ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к производству магния и хлора электролизом из расплава солей, содержащих хлористый магний.

Известен способ получения магния и хлора из содержащего MgCl ₂ расплава солей в электролизере с камерой электролиза с чередующимися анодами и катодами и ячейкой для сепарации магния, отделенной от камеры электролиза перегородкой с верхними и нижними циркуляционными каналами, включающий поддержание газонаполнения электролита пузырьками хлора в межэлектродном зазоре, обеспечивающего замкнутую циркуляцию электролита между камерой электролиза и ячейкой для сепарации магния и препятствующего возникновению в межэлектродном зазоре нисходящего потока электролита, и создание потока электролита и магния над катодами, направленного в сторону верхних циркуляционных каналов, отличающийся тем, что регулируют скорость потока электролита и магния над катодами путем изменения высоты верхних циркуляционных каналов в зависимости от среднего межэлектродного расстояния, выбираемой из условия

где Ь _канала - высота верхних циркуляционных каналов, см;

1 _ср - среднее межэлектродное расстояние, см,

газонаполнение электролита пузырьками хлора в межэлектродном зазоре поддерживают равным 6-25 условных единиц, которое определяют по формуле - i- k

1

где G - газонаполнение электролита пузырьками хлора в межэлектродном зазоре;

d _k - катодная плотность тока, А/см ; H - высота катода, см,

при этом электролиз проводят с обеспечением переменной площади сечения межэлектродных зазоров по ходу движения восходящих потоков электролита, увеличивающейся по ходу движения расплава.

2. Электролизер для получения магния и хлора, содержащий камеру электролиза с чередующимися анодами и катодами и ячейку для сепарации магния, отделенную от камеры электролиза перегородкой с верхними и нижними циркуляционными каналами, отличающийся тем, что высота катода превышает межэлектродный зазор в 25-60 раз, а рабочая поверхность катода или анода выполнена с наклоном к вертикали под углом 38’-И ⁰ 26’ (RU, патент на изобретение N°2243295)

Недостатками электролизера является то, что в верхних циркуляционных каналах V-образной формы создаются высокие скорости потока электролита и магния, выходящие из камеры электролиза в ячейку для сепарации магния, что приводит к увеличению выноса пузырьков хлора из камеры электролиза в ячейку для сепарации магния, то есть к увеличению потерь хлора с газами сантехнического отсоса и ухудшению условий сепарации магния в сборной ячейке. Мелкие корольки магния нисходящими потоками электролита уносятся из ячейки для сепарации в камеру электролиза, что приводит к снижению выхода магния по току за счёт обратной реакции хлорирования магния в камере электролиза и увеличению удельного расхода электроэнергии. Разделительная перегородка между верхними и нижними циркуляционными каналами в процессе эксплуатации электролизёра оказывается под катодным потенциалом за счёт образующихся на катоде наростов из магния и оксида магния, примыкающих к футеровке разделительной перегородки, что приводит к её разрушению и сокращению срока службы электролизёра.

Известен электролизер для получения магния, содержащий футерованную огнеупорными материалами ванну, электролитические отделения с графитовыми анодами, чередующимися со стальными катодами, сборные ячейки, расположенные параллельно электродам и отделенные от электролитических отделений перегородками, при этом электроды в электролитических отделениях электрически соединены параллельно, а электроды каждого электролитического отделения соединены с электродами соседнего отделения последовательно, отличающийся тем, что сборная ячейка, расположенная между последовательно соединенными электролитическими отделениями, размещена между разноименными электродами, имеющими одинаковый электрический потенциал, при этом междуэлектродное расстояние в электролитических отделениях устанавливают 20-30 мм при катодной плотности тока 0,40-0,60 А/см ² ((RU, патент N° 2220232 )

Недостатком вышеуказанного электролизера является то, что расположение сборной ячейки параллельно электродам удлиняет путь прохождения магния из камеры электролиза в ячейку для сепарации магния, что приводит к увеличению обратного взаимодействия магния с хлором в камере электролиза и снижению выхода по току. Параллельное электрическое соединение электродов в камере электролиза и последовательное электрическое соединение электродов между камерами электролиза значительно усложняет конструкцию электролизёра, что приведёт к утечкам тока между камерами и снижению выхода по току.

Наиболее близким являются способ получения магния и хлора из расплава солей, содержащих MgCl ₂ , с использованием электролизера, включающего камеру электролиза с чередующимися анодами и катодами, ячейку для сепарации магния, отделенную от камеры электролизера перегородкой с верхними V-образной формой и нижними циркуляционными каналами, включающий замкнутую циркуляцию электролита между камерой электролиза и ячейкой для сепарации магния за счет газонаполнения электролита пузырьками хлора в междуэлектродном зазоре, равном 6^ 25, при этом газонаполнение определяют по формуле:

где П - газонаполнение электролита пузырьками хлора в между электродном зазоре;

- катодная плотность тока, А/см ²

высота катода, см,

при этом восходящие потоки электролита в междуэлектродных зазорах имеют переменную площадь сечения, увеличивающуюся по ходу движения расплава, а скорость потока электролита в верхних циркуляционных каналах V-образной формы выбирают из условия: — 1 ,(И 10,0,

где h канала— высота верхних циркуляционных каналов, см;

I ср - среднее расстояние между электродами, см, и электролизер для осуществления этого способа, включающий камеру электролиза с чередующимися анодами и катодами, ячейку для сепарации магния, отделенную от камеры электролиза перегородкой с верхними V- образной формы и нижними циркуляционными каналами, причем отношение расстояния между электродами на уровне верхней кромки катода к расстоянию на уровне нижней кромки катода составляет 1,1 - 3, рабочие поверхности катода или анода наклонены к вертикали под углом 38° 1°26'. (К Z , предварительный патент N» 16980)

Отношение силы тока (кА) к массе электролита (тн) в известном способе было больше 10 единиц.

К недостаткам известного способа и устройства для его осуществления следует отнести низкую тепловую инерцию электролита, в результате этого при малейшем изменении выхода по току происходит нарушение теплового баланса на электролизёре, приводящем к снижению выхода по току. Наличие высокой скорости циркуляции электролита через верхние V-образной формы каналы приводит к дроблению магния в ячейке для сепарации на мелкие корольки, которые уносятся нисходящими потоками электролита обратно в камеру электролиза, где происходит хлорирование магния, что и приводит к снижению выхода по току и увеличению потерь хлора с газами сантехнического отсоса. Разделительная перегородка между верхними и нижними циркуляционными каналами в процессе эксплуатации электролизёра оказывается под катодным потенциалом за счёт образующихся на катоде наростов из магния и оксида магния, примыкающих к футеровке разделительной перегородки, что приводит к её разрушению и сокращению срока службы электролизёра.

Задача, решаемая изобретениями, заключается в снижении удельного расхода электроэнергии за счёт повышения выхода по току, уменьшении потерь хлора с газами сантехнического отсоса и увеличении срока службы электролизёра

Технический результат заключается в снижении удельного расхода электроэнергии, за счет улучшения условий сепарации магния в сборной ячейке и, следовательно, повышения выхода магния по току, в увеличении производительности электролизёра, снижении потерь хлора с газами сантехнического отсоса и в увеличении срока службы электролизёра.

Технический результат достигается за счет того, что предложен способ получения магния и хлора из расплава солей, содержащих MgCl ₂ , с использованием бездиафрагменного электролизера, включающий замкнутую циркуляцию электролита между камерой электролиза и ячейкой для сепарации магния за счет газонаполнения электролита пузырьками хлора в межэлектродном зазоре, равном 6^ 25, определяемом по формуле: где П-газонаполнение электролита пузырьками хлора в между электродном зазоре; d-k -катодная плотность тока, А/см ² Нк - высота катода, см отличающийся тем, что силу тока (кА) и массу электролита устанавливают в таком количественном выражении, чтобы их отношение было равно 8-10, а поток электролита из камеры электролиза поступает в сборную ячейку по двум направлениям: через верхние циркуляционные каналы и дополнительные каналы, расположенные между верхними и нижними циркуляционными каналами, причём скорость потока электролита в верхних циркуляционных каналах V- образной формой выбирают из условия: где S в.к. суммарная площадь верхних циркуляционных каналов; д к- суммарная площадь дополнительных каналов, и бездиафрагменный электролизер для осуществления вышеуказанного способа, включающий камеру электролиза с чередующимися анодами и катодами, ячейку для сепарации магния, отделенную от камеры электролиза перегородкой с верхними V-образной формы и нижними циркуляционными каналами, отличающийся тем, что отношение ширины камеры электролиза к ширине ячейки для сепарации магния равно 1 ,6= 2,7, в перегородке между верхними V-образной формы и нижними каналами установлены дополнительные каналы, площадь проходного сечения которых составляет 0.016· _^ 0,048 от площади верхних V-образной формы каналов, дополнительные каналы в перегородке выполнены из плавлено-литого слюдокристаллического материала - фторфлогопита.

На фиг. 1 представлен общий вид бездиафрагменного электролизера, на фиг. 2 -показан разрез по А-А; на фиг.З-разрез по Б-Б

Бездиафрагменный электролизер содержит стальной кожух 1, футерованный изнутри огнеупорным материалом 2, камеру электролиза 3, с чередующимися анодами 4, катодами 5, междуэлектродными зазорами 6 и укрытием сверху 7, ячейку для сепарации магния 8, перегородку 9, отделяющую камеру электролиза 3 от ячейки для сепарации магния 8, с верхними циркуляционными каналами V-образной формы 10, дополнительными каналами 11 , футерованные из фторфлогопита 12 и нижними каналами 13.

Электролизер работает следующим образом:

После заливки в электролизер расплава подключают постоянный ток к электродам. При температуре электролита 655 - 670° С на анодах (4) выделяется хлор, а на катодах (5) выделяется магний. За счет высокого газонаполнения электролита пузырьками хлора в межэлектродном зазоре (6) появляются восходящие потоки электролита вместе с магнием и хлором, который собирается над электролитом в камере электролиза (3), откуда удаляется в магистральный хлоропровод. В верхней части междуэлектродного зазора 6 большая часть электролита вместе с магнием поступает через верхние циркуляционные каналы V-образной формы (10) в ячейку для сепарации магния (8). Другая часть электролита через дополнительные каналы также поступает в ячейку для сепарации магния. Магний накапливается на поверхности электролита в ячейке для сепарации (8) и периодически выбирается вакуум - ковшом. Освободившийся от магния электролит в ячейке (8), направляется вниз, и далее через нижние каналы 13 потоки электролита поступают в междуэлектродные зазоры (6). Отношение ширины камеры электролиза к ширине ячейки для сепарации магния равно 1,6- 2,7, при данном соотношении обеспечиваются благоприятные условия для отстаивания магния в ячейке для сепарации

В перегородке между верхними V-образной формы и нижними каналами установлены дополнительные каналы, площадь проходного сечения которых составляет 0.016- 0,048 от площади верхних V-образной формы каналов, что позволяет снизить скорость потока электролита и магния в верхних каналах V-образной формы, улучшить условия для отстаивания магния в ячейке для сбора магния, снизить вынос пузырьков хлора с потоками электролита из камеры электролиза в сборную ячейку и тем самым снизить потери хлора с газами сантехнического отсоса, предотвратить контакт катодов с перегородкой.

Дополнительные каналы в перегородке выполнены из плавлено-литого слюдокристаллического материала - фторфлогопита, что позволяет повысить стойкость огнеупорной разделительной перегородки и повысить срок службы электролизёра.

Таблица: Показатели работы электролизера:

Способ осуществляют следующим образом:

В электролизер футерованный огнеупорным материалом заливают расплав, содержащий хлориды магния, натрия и калия, подключают постоянный ток к электродам. Путём изменения силы тока (кА) и массы электролита (тн) в электролизёре устанавливают отношение силы тока к массе электролита, равным 8^ 10. При температуре электролита 655 - 670° С на анодах выделяется хлор, а на катодах магний. За счет высокого газонаполнения электролита пузырьками хлора в межэлектродном зазоре появляются восходящие потоки электролита вместе с магнием и хлором. Хлор собирают над электролитом в камере электролиза, откуда его удаляют в магистральный хлоропровод. Большую часть электролита вместе с магнием в верхней части над катодами направляют через верхние циркуляционные каналы V-образной формы в разделительной перегородке в ячейку для сепарации магния. Другую часть электролита направляют из камеры электролиза в ячейку для сепарации через дополнительные каналы, расположенные в разделительной перегородке между верхними и нижними циркуляционными каналами. В связи с раздвоением потока электролита из камеры электролиза в сборную ячейку на два потока скорость потока электролита в верхних циркуляционных каналах снижается и определяется соотношением SB.K:SH.K. равным 20-60. Магний накапливается на поверхности электролита в ячейке для сепарации магния и периодически выбирают вакуум - ковшом. Освободившийся от магния электролит в сборной ячейке, направляется вниз, и далее через нижние каналы разделительной перегородке направляется - в междуэлектродные зазоры камеры электролиза.

Максимальный выход по току получают при скорости потока электролита, в верхних каналах определяемой соотношением S _B.K. : Бд.к. ⁼ 20- 60.

Сила тока на электролизере устанавливают исходя из условий поддержания теплового баланса и соблюдения отношения силы тока к массе электролита, равного 8-10, при этом массу электролита регулировали путём изменения уровня электролита в электролизёре.

Выбор скорости потока электролита в верхних циркуляционных каналах V-образной формой из условия:

где $ в.к. суммарная площадь верхних циркуляционных каналов;

S д.к. суммарная площадь дополнительных каналов,

обусловлен тем, что при соотношении меньше 20 ухудшаются условия выноса магния из камеры электролиза в ячейку для сепарации, что приведёт к снижению выхода по току на 1-2 %, при соотношении больше 60, ухудшаются условия отстаивания магния в ячейке для сепарации, мелкие корольки магния диаметром меньше 1 ,0 мм нисходящими потоками электролита уносятся вновь в камеру электролиза, что приводит к снижению выхода по току, на 1-2 %.

Выбор отношения силы тока (кА) к массе электролита (тн), как 8- 10 обусловлен тем, что при соотношении силы тока к массе электролита более 10 тепловая инерция электролита в электролизёре резко снижается и при малейшем снижении выхода по току происходит быстрый рост температуры электролита, что приведёт к снижению выхода по току, при соотношении менее 8 увеличиваются удельные теплопотери с квадратного метра площади днища электролизёра, что приводит к увеличению удельного расхода электроэнергии на электролизёре. Массу электролита поддерживают изменением уровня электролита в электролизёре.

Таблица 1 Зависимость выхода магния по току от соотношения силы тока (к А) к массе электролита (тн):

Таблица 2 Зависимость выхода магния по току от скорости потока электролита

Таблица 3 Сравнительные показатели способа по изобретению и прототипу

При новом способе происходит снижение удельного расхода электроэнергии за счёт повышения выхода по току и снижение потерь хлора с газами сантехнического отсоса

На новом электролизере достигается увеличение срока службы электролизёра, снижение потерь хлора с газами сантехнического отсоса

Экономический результат заключается в снижении удельного расхода электроэнергии на 470 кВт ч/т магния, в повышении выхода магния по току за счёт улучшения полноты вывода магния из камеры электролиза в сборную ячейку и улучшения условий сепарации магния в сборной ячейке, в увеличении производительности электролизёра на 6,0 %, снижении потерь хлора с газами сантехнического отсоса на 30 кг/т Mg и в увеличении срока службы электролизёра на 8 месяцев.