Интенсифицированный электролизер для получения магния и хлора

 

Использование: изобретение относится к цветной металлургии, а именно к производству магния электролитическим способом. Сущность: электролизер для получения магния и хлора, включающий стальной кожух, огнеупорную футеровку стенок и подины, электролитические отделения с размещенными в них анодами и катодами и токоподводами к ним, отделения для сепарации и накапливания магния, перегородки между электролитическими и сепарационными отделениями, снабжен горизонтальными и/или вертикальными охлаждающими каналами, расположенными в футеровке и/или теплоизоляции вертикальных стенок электролизера. 6 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к производству магния электролитическим способом.

В магниевом производстве широкое распространение получили электролизеры бездиафрагменного типа, достаточно подробно рассмотренные в монографиях О.А. Лебедева "Производство магния электролизером", М. Металлургия, 1988, с. 195-199 и А. И. Иванова, М.Б. Ляндреса, О.В. Прокофьева "Производство магния", М. Металлургия, 1979, с. 158-162.

Для бездиафрагменных электролизеров характерны низкие плотности тока, обычно равные 0,2-0,33 А/см². (В диафрагменных электролизерах плотности тока достигали 0,65-0,7 А/см²). Попытки работать при более высоких плотностях тока обычно сопровождаются перегревом электролита и снижением выхода магния и хлора по току. Общепризнанным является мнение, что интенсификация магниевых электролизеров требует дополнительного отвода тепла. Эта задача решается путем охлаждения отдельных элементов электролизеров, однако проблема интенсификации магниевых электролизеров до сего времени удовлетворительного решения не имела.

Известен магниевый электролизер (авт. св. N 377416, кл. C 22 D 3/02, 1973; Б. И. 1973, N 18, c. 58), в котором стенки электролизера охлаждаются разъемными водоохлаждающими рубашками. Такое решение противоречит требованиям техники безопасности для электролизных цехов магниевого производства (прорыв воды может привести к взрывам, потере электроизоляции, ускоренной коррозии металлических конструкций и оборудования). Его эффективность незначительна, так как между рубашкой и кожухом электролизера сохраняется воздушная прослойка, ограничивающая теплопередачу.

Известно авт. св. N 507669, кл. C 25 C 3/04, 1976, Б.И. 1976, N 11, c. 92, согласно которому в перекрытии электролизера выполняются каналы охлаждения, примыкающие к общему коллектору. Утверждается, что такое решение обеспечивает снижение температуры расплава. Для восстановления оптимального температурного режима требуется повышение силы тока, что способствует интенсификации процесса электролиза.

Известно решение, предусматривающее выполнение перекрытия электролизера с внутренними полостями для подачи охлаждающего воздуха (авт.св. N 513120, кл. C 25 C 3/04, 1976, Б.И. 1976, N 17, c. 100).

Недостатком решения по авт. св. N 507669 и 513120 является их низкая эффективность, поскольку тепло отбирается от элементов перекрытия, отделенных от расплава газовой фазой. Охлаждаемая газовая фаза (анодный хлоргаз) непрерывно удаляется из электролизера, не оказывая существенного влияния на температуру электролита.

Известен электролизер по авт. св. N 382748, кл. C 22 D 3/02, 1973, Б.И. N 23, 1973, c.82, у которого залитые чугуном головки анодов расположены в подине, а между головок размещены выведенные через кожух и открытые с торцов каналы.

Эксплуатация опытных образцов электролизеров с охлаждаемой подиной показала, что на подине интенсивно образуется настыль. Известно, что появление настыли возможно и без охлаждения подины. Охлаждение же усиливает этот процесс. Особенно быстро настыль развивается при накапливании на подине шлама, который уменьшает поступление к подине тепла: температурный перепад в слое шлама составляет 8-11^oC/см шлама. При расположении охлаждающих каналов в подине вероятна ее пропитка солями и выход каналов из строя. Следует учитывать, что подина является наиболее массивным элементом магниевого электролизера. Ее толщина достигает 700 800 мм, что ограничивает возможности отвода тепла от электролита.

Как видно из анализа вышеприведенных аналогов, все они решают частные задачи по охлаждению отдельных элементов электролизеров, поэтому проблема интенсификации магниевых электролизеров до сего времени удовлетворительного решения не имела.

В качестве прототипа принят электролизер, подробно рассмотренный в монографии О.А. Лебедева "Производство магния электролизером", М. Металлургия, 1988, с. 196 199.

Электролизер включает в себя кожух, аноды, катоды, сборную ячейку, электролизную ячейку, футеровку, перегородки, катодные штанги, отсос анодного хлоргаза и сантехнический отсос из сборной ячейки.

Основными недостатками такого электролизера являются: трудность теплового регулирования; длительность пускового перевода, в течение которого электролизер работает с низкими технологическими показателями; разрушение футеровки в местах выхода катодных штанг; длительность и сложность ремонта. Вследствие разрушения футеровки в местах ввода катодных штанг происходит деформация катодов, приводящая к коротким замыканиям и к снижению выхода по току.

Техническим результатом изобретения является интенсифицированный электролизер с высокой надежностью его эксплуатации.

Для достижения технического результата интенсифицированный электролизер для получения магния и хлора, включающий стальной кожух, огнеупорную футеровку стенок и подины, электролитические отделения с размещенными в них анодами и катодами, с токоподводами к ним, отделения для сепарации и накапливания магния, перегородки между электролитическими и сепарационными отделениями, снабжен горизонтальными и/или вертикальными охлаждающими каналами, расположенными в футеровке и/или теплоизоляции вертикальных стенок электролизера.

Дополнительными отличиями электролизера являются: расположение горизонтальных охлаждающих каналов в футеровке стенок электролизера выше катодных токоподводов и объединение их общим подводом и отводом воздуха; заливка горизонтальных охлаждающих каналов в общий бетонный блок, размещенный в футеровке, прилежащей к кожуху электролизера; расположение вертикальных охлаждающих каналов между катодными токоподводами; расположение охлаждающих каналов от контактирующей с расплавом поверхности стенки электролизера на 0,5-1,0 толщины футеровки; выполнение верхнего пояса футеровки, расположенного выше катодных экранов, частично или полностью из материала с высокой теплопроводностью, например из фторфлогопита или графита; присоединение охлаждающих каналов к источнику охлаждающего воздуха, например к линии приточной вентиляции.

Совокупность всех отличительных признаков служит интенсификации процесса электролиза магния, так как предусмотренный отвод тепла позволяет повысить мощность электролизера при сохранении его габаритов и увеличить срок службы электролизера в результате меньшего разрушения охлаждаемого пояса футеровки.

На фиг. 1 изображен поперечный разрез предлагаемого электролизера с горизонтальными каналами; на фиг. 2 тот же электролизер, продольный разрез через каналы; на фиг. 3 поперечный разрез электролизера с вертикальными каналами.

На чертежах показаны стальной кожух 1, футерованный огнеупорным материалом шамотом 2, перегородка 3, разделяющая внутреннее пространство электролизера на отделение 4, предназначенное для размещения анодов 5 и катодов 6, и на отделение 7 для сепарации и накапливания магния. Аноды введены в рабочее пространство через перекрытие 8. Ток к катодам поступает по токоподводам 9, выведенным через стенки электролизера.

Для съема тепла в верхней части стенок электролизера выполнены горизонтальные каналы 10, расположенные выше уровня катодных токоподводов 9. Каналы могут быть вынесены и за пределы футеровки в зону теплоизоляционной засыпки 11. Для упрощения монтажа электролизера и повышения теплосъема каналы залиты в общий бетонный блок 12. С целью интенсификации отвода тепла от расплава участки футеровки 13, расположенные напротив каналов 10 и обращенные внутрь электролизера, выполнены из материалов с повышенной теплопроводностью, например из фторфлогопита или графита.

Поступление охлаждающих агентов (воздуха, газовых смесей, масел и др.) в горизонтальные каналы принудительное.

Вертикальные охлаждающие каналы 14 располагаются в футеровке стенок или в теплоизоляционной засыпке. Они имеют открытые входы 15 и выходы 16 или могут быть объединены общими коллекторами (на фиг. 3 коллекторы не показаны). При открытых входах у вертикальных каналов их охлаждение обеспечивается аэрационными процессами и возможно без принудительной подачи охлаждающей среды в каналы.

Преимуществом предложенных решений является, кроме интенсификации работы электролизера, понижение температуры тех участков футеровки, которые постоянно омываются потоками электролита. В результате охлаждению подвергается непосредственно электролит, а не газовая среда, как в известных решениях, что интенсифицирует теплообмен. Активная циркуляция расплава, омывающего зоны охлаждения, исключает образование настылей, которые активно развиваются при известных способах охлаждения подины электролизера, когда под слоем шлама обмен расплава отсутствует, а сам шлам ограничивает доступ тепла к подине.

Незначительная толщина футеровки боковых стенок (она в 2 3 раза меньше толщины подины) способствует теплосъему, а использование в зоне охлаждения элементов 13 с повышенной теплопроводностью (графит или фторфлогопит) позволяет существенно увеличивать количество отводимого тепла при незначительных габаритах охлаждающих устройств.

Заливка охлаждающих каналов 10 в бетонные блоки 12 позволяет: а) упростить монтаж электролизеров; б) повысить теплосъем с единицы поверхности канала в 1,5 2 раза; в) сохранить работоспособность каналов 10 даже при разрушении их металлических конструкций;
г) понизить температуру верхнего пояса электролизера и уменьшить разрушение футеровки, контактирующей с расплавом.

Таким образом, в соответствии с материалами изобретения при монтаже электролизера, выполняемом известными способами (см. книгу О. А. Лебедева "Производство магния электролизом", М. Металлургия, 1988, c. 202 203), в верхней части стенок электролизера выполняют горизонтальные каналы, например, из металлических труб диаметром не более 1/4 толщины футеровки. Верхний пояс электролизера с охлаждаемыми каналами может быть изготовлен отдельно на специальном стенде в виде готовых бетонных блоков и вставлен в электролизер при монтаже.

Заявленный электролизер работает следующим образом.

После сушки электролизер заполняют электролитом и включают постоянный ток. При достижении расплавом уровня каналов 10 в них начинают подавать охлаждающий агент, например воздух, количество которого регулируется шиберами. Нагретый воздух из каналов передается потребителям. Потери тепла с воздухом компенсируются повышением силы тока на электролизере. Кроме воздуха в качестве охлаждающего агента могут быть применены различные жидкости: вода, минеральные масла, парафин и другие.

Благодаря непрерывному омыванию охлаждаемых участков стенок восходящими газожидкостными потоками, образование настылей на стенках исключено. Не представляет опасности и неравномерность охлаждения каналов, так как непрерывная рециркуляция расплава обеспечивает выравнивание температуры расплава во всем объеме электролизера.

Выполненные расчеты, показали, что предусмотренный отвод тепла позволяет повысить мощность электролизера на 25 40% сохранив его габариты.

Срок службы электролизера в результате меньшего разрушения охлаждаемого верхнего пояса футеровки увеличивается на 14 18 месяцев.

Реализация предложенного решения возможна как на электролизерах с верхним вводом анодов, так и на электролизерах с вводом анодов через подину.

Формула изобретения

1. Интенсифицированный электролизер для получения магния и хлора, включающий стальной кожух, огнеупорную футеровку стенок и подины, электролитические отделения с размещенными в них анодами и катодами с токоподводами к ним, отделения для сепарации и накапливания магния, перегородки между электролитическими и сепарационными отделениями, отличающийся тем, что электролизер выполнен с горизонтальными и/или вертикальными охлаждающими каналами, расположенными в футеровке и/или в теплоизоляции вертикальных стенок электролизера.

2. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что горизонтальные охлаждающие каналы в футеровке стенок электролизера расположены выше катодных токоподводов.

3. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что горизонтальные охлаждающие каналы объединены общим бетонным блоком и размещены в футеровке, прилежащей к кожуху электролизера.

4. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что вертикальные охлаждающие каналы расположены между катодными токоподводами и имеют свободный доступ в них воздуха.

5. Электролизер по пп. 1 4, отличающийся тем, что охлаждающие каналы присоединены к источнику охлаждающего агента, например к линии приточной вентиляции.

6. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что охлаждающие каналы удалены от контактирующей с расплавом поверхности стенки электролизера на 0,5 1,0 толщины футеровки.

7. Электролизер по пп.1 6, отличающийся тем, что футеровка, расположенная выше катодных экранов, частично или полностью выполнена из материалов с высокой теплопроводностью, например из фторфлогопита или графита.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3