Способ электролитического получения магния и хлора

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к производству магния и хлора электролизом расплавленных солей. Расплавленный безводный карналлит загружают в электролизер, осуществляют его электролитическое разложение на магний и хлор, а также периодическую подгрузку сырья для поддержания концентрации хлорида магния в электролите и удаление отработанного электролита из электролизера. Подгрузку сырья осуществляют введением расплавленного безводного карналлита и последующей одновременной загрузкой расплавленного хлорида магния и твердого обезвоженного карналлита. Соотношение твердого обезвоженного карналлита к расплавленному хлориду магния равно 1:(0,5-1,0), а соотношение количества расплавленного безводного карналлита к суммарному количеству твердого обезвоженного карналлита и расплавленного хлорида магния поддерживают равным 1:(1,5-2,0). При этом содержание оксида магния и воды в твердом обезвоженном карналлите составляет менее или равно 1% каждого. Изобретение позволяет за счет стабилизации температурного режима повысить технико-экономические показатели электролизера, такие как снижение расхода электроэнергии и повышение выхода по току, а также снизить затраты на подготовку карналлитового сырья к электролизу. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к производству магния и хлора электролизом расплавленных солей.

Известен способ получения магния электролизом расплавленных солей в электролизерах с верхним вводом анодов с использованием в качестве сырья хлорида магния, получаемого в процессе получения губчатого титана путем взаимодействия тетрахлорида титана с магнием (Иванов А.И. Производство магния. М., Металлургия, 1979, стр.185-187, 216). Способ включает периодическую загрузку в электролизер хлорида магния и его электролитическое разложение на магний и хлор. По мере разложения хлорида магния и снижения его содержания до 10% в электролизер заливают хлорид магния, получаемый в процессе получения губчатого титана путем взаимодействия тетрахлорида титана с магнием. В процессе электролиза в электролите накапливаются вредные примеси (оксид магния, оксид железа, оксид кремния), которые периодически удаляют путем откачки донной части электролита и замены его свежей смесью хлоридов.

Применение данного способа позволяет получить выход магния по току 78-80%.

Недостатком способа является использование в качестве сырья хлорида магния, содержащего 98-99% основного вещества, что приводит к появлению теплового эффекта после заливки хлорида магния в электролит, содержащим до 45% хлорида калия при образовании двойной соли KMgCl₃. Тепловой эффект вызывает повышение температуры электролита на 20-40°С, а это приводит к разрушению элементов конструкции электролизера и, соответственно, к снижению срока его эксплуатации. Кроме того, при повышении температуры снижается выход по току на 4-5% из-за анодного растворения чугунных заливок и перехода железа в электролит. Кроме того, имеют место повышенный расход сырья и снижение выхода по току вследствие необходимости вывода донной части электролита с содержанием хлорида магния 10-15%. Кроме того, технология переработки хлорида магния предусматривает получение магния для процесса получения губчатого титана, и его не используют для получения товарного магния из-за высокого содержания примесей титана и никеля (Эйдензон М.А. Металлургия магния и других легких металлов. М., Металлургия, 1974, стр.81-82).

Известен способ получения магния электролизом расплавленных солей при использовании в качестве сырья карналлита, содержащего около 50% хлорида магния, остальное - смесь хлоридов калия и натрия (Эйдензон М.А. Магний. М., Металлургия, 1969, стр.194-199), включающий различные варианты загрузки сырья в электролизеры. Существующая карналлитовая схема загрузки предусматривает для питания электролизеров только безводный карналлит. В связи с тем, что карналлит содержит помимо хлорида магния до 50% хлорида калия и натрия, последние накапливаются в электролизере и их периодически извлекают из электролизера при содержании хлорида магния 4-6% в виде так называемого отработанного электролита. Для поддержания концентрации хлорида магния в электролите периодически, обычно каждые 6 часов, подгружают сырье - расплавленный безводный карналлит. Использование способа позволяет получить при работе на карналлите выход магния по току 76-78%.

Смешанная схема предусматривает одновременное питание электролизеров расплавленным безводным хлористым магнием и расплавленным безводным карналлитом.

Основным недостатком данного способа является то, что использование в качестве сырья смеси расплавленных безводного карналлита и хлорида магния, содержащего 98-99% основного вещества, приводит к появлению теплового эффекта после заливки хлорида магния в электролит с образованием двойной соли KMgCl₃. Тепловой эффект вызывает повышение температуры электролита на 20-40°С, а это приводит к разрушению элементов конструкции электролизера и, соответственно, к снижению срока его эксплуатации. Кроме того, при повышении температуры снижается выход по току на 4-5% из-за анодного растворения чугунных заливок и перехода железа в электролит.

Известен способ электролитического получения магния и хлора (Щеголев В.И., Лебедев О.А. Электролитическое получение магния. М., Издательский дом «Руда и металлы», 2002, стр.50-241), по количеству общих признаков принятый за ближайший аналог-прототип и включающий смешанную заливку расплавленного сырья поочередно расплавленного карналлита и расплавленного хлорида магния, при этом основная заливка осуществляется расплавленным карналлитом, а корректирующая - расплавленным хлоридом магния.

Основным недостатком известного способа является наличие теплового эффекта при заливке расплавленного хлорида магния в электролит, содержащий до 75% хлорида калия. При этом происходит реакция с выделением тепла

KCl+MgCl₂=KMgCl₃

Это приводит к повышению температуры электролита на 20-40°С.

Как следствие, повышение температуры электролита приводит к

- снижению выхода по току на 3-5%,

- снижению стойкости элементов электролизера,

- повышению содержания в электролите вредной примеси хлорида железа из-за анодного растворения чугунных токоподводов.

Кроме того, недостатком данной смешанной загрузки сырья в электролизеры является повышение затрат на подготовку карналлита в расплавленном виде.

Технический результат направлен на устранение недостатков прототипа и позволяет за счет стабилизации температурного режима повысить технико-экономические показатели электролизера, такие как снижение расхода электроэнергии (за счет снижения напряжения) и повышения выхода по току, а также снизить затраты на подготовку карналлитового сырья к электролизу.

Технический результат достигается тем, что предложен способ электролитического получения магния и хлора, включающий загрузку расплавленного безводного карналлита в электролизер, его электролитическое разложение на магний и хлор, периодическую подгрузку сырья в виде расплавленного безводного карналлита и расплавленного хлорида магния для поддержания концентрации хлорида магния в электролите, удаление отработанного электролита из электролизера, новым является то, что после подгрузки расплавленного безводного карналлита одновременно загружают твердый обезвоженный карналлит и расплавленный хлорид магния при соотношении твердого обезвоженного карналлита к расплавленному хлориду магния, равным 1:(0,5-1,0), при этом соотношение количества расплавленного безводного карналлита к суммарному количеству твердого обезвоженного карналлита и расплавленного хлорида магния поддерживают равным 1:(1,5-2,0).

Кроме того, содержание оксида магния и воды в твердом обезвоженном карналлите составляет менее или равно 1% каждого.

Сущность предложенного способа заключается в том, что при одновременной загрузке твердого обезвоженного карналлита и расплавленного хлорида магния тепловой эффект реакции

MgCl₂+KCl=KMgCl₃

расходуется на расплавление твердого обезвоженного карналлита. При этом температура электролита поддерживается постоянной, на уровне регламентируемой (690°С+3°С), что исключает наличие недостатков при использовании способа по прототипу и позволяет повысить технико-экономические показатели электролизера, такие как снижение расхода электроэнергии (за счет снижения напряжения) и повышения выхода по току, а также снизить затраты на подготовку карналлитового сырья к электролизу.

Выбор соотношения количества загружаемого твердого обезвоженного карналлита к расплавленному хлориду магния, равным 1:(0,5-1,0), является оптимальным и обусловлено тем, что при соотношении, меньшим 0,5, то есть при меньшем количестве заливаемого расплавленного хлорида магния количества тепла, выделяющего при реакции, будет недостаточно на расплавление твердого обезвоженного карналлита. При этом температура снизится ниже регламентируемой (690°С+3°С). При соотношении количества твердого обезвоженного карналлита к расплавленному хлориду магния больше 1,0 тепловой эффект реакции будет высоким, что приведет к повышению температуры электролита выше регламентируемой. Это влечет повышение расхода электроэнергии.

Выбор соотношения количества заливаемого расплавленного безводного карналлита к суммарному количеству загружаемого твердого обезвоженного карналлита и расплавленного хлорида магния, равным 1:(1,5-2) обусловлен тем, что при соотношении, меньшем 1,5, содержание хлорида магния в электролите понизится ниже регламентируемого, а при соотношении выше 2,0 содержание хлорида магния в электролите повысится выше регламентируемого. В обоих случаях это приведет к снижению выхода по току.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе получения магния электролизом расплавленных солей, изложенных в пунктах формулы изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Заявленные признаки являются новыми и не вытекают явным образом для специалиста, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Пример осуществления способа

Для осуществления способа используют следующее сырье:

расплавленный безводный карналлит с содержанием хлорида магния 49-51%, который получают двустадийным обезвоживанием обогащенного карналлита. Для этого обогащенный карналлит сначала обезвоживают в печи кипящего слоя, затем в хлораторе. (Эйдензон М.А. Магний. М., Металлургия, 1969, стр.151-157),

твердый обезвоженный карналлит с содержанием хлорида магния 51-54% и с содержанием оксида магния и воды менее или равным 1,0% соответственно получают в печи кипящего слоя путем обезвоживания обогащенного карналлита (там же, стр.151-153),

расплавленный хлорид магния получают как побочный продукт в процессе получения губчатого титана магниетермическим восстановлением тетрахлорида титана в аппаратах восстановления (Родякин В.В., Гегер В.Э., Скрыпнюк В.М. Магниетермическое производство губчатого титана. М., Металлургия, 1971, стр.69-76).

Процесс электролитического получения магния ведут в электролизере с нижним вводом анодов на силу тока 120 кА в электролите следующего состава, мас.%: MgCl₂ - 11-12, NaCl - 16-22, KCl - 65-75 при температуре поддержании регламентируемой температуры - 690°С+3°С. В качестве сырья используют расплавленный безводный карналлит с содержанием хлорида магния 49-51%, расплавленный хлорид магния с содержанием основного вещества (хлорида магния) 98-99% и твердый обезвоженный карналлит с содержанием хлорида магния 51-54% и с содержанием оксида магния и воды менее или равным 1,0% соответственно. Помимо хлорида магния в твердом обезвоженном карналлите и расплавленном безводном карналлите содержатся хлориды калия и натрия в суммарном процентном содержании 46-50%. При снижении содержания хлорида магния в электролите до 4-8% за счет его электролитического разложения на магний и хлор в электролизер подгружают сырье (периодическая подгрузка) через каждые 6 часов. При этом вначале в сборную ячейку заливают из ковша безводный расплавленный карналлит в количестве 800 кг, а затем одновременно загружают из емкости (например, из бункера) 800 кг твердого обезвоженного карналлита и из вакуум-ковша 600 кг расплавленного хлорида магния. Отношение количества твердого обезвоженного карналлита к количеству расплавленного хлорида магния составляет 1:0,75, а отношение количества расплавленного безводного карналлита к суммарному количеству твердого обезвоженного карналлита и расплавленного хлорида магния составляет 1:1,75. При одновременной загрузке твердого карналлита и расплавленного хлорида магния тепловой эффект реакции взаимодействия хлорида магния и хлорида калия подавляется затратами тепла на плавление твердого обезвоженного карналлита и температура электролита поддерживается постоянной в заданных пределах. Через 6 часов операция по загрузке сырья повторяется. По мере накопления в электролите хлорида калия и хлорида натрия один раз в сутки производят удаление так называемого отработанного электролита. Применение предложенного способа позволяет повысить выход магния по току за счет поддержания стабильной температуры при смешенной схеме питания и снизить затраты на подготовку сырья к процессу электролиза. Так, за счет использования твердого обезвоженного карналлита с первой стадии обезвоживания и соответственно снижения доли карналлита, подаваемого на вторую стадию, расход электроэнергии снижается на 3000 кВт в час.

1. Способ электролитического получения магния и хлора, включающий загрузку расплавленного безводного карналлита в электролизер, его электролитическое разложение на магний и хлор, периодическую подгрузку сырья в виде расплавленного безводного карналлита и расплавленного хлорида магния для поддержания концентрации хлорида магния в электролите, удаление отработанного электролита из электролизера, отличающийся тем, что расплавленный хлорид магния загружают после подгрузки расплавленного безводного карналлита и одновременно с твердым обезвоженным карналлитом при соотношении твердого обезвоженного карналлита к расплавленному хлориду магния соответственно равным 1:(0,5-1,0), при этом соотношение количества расплавленного безводного карналлита к суммарному количеству твердого обезвоженного карналлита и расплавленного хлорида магния поддерживают равным 1:(1,5-2,0).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание оксида магния и воды в твердом обезвоженном карналлите соответственно менее или равно 1% каждого.