Электролизер для получения лития

 

Изобретение относится к получению щелочных металлов электролизом расплавленных солей и может быть использовано в промышленном производстве лития. Сущность изобретения: в электролизере катоды, оборудованные системой лотков, собирающих и транспортирующих литий внутри электролизера, снабжены газоотделителем, что позволяет исключить попадание хлора в сборник и уменьшить попадание водорода с 3-8 до менее 0,02 л/ч на 1 кА токовой нагрузки. Отсутствие необходимости интенсивной продувки сборника аргоном позволяет получать литий с содержанием азота менее 1-10^-4 вес.%. Изобретение также позволяет повысить безопасность работы электролизера. 3 ил.

Изобретение относится к получению щелочных металлов электролизом расплавленных солей и может быть использовано в промышленном производстве лития.

Известен электролизер для производства щелочного металла (лития) методом электролиза расплавленных солей (патент США N 4092228, C 25 C 3/02, 1978), содержащий металлический корпус, выполненный герметичным со всеми узлами, катоды, средство для сбора и транспортировки лития внутри корпуса, выполненное в виде лотка, отводной патрубок которого соединен со сборником лития, приемник (накопитель) с атмосферой защитного газа, аноды и устройство для удаления анодных газов.

Однако данная конструкция электролизера имеет недостатки. Содержание влаги в хлориде лития, используемом в процессе электролиза, составляет 0,1 - 0,5 вес. %, так как хлорид лития очень гидроскопичен, а это при равномерном режиме загрузки хлорида лития в электролизер приводит к выделению на катодах от 1,6 до 8 л/ч водорода на 1 кА (1000 А) токовой нагрузки. Кроме того, если электролизер работает в негерметичном режиме, т.е. с прососом воздуха через электролизер, то при этом количество водорода, выделяющегося в результате разложения влаги, поглощаемой электролитом из просасываемого воздуха, составляет от 2 до 10 л/ч на 1 кА токовой нагрузки, что было установлено экспериментально. Под лоток, кроме лития и водорода, выделяющихся на катоде, попадает значительное количество хлора, что может привести к образованию взрывоопасной газовой смеси в сборнике, поэтому нужна интенсивная продувка аргоном, что, кроме большого расхода аргона, приводит к загрязнению лития кислородом и азотом, содержащимся в аргоне. В результате взаимодействия лития с газообразным хлором в сборнике образуется хлорид лития, который вместе с литием попадает в изложницы, ухудшая качество товарного лития. Перечисленные недостатки электролизера не позволяют получать металлический литий, используемый для производства литиевой фольги, без дополнительной очистки.

Целью изобретения является повышение безопасности работы электролизера и качества получаемого лития.

Поставленная цель достигается тем, что катоды, оборудованные системой лотков, транспортирующих литий внутри электролизера, снабжены газоотделителем, при этом количество водорода, поступающего в сборник с литием, составляет менее 0,02 л/ч на 1 кА токовой нагрузки. Замеры водорода проводились при включенном питателе бункера загрузки хлорида лития и негерметичном режиме работы электролизера, при этом газообразный хлор в сборнике не обнаружен. Отсутствие необходимости интенсивной продувки сборника аргоном позволяет получать литий с низким содержанием кислорода и азота.

Газоотделитель, используемый в электролизере, может быть выполнен множеством различных вариантов, за счет большого поверхностного натяжения жидкого лития в используемом расплаве солей (электролите) в интервале температур ведения электролиза, за счет того, что катоды выполнены из материала, полностью смачиваемого жидким литием в интервале температур ведения электролиза, и за счет разности плотностей электролита и лития.

Пример 1. Катод электролизера или часть катода имеет наклон от вертикали (фиг. 1). Выделяющийся на катоде в процессе электролиза литий за счет смачиваемого катода и высокого поверхностного натяжения удерживается на наклонной поверхности катода, а за счет разности плотностей тонкой пленкой движется по наклонной поверхности вверх, попадая под лоток, ограничивающий наклонную поверхность катода, при этом газовая фаза под лоток не попадает. Угол наклона катода или его части зависит от величины поверхностного натяжения, которая в свою очередь зависит от температуры и состава электролита и количества лития, которое необходимо пропустить в единицу времени по наклонной поверхности катода, т. е. вектор силы Архимеда, направленный вдоль наклонной поверхности катода, должен обеспечить достаточную скорость течения лития, чтобы толщина пленки лития не превысила критической величины, иначе начнется отрыв лития от наклонной поверхности.

Пример 2. Газоотделитель может быть выполнен в виде устройства, изображенного на фиг.2, которое может быть установлено в разрыве отводного патрубка лотка, как в электролизере, выполненном по патенту США N 4092228. Литий из нижней части патрубка обогнет смачиваемый эллипсоид данного устройства и попадет в верхнюю часть патрубка, а газовая фаза сбросится в газовое пространство электролизера.

Возможен также вариант, при котором катод имеет наклонные щели определенного размера, которые собирают литий без газовой фазы внутри катода и т.д. и т.п.

На представленной схеме изображен предлагаемый электролизер (фиг. 3).

Электролизер имеет охлаждаемый корпус 1, с расположенными в нем катодами 2, оборудованными лотками 3, которые объединены коллектором 4. Патрубок 5 коллектора свободно входит в патрубок 6 сборника 7. Сверху через крышку электролизера подсоединен газоход 11 для удаления анодных газов. Регулятор перепада давления 12 сообщает газовые полости электролизера, сборника и накопителя.

Пуск электролизера осуществляется заливкой в него расплавленного электролита или расплавлением загруженных солей, осуществляемым пропусканием переменного или постоянного тока через перемычки, находящиеся между электродами. После наплавления солей и доведения уровня электролита до 150-200 мм выше коллектора лотковой системы, перемычки удаляются, и на электроды подается постоянный ток. Выделяющийся на катодах литий собирается под наклонными лотками, откуда самотеком поступает в коллектор, при этом газовая фаза сбрасывается газоотделителем в систему удаления анодных газов. Из коллектора литий поступает в сборник с инертной атмосферой, где фильтром и системой шлюзов литий освобождается от механических примесей и электролита. Из сборника литий самотеком поступает в накопитель, где происходит накопление и охлаждение лития до необходимой температуры, после чего литий разливают в изложницы. Регулятор перепада давления поддерживает инертную атмосферу в сборнике и накопителе, а также заданную разницу давлений между сборником-накопителем, электролизером и внешней средой.

Формула изобретения

Электролизер для получения лития, содержащий охлаждаемый металлический корпус, выполненный герметичным со всеми узлами, катоды, оборудованные системой лотков для сбора и транспортировки лития внутри корпуса с патрубком, введенным соосно в патрубок сборника, крышку с установленными в ней анодами, сборник и накопитель, расположенные вне корпуса, регулятор перепада давления, отличающийся тем, что катоды, оборудованные системой лотков, снабжены газоотделителем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3