Проектирование участка электролиза магния по хлормагниевой схеме

 

Промышленная площадка комбината характеризуется следующими горно-   -геологическими условиями. На глубине 5-8 метров от поверхности  залегают песковидные суглинки. Затем  располагаются гравийно-галечные отложения, служащие основанием зданий и сооружений. Грунтовые воды вскрыты на глубине 7-11 метров, они обладают сульфатной и углекислой агрессивностью.

Для обслуживания проектируемых  объектов подъезды и разворотные  площадки предусматриваются с асфальтобетонным покрытием с бордюрами. Вдоль бордюров предусматриваются дождеприемники.

Водоотвод с площадок осуществляется в существующую ливневую систему комбината.

Свободные от застройки  площади засаживаются деревьями, кустарниками и газонами.

Обслуживание территории проектируемого отделения предусматривается существующим транспортом и оборудованием комбината.

Транспортное оборудование включает внутрицеховой транспорт, выполняющий  перемещения материалов между рабочими местами, участками; межцеховой транспорт, выполняющий задачу перевозки грузов между цехами; внешний транспорт, обеспечивающий доставку на предприятия сырья, материалов, оборудования, осуществляющий вывоз готовой продукции с территории комбината.

В отделении электролиза магния используются автомобильный и трубопроводный виды транспорта.

Автомобильная транспортная связь  проектируемого отделения с существующими  объектами комбината предусматривается  по существующим автоподъездам с  асфальтовым покрытием.

Для обслуживания объектов автомобильным  транспортом предусматриваются разворотные площадки размером 12´12 метров. В целях соблюдения безопасности движения предусмотрены пешеходные тротуары шириной 1 метр. Скорость и порядок движения автомашин и электрокар устанавливается администрацией и регламентируется указателями и дорожными знаками.

Перемещения газообразных продуктов  в другие цеха осуществляется по существующим трубопроводам.

1.2 Анализ научно-исследовательских  работ и работы действующего предприятия. Выбор и обоснование технологической схемы переработки сырья и технологических показателей

 

Сырьем для электролитического производства магния-сырца является оборотный хлорид магния титанового производства, который должен соответствовать  СТП 3826-3-32 (состав, %: MgCl₂ – не менее 98; MgO – не более 0,5; Ti – не более 0,01; Fe – не более 0,015).

Перевозка хлорида магния осуществляется в ковшах внутризаводским  транспортом, заливка в электролизёры  – механическая.

Для улучшения процесса электролитического производства магния-сырца  используем следующие материалы:

 

• соль поваренную;
• концентраты плавико-шпатовые.

 

Поваренная соль должна соответствовать ГОСТ 13830 (состав, %: NaCl – не менее 97). Применяется в качестве компонента электролита. Перевозка осуществляется в железнодорожных вагонах, разгрузка из вагонов механическая. В электролизёры загружается механически с использованием внутризаводского транспорта.

Концентраты плавико-шпатовые должны соответствовать ГОСТ 29219 и  ГОСТ 29220 (состав, %: CaF₂ – не менее 92). Применяется как компонент электролита. Перевозка осуществляется в железнодорожных вагонах, разгрузка из вагонов механическая. Загрузка в электролизёры – ручная.

В качестве рабочей среды  для хлорного компрессора применяем  серную кислоту концентрации 80-94 %. Серная кислота должна соответствовать  ГОСТ 2184. Представляет собой бесцветную маслянистую жидкость. Перевозится в специальных цистернах.

В качестве уплотнительной прокладки анодов электролизёра  и при соединении технологических  труб вакуумных ковшей используем шнуровой асбест, который должен соответствовать  требованиям ГОСТ 1779. Шнуровой асбест – волокнистый эластичный материал с сердечником.

Химический состав магния-востановителя  получаемого в процессе электролиза  должен  соответствовать требованиям  СТП 3826-3-10 (состав примесей, %: Fe – 0,023-0,03; Si – 0,002-0,003; Cl₂ – до 0,005; N₂ – 0,0015-           -0,0025; О₂ – 0,02-0,03).

Для проектируемого отделения  принимаем следующий режим работы:

 

• непрерывный;
• продолжительность рабочей недели 41 час;
• число смен в сутки – 3;
• продолжительность рабочей смены 8 часов;
• пятидневная рабочая неделя.

 

Промышленное производство магния в европейских странах  началось со второй половины XIX века с термического восстановления магния, с использованием в качестве восстановителя натрия. Однако уже в конце этого века основное значение приобрел электролиз расплавленных солей: в 1883 году в Германии Гретцель подвергал электролизу обезвоженный карналлит в электролизёрах на 300 А, катодом у которых служила внутренняя поверхность стального тигля, обогревающегося извне, а цилиндрический угольный анод был введен через отверстие в крышке тигля. В 1889 г. был проведен электролиз тройного электролита MgCl₂ – NaCl – KCl.

В начале XX века выпуск магния растет, в этот период организованно промышленное производство этого стратегического металла в США и Канаде; в 30-е годы растет его производство в Германии, тогда же начинается развиваться магниевая промышленность Японии, Италии, Франции и Швейцарии. Накануне второй мировой войны (1938 г.) всеми капиталистическими странами было произведено 22100 тонн магния. В 30-е годы в промышленную практику начинают внедряться силикотермический и карботермический способы получения магния, однако по объему выпускаемой продукции они существенно уступают электротермическому способу [1,2].

В России первые исследования по электролизу карналлита были выполнены в первой половине XX века в Петроградском политехническом институте. В 30-е годы в Ленинграде состоялся пуск магниевого цеха Опытного алюминиево-магниевого завода. На этом заводе, а впоследствии и в ВАМИ (Всесоюзном Алюминиево-Магниевом Институте), созданном в августе 1931 г., были разработаны и освоены технологические схемы электролитического производства. Первые магниевые заводы  - Днепропетровский (ДМЗ) – пущен 23 декабря 1935 г. и Соликамский (СМЗ) – пущен 10 марта 1936 г. [3].

В настоящие время  на территории СНГ магний в промышленном масштабе производят в России (г. Березники  и Соликамск), на Украине (г. Запорожье) и в Казахстане (г. Усть-Каменогорск) [4].

В 1980 г. около 80 % магния было получено в мировой промышленной практике электролизом хлоридных расплавов, 20 % – различными термическими способами. В 1984 г. доля термических способов в общем объеме производства магния возросла до 30 %.

Данные о мировом  производство магния (1993 год – 278000 тонн; 1994 год – 264000 тонн; 1995 год – 309000 тонн) [1,3], свидетельствуют о тенденции увеличения  производства магния. Этому способствуют почти неисчерпаемые сырьевые ресурсы (содержание магния в земной коре 2,38 %), а также прогресс в ряде отраслей техники, потребляющие этот металл в основном в виде сплавов на основе магния или алюминия. От 40 до 50 % магния используется в качестве присадки к алюминиевым сплавам для улучшения механических свойств и повышения жаропрочности. Более 20 % Mg применяется для изготовления деталей из магниевых сплавов (литье под давлением) в автомобилестроении и тракторостроении.

Авиационная промышленность, ракетная техника, космические аппараты потребляют до 10 – 15 % магния. Для этих отраслей используют сплавы на основе магния, легирование литием, торием, и редкоземельными элементами.

В черной металлургии  от 11 до 16 % магния используют для модификации  чугуна и в сталеплавильной промышленности – для десульфуризации стали.

В цветной металлургии  его применяют в качестве восстановителя при получении титана, циркония, урана и других металлов (7 – 15 % от общего объема потребления).

Для протекторной защиты и производства анодов химических источников тока до 8 % магния.

Металлический магний можно  получить двумя способами – электролизом хлоридных расплавов и термическим.

Термические методы получения  магния основаны на реакциях прямого  восстановления MgO кремнием (силикотермический метод), карбидом кальция (карбидотермический метод) и углеродом (карботермический метод).

Особенность таких методов  заключается в том, что только магний, единственный из продуктов реакции, находится в парообразном состоянии. В этом случае его можно легко отделить от твердой фазы путем удаления из зоны реакции и конденсации паров в отдельной зоне. В настоящие время только силикотермический метод получения магния – единственный промышленный способ прямого восстановления MgO.

Силикотермический  метод  получения основан на реакции:

 

2MgO + Si Û 2Mg +SiO₂   (3.1)

 

Эта реакция обратима и при атмосферном давлении протекает  вправо при температурах выше 2300 °С, присутствие в шихте оксида кальция, а также применение вакуума позволило снизить температуру процесса до 1200 °С. В пользу силикотермического метода говорят также успехи в разработке непрерывных методов его осуществления, не очень жесткие требования к сырью – магнезиту и доломиту, возможность применения в качестве восстановителя не только кремния и ферросилиция, но и силикоалюминия  в форме фильтростатков [2,6]. Магний, получаемый силикотермическим методом, содержит меньше примесей, чем электролитический.

Электролитическое получение  магния из водных растворов его солей  невозможно вследствие трудностей создания условий, при которых потенциал  разряда ионов магния становился бы электроположительней, чем потенциал  выделения ионов водорода.

На рисунке 3.1 представлены варианты технологических схем электролитического получения магния в зависимости  от вида перерабатываемого сырья  и способа получения хлорида  магния.

Выбор метода получения  магния зависит от местных технико-                        -экономических и экологических требований. В ряде случаев целесообразно применение термических методов, так как они отличаются относительной простотой технологии (особенно на переделе подготовки сырья) и возможность получить магний, содержащий меньше примесей [4].

Несмотря на то, что  электролитический способ получения  магния имеет свои недостатки (высокий  удельный расход электроэнергии, вредность  вследствие участия в процессе газообразного  хлора), он в настоящее время наиболее распространен в мировой практике промышленного получения магния. Это связано с целесообразностью комбинирования титанового и магниевого производства, позволяющего осуществлять наиболее рациональное использование продуктов электролиза – магния и анодного хлоргаза. Анодный хлоргаз применяется в производстве TiCl₄, а металлический магний при получении титановой губки на переделе магниетермического восстановления.

Для получения магния электролизом безводного хлормагниевого сырья в СНГ на протяжении 35 лет  – со времени пуска первого магниевого завода (ДМЗ, 1935 г.) – применялись диафрагменные электролизёры с вертикальным плоскопараллельным расположением электродов и с боковым, либо верхним вводом анодов. Такие электролизёры состояли из нескольких ячеек, электрически соединенных параллельно. Для предотвращения смешения анодного и катодного продуктов в пазы продольной футеровки вставлены диафрагмы, которые располагаются по обе стороны анода. Хлор из анодного пространства выводился через патрубок в сборный хлоропровод [6]. В 60-х годах в цехах электролиза магния работали электролизёры этого типа на силу тока 65-124 кА. Эксплуатировавшиеся в то время в СНГ диафрагменные электролизёры по своей производительности значительно превосходили зарубежные и характеризовались более низким удельным расходом электроэнергии. Вместе с тем электролитическое производство магния оставалось весьма энергоемким: на производство 1 т магния в диафрагменном электролизёре в зависимости от вида сырья затрачивалось до 18-20 тыс. кВт×ч электроэнергии постоянного тока.

 

 

 

 

Магнезит		Карналлит				MgCl2 титанового производства
Дробление и   измельчение		I стадия обезвоживания (КС)
Смешение и брикетирование		II стадия обезвоживания (хлоратор)
шихта (брикеты)		безводный карналлит
Хлорирование
безводный MgCl2
		Электролиз
	хлор				магний-сырец
					Рафинирование
	В Ti производство или хлорирование магнезита			Производство Ti			Товарный Mg

Рисунок 3.1 – Варианты технологических схем электролитического получения магния

 

 

Кроме того, диафрагменные  электролизёры имели ряд других существенных недостатков:

 

а) малая степень полезного  использования рабочего объема электролита, вследствие чего диафрагменные электролизёры  характеризовались  низкой удельной производительностью и большим удельным расходом электроэнергии, что обуславливало высокие удельные и эксплуатационные затраты;