ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИЯ И ХЛОРА
BATH TANK FOR PRODUCTION OF MAGNESIUM AND CHLORINE

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к устройствам для получения магния и хлора электролизом расплавленных солей.
Известен электролизер для получения магния и хлора (пат. №2316618, опубл. 10.02.2008), содержащий продольные и торцевые вертикальные стенки, образующие ванну, разделенную перегородкой с переточным каналом на сборную ячейку и электролитическое отделение, в котором размещены поочередно установленные аноды и катоды в продольной стенке ванны. Причем крайними установлены катоды. В электролитическом отделении торцевые стенки, расположенные параллельно длинным сторонам катодов, имеют выступы, нависающие над верхними кромками катодов и выполненные из стойкого материала, например из плавленно-литого материала - фторфлогопита или низкоцементного огнеупорного бетона. Расстояние между выступом и рабочей поверхностью анода равно 1-4,5 межэлектродного расстояния. Это позволяет улучшить вынос магния из электролитического отделения в сборную ячейку, что приводит к повышению выхода магния по току.
Недостатком данной конструкции электролизера является то, что за счет интенсивной циркуляции расплавленного электролита хлор не успевает отделиться от электролита, и в форме пузырьков выносится в сборную ячейку, где смешивается с воздухом. Полученную смесь выводят через патрубок санитарно-технического отсоса в общий трубопровод. Это приводит к значительным потерям хлора с сантехническими газами и к большим затратам на газоочистку. Кроме того, часть хлора вступает во взаимодействие с магнием с образованием твердых хлористых солей, что приводит к образованию большого количества шлама и шламо-электролитной смеси. Периодичность откачки шламо-электролитной смеси составляет один раз в 7-10 суток. Это приводит к высоким трудозатратам на удаление шлама из электролизера, так как это ручной труд, и к загрязнению окружающей среды твердыми отходами.
Известен электролизер для получения магния и хлора (Пат. №2094536, опубл. 27.10.1997), включающий ванну, футерованную огнеупорным материалом и разделенную перегородкой с переточным каналом на сборную ячейку и на одно или несколько электролитических отделений, в которых размещены чередующиеся между собой аноды с верхним вводом и катоды с экраном и штангами в боковой стенке ванны, перекрытие с патрубком для отвода хлорсодержащих газов. Ниже входного отверстия переточных каналов перегородки выполнен выступ, обращенный в электролитическое отделение и образующий между катодами и перегородкой зазор Z-образной формы шириной, постоянной по всей высоте. Это позволяет максимально быстро выносить магний в сборную ячейку и повысить выход магния по току.
Недостатком данной конструкции электролизера является то, что за счет интенсивной циркуляции расплавленного электролита хлор не успевает отделиться от электролита, и в форме пузырьков выносится в сборную ячейку, где смешивается с воздухом. Полученную смесь выводят через патрубок санитарно-технического отсоса в общий трубопровод. Это приводит к значительным потерям хлора с сантехническими газами и к большим затратам на газоочистку. Кроме того, часть хлора вступает во взаимодействие с магнием с образованием твердых хлористых солей, что приводит к образованию большого количества шлама и шламо-электролитной смеси. Периодичность откачки шламо-электролитной смеси составляет один раз в 7-10 суток. Это приводит к высоким трудозатратам на удаление шлама из электролизера, так как это ручной труд, и к загрязнению окружающей среды твердыми отходами.
Известен электролизер для получения магния и хлора (Пат. №2196849, опубл. 20.01.2003, бюлл. №2), по количеству общих признаков принятый за ближайший аналог-прототип. Электролизер включает продольные и торцевые вертикальные стенки, образующие ванну, футерованную огнеупорным материалом и разделенную перегородкой с переточным каналом V-образной формы с выступом на сборную ячейку и электролитическое отделение, в котором размещены чередующиеся между собой аноды с верхним вводом и катоды с экраном и со штангами в продольной стенке ванны, перекрытие и патрубки для отвода хлорсодержащих газов. Расстояние от верха катодов до нижней кромки V-образного канала составляет 0,16-0,25 высоты катода, а расстояние от подины электролизера до нижней кромки катода в 1,3-1,5 раза больше расстояние от низа анода до подины. Это позволяет повысить выход магния по току на 1,5-2,0%.
Недостатком данной конструкции электролизера является то, что катоды по отношению к анодам в электролитическом отделении являются крайними для образования замкнутого потока электролита вокруг них. При этом в межэлектродном расстоянии образуется восходящий поток электролита, магния и хлора, а между стенкой и крайним катодом образуется нисходящий поток электролита. В результате на поверхности электролита в районе между продольной стенкой и поверхностью анода образуется застойная зона, в которой происходит накапливание магния. Магний вступает во взаимодействие с хлором с образованием твердых хлористых солей, что приводит к большому количеству шлама. При этой значительная часть хлора теряется на обратную реакцию взаимодействия с магнием. За счет интенсивной циркуляции расплавленного электролита хлор не успевает отделиться от электролита и выносится в сборную ячейку. В сборной ячейке хлор смешивается с воздухом, и полученную смесь выводят через патрубок санитарно-технического отсоса в общий трубопровод, что приводит к потерям хлора и высоким затратам на газоочистку. Другая часть хлора в сборной ячейке также вступает во взаимодействие с магнием с образованием твердых хлористых солей, что приводит к большому количеству шлама. Шлам, образующийся как в электролитическом отделении, так и в сборной ячейке, необходимо удалять. Так периодичность откачки шламо-электролитной смеси составляет один раз в 7-10 суток. Это приводит к большим трудозатратам, так как удаление шлама производят вручную.
Технический результат направлен на устранение недостатков прототипа и позволяет за счет интенсивного отделения хлора от электролита и направленной циркуляции хлора в сторону патрубка для отвода хлорсодержащих газов снизить выбросы хлора в сторону сборной ячейки.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является уменьшение потерь хлора с сантехническими газами и снижение выбросов хлора в атмосферу более чем в 4 раза. Кроме того, это позволит также снизить количество твердых отходов в 3 раза.
Поставленная задача решается так, что в электролизере для получения магния и хлора, включающем продольные и торцевые вертикальные стенки, образующими ванну, футерованную огнеупорным материалом и разделенную перегородкой с переточным каналом V-образной формы с выступом на сборную ячейку и электролитическое отделение, в котором размещены чередующиеся между собой аноды с верхним вводом и катоды с экраном и со штангами в продольной стенке ванны, перекрытие и патрубки для отвода хлорсодержащих газов, верхняя часть продольной стенки ванны выполнена переменного сечения в виде выступов с увеличением ее ширины сверху вниз в сторону катодных штанг, при этом на верхнем выступе установлено перекрытие, а нижний выступ выполнен наклонным; на торце катода сверху со стороны перегородки выполнен срез Z-образной формы, а на торце катода снизу - срез с наклоном в сторону электролитического отделения; выступ переточного канала перегородки размещен напротив среза Z-образной формы катода. Кроме того, отношение высоты катода к его ширине равно 1:(1,3-1,4). Кроме того, угол наклона нижнего выступа продольной стенки ванны равен 40-50°.
Кроме того, угол смещения Z-образной формы от торца катода равен 40-50°.
Кроме того, угол среза торца катода снизу равен 40-50°.
Кроме того, экран катода установлен вплотную к продольной стенке ванны.
Кроме того, соотношение расстояния между перегородкой и торцом катода к высоте катода равно 1:(20-25).
Выполнение верхней части продольной стенки ванны переменного сечения в виде выступов с увеличением ее ширины сверху вниз в сторону катодных штанг, размещение на верхнем выступе перекрытия и выполнение нижнего выступа с наклоном под углом 40-50° позволяет увеличить в электролитическом отделении над уровнем расплава сепарационную зону для отделения хлора от магния и тем самым направить образующийся в межэлектродном расстоянии хлор целенаправленно в сторону патрубка для отвода хлорсодержащих газов, что позволяет значительно снизить потери хлора, уменьшив его взаимодействие с магнием, и снизить выбросы хлора в сторону сборной ячейки и тем самым уменьшить потери хлора с сантехническими газами.
Подбор соотношения высоты катода к его ширине равным 1:(1,3-1,4) и соотношения расстояния между перегородкой и торцом катода к высоте катода равным 1:(20-25) позволяет оптимально подобрать зазор между катодом и перегородкой, а также уменьшить выход хлора в сборную ячейку, что снижает потери хлора, уменьшает степень взаимодействия магния с хлором и тем самым уменьшает образование шлама.
Выполнение торца катода сверху со стороны перегородки со срезом Z-образной формы, а торца катода снизу со срезом с наклоном в сторону электролитического отделения позволяет улучшить разделение хлора и магния в межэлектродном пространстве, уменьшить обратное взаимодействие хлора и магния с образованием твердых солей - шлама и шламо-электролитной смеси. Это приведет к снижению потерь хлора и уменьшению образования отходов.
Размещение выступа переточного канала перегородки напротив среза Z-образной формы катода позволяет направить поток магния непосредственно в сборную ячейку, исключая соприкосновение с хлором, уменьшить обратное взаимодействие хлора и магния с образованием твердых хлоридов металлов в виде шлама и шламоэлектролитной смеси. Это приведет к снижению потерь хлора и уменьшению отходов.
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 устройстве - электролизере для получения магния и хлора, 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 устройства. Заявленные признаки являются новыми и не вытекают явным образом для специалиста, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень».
На фиг.1 показан план электролизера, на фиг.2 - поперечный разрез электролизера.
Электролизер для получения магния и хлора включает ванну 1, содержащую продольные 2 и торцевые 3 вертикальные стенки, футерованную огнеупорным материалом 4 и разделенную перегородкой 5 с переточным V-образным каналом 6 с выступом 7 на сборную ячейку 8 и на электролитическое отделение 9, в котором размещены чередующиеся между собой аноды 10 и катоды 11 с экраном 12 и со штангами 13, перекрытие 14, патрубок 15 для отвода хлорсодержащих газов, верхняя часть 16 продольной стенки с верхним выступом 17 и нижним выступом 18, торец катода 19, верхняя часть 20 торца катода Z-образной формы, нижняя часть 21 торца катода с наклоном в сторону электролитического отделения, расстояние 22 между перегородкой и торцом катода.
Промышленная применимость предлагаемого изобретения подтверждает следующий пример работы электролизера.
Герметичный однорядный электролизер для получения магния и хлора выполнен на силу тока 172 кА и выходом магния по току 82-84% с одной фронтальной сборной ячейкой 8. При монтаже продольной стенки 3 ванны 1 от ее верхней части 16 футеровку 4 выполняют с образованием сепарационной зоны переменного сечения с выступом 17, а нижний выступ 18 изготавливают наклонным под углом 45°. Предварительно изготавливают катод 11 высотой Н=1170 мм и шириной Ш=1525 мм, отношение которых составляет Н:Ш=1:1.3. Верхнюю часть 20 торца 19 катода 11 срезают сваркой в виде Z-образной формы, профиль смещения которой составляет угол 45°, а нижний часть 21 торца 19 катода 11 срезают сваркой под углом, равным 45°. С противоположной стороны к катоду 11 жестко приваривают экран 12 и штангу 13 и устанавливают вплотную к продольной стенке 3 ванны 1. Катод 11 устанавливают на расстоянии L от перегородки 5, равным 50 мм, что составляет соотношение расстояния L между перегородкой и торцом катода к высоте Н катода 11, равным 1:21. В перекрытии 14, отлитом вместе с верхней частью разделительной перегородки 5, устанавливают аноды 10. В перегородке 5 выше входного отверстия отливают из огнеупорного материала переточный V-образный канал 6 и устанавливают соединением типа шип-паз к верхней части перегородки 5, а в нижней части устанавливают выступ 7. При монтаже перегородки 5 верхний переточный канал 6 с выступом 7 устанавливают напротив Z-образной формы 19 торца 18 катода 11. Над электролитическим отделением 8 устанавливают перекрытие 14 с анодами 10 и с патрубком 15 для отвода хлорсодержащих газов, которое размещают на верхнем выступе 17 футеровки 4 торцевой стенки 3 ванны 1. В сборную ячейку 7 электролизера заливают с помощью вакуум-ковша расплавленный хлорид магния. По арочным каналам нижней части перегородки 5 расплавленный хлорид магния поступает в электролитическое отделение 8 ванны 1. Под воздействием постоянного электрического тока, подаваемого на катоды 11 через штанги 13 и аноды 10, хлорид магния разлагается на хлор и магний. Образующиеся на поверхности анода 10 пузырьки хлора движутся вверх и создают восходящий поток электролита в межэлектродном расстоянии. Достигнув поверхности, пузырьки хлора отрываются от электролита выше уровня магния и направляются в пространство к верхней части 16 продольной стенки 3 ванны 1. Это позволяет исключить образование застойной зоны, что способствует созданию направленной циркуляции электролита и магния в сторону сборной ячейки 7 и быстрому разделению хлора и магния. Хлор выводят через патрубок 15 для отвода хлорсодержащих газов, а поток электролита с магнием из электролитического отделения 8 через переточный канал 6 перегородки 5 возвращают в сборную ячейку 7. Магний извлекают из сборной ячейки с помощью вакуум-ковша и направляют потребителю.
Таким образом, предложенная конструкция электролизера для получения магния и хлора позволяет за счет интенсивного отделения хлора от магния и направленной циркуляции хлора в сторону патрубка для отвода хлорсодержащих газов снизить выбросы хлора в атмосферу в 10-20 раз, снизить количество твердых отходов в 3 раза.