Проектирование участка электролиза магния по хлормагниевой схеме

При карналлитовой схеме питания  электролизёров состав рабочего электролита  зависит только от состава исходного  сырья и устанавливается самопроизвольно в зависимости от частоты извлечения отработанного электролита и загрузки безводного карналлита [7].

Одним из основных технологических  показателей процесса электролиза  является удельный расход электроэнергии постоянного тока (кВт×т/час Mg). При производстве магния в бездиафрагменных электролизёрах на 1 т магния затрачивается до 15-18 кВт×ч/кг Mg энергии, что обуславливает высокие материальные затраты на производство магния. Совершенствование монополярных бездиафрагменных электролизёров дает незначительную экономию электроэнергии (3-4 %) [16].

Одним из путей существенного  уменьшения расхода электроэнергии является применение биполярных электролизёров. Основные особенности биполярного  электролизёра – подвод тока к  однополярным электродам (аноду и катоду), расположенным в противоположных торцах электролизёра, и наличие электродов-биполей, расположенных между однополярными электродами. При эксплуатации биполярных электролизёров достигается большая экономия на главном шинопроводе: он рассчитывается на сравнительно небольшие токи – 5-10 кА (что при последовательном прохождении, например, двадцати  биполей эквивалентно электролизёру на ток 100-200 кА), а также имеет небольшую протяженность [3]. Кроме того, напряжение электрохимической ячейки на 10-15 % меньше при одинаковой с бездиафрагменными электролизёрами плотности тока, что обеспечивает значительное снижение удельного расхода электроэнергии при равном выходе по току.

Разработка биполярных электролизёров еще не вышла из крупнолабораторной стадии, причем главная трудность – создание устойчиво работающего биполя, также имеют место недостатки: повышенная опасность поражения электрическим током, наличие «утечек тока», относительная сложность конструкции биполярного электрода.

Относительная величина «утечек тока» может быть уменьшена увеличением рабочей площади электродов, применением футеровочных материалов с малой электропроводностью и уменьшением свободных от электродов объемов электролита.

Электробезопасность персонала  может быть обеспечена как рациональной конструкцией электролизёра, так и повышением общей культуры производства.

Таким образом, если удастся  создать конструкцию и технологию, исключающие «утечки тока» или  уменьшающие их, то биполярный электролизёр становится очень эффективным [16].

На АО УКТМК сконструирован опытно-промышленный биполярный электролизёр, над которым на сегодняшний день ведутся исследования.

Выход по току (%) – также  является одним из основных технологических  показателей процесса электролиза.

Анализ показателей  работы электролизёра, данные рабочих журналов по обслуживанию электролизёров и поддержанию заданных технологических параметров электролиза на них, а также результатов химических анализов сырья, материалов, электролита, шламо-электролитной смеси и твердого шлама, а также результатов обследований показал, что основными причинами низкого выхода по току, полученного на промышленном электролизёре являются следующие:

 

• недостаточно высокий технический уровень обслуживания электролизёров, в особенности операции по удалению шлама из электролизёра путем откачки шламоэлектролитной смеси. Допускаются нарушения по обработке ванн сырьем и солью, не производится своевременная замена анодов;
• допускаются случаи, когда в электролизёр загружают сырье низкого качества и поваренную соль с повышенным содержанием сульфатов;
• допускаются нарушения по поддержанию заданного температурного режима в электролизёрах.

 

Устранение вышеперечисленных  недостатков позволит значительно  улучшить основные технологические  показатели электролиза и в частности повысить выход по току до 80 – 82 % на хлормагниевой схеме питания и до    76 – 78 % на карналлитовой схеме питания.

Другим путем повышения  выхода по току (и, следовательно, производительности) является увеличение плотности тока. Но при увеличении плотности тока растёт температура поверхностей анодных головок (до 400 °С), что приводит к снижению срока службы электролизёра и большим тепловым потерям в атмосферу цеха.

Поэтому наиболее целесообразно  интенсифицировать процесс электролиза  путем принудительного отвода тепла от анодных головок, которые излучают в атмосферу цеха около 50 % греющей энергии электролизёра. Охлаждение анодных головок позволит увеличить срок службы анодов и уменьшить удельный расход графита. При этом снижается коррозия медной контактной шины, возникающая при взаимодействии с метафосфатами. Регулируемое по интенсивности охлаждение электролизёра обеспечит поддержание температуры в заданных пределах и исключит необходимость установки токосъемных шунтов, в результате чего уменьшатся выделения тепла в цех и удельный расход электроэнергии. Отпадает необходимость отключения и подключения анодов для регулирования температуры процесса, что будет способствовать повышению технологических показателей. Кроме перечисленного выше, охлаждение анодных головок приведет к улучшению условий труда рабочих, обслуживающих электролизёры, так как часть операций они выполняют, стоя на анодных головках, температура которых в летний период достигает           280 – 320 °С.

В настоящее время  на УКТМК применяются опытно-промышленные электролизёры с водным охлаждением анодных головок. Принцип водного охлаждения аналогичен системе испарительного охлаждения. Отличия заключаются в значениях рабочих температур (40 – 90 °С при водном охлаждении и 120 – 160 °С – при испарительном) и количестве применяемой воды: при водном охлаждении используется в 60 раз больше, чем при испарительном.

На УКТМК было предложен  и внедрён огнеупорный бетон (производство России, г. Челябинск) в качестве первого  слоя футеровки передней стенки электролизёра. В настоящее время этот метод применяется на опытно-промышленных электролизёрах с водным охлаждением и проходит стадию проверки.

Из анализа работы отделения по производству магния-сырца  следует, что существует целый ряд  технологических проблем, решение которых позволит повысить технико-экономические показатели процесса электролиза.

В условиях нынешней экономической  ситуации, в которой оказалось  АО УКТМК, приоритетными будут те мероприятия, позволяющие повысить показатели электролиза, которые связаны с наименьшими затратами на реконструкцию отделения.

 

 

3.5 Выбор и обоснование технологической  схемы переработки сырья и   технологических показателей

 

 

Как показал анализ п.п. 3.3 и 3.4 электролитический метод получения  магния из расплавов солей щелочных и щелочноземельных металлов с использованием бездиафрагменных электролизёров является технологически и экономически целесообразным в условиях комбинирования титанового и магниевого производств, которое обеспечивает рациональное использование реагентов (магния и хлора) и переработку образующих отходов (хлорида магния). Так имеют место некоторые потери магния и хлора, они компенсируются выделением в процесс электролиза дополнительного хлормагниевого сырья – карналлита.

В данном дипломном проекте  за основу была взята существующая на АО УКТМК схема электролитического получения магния из расплава хлорида магния. Основное отличие проектируемой технологии от существующей состоит в увеличении рабочей поверхности электродов, что позволит повысить технологические показатели.

В основу выбора предлагаемой конструкции ванны легло исследование, относящееся к усовершенствованию узлов электролизёров, направленное на повышение технологических показателей  процесса электролитического получения  магния [17].

В настоящее время  при повышенных мощностях электролизёров (до       200 кА) с применяемыми катодами высотой 940 мм катодная плотность тока увеличивается, в результате чего выход магния по току снижается из-за повышенного хлорирования магния в межполюсном пространстве и ухудшением сепарации магния в сборной ячейке [3].

В предлагаемой конструкции  ванны применяются катоды, имеющие  высоту 1000 мм, что позволяет за счёт увеличения рабочей поверхности  катодов понизить катодную плотность  тока до 0,3 А/см², и, в результате чего, повысить выход магния по току и уменьшить удельный расход электроэнергии.

 

Рисунок 3.2 – Зависимость  выхода по току η от плотности тока для электродов, мм: 1 – 1400;

2 – 1200;

3 – 1000.

 

Как следует из приведённых  данных (рис. 3.2), при высоте катода 1200 мм достигается ещё больший выход по току – 86,2 % [21]. Но применение таких катодов потребует изменения габаритных размеров магниевого электролизёра, а значит и дополнительных капиталовложений. Катоды же предлагаемые в данном проекте хорошо вписываются в габариты шахты промышленных электролизёров, применяемых в настоящее время на предприятии.

Оптимальная катодная плотность  тока при межэлектродном расстоянии     7 см для данного процесса составляет 0,3 А/см². Применяемая на УКТМК токовая нагрузка 170-175 кА соответствует необходимой плотности тока. Снижение плотности тока приводит к уменьшению толщины и плотности газонасыщенного слоя в верхней зоне расплава. В результате часть магния всплывает (что установлено визуально) на поверхность электролита рабочей ячейки и хлорируется. Этому способствует и ослабление с уменьшением плотности тока направленной циркуляции электролита в сторону сборной ячейки. Повышение плотности тока приводит к увеличению потерь магния за счёт усиления скорости циркуляции и в связи с этим ухудшения сепарации магния в сборной ячейке. Потери также происходят из-за увеличения насыщенности расплава хлором в рабочих ячейках, в результате чего уменьшается расстояние между пузырьками хлора и корольками магния, и растёт число прямых контактов между ними [17].

Использование данной конструкции  позволит понизить потери магния в  результате его хлорирования, а также  улучшить сепарацию металла в  сборной ячейке, а значит повысить выход магния по току.

Технико-экономические  показатели электролизёров работающих на обычных катодах и с увеличенной рабочей поверхностью приведены в      таблице  3.1

 

Таблица 3.1 – Технико–экономические  показатели процесса электролиза

 

Показатели	Тип электролизёра
	Существующая технология	Предлагаемая технология
Сила тока, кА	170	175
Выход по току, %	80	82,5
Производительность, кг/ч	61	65,5
Производительность, т/год	16500	17000
Удельный расход электроэнергии, кВт/ч на на 1 т Mg	14200	13500

 

Внедрение предлагаемой технологии позволит снизить удельный расход электроэнергии на 5 % и увеличить производительность электролизёра на      7,4 %, что в стоимостном выражении  составит 40560000 тенге.

 

 

3.6 Описание технологического  процесса

 

 

Электролиз магния осуществляется при пропускании постоянного  электрического тока через электроды, погруженные в расплав хлоридов щелочных щелочноземельных металлов, содержащих MgCl₂.

Основные процессы на электродах магниевого электролизёра  – разряд ионов магния и хлора.

В электролите магниевого электролизёра при подаче на электроды  постоянного тока, хлорид магния диссоциируется на катионы магния и анионы хлора:

 

MgCl₂ = Mg²⁺+ 2Cl^-     (3.2)

 

На графитовом аноде происходит разряд ионов хлора:

 

2Cl^- - 2e = Cl₂      (3.3)

 

На катоде происходит разряд ионов  магния:

                                         

Mg²⁺ + 2e = Mg⁰     (3.4)

 

В реальных условиях электролиз хлорида  магния осложнен рядом побочных реакций, протекающих как на электродах электролизёров, так и в объеме электролита.

Находящаяся в электролите  вода вызывает ряд побочных процессов. Она подвергается электролитическому разложению, на которое расходуется дополнительное количество электроэнергии. Разряжающийся на аноде кислород адсорбируется на его поверхности и взаимодействует с углеродом, образуя СО и СО₂, что приводит к срабатыванию анодов.

Магний, присутствующий в электролите  реагирует с водой по реакции:

 

Mg + H₂O = MgO + H₂,     (3.5)

 

вызывая тем самым  потери металла.  

Присутствие влаги в  электролите способствует также  образования гидрооксихлорида магния:

 

MgCl₂ + H₂O = MgOHCl + HCl,          (3.6)

 

находясь в расплаве, MgOHCl диссоциирует на ионы MgOH⁺ и Cl^-. На катоде ион MgOH восстанавливается:

 

MgOH⁺ + e = MgO + 0,5 H₂,                (3.7)

 

Эта реакция способствует пассивации катода (катод покрывается пленкой MgO), а отсасываемый анодный газ содержит значительное количество         HCl и СО₂.

В процессе электролиза в результате взаимодействия магния с шамотной футеровкой электролизёра, а также с примесями, содержащимися в карналлите, протекают  реакции:

 

SiO₂ + 4Mg = Mg₂Si + MgO,   (3.8)

 

В электролите Mg₂Si разлагается: