一种电解制备金属钠的方法及装置与流程

本发明涉及金属钠制备领域，尤其是涉及一种电解制备金属钠的方法及装置。

背景技术：

1、金属钠在冶金工业中，主要作为还原剂使用，在铸造工业中主要用作铝-硅合金变质剂；在化学工业中用于制备靛蓝染料、硼氢化钠、甲醇钠、过氧化钠 、氨基钠、核级钠等化工产品。其中，核级钠作为最理想的冷却剂，近年来广泛用于反应堆的冷却过程，有效提升核聚变反应效率和环境友好性，具有良好的市场发展前景和潜力。

2、目前，工业化制备金属钠通常采用三元电解法进行，其工艺原理是将氯化钠、氯化钡、氯化钙的三元混合物加热熔化后，形成氯化钠、氯化钙、氯化钡离子熔液，其中的离子变成自由运动状态，具有导电性，成为离子导电的第二类导体。对该离子熔液通入直流电后，在电场的作用下，带正电的钠离子向阴极区移动，并在阴极区接收一个电子变成为钠原子，钠原子进而聚集成金属钠；带负电的氯离子向阳极区移动，并在阳极区失去一个电子变成氯原子，两个氯原子结合生成氯气，其反应式如下：

3、阴极区反应：na++e-→na；

4、阳极区反应：2cl--2e-→cl2↑。

5、由于新生成的金属钠和氯气比电解液轻，能够上浮到电解液液面上，通过密度差异能够对电解生成的金属钠粗品进行收集，金属钠粗品经过精制得到金属钠产品。

6、但是，发明人经研究发现，现有三元电解制备金属钠的过程中，存在有电解阳极腐蚀速率快，电解效率不稳定，电解过程中三元电解质熔液中成分易于失衡的问题；进一步的，上述问题的出现又会进一步导致电解阳极寿命短，电解槽稳定运行时间短（约15个月），电解能耗高，电解质熔液中氯化钙消耗快的问题，大幅影响生产效率和生产稳定性，无法有效节能减排。

7、同时，现有三元电解制得的金属钠，还存在有碳、钙、钡、硅、硫、铁等杂质元素含量偏高的问题，其导致后续制备高纯金属钠过程中，纯化工艺工程难度大，易于生成副产；进而导致综合生产成本高，生产能耗大。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种电解制备金属钠的方法及装置，能够有效解决三元电解制备金属钠的过程中，存在的电解阳极腐蚀速率快，电解效率不稳定，电解过程中三元电解质熔液中成分易于失衡问题；以及进一步解决电解阳极寿命短，电解槽稳定运行时间短，电解能耗高，电解质熔液中氯化钙消耗快的问题；同时，有效降低三元电解制得的金属钠中的杂质元素含量，提高产品品质，降低副产量，降低后续纯化工艺难度，降低生产成本及生产能耗。

2、为解决以上技术问题，本发明采取的技术方案如下：

3、一种电解制备金属钠的方法，将氯化钙、氯化钡加入电解槽内，点火熔化；待电解槽内的氯化钙、氯化钡完全熔化为电解液后，达到开槽要求，通知整流进行对电解槽的送电操作；投入脱水剂，电解槽持续供电升温，进行脱水煮槽，调节电解槽内物料的水分及氯含量；脱水煮槽完成后，投入氯化钠，进行电解，收集获得金属钠；

4、优选的，电解过程中，控制电解槽阳极的底座温度为180-220℃，控制电解槽的供电电流为45000-46000a。

5、进一步的，采用的氯化钠、氯化钙、氯化钡的重量百分比含量为35-40%:40-45%:20-25%。

6、进一步的，脱水煮槽温度为780-800℃，脱水煮槽时间为2-2.5h。

7、一种实现前述方法的电解制备金属钠的装置，包括有底座和阳极筒；阳极筒固定插装在底座上；

8、所述阳极筒的一端为插入端，所述插入端设有呈锥形设置的扩张段；

9、所述底座设置有冷却液降温空腔，所述冷却液降温空腔内，设置有折流板。

10、进一步的，所述扩张段的小径端向下设置，且固定连接有圆柱段。

11、进一步的，所述底座的上表面设有凹陷至冷却液降温空腔内的插装槽；

12、所述插装槽与阳极筒的插入端相匹配，以便阳极筒插入至插装槽内。

13、进一步的，底座上固接有连通冷却液降温空腔的进液管与出液管，以便第一冷却液持续导入至冷却液降温空腔内，对底座和阳极筒进行冷却控温。

14、进一步的，所述折流板内部单独形成空腔，并分别设置有进液管、出液管，以便第二冷却液持续导入至折流板的空腔内，对折流板外周的第一冷却液进行换热；

15、所述第二冷却液的温度低于第一冷却液的温度。

16、所述插装槽沿所述底座的中心均布设置有四个；

17、折流板沿俯视方向呈十字形设置，折流板将冷却液降温空腔间隔为四个相连通的空腔；且各所述空腔内分别设置有一插装槽。

18、优选的，所述折流板为波纹折流板或翅片折流板。

19、优选的，所述扩张段的大径端的直径与圆柱段直径的差值不小于25mm；

20、且所述扩张段的大径端的直径大于圆柱段直径。

21、优选的，进液管与出液管分别相对设置有两个。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

23、1）发明人经大量试验研究发现，现有技术中存在的电解阳极腐蚀速率快，电解效率不稳定，电解过程中三元电解质熔液中成分易于失衡的问题；以及进一步导致的电解阳极寿命短，电解槽稳定运行时间短，电解能耗高，电解质熔液中氯化钙消耗快的问题；以及制得的金属钠碳含量、钙含量偏高的问题；与电解过程中的温度相关性较大，发明人发现针对性的将电解槽体及底座的温度控制在预定范围内，能够有效改善前述问题；在本发明的电解制备金属钠的方法及装置中，通过电解工艺与电解槽阳极相配合，通过采用特定构造的阳极筒及电解槽阳极底座，设置能够与外周第一冷却液进行换热的折流板，并同时改变外周第一冷流体的流动状态，提高折流板外周第一冷流体湍流的雷诺数re，能够有效解决三元电解制备金属钠的过程中，存在的电解阳极腐蚀速率快，电解效率不稳定，电解过程中三元电解质熔液中成分易于失衡问题；以及进一步解决电解阳极寿命短，电解槽稳定运行时间短，电解能耗高，电解质熔液中氯化钙消耗快的问题；同时，有效降低三元电解制得的金属钠中的碳含量、钙含量，提高产品品质，降低副产量，降低后续纯化工艺除杂难度，降低生产成本及能耗。

24、2）经试验，本发明的电解制备金属钠的方法及装置，电解槽阳极的稳定使用寿命可达26个月，相比于现有技术中约15个月的稳定使用寿命，出现大幅提升，有效降低电解阳极腐蚀速率，提高电解阳极寿命，降低金属钠中的碳含量；提高电解稳定性，降低最佳电解工况的电流值，在降低电解能耗的同时，提高电解效率；避免电解过程中三元电解质熔液中成分易于失衡，降低金属钠中的钙含量；同时，经检测，本发明电解制得的金属钠产品的钠含量可达99.81wt%，钙含量可降低至0.02wt%，碳含量可降低至8.8ppm，且其他杂质（硫、硅、铁、钡）含量均可控制在10ppm以下。

25、3）本发明的电解制备金属钠的方法及装置，相比于现有技术，能够提高5%的电解效率，每吨金属钠的生产成本平均降低13%，按每年2万吨的电解金属钠产能计算，每年可降低生产成本2600万元。

26、进一步的，电解槽阳极的阳极筒的插入端，设置扩张段与圆柱段配合，进一步提高阳极筒的抗腐蚀能力，提高电解槽阳极使用寿命，降低设备维护、更换频率，进一步提高生产效率；并能够降低阳极筒在维护、更换过程中，插入至底座时发生折断的可能性，提高使用可靠性。

27、4）本发明的电解制备金属钠的方法及装置，产品品质好，副产杂质含量低，能够有效降低后续纯化工艺难度，降低生产成本及生产能耗，适用于规模化工业生产。