способ получения хлористого магния

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ХЛОРИСТОГО МАГНИЯ для производства металлического магния выщелачиванием магнийсодержащих руд соляной кислотой с образованием первичного раствора хлористого магния, отличающийся тем, что, с целью снижения содержания никеля и фосфора в продукте, в первичном растворе хлористого магния отношение растворимых в кислоте железа и никеля поддерживают выше, чем 120, а отношение между растворимыми в кислоте железом и фосфором поддерживают выше, чем 20.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что необходимое количество железа добавляют в качестве железосодержащей руды.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что необходимое количество железа добавляют в качестве железосодержащего раствора или железного скрапа.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве магнийсодержащей руды используют смесь макро- и скрытокристаллического магнезита в соотношении 1 : 10 - 10 : 1, предпочтительно 1 : 5 - 5 : 1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается способа получения хлористого магния достаточно высокой чистоты для производства металла магния путем растворения магнийсодержащей руды в соляной кислоте с последующей очисткой исходного раствора осаждением нежелательных примесей.

Магнезит из различных источников и различного сорта может выполнять важную роль в производстве, основанном на этом способе. Содержание в нем примесей указывает на большие изменения в отношении количества наиболее критических элементов для последующего электролитического производства металла. В рудах можно обнаружить железо в концентрации между 0,012 и 2-3% никель в пределах 3-180 ч/млн и фосфор 5-500 ч./млн. Другим возможным источником получения хлорида магния является брусит Mg(OH)₂. Его чистоту можно сравнить с магнезитом хорошего качества. В качестве исходного материала можно применять оливин, силикат магния, а также осажденный Mg(OH)₂ из процесса морская вода/доломит. Для этой цели также можно применять асбестовые отходы.

Требования высокого выхода по току, а также существующие технические условия на металл обусловливают высокую степень чистоты очищенного продукта рассола. Например, содержание никеля не должно превышать 0,1-0,2 ч./млн. если должны сохраняться коррозионные свойства. Содержание фосфора должно быть ниже 1 ч./млн. для исключения образования зловонных фосфинов от влажных поверхностей металла.

Изобретение касается первой стадии способа растворения.

Известен способ, согласно которому первый реактор заполняют кусками магнезита (5-400 мм). Магнезит растворяют путем подачи горячей концентрированной соляной кислоты в нижнюю часть реактора. Полученный раствор вытекает на некотором расстоянии ниже верхней части таким образом, что слой магнезита располагается выше уровня жидкости. Куски магнезита подают в верхнюю часть реактора по мере его расхода и оседают внизу в реакторе. Реакция растворения завершается во втором реакторе. Состав раствора регулируют путем подачи тонкоизмельченного магнезита, если раствор содержит избыточное количество не вступившей в реакцию кислоты, либо подачи концентрированной соляной кислоты, если раствор имеет избыточное содержание частиц магнезита. Железо и другие тяжелые металлы удаляют после окисления осаждением в виде гидроокисей. Магнезит является одной из руд, которая предпочтительна в качестве исходного материала для получения хлористого магния согласно этому способу, но можно также применять другие магнийсодержащие руды. Магнезит присутствует в природе в виде различного сорта и с различной химической активностью в зависимости от места его нахождения.

Магнизит можно разделить на да основных типа руд. Макрокристаллический магнезит состоит из агрегатов монокристаллов диаметром свыше 1 мм скрытокристаллического сорта с зернами меньше 1/100 мм. Хотя первый тип обнаруживается в виде жил в осадочных породах, однако скрытокристаллические магнезиты присутствуют в виде простых включений в материалах, содержащих песок или глину. Поскольку границы зерен первыми атакуются кислотой во время процесса растворения и при этом выделяются отдельные кристаллы, то существуют большие различения (до 1000 раз) в реактивности между макроматериалом и скрытокристаллическим материалом.

Оба эти типа реагируют по различному во время процесса растворения и имеют как преимущества, так и недостатки, когда их применяют в качестве исходного материала для производства хлористого магния.

Микрокристаллические магнезиты вступают в реакцию с соляной кислотой сравнительно медленно. Для достижения допустимой нагрузки в производстве и степени конверсии кислоту следует предварительно нагревать на практике так, чтобы можно было проводить реакцию при температуре между 70 и 100^оС. Таким образом, емкость реактора ограничивается той, которая может быть заполнена парами соляной кислоты, которые необходимо улавливать из двуокиси углерода.

Несколько этих сортов магнезита имеют низкое содержание (1-2%) компонентов, не растворимых в кислоте. Они присутствуют частично в виде отдельных монокристаллов размером примерно 1 м, которые переносятся до значительной степени потоком жидкости. Таким образом, реактор имеет достаточно продолжительное рабочее время, прежде чем его следует освободить от нерастворимых частиц.

Скрытокристаллические магнезиты вступают в реакцию значительно быстрее (в 1000 раз), чем макрокристаллический магнезит. Следовательно, реакцию можно проводить при низкой температуре. Таким образом, раствор, оставляющий реактор, является практически нейтральным, так что потери кислоты незначительные. Однако монокристаллы высвобождаются быстрее, чем они расходуются во время реакции. Раствор оставляет реактор с высвобожденными мини-частицами в количестве, которое может соответствовать 50-100% количеству, вступившему в реакцию с кислотой, в зависимости от рабочих условий и потока.

Для использования зерен магнезита в этой суспензии необходимо добавлять соответствующее количество кислоты во второй реактор для выщелачивания. Из-за высокого содержания мини-кристаллов это легко приводит к превышению мощности реактора, что может вызвать чрезмерное пенообразование в результате высвобождения двуокиси углерода. Это явление увеличивается, поскольку частицы стабилизируют образование пены.

Другим недостатком скрытокристаллических магнизитов из-за их происхождения является то, что они содержат различное количество силикатов, вступающих в реакцию с кислотой в условиях образования гидратированной двуокиси кремния частично в форме объемистого осадка, который следует с раствором и удаляется вместе с тяжелыми металлами в фильтре после процесса очистки, и частично образуют пористые частицы SiO₂ диаметром несколько сантиметров.

Хотя в худшемслучае осадок SiO₂ определенно снижает способность к фильтрованию, однако большие структуры будут приводить к тому, что реактор будет быстро заполняться нерастворенными компонентами. В результате каждый раз, когда раствор необходимо разгружать и очищать, будут создаваться непродолжительные простои в работе. Это может также происходить, когда применяют другие магнийсодержащие исходные материалы с высоким содержанием двуокиси кремния.

Другим недостатком этих магнезитовых минералов является то, что они обычно имеют более низкое отношение Fe/Ni, чем отношение, которое является оптимальным для удаления никеля во время процесса очистки. Таким образом, потребуется дополнительная подача ионов железа.

Цель изобретения снижение содержания примесей Ni и Р в первичном растворе хлористого магния. Другая цель возможность применять состав исходного материала, дающий небольшое количество нерастворенных компонентов в реакторе и в то же время небольшие потери соляной кислоты в отходящем газе. Важно исключить накопление водной двуокиси кремния, вызванное скелетами SiO₂ в скрытокристаллической руде, когда в качестве исходного материала применяют магнезит. Желательно получить повышенную нагрузку кислоты с достаточной скоростью реакции для увеличения производительности реактора.

В способе очистки достаточное удаление никеля и фосфора зависит от одновременного осаждения гидроокиси железа и гидроокиси алюминия. Важно поддерживать достаточно высокое отношение между растворенным железом и никелем и между растворенным железом и фосфором в первичном растворе хлорид магния для получения достаточного удаления никеля и фосфора в последующем процессе очистки. Отношение растворимых в кислоте Fe/Ni должно быть выше примерно 120. Подобный эффект достигается во время удаления фосфора. Отношение Fe/P, необходимое для получения удовлетворительной низкой концентрации Р, находится в пределах выше примерно 20. Подобный эффект может достигаться при частичной или полной замене железа равным молярным количеством алюминия, растворимым в кислоте. Когда применяют алюминий, то отношение Al/P должно быть выше 5 для достижения достаточного удаления примесей.

Во время процесса очистки большая часть присутствующего никеля будет осаждаться в виде гидроокисей никеля. Однако остается проблема достижения достаточного удаления остального содержания никеля. Эффект основан на том факте, что осажденные трехвалентные гидроокиси будут поглощать ионы никеля среди других вещей избыточным количеством MgO. Тот же эффект отмечается при удалении оставшихся ионов фосфора. Этот эффект будет связан с большинством магнийсодержащих исходных материалов, которые будут применяться для приготовления раствора хлористого магния, достаточно чистого для его использования в производстве металла магния.

Когда содержание железа в исходном материале слишком низкое, то необходимо подавать железо. Наипростейший и дешевый способ это смешивание исходного материала с рудой, более богатой содержанием железа. Железо можно также добавлять в другой форме, например, в виде материала скрапа, а также непосредственно в первичный раствор, содержащий хлорид магния, в качестве железосодержащего раствора. То же самое относится к алюминию. Если руда имеет слишком низкое содержание алюминия, то ее можно подавать в смеси с другими исходными материалами или добавлять в виде раствора. Если руда содержит железо и алюминий, то удаление никеля и фосфора может достигаться путем осаждения гидроокисей алюминия и железа.

Когда в качестве исходного материала применяют магнезит, то смесь скрытокристаллического и макрокристаллического магнезитов дает значительные преимущества. При этом недостатки значительно уменьшаются более, чем в соответствии с пропорцией смеси. Таким образом, происходит синергетический эффект, когда магнезит подают в смеси. Его применяют в виде смеси макро- и скрытокристаллического магнезитов при отношении 1:10-10:1, предпочтительно 1: 5-5: 1. Отношение смеси должно быть такое, чтобы достигались оптимальная производительность и рабочее время.

Содержание железа в магнезитовых минералах отличается до значительной степени. Многие эти минералы имеют более низкое отношение Fe/Ni и Fe/P, чем оптимальное отношение для удаления никеля и фосфора во время процесса очистки. Таким образом, необходима дополнительная подача ионов железа. Это можно сделать путем смешивания применяемого исходного магнезитового материала с магнезитом, имеющим высокое содержание железа. При подаче скрытокристаллического магнезита в смеси с макрокристаллическим материалом содержание кислоты в растворе, оставляющем реактор, и потери соляной кислоты в отходящем газе будут очень умеренными в сравнении с применением только макрокристаллического магнезита, когда нагрузка кислоты в реакторе значительно увеличивается. Содержание высвобожденных миничастиц магнезита сильно уменьшается в сравнении с содержанием, которое достигается только с скрытокристаллическим исходным материалом. Скопление нерастворимых частиц в нижней части реактора значительно ниже, чем то, которое должно ожидаться от дополнительных расчетов расхода каждого из двух компонентов.

При контроле содержимого реактора после некоторого периода работы установлено, что нижняя часть реактора выше уровня нерастворимых в кислоте остатков содержала макрокристаллический материал; куски, более или менее атакуемые кислотой, и высвобожденные небольшие кристаллы (примерно 1 мм) вместе с несколькими нерастворимыми остатками (скелеты SiO₂) от скрытокристаллического материала. В верхней части реактора ниже выхода для жидкости куски макрокристаллического материала едва показывали признаки умеренной атаки кислоты, тогда как количество и размер частиц скрытокристаллического материала уменьшились сравнительно быстро вниз в реакторе.

Причину благоприятного эффекта на количество накопленных не растворимых в кислоте остатков в реакторе, можно связать с полной реакцией скрытокристаллического материала в верхней части реактора, где картина потока очень турбулентная из-за газа двуокиси углерода, который высвобождается в нижней части реактора. Эта турбулентность вызывает некоторую эpозию, износ и истирание деталей, поскольку покрытия SiO₂ отделяются и переносятся вместе с жидкостью. Анализ на SiO₂ на выходе жидкости также подтверждается, что значительная часть содержания кремния в магнезите удаляется с жидкостью, когда исходные материалы смешивают.

П р и м е р 1. Макрокристаллический магнезит (китайский) кусками размером 5-25 мм с содержанием железа 0,2% никеля 4 ч./млн. и фосфора 300 ч./млн. выщелачивали в 30%-ной соляной кислоте в первом реакторе, где жидкость заполняла часть, составляющую 1,8 м и диаметр 25 см. В нижнюю часть реактора подавали кислоту. Температура в нижней части реактора равнялась примерно 80^оС, а верхняя температура 92^оС. Свободная HCl на выходе составляла 3-4. HCl в отходящем газе соответствовала потерям, добавленным 7%-ной HCl.

Во второй реактор добавляли тонкоизмельченный магнезит, прежде чем раствор перешел в секцию очистки и фильтрования. Отношение Fe/Ni в кислом растворе на выходе составило 500, а отношение Fe/P 6,7. В прозрачном очищенном растворе обнаружили Ni 0,1 0,2 мг/л и Р 21 мг/л.

После осаждения примесей осажденный осадок составил 9-10 об. от суспензии. Не растворимый в кислоте осадок в нижней части реактора составил 6,5 л/т поданного магнезита.

П р и м е р 2. Куски скрытокристаллического (австралийский) магнезита того же размера, что и в примере 1, и содержанием железа 0,045% никеля 24 ч. /млн. и фосфора 5 ч./млн, выщелачивали в 30%-ной соляной кислоте (тот же реактор и нагрузка кислоты, что и в примере 1. Температура в нижней части реактора была 85^оС, в верхней части -85^оС. Свободная HCl в растворе, оставляющем реакторе, составила 0,1% Содержание HCl в отходящем газе соответствовало потерям кислоты 0,1% поданной HCl. Раствор содержал 20-30 г/л тонкоизмельченного не вступившего в реакцию магнезита. В этом случае соляную кислоту добавляли во второй реактор.

Отношение Fe/Ni было 19, а отношение Fe/P 90 в этой руде. В светлом очищенном растворе обнаружили Ni 0,8-1,3 мг/л и Р 0,8 мг/л.

После осаждения примесей осажденный осадок составил 30-35 об. суспензии. Не растворимый в кислоте осадок на дне реактора составил 17 л/т поданного магнезита.

П р и м е р 3. Смесь из двух частей макрокристаллического магнезита того же качества (и размера), как и в примере 1, и одной части скрытокристаллического магнезита того же качества (и размера), как и в примере 2, выщелачивали в 30% -ной соляной кислоте (тот же реактор и нагрузка кислоты, что и в примере 1). Температура в нижней части реактора равнялась 70^оС, а в верхней части 95^оС.

Свободная HCl в растворе на выходе составила 0,4% а раствор был свободен от не вступившего в реакцию магнезита. HCl в отходящем газе соответствовала потерям кислоты 0,9% поданной HCl.

Отношение Fe/Ni было 139, а отношение Fe/P 7,3. В прозрачном очищенном растворе был обнаружен Ni 0,1 мг/л и Р -3 мг/л. После осаждения примесей очищенный осажденный осадок составил 15-17 об. суспензии.

Остаток, не растворимый в кислоте, на дне реактора составил 7 л/т поданного магнезита.

П р и м е р 4. Одну часть макрокристаллического магнезита, богатого содержанием железа, с 3,1% Fe, 25 ч./млн. никеля, 2 ч./млн. фосфора и 9 ч. /млн. скрытокристаллического магнезита с 0,025% Fe, 14 ч./млн. никеля и 5 ч. /млн. фосфора. Оба имели размер кусков такой же, что и в примере 1. Выщелачивали в 30%-ной соляной кислоте (тот же реактор и нагрузка кислоты, что и в примере 1). Температура в нижней части реактора равнялась 85^оС, а в верхней части 86^оС.

Содержание свободной соляной кислоты составило <0,1% Содержание HCl в отходящем газе равнялось потерям кислоты 0,3% от поданной HCl. Раствор содержал примерно 20 г/л микрокристаллического, не прореагирующегося магнезита. Соляную кислоту добавляли во второй реактор. Отношение Fe/Ni составило 222, а отношение Fe/P 707. В прозрачном очищенном растворе были обнаружены Ni 0,1-0,2 мг/л и Р 0,2 мг/л. После осаждения примесей осажденный осадок составил 40-45% суспензии. Не растворимый в кислоте осадок в реакторе составил 12 л/т добавленного магнезита.

Примеры показывают, что потери кислоты, вызванные не вступившей в реакцию HCl, являются почти такими же, как для одного скрытокристаллического магнезита. Количество не растворимого в кислоте осадка на дне реактора, который является результатом скрытокристаллического магнезита, является для смеси, как в примере 3, уменьшенным до меньше половины, а в примере 4 до примерно 2/3 того, которое было обнаружено в примере 2.

Объем осадка по смеси в примере 3 будет немного выше, чем по дополнительному расчету, потому, что часть не прореагировавшего скрытокристаллического магнезита будет переходить в осадок. Таким образом, объем осадка будет увеличиваться немного больше, чем соответствующая добавка от этих двух сортов. При смешивании двух сортов достигается содержание никеля в очищенном растворе такое же низкое, как в растворе из макрокристаллического магнезита.

П р и м е р 5. Часть брусита (минерал из гидроокиси магния), содержащего 0,07% железа, 5 ч./млн. никеля и 25 ч./млн. фосфора, растворили в 30%-ной соляной кислоте при температуре 85-90^оС в лаборатории. До нейтрализации и осаждения примесей добавили небольшое избыточное количество гипохлорита натрия. После фильтрования образовался прозрачный бесцветный рассол.

Отношение Fe/Ni в руде составило 140, а отношение Fe/P 28. Очищенный рассол содержал Ni меньше 0,1 мг/л и Р меньше 0,3 мг/л.

П р и м е р 6. В чистый рассол MgCl₂, содержащий примерно 400 г MgCl₂/д, добавили чистые соли вторичного кислого фосфата натрия и хлорида алюминия для получения фосфора 84 мг/л и алюминия 560 мг/л. Отношение Al/P составило 6,7. После осаждения примесей очищенный рассол содержал фосфор 0,10 мг/л.