Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к устройствам для получения магния и хлора электролизом расплавленных солей.
Технология электролитического производства магния предусматривает равномерное распределение плотности тока по рабочим поверхностям анодов и катодов. С этой целью аноды и катоды устанавливаются параллельно, а их рабочие поверхности на всем протяжении имеют постоянную высоту (Лебедев О.А. Производство магния электролизом. - М.: Металлургия, 1988, с. 190-199). Основным недостатком известных электролизеров является возникновение застойных зон электролита в электрохимических ячейках и, как следствие, длительный контакт магния, всплывающего на поверхность, с хлором газовой фазы. Задача, следовательно, заключается в создании конструкции электролизеров с упорядоченной, управляемой циркуляцией электролита, имеющей четко выраженную вертикальную составляющую, обеспечивающую быстрый вынос магния в сборную ячейку.
Известен электролизер для получения магния (А.с. 585237, опубл. 25.12.77, бюл. 47) с верхним вводом анодов, включающий сборную, электролитическую и катодные ячейки, аноды, анодные перекрытия с разделительной перегородкой, катоды, выполненные в виде металлических листов, установленных по обеим сторонам анодов под углом относительно их рабочих поверхностей, в катодных ячейках по всей длине катода укреплены в наклонном положении металлические листы, выполненные со щелями, а катоды укреплены под углом относительно горизонтальной плоскости, вследствие чего межполюсное расстояние уменьшено сверху вниз.
Недостатком данного электролизера является то, что при равномерном распределении плотности тока на катоде не создается направленной циркуляции электролита с магнием в сторону сборной ячейки, и потери магния за счет взаимодействия его с хлором сравнительно высоки, так как в межэлектродном пространстве не исключаются встречные потоки и замкнутая циркуляция газожидкостных потоков.
Известен электролизер для получения магния и хлора (Пат. РФ №1782065, опубл. 20.03.95 г., бюл. 8), включающий футерованную ванну, разделенную перегородкой с верхним и нижним переточными окнами на сборную ячейку и электролитическую ячейку, в которой размещены аноды и катоды, выполненные в виде двух параллельных пластин, между которыми размещены наклонные направляющие полочки с уклоном к сборной ячейке. Данная конструкция электролизера позволяет за счет создания оптимальных гидродинамических условий снизить потери магния и повысить, таким образом, выход магния по току.
Недостатком данного электролизера является то, что данная конструкция не позволяет снизить расход электроэнергии, так как при подобном размещении катода и анода нельзя уменьшить межэлектродное расстояние, и тем самым уменьшить электросопротивление электролита между катодом и анодом, что приводит к большим потерям электроэнергии во время проведения процесса электролиза.
Известен магниевый электролизер с направленной циркуляцией электролита (патент РФ №2095482, опубл. 10.11.1997), включающий 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. При этом электролизер снабжен опорными выступами, расположенными на верхней грани каждого катода со стороны футеровки, а высота катодного экрана равна высоте катода с опорными выступами.
Недостатком данного электролизера является то, что данная конструкция не обеспечивает полного и быстрого вывода магния из рабочего отделения. А также установка разновеликого межэлектродного расстояния по длине рабочего отделения, и 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 хлорнасыщенной 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.
Известен электролизер для получения магния и хлора (Патент РФ №2284372, опубл. 27.09.2006, бюл. №27), включающий футерованную ванну, разделенную перегородкой с верхним и нижним переточными окнами на сборную ячейку и электролитическую ячейку, в которой размещены аноды и катоды, выполненные в виде двух параллельных пластин, между которыми размещены наклонные направляющие полочки с уклоном к сборной ячейке. При этом электролизер содержит две полочки, размещенные параллельно верхней грани катода от его торцов до наклонных полочек с образованием горизонтального циркуляционного канала, а направляющие наклонные полочки размещены с образованием наклонного циркуляционного канала переменного сечения, верхняя часть которого соединена с горизонтальным каналом, а нижняя часть размещена ниже нижнего перточного окна. В средней части анода выполнены хлоротводящие каналы, а катоды выполнены с наклонной поверхностью.
Недостатком данной конструкции электролизера являются значительные потери хлора из-за того, что газожидкостная смесь, проходя через переточные окна разделительной перегородки, на высоких скоростях выносит в сборную ячейку хлор, который при выборке металла выносится в атмосферу цеха, вызываю загазованность воздуха в цехе. Кроме того, в интенсивном циркуляционном контуре, многократно вращаясь, магний дробится на мелкие капли. Увеличивается время пребывания их в хлоронасышенной зоне, что приводит к значительным потерям металла и снижению выхода по току.
Известен электролизер для получения магния и хлора (патент РФ 2336368, опубл. 20.10.2008, бюл. №29), по количеству общих признаков принятый за ближайший аналог-прототип, и включающий футерованную ванну, разделенную перегородкой с верхним и нижним переточными окнами на технологическую ячейку и рабочее отделение, в котором размещены аноды и катоды. В нижней части на 1/4-3/4 высоты катода имеются плоскопараллельные рабочие поверхности, а в верхней части катоды имеют переменное по высоте и длине сечение с обеспечением межэлектродного расстояния в верхней части катодов 1,1-2,5 межэлектродного расстояния между нижней частью катода и анода. Данная конструкция электролизера позволяет за счет создания оптимальных гидродинамических условий снизить потери магния и повысить, таким образом, выход магния по току.
Недостатком данного электролизера является то, что данная конструкция не позволяет снизить расход электроэнергии, так как при подобном размещении катода и анода нельзя уменьшить межэлектродное расстояние, и тем самым уменьшить электросопротивление электролита между катодом и анодом, что приводит к большим затратам электроэнергии во время проведения процесса электролиза.
Задачами, на решение которой направлено изобретение, является снижение расхода электроэнергии, уменьшение потерь магния при электролизе, повышение выхода по току.
Технический результат направлен на устранение недостатков прототипа и позволяет уменьшить межэлектродное расстояние между анодом и катодом и тем самым уменьшить электросопротивление электролита, и снизить расход электроэнергии, улучшить вынос магния в сборную ячейку.
Технический результат достигается тем, что предложен электролизер для получения магния и хлора, включающий футерованную ванну, разделенную перегородкой с верхними и нижними переточными окнами на сборную ячейку и рабочее отделение, в котором размещены катоды, выполненные в виде двух пластин, и аноды, новым является то, что аноды и катоды установлены так, что расстояние между ними составляет 1,5-3,8 ширины анода, при этом межэлектродное расстояние имеет переменное по высоте значение и составляет 1:(0,5-2) от среднего значения, в нижней части аноды выполнены со скосом с уменьшением ширины анода сверху вниз до 1/3 от уровня низа катода, а катоды со стороны, обращенной к сборной ячейке, жестко соединены стяжкой.
Кроме того, пластины катодов наклонены к оси катодов для достижения переменного по высоте межэлектродного расстояния.
Кроме того, катоды со стороны, обращенной к сборной ячейке, жестко соединены стяжкой в виде единого металлического листа.
Установка анодов и катодов так, что расстояние между ними составляет 1,5-3,8 ширины анода, и межэлектродное расстояние имеет переменное по высоте значение, и составляет 1:(0,5-2) от среднего значения, позволяет значительно уменьшить межэлектродное расстояние между анодом и катодом и тем самым уменьшить электросопротивление электролита и снизить расход электроэнергии.
Выполнение скоса в нижней части анодов с уменьшением ширины анода сверху вниз до 1/3 от уровня низа катода позволяет создать направленную циркуляцию электролита и улучшить вынос магния из рабочего отделения в сборную ячейку и тем самым снизить потери магния при электролизе, повысить выход магния по току.
Установка пластин катода наклонно к оси катодов для достижения переменного по высоте межэлектродного расстояния сверху вниз позволяет вести процесс электролиза при минимальном межэлектродном расстоянии с хорошей циркуляцией электролита и, как следствие, повысить выход магния по току и полноту разделения хлора и магния.
Соединение катодов со стороны, обращенной к сборной ячейке, жестко стяжкой в виде металлического листа, позволяет повысить жесткость катодов и исключить деформацию катодов в процессе работы, и как следствие, исключить изменение межэлектродного расстояния между анодом и катодом и тем самым уменьшить электросопротивление электролита и снизить расход электроэнергии.
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 в заявленном устройстве - электролизере для получения магния и хлора, изложенных в пунктах формулы изобретения. 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 показан электролизер с верхним вводом анодов для получения магния и хлора. На фиг. 2 - компоновка анодов и катодов в электролизере.
Электролизер содержит кожух 1, огнеупорную футеровку 2, разделительную перегородку 3 с верхним переточным окном 4 и нижним переточным окном 5, сборную ячейку 6, рабочее отделение 7, в которой размещены катоды 8, выполненные в виде двух пластин 9, и жестко соединены стяжкой 10 и аноды 11. Катоды 8 и аноды 11 установлены так, что расстояние между ними составляет 1,5-3,8 ширины анода 11, при этом межэлектродное расстояние имеет переменное по высоте значение, и составляет 1: (0,5-2) от среднего значения. В нижней части аноды 11 выполнены со скосом 12 с уменьшением ширины сверху вниз до 1/3 от уровня низа катода 8. Катоды 8 со стороны, обращенной к сборной ячейке 6, жестко соединены стяжкой 10 в виде единого металлического листа.
Монтаж электролизера к работе.
Предварительно готовят металлические катоды 8, скрепленные между собой стяжкой 10 единым металлическим листом, например, при помощи сварки. Устанавливают аноды 11 в перекрытие электролизера, устанавливают с двух сторон анода 11 катоды 8 с подводом тока сбоку через футеровку. Электролизер герметизируют и начинают пуск электролизера.
Пример работы электролизера
Электролизер для получения магния однорядный с верхним вводом анодов и фронтальной сборной ячейкой на силу тока 225-235 кА с удельным расходом электроэнергии постоянно тока не более 13,0-14,5 кВт/т магния. В качестве сырья используют возвратный хлорид магния с процесса получения губчатого титана.
В сборную ячейку электролизера заливают расплав хлоридов металлов, на аноды и катоды подают постоянный электрический ток. Под воздействием электрического тока хлорид магния разлагается на магний и хлор, в процессе электролиза осуществляют постоянную циркуляцию электролита из рабочего отделения 7 в сборную ячейку 6 по верхним переточным окнам 4 и нижним переточным окнам разделительной перегородки 3. В сборной ячейке 6 происходит отделение металла от основного циркулирующего потока электролита и по мере накопления периодически извлекают из сборной ячейки.
Таким образом, предложенная конструкция электролизера для получения магния и хлора позволяет за счет уменьшения межэлектродного расстояния между анодом и катодом, уменьшить электросопротивление электролита, и снизить расход электроэнергии, улучшить вынос магния в сборную ячейку.
