Технологические схемы производства магния

29.01.2017

Современные методы промышленного производства магния делятся на две основные группы: 1) электролитические, 2) термические (силикотермический, углетермический).
Существуют два метода производства магния электролизом: 1) электролиз расплавленного хлористого магния и 2) электролиз окиси магния, растворенной в расплавленных солях.
Второй из этих методов по разным причинам (относительно высокая температура процесса, высокий удельный расход энергии, низкие технологические показатели и др.) не получил распространения и не может конкурировать с более освоенным и разработанным процессом электролиза хлористого магния и термическими методами.
Технология электролиза хлористого магния и термического восстановления окиси магния подробно описана в последующих главах книга.
Магний является одним из наиболее электроотрицательных металлов в ряду напряжений, и поэтому не может быть выделен электролизм водных растворов его солей, например хлористого магния. В этом случае на катоде выделяется водород и образуется гидроокись магния, что, впрочем, можно устранить воздействием ультразвука. В промышленном масштабе магний может быть выделен электролизом в свободном виде только из электролита, не содержащего свободных ионов водорода. Обычно магний получают электролизом расплавленного хлористого магния.
Существующие технологические схемы получения магния электролизом хлористого магния различаются методами подготовки сырья в зависимости от исходных материалов и конструкции аппаратуры, а также способами использования хлора и по другим признакам. Общим для большинства технологических схем является необходимость полного обезвоживания сырья, подвергающегося электролизу, так как даже небольшое количество влаги в сырье чрезвычайно вредно для этого процесса. Хлор, выделяющийся в эквивалентном магнию количестве, не может быть выпущен в атмосферу и должен быть обязательно каким-нибудь способом связан, так как он является ценным продуктом.
Ниже приведены наиболее типичные технологические схемы получения магния электролизом хлористого магния, применяемые в магниевой промышленности России и других стран.
Карналлитовая схема. Карналлит, представляющий собой шестиводную двойную соль хлористого магния и хлористого калия с примесью хлористого натрия, подвергается сначала обезвоживанию. Обезвоженный, расплавленный карналлит поступает в электролизеры, в которых хлористый магний электролитически разлагается на магний и хлор. Электролиз происходит непрерывно. Магний извлекается из электролизеров и является основным продуктом производства, а хлор используется в качестве исходного материала в производстве бертолетовой соли, гипохлоритов, органических производных хлора и других продуктов. По мере разложения хлористого магния электролит обогащается хлористым калием.
Отработанный электролит с содержанием до 77% хлористого калия периодически извлекается из электролизеров и затем используется как калийное удобрение или для приготовления флюсов при плавке легких металлов. После удаления части отработанного электролита электролизер доливают безводным карналлитом.
По карналлитовой схеме (рис. 114) работал один из магниевых заводов в России, а также заводы И.Г. Фарбениндустри в Акене, Биттерфельде (Германия) до 1928 г. и завод акционерного общества Винтерсгалль — в последние годы.
Технологические схемы производства магния

Карналлитовая схема производства магния характеризуется рядом особенностей.
1. Технический карналлит, применяемый в качестве сырья в производстве магния, обычно получают обогащением карналлитовой породы, содержащей значительные количества поваренной соли и других примесей.
Обогащенный карналлит — относительно дорогое сырье из-за высоких эксплуатационных затрат и большого расхода тепловой и электрической энергии при обогащении. Поэтому применение карналлита в качестве основного сырья для производства магния и перспективы развития этого производства по карналлитовой схеме зависят в значительной степени от уровня техники обогащения карналлитовой породы, возможности дальнейшего усовершенствования технологии обогащения и снижения стоимости обогащенного карналлита.
2. На всех стадиях технологического процесса приходится иметь большой грузопоток сырья, полуфабрикатов и отходов производства: для производства 1 т магния по карналлитовой схеме расходуется в среднем 20 т обогащенного карналлита, содержащего 32% MgCl2.
В безводном карналлите содержится до 45% хлористого магния. Это приводит к необходимости относительно частой загрузки большого количества сырья в электролизер и соответственно к частому удалению из него накапливающихся балластных солей в виде отработанного электролита. Таким образом, велики трудовые затраты и велик расход тепла за счет энергии постоянного тока.
3. Необходима организация смежных цехов или заводов для использования хлора.
X лор магниевая схема. В этой схеме основным сырьем для электролиза является безводный хлористый магний. В зависимости от метода получения хлористого магния могут применяться разные варианты хлормагниевой схемы. Если, например, хлористый магний получают хлорированием окиси магния, то производство организуют по схеме, приведенной на рис. 115.
Технологические схемы производства магния

Шихта, состоящая из окиси магния или магнезита и углеродистого восстановителя, хлорируется при высокой температуре в электрических печах шахтного типа. Полученный в результате хлорирования окиси магния безводный хлористый магний загружается в электролизеры, в которых он непрерывно электролитически разлагается на магний и хлор.
Если бы весь хлор, полученный в результате электролиза хлористого магния, полностью использовался при получении хлористого магния, то описанная схема представляла бы собой замкнутый цикл, в котором хлор играл бы роль переносчика магния из шахтной печи в электролизер.
В действительности же при хлорировании и электролизе происходит ряд побочных процессов, которые сопровождаются потерями хлора. При этом общее использование хлора во всей технологической схеме не превышает 60—70%.
Потери хлора возмещаются введением в шахтные печи соответствующего количества добавочного хлора, который доставляется на магниевый завод в цистернах или баллонах.
По хлормагниевой схеме с 1928 г. в Германии работали маг паевые заводы в Акене, Страссфурте, Биттерфельде.
Для компенсации потерь хлора возможна организация него производства непосредственно на магниевом заводе или на смежном заводе путем электролиза водного раствора поваренной соли. При этом получают еще один ценный продукт — едкий натр.
По подобному варианту хлормагниевой схемы работает завод фирмы Безик Магнезиям (США, штат Невада).
На большинстве электролитических магниевых заводов США применяется процесс Доу, представляющий собой особый вариант хлормагниевой схемы.
Полученный в результате переработки рассолов морской боды или доломита шестиводный гидрат хлористого магния подвергается неполному обезвоживанию примерно до состава MgCl2, 1,5H2O. Этот продукт непрерывно загружается в электролизеры особой конструкции, в которых процесс окончательного обезвоживания хлористого магния совмещен с электролизом. Магний периодически извлекается из электролизеров. Анодный газ, состоящий из хлора, хлористого водорода и окиси углерода, сильно разбавленных воздухом, используется для получения соляной кислоты.
Хлормагниевая схема производства магния, в частности вариант с хлорированием окиси магния, характеризуется следующими особенностями:
1. Организация производства магния возможна на базе месторождений магнезита и доломита, являющихся весьма распространенным минеральным сырьем.
2 Сравнительно невелики грузопотоки сырья, полуфабрикатов и отходов производства на 1 т магния.
3. Возможно получение технического безводного хлор магния с содержанием не ниже 62% MgCl2 и минимальным содержанием вредных примесей. При применении такого материала для электролиза накопление других хлоритов в электролизере происходит значительно медленнее, чем при применении безводного карналлита. Это позволяет сохранять постоянным заданный оптимальный состав электролита, в силу чего достигаются высокие и устойчивые технологические показатели электролиза.
Смешанная схема. В тех случаях, когда в районе расположения магниевого завода имеется предприятие по производству карналлита, целесообразно возмещать потери хлора в связанном виде, путем добавки безводного карналлита. Такую схему производства называют смешанной, или хлормагниево-карналлитовой схемой (рис. 116).
Технологические схемы производства магния

При этой схеме производства для электролиза применяют два вида сырья: безводный хлористый магний и безводный карналлит. Оба вида сырья могут загружаться в электролизеры в смеси или раздельно.
Отношение количества магния (m1), полученного электролизом первого вида сырья, ко всему количеству магния (m), полученному в общем цикле производства, характеризует степень использования хлора при производстве хлористого магния, а также механические потери хлора. Это отношение
а = m1/m * 100%

называют «долей хлормагниевой схемы» в смешанной схеме производства. В хорошо организованном производстве эта величина может достигать 70%. Возможны также и другие комбинации хлормагниевой и карналлитовой схем производства, как например с использованием хлора для получения безводного хлористого магния и одновременно других хлоропроизводных продуктов
Невозможно сделать универсальные выводы о предпочтительности какой-нибудь из описанных схем. Схема производства выбирается в зависимости от конкретных условий, а именно: географического расположения завода, характера и стоимости применяемого сырья, ресурсов и стоимости электроэнергии, конструкции основных аппаратов, от возможности рационального использования отходов производства и сбыта побочных (хлоропроизводных) продуктов.
Целесообразность той или иной технологической схемы, при прочих одинаковых условиях, определяется в конечном счете технико-экономическими соображениями.