1.6 Электролитическое получение магния

1.6.1 Цех по производству магния с годовой производительностью 40 тыс тонн металла оснащён электролизёрами нагрузкой 130 кА. Машинное время работы ванн 0,96. Напряжение на ванне 5,5 В. Выход по току для магния78 %, для хлора 95 %.

Рассчитать необходимое число электролизёров, которое необходимо установит в цехе, годовую производительность по хлору и удельный расход электроэнергии на 1тонну магния и 1 тонну хора.

Решение

В процессе электролиз магния на электродах и в электролизёре протекают следующие электрохимические реакции:

на катоде Mg²⁺ +2e = Mg;

на аноде 2Сl^- -2e = Cl₂

в электролизёре MCl₂ = Mg +Cl₂.

Электрохимические эквиваленты участников реакции составят:

k(Mg) = = = 0,454 г/(А·ч);

k(Cl₂) = = = 1,325 г(А·ч)

Годовая производительность по магнию одного электролизёра составит:

g₁ = k(Mg)ItB_TK_M =0,454·130·10³·365·24·0,78·0,96 = 387, 14·10⁶ г = 387,14 т.

Необходимое количество электролизёров составит:

n = = = 103,2

Принимаем число электролизёров, равное 103.

Годовая производительность цеха по хлору составит:

g₂ = k(Cl₂)ItB_TK_M=1,325·130·10³·365·24·0,95·0,96 =1376,13·10⁶ г = 1376,13 т.

Удельный расход электрической энергии на 1 т магния составит:

W(Mg) = = = 14,9(Вт·ч)/г = 14910 (кВт·ч)/т.

Удельный расход электрической энергии на 1 т хлора составит:

W(Cl₂) = = = 4,55 (Вт·ч)/г = 4550 (кВт·ч)/т.

1.6.2 Магниевый электролизёр нагрузкой 130 кА с объёмом расплава 9,0 м³, работающий по карналлитовой схеме, питается карналлитом, содержащим 49,5 % MgCl₂. После заливки свежего карналлита электролит содержит 14,0 % MgCl₂ и имеет плотность 1,75 г/см³. К отбору отработанного электролита приступают по достижении содержания в нём MgCl₂б равного 5 %. В процессе электролиза на 1 т Mg образуется 0,3 т шлама и и0,05 т возгонов. Шлам содержит 20 % MgO, а остальное - хлориды металлов. Возгоны содержат 30 % MgCl_2,, а остальное - хлориды металлов.

Выход по току для магния 80%.

Рассчитать периодичность отбора отработанного электролита, количество электролита, которое необходимо отбирать из ванны и удельный расход электролита и карналлита на 1т Mg.

Решение

Часовая производительность одного электролизёра составит:

g₁ = kItB_T = 0,454·130·10³·1·0,8 = 42,22·10³ г = 42,22 кг

Рассчитаем затраты MgCl₂ на 1 кг магния.

Затраты MgCl₂ на собственно электролиз рассчитаем из соотношения:

MgCl₂ -------------------- Mg

95,23 -------------------- 24,23

g_2,кг ------------------ 1 кг;

g₂ = = 3,87 кг

Затраты MgCl₂ на образование возгонов составит:

g₃ = 0,3·0,05 = 0,015 кг.

Затраты MgCl₂ на образование MgO в шламе составят:

MgCl₂ -------------------- MgО

95,23 -------------------- 40,23

g_4,кг ------------------ 0,3·0,2 кг;

g₄ = = 0,142 кг.

Суммарный расход MgCl₂ cоставит:

g₅= g₂ + g₃ +g₄ = 3,87+ 0,015 + 0,142 = 4,027 кг

Часовой расход MgCl₂ в электролизёре составит:

g₆ = g₅·g₁ = 4,027·47,22 = 190,15 кг

Рассчитаем расход электролита на 1 кг магния.

Затраты электролита на образование шлама составят:

g₇ = 0,3·0,8 = 0,24 кг

Затраты электролита на образование возгонов составят:

g₈ = 0,05·0,7 = 0,035 кг

Суммарный расход электролита на 1 кг магния составит:

g₉ = g₅ + g₇ + g₈ = 4,027 + 0,24 + 0,035 = 4,302 кг

Часовой расход электролита составит:

g₁₀ = g₉·g₁ = 4,302 ·47,22 = 203,14 кг

Количество MgCl₂ в электролите после заливки свежего карналлита составит:

g₁₁ = V·ρ·p = 9000·1,75·0,14 = 2205 кг,

где – V – объём электролита, дм³;

р – содержание MgCl₂ в обновлённом электролите, массовая доля;

ρ – плотность электролита, кг/дм³.

Обозначим через t периодичность частичной замены электролита. Для значения t составим уравнение, характеризующее содержание MgCl₂ в «обеднённом» электролите.

= 0,05

Здесь числитель представляет собой массу MgCl₂, cодержащуюся в «обеднённом» электролите перед его отбором из электролизёра, а знаменатель – массу всего электролита в ванне на данный период времени.

После подстановки численных значений получим:

= 0,05,

откуда

t = 7,88 час

Принимаем периодичность отбора отработанного электролита, равную 8 часов.

Масса истощённого электролита в ванне перед отбором и заливкой свежего карналлита составит:

g₁₂ = V·ρ – g₁₀ t = 9000·1,75 -203,14·8 = 14125 кг

После отбора электролита и введения в ванну карналлита масса полученного электролита должна быть равна до начала электролиза.

Тогда

g₁₂ - g₁₃ + g₁₄ = V·ρ.

Подставляя численные значения, получим:

14125 – g₁₃ + g₁₄ = 9000·1,75

или

g₁₃ = g₁₄ – 1625,

где g₁₃ - масса «обеднённого» электролита, кг;

g₁₄ – масса карналлита, заливаемого в электролит, кг.

Содержание MgCl₂ в полученном электролите равно 14 %.

Тогда

=0,14

После подстановки численных величин получим:

=0,14

или

g₁₄ = 3028 – 0,101g₁₃

Решая систему уравнений

g₁₃ = g₁₄ – 1625

g₁₄ = 3028 – 0,101g₁₃,

получим

g₁₃ = 1560 кг, g₁₄ = 3185 кг

Количество магния, полученного за 8 часов работы электролизёра, составит:

g₁₅ = 8·g₁ = 8·47,22 = 378 кг

Тогда удельный расход карналлита на 1т Mg составит:

g₁₆ = = = 8,43 кг/кг = 8,43 т/т

Удельный расход отработанного электролита на 1 т Mg составит:

g₁₇ = = = 4,12кг/кг = 4,12 т/т