Способ отвода тепла от электролита сборных ячеек электролизера для получения магния и хлора

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к получению металлического магния электролизом расплавленных солей в электролизерах. Отвод тепла осуществляют воздухом через теплообменник, установленный в сборную ячейку, и путем отвода газов из сборной ячейки электролизера через коллектор санитарно-технического отсоса. Воздух пропускают через теплообменник в количестве, обеспечивающем поддержание разности температур воздуха и электролита в сборной ячейке, равной 200-350°С. А нагретый в теплообменнике воздух смешивают с газами, выходящими из сборной ячейки, в соотношении (1-2):1 и удаляют из электролизера. Изобретение позволяет повысить скорость отбора тепла и его количество путем теплопроводности, производительность работы электролизера (выход по току) и снизить расход электроэнергии. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к получению металлического магния электролизом расплавленных солей в электролизерах.

Температурный режим электролизера для получения магния и хлора подвержен значительным колебаниям и зависит практически от всех операций по обслуживанию электролизера (заливка сырья, выборка шлама, качество сырья, температура окружающего воздуха). Такие колебания достигают 20-25°С. Снижение диапазона колебаний температуры, стабилизация ее на оптимальном пределе приводит к увеличению выхода магния по току на 1,5-2% на каждые 10°. Снижение колебаний перепада температуры проводят путем изменения тока, напряжения или количества отсасываемых газов.

Известен способ отвода тепла из магниевых электролизеров (ст. Испытание тепловых труб для отвода тепла из магниевых электролизеров. - Грибов В.И., Панов Е.Н., Черняков А.Г, Фрейдлин В.Б., Шека Т.С. - Ж. Цветные металлы. - №7, 1979. - с.66-68). Способ заключается в отводе тепла от электролизера с помощью тепловой трубы с использованием в качестве теплоносителя натрия, отвод тепла от тепловой трубы осуществляют воздушным холодильником по расходу воздуха, проходящего через него, и перепаду температур воздуха на входе и выходе из холодильника.

Недостатком данного способа является низкий срок службы тепловой трубы из-за коррозии на границе электролита и воздуха. Использование в качестве теплоносителя дорогостоящего натрия повышает затраты на его производство. Кроме того, сложность конструкции тепловой трубы и ее установки в электролизер не нашло применения в промышленности.

Известен способ отвода тепла от электролизера сборных ячеек электролизера для получения магния и хлора путем стабилизации температурного режима магниевых электролизеров (ст. Разработка, испытание и внедрение системы стабилизации температурного режима магниевых электролизеров. - Грибов В.И., Оверин Б.А., Кушнин B.C., Колесников В.А., Башкатов В.В. - Ж. Цветные металлы. - №11, 1979. - с.68-70). Способ включает ведение процесса электролиза, измерение температуры электролита и поддержание заданной температуры электролита газами, проходящими через коллектор санитарно-технического отсоса. Регулирования отвода газов осуществляют с помощью заслонок. При отклонении от заданного температурного режима в сторону увеличения температурного режима отвод тепла осуществляют путем увеличения размера отверстия с помощью заслонки, при уменьшении от заданного температурного режима размер отверстия уменьшают.

Как указано в самой статье, такой способ отвода тепла с помощью регулирования отвода газов, проходящих через коллектор санитарно-технического отсоса, не полностью обеспечивает поддержание температуры в заданном интервале из-за значительных колебаний температуры окружающего воздуха и длительных отключений тока. Кроме того, отвод тепла с помощью газов санитарно-технического отсоса приводит к значительным потерям хлора и загрязнению окружающей среды. Основным недостатком способа является недостаточно эффективный отбор тепла от электролита из-за того, что отбор тепла производят только конвекцией и лучеиспусканием от электролита через газовую фазу.

Известен способ отвода тепла от электролита сборных ячеек электролизера получения магния и хлора (Авт. свид. СССР №274935, опубл. 05.12.1977, бюл.45), по количеству общих признаков принятый за ближайший аналог-прототип. Способ включает отбор тепла от электролита в электролизере для получения магния и хлора при помощи газа-теплоносителя (воздуха) через стенки полости секционного экрана (устройства для отвода тепла), который устанавливают над электролитом. Проходя через полости секционного канала, газ-теплоноситель (воздух) отбирает тепло от стенок экрана и выходит из ячейки для сбора магния через патрубок сборного коллектора. Отвод газов из сборной ячейки через канал для отвода газов.

Недостатком данного способа является то, что полый экран, установленный над электролитом в сборной ячейке в газовой фазе, имеет низкий срок службы из-за коррозии металла, из которого выполнен экран. Кроме того, отвод тепла осуществляется через газовую фазу, и необходимо длительное время для снижения температуры электролита, это приводит к снижению производительности процесса и выхода магния по току.

Технический результат направлен на недостатки прототипа и позволяет за более короткий промежуток времени снизить температуру электролита за счет повышения скорости отбора тепла и его количества при непосредственном контакте устройства для отвода тепла, через который пропускают воздух, с электролитом, т.е. теплопередача от электролита производится только путем теплопроводности. Предложенное изобретение позволяет в конечном итоге интенсифицировать процесс отвода тепла и за счет более короткого времени отбора тепла повысить производительность работы электролизера (выход по току) и снизить расход электроэнергии.

Технический результат достигается тем, что предложен способ отвода тепла от электролита сборных ячеек электролизера для получения магния и хлора, включающий отбор тепла от электролита воздухом через устройство для отвода тепла и отвод газов из сборной ячейки электролизера через канал для отвода газов, новым является то, что воздух подают в устройство для отвода тепла в количестве, обеспечивающем поддержание разности температур воздуха и электролита в сборной ячейке, равным 200-350°С, нагретый в теплообменнике воздух смешивают с газами сборной ячейки в соотношении, равном (1-2):1, и удаляют из электролизера.

Кроме того, воздух подают в теплообменник со скоростью 400-1000 нм³ в час.

Кроме того, воздух подают в теплообменник под избыточным давлением.

Осуществление дополнительного отвода тепла из электролизера для получения магния и хлора с помощью устройства для отвода тепла (теплообменника), через который пропускают воздух, при поддержании разности температур воздуха в теплообменнике и электролита в сборной ячейке, равной 200-350°С, позволяет ускорить теплообмен между поверхностью теплообменника и электролитом за счет теплопередачи и тем самым получить оптимальный съем тепла, так как при применении теплообменника передача тепла осуществляется по схеме: электролит - стенки теплообменника-воздух, что приводит к значительному повышению теплосъема тем самым интенсифицирует процесс. При разности температур менее 200°С температура воздуха составит 500°С (температура электролита 700°С), а при температуре выше 525°С идет интенсивное окисление стали. При разности температур более 350°С температура воздуха составит 350°С, что недостаточно для охлаждения электролита и приведет к образованию гарниссажа на стенках теплообменника и снизит теплосъем;

- смешивание нагретого в теплообменнике воздуха с отходящими газами сборной ячейки в соотношении, равном (1-2):1, позволяет поддерживать требуемую скорость охлаждения и оптимальный режим отсоса газов. При увеличении количества пропускаемого через теплообменник воздуха снизится отвод хлорсодержащих газов, что приведет к выделению вредностей в атмосферу цеха. При соотношении, меньшем 1:1, воздуха, подаваемого в теплообменник, будет недостаточно для снятия тепла из электролита, при соотношении, большем 2:1, электролит быстро охладится под воздействием большого количества воздуха, подаваемого в теплообменник, что ухудшит температурный режим.

Подача воздуха в теплообменник со скоростью 400-1000 нм³ в час и смешивание нагретого воздуха с газами сборной ячейки позволяет интенсифицировать теплообмен и тем самым снизить время отвода тепла от электролита.

Подача воздуха под избыточным давлением позволяет поддерживать максимальный отвод тепла.

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 отвода тепла из электролизера, 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. Данная совокупность признаков позволяет интенсифицировать отвод тепла и тем самым повысить выход магния по току. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

В примерах указаны варианты способов отвода тепла при подаче воздуха в теплообменник с применением вентилятора и без него.

Пример 1

В электролизер в сборную ячейку заливают из ковша расплавленный электролит, содержащий хлориды калия, натрия и магния, и разогревают его до температуры 675+5°С. На аноды и катоды подают постоянный ток. Под воздействием электрического тока хлорид магния, входящий в состав электролита, разлагается на магний и хлор. Магний, выделяясь на катоде, всплывает на поверхность электролита в электролитической ячейке, и циркуляционным потоком выносится через переточный канал разделительной перегородки в сборную ячейку. Хлор, выделяясь на аноде, переходит из электролита в газовую фазу и отводится через систему отсоса хлора. Часть хлора выносится с циркуляционным потоком электролита в сборную ячейку и выводится с газами сборной ячейки через канал, и затем через коллектор санитарно-технического отсоса на газоочистку в количестве 1000 нм³ в час при температуре 160°С. При этом с газами отводится 50 кВт/час тепла. При повышении температуры электролита до 690°С, например, при загрузке некачественного сырья или при повышении электрического сопротивления электролизера в сборную ячейку электролизера устанавливают трубчатый теплообменник. Выходной патрубок теплообменника подсоединяют к каналу, который соединен с коллектором санитарно-технического отсоса, а входный патрубок размещают выше уровня крышки сборной ячейки. Воздух подают в теплообменник в количестве 500 нм³ в час, который затем поступает в канал и в коллектор санитарно-технического отсоса. Под воздействием разрежения в канале воздух из теплообменника поступает в канал. Кроме того, в канал поступают газы, выделяющиеся из электролита, в количестве 500 нм³ в час при содержании 4-5 г/м³ хлора. Соотношение воздуха к газам сборной ячейки составляет 1:1. Отвод тепла увеличивается на 25 кВт/час. За счет соприкосновения с электролитом холодный воздух в теплообменнике нагревается до температуры 300°С и происходит отвод тепла. При этом температура электролита снижается до температуры 675°С в течение 2 часов. После снижения температуры электролита подачу воздуха в теплообменник прекращают и продолжают процесс электролиза.

Пример 2

Технологический процесс проводится аналогично по примеру 1. При достижении температуры 700°С из-за ухудшения качества сырья в сборную ячейку электролизера устанавливают трубчатый теплообменник, выходной патрубок которого подсоединяют к каналу, соединенному с коллектором санитарно-технического отсоса, а входный патрубок размещают выше уровня крышки сборной ячейки и соединяют с вентилятором. В теплообменник подают вентилятором атмосферный воздух под давлением 0,3 ати в количестве 1000 нм³ в час, который затем поступает в канал. Кроме того, в канал поступают газы, выделяющиеся из электролита в количестве 500 нм³ в час с содержанием 4-5 г/м³ хлора. Соотношение воздуха к газам сборной ячейки поддерживают в количестве, равном 2:1. Холодный воздух в теплообменнике нагревается до температуры 250°С, и происходит отвод тепла за счет соприкосновения электролита с холодной стенкой теплообменника. При этом увеличивается съем тепла на 40 кВт в час. Температура электролита снижается до температуры 675°С в течение 2 часов. После снижения температуры электролита подачу воздуха в теплообменник прекращают и продолжают процесс электролиза.

Таким образом, предложенный способ отвода тепла позволяет повысить съем тепла на 25-40 кВт в час, что позволяет за более короткий промежуток времени снизить температуру электролита за счет повышения скорости отбора тепла и его количества при непосредственном контакте теплоносителя с электролитом. Предложенное изобретение позволяет в конечном итоге интенсифицировать процесс отвода тепла и за счет более короткого времени отбора тепла повысить производительность работы электролизера (выход по току) и снизить расход электроэнергии.

1. Способ отвода тепла от электролита сборной ячейки электролизера для получения магния и хлора, включающий отвод тепла воздухом через теплообменник, установленный в сборную ячейку, и путем отвода газов из сборной ячейки электролизера через коллектор санитарно-технического отсоса, отличающийся тем, что воздух пропускают через теплообменник в количестве, обеспечивающем поддержание разности температур воздуха и электролита в сборной ячейке, равной 200-350°С, а нагретый в теплообменнике воздух смешивают с газами, выходящими из сборной ячейки, в соотношении (1-2):1 и удаляют из электролизера.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздух подают в теплообменник со скоростью 400-1000 нм³ в час.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздух подают в теплообменник под избыточным давлением.