP> grammes <SEP> par <SEP> litre <SEP> KMnO4
<tb>
22,7 litres de liqueur-mère sont continuellement recyclés du cris- tallisoir au premier récipient 1, et 136 litres par minute de liqueur-mère sont continuellement recyclés au second récipient 4. 30,3 litres de liqueur-mère sont conduits du cristallisoir aux évaporateurs E. 125 grammes de K2MnO4 par litre de la solution de lixiviation sont oxydés en 99 grammes de KMnO4 qui sont sé- parés dans la centrifugeuse 14. (production 5,2 kg par minute).
@
Les cristaux*de permanganate de potassium dans la centrifugeuse 14 sont lavés à l'eau, et l'eau de lavage est réutilisée dans la préparation de la solution du récipient de lixiviation 1. Les cristaux sont séchés à l'air chaud à 120 C. Le permanganate de potassium ainsi obtenu a une pureté de 99,40%. Le rendement en permanganate de potassium, sur la base du manganate de potassium con- sommé, est d'environ 99% dans la cellule 7. Le rendement global en permanganate de potassium sur la base du manganate de potassium frais amené au procédé est d' environ 98%.
La cellule opère avec un rendement 'électrolytique global de 82% (permanganate de potassium produit par rapport au courant nécessaire). La con- sommation d'énergie est faible,'environ 0,55 kw par kg de permanganate de potas- sium vendable produit.
La présente invention apporte donc un procédé nouveau et perfectionné de production de permanganate de potassium qui se prête bien à une réalisation - continue ou semi-continue Le procédé donne directement du permanganate de haute qualité avec des rendements élevée. Les rendements de l'électrolyse et de la con- version sont élevés. L'appareil est de dimension réduite, et très simplifié, et peut être facilement mis enoeuvre par un personnel peu nombreux. Les investisse- ments de capitaux, l'entretien, et les coûts de travail sont très réduits.
REVENDICATIONS.
1.- Procédé d'oxydation électrolytique de manganate de potassium en permanganate'de potassium, caractérisé en ce qu'on fait passer une solution de manganate de potassium dans de l'hydroxyde de potassium aqueux par une cellule élec trolytique fermée en concourant églé avec les gaz produits.
2. - Procédé d'oxydation électrolytique de manganate de potassium en permanganate de potassium, caractérisé en ce qu'on fait passer une solution de man- ganate de potassium dans de l'hydroxyde de potassium aqueux par une cellule élec- trolytique en écoulement réglé, et on règle les conditions de 1 électrolyse en fonc tion de la production d'oxygène dans la cellule.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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The present invention relates to the. production of potassium permanganate, and particularly, to an improved, high-yield process of the continuous type of production of potassium permanganate by the electrolytic oxidation of potassium manganate.
Among the known processes for the production of potassium permanganate by the electrolytic oxidation of potassium manganate, there is a separate batch process in which a solution of potassium manganate is stirred or flowed by gravity in parallel currents through batteries cells with separate cathodes and anodes. Another method is to pass a gravity flow solution of potassium manganate in series through a number of neighboring dipole cells.
The potassium manganate feed solution is prepared by dissolving potassium manganate in aqueous potassium hydroxide to form a concentrated solution containing in the order of 100-225 grams per liter of potassium manganate. is introduced into a cell and subjected to electrolysis until such time as it is terminally oxidized, or, in the case of oxidation in a number of cells in series, the solution is partially oxidized , the potassium permanganate produced is crystallized, and electrolysis is continued by a second passage through the cells. This process is repeated until the oxidation is complete. Potassium permanganate is separated between the passes to prevent crystallization in the cells.
The known processes suffer from the disadvantage of the low purity of the crystals of the permanganate produced, which is especially due to the presence of endowed salts of potassium permanganate and potassium manganate, necessitating recrystallization operations and the separation processes that They imply that difficulties are raised by crystallization in cells, cell and conversion yields are often poor and power consumption is often high. The construction of electrolytic cells and their operation require installations of considerable dimensions and significant investments, large spaces, a high cost of operation and labor.
The objects of the present invention are: to provide an improved process for the production of potassium permanganate which overcomes the drawbacks encountered in the past; to provide a new and improved process which can be performed. continuously and consistently and reliably deliver a high quality product; to produce crystals of high purity potassium permanganate directly, without double salts, while significantly reducing the importance of finishing and separation operations; to provide a process in which the oxidation and electrolysis have a high yield; to provide an oxidation process carried out with controlled flow of electrolyte in a closed cell;
to provide a process in which the electrolysis conditions are adjusted according to the production of oxygen in the cell; to provide for this purpose an electrolytic cell and an improved electrode, particularly suited to the process; to provide a very efficient dipole electrode for the cell, ensuring high current densities at the cathode and low current densities at the anode.
These and other objects, the advantages and the possibilities of the present invention will become more apparent '' 'from the description and from the drawings.
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appended drawings in which the same elements are represented by the same references and in which
Fig. 1 is a diagram of a preferred general process, describing a mode of use of the new cell in relation to the new process carried out therein;
Fig. 2 is a perspective view of a preferred cell or battery of cells embodying the present invention;
Fig. 3 is an enlarged fragmentary perspective and sectional view of the cell;
Fig. 4 is another enlarged fragmentary sectional view showing the assembly and construction of the electrodes to form an individual cell of the battery;
Fig. 5 is an enlarged bottom plan view of an electrode, taken along line 5-5 of FIG. 4.
Fig. 6 is an enlarged top plan view of an end electrode, taken along line 6-6 of FIG. 4;
Fig. 7 is another enlarged fragmentary plan view of a cathode member of the electrode, corresponding to a view taken along line 5-5 of FIG. 4;
Fig. 8 is a side elevation of the element of FIG. 7;
Fig. 9 is an enlarged cross-sectional view of a separator, taken along line 9-9 of FIG. 5;
Fig. 10 is an enlarged cross-sectional view showing the construction of one of the dividers, taken along line 10-10 of FIG. 5.
Fig. 11 is an enlarged, fragmentary plan view of a top or end electrode taken along line 11-11 of FIG. 3; and
Fig. 12 is a diagram expressing the efficiency of the anode as a function of the oxygen proportion of the gases produced in the cell.
The novel method and apparatus described herein relate especially to Figs. 2 to 12 of the drawings. Fig. 1 shows the preferred use in the general process of an Applicant's patent of the same date entitled: "Production of potassium permanganate".
The new process which is the subject of this patent consists in preparing a solution of potassium manganate in aqueous potassium hydroxide, in mixing or diluting the solution with the solution produced, in oxidizing by electrolysis the resulting solution and crystallizing the resulting solution to form crystals of potassium permanganate and a mother liquor which is said above-mentioned product solution. The process can be carried out continuously in an extremely advantageous manner. In the present specification, by "potassium manganate" is meant K2MnO4 in which the manganese has valency 6.
One of the results of the new process is that a concentrated solution of potassium manganate can be prepared from the outset, which is extremely desirable in the manufacture both from the point of view of the solubility of potassium manganate in solutions. aqueous potassium hydroxide only to maintain solution volumes within practical limits for handling and processing. At the same time, it has been found, according to the present invention, that the powering of the electrolytic cell is most advantageously done by means of dilute solution of potassium manganate. The formation of double salts is avoided, and the purity of the permanganate is greatly improved.
Dilution of the manganate solution is accomplished by mixing it with mother liquors or other similar materials which are products of 1 '.
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electrolysis. The purpose of this mixing is also to recycle the potassium manganate which remains after the oxidation. Attention should also be drawn to the very important fact that part of the mother liquors is used to prepare the concentrated manganate solution, which ensures a substantial poncentra- tion of potassium permanganate therein, which serves to avoid hydrolysis of concentrated potassium manganate. At the same time, potassium hydroxide is continuously recycled and reused, part of the mother liquor being withdrawn from the circulation to separate the potassium hydroxide formed during the process.
The novel general process is therefore preferably a cyclic process of electrolytic oxidation of potassium manganate, of crystallization of the oxidation product to form potassium permanganate crystals and a mother liquor, of removing part of the solution. mother liquor to separate the potassium hydroxide produced therefrom, adding potassium manganate and water to the remainder of the mother liquor and recycling the resulting solution to the electrolytic oxidation
The invention which forms the subject of the present specification relates in particular to the novel electrolytic oxidation process and the novel cell.
Important features of the new process are, among others, the oxidation in a closed cell, the flow of electrolyte co-circulating with the produced gases, and the adjustment of the electrolysis conditions according to the strength. oxygenation in the cell. The feed solution is preferably a dilute solution of potassium manganate. The cell is made up of a number of individual closed dipole cells which the electrolyte passes through in series.
The electrolytic oxidation of the potassium manganate solution containing potassium permanganate is carried out so as to obtain an amount of potassium permanganate which is within the limits of the solubility in the solution or electrolyte after the oxidation. Crystallization of the latter solution results in crystals of high purity potassium permanganate, and the mother liquor which remains is reused in the process with the important advantages noted above.
The new cell includes new electrodes and an advantageous combination and arrangement of elements. The complete cell consists of a number of neighboring dipole electrolytic cells suitable for the application of a series voltage and the series flow of an electrolyte, the dipole cells having electrodes which consist of of a conductive metal sheet forming an anode, of conductive metal elements electrically connected to the sheet and projecting outwardly from spaced points distributed over one of the faces of the sheet and of an insulating material filling the spaces formed between the elements whose outer ends are exposed and form a cathode.
In Fig. 1 of the drawings, the process begins: by preparing a solution of potassium manganate in aqueous potassium hydroxide = 1 in a leach vessel 1. Fresh potassium manganate is fed to the process, and manganate of recovered and recycled potassium is added to it. The manganate is leached or dissolved in an aqueous solution of potassium hydroxide which consists of mother liquors of the process, containing potassium hydroxide, potassium manganate and potassium permanganate. To dissolve the manganate, the wash water (arrow F) is used, including the permanganate wash water.
The wash waters replace the water extracted from the cyclic process, and reduce the potassium hydroxide concentration of the mother liquors to the level required for high cell efficiency.
The leaching solution is driven by a pump 2 from the container
1 to a filter 3, to remove insoluble matter therefrom. The filtrate passes into a second mixing vessel 4 in which it is diluted or mixed with a
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additional mother liquor produced in the process. In continuous operation, a storage tank, not shown, can be established between the first and second mixing vessels 1 and 40. The quantities of mother liquor introduced into the first and second mixing vessels 1 and 4 are withdrawn from a crystallizer 5 in the vicinity of the upper part of the solution which it contains.
The materials introduced into the second mixing vessel 4 are heated with live steam (arrow F2), but it is obviously possible to use other heating methods. The solution is then withdrawn and conducted by a pump 6 to an electrolytic cell 7. The solution from the second vessel 4 constitutes the electrolyte of the cell, and passes through the cell in a flow controlled to oxidize the potassium manganate to potassium permanganate. potassium according to the equation
EMI4.1
ai-ppr
EMI4.2
Cathode Anode K2Mn 4 + H 20 electrol KOH + 1 / 2H2 + ENNO4
The oxidized solution from cell 7 is conducted to a gas separator 8 where the product gases are released from the solution and continuously analyzed to determine the oxygen content.
The solution is then led to a riser 9, connected to the crystalliser 5, in which it rises at the same time as a large volume of liquor from the crystalliser under the action of a pump 10. The content of the riser is collected. is discharged into a vaporizer 11 which is maintained under reduced pressure, or under vacuum, by a condenser and a vacuum apparatus shown at 12. Evaporation and resulting cooling of the solution takes place in the vaporizer.
The cooled solution in the vaporizer is over-saturated with potassium permanganate, and it descends into the crystallizer 5 at a point near its bottom. The supersaturation is released in the crystallizer, crystals of potassium permanganate forming on the seeds or crystals present in the crystallizer. This results in the formation in the crystallizer of a quantity of potassium permanganate crystals and a mass of saturated mother liquor.
Mother liquor is withdrawn from the upper part of the crystalline, as previously described, and potassium permanganate crystals are withdrawn in the form of magma from its lower part, using a pump 13 The potassium permanganate crystals are separated and washed with water in a centrifuge 14, after which they are dried by conventional means, not shown. The mother liquor from the centrifuge is recycled to the crystallizer. Some of the liquor from the crystallizer 5 is also withdrawn and conducted to an evaporator (CE) to separate the potassium hydroxide produced during the electrolytic oxidation and to remove the various salts and impurities, by conventional methods.
Separated and by-produced materials are reused wherever possible. Thus, the washing water of the potassium permanganate is used to prepare the leach solution from the first mixing vessel 1. By evaporation of liquor, potassium hydroxide is recovered which can be used to prepare potassium hydroxide. potassium manganate. Potassium manganate and potassium permanganate are separated during evaporation, and they can be taken to the first mixing vessel.
The apparatus shown schematically in FIG. read classic, except for cell 7, described below.
The crystallizer 5 illustrated and used in the method exemplified herein is a Struters Wells suspension vessel with a diameter of 3.05 m and a capacity of about 26,495 liters. The pump 10 connected to the mpntante column 9 starting from the cris tallisoir has a capacity of 11,355 liters per minute. The vaporizer 11 is a Struthers Wells vaporizer with a diameter of about 2.60 meters.
The new process is preferably and very advantageously carried out
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using the novel electrolytic cell or battery of cells 7 shown in Figures 2-10. The construction and operation of the cell and the electrolytic oxidation process are the subject of the present invention.
Fig. 2 shows a complete cell 7 consisting of a battery or column of dipole electrodes 15 arranged side by side and assembled to form a number of individual closed cells. It will be seen that any two neighboring electrodes form a cell. The battery of cells 7, in the illustrated embodiment, is also divided into three sections of cells 16a, 16b and 16c. The feed solution is fed to the battery of cells 7 in series parallel, that is to say that the feed solution passes in series through the cells of each section of cells and that the three sections of cells are supplied in parallel.
In the particular embodiment shown, it will be found that the separation of the cell bank 7 into three sections of twenty individual cells each is preferable, because the resistance to flow becomes important for more than twenty cells in series.
The feed solution is therefore supplied through a main pipe or conduit 17 to three parallel groups of feed conduits 18a, 18b and 18c of the sections, which enter the first cell of each of the twenty sections. The oxidized solution leaves the twentieth or last cell of each section through parallel groups of conduits 19a, 19b and 19c, from where it is conducted to the gas separator 8 via an exhaust conduit 20.
Between each supply and output duct and its respective collector, there is a section of about 1.22 meters of glass pipe, for example 18aa or 19aa, for electrical isolation purposes.
The electrodes 15 are assembled into a gas-tight complex by tie rods 21 or other similar elements. The upper and lower end electrodes 22 and 23 are insulated by insulating sheets 24 and 25, preferably based on asbestos. Bus bars 26 and 27 are electrically connected to the respective end electrodes 22. and 23, adjacent to one end thereof as well as to a direct current source, preferably about 140-170 volts, depending on the current desired. To the individual cells and to the electrodes 15 is applied a voltage in series, so that the potential difference in each of the sixty cells is one sixtieth of the total voltage.
In this connection, it is evident that the cell sizes of the corresponding voltage and total applied current are determined on the basis of practical considerations and from the power available. The electrolytic oxidation process performed in the cell is fundamentally only a function of the current density at the electrodes.
Les'fig 4 to 8 show in detail the construction of the electrodes 15 when they are mounted. The electrodes are dipolar and each of them constitutes both an anode 28 and a cathode 29, except the upper, - and lower electrodes 22 and 23 which necessarily perform only one function, Item: neighboring electrodes - together close a cell , the anode of one and the cathode of the other. The electrolyte of the solution to be oxidized and under oxidation flows between the anode and the cathode of neighboring electrodes.
For the oxidation, the current density at the cathode 29 must be much higher than that at the anode 28. The current density must be high at the cathode to prevent a build-up from occurring there. reduction of potassium permanganate. The current density must be low at the anode for the anode to have a high yield and to achieve satisfactory oxidation of potassium manganate to potassium permanganate and low oxygen formation. In the past, the anode was made of bare metal sheet, and the cathode was a smaller sheet metal, or covered with a perforated insulating material, such as the transits to reduce the effective area of the cathode and increase - ter the current density.
In addition, diaphragms were arranged between the electrodes.
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-brodes. However, these perforated materials were unsatisfactory because their openings were quickly blocked with solids. The electrode 15 shown very satisfactorily provides the necessary current density, and the difficulties caused by the deposition of solids are very substantially reduced. The surface of cathode 29 is so constructed. to avoid this fouling. The anode should only be cleaned after periods of one to six weeks to remove solids.
Electrode 15 is constructed of materials resistant to alkaline manganate solutions at the temperatures used under the conditions of electrolysis. Thus, a backing sheet 30 of 11 gauge hot rolled steel can be used. The backing sheet of the upper and lower electrodes 22 and 23 protrudes from the ends of the cell to form a flange on each of them.
31 allowing the assembly of the bus bars 26 and 27.
The surface of the anode 28 of the electrode has one or more wire screens 32, preferably of monel metal, which are electrically connected to each other, and to the backing sheet 30 by spot welding, or a analogously, at the edges and at a number of points distributed over the surface of the anode.
On the surface of the cathode 29 of the electrode, a sheet 33 of 22 gauge cold rolled steel is electrically connected to the support sheet 30, for example by welding. The sheet 33 is stamped or cut to form elements. metallic conductive elements 34 projecting perpendicularly outward, partially separate and integral with the sheet or connected to it, as shown in Figs. 4, 5, 7 and 8, and leaving corresponding perforations or openings in the sheet. The spaces between the conductive elements 34 on the surface of the cathode are filled with an insulating or non-conductive material
36 which may be a synthetic organic resin or other material offering the required resistance to the conditions of electrolysis.
Polystyrene is preferably and very well used. Another thermoplastic resin which can be used is a polymer of tetrafluoroethylene.
To construct the electrode, the anode screens 32 and the cathode sheet 33 are connected to the support sheet 30 and the spaces between the conductive elements 34 are filled with polystyrene molding powder which is heated and plasticized to. completely fill and seal the spaces. Then, the polystyrene is milled to expose the steel ends or ends 37 of the conductive elements, having the appearance shown in FIG. 80
In this way, a small cathode area is exposed, consisting of the ends of the conductive elements evenly distributed at spaced points over the entire surface of the cathode 29. In the representative embodiment, 4% of the surface of the cathode. cathode are metal corresponding to the exposed edges of the elements and the remainder is polystyrene.
The reverse side of electrode 15, which constitutes the anode, preferably has a substantially increased conductive surface, because of the screens 32 and the large additional surface which they develop. One or more, and preferably two, screens 32 are used, and more can be used if desired. The screens perform another useful function in that they cause turbulence or agitation of the trolyte flowing through the cell which very favorably affects the efficiency of the anode conversion.
Figs. 5 and 6 show one of the individual cells, the first cell or lower end cell of the cell bank 7. In the cell arrangement, the electrode of FIG. 5 can be visualized as being turned upside down on the surface of the electrode of FIG. 6 of how to make a book. In the construction of the cells, sealing or closure spacers 39 are disposed at the edge of the electrodes, and flow separators 39 are disposed on the surfaces of the electrodes.
To mount the cell the spacers and separators are driven on the cathode surface 20,
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which) they are welded and to which they adhere by plastic welds, for example, by applying polystyrene in a solvent such as toluene to the welds, and by evaporation of the solvent.
Prior to assembly, a layer of heavy tar material 40 is spread over the exposed edges of spacers 38 and dividers 39, to provide a tight seal when the plates are stacked and bolted together or assembled from one another. way, .We will see in Fig. 6 that the screens 32 are located on the surface of the backing sheet 30 by means of a jig or the like, leaving uncovered or exposed areas 41 on the surface of the backing sheet which correspond to the locations of ; spacers'38 and separators 39, to allow assembly of the parts of the cell.
Fig. 3 shows how the supply ducts 18a-C and the exhaust ducts 19a - c are connected to the cells. They pass through the spacers 38 and communicate with the interior of the cells. The supply and discharge ducts are made of a non-conductive material, preferably of tetrafluoroethylene polymer. Fig. 9 shows the slight taper of the separators 39, the purpose of which is to ensure greater tolerance to the manufactured screens 32 in the mounting of the cell.
The more specific description given here and in the example refers particularly to a cell 7 which includes electrodes 15 having ends 121.9 cm wide and 243.8 cm sides, including the intercalates. - laries 38, but extensions 31 excluded. This surface is reduced by the spacers 38, the width of which is 50.8 mm and which have a depth of 31.7 mm. The dividers 39 have a width of 25.4 mm at the base and 12.7 mm at the top and a depth of 31.7 mm. The distance between the cathode of one electrode and the anode of the neighboring electrode is 22.2 mm, surface to surface, allowing a flow of liquid of approximately the same thickness or depth.
There are provided two screens of superimposed anode wire 32, 8 meshes, of 0.047 gauge monel metal. The ends of the cathode elements 37 are 6.3 mm long, and the elements 34 protrude 4.8 mm from the surface of the cathode sheet 33. There are about 5000 cathode elements. The conductive surface of the cathode is 930 cm2, and that of the anode is 140,000 square centimeters (ratio 1: 150),
In use, the cells are arranged so that the anodes 28 lie below the cathodes 29, but in principle their arrangement could be reversed. The flow of the solution to be oxidized or electrolyte is shown in FIG. 5 referring to the separators.
Figs. 5 and 11 illustrate, respectively, the supply of the battery of cells 7 and the discharge of this battery. The liquid enters through the supply conduits 18a - c above the first electrode 15 of each cell section 16a - c, into the channel defined by the end separator 39a and the spacer 38. The channel is isolated by an asbestos-based strip 29a arranged on the surface of the cathode 29. The liquid passes through the cell in a tortuous current around the separators and leaves the cell through an opening 42 made in the electrode at the end of the cell. end opposite the entry point.
The liquid enters through the opening into the next neighboring cell, which is above the previous cell, into the serial flow, in the embodiment shown The arrangement of the separators 29, and the The corresponding flow of liquid into the next neighboring cell is a mirror image of those shown, such that opening 42 communicates with a channel which is a reproduction of that shown as formed by the end separator 39a and tab 38, which is on the opposite end in the next cell.
The liquid in the next cell therefore flows in the opposite direction and leaves it through another opening similar to the opening 42 of the first cell, at the opposite end of the next electrode. liquid flows in series in a back and forth motion from one cell to the next until it passes through it. last or twentieth cell in each section of cells. The liquid then leaves the battery of cells 7 at the end where the supply takes place, through the evacuation conduits 19a - c, which form
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protrusion in the end of the cell in the area corresponding to the discharge opening 42 which is in the preceding cells (see Fig. 11).
The cell and the flow are designed to establish a co-flow of liquid and gases, so that the cell operates in forced circulation without hindrance caused by the gases. The gases exit smoothly and continuously together with the oxidized solution through the exhaust line 20, and the mixture is led to the gas separator 8. The gases are released and continuously analyzed to establish their content. in oxygen, on the basis of which the operation is adjusted, as will be seen below. To achieve this co-current flow, the bottom of the cell, as shown, forms an angle 9 with horizontal, on Fig 1. This view is a representation of the narrow or end side of the cell.
Thus, the spacer 38a of each electrode adjacent to the discharge opening 42 is located at the upper edge and the opposite spacer 38b at the lower edge. The liquid flows in each cell from the zone adjacent to the lower edge towards the area adjacent to the upper edge and this flow is accompanied by a rise in gas. As each cell is fed at the high edge 38a, a bypass opening 43 is provided in the end separator 39a at its upper end (see Fig. 10). The opening bypasses or releases the gas that is not conducted by the liquid in that area. To establish the co-current flow, it is also possible to mount the cell so that the electrodes extend at different angles openly.
Although the apparatus and arrangement of the elements illustrated are preferred, it is evident that many modifications can be made thereto without departing from the scope of the present invention.
To carry out the process, the concentration of potassium hydroxide in the first mixing vessel, or leachate 1, must be high enough to avoid significant hydrolysis of the potassium manganate. This concentration should not be too high, because it can, later in the process, be detrimental to the yield of the cells and to the purity of the crystals.
It is preferable that the concentration of potassium hydroxide is about 70 to 150 grams per liter, and more preferably 80 to 120 grams per liter.
The concentration of potassium manganate should not be too high because the hydrolysis increases with the formation of permanganate and manganese dioxide. With low manganate concentrations, excessive amounts of liquid must be handled. It is preferable that the potassium manganate concentration is about 100 to 200 grams per liter, and better still, 120 to 180 grams per liter.
It is also preferred that there is as much potassium permanganate as possible in the leach liquid to prevent hydrolysis of the concentrated manganate. Thus, a solution containing about 100 grams per liter of potassium hydroxide and about 150 grams per liter of potassium manganate is preferably saturated with potassium permanganate, which is about 50 grams per liter.
The leach solution is prepared to about 50-6000, filtered, and then introduced into the second mixing vessel 4. In this vessel, the leach solution is diluted with several volumes of mother liquor from crystallizer 5, the leach solution being diluted with several volumes of mother liquor from crystallizer 5. propprtions depending on the amounts of material present in the two liquids. The mixture is heated, for example with live steam, as necessary, to bring it to a temperature which is preferably about 55 to 75 C.
The solution thus prepared for the electrolytic oxidation preferably contains 80 to 180, and more than 120 to 150 grams per liter of potassium hydroxide. The concentration of potassium manganate is preferably about 35 to 80 grams per liter, and more preferably 50 to 60 grams per liter. The concentration of potassium permanganate is preferably less than about 35 grams per
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The proportions of manganate and of permanganate are chosen so that, under working conditions, the amount of potassium permanganate produced in cell 7 is within its limits of solubility in the solution or electrolyte after oxidation.
In this case, there is no problem of crystallization in the cell.
The solution is oxidized at a temperature of about 55-80 C. The initial solution enters the cell at a preferred temperature of about 55-75 C, and the temperature in the cell rises by about 3-5 C. Higher temperatures should be avoided because they reduce the efficiency of the cell.
The process is carried out so as to obtain an oxidized solution preferably containing about 30 to 70 grams per liter of potassium permanganate, and more preferably 45 to 55 grams per liter. The resulting concentration of potassium manganate is preferably about 15 to 50 grams per liter, and better still 20 to 30 grams per liter, 15 to 20 grams substantially constituting the end point of the electro'Lytic oxidation. It is preferable to avoid an increase in the amount of potassium manganate remaining so as not to prejudice the purity of the crystals produced and to minimize the amount of sub-salts to be treated. By "end point" is meant the concentration of potassium manganate at which the rate of manganate oxidation falls rapidly.
The concentration of potassium hydroxide increases in proportion to the formation of the permanganate, with 1 mole of potassium hydroxide being produced per mole of permanganate produced. The proportions of the materials are, after oxidation, in a consistent relation to the initial proportions, such that potassium permanganate is within the limits of its solubility in solution.
In this connection, the production of a solution of a higher concentration of potassium permanganate tends to reduce the efficiency of the anode.
The production of potassium permanganate is further controlled by the amount present in the starting solution, described above. In addition, it is preferable that the electrolyte is superheated by at least about 5 ° C to avoid possible crystallization of the permanganate in the cell which would be due to local supersaturation.
The feed solution is supplied to the described cell 7 at a rate of about 151 to 284 liters per minute, preferably about 170 to 246 liters per minute. The flow is sufficient to create turbulence around anode 28, preferably about 10.2 to 15.2 cm per second on the anode.
The flow rate is also correlated with the rate of oxidation, determined by the current input, and with the temperature of the solution, which determines its capacity with respect to the permanganate. Thus, for example, for a current of 1200 amperes and a corresponding production of 5.44 kg of permanganate per minute, the solution being at 62 ° C., a flow rate of approximately 227 liters per minute is chosen.
The current density at the cathode is preferably equal to 50 to 400 times the current density at the anode, and better still 100 to 200. To ensure these relationships between the current densities, the conductive surfaces of the cathode and anode are in inverse ratio, i.e. 1:50 to 400. The current density at the cathode for the described embodiment is preferably 0.4 to 2.0 amps per cm2, and better from 0.6 to 1.5 amps per cm2. The anode current density is preferably 0.003 to 0.014 amps per cm2, and more preferably 0.005 to 0.009 amps per cm2.
The exposed cathode area represented by the ends 37 of the conductive member 34, and the exposed anode area represented by the screens 32 and the adjoining area of the backing sheet 30 are determined so as to ensure the densities of. adequate current. The potential difference in each cell is determined by the current density and resistance of the cell. In the embodiment shown, the resistance is low and the voltage of the individual cell is in the range of about 2.3 to 2.8 volts.
After initiation of the operation, the working conditions of the cell
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Iule and electrolysis conditions are set.!;! basically, according to the present invention, as a function of the production of oxygen in the cell, which production is determined by the analysis of the exit gases. To do this, it is first necessary to determine the efficiency of the cathode under given conditions of current density and working temperature. This is done in a known manner by determining the production of hydrogen and comparing it with the theoretical production. At the same time, the optimum current density is determined at the cahode.
For a given current density and working temperature, the efficiency of the cathode remains relatively constant when the supply conditions, namely the flow rate of the solution or its composition, vary. Is calculated- for a given cathode yield, the oxygen content of the outlet gases (H2 and O2) corresponding to the various yields of the anode? An anode efficiency versus oxygen content is plotted for the cathode efficiency at which the cell will be put into service, as shown in Fig. 12 of the drawings. This diagram plots the percent oxygen content on the ordinate and the anode percent yield on the abscissa. The two curves represent cathode efficiencies of 90% and 80%, respectively.
In practice, the oxygen content of the outlet gases is measured and the efficiency of the anode is determined on this basis by referring to the diagram.
The invention is carried out with an anode efficiency in the neighborhood of 90-92%. The efficiency drops when the electrolyte flow is too slow, the manganate concentration of the feed solution is too low, or when deposits build up on the anode. Therefore, if the oxygen content shows a significantly lower yield, indicative of greater electrolysis of the water, the feed rate is increased to bring more manganate to the oxidation and restore the expected yield. of the anode. Alternatively, the same result is achieved by increasing the manganate concentration in the feed solution.
Still alternatively, the current density can be reduced, by lowering the voltage, to restore the expected efficiency of the anode. When the change is not substantial, the variation in cathode efficiency can be neglected, especially at high levels of cathode efficiency.
Otherwise, a different curve is used on the diagram, which curve corresponds to the different yield resulting from the cathode. Thus, the operation of the cell is regulated in a simple and safe way according to the formation of oxygen in the cell. When the buildup of deposits on the anode reaches the point where the operation loses its effectiveness, the cells are cleaned.
The solution of the oxidation product is carried from the gas separator ** 8 to the riser 9, connected to the crystallizer 5 as described above. The pump 10 circulates the mother liquor and the solution of fresh product with a flow rate of 110355 liters per minute, the vaporizer is under an absolute pressure of about 35 mm of shit, and the temperature prevailing in the vaporizer. 11 and in crystallizer 5 is about 38 C, in the embodiment described. However, these conditions can be varied. Thus, a higher vacuum can be used with correspondingly increased evaporation and cooling in the vaporizer.
More potassium permanganate then crystallized in the crystallizer, and the mother liquors contained less potassium permanganate.
The mother liquors are taken to mixing vessels 1 and 4, as described, the proportions being adjusted so as to obtain the compositions described above. A certain quantity of liquid is also withdrawn from the crystallizer to separate therefrom the potassium hydroxide formed during the process and to remove impurities therefrom. The crystallized potassium permanganate produced is withdrawn from the bottom of the crystallizer by pump 13 as a magma of about 30% solids. the rest of the treatment is carried out as described above.
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The following example illustrates the execution of the process according to the present invention, but it is obvious that the invention is not limited to the particular installation, proportions, conditions and processes described.
EXAMPLE .-
A leach solution is prepared in the first mixing vessel 1 from fresh potassium manganate of about 82-90% purity and from recovered salts, from the crystallizer mother ligator. and washing water. The solution, prepared at 50-60 C, has the following composition:
EMI11.1
<tb> 100 <SEP> grams <SEP> per <SEP> liter <SEP> KOH
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 150 <SEP> grams <SEP> per <SEP> liter <SEP> K2Mn04
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 50 <SEP> grams <SEP> per <SEP> liter <SEP> KMn04
<tb>
53 liters per minute of the solution are filtered through filter 3 to remove impurities and insoluble matters therefrom, and then taken to the second mixing vessel 4.
In the second mixing vessel, the leaching solution is mixed continuously in the proportion of 1 part by volume to about 3 parts by volume of mother liquor from crystallizer 5, the mother liquor being at 380C and having the following composition:
EMI11.2
<tb> 135 <SEP> grams <SEP> per <SEP> liter <SEP> KOH
<tb>
<tb>
<tb> 25 <SEP> grams <SEP> per <SEP> liter <SEP> K2MnO4
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 25 <SEP> grams <SEP> per <SEP> liter <SEP> KMnO <SEP> 4 <SEP>
<tb>
Live steam is introduced into the second container until the temperature reaches 65 C.
The resulting solution for the oxidation has the following composition
EMI11.3
<tb> 120 <SEP> grams <SEP> per <SEP> liter <SEP> KOH
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 53 <SEP> grams <SEP> per <SEP> liter <SEP> K2MnO4
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 30 <SEP> grams <SEP> per <SEP> liter <SEP> KMnO4
<tb>
The solution is continuously conveyed from the second vessel 4 by the pump 6 to the cell, 74-at a flow rate of 189 liters per minute, in three parallel streams which pass through the three sections of cells 16a -c. Direct current is supplied to the cell, 155 volts and 1150 amps. The resulting density of the current at the cathode is 1.3 amps per cm2, and at the anode 0.009 amps per cm2. The temperature of the output current of the cell is 68-70 C.
The oxidized solution flows to the gas separator 8 where the gases are released. The gases are continuously analyzed for oxygen content using a Beckman apparatus and the percentage of oxygen in the gases is continuously recorded. The cell should operate with an anode efficiency of about 90-92% and a cathode efficiency of about 89%, which corresponds to an average oxygen production of about 4-5%, as the shows Fig 12.
If the oxygen content rises above 6%, the flow rate of the leach solution is increased to about 60-61 liters per minute, and this content usually drops. If it does not fall back, but continues to rise, the cell must be stopped and cleaned, after which its operation is again brought back to normal.
When the flow rate of the leachate solution is increased as described above; the amount of mother liquor mixed with it in the second vessel 4 is kept constant, as is the feed rate to cell 7. This results in an increased manganate concentration in the feed solution to the cell. cell.
Operating in this way, the product from the cell has the following average composition:,
<Desc / Clms Page number 12>
EMI12.1
<tb> 128 <SEP> grams <SEP> per <SEP> liter <SEP> KOH
<tb>
<tb>
<tb> 24 <SEP> grams <SEP> per <SEP> liter <SEP> K2MnO4
<tb>
<tb>
<tb> 53 <SEP> grams <SEP> per <SEP> liter <SEP> KMnO4
<tb>
The hot product solution is mixed with the sieve solution, which is at 38 ° C, and the mixture is pumped through riser 9 at a flow rate of 11,355 liters per minute. The absolute pressure prevailing in 1 vaporizer is approximately 35 mm Hg, and approximately 13.2 liters per minute of water is vaporized, which cools the solution of this riser from approximately 38.5 C to 37.8 vs.
The crystallization which takes place in the crystallizer leaves a mother liquor having approximately the following composition:
EMI12.2
<tb> 135 <SEP> grams <SEP> per <SEP> liter <SEP> KOH
<tb>
<tb> 25 <SEP> grams <SEP> per <SEP> liter <SEP> K2MnO4
<tb>
<tb> 25 <SEP> grams <SEP> per <SEP> liter <SEP> KMnO4
<tb>
22.7 liters of mother liquor are continuously recycled from the crystallizer to the first vessel 1, and 136 liters per minute of mother liquor are continuously recycled to the second vessel 4. 30.3 liters of mother liquor are taken from the crystallizer to the second vessel. Evaporators E. 125 grams of K2MnO4 per liter of the leach solution is oxidized to 99 grams of KMnO4 which is separated in centrifuge 14. (output 5.2 kg per minute).
@
The potassium permanganate crystals * in the centrifuge 14 are washed with water, and the washing water is reused in the preparation of the solution of the leaching vessel 1. The crystals are dried in hot air at 120 ° C. The potassium permanganate thus obtained has a purity of 99.40%. The yield of potassium permanganate, based on the potassium manganate consumed, is about 99% in cell 7. The overall yield of potassium permanganate based on the fresh potassium manganate fed to the process is about. about 98%.
The cell operates with an overall electrolytic efficiency of 82% (potassium permanganate produced relative to the current required). The energy consumption is low, about 0.55 kw per kg of salable potassium permanganate produced.
The present invention therefore provides a new and improved process for the production of potassium permanganate which lends itself well to a continuous or semi-continuous production. The process directly gives high quality permanganate in high yields. The yields of electrolysis and conversion are high. The device is small, and very simplified, and can be easily implemented by a small number of personnel. Capital investments, maintenance, and labor costs are very low.
CLAIMS.
1.- A process for the electrolytic oxidation of potassium manganate to potassium permanganate, characterized in that a solution of potassium manganate in aqueous potassium hydroxide is passed through a closed electrolytic cell by concurring with the gases produced.
2. - A process for the electrolytic oxidation of potassium manganate to potassium permanganate, characterized in that a solution of potassium manganate in aqueous potassium hydroxide is passed through an electrolytic cell in controlled flow. , and the conditions of the electrolysis are adjusted according to the production of oxygen in the cell.
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