Способ автоматического управления фторным электролизером

Способ автоматического управления фторным электролизером

Реферат

Изобретение относится к способу автоматического управления электролизеров с газоразделительными колоколами, предотвращающими смешение катодного и анодного газов, а конкретно к управлению электролизером для получения фтора.

Автоматическое управление фторным электролизером заключается в поддержании заданной кислотности расплава электролита, обеспечивающей оптимальные показатели его работы (выход фтора по току и но энергии, содержание F₂ и HF в анодном газе) при заданных параметрах его работы (температура электролита, плотность тока на электродах, сила тока). Поддержание заданной кислотности осуществляется подпиткой кислых расплавов фторида калия безводным фтористым водородом с использованием датчиков контроля кислотности или уровня расплава, подвергаемого электролизу.

Известен способ автоматического управления фторным электролизером (А.с. СССР №296626, 1989 г.), заключающийся в автоматическом поиске минимально возможных значений кислотности и температуры электролита при контроле значений напряжения между электродами и его изменения по времени, обеспечивающий снижение уноса HF с газами электролиза. Известен также автоматический способ насыщения расплава фтористым водородом с использованием датчика уровня электролита в корпусе электролизера (Н.П.Галкин, А.А.Майоров и др. Химия и технология фтористых соединений урана. - М.: Госатомиздат, 1961 г.). Метод фиксирует изменение уровня электролита в ванне в пределах ±6,3 мм, что соответствует колебанию концентрации фтористого водорода в пределах ±0,5%. Данный способ является прототипом предлагаемого изобретения.

Указанные способы стабилизируют оптимальный режим эксплуатации работы электролизеров, обеспечивают минимальный унос HF с отходящими газами, но обладают существенным недостатком. Они снижают срок службы газоразделительных колоколов.

Фтор получают электролизом кислых расплавов фторида калия (KF·nHF). При электролизе расплава HF диссоциирует по схеме:

2HF=H₂F⁺+F^-,

катионы H₂F⁺ разряжаются на катоде:

2H₂F⁺+2e=2HF+H₂,

анионы (фтор-ионы) разряжаются на аноде:

2F^--2е=F₂.

На катоде выделяется водород, на аноде - фтор. Газоразделительный колокол необходим для раздельного удаления фтора и водорода, а уровень электролита на заданной отметке колокола является затвором, предотвращающим их смешение. Газоразделительный колокол изолирован от катода и анода. Как правило, электролит заливают в электролизер до уровня, соответствующего 1/2 высоты колокола. Из уравнений разряда ионов ясно, что в процессе электролиза кислого расплава калия масса фторида калия в электролизере остается постоянной, убывает безводный фтористый водород. При этом кислотность расплава снижается и одновременно снижается уровень электролита в электролизере. Средства управления электролизером с помощью датчиков контроля уровня или кислотности расплава поддерживают заданный уровень электролита путем периодической или непрерывной подачи в электролизер безводного фтористого водорода. Это приводит к тому, что уровень электролита почти не меняется или меняется незначительно. Материал колокола на линии раздела фаз находится в зоне максимальной скорости коррозии. Повысить наработку колокола до отказа в этих условиях невозможно.

Технической задачей изобретения является повышение долговечности газоразделительных колоколов электролизера при сохранении параметров процесса электролиза, обеспечивающих оптимальные показатели его эксплуатации. Поставленная задача решается тем, что в способе автоматического управления фторным электролизером, включающим поддержание заданного уровня электролита с использованием датчиков контроля кислотности или датчиков уровня электролита при сохранении заданной кислотности и температуры электролита, заданный уровень электролита понижают или повышают на 2-4% от высоты газоразделительного колокола до минимально или максимально возможного уровня соответственно и продолжают работу электролизера на новом заданном уровне, при этом периодичность смены уровней составляет 1,5-3,0 тыс. часов работы на каждом новом уровне электролита.

Основанием предлагаемого способа является следующее.

1. Основной причиной вывода электролизера в ремонт является электрохимическая коррозия материала колокола на границе раздела жидкой и газовой фаз (где скорость коррозии максимальна) до сквозного отверстия. По данным многолетней промышленной эксплуатации среднетемпературных электролизеров СТЭ-20 срок службы стального колокола на электролизере под токовой нагрузкой (в дальнейшем - наработка колокола) находится в интервале 5600-14700 часов. Таким образом, скорость коррозии на границе раздела фаз (при толщине стенки стального колокола 6 мм) составляет 1 мм за 1000-1500 часов работы при токовой нагрузке 9-15 кА.

2. Большой интервал долговечности колокола обусловлен различной точностью поддержания уровня электролита на отдельных электролизерах. В годы промышленного освоения среднетемпературных электролизеров использовался ручной метод контроля уровня с помощью калиброванной рейки. Точность поддержания уровня была невысокой. Низкая точность приводит к "размыванию" границы раздела фаз, что вроде бы способствует увеличению долговечности колокола, но одновременно не обеспечивает поддержание заданной кислотности в оптимальных пределах, что приводит к снижению долговечности колокола. Современные датчики контроля уровня электролита типа ВМ-100 обеспечивают поддержание уровня в пределах ±1 мм. Высокая точность приводит к тому, что граница раздела газовой и жидкой фаз, где скорость коррозии максимальна, практически не меняется. При этом долговечность колокола снижается даже при оптимальной кислотности электролита, когда скорость коррозии материала колокола минимальна. Именно по этой причине несмотря на достигнутые успехи автоматического управления фторным электролизером наработка колокола до отказа остается на одном уровне в течение десятков лет. Она находится в интервале 6-14 тыс. часов, а среднегодовая наработка колоколов в производстве фтора не превышает 9 тыс. часов.

3. Изменение заданного уровня электролита на 2-4% от высоты колокола через каждые 1,5-3,0 тыс. часов эксплуатации колокола способствует увеличению срока его службы не менее чем в 1,5-2 раза. Изменение уровня меньше 2% от высоты колокола нецелесообразно из-за технологических перепадов давления анодного и катодного газов. Изменение уровня более 4% от высоты колокола нецелесообразно из экономических соображений. Минимальный интервал наработки колокола на заданном уровне (1,5 тыс. часов) обусловлен учетом возможных дефектов структуры материала колокола, максимальный интервал наработки (3,0 тыс. часов) выбран с учетом надежности остаточной толщины стенки колокола (4 мм) при эксплуатации электролизера на неизменном уровне электролита.

4. Эксплуатационная наработка колокола возрастает за счет перемещения зоны максимальной скорости коррозии его материала.

Исходя из вышеизложенного, новый способ автоматического управления фторным электролизером осуществляют следующим образом. При вводе электролизера в эксплуатацию задают исходный уровень электролита, на котором поддерживают его в течение 1,5-3 тыс. часов. Затем уровень понижают (повышают) на 2-4% от высоты колокола (5-10 мм) и продолжают эксплуатацию на новом заданном уровне и так до минимально (максимально) возможного уровня. На среднетемпературном фторном электролизере СТЭ-20 при высоте колокола 300 мм допустимый максимальный уровень электролита от верхнего края колокола равен 80 мм, минимальный - 160 мм (при штатном допустимом избыточном давлении анодного газа 15 мм рт.ст.). Изменение уровня при сохранении постоянной кислотности осуществляют путем слива электролита из электролизера при снижении уровня и подачей в электролит безводного фтористого водорода и бифторида калия при повышении уровня.

Ниже представлены результаты промышленных испытаний способа на среднетемпературном фторном электролизере СТЭ-20.

Управление	Суммарная наработка колокола, тыс. час / тыс. кА·час
Прототип:
С уровнемером ВМ-100 (уровень постоянный за весь период эксплуатации)	6,9/69
Новый способ (уровнемер ВМ-100):
Э №1. Уровень Н=100 мм	1,5/15
уровень Н=95 мм	в работе с 05.10.2004 г
Э №2. Уровень Н=140 мм	2,1/21
уровень Н=135 мм	в работе с 18.11.2004 г
Э №3. Уровень Н=110 мм	1,5/15
уровень Н=115 мм	3,0/30
уровень Н=120 мм	4,5/45
уровень Н=125 мм	в работе с 18.11.2004 г
Примечание: Н - уровень электролита от верхнего края колокола.

Графиком испытаний предусмотрено изменение уровня на 5 мм через каждые 1,5-3 тыс. часов эксплуатации указанных электролизеров. Предполагается на электролизере №1 осуществить 4 повышения уровня с последующими спусками (начиная с уровня 100 мм), на электролизере №2 - повышение уровня до предельного Н=80 мм; на электролизере №3 - понижение уровня до максимально возможного Н=160 мм. Ожидается увеличение долговечности колокола не менее чем в 1,5-2 раза.

1. Способ автоматического управления фторным электролизером путем поддержания заданного уровня электролита с использованием датчиков контроля кислотности или датчиков уровня электролита при сохранении заданной кислотности и температуры электролита, отличающийся тем, что заданный уровень электролита понижают или повышают на 2-4% от высоты газоразделительного колокола до минимально или максимально возможного уровня соответственно и продолжают работу электролизера на новом заданном уровне, при этом периодичность смены уровней составляет 1,5-3,0 тыс. ч работы на каждом новом уровне электролита.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что эксплуатацию электролизера начинают при любом значении уровня электролита в регламентируемом интервале.