ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЛИТИЯ
ELECTROLYSER FOR OBTAINING LITHIUM METAL

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения щелочных металлов электролизом расплавленных солей, в частности в промышленном производстве лития.
Известен электролизер для получения лития, состоящий из герметичного корпуса, выполненного из нержавеющей стали, цилиндрического анода и катода, окружающего анод, при этом межэлектродное расстояние составляет 20 мм, циркуляция электролита осуществляется принудительным способом с помощью насоса. Выделившийся расплав лития направляется в отстойник, где осуществляется разделение металла и расплава солей (см. FR 2560121, A1, Phone Pouleng Speciatites, 30.08.85, С25С 3/02).
Недостатками данного электролизера является то, что из-за малого межэлектродного расстояния требуется принудительный нагрев электролита через обогреваемые с наружной стороны стенки его корпуса. В результате этого незащищенный корпус электролизера, контактирующий с внутренней стороны с расплавом лития металлического, хлоридов калия и лития, а также газообразным хлором, подвержен повышенному коррозионному воздействию. Кроме того, при малом межэлектродном расстоянии и высокой концентрации выделяющегося на анодах хлора возможна рекомбинация хлора с выделяющимся на катодах металлическим литием, сопровождающаяся вторичным образованием хлорида лития, что ведет к снижению катодного выхода по току. Существует также вероятность выхода из строя насоса для перекачки электролита.
Известен электролизер для получения лития методом электролиза расплавленных солей, включающий герметичный стальной корпус, футерованный изнутри керамическим кирпичом, два цилиндрических анода и катода, разделенные стальной сетчатой диафрагмой, устройство для удаления анодных газов и средство для сбора и транспортировки лития внутри корпуса, выполненное в виде лотка, отводной патрубок которого соединен с накопителем лития, находящимся вне электролизера (см. US 4092228, 30.05.78, С25С 3/02).
Недостатками данного электролизера является то, что под лоток для сбора и транспортировки лития внутри корпуса, кроме лития и водорода, выделившегося на катоде, попадает значительное количество хлора, что может привести к образованию взрывоопасной газовой смеси в сборнике. Кроме того, в результате взаимодействия лития с газообразным хлором в сборнике может образовываться хлорид лития, который вместе с литием попадает в изложницы, ухудшая качество товарного лития. Наличие диафрагмы между анодами и катодами, помимо увеличенного омического сопротивления, может приводить к загрязнению электролита продуктами коррозии диафрагмы. Керамический кирпич, используемый для теплоизоляции электролизера, непосредственно контактирует с расплавом электролита и металлического лития, что приводит к загрязнению электролита посторонними включениями.
Известен электролизер для получения лития методом электролиза расплавленных солей, содержащий герметичный корпус и приваренный к нему катод, выполненные из конструкционной стали. Графитовый анод находится в центре в катодном пространстве. Хлор, выделяющийся на аноде, собирается в пространстве над расплавом солей. Литий поднимается на поверхность и передается в сифонную трубу, а затем в сепаратор, в котором происходит разделение расплава лития и электролита. Пространство камеры, где производится сепарация, постоянно продувается защитным газом для удаления газообразного водорода и защиты поверхности лития от окисления. Передача лития из электролизера в камеру сепарации осуществляется с помощью мешалки (см. US 4740279, 26.04.88, С25С 3/02).
Недостатками этого электролизера является то, что корпус электролизера с внутренней стороны не имеет футеровки, то есть лишен защиты от коррозионного действия электролита, расплава лития и газообразного хлора. Велика вероятность замыкания между катодом и анодом выделившимся расплавом лития из-за того, что катод выступает над поверхностью электролита. Продувка камеры сепарации защитным газом, кроме его большого расхода, может приводить также к загрязнению лития примесями, содержащимися в защитном газе. Есть вероятность выхода из строя мешалки для передачи лития из электролизера в камеру сепарации.
Наиболее близким по техническим признакам и достигаемому результату к предлагаемому устройству является электролизер для получения металлического лития (см. патент RU 2135642, 27.08.99, С25С 3/02, С25С 7/00 - прототип), содержащий охлаждаемый корпус, выполненный из нержавеющей стали, с вертикальными боковыми стенками, охлаждаемыми снаружи через отдельные рубашки охлаждения (см. фиг.3 RU 2135642). Благодаря этому на внутренней поверхности корпуса образуется защитный гарнисажный слой, снижающий вероятность его коррозии. Графитовые аноды вводятся в электролизер сверху. Катоды приварены к дну электролизера и сверху оборудованы лотками для транспортировки лития в сборник и накопитель, расположенные вне электролизера. Осуществляется постоянная продувка сборника и накопителя расплава лития защитным газом.
Недостатками известного электролизера является то, что из-за наличия отдельных рубашек охлаждения корпус снаружи охлаждается неравномерно, что приводит к образованию в нем термических напряжений, которые могут вызывать коррозионное растрескивание корпуса электролизера. Кроме того, наличие отдельных рубашек охлаждения приводит к тому, что образуемый на внутренней поверхности корпуса электролизера слой гарнисажа неравномерен по толщине и плотности. В некоторых частях электролизера гарнисаж может совсем не образовываться.
Постоянная продувка сборника и накопителя защитным газом приводит к его большому расходу. Кроме того, герметичная система сбора и транспортировки лития не является безопасной, т.к. не обеспечивает полного удаления водорода, выделяющегося на катоде из-за наличия влаги в исходном хлориде лития. Система лотков для сбора расплава лития не обеспечивает улавливания всего выделившегося лития. Часть расплава лития всплывает на поверхность электролита, поэтому дальнейшее извлечение металлического лития, не попавшего в лотки, в данном электролизере затруднительно. Вертикальные боковые стенки корпуса электролизера обусловливают резкий перепад уровня электролита в периоды между загрузками хлорида лития, в результате чего увеличивается вероятность оголения верхнего края катодов и замыкания расплава лития между катодами и анодами, сопровождающегося опасными выбросами электролита и расплава лития.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое устройство электролизера для получения металлического лития, является повышение качества металлического лития при одновременном снижении его пожаро- и взрывоопасности, повышение безопасности при эксплуатации, увеличение срока службы, а также улучшение эксплуатационных характеристик электролизера.
Технический результат достигается тем, что в электролизере для получения металлического лития, содержащем металлический корпус, катоды, аноды, устройства для загрузки хлорида лития и удаления анодных газов, согласно изобретению корпус электролизера выполнен в форме перевернутого усеченного конуса, снаружи оснащенного цельным коробом, оборудованным системой прокачки с регулируемым расходом воздуха для охлаждения корпуса электролизера, служащим одновременно аварийным сборником расплава электролита в случае возникновения течи в корпусе. При этом электродная группа смещена от оси конического корпуса электролизера к его задней части, а загруженный хлорид лития расположен в межэлектродном пространстве электролизера.
Выполнение корпуса электролизера в форме перевернутого усеченного конуса, расширяющегося к его верху, обеспечивает минимальный перепад электролита в электролизере, что предотвращает оголение верхней части катодов в периоды между загрузкой хлорида лития и возможность межэлектродного замыкания через расплав металлического лития.
Наличие цельного короба снаружи корпуса электролизера, оборудованного системой прокачки с регулируемым расходом воздуха для охлаждения, обеспечивает предотвращение коррозии корпуса электролизера, снижение в нем термических напряжений, а также регулирование толщины защитного слоя гарнисажа и поддержания температуры расплава электролита, необходимой для стабильного протекания процесса электролиза, при этом избыточное тепло, выделяющееся при электролизе, отводится через короб за счет прокачки через него воздуха. Электролит и расплав лития предохраняются от попадания в него продуктов коррозии корпуса электролизера. Безопасность работ повышается за счет того, что расплав лития свободно всплывает на поверхность электролита, при этом из него удаляется весь водород, обычно присутствующий в атмосфере закрытых сборников.
Кроме того, безопасность обеспечивается тем, что цельный короб снаружи корпуса электролизера, кроме функции охлаждения корпуса электролизера, выполняет функцию аварийного сборника расплавов солей и лития в случае разгерметизации корпуса.
Смещение электродной группы внутри электролизера от его оси к задней части позволяет достичь локализации расплава металлического лития в одной зоне для организации его съема.
Расположение загружаемого в электролизер хлорида лития в межэлектродном пространстве обеспечивает увеличение скорости плавления хлорида лития за счет перемешивания анодными газами.
Перечисленные признаки способствуют в конечном итоге увеличению срока эксплуатации электролизера. Отсутствие продуктов коррозии в расплаве лития ведет к повышению чистоты получаемого расплава лития.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
Электролизер для получения металлического лития включает корпус 1 из нержавеющей стали, вокруг наружной боковой и донных поверхностей которого находится цельный короб 2 воздушного охлаждения корпуса 1 и стальные ребра охлаждения 3, приваренные к корпусу 1, четыре анода 4 и три катода 5, образующие электрохимическую группу, устройство 6 для подачи сухого хлорида лития в электролизер, устройство 7 для отведения анодных газов.
Электролизер работает следующим образом.
После заполнения электролизера расплавом солей 38-42 мас.% KCl и 58-62% мас. LiCl подается постоянный ток силой 15-25 кА. Электролиз ведут при температуре расплава солей 400-500°С. Поддержание уровня электролита 9 осуществляют периодической загрузкой хлорида лития через устройство 6, причем введение хлорида лития ведут в межэлектродное пространство для более быстрого его плавления за счет перемешивания анодными газами. В процессе электролиза литий 10, выделяющийся на катодах 5, всплывает на поверхность электролита. Электродная группа смещена относительно центра конического корпуса электролизера к его задней стенке. За счет этого литий скапливается в передней части электролизера, что облегчает его извлечение. Выпускание расплава лития на поверхность электролизера позволяет удалить из него растворенный водород. Газообразный хлор, выделяющийся на аноде, удаляется из электролизера устройством 7 и направляется на утилизацию. Выполнение корпуса электролизера в виде перевернутого усеченного конуса обеспечивает снижение перепада уровня электролита 9 между загрузками хлорида лития.
Межэлектродное расстояние и сила тока подобраны таким образом, чтобы при электролизе выделялось такое количество тепла, которое обеспечивает необходимую температуру электролита для стабильного протекания процесса электролиза. Избыточное количество тепла отводится через систему воздушного охлаждения электролизера, при этом на внутренней поверхности корпуса электролизера формируется слой 8 закристаллизованных солей - гарнисаж, который служит для надежной изоляции корпуса электролизера от коррозионного влияния расплава солей, металлического лития и газообразного хлора.
Температуру расплава электролита, а также необходимую толщину защитного слоя 8 гарнисажа можно легко регулировать путем изменения расхода воздуха в системе охлаждения с помощью шиберов. Это особенно важно при изменении температуры окружающей среды в зимний и летний период.