СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИЯ И ХЛОРА И ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR OBTAINING MAGNESIUM AND CHLORINE, AND ELECTROLYSIS UNIT FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к производству магния и хлора электролизом расплавленных солей.
Известен способ получения магния и хлора в бездиафрагменном электролизере, состоящем из сборных и рабочих ячеек, в которых находятся аноды и катоды, разделенных перегородкой с верхними и нижними циркуляционными каналами. Благодаря газонаполнению уровень электролита в рабочих ячейках выше, чем в сборных, вследствие чего электролит с корольками магния перетекает из рабочих ячеек в сборные (И.И.Иванов, М.В.Ляндлес, О.В.Прокофьев. Производство магния. - М.: Металлургия, 1979, с.158).
Недостатком известного способа является невозможность управления циркуляционным потоком с точки зрения полного и быстрого вывода металла из рабочих ячеек.
Известен способ получения магния и хлора, описанный в патенте РФ №2095482, C25C 3/04, в котором направленная замкнутая циркуляция электролита создается в магниевом электролизере, включающем металлический кожух с огнеупорной футеровкой, образующей 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. Направленная циркуляция электролита обеспечивается:
- более высокой объемной плотностью тока на участках, удаленных от отделения накапливания магния, за счет увеличения высоты катодных экранов,
- применением разновеликого межполюсного расстояния по длине рабочей ячейки,
- установкой на катоды направляющих желобов.
Недостатком известного способа является то, что применение всех перечисленных технических решений не обеспечивает полного и быстрого вывода магния из рабочих отделений. Проведенные газогидродинамические исследования на водной модели электролизера в масштабе 1:1 показали, что установка разновеликого межэлектродного расстояния по длине рабочего отделения, а тем более использование направляющих желобов на катоде, приводит к образованию вихревых нисходящих потоков по межэлектродному пространству, препятствующих перемещению электролита к переточным каналам. Время пребывания корольков магния в хлоронасыщенной зоне увеличивается, что приводит к снижению выхода по току. Некоторое повышение плотности тока в районе катодных экранов не обеспечивает в полной мере направленного потока электролита с магнием в сторону верхних переточных каналов.
2
Известен способ получения магния и хлора из содержащего MgCl 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, взятый в качестве прототипа (патент РФ №2243295), включающий поддержание газонаполнения электролита хлором в межэлектродном зазоре, организацию циркуляции, направленной над катодами в сторону верхних циркуляционных каналов, путем изменения высоты верхних циркуляционных каналов в зависимости от межэлектродного пространства, а также обеспечением переменной площади сечения межэлектродных зазоров по ходу движения восходящих потоков электролита.
Как показали гидродинамические испытания на водной модели электролизера-прототипа, основным его недостатком является образование в камере электролиза двух равноценных, четко выраженных циркуляционных контуров противоположного направления:
- часть потока электролита направлена в сторону верхнего циркуляционного канала (основной контур),
- другая часть потока - в сторону катодного экрана (обратный контур).
В циркуляционном контуре, направленном в противоположную от разделительной перегородки сторону, многократно вращаясь, магний дробится на мелкие капли. Увеличивается время пребывания их в хлоронасыщеной зоне, что приводит к значительным потерям металла и снижению выхода по току.
При равномерном газонаполнении электролита по ширине камеры электролиза разделение контуров на основной и обратный происходит практически по центру электродов.
Изменение высоты верхних переточных каналов регулирует количество пузырьков газа, выбрасываемых в сборную ячейку, но мало влияет на разницу газонаполнения электролита над катодными экранами и у разделительной перегородки. Перепада газонаполнения электролита по длине камеры электролиза недостаточно для направления максимальной массы электролита с магнием в сторону разделительной перегородки.
Переменная площадь сечения межэлектродных зазоров по ходу движения восходящих потоков электролита способствует возникновению внутренних вихревых контуров между электродами, направленными перпендикулярно основному контуру и ослабляющему его.
Задачей изобретения является создание благоприятных гидродинамических условий для быстрого и полного вывода магния из электролитических отделений.
Технический результат направлен на повышение технологических показателей электролизера.
Данная задача решается тем, что в предлагаемом способе получения магния и хлора из расплавов хлормагниевых солей в электролизере, содержащем футерованную ванну, разделенную перегородкой с верхними и нижними циркуляционными окнами на одно или несколько электролитических отделений с чередующимися анодами и катодами с катодными экранами, и сборную ячейку, включающем создание замкнутой циркуляции электролита между электролитическими отделениями и сборной ячейкой, для создания потока электролита с магнием, горизонтально направленного над катодами в сторону верхних циркуляционных окон, формируется зона повышенного газонаполнения электролита в районе катодных экранов путем выполнения футеровки продольной стены в электролитическом отделении с нависанием над катодными экранами и с расстоянием между торцами анодов и футеровкой, равным 0,5÷1,5 среднего межэлектродного расстояния, и зона пониженного газонаполнения электролита - у разделительной перегородки.
В электролизере для осуществления вышеописанного способа получения магния и хлора, включающем футерованную ванну, разделенную перегородкой с верхними и нижними циркуляционными окнами на одно или несколько электролитических отделений с чередующимися анодами и катодами и сборную ячейку, футеровка продольной стены в электролитическом отделении выполнена с нависанием над катодными экранами. При этом расстояние между торцами анодов и футеровкой равно 0,5÷1,5 среднего межэлектродного расстояния.
Кроме того, разделительная перегородка выше верхних циркуляционных окон размещена относительно торцов анодов на расстоянии, равном 1,5÷4 средних межэлектродных расстояний.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о соответствии решения критериям «новизна» и «существенные отличия».
Продольный разрез электролизера для получения магния и хлора представлен на чертеже. Электролизер содержит футерованную ванну 1, разделительную перегородку 2 с верхними 3 и нижними 4 циркуляционными окнами, сборную ячейку 5 и электролитическое отделение 6, в которых размещены аноды 7 и катоды 8 с катодными экранами 9.
Электролизер работает следующим образом.
В сборную ячейку 5 электролизера заливают расплав хлористых солей, подают электрический ток к электродам. При прохождении электрического тока на анодных поверхностях 7 выделяется газообразный хлор, а на катодных 8 - жидкий магний.
Пузырьки хлора и капли магния вместе с электролитом поднимаются вверх между рабочими поверхностями электродов. Хлор сепарируется от электролита в электролитическом отделении 6, а электролит с магнием через верхние циркуляционные окна 3 в разделительной перегородке 2 выносится в сборную ячейку 5, где происходит отделение металла от основного циркулирующего потока электролита. Этот поток электролита через нижние циркуляционные окна 5 возвращается в электролитическое отделение электролизера.
По результатам газогидродинамических испытаний на водной модели электролизера в масштабе 1:1 и исследований на полупромышленных электролизерах установлено, что в рабочих отделениях бездиафрагменного электролизера за счет газонаполнения наблюдается повышение уровня электролита относительно уровня в сборной ячейке. Изменение подъема уровня электролита по длине рабочего отделения характеризует условия выноса магния в сборную ячейку. Для хорошо работающего электролизера характерно повышенное газонаполнение электролита, обеспечивающее больший подъем уровня расплава в районе катодных экранов, и пониженное газонаполнение с меньшим подъемом уровня электролита в районе верхних циркуляционных окон. Этот перепад уровней создает достаточный гидродинамический напор для организации упорядоченного и ускоренного движения всего поднимающегося вдоль электродов потока в сторону разделительной перегородки. В предлагаемом способе этот результат достигается тем, что в электролизере в районе катодных экранов формируется зона повышенного газонаполнения электролита и зона пониженного газонаполнения электролита - у разделительной перегородки.
Повышение уровня электролита в районе катодных экранов 9 достигается выполнением нависающей над катодными экранами футеровкой, что уменьшает свободное пространство между торцами анодов и продольной стенкой, затрудняя сепарацию хлора от электролита, повышая газонасыщение в этом районе. Как было установлено при исследованиях, проводимых на гидродинамической модели электролизера, оптимальное размещение нависающей футеровки относительно торцов анодов зависит от среднего межэлектродного расстояния и составляет 0,5÷1,5 от него. При зазоре между торцами анодов и нависающей футеровкой менее 0,5 среднего межэлектродного расстояния возможно зашламление его с утечками тока через футеровку электролизера. Превышение этого расстояния более 1,5 среднего межэлектродного расстояния приводит к появлению замкнутого обратного циркуляционного контура, увлекающего магний, что увеличивает его потери от окисления хлором. Это приводит к снижению выхода по току.
Увеличение расстояния между торцами анодов и разделительной перегородкой выше верхних циркуляционных окон улучшает сепарацию хлора в электролитическом отделении, что обеспечивает понижение уровня электролита в этом районе. Это расстояние тоже зависит от среднего межэлектродного расстояния. Соотношение менее 1,5 недостаточно для сепарации хлора в электролитическом отделении, большая часть пузырьков газа проскакивает через циркуляционные окна в сборную ячейку. Высокое газонаполнение электролита у разделительной перегородки препятствует направленному движению потока через циркуляционные окна.
При превышении расстояния между торцами анодов и разделительной перегородкой выше верхних циркуляционных окон более 4 средних межэлектродных расстояний скорость и полнота выноса магния в сборную ячейку значительно снижается. Перед разделительной перегородкой в электролитических ячейках образуются нисходящие замкнутые контуры, в которых неоднократно вращается и дробится магний. Это приводит к дополнительным его потерям и снижению выхода магния по току.
Таким образом, подбор оптимальных конструктивных решений электролизера позволяет упорядочить циркуляцию электролита в электролитических отделениях, ликвидировать обратный контур, создать благоприятные газогидродинамические условия для максимально полного и быстрого вывода магния в сборную ячейку путем организации потока электролита с магнием, горизонтально направленного над катодами в сторону верхних циркуляционных окон. Это снижает потери магния и обеспечивает существенное повышение выхода магния по току.
Предложенные решения позволяют организовать стабильную работу электролизера с повышением его технико-экономических показателей.