制备镁和氯气的方法及用于实施该方法的电解池与流程

1.本发明涉及通过电解从含氯化镁的盐熔体中生产镁和氯气的方法。


背景技术：

2.现有技术公开了一种从电解池中的含mgcl2的盐熔体生产镁和氯气的方法，该电解池具有带有交替的阳极和阴极的电解室、和通过具有上下流通通道的分隔部与电解室隔开的镁分离池。已知的方法包括：在电极间间隙中保持带有氯气泡的电解质的气体饱和度，其提供了电解质在电解室和镁分离池之间的闭合循环，并防止电解质在电极间间隙中向下流动；以及引发阴极上的电解质和镁流，该流被引向上流通通道。该已知方法的特征在于，通过根据平均电极间距离改变上流通通道的高度来调节阴极上的电解质和镁流的速率，该高度选自以下条件：
3.h
通道
＝(1.0
‑
10.0
·
l
平均
，
4.其中h
通道
是上流通通道的高度，单位为cm；
5.l
平均
是平均电极间距离，单位为cm；
6.电极间间隙中带有氯气泡的电解质的气体饱和度保持等于6
‑
25常规单位，由下式确定：
[0007][0008]
其中g是在电极间间隙中带有氯气泡的电解质的气体饱和度；
[0009]
d
k
是阴极电流密度，单位为a/cm2；
[0010]
h
k
是阴极高度，单位为cm。
[0011]
电解以在向上电解质流的方向上电极间间隙的可变截面积进行，该截面积沿熔体的路径增加。
[0012]
ru 2243295公开了一种用于生产镁和氯气的电解池，其包括具有交替的阳极和阴极的电解室和通过具有上下流通通道的分隔部与电解室隔开的镁分离池。该电解池的特征在于，阴极的高度比电极间间隙高25
‑
60倍，并且阴极或阳极的工作表面相对于垂直方向倾斜38'
‑1°
26'的角度(ru 2243295)。
[0013]
ru 2243295中公开的电解池的缺点在于，在上部v形流通通道中提供了从电解室流向镁分离池的高速电解质和镁流，从而增加了从电解室向镁分离池的氯气泡的遗留(carryover)，即增加了管道(plumbing)气体中氯气的损失并使收集池中的镁分离条件恶化。小的镁珠被向下的电解质流从分离池带走进入电解室，从而由于电解室中镁氯化的逆反应而降低了镁的电流输出，并增加了比电能消耗。在电解池运行期间，由于在阴极上并靠近分隔部的衬里形成了镁和氧化镁生长物，因此上下流通通道之间的分隔部处于阴极电势下，从而导致破坏分隔部并缩短电解池的使用寿命。
[0014]
ru 2220232公开了一种用于生产镁的电解池，该电解池包括衬有耐火材料的槽、具有与钢阴极交替的石墨阳极的电解室、平行于电极布置并通过分隔部与电解室隔开的收集池。电解室中的电极并联电连接，并且每个电解室的电极与相邻室的电极串联连接。该已
知的电解池的特征在于，布置在串联连接的电解室之间的收集池布置在具有相同电位的异种电极之间，并且在0.40a/cm2‑
0.60a/cm2的阴极电流密度下，电解室中的电极间距离设置为20mm至30mm。
[0015]
ru 2220232中公开的电解池的缺点在于，收集池平行于电极的布置延长了镁从电解室到镁分离池的路径，从而增加了电解室中镁与氯的逆反应，并降低电流输出。电解室中的电极的并联电连接和电解室之间的电极的串联电连接显著使电解池的设计复杂化，从而导致腔室之间的电流泄漏并降低电流输出。
[0016]
kz 16980公开了一种通过使用电解池由含mgcl2的盐熔体生产镁和氯气的方法。电解池包括具有交替的阳极和阴极的电解室，通过具有上部v形通道和下部流通通道的分隔部与电解室隔开的镁分离池。该已知的方法包括由于在电极间间隙中的具有氯气泡的电解质的气体饱和度而提供该电解质在电解室和镁分离池之间的闭合循环，该气体饱和度等于6
‑
25。气体饱和度由下式确定：
[0017][0018]
其中π是在电极间间隙中的具有氯气泡的电解质的气体饱和度；
[0019]
d
k
是阴极电流密度，单位为a/cm2；
[0020]
h
k
是阴极高度，单位为cm。
[0021]
电极间间隙中的向上电解质流具有可变的截面积，该截面积沿熔体的路径增大，并且上部v形流通通道中的电解质流速从以下条件中选择：
[0022][0023]
其中h
通道
是上流通通道的高度，单位为cm；
[0024]
l
平均
是平均电极间距离，单位为cm。
[0025]
用于实施该已知方法的电解池包括：电解室，其具有交替的阳极和阴极；镁分离池，其通过具有上部v形通道和下部流通通道的分隔部与电解室分隔开。阴极上边缘水平处的电极间距离与阴极下边缘水平处的电极间距离之比为1.1
‑
3，且阴极或阳极的工作表面向垂直方向倾斜角度为38'
‑1°
26'。在该已知方法中，电流强度(ka)与电解质质量(t)之比大于10单位。
[0026]
在kz 16980中公开的方法及其实施装置的缺点包括电解质的低热惯性，因此，在电流输出的最小变化下，发生了对电解池的热平衡的破坏，从而降低了电流输出。通过上部v形通道的高速电解质流通的存在会导致镁在分离池中破碎成小珠，这些小珠被向下的电解质流带走回到电解室，在电解室中镁被氯化。这导致电流输出的减少以及管道气体的氯气损失增加。在电解池运行期间，由于在阴极上并靠近分隔部的衬里形成了镁和氧化镁生长物，因此上下流通通道之间的分隔部处于阴极电势下，从而导致破坏分隔部并缩短电解池的使用寿命。


技术实现要素：

[0027]
本发明解决的问题如下：如何通过增加电流输出来减少比能耗，同时减少管道气体的氯气损失并增加电解池的使用寿命。
[0028]
本发明提供的技术效果是：通过改善收集池中的镁分离条件因而增加镁的电流输出来降低比能耗，并且提高了电解池的生产率，降低了管道气体的氯气损失，以及延长了电解池的使用寿命。
[0029]
该技术效果通过所提出的使用无隔膜电解池由含mgcl2的盐熔体生产镁和氯气的方法来实现。该方法包括：由于电极间间隙中的具有氯气泡的电解质的气体饱和度而启动电解质在电解室和镁分离池之间的闭合循环，该气体饱和度等于6
‑
25，由下式确定：
[0030][0031]
其中π是电极间间隙中的具有氯气泡的电解质的气体饱和度；
[0032]
d
k
是阴极电流密度，单位为a/cm2；
[0033]
h
k
是阴极高度，单位为cm。
[0034]
该方法的特征在于电流强度(ka)和电解质质量以定量表达式设置以使它们的比率为8
‑
10，并且来自电解室的电解质流沿两个方向进入收集池：通过上流通通道和布置在上流通通道与下流通通道之间的附加通道。上部v形流通通道中的电解质流速从以下条件中选择：
[0035][0036]
其中s
上通道
是上流通通道的总面积；
[0037]
s
附加通道
是附加通道的总面积。
[0038]
用于实施上述方法的无隔膜电解池包括具有交替的阳极和阴极的电解室；通过具有上部v形流通通道和下部流通通道的分隔部与电解室隔开的镁分离池。所述电解池的特征在于，电解室与镁分离池的宽度之比为1.6
‑
2.7，在上部v形通道和下部通道之间的分隔部中设有附加通道，附加通道的流路面积是上部v形通道面积的0.016
‑
0.048，分隔部中的附加通道由熔融浇铸的结晶云母材料、即氟金云母制成。
附图说明
[0039]
图1示出了无隔膜电解池的整体图，图2示出了沿线a
‑
a截取的截面，图3示出了沿线b
‑
b截取的截面。
具体实施方式
[0040]
无隔膜电解池包括：在内部衬有耐火材料2的钢制壳体1；电解室3，其具有交替的阳极4和阴极5、电极间间隙6和从上方的遮蔽物7；镁分离池8；分隔部9，其将电解室3与镁分离池8隔开，并具有上部v形流通通道10、衬有氟金云母12的附加通道11和下部通道13。
[0041]
电解池的运行方式如下：
[0042]
将熔体倒入电解池后，将直流电馈入电极。在655
°
с
‑
670
°
с的电解质温度下，氯气在阳极4处释放，镁在阴极5处释放。由于电极间间隙6中带有氯气泡的电解质的高气体饱和度，电解质与镁和氯气一起向上流动，氯气在电解室3中的电解质上方被收集，然后被移出至主氯气管道。在电极间间隙6的上部，大多数电解质与镁一起通过上部v形流通通道10进入镁分离池8。另一部分电解质也通过附加通道进入镁分离池。镁积聚在分离池8中的电
解质表面上，并通过真空钢包(ladle)定期选择。池8中的无镁电解质被向下引导，电解质流然后通过下部通道13进入电极间间隙6。
[0043]
电解室和镁分离池的宽度之比为1.6
‑
2.7。通过该比率，为镁在分离室中的沉积提供了有利的条件。
[0044]
附加通道安装在上部v形通道和下部通道之间的分隔部中，并且具有的流路面积为上部v形通道的面积的0.016
‑
0.048。这允许降低上部v形通道中的电解质和镁的流速，改善镁收集中镁的沉积条件，减少从电解室流向收集池的电解质流的氯气泡的去除，以及因此，减少了管道气体中氯气的损失，并避免了阴极和分隔部之间的接触。
[0045]
分隔部中的附加通道由熔融浇铸的结晶云母材料即氟金云母制成，这允许增加耐火分隔部的电阻并延长电解池的使用寿命。
[0046]
表：电解池的运行因素表：电解池的运行因素
[0047]
由含mgcl2的盐熔体生产镁和氯气的方法如下执行：
[0048]
将包含镁、钠和钾的氯化物的熔体倒入衬有耐火材料的电解池中，并将直流电馈入电极。通过改变电解池中的电流强度(ka)和电解质质量(t)，将电流强度与电解质质量之比设定为等于8
‑
10。在655℃
‑
670℃的电解质温度下，氯气在阳极释放，镁在阴极释放。由于具有氯气泡的电解质的高气体饱和度，因此在电极间间隙中电解质与镁和氯气一起向上流动。氯气在电解室中的电解质上方被收集，从那里被移至主氯气管道中。大部分电解质与阴极上方上部的镁一起通过分隔部中的上部v形流通通道导入镁分离池。另一部分电解质通过布置在上下流通通道之间的分隔部中的附加通道从电解室引导至分离池。由于从电解室到收集池的电解质流分为两股流，因此上流通通道中的电解质流速降低，并且由等于20
‑
60的比率s
上通道
:s
下通道
确定。镁在镁分离池中的电解质表面积聚，并由真空钢包定期选择。收集池中的无镁电解质被向下引导，然后通过分隔部的下通道被引导至电解室的电极间间隙。
[0049]
在由比例s
上通道
:s
下通道
＝20
‑
60确定的上通道中的电解质流速下，获得最大电流输出。
[0050]
电解池上的电流强度根据保持热量平衡和观察等于8
‑
10的电流强度与电解质质量之比的条件设置，并通过更改电解池中的电解质水平来调节电解质质量。
[0051]
上部v形流通通道中的电解质流速根据以下条件选择：
[0052][0053]
其中s
上通道
是上部流通通道的总面积；
[0054]
s
附加通道
是附加通道的总面积，
[0055]
该选择是由于当该比例小于20时，将镁从电解室移至分离池的条件变差，从而使电流输出降低1
‑
2％；当该比例大于60时，分离池中镁沉积的条件变差，并且直径小于1.0mm的小镁珠被向下的电解质流带回电解室，从而将电流输出降低1
‑
2％。
[0056]
电流强度(ka)与电解质质量(t)之比即8
‑
10的选择是由于以下事实：当电流强度与电解质质量之比大于10时，电解池中电解质的热惯性急剧下降，并且电解质温度迅速升高，而电流输出仅略有下降，从而降低了电流输出；当该比小于8时，对于电解池的底部面积每平方米的比热损失增加，从而增加了电解池的比能耗。通过改变电解池中的电解质水平来保持电解质质量。
[0057]
表1.镁电流输出对电流强度(ka)与电解质质量(t)之比的依赖性
[0058]
表2.镁电流输出对电解质流速的依赖性
[0059]
表3.根据本发明的方法和kz 16980中公开的方法的比较因素
[0060]
通过使用根据本发明的方法，由于电流输出的增加和管道气体中氯气的损失的减少而使得比能耗的减少。
[0061]
根据本发明的电解池具有延长的使用寿命，并减少了管道气体中氯气的损失。
[0062]
经济效果如下：比能耗减少了470kwh/吨镁(tmg)，由于镁从电解室移至收集池的改善以及收集池中镁分离条件的改善而使得镁电流输出增加，电解池产率提高了6.0％，管道气体中的氯气损失减少了30kg/tmg，电解池的使用寿命增加了8个月。