СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ХЛОРМАГНИЕВОГО СЫРЬЯ К ПРОЦЕССУ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИЯ И ХЛОРА Российский патент 2009 года по МПК C22B1/00 C01F5/34 C25C3/04 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к способам подготовки хлормагниевого сырья к процессу электролитического получения металлического магния за счет расширения сырьевой базы и использования новых источников хлормагниевых соединений.

Известен способ подготовки хлормагниевого сырья к процессу электролитического получения магния (пат. РФ №2182559, опубл. 20.05.2002) из хлормагниевых растворов, содержащих, мас.%: 32,7 MgCl₂, 0,9 KCl, 1,0 NaCl, 65,4 Н₂O. Способ включает очистку хлормагниевых растворов, смешивание хлормагниевого раствора с твердым калийхлорсодержащим реагентом, например с отработанным электролитом состава, мас.%: 8,2 MgCl₂, 74,2 KCl, 16,7 NaCl и др. примеси с порошкообразным техническим хлоридом калия состава, мас.%: 95,0 KCl, 5,0 NaCl. Процесс смешивания реагентов проводили с одновременным нагревом смеси до температуры 150°С и с одновременным удалением паров воды из зоны перемешивания. В процессе смешивания происходит образование карналлита через стадию конверсии. В результате получают синтетический карналлит состава, мас.%: 41,1 MgCl₂, 30,9 KCl, 19,8 H₂O, 7,9 NaCl, прочие примеси 0,3. Содержание кристаллизационной воды - 2,6 молей на моль KCl×MgCl₂. (Ж и Т).

Недостатком данного способа является то, что для получения синтетического карналлита необходимы большие затраты на приготовление хлормагниевых растворов. Это также удлиняет процесс подготовки сырья и снижает его производительность, увеличивает материальные и энергетические затраты. Кроме того, полученный синтетический карналлит не пригоден для электролиза, и его необходимо дополнительно обезвоживать, плавить и хлорировать, что приводит к высоким энергетическим затратам и потерям сырья при обработке.

Известен способ подготовки хлормагниевого сырья к процессу электролитического получения магния (пат. РФ №2218452, опубл. 12.10.2003), включающий предварительную очистку расплавленного отработанного электролита при температуре 700°С до остаточного содержания в осветленной части 0,08% МgО с выдержкой, удаление с поверхности расплавленного электролита остатков магния. Затем осветленную часть откачивают вакуум-ковшом в короба, охлаждают, измельчают до крупности 100 мм и в твердом виде смешивают с хлормагниевым раствором. В результате синтеза получают сырой карналлит, который направляют на дальнейшее обезвоживание в печь кипящего слоя для получения глубокообезвоженного карналлита, который направляют на процесс получения магния и хлора.

Недостатком данного способа является то, что для получения хлормагниевого сырья необходимо приготавливать хлормагниевые растворы и отработанный электролит очищать от примесей, что удлиняет процесс подготовки и снижает его производительность, увеличивает материальные и энергетические затраты. Кроме того, полученный синтетический карналлит не пригоден для электролиза, и его необходимо дополнительно обезвоживать в печи кипящего слоя, что приводит к высоким энергетическим затратам и потерям сырья при обработке.

Известен способ подготовки хлормагниевого сырья к процессу электролитического получения магния и хлора (кн. Обезвоживание и электролиз карналлита. - Донских П.А. - Соликамск, 1999, стр.44-60), по количеству общих признаков принятый за ближайший аналог-прототип и включающий загрузку твердого обезвоженного карналлита, полученного на первой стадии обезвоживания в печи кипящего слоя, в плавильник хлоратора, расплавление его, подачу на стадию хлорирования, перемешивание хлорсодержащим газом, отстой и подачу готового продукта на процесс получения магния и хлора.

Недостатками данного способа являются высокие затраты на приобретение обогащенного карналлита и его обезвоживание, низкое качество хлормагниевого сырья из-за высокого содержания вредных для процесса электролиза примесей железа, серы и оксида магния, относительно высокий расход электроэнергии.

Технический результат направлен на устранение недостатков прототипа и позволяет за счет расширения сырьевой базы снизить затраты на приобретение карналлитового сырья и тем самым снизить себестоимость продукции, повысить качество получаемого хлормагниевого сырья за счет снижения вредных для процесса электролиза примесей железа, серы и оксида магния, снизить энергетические затраты на расплавление хлормагниевого сырья за счет выделения тепла при образовании карналлитового комплекса при взаимодействии с хлоридами магния и калия.

Технический результат достигается тем, что предложен способ подготовки хлормагниевого сырья к процессу электролитического получения магния, включающий загрузку в плавильник хлоратора обезвоженного карналлита, его расплавление, подачу расплавленного сырья в камеру хлорирования, перемешивание хлорсодержащим газом, отстой и подачу готового продукта на процесс получения магния и хлора, новым является то, что в плавильник хлоратора на поверхность расплавленного обезвоженного карналлита непрерывно загружают предварительно приготовленную смесь твердых хлоридов магния, калия и натрия при массовом соотношении хлорид магния:хлорид калия:хлорид натрия, равном 1:(0,8-0,9):(0,1-0,2), получают смесь хлоридов магния, калия и натрия с обезвоженным карналлитом при массовом соотношении, равном 1:(1-10), нагревают ее до температуры 500-600°С, расплавляют, перемешивают, отстаивают, отбирают осветленную часть и направляют на процесс электролитического получения магния и хлора.

Предложенный способ подготовки хлормагниевого сырья к процессу электролитического получения магния позволяет получить готовое сырье для получения магния и хлора, значительно снижая материальные и энергетические затраты. Подобранное массовое соотношение смеси твердых хлоридов к обезвоженному карналлиту, равное 1:(1-10), позволяет получить безводный карналлит, пригодный для процесса электролиза и снизить расход обезвоженного карналлита на 10-50%, позволяет обеспечить оптимальное содержание хлоридов в хлормагниевом сырье и снизить содержание вредных для электролиза примесей (железа, серы, оксида магния).

Загрузка в плавильник хлоратора смеси твердых хлоридов магния, хлорида калия и хлорида натрия при массовом соотношении хлорид магния: хлорид калия: хлорид натрия, равном 1:(0,8-0,9):(0,1-0,2), и перемешивание на стадии хлорирования смеси твердых хлоридов и обезвоженного карналлита позволяет получить равномерное по составу сырье для электролиза магния.

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, позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе подготовки хлормагниевого сырья к процессу электролитического получения магния и хлора.

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. Заявленная совокупность признаков: последовательность операций и режимные параметры позволяют значительно снизить затраты на подготовку и обезвоживание карналлитового сырья к электролизу. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень».

Примеры осуществления способа по прототипу и изобретению.

Пример 1 по прототипу

Процесс подготовки хлормагниевого сырья к процессу электролитического получения магния проводят в хлораторе, предназначенном для расплавления и окончательного обезвоживания обезвоженного карналлита, поступающего из печи кипящего слоя (первой стадии обезвоживания). Хлоратор выполнен из плавильника, камеры хлорирования и камеры отстоя. Из расходных бункеров дозаторами в плавильник загружается 7200 кг/час обезвоженного карналлита из печей кипящего слоя и молотый нефтекокс. В плавильнике установлены электроды, с помощью которых поддерживают температуру 490-520°С, и обезвоженный карналлит плавят. В расплавленном виде он через переточный канал поступает в камеру хлорирования, куда для хлорирования примесей под слой расплава подают хлор. При обработке хлором расплав нагревают до температуры 600-850°С, путем перетока направляют в камеру отстоя, где он отстаивается от твердых взвешенных частиц. Осветленную часть расплава сливают в ковши и направляется на процесс электролиза. Состав полученного сырья, мас.%: 49-50 MgCl₂, 39-40 KCl, 10-12 NaCl. Содержание вредных примесей, мас.%: 0,8 МgО, 0,04 Fе_общ, 0,05 SO₄ ^-2.

Пример 2 по изобретению

Процесс подготовки хлормагниевого сырья к процессу электролитического получения магния проводят в хлораторе, предназначенном для расплавления и окончательного обезвоживания обезвоженного карналлита, поступающего из печи кипящего слоя (первой стадии обезвоживания). Хлоратор выполнен из плавильника, камеры хлорирования и камеры отстоя. Из расходных бункеров дозаторами в плавильник загружается 6000 кг/час обезвоженного карналлита из печей кипящего слоя и молотый нефтекокс. В плавильнике установлены электроды, с помощью которых поддерживают температуру 490-520°С, и обезвоженный карналлит плавят. Одновременно с обезвоженным карналлитом в плавильник с помощью дозаторов из бункера на поверхность расплавленного обезвоженного карналлита загружают непрерывно смесь хлоридов магния, калия и натрия в количестве 1200 кг. Предварительно измельченный (соль) твердый хлорид магния с содержанием хлорида магния 98 мас.%, воды 1 мас.%, остальное примеси - 1 мас.% (ТУ 1714-492-05785388-2007), получают, например, при получении губчатого титана магниетермическим восстановлением тетрахлорида титана. Хлорид магния является побочным продуктом в результате химической реакции тетрахлорида титана с магнием, который периодически удаляют из процесса восстановления путем слива в вакуум-ковши, а затем в короба. Твердый хлорид магния измельчают до крупности частиц 10+5 мм. Твердый хлорид калия с содержанием 98 мас.% основного вещества (ГОСТ 65-48-95) получают из природного сильвинита в процессе обогащения руды. Твердый хлорид натрия (ТУ 2111-00209527) получают в процессе обогащения хлорида калия из сильвинита. Содержание основного вещества 98 мас.%.

Смесь хлоридов магния, калия и натрия предварительно смешивают, например в бункере, при массовом соотношении, равном 1:0,8:0,2, и загружают при массовом соотношении смесь солей к обезвоженному карналлиту, равном 1:5, в плавильник хлоратора. В плавильнике хлоратора смесь нагревают до температуры 570°С, расплавляют, затем расплавленную смесь подают в камеру хлорирования, куда для хлорирования, перемешивания и удаления примесей под слой расплава подают хлор. При перемешивании хлором смесь нагревают до температуры 600-850°С. В данном случае происходит синтез хлорида магния по реакции:

KCl+MgCl₂=KMgCl₃+Q,

с образованием хлормагниевого сырья, пригодного для процесса электролитического получения магния и хлора,

Q - тепловой эффект реакции, равный 20 кВт/т, который используется для нагрева расплава.

Затем расплавленную смесь через переточный канал путем перетока направляют в камеру отстоя, где смесь отстаивается от твердых взвешенных частиц. Осветленную часть расплава сливают в ковши и направляют на процесс электролиза. Состав полученного сырья, мас.%. 49-50 MgCl₂, 39-40 KCl, 10-12 NaCl. Содержание вредных примесей, мас.%: 0,4 МgО, 0,02 Fe_oбщ, 0,02 SO₄ ^-2.

Ниже приведено сравнение показателей процессов подготовки хлормагниевого сырья по прототипу и изобретению.

Тип процесса Расход обезвоженного карналлита, кг/час Расход электроэнергии, кВт.ч/т Содержание примесей, мас.% МgО Fе_общ SO₄ ^-2 Прототип (пример 1) 7200 470 0,8 0,04 0,05 Изобретение (пример 2) 6000 450 0,4 0,02 0,02

Таким образом, предложенный способ подготовки хлормагниевого сырья к процессу электролитического получения магния и хлора позволит:

- снизить расход дорогостоящего обезвоженного карналлита на 10-50%,

- уменьшить расход электроэнергии на 10-20 квт.ч/т за счет использования тепла экзотермической реакции,

- снизить содержание вредных для процесса электролиза примесей в 2 раза.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Способ подготовки хлормагниевого сырья к процессу электролитического получения магния и хлора включает загрузку в плавильник хлоратора обезвоженного карналлита, его расплавление, подачу расплавленного сырья в камеру хлорирования, перемешивание хлорсодержащим газом, отстой и подачу готового продукта на процесс получения магния и хлора. В плавильник хлоратора на поверхность расплавленного обезвоженного карналлита непрерывно загружают предварительно приготовленную смесь твердых хлоридов магния, калия и натрия при массовом соотношении хлорид магния:хлорид калия:хлорид натрия, равном 1:(0,8-0,9):(0,1-0,2). Получают смесь хлоридов магния, калия и натрия с обезвоженным карналлитом при массовом соотношении, равном 1:(1-10). Указанную смесь нагревают до температуры 500-600°С, расплавляют, перемешивают, отстаивают, отбирают осветленную часть и направляют на процесс электролитического получения магния и хлора. Изобретение позволяет снизить расход обезвоженного карналлита на 10-50%, уменьшить расход электроэнергии, снизить содержание примесей железа, серы и оксида магния в 2 раза.

Способ подготовки хлормагниевого сырья к процессу электролитического получения магния и хлора, включающий загрузку в плавильник хлоратора обезвоженного карналлита, его расплавление, подачу расплавленного сырья в камеру хлорирования, перемешивание хлорсодержащим газом, отстой и подачу готового продукта на процесс получения магния и хлора, отличающийся тем, что в плавильник хлоратора на поверхность расплавленного обезвоженного карналлита непрерывно загружают предварительно приготовленную смесь твердых хлоридов магния, калия и натрия при массовом соотношении хлорид магния:хлорид калия:хлорид натрия, равном 1:(0,8-0,9):(0,1-0,2), получают смесь хлоридов магния, калия и натрия с обезвоженным карналлитом при массовом соотношении, равном 1:(1-10), которую нагревают до температуры 500-600°С, расплавляют, перемешивают, отстаивают, отбирают осветленную часть и направляют на процесс электролитического получения магния и хлора.