Проектирование участка электролиза магния по хлормагниевой схеме

 

Mg₂Si + 2H₂O = SiH₄ + 2 MgO,         (3.9)

Mg₂Si +4HCl = SiH₄ + 2MgCl₂.         (3.10)

 

SiH₄ – соединение неустойчивое, разлагаясь, оно взаимодействует с хлором с образованием HCl и легколетучего соединения SiCl₄.

Оксид магния – примесь, присутствие которой в электролите  сильно сказывается на всем процессе электролиза магния. Часть MgO поступает с сырьем, а часть образуется в самом электролите по приведенной реакциям.

Основная часть MgO (70-90 %) накапливается на подине электролизёра, образуя шлам, который в виде шламо-электролитной смеси (ШЭС) периодически выводится из электролизёра. В шламе могут находиться оксиды, фториды, карбиды других металлов, а также частицы углерода. Максимальное количество шлама получается при питании электролизёров безводным карналлитом. Основное количество примесей в шлам переходит в результате их восстановлением металлическим магнием. Одновременно с процессом образования шлама в электролите идет процесс его хлорирования. Положительной в этом процессе является реакция перехода MgO в MgCl₂, причем скорость хлорирования MgO в электролите повышается с увеличением содержания в нем KCl и NaCl. Поэтому с целью повышения электропроводности электролита в электролизёры после выборки ШЭС загружается поваренная соль.

Извлечение шлама производится с помощью шламового вакуум-ковша  со специальным шламозаборным устройством  с последующей ручной довыборкой. Вместе со шламом из электролизёров извлекается  часть рабочего электролита. Шламо-электролитная смесь карналлитовых электролизёров направляется на грануляцию для получения удобрений, или на участок хлорирования титанового производства, а шламо-электролитная смесь хлормагниевых электролизёров подвергается осветлению в миксере для осветлённого электролита. Осветлённый электролит возвращается в электролизёры, а осевшая часть удаляется из миксера грейфером в виде шлама и увозится в отвал.

По мере протекания процесса электролиза концентрация хлорида  магния в электролите постепенно понижается, одновременно снижается уровень электролита, вследствие удаления продуктов электролиза (хлора, магния). Периодической загрузкой расплавленного хлорида магния достигается поддержание концентрации хлорида магния и сохранение рабочего уровня в электролизёре.

Выделяющийся на катоде магний всплывает на поверхность  электролита в виде капель. Добавка  в электролит фторида кальция  СaF₂ способствует лучшему отделению магния от электролита и качественному слиянию капель металла.

Выборку металла из каждого электролизёра осуществляют ежесменно с помощью вакуум-ковша.

Вместе с магнием  в вакуум-ковш захватывается электролит, который, имея более высокую плотность, чем магний, отделяется отстаиванием и собирается в нижней части ковша. Отделившийся от магния электролит сливают обратно в электролизёр. Уровень металла в ковше определяется с помощью контактного уровнемера.

Расплав хлорида магния заливают в сборную ячейку магниевого электролизёра из вакуум-ковшей, транспортируемых на электрокарах из отделения восстановления губчатого титана. Количество заливаемого сырья рассчитывает оператор технологических установок на основе химического анализа по содержанию хлорида магния в рабочем электролите. Заливку производят 6-9 раз в сутки, ритмично и в равные промежутки времени. Количество заливаемого расплава сырья в электролизёр контролируется по пьезометрическому уровнемеру визуально.

Температурный режим  регулируется величиной катодного  и анодного отсосов, с помощью  токосъёмных шунтов, поддержанием установленного уровня электролита, подключением и отключением анодов (от 1 до 4 штук).

Выделившейся на аноде  хлор поднимается сквозь электролит, собирается в газовом пространстве под анодными перекрытиями в рабочем  отделении и по патрубкам анодного отсоса отсасывается хлорными компрессорными в сборный, а затем в магистральный хлоропровод. Возгоны электролита, увлекаемые анодным хлоргазом, частично осаждается в анодных коллекторах, патрубках анодного отсоса, сборных и магистральных ячейках, что вызывает необходимость их периодической чистки.

По магистральному хлоропроводу хлоргаз поступает в хлорные  фильтры, где происходит очистка  его от оставшейся части возгонов. Осевший в фильтрах возгон сбрасывается в общий коллектор, из которого смывается  водой в кислотную канализацию.

Из хлорных фильтров очищенный хлоргаз поступает в сборный коллектор и оттуда на всос хлорных компрессоров. Рабочей жидкостью хлорных компрессоров является концентрированная серная кислота, которая также поступает на всос компрессора. В процессе работы хлорного компрессора часть серной кислоты, увлекается вместе с хлором, отделяется в кислоотделитель, проходит через холодильник, охлаждается водой, после чего снова поступает на всос компрессора. Хлоргаз после кислоотделителя поступает в каплеуловитель, в котором происходит улавливание капель серной кислоты, увлеченных хлоргазом, а затем поступает в напорные хлопроводы для перекачки потребителю.

Выход магния и хлора  по току и удельный расход электроэнергии является важнейшими технологическими показателями электролитического получения магния. Эти показатели зависят от величины потерь магния и хлора в результате побочных химических и электрохимических процессов, происходящих в объеме электролита и на электродах, а также от величины потерь магния со шламом и степени уноса хлора с газами санитарно-                   -технического отсоса.

На выход магния по току влияет концентрация MgCl₂ в электролите. Оптимальная концентрация MgCl₂  в электролите – 8-20 %. При снижении концентрации до 2-3 % возможно совместное выделение на катоде магния и щелочного металла, а если концентрация MgCl₂ станет выше 20 %, то равновесие реакции:

 

MgCl₂ + Mg = 2MgCl    (3.11)

 

сдвигается вправо, т.е. интенсифицируется  процесс растворения магния.

 

 

3.7 Расчеты технологического  процесса

 

3.7.1 Разработка технологии производства магния электролизом

 

 

Подготовка исходных материалов для переработки их в  продукцию заключается в добавлении в поступающий на проектируемое  предприятие хлорид магния титанового производства расплавленной соли хлорида  натрия.

Составы сырья (хлорида  магния), основных технологических  материалов (поваренной соли и плавико-шпатового  концентрата), рабочего электролита, шлама, возгона, магния-сырца, хлора, а также  выход продуктов электролиза  принимаем по практическим данным АО УКТМК.

 

 

3.7.2 Исходные данные  для расчёта

 

Состав сырья и продуктов  электролиза приведен в таблице 3.2

Таблица 3.2 – Состав сырья и продуктов  электролиза

 

Сырьё и продукт электролиза	Содержание, % (по массе)
	MgCl2	MgO	KCl	NaCl	CaCl2	Mgмет	СаF2	Про-чие
Хлорид магния	98	0,3	–	1,7	–	–	–	–
Рабочий электролит	11,5	–	40,5	40,5	5,2	–	0,02	1,28
ШЭС	10,5	3,5	36,7	37,3	4,8	3	–	4,2
Возгон	46,8	0,5	26,3	24,7	–	–	–	1,7
Шлам	0,5	79,4	0,4	0,3	0,2	13,7	–	5,3
Плавиковый шпат	–	–	–	–	–	–	95,0	5,0
Поваренная соль	–	–	–	97	–	–	–	3,0
Магний-сырец	0,5	–	0,4	0,4	–	98,7	–	–

 

Исходя из практических данных АО УКТМК:

 

• выход шламо-электролитной смеси (ШЭС) – 0,8 кг/ кг Mg;
• выход шлама – 0,08 кг/ кг Mg;
• выход возгона – 0,05 кг/ кг Mg;
• выход хлора – 2,85 кг/ кг Mg;
• концентрация хлора в анодном газе – 90 %;
• добавка плавикового шпата – 0,025 % CaF₂ (по массе)
• добавка хлорида натрия – 0,017 кг/ кг Mg.

 

3.7.3 Расчет материального  баланса

 

 

Выход магния-сырца из сырья, ам, %, рассчитаем по формуле:

 

где А_ХЛ – содержание магния в загружаемом сырье, %;

А_М – содержание магния в металле сырце, %;

А_Ш – содержание магния в шламе, %;

А_В – содержание магния в возгоне, %;

А_О – содержание магния в отработанном электролите (под отработанным имеется в виду электролит выбрасываемый вместе со шламом), %;

Б_ХЛ – содержание прочих хлоридов в загружаемом сырье, %;

Б_М – содержание прочих хлоридов в металле-сырце, %;

Б_В – содержание прочих хлоридов в возгоне, %;

Б_О – содержание прочих хлоридов в отработанном электролите, %;

аш – выход шлама  из сырья, %;

ав – выход возгона  из сырья, %;

a – выход шлама на 1 кг магния, кг;

b – выход возгона на 1 кг магния, кг.

 

Содержание магния в  загружаемом сырье, Ак, % определим  по формуле:

 

А_ХЛ = MgCl_2ХЛ×0,255 + MgO_ХЛ×0,603,  (3.13)

 

где MgCl_2ХЛ – содержание хлорида магния в загружаемом сырье, %;

MgO_ХЛ – содержание оксида магния в загружаемом сырье, %;

0,255 – отношение молекулярных  масс Mg и MgCl₂;

0,603 – отношение молекулярных  масс Mg и MgO.

 

Содержание магния в шламе и  возгоне определяем аналогично по формуле  (3.13).

Содержание прочих хлоридов в сырье и продуктах электролиза  определяем суммированием содержания NaCl, KCl и т.д.

Вычислим значения величин, входящих в эти формулы:

 

А_ХЛ = 98 × 0,255 + 0,3 × 0,603 = 25,17 %

А_М = 98,7 %

А_Ш = 79,4 × 0,603 + 13,7 = 61,6 %

А_В = 46,8 × 0,255 + 0,5 × 0,603 = 12,24 %

А_О = 0,5 × 0,255 = 0,13 %

Б_ХЛ = 1,7 %

Б_М = 0,4 + 0,4 = 0,8 %

Б_Ш = 0,4 + 0,3 + 0,2 = 0,9 %

Б_В = 26,3 + 24,7 = 51 %

Б_О = 0,4 + 0,3 + 0,2 = 0,9 %

 

Выход шлама (аш,%) и выход  возгона (ав,%) определяем по формулам:

 

аш = a × ам,     (3.14)

ав = b × ам,     (3.15)

 

аш = 0,08 × 24 = 1,92 %

ав = 0,05 × 24 = 1,2 %

 

Выход ШЭС: 0,8 × 24 = 19,2 %.

Количество осветлённого электролита составляет 90 % от всей ШЭС:

 

19,2 × 0,9 = 17,28 %.

 

Количество осветлённого электролита, оставшегося вместе со шламом в миксере грануляции, составляет приблизительно 2 % от количества всего осветлённого электролита, что численно равняется:

 

17,28 × 0,02 = 0,35 %

Материальный баланс на 100 кг хлорида  магния приведен в таблице 3.3

 

Таблица 3.3 – Материальный баланс на 100 кг хлорида магния

 

Продукт электролиза	Масса, кг
Магний-сырец	24,0
Потерянная часть осветлённого электролита	0,35
Шлам	1,92
Возгон	1,20
Хлор (по разности)	72,53

 

Часовую производительность электролизёра по магнию-сырцу, Р, кг; найдем из выражения:

 

Р = ,    (3.16)

 

где k_Mg – электрохимический эквивалент магния, г/А×ч;

I – сила тока электролизёра, А;

h – выход по току, доли единицы;

1000 – коэффициент пересчета  производительности на кг/ч.

 

Р = 0,454 × 175000 × 0,825 / 1000 = 65,5 кг/ч.

 

Выход магния-сырца на 100 кг хлорида магния составляет 24 кг, тогда на 65,5 кг магния-сырца расход хлорида магния составит:

 

65,5 × 100 / 24 = 273 кг.

 

Выход осветлённого электролита  – 0,35 × 273 / 100 = 0,96 кг.

Выход шлама – 1,92 × 273 / 100 = 5,24 кг.

Выход возгона – 1,2 × 273 / 100 = 3,28 кг.

Выход хлора – 72,53 × 273 / 100 = 198 кг.

 

Материальный баланс в пересчете на часовую производительность приведен в таблице 3.4

 

Таблица 3.4 – Материальный баланс электролизёра в пересчете на часовую производительность

 

Приход	Количество		Расход	Количество
	на 100 кг хло-рида магния	кг/ч		на 100 кг хло-рида магния	кг/ч
Хлорид магния	100	273	Mg-сырец	24,0	65,5
			Осветлённый электролит	0,35	0,96
			Шлам	1,92	5,24
			Возгон	1,2	3,28
			Хлор	72,53	198
Итого	100	273	Итого	100	273