Магниевый электролизер с направленной циркуляцией электролита

 

Использование: получение магния электролитическим способом. Технический результат: направленная циркуляция электролита, исключающая возникновение застойных зон в рабочем пространстве магниевого электролизера, что обеспечивает стабильную работу электролизера с высокими показателями, обеспечение более высокой объемной плотности тока на участках, удаленных от отделения накапливания магния. Сущность: катод выполнен с опорным выступом со стороны футеровки, катодный экран равен высоте катода с опорными выступами, причем высота катодов и катодных экранов в 1,05 - 1,4 раза больше высоты катодов у отделения для накапливания магния и/или межполюсное расстояние увеличивается по мере приближения к перегородке между отделениями электролизера в 1,5 - 3 раза. Для придания жесткости катодным экранам предусмотрена их опора на выступы, расположенные выше верхнего среза катодного листа. Катоды могут быть снабжены желобами, установленными углом вниз на верхнюю грань катодного листа и перекрывающими до 75% межполюсного расстояния. Переточный канал в перегородке выполнен трапецеидальной формы, нижняя грань которого расположена на уровне верхней грани катода, причем соотношение высоты переточного канала со стороны электролитического отделения к высоте переточного канала со стороны отделения для накопления магния составляет 2 :1 - 3 :1. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к производству цветных металлов, а точнее к получению магния электролитическим путем.

При электролитическом производстве магний и хлор, образующиеся на рабочих поверхностях электродов, всплывают к поверхности электролита, где пузырьки хлора покидают расплав, а капли магния выносятся в отделение для накопления магния. Здесь магний отделяется от солевого расплава и собирается в компактную массу. Задержка магния в отделении с электродами способствует его контакту с хлором и увеличивает потери уже полученных продуктов.

Технология электролитического производства магния, сложившаяся еще при эксплуатации диафрагменных электролизеров, предусматривает равномерное распределение плотности тока по рабочим поверхностям анодов и катодов. С этой целью аноды и катоды устанавливаются параллельно, а их рабочие поверхности на всем протяжении имеют постоянную высоту (см. Лебедев О.А. "Производство магния электролизом", 1988г. с.190-199, рис. 71-73). Такое решение в диафрагменых магниевых электролизерах обеспечивает равномерное газонаполнение межполюсного пространства и быструю эвакуацию полученного магния в зону его сепарации от электролита. Аналогичные принципы построения межполюсных пространств и исполнения электродов были перенесены и на бездиафрагменные электролизеры. Однако, как отмечает Лебедев О.А. в своей монографии, "основной недостаток бездиафрагменных электролизеров. возникновение застойных зон электролита в электрохимических ячейках и, как следствие, длительный контакт магния, всплывающего на поверхность, с хлором газовой фазы. Задача, следовательно, заключается в создании конструкции бездиафрагменных электролизеров с упорядоченной, управляемой циркуляцией электролита, имеющей четко выраженную горизонтальную составляющую, обеспечивающую быстрый вынос магния в сборную ячейку. Эта задача до сих пор не решена.

Известен бездиафрагменный электролизер (авт. св. N 395501, Б.И. N 35б 1973г.), у которого для более полной эвакуации магния из зоны его возможного взаимодействия с хлором предусмотрены направляющие желоба, установленные над катодами углом вверх. Высота катодов и желобов увеличивается по мере приближения к перегородке между отделениями электролизера. Предполагалось, что восходящие потоки электролита, попадая под направляющие желоба, будут перемещаться к перегородке, ускоряя эвакуацию магния из зоны его взаимодействия с хлором.

Основными недостатками такого электролизера является наличие застойных зон, что приводит к длительному контакту магния с хлором и большим потерям уже полученных продуктов. Кроме того, под направляющие желоба попадает хлор, и они быстро разрушаются. Электролизер по авт. св. N 395501 в настоящее время на заводах не эксплуатируется.

Достаточно подробно описаны конструкции современных бездиафрагменных электролизеров в монографии Витюкова М.М. Цыплакова А.М. Школьникова С.Н. "Электрометаллургия алюминия и магния". М. Металлургия, 1987г. с.285-296 (прототип).

Бездиафрагменный электролизер с верхним или нижним вводом анодов состоит из кожуха, футерованного шамотным кирпичом, электролитического отделения и отделения для накопления магния, отделенных друг от друга перегородками с переточными каналами. Аноды в электролитические отделения введены через перекрытия или подину, а катод введен через продольные стенки футеровки электролизера. Для предохранения футеровки от разрушения ее защищают специальными стальными экранами, находящимися под катодным потенциалом. Переточные каналы в перегородке выполнены прямоугольными (стр. 285).

Основными недостатками такого электролизера является наличие застойных зон электролита в электролитических ячейках, что приводит к длительному контакту магния с хлором и большим потерям уже полученных продуктов.

Задачей настоящего изобретения является создание магниевого электролизера, конструкция которого исключает возникновение застойных зон в рабочем пространстве, что обеспечивает высокие технологические показатели и увеличение производительности электролизеров.

Для выполнения поставленной задачи в магниевом электролизере с направленной циркуляцией электролита, включающем металлический корпус с огнеупорной футеровкой, которая образует рабочее пространство, разделенное перегородкой с переточными каналами на отделение для накопления магния и электролитическое отделение для размещения введенных через футерованные стенки стальных катодов с экранами и введенных через подину или перекрытие углеродистых анодов.

Новым является то, что он снабжен опорными выступами, расположенными на верхней грани катода со стороны футеровки, а катодный экран равен высоте катода с опорными выступами.

Дополнительным отличием электролизера является то, что переточный канал в перегородке выполнен трапециидальной формы, нижняя грань которого расположена на уровне верхней грани катода; высота катодов вместе с опорными выступами и высота катодных экранов в 1,05 1,4 раза больше высоты катодов у перегородки; соотношение высоты переточного канала со стороны электролитического отделения к высоте переточного канала со стороны отделения для накопления магния составляет 21- 31; межполюсное расстояние у перегородки в 1,5 3 раза больше межполюсного расстояния у места ввода катодов в рабочее пространство электролизера; катоды снабжены направляющими желобами, установленными на верхнюю грань катодов углом вниз, причем желоба перекрывают 20 75% межполюсного пространства; катоды выполнены в виде стальных открытых снизу коробок, толщина которых убывает по мере приближения к перегородке между отделениями: катоды и/или аноды имеют толщину, уменьшающуюся по мере приближения к перегородке между отделениями электролизера; катоды, выполнены в виде стальных коробок, заполненных внутри частично или полностью магнием или натрием.

При реализации изобретения указанные признаки могут быть использованы одновременно или раздельно, что определяется габаритами электродов, заданной мощностью злектролизера и другими условиями эксплуатации электролизера.

Признаки изобретения подтверждены результатами исследований, во время которых установлено, что для обеспечения направленной циркуляции электролита достаточно чтобы высота катодов и катодных экранов на участках, удаленных от перегородки между отделениями, была на 5% больше высоты катодов у перегородки. Меньшая разница высот не оказывает существенного влияния на направления и интенсивность потоков электролита и вынос полученного магния в отделение для его накопления. В то же время разница высот участков катодов и их экранов более 40% нецелесообразна из-за усложнения конструкции электролизеров и его обслуживания.

Аналогичные причины ограничивают разницу в величине межполюсного расстояния: при разнице в величине межполюсного расстояния меньше 1,5 эффект незначителен, при разнице больше 3 высокие скорости электролита осложняют обслуживание электролизера, снижают коэффициент использования рабочего пространства.

На основании анализа имеющихся экспериментальных данных для организации нормальной циркуляции электролита и сохранения потерь хлора на минимальном уровне необходимо выполнить переточные каналы в перегородке между отделениями электролизера трапециидальной формы. При этом соотношение высоты переточного канала со стороны электролитического отделения к высоте переточного канала со стороны отделения для накопления магния составляет 21 31.

При соотношении высот переточного канала менее 21 увеличиваются выбросы хлора в ячейку для накопления магния. При этом в электролитическом отделении образуются зоны замкнутой циркуляции, в которые вместе с злектролитом будут вовлекаться и капли магния. Все это приведет к ухудшению технологических показателей процесса, возрастанию потерь хлора в 1,5 2 раза.

Выполнение высоты переточного канала со стороны электролитического отделения больше 3 не целесообразно, так как с ростом высоты увеличивается расход жидкости через канал, кратность обмена и величина потерь через ячейку для накопления магния.

Принятое соотношение должно обеспечить наиболее благоприятные условия для сепарации металла при минимальных потерях хлора с газами санитарно-технологического отсоса.

Размеры направляющих желобов определены условиями образования газожидкостных потоков и транспортировки ими капель магния: при ширине проекции желобов меньше 25% межполюсного пространство эффект от их применения незначителен, а при ширине больше 75% возможен неполный выход газожидкостных потоков в зону над направляющим желобом, что приведет к воздействию хлора на катод и потерям уже полученного магния.

На фиг.1 представлен поперечный разрез электролизера с катодами и катодными экранами, высота которых на участках, удаленных от отделения для накопления магния, больше высоты катодов у перегородки; на фиг.2 - горизонтальный разрез электролизера с межполюсными расстояниями, увеличивающимися по мере приближения к перегородке между отделениями; на фиг. 3 продольный разрез электролизера через отделение с электродами, где катоды снабжены направляющими желобами.

Электролизер имеет стальной кожух 1, внутри которого выполнена огнеупорная футеровка 2, образующая рабочее пространство, разделенное перегородкой 3 на отделение 4 для размещения электродов и отделение 5 для накопления магния. В отделение 4 размещены аноды 5, катоды 7 и катодные экраны 8, защищающие стенки электролизера от разрушений. Катоды 7 снабжены выступами 9, которые выполняет роль опор для катодных экранов 8. Такое решение позволяет значительно увеличить высоту экранов, исключить их деформацию и замыкание на аноды, а также существенно увеличить объемную плотность тока на участках межполюсного пространства, удаленных от отделений для накопления магния. Такое решение обеспечивает направленные потоки расплава в сторону перегородки и исключает задержку магния в межполюсном пространстве, где вероятно его взаимодействие с хлором. В перегородке 3 расположены переточные каналы 10 трапецеидальной формы. Увеличенная высота канала у электролитического отделения по сравнению с высотой канала у отделения для накопления магния служит созданию нужного направления потокам электролита и в тоже время создает благоприятные условия для лучшей сепарации хлора и снижению потерь в отделение для накопления магния.

Увеличению объемной плотности тока на участках, удаленных от отделения для накопления магния, способствует переменная величина межполюсного расстояния: на участках, где межполюсное расстояние минимальное, будет максимальная плотность тока и активная циркуляция электролита, что исключает появление застойных зон.

Направленная циркуляция электролита может быть обеспечена или усилена применением направляющих желобов II, установленных на верхнем срезе катодного листа, причем желоб должен быть установлен углом вниз и перекрывать не менее 25 и не более 75% (в плане) межполюсного расстояния.

Электролизер работает следующим образом. После заполнения электролизера расплавом его включают в серию постоянного тока. При прохождении тока через электролизер на катодных поверхностях 7 выделяется магний, а на анодных 6 - хлор. Образующиеся на аноднополяризованных поверхностях пузырьки газа движутся вверх и создают постоянный поток электролита через межполюсное пространство. Электролит захватывает капли полученного на катодах магния и увлекает их к поверхности расплава. Достигнув поверхности, пузырьки хлора покидают расплав, который по сложной спиральной кривой направляется в сторону отделения для накопления магния 5. При большой протяженности электродов (больше 1-1,5 м) сопротивление, создаваемое выходящими потоками электролита, может воспрепятствовать горизонтальному перемещению электролита, что приводит к появлению застойных зон. Однако принятые конструктивные решения (большая высота электродов и катодных экранов, переменное межполюсное расстояние, наличие направляющих желобов обеспечивают более интенсивное газовыделение на участках, удаленных от отделения для накопления магния, а следовательно, и направленное движение электролита и магния в зону его сепарации и накопления. Интенсивность горизонтальных потоков определяется как принятыми конструктивными параметрами, так и плотностью тока на электродах. С увеличением последней скорость горизонтальных потоков возрастает.

Роль направляющих желобов 11 определяется тем, что они, частично перекрывая межполюсное пространство, отклоняют восходящие газожидкостные потоки к поверхности анодов 6 и уменьшают вероятность попадания хлора к поверхности катодов 7, где хлор может взаимодействовать с каплями магния. Электролит, освободившись от пузырьков хлора, меняет свое направление и в турбулентном режиме опускается к катоду 7 преимущественно в средней части пространства между соседними анодами 6. На своем пути злектролит встречает направляющий желоб 11, который ограничивает его движение вниз и направляет в сторону отделения для накопления магния 5. Такая направленность потоков поддерживается более интенсивным газовыделением на участках, удаленных от отделения для накопления магния.

Достигнув перегородки 3 между отделениями поток электролита устремляется в переточные каналы 10, трапециидальная форма которых служит направлению электролита и магния в отделение для его накопления и препятствует выходу хлора в отделение для накопления магния. Для предотвращения большого заглубления переточных каналов в электролит, нижняя грань поверхности переточного канала располагается на уровне верхней грани катода.

Таким образом, предложенные решения позволяют организовать в рабочем пространстве электролизера циркуляцию расплава, направленную в сторону отделения 5, где взаимодействие электролита и магния исключается. Они обеспечивают условия, необходимые для беспрепятственной эвакуации магния из электролитического отделения 4. Это способствует стабильной работе электролизера и повышению выходов магния и хлора по току.

Формула изобретения

1. Магниевый электролизер с направленной циркуляцией электролита, включающий металлический кожух с огнеупорной футеровкой, которая образует рабочее пространство, разделенное перегородкой с переточными каналами на отделение для накопления магния и электролитическое отделение для размещения введенных через футерованные стенки стальных катодов с экранами и введенных через подину или через перекрытие углеродистых анодов, отличающийся тем, что он снабжен опорными выступами, расположенными на верхней грани каждого катода со стороны футеровки, а высота катодного экрана равна высоте катода с опорными выступами.

2. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что высота катодов с опорными выступами и высота катодных экранов в 1,05 1,4 раза больше высоты катодов у перегородки.

3. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что переточной канал в перегородке выполнен трапецеидальной формы, нижняя грань которого расположена на уровне верхней грани катода.

4. Электролизер по пп.1 и 3, отличающийся тем, что соотношение высоты переточного канала со стороны электролитического отделения к высоте переточного канала со стороны отделения для накопления магния составляет 2 3 1.

5. Электролизер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что межполюсное расстояние у перегородки в 1,5 3,0 раза больше межполюсного расстояния у места ввода катодов в рабочее пространство электролизера.

6. Электролизер по пп.1 и 5, отличающийся тем, что катоды выполнены с направляющими желобами, установленными выше верхнего среза катодов углом вниз, причем желоба перекрывают 25 75% межполюсного расстояния.

7. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что катоды выполнены в виде стальных открытых снизу коробок, толщина которых убывает по мере приближения к перегородке между отделениями электролизера.

8. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что катоды и/или аноды имеют изменяющуюся толщину, уменьшающуюся по мере приближения к перегородке между отделениями электролизера.

9. Электролизер по пп.1 и 7, отличающийся тем, что катоды, выполненные в виде стальных коробок, заполнены внутри частично или полностью магнием или натрием.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3