Магнитный смеситель для электрохимического синтеза

2
Полезная модель относится к области технологии электрохимических производств, например к синтезу сульфата титана(III) в сернокислотном производстве пигментного диоксида титана (TiO).
2
2
3+
3+
В сульфатной технологии производства пигментного TiO сульфат титана(III) является активным восстановителем ионов железа(III), т.к. Fe гидролизуется в технологических растворах при рН = 1,6…3,5 с образованием нерастворимых окрашенных коллоидов, взаимодействующих с пастой TiO(OH), что препятствует получению белого пигмента. При использовании в технологии сульфата титана(III), который является блокиратором Fe, исключается использование металлолома железа и порошкового алюминия.
Один из способов синтеза сульфата титана(III) основан на принципе замены молекулярной на конвективную диффузию под действием импульса, передаваемого электролиту механической мешалкой [Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. 9-е изд. М.: Химия, 1973. - 750 с.]. При этом достигается интенсификация процессов массопереноса и улучшения теплообмена растворов и равномерные распределения ионов электролитов по объему раствора и, особенно, у поверхности электродов двойного электрического слоя (Гуи).
Перемешивание растворов может достигаться различными способами, однако следует учесть, что титан(III) является сильным восстановителем, поэтому применение эффективного способа барботажем газа через слой раствора может быть только инертными газами. Не менее эффективным способом является механическое перемешивание электролита. Арсенал конструкций механических мешалок с вращательным движением насчитывает большое количество. К ним относятся магнитные мешалки с вертушками, лопастные мешалки и др.
К недостаткам известных технических решений можно отнести то, что применение инертных газов в технологическом процессе для перемешивания сернокислотных растворов в присутствии титанилсульфата и сульфата титана(III) принуждает использовать отвод газа для нейтрализации унесенной серной кислоты.
При использовании механического способа перемешивания растворов необходимо использовать мешалки из материалов, устойчивых к серной кислоте.
Однако традиционными механическими методами повысить скорость движения электролитов в электролизере является весьма проблематично из-за малых пространств между катодом и анодом (10-20 мм). Кроме того, эффект перемешивания электролитов достигается только в нижней части электролизера. Использование указанных методов перемешивания электролитов значительно повышает себестоимость готовой продукции из-за расхода газа и нейтрализации серной кислоты или затраты на износ мешалок, электрооборудования и электроэнергии.
В качестве прототипа выбран наиболее близкий по технической сущности и достигаемому эффекту - ферровихревой аппарат [патент РФ №2323040, Ферровихревой аппарат, Кл. B01F 13/08, опубликовано: 27.04.2008], который относится к электромеханической переработке жидких, сыпучих и других смесей. Аппарат содержит цилиндрический корпус с реакционной камерой из немагнитного материала. В камере содержится рабочая зона с ферромагнитными частицами и аксиальным магнитопроводом, в виде шихтованного кольца прямоугольного сечения. Магнитопровод индуктора представляет собой шихтованное кольцо прямоугольного сечения с пазами и заложенной в них трехфазной обмоткой. При подключении обмотки к трехфазному переменному току в рабочей зоне реакционной камеры возникает вращающееся электромагнитное поле, увлекающее за собой ферромагнитные частицы, а они, в свою очередь, воздействуют на вещества, находящиеся в камере. Обрабатываемое вещество перемешивается за счет комплекса сил, действующих на частицы.
Недостатками прототипа являются:
- затраты электроэнергии для обеспечения вращающегося электромагнитного поля в рабочей зоне;
- при прохождении электрического тока по трехфазной обмотке происходит нагрев проводов с распространением тепла в рабочую зону, это приводит к плохо управляемым электрохимическим процессам;
- затраты электроэнергии на обязательное термостатирование электролитов в рабочей зоне;
- загрязнение электролитов материалами, образующимися при износе внутренней поверхности реакционной камеры и ферромагнитных частиц;
- ферровихревой аппарат по конструкционным особенностям является весьма сложным и нуждается в использовании охлаждающих сред и ферромагнитных частиц, которые сложно подобрать при использовании сернокислотных электролитов с рН = 0,5-3,5.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности активного восстановления ионов металлов в технологических процессах и уменьшение себестоимости получения активного восстановителя сульфата титана(III) путем применения конвективной диффузии для обеспечения турбулентного движения электролита в межкатодном пространстве.
Магнитный смеситель для электрохимического синтеза включает источник магнитного поля, воздействующий на заряженные частицы ионы в реакционной камере, источник магнитного поля имеет грибовидную форму с одинаковым профилем верхней и нижней части, выполненных из магнитомягких сплавов, имеющих высокую магнитную проводимость, например пермаллоя, центральная часть грибовидной конструкции выполнена из набора чередующихся элементов из постоянных магнитов из сплава NdFeB и из магнитомягких сплавов, при этом грибовидные фланцы и постоянные магниты с магнитопроводящими вставками изолированы от контакта с электролитом путем их покрытия фторопластом.
Устройство представлено графически (Фиг.), где представлена принципиальная схема электролизера с направленным магнитным полем: 1 - ванна; 2 - грибовидный магнитопровод; 3 - катод; 4 - магнитное поле; 5 - мембрана; 6 - анод; 7 - магниты постоянные; 8 - химзащитное покрытие фторопластом; 9 - сплав пермаллой.
Грибовидный источник магнитного поля - магнитопровод 2 выполнен из набора чередующихся постоянных магнитов 7 из сплава NdFeB, имеющих высокую магнитную проводимость, и из магнитомягких сплавов 9 (пермаллоя) в центральной части.
В электролизере используются постоянные магниты состава NdFeB с целью использования силы Лоренца для обеспечения турбулентного движения растворов в прикатодном пространстве. Для уменьшения количества постоянных магнитов используются магнитомягкие сплавы, поочередно. При проведении электролиза в ванну 1 с технологическим раствором помещают магнитный смеситель для электрохимического синтеза - специальное устройство с направленным магнитным полем.
Схема осуществления электролиза включает следующие элементы: грибовидный магнитопровод 2 с набором чередующихся магнитов из сплава NdFeB 7 и магнитомягких сплавов 9 (пермаллоя); катод 3 из полиметаллической сетки состава 12Х18Н10Т, обеспечивающей прохождение через него электролита; направленное магнитное поле 4, создаваемое с помощью грибовидных магнитопроводов; мембраны 5 из полипропиленовой ткани, разъединяющей катодное и анодное пространство; анод 6 из полиметаллической сетки, сложенной в пять слоев и покрытой до восьми раз диоксидом марганца термическим способом. Грибовидные фланцы и постоянные магниты с магнитопроводящими вставками изолированы от контакта с электролитом путем их покрытия фторопластом 8.
Применение магнитных полей для турбулентного перемешивания электролита основано на взаимодействии электрических зарядов ионов электролита, во время их движения с магнитными полями, в результате чего возникает магнитная составляющая силы Лоренца, которая вызывает изменения направления движения заряженных частиц, но не влияет на их скорость. В качестве доказательства преимуществ динамического режима электролиза с наличием турбулентного перемешивания растворов по отношению статического режима были выполнены сопоставительные исследования.
Примеры конкретного исполнения.
3
2+
3
3
3
3
3
3+
2
2
4
2
4
Пример первый. Восстановление титанилсульфата  осуществлено в технологическом растворе с плотностью 1,51 г/см и массовой концентрацией TiO в пересчете на TiO = 140 г/дм в присутствии HSO с массовой концентрацией 475 г/дм (свободная HSO 150 г/дм) при температуре 60±2°С. Процесс электролиза проводили в течение 2,5 часа в статическом режиме с током 5,5 А/дм и напряжении 3,5 В. За период восстановления 1,0 дм раствора с титанилсульфатом образовалось 18,4 г Ti, что составляет выход по току 74,8%.
3
2+
3
3
3
3
3
3+
2
2
4
2
4
Пример второй. Восстановление титанилсульфата осуществлено в технологическом растворе с плотностью 1,51 г/см и массовой концентрацией TiO в пересчете на TiO = 140 г/дм в присутствии HSO с массовой концентрацией 475 г/дм (свободная HSO 150 г/дм) при температуре 60±2°С. Процесс электролиза проводили в течение 2,5 часа в динамическом режиме (с использованием магнитного смесителя для электрохимического синтеза) с током 5,5 А/дм и напряжении 3,5 В. За период восстановления 1,0 дм раствора с титанилсульфатом образовалось 23,3 г Ti, что составляет выход по току 94,7%.