Проектирование участка электролиза магния по хлормагниевой схеме. 2

Министерство образования  и науки Республики Казахстан

 

Восточно-Казахстанский  государственный технический университет  имени Д.Серикбаева

 

 

 

 

Тоимбаева М.С.

 

 

 

 

 

Проектирование участка  электролиза магния по хлормагниевой  схеме

 

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

 

 

специальность 050709 – «Металлургия»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Усть-Каменогорск 2013

Министерство образования  и науки Республики Казахстан

 

Восточно-Казахстанский  государственный технический университет  имени Д.Серикбаева

 

 

 

Для служебного пользования (при необходимости)

 

 

«Допущена к защите»

___________ Заведующей

кафедрой ___________ С.С. Ахметов

 

 

 

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

 

 

На тему: «Проектирование  участка электролиза магния по хлормагниевой  схеме»

 

 

по специальности 050709 – «Металлургия»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил                                                   М.С. Тоимбаева

 

Научный руководитель

д.т.н., проф.                                                 М.А. Саденова

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Усть-Каменогорск 2013

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оскемен 2013

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение 1 Теоретические основы  процесса электролиза магния  по хлормагниевой схеме питания 1.1 Краткая характеристика предприятия. Номенклатура, качество и технический уровень  продукции. Сырьевая база, характеристика сырья 1.2 Анализ научно-исследовательских  работ и работы действующего предприятия. Выбор и обоснование технологической схемы переработки сырья и технологических показателей 1.3 Описание технологического  процесса электролиза магния  по хлормагниевой схеме питания 1.4 Обзор патентов 2 Расчеты технологического процесса электролиза магния по хлормагниевой схеме питания 2.1 Расчет материального баланса 2.2 Расчет теплового  баланса  2.3 расчет основного  и вспомог оборудования 3 экономика 4 Безопасность и экологичность  проекта 4.1 Охрана труда 4.1.1 Общие требования 4.1.2 Параметры микроклимата 4.1.3 Электробезопасность 4.1.4 Освещенность 4.1.5 Пожарная безопасность 4.2 Охрана окружающей  среды Заключение Список литературы Приложение А Определение температуры  поверхностей проектируемого электролизёра Приложение Б Спецификация к промышленному  электролизёру

 

 

РЕФЕРАТ

 

Проект содержит пояснительную  записку на    листах с    рисунками,           с 42 таблицами, библиография 24 названий.

ЭЛЕКТРОЛИЗ, ЭЛЕКТРОЛИЗЁР, ХЛОРИД МАГНИЯ, МАГНИЙ-              -СЫРЕЦ, АНОДНЫЙ ХЛОР, ГАЗЫ СТО, МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС, ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ, КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЁТ.

Целью дипломного проекта  является проектирование отделения  электролиза магния, производительностью 17000 тонн в год магния-сырца.

В проекте осуществлен выбор аппаратурно-технологической схемы, выполнены расчеты материального и теплового баланса. На основании расчетных данных выбрано основное и вспомогательное оборудование.

С целью интенсификации производства в дипломном проекте  предусматривается применение катодов увеличенной высоты. Внедрение катодов увеличенной высоты позволит повысить выход магния по току до 82,5% и увеличить производительность отделения на 10 % на имеющихся площадях и оборудовании.

Экономический расчет выполнен на основании прогрессивных норм выработки и расходных коэффициентов, отражающих современный уровень развития магниевой отрасли. В необходимом объеме рассмотрены вопросы автоматизации процесса, охраны и безопасности труда. Графическая часть выполнена на 7 чертежах.

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Название «магнезия» встречается уже в III веке н.э., хотя не вполне ясно, какое вещество оно обозначает. Долгое время магнезит - карбонат магния - ошибочно отождествляли с известняком - карбонатом кальция. Слово магнезия происходит от названия одного из Греческих городов - Магнесии. До XVIII века соединения магния считали разновидностями кальциевых или натриевых солей. Открытию магния способствовало изучение состава минеральных вод. В 1695 году английский врач Крю сообщил, что им выделена из воды эпсомского минерального источника соль, обладающая лечебными свойствами, и вскоре был доказан её индивидуальный характер. Затем стали известны и другие соединения магния. Карбонат магния получил название "белая магнезия", в отличие от «чёрной магнезии» - оксида марганца. Отсюда и созвучие названий металлов, выделенных впоследствии из этих соединений.

Магний –  лёгкий, прочный металл, сплавы магния имеют невысокую плотность, высокую  механическую прочность, устойчивость к ударным нагрузкам и немагнитность. Сочетание всех этих свойств в одном металле делает его важным конструкционным материалом. Большее количество металлов  получают электролизом расплава его хлоридов. Технологическая схема определяется видом и химическим составом исходного сырья, но для электролиза получают безводный либо карналлит, либо хлорид магния, так как электролизёры могут питаться либо хлоридом магния, либо карналлитом. 

В данном дипломном проекте  рассматривается отделение электролиза  магния с хлор-магниевой схемой питания.

Существующая в настоящее время на АО "УК ТМК" (Акционерное Общество "Усть-Каменогорский титано-магниевый комбинат") схема электролитического производства магния с использованием бездиафрагменных электролизёров с верхним вводом анодов нуждается в усовершенствовании.

При производстве магния в бездиафрагменных электролизёрах на 1 т металла затрачивается до 15-18 тыс. кВт×ч электроэнергии, поэтому основные затраты на его производство являются довольно высокими, что ведет к увеличению себестоимости. Поэтому одним из направлений усовершенствования технологии производства магния является увеличение единичной мощности электролизёра, при незначительном увеличении энергозатрат, что приведет к снижению себестоимости готовой продукции.

В условиях современной  экономической  ситуации   для   АО «УК ТМК» приоритетными будут те мероприятия, которые позволят повысить показатели электролиза, что позволит не только заметно снизить капитальные вложения, но и затраты на обслуживание и капитальный ремонт электролизеров.

Целью настоящего дипломного проекта является реконструкция отделения электролиза магния.

Новизна и практическая ценность проекта заключается в  использовании электролизеров с крайними катодами, что позволит снизить потери магния и увеличить производительность электролизёра с 61 кг/ч до 65,5 кг/ч, что в стоимостном выражении составит 40560000 тенге.

 

1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЛИЗА МАГНИЯ ПО ХЛОРМАГНИЕВОЙ СХЕМЕ ПИТАНИЯ

 

1.1 Краткая характеристика предприятия.

Номенклатура, качество и технический уровень  продукции.

Сырьевая база, характеристика сырья

 

Отделение по производству магния-сырца входит в состав цеха №1 Акционерного Общества «Усть-Каменогорский  титано-магниевый комбинат», расположенный  в городе Усть-Каменогорске.

Строительство отделения  и монтаж оборудования производило Усть-          -Каменогорское Управление треста «Алтайсвинецстрой». Отделение введено в эксплуатацию в 1965 году.

Основными технологическими агрегатами проектируемого отделения  являются бездиафрагменные электролизёры  с верхним вводом анодов, работающих по хлормагниевой схеме питания.

Проектная мощность отделения 17000 т/год магния-сырца.

Сырьем для электролитического производства магния-сырца является оборотного хлорида магния титанового производства, который должен соответствовать  СТП 3826-3-32 (состав, %: MgCl₂ – не менее 98; MgO – не более 0,5; Ti – не более 0,01; Fe – не более 0,015).

Перевозка хлорида магния осуществляется в ковшах внутризаводским  транспортом, заливка в электролизёры  – механическая.

Для улучшения процесса электролитического производства магния-сырца используем следующие материалы:

 

• соль поваренную;
• концентраты плавико-шпатовые.

 

Поваренная соль должна соответствовать ГОСТ 13830 (состав, %:   NaCl – не менее 97). Применяется в качестве компонента электролита. Перевозка осуществляется в железнодорожных вагонах, разгрузка из вагонов механическая. В электролизёры загружается механически с использованием внутризаводского транспорта.

Концентраты плавико-шпатовые должны соответствовать ГОСТ 29219 и  ГОСТ 29220 (состав, %: CaF₂ – не менее 92). Применяется как компонент электролита. Перевозка осуществляется в железнодорожных вагонах, разгрузка из вагонов механическая. Загрузка в электролизёры – ручная.

В качестве рабочей среды  для хлорного компрессора применяем  серную кислоту концентрации 80-94 %. Серная кислота должна соответствовать    ГОСТ 2184. Представляет собой бесцветную маслянистую жидкость. Перевозится в специальных цистернах.

В качестве уплотнительной прокладки анодов электролизёра  и при соединении технологических  труб вакуумных ковшей используем шнуровой асбест, который должен соответствовать требованиям ГОСТ 1779. Шнуровой асбест – волокнистый эластичный материал с сердечником.

Химический состав магния-восстановителя получаемого в процессе электролиза  должен  соответствовать требованиям СТП 3826-3-10 (состав примесей, %: Fe – 0,023-0,03; Si – 0,002-0,003; Cl₂ – до 0,005; N₂ – 0,0015-           -0,0025; О₂ – 0,02-0,03).

Проектируемое отделение  по производству магния-сырца электролизом проектируется в Восточно-Казахстанской  области на базе Усть-Каменогорского ТМК.

В настоящее время  город Усть-Каменогорск является крупным промышленным центром Республики Казахстан. Здесь имеются крупные металлургические предприятия, строительные организации. Имеющаяся крупная строительная организация “Алтайсвинецстрой” вместе с другими субподрядными организациями способны вести строительство данного титаномагниевого комбината. Для получения магния проектируется использование концентратов из г. Березники, а также хлормагниевой рапы озер Кучук и Яровое, расположенных в Алтайском крае.

Данный проект предусматривает  комплексное использование сырья. Исходя из этого магниевое производство должно быть расположено рядом с титановым производством.

Производство магния и титана относится к числу  энергоемких (15-18 тысяч кВт/ч на 1т металла), поэтому их следует размещать в районах с достаточным количеством дешёвой электроэнергии. В районе г. Усть-Каменогорска имеются такие крупные ГЭС как Усть-Каменогорская, Бухтарминская и Шульбинская. В самом городе работает Усть-Каменогорская ТЭЦ.

Для обеспечения комбината  водными ресурсами имеются крупные  реки Ульба и Иртыш. На комбинате  действует станция оборотного водоснабжения.

Проектируемое отделение  по производству магния-сырца электролизом проектируется в Восточно-Казахстанской области на базе Усть-Каменогорского ТМК.

В настоящее время  г. Усть-Каменогорск является крупным  промышленным центром республики Казахстан. Здесь имеются крупные металлургические предприятия, строительные организации. Имеющаяся крупная строительная организация “Алтайсвинецстрой” вместе с другими субподрядными организациями способны вести строительство данного титаномагниевого комбината. Для получения магния проектируется использование концентратов из г. Березники, а также хлормагниевой рапы озер Кучук и Яровое, расположенных в Алтайском крае.

Данный проект предусматривает  комплексное использование сырья. Исходя из этого магниевое производство должно быть расположено рядом с титановым производством.

Комбинат связан с  городом и станцией Защита Казахской  железной дорогой и автострадой. С другими городами Усть-Каменогорск связан железной дорогой, автострадой и водным сообщением по р. Иртыш.  Внутри комбината сырье поступает в цех по производству титановой губки по трубопроводу.

В г. Усть-Каменогорске на «Востокмашзаводе» и, других предприятиях, можно организовать производство основного оборудования для проектируемого цеха. Проектируемый цех будет обеспечен не только строительными материалами, сырьем, оборудованием, но и рабочей силой благодаря близкому расположению комбината к городской черте. Инженерными кадрами обеспечивают Восточно-Казахстанский Государственный Технический Университет и Казахский Национальный Технический Университет. Квалифицированными рабочими кадрами обеспечивают профессиональные технические училища города.

Учитывая все важнейшие  факты, принимается решение по реконструкции  цеха по производству магния-сырца  электролизом на 17000 тонн в год.

Район строительства, согласно СНиП 2.01-82, характеризуется следующими параметрами:

 

• климат – резко континентальный;
• климатический район – 1Б;
• среднегодовая температура – +3 °С;
• абсолютная минимальная температура – -49 °C;
• абсолютная максимальная температура – +41 °C;
• преобладающее направление ветров – юго-восточное, юго-западное;
• глубина промерзания грунта – 2 метра;
• сейсмичность района – 6 баллов.

 

Промышленная площадка комбината характеризуется следующими горно-   -геологическими условиями. На глубине 5-8 метров от поверхности  залегают песковидные суглинки. Затем  располагаются гравийно-галечные отложения, служащие основанием зданий и сооружений. Грунтовые воды вскрыты на глубине 7-11 метров, они обладают сульфатной и углекислой агрессивностью.

Для обслуживания проектируемых  объектов подъезды и разворотные  площадки предусматриваются с асфальтобетонным покрытием с бордюрами. Вдоль бордюров предусматриваются дождеприемники.

Водоотвод с площадок осуществляется в существующую ливневую систему комбината.

Свободные от застройки  площади засаживаются деревьями, кустарниками и газонами.

Обслуживание территории проектируемого отделения предусматривается существующим транспортом и оборудованием комбината.

Транспортное оборудование включает внутрицеховой транспорт, выполняющий  перемещения материалов между рабочими местами, участками; межцеховой транспорт, выполняющий задачу перевозки грузов между цехами; внешний транспорт, обеспечивающий доставку на предприятия сырья, материалов, оборудования, осуществляющий вывоз готовой продукции с территории комбината.

В отделении электролиза магния используются автомобильный и трубопроводный виды транспорта.

Автомобильная транспортная связь  проектируемого отделения с существующими  объектами комбината предусматривается  по существующим автоподъездам с  асфальтовым покрытием.

Для обслуживания объектов автомобильным  транспортом предусматриваются разворотные площадки размером 12´12 метров. В целях соблюдения безопасности движения предусмотрены пешеходные тротуары шириной 1 метр. Скорость и порядок движения автомашин и электрокар устанавливается администрацией и регламентируется указателями и дорожными знаками.

Перемещения газообразных продуктов  в другие цеха осуществляется по существующим трубопроводам.

1.2 Анализ научно-исследовательских  работ и работы действующего предприятия. Выбор и обоснование технологической схемы переработки сырья и технологических показателей

 

Сырьем для электролитического производства магния-сырца является оборотный хлорид магния титанового производства, который должен соответствовать  СТП 3826-3-32 (состав, %: MgCl₂ – не менее 98; MgO – не более 0,5; Ti – не более 0,01; Fe – не более 0,015).

Перевозка хлорида магния осуществляется в ковшах внутризаводским  транспортом, заливка в электролизёры  – механическая.

Для улучшения процесса электролитического производства магния-сырца  используем следующие материалы:

 

• соль поваренную;
• концентраты плавико-шпатовые.

 

Поваренная соль должна соответствовать ГОСТ 13830 (состав, %: NaCl – не менее 97). Применяется в качестве компонента электролита. Перевозка осуществляется в железнодорожных вагонах, разгрузка из вагонов механическая. В электролизёры загружается механически с использованием внутризаводского транспорта.

Концентраты плавико-шпатовые должны соответствовать ГОСТ 29219 и  ГОСТ 29220 (состав, %: CaF₂ – не менее 92). Применяется как компонент электролита. Перевозка осуществляется в железнодорожных вагонах, разгрузка из вагонов механическая. Загрузка в электролизёры – ручная.

В качестве рабочей среды  для хлорного компрессора применяем  серную кислоту концентрации 80-94 %. Серная кислота должна соответствовать  ГОСТ 2184. Представляет собой бесцветную маслянистую жидкость. Перевозится в специальных цистернах.

В качестве уплотнительной прокладки анодов электролизёра  и при соединении технологических  труб вакуумных ковшей используем шнуровой асбест, который должен соответствовать  требованиям ГОСТ 1779. Шнуровой асбест – волокнистый эластичный материал с сердечником.

Химический состав магния-востановителя  получаемого в процессе электролиза  должен  соответствовать требованиям  СТП 3826-3-10 (состав примесей, %: Fe – 0,023-0,03; Si – 0,002-0,003; Cl₂ – до 0,005; N₂ – 0,0015-           -0,0025; О₂ – 0,02-0,03).

Для проектируемого отделения  принимаем следующий режим работы:

 

• непрерывный;
• продолжительность рабочей недели 41 час;
• число смен в сутки – 3;
• продолжительность рабочей смены 8 часов;
• пятидневная рабочая неделя.

 

Промышленное производство магния в европейских странах  началось со второй половины XIX века с термического восстановления магния, с использованием в качестве восстановителя натрия. Однако уже в конце этого века основное значение приобрел электролиз расплавленных солей: в 1883 году в Германии Гретцель подвергал электролизу обезвоженный карналлит в электролизёрах на 300 А, катодом у которых служила внутренняя поверхность стального тигля, обогревающегося извне, а цилиндрический угольный анод был введен через отверстие в крышке тигля. В 1889 г. был проведен электролиз тройного электролита MgCl₂ – NaCl – KCl.

В начале XX века выпуск магния растет, в этот период организованно промышленное производство этого стратегического металла в США и Канаде; в 30-е годы растет его производство в Германии, тогда же начинается развиваться магниевая промышленность Японии, Италии, Франции и Швейцарии. Накануне второй мировой войны (1938 г.) всеми капиталистическими странами было произведено 22100 тонн магния. В 30-е годы в промышленную практику начинают внедряться силикотермический и карботермический способы получения магния, однако по объему выпускаемой продукции они существенно уступают электротермическому способу [1,2].

В России первые исследования по электролизу карналлита были выполнены в первой половине XX века в Петроградском политехническом институте. В 30-е годы в Ленинграде состоялся пуск магниевого цеха Опытного алюминиево-магниевого завода. На этом заводе, а впоследствии и в ВАМИ (Всесоюзном Алюминиево-Магниевом Институте), созданном в августе 1931 г., были разработаны и освоены технологические схемы электролитического производства. Первые магниевые заводы  - Днепропетровский (ДМЗ) – пущен 23 декабря 1935 г. и Соликамский (СМЗ) – пущен 10 марта 1936 г. [3].

В настоящие время  на территории СНГ магний в промышленном масштабе производят в России (г. Березники  и Соликамск), на Украине (г. Запорожье) и в Казахстане (г. Усть-Каменогорск) [4].

В 1980 г. около 80 % магния было получено в мировой промышленной практике электролизом хлоридных расплавов, 20 % – различными термическими способами. В 1984 г. доля термических способов в общем объеме производства магния возросла до 30 %.

Данные о мировом  производство магния (1993 год – 278000 тонн; 1994 год – 264000 тонн; 1995 год – 309000 тонн) [1,3], свидетельствуют о тенденции увеличения  производства магния. Этому способствуют почти неисчерпаемые сырьевые ресурсы (содержание магния в земной коре 2,38 %), а также прогресс в ряде отраслей техники, потребляющие этот металл в основном в виде сплавов на основе магния или алюминия. От 40 до 50 % магния используется в качестве присадки к алюминиевым сплавам для улучшения механических свойств и повышения жаропрочности. Более 20 % Mg применяется для изготовления деталей из магниевых сплавов (литье под давлением) в автомобилестроении и тракторостроении.

Авиационная промышленность, ракетная техника, космические аппараты потребляют до 10 – 15 % магния. Для этих отраслей используют сплавы на основе магния, легирование литием, торием, и редкоземельными элементами.

В черной металлургии  от 11 до 16 % магния используют для модификации  чугуна и в сталеплавильной промышленности – для десульфуризации стали.

В цветной металлургии  его применяют в качестве восстановителя при получении титана, циркония, урана и других металлов (7 – 15 % от общего объема потребления).

Для протекторной защиты и производства анодов химических источников тока до 8 % магния.

Металлический магний можно  получить двумя способами – электролизом хлоридных расплавов и термическим.

Термические методы получения  магния основаны на реакциях прямого  восстановления MgO кремнием (силикотермический метод), карбидом кальция (карбидотермический метод) и углеродом (карботермический метод).

Особенность таких методов  заключается в том, что только магний, единственный из продуктов реакции, находится в парообразном состоянии. В этом случае его можно легко отделить от твердой фазы путем удаления из зоны реакции и конденсации паров в отдельной зоне. В настоящие время только силикотермический метод получения магния – единственный промышленный способ прямого восстановления MgO.

Силикотермический  метод  получения основан на реакции:

 

2MgO + Si Û 2Mg +SiO₂   (3.1)

 

Эта реакция обратима и при атмосферном давлении протекает  вправо при температурах выше 2300 °С, присутствие в шихте оксида кальция, а также применение вакуума позволило снизить температуру процесса до 1200 °С. В пользу силикотермического метода говорят также успехи в разработке непрерывных методов его осуществления, не очень жесткие требования к сырью – магнезиту и доломиту, возможность применения в качестве восстановителя не только кремния и ферросилиция, но и силикоалюминия  в форме фильтростатков [2,6]. Магний, получаемый силикотермическим методом, содержит меньше примесей, чем электролитический.

Электролитическое получение  магния из водных растворов его солей  невозможно вследствие трудностей создания условий, при которых потенциал  разряда ионов магния становился бы электроположительней, чем потенциал  выделения ионов водорода.

На рисунке 3.1 представлены варианты технологических схем электролитического получения магния в зависимости  от вида перерабатываемого сырья  и способа получения хлорида  магния.

Выбор метода получения  магния зависит от местных технико-                        -экономических и экологических требований. В ряде случаев целесообразно применение термических методов, так как они отличаются относительной простотой технологии (особенно на переделе подготовки сырья) и возможность получить магний, содержащий меньше примесей [4].

Несмотря на то, что  электролитический способ получения  магния имеет свои недостатки (высокий  удельный расход электроэнергии, вредность  вследствие участия в процессе газообразного  хлора), он в настоящее время наиболее распространен в мировой практике промышленного получения магния. Это связано с целесообразностью комбинирования титанового и магниевого производства, позволяющего осуществлять наиболее рациональное использование продуктов электролиза – магния и анодного хлоргаза. Анодный хлоргаз применяется в производстве TiCl₄, а металлический магний при получении титановой губки на переделе магниетермического восстановления.

Для получения магния электролизом безводного хлормагниевого сырья в СНГ на протяжении 35 лет  – со времени пуска первого магниевого завода (ДМЗ, 1935 г.) – применялись диафрагменные электролизёры с вертикальным плоскопараллельным расположением электродов и с боковым, либо верхним вводом анодов. Такие электролизёры состояли из нескольких ячеек, электрически соединенных параллельно. Для предотвращения смешения анодного и катодного продуктов в пазы продольной футеровки вставлены диафрагмы, которые располагаются по обе стороны анода. Хлор из анодного пространства выводился через патрубок в сборный хлоропровод [6]. В 60-х годах в цехах электролиза магния работали электролизёры этого типа на силу тока 65-124 кА. Эксплуатировавшиеся в то время в СНГ диафрагменные электролизёры по своей производительности значительно превосходили зарубежные и характеризовались более низким удельным расходом электроэнергии. Вместе с тем электролитическое производство магния оставалось весьма энергоемким: на производство 1 т магния в диафрагменном электролизёре в зависимости от вида сырья затрачивалось до 18-20 тыс. кВт×ч электроэнергии постоянного тока.

 

 

 

 

Магнезит		Карналлит				MgCl2 титанового производства
Дробление и   измельчение		I стадия обезвоживания (КС)
Смешение и брикетирование		II стадия обезвоживания (хлоратор)
шихта (брикеты)		безводный карналлит
Хлорирование
безводный MgCl2
		Электролиз
	хлор				магний-сырец
					Рафинирование
	В Ti производство или хлорирование магнезита			Производство Ti			Товарный Mg

Рисунок 3.1 – Варианты технологических схем электролитического получения магния

 

 

Кроме того, диафрагменные  электролизёры имели ряд других существенных недостатков:

 

а) малая степень полезного  использования рабочего объема электролита, вследствие чего диафрагменные электролизёры  характеризовались  низкой удельной производительностью и большим удельным расходом электроэнергии, что обуславливало высокие удельные и эксплуатационные затраты;