СПОСОБ ТЕПЛОВОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИЯ И ХЛОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR THERMAL CONTROL OF ELECTROLYSIS CELLS FOR PRODUCING MAGNESIUM AND CHLORINE AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к получению магния и хлора электролизом расплавленных солей.
Для интенсификации процесса получения магния и хлора электролизом расплавленных солей большое значение имеет отвод тепла от электролизеров, в частности от верхней части анодов (анодных головок), установленных над перекрытием в помещении цеха и выделяющих в атмосферу цеха более 50% греющей энергии, что приводит к быстрому износу анодов, к снижению срока их службы и тем самым к снижению срока службы всего электролизера (28 месяцев).
Известны электролитический способ получения магния и электролизер для его осуществления (пат. РФ №2293801, опубл. 20.02.2007). Способ включает подачу расплавленного хлормагниевого сырья в сборную ячейку и электролиз в электролизере с верхним вводом графитированных анодов с медными токоподводящими шинами. Тепловое регулирование электролизера осуществляют путем отбора тепла от медных шин путем циркуляции хладоагента - воды в кессонах и в трубах системы водяного охлаждения, охлаждение нагретой в кессонах воды в теплообменном аппарате. Температуру воды в замкнутом контуре поддерживают в пределах 20-100°С, по мере срабатывания анодов температуру понижают. Воду циркулируют насосом в замкнутом гидравлическом контуре. Из бака подают воду в напорный коллектор (трубопровод для подвода хладоагента), затем в кессоны, из кессонов вода поступает в обратный коллектор (трубопровод для отвода хладоагента) и через теплообменный аппарат снова в бак.
Для осуществления способа известен электролизер для получения магния и хлора (пат. РФ №№2293801, опубл. 20.02.2007), который включает футерованную ванну, катоды и графитированные аноды, верхняя часть которых выступает над перекрытием, медные токоподводящие шины. Кессоны и трубы в системе охлаждения образуют замкнутый гидравлический контур, выполнены медными и прикреплены непосредственно к анодным шинам. В электролизере установлено устройство для регулирования температуры воды в трубах, при этом трубы системы водяного охлаждения выполнены медными, а кессон прикреплен непосредственно к медным шинам и также выполнен из меди. Замкнутый гидравлической контур включает также напорный и обратный коллекторы (трубопроводы для подвода и отвода хладоагента), соединенные с теплообменным аппаратом, баком и насосом. Данные способ и устройство позволяют за счет обеспечения надежного электрического контакта токоподводящей медной шины к графитовой головке анода, охлаждаемой водой, стабилизировать процесс электролитического получения магния, снизить удельный расход электроэнергии, повысить срок службы анодов и электролизера в целом, увеличить теплосъем с анодных головок за счет изменения средней температуры воды в пределах 20-100°С.
Недостатком данных способа и устройства является то, что система отвода тепла от верхней части анодов электролизера является малоэффективной, она предусматривает только контроль параметров температуры, и в ней не предусмотрены контроль и автоматическое регулирование расхода хладоагента и давления в замкнутом контуре. Кроме того, известные способ и устройство не позволяют контролировать и регулировать параметры в процессе отвода тепла, производить сбор, обработку и отображение текущих значений контролируемых параметров, что приводит к нестабильности работы системы отвода тепла от анодов и электролизера в целом.
Известны способ теплового регулирования электролизеров и устройство для его осуществления (пат. РФ №2128733, опубл. 10.04.1999), по количеству общих признаков принятые за ближайшие аналоги-прототипы. Способ включает отвод тепла от верхней части анодов (анодных головок) путем подачи хладоагента - пароводяной смеси под избыточным давлением в систему испарительного охлаждения, поддержку оптимальной температуры электролита во всей серии электролизеров путем изменения давления в группе кессонов каждого электролизера, регулирование температуры при отклонении от оптимальной путем регулирования отвода тепла, регулирование температуры пароводяной смеси в системе испарительного охлаждения путем поддержания заданного давления, причем давление в кессоне поддерживают меньшим или равным давлению в напорном коллекторе, давление в обратном коллекторе (трубопроводы подачи и отвода хладоагента) поддерживают большим или равным давлению в барабане-сепараторе. В установленные на верхней части анодов кессоны по полутрубам, расположенным перпендикулярно горизонтальной оси пластины, и по продольным полутрубам подают пароводяную смесь под давлением 0,6 МПа из барабана-сепаратора по напорному коллектору (трубопровод для подачи хладоагента). Для подвода пароводяной смеси в кессоны на трубопроводах установлены расходомеры. Подачу пароводяной смеси регулируют клапаном. При отклонении температуры электролита в ту или иную сторону от заданной, клапан соответственно приоткроется или закроется, что вызовет повышение или снижение давления в кессонах, изменяя количество отводимого тепла. Через напорный коллектор (трубопровод отвода хладоагента) пароводяную смесь отводят в бак-сепаратор, где ее разделяют на пар и воду. Давление в барабане-сепараторе составляет 0,5 МПа.
Для осуществления способа известно устройство для отвода тепла от электролизеров (пат. РФ №2128733, опубл. 10.04.1999), включающее систему испарительного охлаждения, подсоединенную к группе электролизеров. Каждый электролизер выполнен в виде футерованной ванны, разделенной одной или несколькими перегородками на одну или несколько сборных ячеек и на два или несколько электролитических отделений, в которых установлены катоды и аноды, к верхней части анодов над перекрытием (анодные головки) подсоединены с двух сторон кессоны, выполненные в виде пластины из биметалла железо-медь, и полутруб, соединенных с помощью напорного и обратного коллекторов (трубопроводов для подачи и отвода хладоагента) с барабаном-сепаратором, баком-сепаратором и насосом. На входе на каждую группу электролизеров установлен регулятор расхода. Это позволяет регулировать температурный режим электролизеров, повысить срок службы и снизить трудозатраты на их замену.
Недостатком данных способа и устройства для получения магния и хлора электролизом расплавленных солей является то, что для теплового регулирования в качестве хладоагента используют пароводяную смесь, полученную в барабане-сепараторе, которую после циркуляции в замкнутом контуре разделяют на пар и воду в баке-сепараторе. Пароводяная смесь поступает в кессоны электролизера при высокой температуре, и существенного охлаждения верхней части анодов не происходит. В системе испарительного охлаждения необходимо поддерживать постоянное высокое давление, которое трудно подвергается регулированию и приводит к нарушению технологического режима работы электролизера и к нарушению техники безопасности. Регулирование температуры электролита производят отключением и/или подключением кессонов от напорного и обратного коллекторов (трубопровода подвода и отвода воды). Известные способ и устройство не позволяют контролировать и регулировать параметры в процессе отвода тепла, производить сбор, обработку и отображение текущих значений контролируемых параметров, что приводит к нестабильности работы системы отвода тепла от анодов и электролизера в целом.
Технический результат направлен на устранение недостатков прототипа и позволяет качественно и своевременно управлять процессом отвода тепла от электролизеров, осуществлять сбор, обработку и отображение текущих значений контролируемых параметров на компьютере. Все это позволяет оперативно осуществлять контроль за работой электролизеров и тем самым достичь оптимальных показателей работы электролизеров, значительно снизить температуру верхней части анодов на 400°С и тем самым увеличить срок службы анодов и электролизеров до 48 месяцев, уменьшить аварийную ситуацию на группе электролизеров.
Технический результат достигается тем, что предложен способ теплового регулирования электролизеров для получения магния и хлора, включающий электролиз хлормагниевого сырья в электролизерах с верхним вводом анодов, отвод тепла от верхней части анодов над перекрытием путем подвода хладоагента к кессонам, контроля расхода хладоагента при его подводе к кессонам, отвода нагретого хладоагента из кессонов и циркуляцию его в замкнутом контуре одного электролизера и в общем циркуляционном контуре группы электролизеров с помощью насосов, измерение и регулирование параметров температуры, давления и расхода хладоагента, при этом в качестве хладоагента используют дистиллированную воду, которую охлаждают в теплообменном аппарате, в процессе отвода тепла от верхней части анодов одновременно измеряют давление при отводе дистиллированной воды из кессонов в замкнутом контуре каждого электролизера и перед охлаждением и после охлаждения в общем циркуляционном контуре группы электролизеров, стабилизируют и поддерживают давление в системе с помощью расширительного бака, регистрируют значения в компьютере, сравнивают заданные значения с показаниями датчиков и при отклонении показаний от заданного значения с помощью контроллеров включают насосы и подают дистиллированную воду в общий циркуляционный контур группы электролизеров; измеряют температуру при отводе дистиллированной воды из кессонов в замкнутом контуре каждого электролизера, а также перед охлаждением и после охлаждения в общем циркуляционном контуре группы электролизеров стабилизируют и поддерживают ее значение с помощью изменения подачи охладителя в теплообменный аппарат, регистрируют значение в компьютере, сравнивают заданные значения с показаниями датчиков и при отклонении от заданного значения с помощью контроллеров включают или отключают подачу охладителя в теплообменный аппарат; измеряют расход дистиллированной воды в общем циркуляционном контуре группы электролизеров, регистрируют значение в компьютере, сравнивают заданные значения с показаниями датчиков и при отклонении от заданного значения с помощью контроллеров включают или отключают насос, подающий дистиллированную воду в общий циркуляционный контур.
Кроме того, давление дистиллированной воды на входе и выходе из кессонов поддерживают 50-200 кПа.
Кроме того, температуру дистиллированной воды на выходе из кессонов поддерживают 70-90°С.
Кроме того, температуру дистиллированной воды на выходе из теплообменного аппарата поддерживают 45-75°С.
Для осуществления способа предложено устройство для теплового регулирования электролизеров для получения магния и хлора, содержащее группу электролизеров с верхним вводом анодов, каждый электролизер выполнен в виде футерованной ванны, разделенной перегородкой на сборную ячейку и несколько электролитических отделений с боковым вводом катодов и с верхним вводом анодов, перекрытие, систему теплового регулирования, включающую кессоны, установленные на верхней части анодов над перекрытием, трубопровод для подвода хладоагента к кессонам с датчиком расхода хладоагента, трубопровод для отвода хладоагента из кессонов, замкнутый контур одного электролизера и общий циркуляционный контур группы электролизеров, насосы и датчики контроля и регулирования температуры и давления хладоагента, в котором новым является то, что в общий циркуляционный контур включены теплообменный аппарат и расширительный бак, а датчики давления установлены на трубопроводе для отвода дистиллированной воды из кессонов замкнутого контура одного электролизера и на трубопроводе общего циркуляционного контура группы электролизеров перед теплообменным аппаратом и после него, датчики температуры установлены на трубопроводе для отвода дистиллированной воды из кессонов замкнутого контура одного электролизера и на трубопроводе общего циркуляционного контура перед теплообменным аппаратом и после него, датчики расхода дистиллированной воды установлены на трубопроводе общего циркуляционного контура, при этом датчики давления, температуры и расхода соединены с контроллерами и с компьютером.
Предложенное техническое решение, предусматривающее контроль и регулирование параметров процесса теплового регулирования, таких как давление, температура и расход хладоагента, с установкой в определенном месте датчиков давления, температуры и расхода хладоагента позволяет качественно и своевременно управлять процессом отвода тепла от электролизеров и тем самым достичь оптимальных показателей работы электролизеров, значительно снизить температуру верхней части анодов на 400°С и тем самым увеличить срок службы электролизеров до 48 месяцев, уменьшить аварийную ситуацию на одном электролизере и на группе электролизеров.
Поддержание параметров давления и температуры хладоагента в замкнутом контуре и в общем циркуляционном контуре позволяет наиболее полно достичь снижения температуры верхней части анодов, контролировать нагрев хладоагента в кессонах и охлаждение хладоагента в теплообменном аппарате, вести процесс теплового регулирования при оптимально заданных условиях, осуществлять контроль на компьютере и производить регулирование параметров при отклонении от заданных значений.
Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку заявленные способ теплового регулирования электролизеров для получения магния и хлора и устройство для его осуществления образуют единый изобретательский замысел. Действительно, осуществление способа теплового регулирования электролизеров для получения магния и хлора возможно только при наличии специального устройства для его осуществления.
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, изложенных в пунктах формулы изобретения способа теплового регулирования электролизеров для получения магния и хлора и устройства для его осуществления. 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 показано устройство для теплового регулирования электролизеров для получения магния и хлора, на фиг.2 - вертикальный разрез электролизера.
Устройство включает группу однорядных электролизеров 1, включающую 5 электролизеров. Каждый электролизер 2 состоит из футерованной емкости 3, разделенной перегородкой 4 на сборную ячейку 5 и электролитические отделения 6, в которых установлены катоды 7 и аноды 8, сверху через перекрытие 9, на верхней части 10 анодов установлены с двух сторон кессоны 11, соединенные с трубопроводом 12 для подвода хладоагента в кессон и с трубопроводом 13 для отвода нагретого хладоагента из кессона, замкнутый контур 14, общий циркуляционный контур 15, теплообменный аппарат 16, расширительный бак 17, циркуляционный насос 18, подпиточный насос 19, дистиллятор 20, бак-конденсатор 21. На трубопроводах установлены датчики давления 22, датчики температуры 23, датчики расхода 24, показания которых через контроллеры 25 фиксируют в компьютере 26.
Пример работы способа теплового регулирования электролизеров для получения магния и хлора и устройства для его осуществления.
3
3
3
3
В качестве хладоагента используют дистиллированную воду. Предварительно подготавливают дистиллированную воду по ГОСТ 6709 с массовой концентрацией растворенного кислорода не более 0,035 мг/дм твердого остатка не более 5 мг/дм в дистилляторе 20 типа ДЭ-140 производительностью 140 дм/ч. Для этого артезианскую воду из общецеховой линии подают в дистиллятор 20, нагревают до кипения, пары воды поднимаются вверх и конденсируются на охлаждаемой стенке бака-конденсатора 21 емкостью 2,9 м при температуре 65°С. Из бака-конденсатора 21 полученную дистиллированную воду подают в общий циркуляционный контур 15 с помощью подпиточного насоса 19 циркуляционного типа CRN90-2-2 A-F-G-T-HQQE по линии подвода дистиллированной воды, откуда ее подают в теплообменный аппарат 16 типа блочно-модульного аппарата воздушного охлаждения АВГ-Р-БМ. Для восполнения потерь дистиллированной воды в общем циркуляционном контуре 15 периодически производится подпитка ее насосом 19 из бака-конденсатора 21.
Группа электролизеров 1 для получения магния и хлора состоит из 5 электролизеров с фронтальной сборной ячейкой на силу тока 230 кА с удельным расходом постоянного тока 13,2-13,6 кВт/кг магния. В качестве сырья используют хлорид магния с процесса получения губчатого титана, который является побочным продуктом реакции восстановления тетрахлорида титана магнием в аппарате восстановления. Хлорид магния сливают в процессе восстановления из аппарата восстановления и перевозят в вакуум-ковше к электролизерам для получения магния и хлора электролизом расплавленных солей. Массовая доля хлорида магния в рабочем расплавленном электролите электролизера в пусковой период от 10 мас.%, в рабочем режиме от 15 мас.%. Под воздействием электрического тока хлорид магния разлагается на магний и хлор, в процессе электролиза осуществляют постоянную циркуляцию электролита из электролитических отделений 6 в сборную ячейку 5 по переточным окнам перегородки 4. С установленной периодичностью осуществляют откачку шламо-электролитной смеси. Из электролитических отделений 6 магний направляют к переточному окну перегородки 4 и далее в сборную ячейку 5, откуда и по мере накопления периодически извлекают вакуум-ковшом, а хлор направляют по системе хлоропроводов потребителю. Нагретая до температуры 85°С дистиллированная вода из кессонов 11 поступает в теплообменный аппарат 16 типа аппарата воздушного охлаждения, например АВГ-Р-БМ, где она охлаждается пропусканием через оребренные трубы воздушного потока до температуры 55°С. Контроль температуры осуществляют по датчикам 23 температуры типа термопреобразователя сопротивления ТСМУ-3224, которые установлены на трубопроводе 13 отвода нагретой дистиллированной воды, и на трубопроводе общего циркуляционного контура 15 перед теплообменным аппаратом 16 и после него. Температуру стабилизируют и поддерживают ее значение с помощью изменения подачи охладителя, например воздуха, в теплообменный аппарат 16, регистрируют значение в компьютере 26, сравнивают заданные значения с показаниями датчиков и при отклонении от заданного значения с помощью контроллеров 25 включают или отключают вентиляторы подачи воздуха в теплообменном аппарате 16.
3
3
3
Охлажденная дистиллированная вода возвращается с помощью циркуляционного насоса 18 в кессоны 11 для охлаждения верхней части анодов 10. Подачу дистиллированной воды в кессоны 11 каждого электролизера производят следующим образом. Плавно приоткрывают кран шаровой КШ3/m - дистиллированной воды в кессоны 11 до получения показания расходомера от 2 до 3 м/ч. При этом на манометре 22 давление дистиллированной воды в кессонах 11 не должно превышать 0,2 мПа по показаниям компьютера 26 в помещениях оператора. Контроль давления осуществляют по датчикам 22 давления типа манометра МПЗ-У, установленными на трубопроводе 13 для отвода дистиллированной воды из кессонов 11 замкнутого контура 14 одного электролизера и на трубопроводе общего циркуляционного контура 15 перед теплообменным аппаратом 16 и после него. Давление в замкнутом контуре 14 одного электролизера 2 и в общем циркуляционном контуре 15 группы электролизеров 1 стабилизируют и поддерживают с помощью расширительного бака 17, регистрируют значение в компьютере 26, сравнивают заданные значения с показателями датчиков 22 и при отклонении от заданного значения с помощью контроллеров 25 включают или отключают подпиточный насос 19, подающий воду в расширительный бак 17. Постепенно увеличивают подачу дистиллированной воды в кессоны 11, расход дистиллированной воды при превышении давления устанавливается прикрытием задвижки байпаса. Затем включают задвижки и подают дистиллированную воду в трубопровод 12 для подачи дистиллированной воды к кессонам 11 каждого электролизера до показания расходомера 3 м/ч, достигая объемного расхода дистиллированной воды 11-20 м/ч. Контроль расхода осуществляют по датчикам 24 расхода дистиллированной воды, например электромагнитным расходомером Promag 10W DN 502” или дифференциальным манометром и сужающим устройством, установленными на трубопроводе 12 подвода дистиллированной воды в кессоны 11 и на трубопроводе общего циркуляционного контура 15 перед расширительным баком 17. Показания регистрируют в компьютере 26, сравнивают заданные значения с показаниями датчиков 24 и при отклонении от заданного значения с помощью контроллеров 25 включают или отключают циркуляционные насосы 18, подающие дистиллированную воду в общий циркуляционный контур 15.
Таким образом, предложенные способ и устройство для его осуществления теплового регулирования электролизеров для получения магния и хлора позволяют качественно и своевременно управлять процессом отвода тепла от электролизеров и тем самым достичь оптимальных показателей работы электролизеров, значительно снизить температуру верхней части анодов на 400°С и тем самым увеличить срок службы электролизеров до 48 месяцев, уменьшить аварийную ситуацию как на одном электролизере, так и на группе электролизеров.