книги из ГПНТБ / Эйдензон М.А. Металлургия магния и других легких металлов учеб. пособие

гния. Для компенсации тепловых потерь котел подогревается природным газом, который сжигают в пространстве между котлом и обмуровкой из огнеупорного кирпича.

6

Рис. 31. Бездиафрагменный электролизер:

а — продольный разрез; б — поперечный разрез; / — кожух; 2 — теплоизо­ ляция; 3 — футеровка; 4 — катод; 5 — анод; 6 — сборная ячейка

В магниевой промышленности работают электролизеры на силу тока 70—130 кА. Причины различия некоторых технологических показателей на электролизерах разных конструкций подробнее рассмотрены в гл. VII.

Со

4*-

катодного отсоса

Серию электролизеров размещают в одном йлй нескольким корпусах. В корпусе электролизеры обычно располагают в два ряда. Проезд и рабочая зона находятся между рядами электроли­ зеров или по обе стороны рядов. Последнее расположение пред­ почтительно, так как улучшаются условия проветривания рабочего места. Шинопроводы располагают либо сверху — вдоль электро­ лизеров, либо внизу — в подвальном помещении. Хлоропроводы также могут быть расположены либо в верхней, либо в подваль­ ной части корпуса. Там же расположены все прочие трубопроводы, вакуумные и воздушные, кабели и др. На рис. 33 изображен по­ перечный разрез корпуса электролиза магниевого завода.

3.КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О МОНТАЖЕ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ

Правильно выполненный монтаж электролизера — необходи­ мое условие для его нормальной и длительной работы. Монтаж электролизера, а также изготовление его деталей обычно выпол­ няются по особым техническим условиям применительно к кон­ струкции электролизера. Ниже изложены общие правила и после­ довательность операций монтажа электролизеров.

Перед монтажом электролизеров выполняют все подготови­ тельные работы: строительство здания, полов, опор и электричес­ кую изоляцию конструкций электролизера и частей здания. Мон­ таж проводят в следующей последовательности: устанавливают кожух, очищают и оклеивают внутреннюю поверхность его асбе­ стовым картоном, укладывают теплоизоляционный слой из диатомитового кирпича на подину кожуха. Затем выполняют огнеупор­ ную кладку подины ванны.

При монтаже электролизера с боковым вводом анодов в ванну устанавливают анодные блоки сразу после окончания кладки по­ дины. Чугунную часть блоков облицовывают графитовыми плит­ ками и затем ведут кладку продольных и торцовых стен, одно­ временно укладывая шамотный диатомитовый кирпич. После окончания кладки ванны устанавливают диафрагмы и затем анод­ ные перекрытия. При нижнем вводе анодов последовательность монтажных операций несколько отличается от приведенной выше в соответствии с различием в расположении чугунных заливоканодов.

При монтаже электролизеров с верхним вводом, анодов на верхнюю кромку диафрагм и в продольные стенки ванны уста­ навливают анодные перекрытия из огнеупорного бетона. Для футеровки применяют нормальный или фасонный шамотный кир­ пич первого сорта. Кладку кирпича, диафрагм и других огне­ упорных деталей ведут на растворе, состоящем из двух частей (по массе) наполнителя и одной части жидкого стекла плотностью 1,35 г/см3. В качестве наполнителя применяют тонко размолотый полевой шпат, андезитовый или диабазовый порошок, к которому добавляют 3—4% кремнефтористого натрия от массы наполни­ теля.

85

Анодные блоки устанавливают в проемы анодных перекрытий. Затем устанавливают катодные рамы, камни и катоды. Одновре­ менно монтируют анодный и катодный коллекторы и соединяют их патрубками с соответствующими отверстиями в электролизере, а также присоединяют к магистральным хлоропроводу и каналу катодного отсоса. Ошиновку электролизеров монтируют отдельно на изолированных конструкциях, после чего анодные и катодные контакты присоединяют к соответствующим отводам ошиновки.

При монтаже необходимо следить за соблюдением всех проект­ ных размеров и правильностью взаимного расположения узлов и деталей электролизера. Особое внимание следует обращать на правильность расположения анодов относительно диафрагм в плане. Это расстояние имеет для каждой рабочей глубины анода, межэлектродного расстояния и анодной плотности тока строго определенную величину. Необходимо следить за тем, чтобы уплот­ нение анодного пространства было выполнено тщательно. Катоды надо проверить до установки в электролизер; при свободной по­ садке катода на опорные плоскости штанг катодный лист должен быть строго вертикален.

Г Л А В А VII

ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭЛЕКТРОЛИЗА

К основным технологическим показателям электролиза относятся удельный расход электрической энергии и производительность электролизера.

I. БАЛАНС НАПРЯЖЕНИЯ

Электрическая цепь ■электролизера представляет собой, ряд последовательно соединенных проводников: внешняя токопро­ водящая шина, анод, электролит и катод. Напряжение на зажимах электролизера складывается из суммы перепадов напряжений в указанных участках цепи (омическая составляющая напряжения на электролизере) и напряжения разложения (электрохимическая составляющая):

Величина напряжения разложения MgCl2 зависит от его кон­ центрации в электролите и температуры. Так как колебания кон­

86

центрации MgCl2 и температуры электролита при нормальной работе электролизера незначительны, то обычно при расчетах напряжения на электролизере величину напряжения разложения MgCl2 принимают постоянной в пределах 2,7—2,8В.

Значения величин Va, Ук, V3 и Кош можно вычислить по фор­ муле закона Ома, исходя из величин силы тока, удельного элек­ тросопротивления и сечения соответствующих участков электри­ ческой цепи электролизера. Перепад напряжения на том или ином участке цепи равен

р— удельное сопротивление материала соответствующего участка цепи, Ом-см;

К— удельная электропроводность соответствующего участка цепи, Ом- 1 -см-1 ;

D — плотность тока на соответствующем участке цепи, А/см2. В табл. 8 приведены примерные балансы напряжения на элек­

тролизерах. Расчет баланса напряжения см. в гл. IX.

Таблица 8

Примерный баланс напряжения магниевого электролизера на 100 кА с верхним вводом анодов

* При таких же условиях напряжение на электролизере с боковым вводом анодов на 0,35—0,45 В меньше.

2.УДЕЛЬНЫЙ РАСХОД ЭНЕРГИИ

Вгл. V приведена общая формула (16) удельного расхода элек­ трической энергии на электролиз, кВт-ч/кг:

W= __ - __

у0,454т)к '

87

\

Подставляя в эту формулу значение U, согласно формуле,

и заменив V3 на {D — плотность тока в эффективном сечении

электролита; L — расстояние между электродами; К — удельная электропроводность электролита), получим развернутое выраже­ ние удельного расхода энергии на электролиз:

DL

Из выражения (16) и (22) следует, что удельный расход электри­ ческой энергии обратно пропорционален выходу по току, прямо пропорционален напряжению на электролизере и зависит от от­ дельных составляющих напряжения. Отсюда следует, что для сни­ жения удельного расхода энергии необходимо добиваться по воз­ можности высокого выхода по току и наименьшего напряжения на электролизере. Зависимость выхода по току от различных фак­

Va, FK), а также от технологических и геометрических параметров электролизера (D , L) и электропроводности электролита.

Для уменьшения перепада напряжения в электродах при кон­ струировании электролизеров принимают наибольшее возможное поперечное сечение анодов и катодных штанг. Предельно допу­ стимые величины проходной плотности тока в электродах: в аноде— не более 6 А/см2, в катоде — не более 25 А/см2. Длина электродов должна быть по возможности меньшей. При двустороннем вводе тока в анод, например в электролизерах с боковым вводом анодов, рабочая длина анода (путь тока в нем) меньше, чем при верхнем вводе. Поэтому при прочих равных условиях падение напряжения в анодах при их боковом вводе меньше, чем при верхнем.

Сечение токоподводящих шин выбирают таким образом, чтобы плотность тока в них не превышала 0,7 А/мм2, а температура шин вследствие нагрева при прохождении тока не была выше 75° С. Для уменьшения сопротивления контактов их целесообразно делать сварными, а там, где это невозможно, — с достаточно раз­ витой поверхностью и таким образом, чтобы плотность тока в них была, не более А/см2:

аз

Величину напряжения разложения MgCl2 в узком интервале температур и при определенной средней концентрации остальных компонентов электролита можно считать постоянной. Величины У0ш. Уа> Уц ПРИ нормальной эксплуатации электролизера имеют некоторые средние постоянные значения для каждого электролизера в зависимости от его конструкции и мощности. Поэтому при прочих одинаковых условиях удельный расход энергии тем меньше, чем ниже плотность тока и расстояние между электродами и чем выше электропроводность электролита. Однако чрезмерное умень* шение плотности тока влечет за собой (при данной силе тока) увеличение размеров электролизера, что, в конечном счете, может оказаться экономически невыгодным. Отметим, что такое огра­ ничение касается диафрагменных электролизеров с односторонней рабочей поверхностью катодов. В бездиафрагменных электроли­ зерах в силу особенностей их конструкции возможно существен­ ное понижение плотности тока без уменьшения единичной произ­ водительности электролизера с одновременным снижением напря­ жения и соответственно удельного расхода энергии (см. с. 101).

Электропроводность электролита оказывает существенное влияние на удельный расход электроэнергии. Учитывая влияние электропроводности электролита на удельный расход электро­ энергии, целесообразно применять электролит с умеренным со­ держанием MgCl2 и повышенным содержанием NaCl, Присутствие КС1 и СаС12 в электролите тоже повышает его электропроводность, однако, учитывая влияние СаС12 на вязкость (см. с. 64), не сле­ дует допускать повышения концентрации СаС12 до предела, при котором отрицательное влияние вязкости становится весьма за­ метным. Отметим, что состав электролита выбирают не только исходя из его электропроводности, но и с учетом комплекса всех физико-химических и технологических свойств.

3.ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС

Вработающем электролизере происходит непрерывный обмен энергией с внешней средой и протекают процессы, в результате которых энергия преобразуется из одной формы в другую. Как уже отмечалось в гл. V, некоторая часть подведенной электричес­

кой энергии затрачивается на разложение хлористого магния, а остальная часть превращается в тепло. Электролизер непрерывно отдает тепло в окружающую среду, и электролиз был бы невоз­ можен, если бы тепловые потери электролизера не компенсирова­ лись той частью электрической энергии, которая превращается в электролизере в тепло.

Для того чтобы электролизер находился в энергетическом равновесии, что выражается в постоянстве температуры электро­ лита при заданных параметрах процесса и установившемся режиме, необходима в каждый данный момент компенсация расхода энер­ гии по всем статьям приходом энергии извне.

89

Количество электрической энергии, потребляемой электроли­ зером за I ч без учета энергии на преодоление сопротивления ошиновки, равно, кВт-ч:

-f Уэ (полное напряжение на электролизере, за вычетом перепада напряжения в ошиновке), получим

Уравнение (24) характеризует превращение энергии, подведен­ ной к электролизеру в .единицу времени. В нем IE — электричес­ кая работа разложения хлористого магния, т. е. та доля подведен­ ной электрической энергии, которая превращается в химическую энергию магния и хлора без перехода в тепловую; /Уа, /Ук, IV3— количество электрической энергии, которое превращается в тепло при прохождении через анод, катод и электролит соответственно

выделение фактического (продукционного) количества магния, равна /£г)к.

Основной причиной потерь магния, т. е. причиной уменьшения выхода магния по току в сравнении с теоретическим, является взаимодействие магния с хлором. Эта реакция, как и большинство других побочных процессов, приводящих к потере выхода по току, сопровождается выделением тепла. Можно приближенно считать, что разность теоретической и фактической величин работы разло­ жения хлористого магния

/ £ - / £ % = / £ ( ! - л * )

равна количеству регенерированного в электролизере тепла, эквивалентному работе, затраченной на выделение магния, кото­

Доля подведенной электрической энергии, которая npeBpajщается в тепло (второй, третий, четвертый и пятый члены правой части уравнения), называется г р е ю щ е й э н е р г и е й . Соот­

90