Способ получения магния и хлора и электролизер для его осуществления
Изобретение относится к производству магния и хлора электролизом из расплава солей, содержащих MgCl2. Способ включает 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. Скорость потока электролита и магния над катодами регулируют путем изменения высоты верхних циркуляционных каналов в зависимости от среднего межэлектродного расстояния. Газонаполнение электролита пузырьками хлора в межэлектродном зазоре поддерживают равным 6-25 условных единиц, которое определяют по формуле. Электролиз проводят с обеспечением переменной площади сечения межэлектродных зазоров по ходу движения восходящих потоков электролита, увеличивающейся по ходу движения расплава. Электролизер содержит камеру электролиза с чередующимися анодами и катодами и ячейку для сепарации магния, отделенную от камеры электролиза перегородкой с верхними и нижними циркуляционными каналами. Высота катода превышает межэлектродный зазор в 25-60 раз, а рабочая поверхность катода или анода выполнена с наклоном к вертикали под углом 38’-1°26’. Техническим результатом является снижение расхода электроэнергии при одновременном повышении силы тока на электролизере и его производительности. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к производству магния и хлора электролизом из расплава солей, содержащих MgCl2.
Известен способ получения магния и хлора с использованием бездиафрагменного электролизера, включающего камеру электролиза с чередующимися анодами и катодами, ячейку для сепарации магния, отделенную от камеры электролиза перегородкой, с верхними и нижними циркуляционными каналами, включающий замкнутую циркуляцию электролита между камерой электролиза и ячейкой для сепарации магния.
Скорость и направление потоков электролита в замкнутом циркуляционном контуре определяются количеством хлора в объеме электролита, т.е. газонаполнением электролита пузырьками хлора, количество которых, прежде всего, зависит от плотности тока, рабочей высоты электродов и междуэлектродного расстояния (Цветные металлы. 1976. №2, с.53.; 1975. №11, с.43).
В промышленных бездиафрагменных электролизерах рабочая высота электродов и межэлектродное расстояние принимались такими же, как и на диафрагменных электролизерах: высота катода 850-1000 мм и межэлектродное расстояние 50-70 мм. При плотности тока (катодной) 0,24-0,3 А/см2 газонаполнение электролита пузырьками хлора в межэлектродном зазоре составляет 3-5.
К недостаткам известного способа следует отнести ограниченность его применения.
Способ нашел применение в бездиафрагменных электролизерах с рабочей шириной электродов до 0,6 м на силу тока до 100-120 кА. Ведение процесса электролиза при газонаполнении в межэлектродных зазорах, равном 3-5 условных единиц, на электролизерах с рабочей шириной электродов более 0,6 м приводит к появлению замкнутых потоков электролита внутри междуэлектродных зазоров, и скорость движения электролита недостаточна для вывода магния из камеры электролиза в ячейку для сепарации магния. При этом значительная часть магния остается в камере электролиза, многократно циркулирует в нем и интенсивно взаимодействует с хлором, что приводит к снижению выхода магния по току.
Наиболее близким аналогом для изобретения является способ получения магния и хлора, описанный в патенте РФ №2095482, С 25 С.
Известен способ получения магния и хлора из содержащего MgCl2 расплава солей в электролизере с одной или несколькими камерами электролиза с чередующимися анодами и катодами и ячейкой для сепарации магния, отделенной от камеры электролиза перегородкой с верхними и нижними циркуляционными каналами, включает 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 с регулируемой скоростью.
Недостатком известного способа является то, что использование переменной высоты рабочей поверхности катодов, убывающей в направлении к ячейке для сепарации магния, не создает условий для создания потока электролита и магния над катодами, направленного в сторону верхних циркуляционных каналов.
Увеличенная высота рабочих поверхностей катодов и анодов приводит к тому, что на участках, наиболее удаленных от ячейки для сепарации магния, газонаполнение электролита пузырьками хлора в межэлектродном зазоре оказывается меньше, чем на участках, расположенных ближе к ячейке для сепарации магния. Этот парадокс объясняется следующим: на участках с увеличенной высотой катодов пузырьки хлора начинают соприкасаться с поверхностью катодов и расходуются на хлорирование магния, в результате чего верхняя часть поверхности стального катода становится не облуженной магнием, и на этой поверхности катода магний выделяется в виде мелких шариков диаметром менее 1 мм, которые легко хлорируются в газожидкостном слое, что дополнительно снижает газонаполнение пузырьками хлора в межэлектродных зазорах с увеличенной высотой катодов. В результате чего в межэлектродном зазоре напротив поверхностей с увеличенной рабочей высотой появляются нисходящие потоки электролита. Зона с нисходящими потоками электролита увеличивается с увеличением ширины электродов до 1,5-2,0 мм и уменьшением межэлектродного расстояния менее 50 мм.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в увеличении рабочей ширины электродов до 2,0 м и более, снижении междуэлектродного расстояния и, как следствие, повышении производительности электролизера, снижении удельного расхода электроэнергии.
Технический результат заключается в том, что при получении магния достигается снижение удельного расхода электроэнергии при одновременном повышении силы тока на электролизере и его производительности.
Технический результат достигается тем, что в известном способе получения магния и хлора из содержащего MgCl2 расплава солей в электролизере с одной или несколькими камерами электролиза с чередующимися анодами и катодами, ячейкой для сепарации магния, отделенной от камеры электролиза перегородкой с верхними и нижними циркуляционными каналами, включающей 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, согласно изобретению регулируют скорость потока электролита и магния над катодами путем изменения высоты верхних циркуляционных каналов в зависимости от среднего межэлектродного расстояния, выбираемого из условия
h канала=(1,0-10,0)lср.,
где hканала - высота верхних циркуляционных каналов, см;
l ср - среднее межэлектродное расстояние, см,
и газонаполнение электролита пузырьками хлора в межэлектродном зазоре поддерживают равным 6-25 условных единиц, которое определяют по формуле
где G - газонаполнение электролита пузырьками хлора в междуэлектродном зазоре;
dk - катодная плотность тока, А/см2;
Нk - высота катода, см,
при этом электролиз проводят с обеспечением переменной площади сечения межэлектродных зазоров по ходу движения восходящих потоков электролита, увеличивающейся по ходу движения расплава.
Электролизер для осуществления вышеописанного способа 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. Для решения поставленной задачи в электролизере высота катода превышает междуэлектродный зазор в 25-60 раз, а рабочая поверхность катода или анода выполнена с наклоном к вертикали под углом 38’-1°26’.
Пример осуществления способа получения магния и хлора.
Электролизер для осуществления способа представлен на фиг.1-3.
Электролизер содержит кожух 1, футерованный изнутри огнеупорным материалом 2, камеру электролиза 3 с чередующимися анодами 4 и катодами 5, ячейку 6 для сепарации магния, арочную перегородку 7, отделяющую камеру электролиза от ячейки для сепарации магния, с верхними циркуляционными каналами 8 и нижними каналами 9. Камера электролиза 3 укрыта сверху перекрытием 10.
Электролизер работает следующим образом.
После заливки в электролизер расплава, содержащего 10-18% МgСl 2, 35-40% NaCl и 45-50% KCl, подключают постоянный ток к электродам. При температуре электролита 660-670°С на анодах 4 выделяется хлор, а на катодах 5 выделяется магний. За счет высокого газонаполнения электролита пузырьками хлора в межэлектродном зазоре 12 появляются восходящие потоки электролита вместе с магнием и хлором, который собирается над электролитом в камере электролиза, откуда через патрубок 11 хлор непрерывно удаляется в магистральный хлоропровод. Над катодами электролит вместе с магнием поступает через циркуляционные каналы 8 в ячейку 6 для сепарации магния, где магний накапливается на поверхности электролита и периодически выбирается вакуум-ковшом. Освободившийся от магния электролит в ячейке 6 направляется вниз, и далее через нижние каналы 9 потоки электролита поступают в межэлектродные зазоры 12.
Предложенные параметры газонаполнения электролита пузырьками хлора в междуэлектродных зазорах обеспечивают условия, при которых в междуэлектродном зазоре по всей его длине создаются восходящие потоки электролита, направленные в верхней части зазора выше катодов в сторону ячейки для сепарации магния, что способствует ускорению вывода магния из камеры электролиза в ячейку для сепарации. Для поддержания параметров по газонаполнению электролита пузырьками хлора при постоянной высоте электродов необходимо значительно снизить расстояние между электродами (примерно в 2-3 раза) и повысить в 1,5-2,0 раза плотность тока по сравнению с известными способами, что позволит повысить силу тока на электролизере и его производительность.
При увеличении параметра газонаполнения электролита свыше 25 условных единиц за счет высокого скоростного напора газоэлектролитной смеси происходит отрыв зарождающихся мелких капель магния с поверхности катода, которые легко хлорируются в турбулентном потоке электролита и хлора, что приводит к резкому снижению выхода по току и производительности электролизера. Кроме того, потери хлора с газами сантехотсоса прямо пропорциональны газонаполнению электролита хлором. С увеличением газонаполнения возрастает скорость потока электролита и увеличивается число пузырьков хлора, которые выносятся из междуэлектродных зазоров в ячейку для сепарации магния.
При уменьшении газонаполнения меньше 6 условных единиц появляются нисходящие потоки электролита в междуэлектродном зазоре, что приводит к снижению выхода по току.
Увеличение площади сечения восходящих потоков электролита в междуэлектродном зазоре по ходу движения приводит к снижению разницы скоростей потока по высоте междуэлектродного зазора, что способствует улучшению облуженности катода магнием, подъему его по поверхности катода и отрыва магния от поверхности катода в верхней части катода. Последнее приводит к снижению потерь магния за счет его хлорирования и увеличению выхода по току.
Скорость потока электролита и магния над катодами регулируется изменением высоты верхних каналов, которая, в свою очередь, определяется средним расстоянием между электродами. При соотношении высоты канала к среднему междуэлектродному расстоянию менее 1,0 увеличивается гидравлическое сопротивление канала, что ухудшает условия вывода магния из камеры электролиза в ячейку для сепарации магния. Соотношение высоты канала к среднему междуэлектродному расстоянию более 10,0 приводит к резкому увеличению потерь хлора с газами сантехотсоса, удаляемых из ячейки для сепарации через патрубок 13.
Благодаря указанным соотношениям высоты канала к междуэлектродному расстоянию обеспечиваются условия, при которых в пространстве между анодами выше катодов образуется поток электролита и магния, направленный в сторону верхних циркуляционных каналов.
Благодаря указанным углам наклона рабочих поверхностей катода или анода, или анода и катода, к их вертикальной оси увеличивается общая рабочая поверхность электродов и сила тока на электролизере, а, следовательно, увеличивается его производительность.
При увеличении угла наклона рабочей поверхности катода или анода к вертикали более 1°26’ снижается общая рабочая поверхность электродов и сила тока на электролизере, а, следовательно, снижается его производительность.
При уменьшении угла наклона рабочей поверхности катода или анода менее 38’ хлорный веер будет касаться верхней части поверхности катода, что приведет к преждевременному отрыву мелких капель магния с поверхности катода и увеличению его потерь.
Таким образом, использование изобретения позволяет снизить удельный расход электроэнергии на 1000кВт·ч/т Мg и повысить производительность электролизера на 40%.
Формула изобретения
1. Способ получения магния и хлора из содержащего MgCl 2 расплава солей в электролизере с одной или несколькими камерами 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
hканала=(1,0÷10,0)·lcp ,
где hканала - высота верхних циркуляционных каналов, см;
lcp - среднее межэлектродное 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;
dk - катодная плотность тока, А/см2;
Hk - высота катода, 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 38’÷1°26’.
РИСУНКИ
