Способ получения магния и хлора и электролизер для его осуществления

Изобретения относятся к производству магния и хлора электролизом из расплава солей, содержащих хлористый магний. Задача, решаемая изобретениями, заключается в снижении удельного расхода электроэнергии за счет повышения выхода по току, уменьшении потерь хлора с газами сантехнического отсоса и увеличении срока службы электролизера. 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 электролизера, снижении потерь хлора с газами сантехнического отсоса и в увеличении срока службы электролизера. Технический результат достигается за счет того, что предложен способ получения магния и хлора из расплава солей, содержащих MgCl₂, 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 межэлектродном зазоре, А/см²; d_k - катодная плотность тока, А/см²; H_k - высота катода, см; l_cp - среднее межэлектродное расстояние, 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 ячейку для сепарации магния по двум направлениям: через верхние циркуляционные каналы и дополнительные каналы, расположенные между верхними и нижними циркуляционными каналами, причем скорость потока электролита в верхних циркуляционных каналах V-образной формы выбирают из условия:

,

где S_в.к. - суммарная площадь верхних циркуляционных каналов; S_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. При новом способе происходит снижение удельного расхода электроэнергии за счет повышения выхода по току и снижение потерь хлора с газами сантехнического отсоса. На новом электролизере достигается увеличение срока службы электролизера, снижение потерь хлора с газами сантехнического отсоса. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

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

Известен способ получения магния и хлора из содержащего MgCl₂ 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

h_канала=(1,0÷10,0)⋅l_cp,

где h_канала - высота верхних циркуляционных каналов, см;

l_ср - среднее межэлектродиое расстояние, см;

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

где G - газонаполнение электролита пузырьками хлора в межэлектродном зазоре;

d_k - катодная плотность тока, А/см²;

Н_k - высота катода, см;

l_ср - среднее межэлектродное расстояние, 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 З8'÷1°26' (RU, патент на изобретение №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 счет обратной реакции хлорирования магния в камере электролиза и увеличению удельного расхода электроэнергии. Разделительная перегородка между верхними и нижними циркуляционными каналами в процессе эксплуатации электролизера оказывается под катодным потенциалом за счет образующихся на катоде наростов из магния и оксида магния, примыкающих к футеровке разделительной перегородки, что приводит к ее разрушению и сокращению срока службы электролизера.

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/см² ((RU, патент №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 электролизера, что приведет к утечкам тока между камерами и снижению выхода по току.

Наиболее близким являются способ получения магния и хлора из расплава солей, содержащих MgCl₂, 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, А/см²;

d_k - катодная плотность тока, А/см²;

Н_k - высота катода, см;

l_ср - среднее межэлектродное расстояние, 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:

где h канала - высота верхних циркуляционных каналов, см;

l ср - среднее межэлектродное расстояние, 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'. (KZ, предварительный патент №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 электролизере, 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 электролизера оказывается под катодным потенциалом за счет образующихся на катоде наростов из магния и оксида магния, примыкающих к футеровке разделительной перегородки, что приводит к ее разрушению и сокращению срока службы электролизера.

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

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 электролизера, снижении потерь хлора с газами сантехнического отсоса и в увеличении срока службы электролизера.

Технический результат достигается за счет того, что предложен способ получения магния и хлора из расплава солей, содержащих MgCl₂, сиспользованием 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, А/см²;

d_k - катодная плотность тока, А/см²;

Н_k - высота катода, см;

l_ср - среднее межэлектродное расстояние, см;

l ср - среднее межэлектродное расстояние, 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 ячейку для сепарации магния по двум направлениям: через верхние циркуляционные каналы и дополнительные каналы, расположенные между верхними и нижними циркуляционными каналами, причем скорость потока электролита в верхних циркуляционных каналах V-образной формой выбирают из условия:

,

где S _В.К. суммарная площадь верхних циркуляционных каналов;

S 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. 3 - 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 электролизера.

Способ осуществляют следующим образом:

В электролизер, футерованный огнеупорным материалом, заливают расплав, содержащий хлориды магния, натрия и калия, подключают постоянный ток к электродам. Путем изменения силы тока (кА) и массы электролита (тн) в электролизере 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 Sв.к:Sн.к. равным 20-60. Магний накапливается на поверхности электролита в ячейке для сепарации магния и периодически выбирают вакуум - ковшом. Освободившийся от магния электролит в ячейке для сепарации магния, 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 Sв.к:Sд.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 путем изменения уровня электролита в электролизере.

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

где S 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 приведет 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 электролизере резко снижается и при малейшем снижении выхода по току происходит быстрый рост температуры электролита, что приведет к снижению выхода по току, при соотношении менее 8 увеличиваются удельные теплопотери с квадратного метра площади днища электролизера, что приводит к увеличению удельного расхода электроэнергии на электролизере. Массу электролита поддерживают изменением уровня электролита в электролизере.

Таблица 1. Зависимость выхода магния по току от соотношения силы тока

(кА) к массе электролита (тн):

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

На новом электролизере достигается увеличение срока службы электролизера, 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 счет улучшения полноты вывода магния из камеры электролиза в сборную ячейку и улучшения условий сепарации магния в сборной ячейке, в увеличении производительности электролизера на 6,0%, снижении потерь хлора с газами сантехнического отсоса на 30 кг/т Mg и в увеличении срока службы электролизера на 8 месяцев.

1. Способ получения магния и хлора из расплава солей, содержащих MgCl₂, с использованием бездиафрагменного электролизера, включающий замкнутую циркуляцию электролита между камерой электролиза с чередующимися анодами и катодами 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 межэлектродном зазоре, А/см²;

d_k - катодная плотность тока, А/см²;

H_k - высота катода, см;

l_ср - среднее межэлектродное расстояние, см,

отличающийся тем, что силу тока и массу электролита в электролизере выбирают в количественном выражении таким образом, что отношение силы тока (кА) к массе электролита (тн) равно 8÷10, поток электролита из камеры электролиза поступает в ячейку для сепарации магния двумя путями: через верхние циркуляционные каналы и дополнительные каналы, расположенные между верхними и нижними циркуляционными каналами, скорость потока электролита в верхних циркуляционных каналах V-образной формы выбирают из условия отношения скоростей потоков:

,

где S_в.к. - суммарная площадь верхних циркуляционных каналов;

S_д.к. - суммарная площадь дополнительных каналов.

2. Бездиафрагменный электролизер для осуществления способа по п. 1, 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.