Электролизер для извлечения галлия из щелочно-алюминатных растворов процесса байера

Предлагаемая полезная модель относится к металлургии цветных и редких металлов и может использоваться для электролитического извлечения из водных растворов металлов, преимущественно при их малых концентрациях, и для перевода выделенных на катоде металлов в принимающий раствор. Предлагается электролизер для извлечения галлия из щелочно-алюминатных растворов процесса Байера, содержащий стальной корпус с наклонным с двух сторон днищем, в центре которого расположена горизонтальная площадка со сливным отверстием, разделенный по крайней мере одной поперечной стальной перегородкой, нижняя часть которой расположена на 30-50 мм выше днища, на секции, в которых равноудалено от перегородок или от перегородки и торцевой стенки корпуса установлено нечетное число электродов, а именно коробчатые водоохлаждаемые катоды и одинарные пластинчатые аноды, установленые крайними, все аноды имеют фиксаторы положения, защищенные электроизоляционными колпачками, все электроды снабжены медными штангами, контактные концы которых установлены в поперечные пазы медных токонесущих шин и укреплены в нем зажимным устройством, нерабочие укороченные концы штанг свободно установлены в поперечные пазы электроизоляционных пластин, отличающийся тем, что отношение длины и ширины в каждой секции равно 2,1-2,4; в торцевых секциях установлены устройства для промывки корпуса, блоки электродов размещены на расстоянии, равном 50-75 мм, от перегородок или от перегородки и торцевой стенки; на расстоянии, равном 40-50 мм, от продольных стенок; на 30-50 мм выше днища корпуса и на 20-40 мм ниже уровня электролита, установившегося в процессе проведения электролиза, средние аноды имеют «П»-образный профиль, причем высота электродов и перегородок одинакова, а межэлектродный зазор равен 25-35 мм, при этом электролизер укрыт съемным колпаком в форме полусферы, установленным на торцевых стенках корпуса и штангах электродов, соединенным с системой газоотсоса и включающим сварной каркас из полипропиленовых трубок, в нижней части стянутый стальными стержнями, покрытый тонкими гибкими листами пластмассы, например, из стеклотекстолита, с проемом над нижней опорной горизонтальной трубкой каркаса. Суточная производительность при использовании предлагаемой конструкции электролизера повышается на 20% по сравнению с производительностью электролизера-прототипа, при этом экономия электроэнергии составляет около 10%.

Предлагаемая полезная модель относится к металлургии цветных и редких металлов и может использоваться для электролитического извлечения из водных растворов металлов, преимущественно при их малых концентрациях, и для перевода выделенных на катоде металлов в принимающий раствор.

Известен электролизер получения галлия, содержащий стальной разделенный на секции корпус, пластинчатые аноды и коробчатые водоохлаждаемые катоды, токонесущие медные шины и изоляционные пластины, причем продольные стенки корпуса покрыты электроизоляционным материалом, корпус имеет наклонное днище, в нижней части которого расположено сливное отверстие, по крайней мере одна стальная перегородка, разделяющая корпус на секции, установлена таким образом, что верхняя часть находится на уровне «зеркала» электролита, а нижняя часть - на 30-50 мм выше днища корпуса, в каждой секции равноудалено от перегородок или от перегородки и торцевой стенки корпуса на расстоянии, равном 2-3 значений межэлектродного зазора, установлено нечетное число, но не менее трех электродов, при этом одинарные анодные пластины всегда установлены крайними, анодные пластины имеют фиксаторы, защищенные электроизоляционными колпачками, медные токонесущие шины имеют поперечные пазы, расстояние между которыми равно двум межэлектродным зазорам и в которых установлены и закреплены твердеющей медно-галлиевой пастой и нажимными пластинами с болтами, контактные концы электродных штанг одноименных электродов, а нерабочие укороченные концы медных электродных штанг вставлены в поперечные пазы электроизоляционных пластин, изготовленных, например, из стеклотекстолита, и кроме того, в дополнительные пазы, расположенные друг от друга на расстоянии двух межэлектродных зазоров, для прохода через них электродных штанг противоположно заряженных электродов (свидетельство RU 14214, МКИ С22В 58/00, 1999 г.) (прототип).

Недостатками известного электролизера являются, во-первых, нерациональное размещение в секциях электродов, при котором не обеспечивается кратчайший путь анионов галлия и цинката из глубины электролита к катодам, а также недостаточно ограничено ценообразование, тормозящее извлечение галлия при электролизе, во-вторых, использование в блоках электродов только одинарных пластинчатых анодов, что значительно снижает ширину блока, тем самым удлиняя путь анионов галлия и цинката к катоду, увеличивает анодную плотность тока и напряжение на ванне, снижает срок службы анодов, в-третьих, использование защитного покрытия продольных стенок корпуса, которое отслаивается под воздействием насыщенных газами электролита и пены, в-четвертых, отсутствие стационарного промывочного устройства, что ухудшает качество промывки корпуса и увеличивает трудозатраты, в-пятых, в конструкции электролизера отсутствует укрытие, обеспечивающее безопасную работу электролизера и чистоту окружающей среды.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать более эффективную, лишенную указанных недостатков полезную модель электролизера.

Поставленная задача решена в предлагаемой конструкции электролизера для извлечения галлия из щелочно-алюминатных растворов процесса Байера, содержащего стальной корпус с наклонным с двух сторон днищем, в центре которого расположена горизонтальная площадка со сливным отверстием, разделенный по крайней мере одной поперечной стальной перегородкой, нижняя часть которой расположена на 30-50 мм выше днища, на секции, в которых равноудалено от перегородок или от перегородки и торцевой стенки корпуса установлено нечетное число электродов, а именно коробчатые водоохлаждаемые катоды, одинарные пластинчатые аноды, установленые крайними, все аноды имеют фиксаторы положения, защищенные электроизоляционными колпачками, все электроды снабжены медными штангами, контактные концы которых установлены в поперечные пазы медных токонесущих шин и укреплены в нем зажимным устройством, а нерабочие укороченные концы штанг свободно установлены в поперечные пазы электроизоляционных пластин, в котором отношение длины к ширине в каждой секции равно 2,1-2,4; в торцевых секциях установлены устройства для промывки корпуса, блоки электродов размещены на расстоянии, равном 50-75 мм, от перегородок или от перегородки и торцевой стенки; на расстоянии, равном 40-50 мм, от продольных стенок; на 30-50 мм выше днища корпуса и на 20-40 мм ниже уровня электролита, установившегося в процессе проведения электролиза, средние аноды имеют «П»-образный профиль, причем высота электродов и перегородок одинакова, а межэлектродный зазор равен 25-35 мм, при этом электролизер укрыт съемным колпаком в форме полусферы, установленным на торцевых стенках корпуса и штангах электродов, соединенным с системой газоотсоса и включающим сварной каркас из полипропиленовых трубок, в нижней части стянутый стальными стержнями, покрытый тонкими гибкими листами пластмассы, например, из стеклотекстолита, с проемом над нижней опорной горизонтальной трубкой каркаса.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен электролизер для извлечения галлия из щелочно-алюминатных растворов, содержащий совокупность предлагаемых конструктивных элементов.

Предлагаемый электролизер позволяет эффективно извлекать галлий, содержащийся в сантинормальных количествах в сложных по составу, пенящихся при электролизе вязких (4.5-5.0 спз), обогащенных органическими веществами, щелочно-алюминатных растворов процесса Байера, и получать принимающий раствор с концентрацией галлия в 40-50 раз превышающей исходную. Использование в электролизере полностью погруженных в жидкую часть электролита электродов, принятое соотношение длины и ширины секций, увеличение ширины блока электродов за счет применения «П»-образных анодов, определенное расположение блоков элетродов в секциях и размер межэлектродного зазора позволяют:

- существенно - с 120 до 60-80 мм сократить расстояние, которое проходят анионы галлата и цинката из глубины электролита в секциях к катодам, что позволяет сократить продолжительность электролиза с 4-5 до 2.5-3.0 часов;

- существенно, в среднем в 1,5 раза уменьшить толщину слоя пены, что дает возможность увеличить объем переработанного в сутки электролита;

- снизить расходы на изготовление анодов и потребление охлаждающей воды;

- снизить концентрацию щелочи в принимающем растворе, улучшая тем самым чистоту принимающего раствора;

- снизить расходы на изготовление корпуса и повысить надежность и безопасность эксплуатации электролизера за счет отсутствия электроизоляции стенок корпуса и индивидуального прижима рабочих поверхностей штанг электродов к пазам токонесущих шин.

Использование в предлагаемой конструкции электролизера укрытия позволяет разбавлять выделяющийся при электролизе и растворении катодного осадка водород до содержания 0.35-0.45% объемных, что в 9-10 раз меньше верхнего предела взрывоопасной концентрации смеси водорода с воздухом, равной 4% объемных, а также снижает концентрацию щелочного аэрозоля существенно ниже ПДК, равного 0.5 мг/м³ NaOH. Содержание водорода в отходящих газах серии контролируется приборами в верхних точках газохода и помещения, которые прекращают электролиз в случае превышения его содержания, вытяжной вентилятор выполнен во взрывобезопасном исполнении.

На фиг.1 показан электролизер, вид спереди; на фиг.2 - электролизер, вид сбоку; на фиг.3 - укрытие, вид спереди; на фиг.4 - укрытие, вид сбоку; на фиг.5 - вид по стрелке А - контакт анодная шина - штанга анода; на фиг.6 - вид по стрелке Б - анодная электроизоляционная пластина с электродами; на фиг.7 - вид по стрелке В - контакт - катодная шина - штанга катода; на фиг.8 - вид по стрелке Г - катодная электроизоляционная пластина с электродами.

Устройство включает стальной корпус 1, состоящий из неэлектроизолированных стенок: продольных 2 и торцевых 3, наклонного - от обоих торцов - днища 4, имеющего в центре горизонтальную площадку 5 со сливным отверстием 6, устройства для промывки корпуса 7, перегородок 8, закрепленных на продольных стенках 2 и образующих секции 9 при отношении длины к ширине, равном 2.0-2.4, в секциях 9 расположены блоки электродов 10, установленные равноудалено от перегородок 8 или от перегородки 8 и торцевой стенки 3 на 60-80 мм, от продольных стенок корпуса 2 на 40-50 мм, нижняя часть блока электродов 10 находится на 30-50 мм выше днища 4, а верхняя часть - на 20-40 мм ниже уровня жидкой части электролита 11, установившегося при проведении процесса электролиза, который опускается на 80-100 мм от исходного уровня электролита 12, определяемого отношением суммарного объема электролита и электродов к поверхности «зеркала» электролита, умноженного на коэффициент 0.50-0.56, блок электродов 10 состоит из нечетного числа, но не менее пяти электродов, крайними являются два одинарных пластинчатых анода 13, средними - один и более «П»-образных анода 14, все аноды имеют в нижней части фиксаторы положения 15, защищенные электроизоляционными колпачками 16, все аноды никелевые или из стали аустенитного класса, например, марки 1Х18Н10Т, первое предпочтительно, а также из двух и более коробчатых водоохлаждаемых катодов 17, установленных с межэлектродным зазором 25-35 мм и изготовленных из стали марки 1Х18Н10Т, контактные концы медных анодных штанг 18 вставлены в поперечные пазы 19 медной анодной шины 20, расстояния между пазами анодов 13 и 14 складываются из двух межэлектродных зазоров, толщины катода 17 и половины толщины анода 14, расстояние между пазами анодов 14 складывается из двух межэлектродных зазоров и толщины катода 17 и анода 14, рабочие контактные концы анодных штанг 18 вставлены в пазы 19 анодной шины 20 и закреплены зажимным устройством, прикрепленным к анодной шине 20 болтами 21 и состоящими из стальной пластины 22 с винтами 23, осуществляющими зажим каждой анодной штанги 18 к пазам 19 анодной шины 20, нерабочие концы анодных штанг 18 установлены в пазы 24 анодных электроизоляционных пластин 25, например, из стеклотекстолита, через более глубокие пазы 26 свободно проходят катодные штанги 27, расстояния между пазами 24 соответствует расстояниям между более глубокими пазами 26 складываются из двойного межэлектродного зазора и толщины катода 17 и анода 14, рабочие контактные концы катодных штанг 27 установлены в поперечные пазы 28 медной катодной шины 29, расстояние между пазами складываются из двух межэлектродных зазоров и толщин катода 17 и анода 14, контакт осуществлен зажимным устройством, закрепленным в каждой секции к катодной шине 29 болтами 30, состоящими из стальной пластины 31 с винтами 32, прижимающей каждую катодную штангу 27 к поверхности паза 28, нерабочие концы катодных штанг 27 установлены в пазы 33 катодных электроизоляционных пластин 34, через более глубокие пазы 35 свободно проходят анодные штанги 18, расстояние между пазами 33 соответствует расстояниям между пазами на катодной шине 29, расстояния между более глубокими пазами 35 складываются из двойного межэлектродного зазора, толщин катода 17 и анода 14. Укрытие электролизера съемное, в виде полусферы, устанавливается на торцевых стенках корпуса 3 и штангах электродов 18 и 27 и подсоединяется к газоотсосу 36 патрубком из гофрированной резины 37, включает в свой состав каркас 38 сваренный из полипропиленовых трубок, дуги которого 39 в нижней части стянуты стальными стержнями 40, и покрыты гибкими листами, например, стеклотекстолита 41 толщиной 0.5 мм, над нижней опорной горизонтальной трубкой 42 каркаса 38 имеется проем 43, через который под укрытие поступает избыток воздуха, достаточный для снижения в отходящих газах концентраций водорода и щелочного аэрозоля до безопасных концентраций, часть покрытия 41 заменена для обслуживания электролизера шторами 44.

Предлагаемая конструкция электролизера работает следующим образом. В качестве исходных используют щелочно-алюминатные растворы процесса Байера после декомпозиции, полученные при переработке различных бокситовых смесей. Состав маточных растворов, в среднем, кг/м³: 150-160 - оксида натрия; 65-75 - оксида алюминия; 0.4-0.6 - диоксида кремния; 0.003-0.005 - оксида железа; 0.20-0.25 - пятиокиси ванадия; 1.48-2.43 - общей серы, в том числе серы: сульфидной - 0.1-0.3, тиосульфатной - 0.5-1.0, сульфитной - 0.08-0.13, сульфатной - 0.8-1.0; органических веществ - 0.8-1.4 (концентрации даны в пересчете на кислород при окислении бихроматом калия в присутствии серебра).

Оборотные растворы после упаривания маточных имеют состав, в среднем, кг/м³ : 300-320 - оксида натрия; 130-150 - оксида алюминия; 0.8-1.2 - диоксида кремния; 0.006-0.010 - оксида железа; 0.4-0.5 - пятиокиси ванадия; 2.96-4.86 - общей серы, в том числе: сульфидной - 0.2-0.6, тиосульфатной - 1.0-2.0, сульфитной - 0.16-0.26, сульфатной - 1.6-2.0 (все соединения серы даны в пересчете на элементарную серу); органических веществ - 1.6-2.8.

В смеси исходных растворов добавляли цинк в виде цинката натрия до концентрации в электролите 0.25-0.35 г/дм³.

В корпус 1 электролизера заливают электролит 12, приготовленный из смеси растворов указанного выше состава или смеси оборотного раствора с водой, или с раствором, полученным после каустификации известью оборотной соды. Электрический ток, желательно пульсирующий, подают от преобразователя тока на анодную шину 20 и через анодную штангу 18 на аноды 13, 14, далее через электролит 11 на катод 17, на который осаждается цинкгаллиевый осадок, и затем через катодную штангу 27 на катодную шину 29 в цепь. После окончания электролиза отработанный электролит 11 сливают под током через сливное отверстие 6, расположенное на горизонтальной площадке 5 днища 4, промывают корпус устройствами 7 и растворяют без тока выделенный цинкгаллиевый осадок в малощелочном оборачивающемся принимающем растворе.

Суточная производительность при использовании предлагаемой конструкции электролизера повышается на 20% по сравнению с производительностью электролизера-прототипа, при этом экономия электроэнергии составляет около 10%.

Электролизер для извлечения галлия из щелочно-алюминатных растворов процесса Байера, содержащий стальной корпус с наклонным с двух сторон днищем, в центре которого расположена горизонтальная площадка со сливным отверстием, разделенный, по крайней мере, одной поперечной стальной перегородкой, нижняя часть которой расположена на 30-50 мм выше днища, на секции, в которых равноудалено от перегородок или от перегородки и торцевой стенки корпуса установлено нечетное число электродов в виде коробчатых водоохлаждаемых катодов и одинарных пластинчатых анодов, установленных крайними, все аноды имеют фиксаторы положения, защищенные электроизоляционными колпачками, все электроды снабжены медными штангами, контактные концы которых установлены в поперечные пазы медных токонесущих шин и укреплены в нем зажимным устройством, нерабочие укороченные концы штанг свободно установлены в поперечные пазы электроизоляционных пластин, отличающийся тем, что отношение длины и ширины в каждой секции равно 2,1-2,4, в торцевых секциях установлены устройства для промывки корпуса, электроды равноудалены от перегородок или от перегородки и торцевой стенки на расстояние 50-75 мм, а от продольных стенок на расстояние 40-50 мм, выше днища корпуса - на 30-50 мм и ниже уровня электролита, установившегося в процессе проведения электролиза, - на 20-40 мм, средние аноды имеют П-образный профиль, причем высота электродов и перегородок одинакова, а межэлектродный зазор равен 25-35 мм, при этом электролизер укрыт съемным колпаком в форме полусферы, установленным на торцевых стенках корпуса и штангах электродов, соединенным с системой газоотсоса и включающим сварной каркас из полипропиленовых трубок, в нижней части стянутый стальными стержнями, покрытый тонкими гибкими листами пластмассы, например из стеклотекстолита, с проемом над нижней опорной горизонтальной трубкой каркаса.