Процесс Пиджена
Процесс Пиджена — это практический метод выплавки магния . Наиболее распространенный метод предполагает, что сырье, доломит, подается в восстановительный резервуар с внешним подогревом, а затем термически восстанавливается до металлического магния с использованием 75% ферросилиция в качестве восстановителя в вакууме . [1] В целом процессы выплавки магния по процессу Пиджена включают обжиг доломита , измельчение и гранулирование, а также термическое восстановление в вакууме. [1]
Помимо процесса Пиджена, электролиз хлорида магния для промышленного производства магния также используется , особенно магнезитовых руд. [2] на долю которого в какой-то момент приходилось 75% мирового производства магния. [3]
По технологии 2000 года на килограмм магния, произведенного по процессу Пиджена, требовалось от 17 до 20 киловатт-часов. [2] На всех предприятиях Пиджона в Канаде в 2000 году SF6 использовался для покрытия реакции, чтобы не допускать попадания в нее постороннего кислорода. Исследования по замене SF6 трифторидом бора проводились в 2000 году. [2] К 2011 году производство магния было перенесено в соответствии с Киотским протоколом из Канады. [4] Ву, Хань и Лю хвастались, что «Китай является крупнейшим в мире производителем первичного магния и имеет промышленность по выплавке магния, которая в основном основана на процессе Пиджена» в эпоху, когда Китай получил 80% долю рынка по производству металлического магния. . [1]
Химия
[ редактировать ]
Общая реакция, которая происходит в процессе Пиджена:
- 2 MgO·CaO + Si → 2 Mg + Ca 2 SiO 4
Для промышленного использования вместо чистого кремния используется ферросилиций, поскольку он дешевле и доступнее. Железо из сплава является зрителем реакции. CaC 2 также можно использовать как еще более дешевую альтернативу кремнию и ферросилицию, но он невыгоден, поскольку немного снижает выход магния. [5]
Магниевым сырьем для реакции этого типа является оксид магния , который получают разными способами. Во всех случаях сырье необходимо прокаливать для удаления как воды, так и углекислого газа. Оксид магния также можно получить из морской или озерной воды хлорида магния, гидролизованного до гидроксида. Mg(OH) 2 термически дегидратируется. Другой вариант — использовать добытый магнезит (MgCO 3 ), прокаленный до оксида магния.
Наиболее используемым сырьем является добытый доломит, смесь (Ca,Mg)CO 3 , где оксид кальция, присутствующий в зоне реакции, поглощает образовавшийся кремнезем, выделяя тепло и поглощая один из продуктов, что в конечном итоге помогает сдвинуть равновесие вправо. . в(1) Обжиг доломита
- CaCO 3 ·MgCO 3 → MgO·CaO + 2 CO 2
(2) Сокращение
- MgO·CaO +Si → 2 Mg + Ca 2 SiO 4
Процесс Пиджена представляет собой эндотермическую реакцию ( Н° ~183,0 кДж/моль Si). С термодинамической точки зрения, температура снижается, когда вакуум используется как для MgO, так и для обожженного доломита. [5]
Краткое изложение процесса Пиджена с использованием доломита
[ редактировать ]
Китайский вариант
[ редактировать ]Процесс «Китайский Пиджон» описан здесь Ву, Ханем и Лю. Поскольку реакция эндотермическая, для инициирования и поддержания реакции применяется тепло. Эта потребность в тепле может быть очень высокой. Чтобы поддерживать низкую температуру реакции, процессы проводятся под давлением. Вращающаяся печь обычно используется при обжиге доломита. Во вращающейся печи сырье, кальцинированный доломит, смешивается с тонкоизмельченным восстановителем ферросиликоном и катализатором флюоритом . Материалы смешиваются и прессуются в гранулы сферической формы, а смешанные материалы загружаются в цилиндрические реторты из никель-хромовой стали . Некоторое количество реторт помещают в печь в запечатанных бумажных пакетах, чтобы избежать поглощения влаги и чтобы активность прокаленного доломита не снижала выход магния. Затем гранулы помещают в восстановительный резервуар и нагревают до 1200 °C. Внутри печи вакуумируется давлением 13,3 Па или выше для получения паров магния. Кристаллы магния удаляются из конденсаторов, шлак удаляется в твердом виде, и реторта загружается. Сырой магний очищается с помощью флюса и коммерческий слиток производится магния. Авторы нигде не указывают ни названия, ни характеристик флюса. [1]
Типичный состав флюса: 49 мас.% безводного хлорида магния , 27 мас.% хлорида калия , 20 мас.% хлорида бария и 4 мас.% фторида кальция . [6] [7]
Канадский вариант
[ редактировать ]Канадский вариант описан здесь со ссылкой на китайский вариант. В 2000 году в Канаде было три завода по производству магния. Все три использовали элегаз в качестве защитного газа для предотвращения окисления и возгорания открытых поверхностей магния, который на СТП является очень горючим . Защитный газ SF6 использовался на тот момент более 20 лет во всех отраслях промышленности, связанных с сырым магнием. [2] Перед канадской промышленностью стояла задача найти подходящую альтернативу защитному газу, чтобы ее не принесли в жертву Плану действий 2000 года по изменению климата . [8] [9] Считалось, что SF6 имеет коэффициент глобального потепления (ПГП) в 23 900 раз больше, чем CO2. [9] К 2011 году производство магния было прекращено из Канады из-за Киотского протокола . [4]
Другие пути переработки магния
[ редактировать ]Разработано множество технологий получения металлического магния. Эти подходы можно разделить на электролитические и термические. [10] Основным проявлением электролиза является процесс Доу. Основное применение термических маршрутов — процесс Пиджена. Процесс Больцано заслуживает упоминания, поскольку он очень похож на процесс Пиджена, за исключением того, что нагрев достигается за счет электрических нагревательных проводников, а реторты в процессе Больцано размещаются вертикально в больших блоках. [5] [11] Метод Пиджена менее технологически сложен, и благодаря условиям перегонки/осаждения из паровой фазы легко получить продукт высокой чистоты. [5]
Недостатки процесса Пиджена
[ редактировать ]
Хотя процесс Пиджена имеет множество преимуществ, он также имеет некоторые экологические недостатки. Поскольку в последние годы возрос спрос на магний, производство за счет переработки руды приводит к выбросам большого количества углекислого газа и твердых частиц . [12] Из-за легкого веса магния, а также его высокой плотности энергии, были высказаны предположения о том, что мировое потребление этого универсального металла резко увеличится, даже больше, чем оно уже есть. Это оказывает воздействие на окружающую среду, поскольку для создания легких материалов требуется больше энергии по сравнению с заменяемым материалом, обычно железом или сталью . Приблизительно на 1 кг полученного магния сгорает около 10,4 кг угля и выделяется 37 кг углекислого газа. [13] [14] [15] В Китае производство магния с использованием процесса Пиджена оказывает на 60% большее воздействие на глобальное потепление, чем производство алюминия, конкурирующего металла, который также массово производится в стране. [15]
История
[ редактировать ]
Силикотермическое восстановление доломита было впервые разработано Амати в 1938 году в Падуанском университете . (Италия) было налажено промышленное производство Сразу после этого в Больцано , использующее то, что сейчас более известно как Больцанский процесс . [16]
Несколько лет спустя, в 1939 году, когда Канада и ее союзники вступили во Вторую мировую войну , им не хватало магния, такого как бомбы, другие военные устройства и алюминиевые сплавы, необходимые для самолетов. Доктор Ллойд Монтгомери Пиджон из Национального исследовательского совета смог создать метод извлечения магния из доломита в вакууме при высокой температуре с использованием ферросилиция в качестве восстановителя. В то время метод ферросилиция был известен, однако он еще не был коммерциализирован. К началу 1942 года состоялись успешные пилотные испытания. [17]
С тех пор процесс Пиджена постоянно широко используется, особенно в Китае, крупнейшем в мире производителе магния.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Ву, Ланьер; Хан, Фэнлань; Лю, Гуйцюнь (2021), «Плавка магния по пиджонскому процессу», Комплексное использование магниевого шлака по пиджонскому процессу , SpringerBriefs in Materials, Сингапур: Springer Singapore, стр. 45–68, doi : 10.1007/978-981-16- 2171-0_2 , ISBN 978-981-16-2173-4 , S2CID 235872413
- ^ Jump up to: а б с д Эйрес, Джон (2000). «Канадский взгляд на управление элегазом в магниевой промышленности» (PDF) . Окружающая среда Канады.
- ^ Ву, Ланьер (2021). Комплексная утилизация магниевых шлаков пиджон-процессом . Фэнлань Хан, Гуйцюнь Лю. Сингапур. ISBN 978-981-16-2171-0 . OCLC 1249509843 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б Кребер, Д.; Дэвис, Б.; Кашани-Неджад, С. (2011). «Производство металлического магния в Канаде». В Капусте, Жоэль; Макки, Филипп; Стубина, Натан (ред.). Ситуация в металлургии и производстве материалов Канады, 1960–2011 гг . Канадский институт металлургии.
- ^ Jump up to: а б с д Магний и его сплавы: технология и применение . Менахем Бамбергер, Лешек А. Добжански, Джордж Э. Тоттен (Первое изд.). Бока-Ратон, Флорида. 2020. ISBN 978-1-351-04547-6 . OCLC 1111577710 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) CS1 maint: другие ( ссылка ) - ^ https://ressources-naturelles.canada.ca/sites/www.nrcan.gc.ca/files/mineralsmetals/pdf/mms-smm/busi-indu/rad-rad/pdf/2003-19(cf)cc-eng.pdf .
{{cite news}}: Отсутствует или пусто|title=( помощь ) - ^ Х. Проффитт, «Магний и магниевые сплавы», Справочник по металлам, 9, [2], (1989), стр. 801-802.
- ^ «Информация, заархивированная в Интернете» (PDF) .
- ^ Jump up to: а б https://19january2017snapshot.epa.gov/sites/production/files/2016-02/documents/conf02_fasoyinu_paper.pdf .
{{cite news}}: Отсутствует или пусто|title=( помощь ) - ^ Амундсен, Кетиль; Ауне, Терье Кр.; Бакке, Пер; Эклунд, Ганс Р.; Хаагенсен, Йоханна О.; Николас, Карлос; Розенкильде, Кристиан; Ван Ден Бремт, Сиа; Валлевик, Оддмунд (2003). «Магний». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . дои : 10.1002/14356007.a15_559 . ISBN 978-3-527-30385-4 .
- ^ «Обработка магния | Техники и методы | Британника» . www.britanica.com . Проверено 16 апреля 2023 г.
- ^ Вада, Юджи; Фудзи, Сатоши; Сузуки, Эйичи; Майтани, Сато М.; Цубаки, Шунтаро; Чонан, Сатоши; Фукуи, Михо; Иназу, Наоми (12 апреля 2017 г.). «Выплавка металлического магния микроволновым методом Пиджена» . Научные отчеты 7 (1): 46512. Бибкод : 2017NatSR ...746512W . дои : 10.1038/srep46512 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 5388895 . ПМИД 28401910 .
- ^ Джонсон, MC; Салливан, Дж. Л. (1 сентября 2014 г.). «Легкие материалы для автомобильной промышленности: оценка данных о производстве материалов из магния и углеродного волокна» . Аргоннская национальная лаборатория : ANL/ESD––14/7, 1172026. doi : 10.2172/1172026 . ОСТИ 1172026 .
- ^ Гао, Фэн; Не, Цзо-жэнь; Ван, Чжи-хун; Гун, Сянь-чжэн; Цзо, Те-Ён (июнь 2008 г.). «Оценка воздействия на окружающую среду производства магния с использованием процесса Пиджона в Китае» . Сделки Общества цветных металлов Китая . 18 (3): 749–754. дои : 10.1016/S1003-6326(08)60129-6 .
- ^ Jump up to: а б Рамакришнан, С.; Колтун П. (август 2004 г.). «Влияние магния, производимого в Китае с использованием процесса Пиджена, на глобальное потепление» . Ресурсы, сохранение и переработка . 42 (1): 49–64. Бибкод : 2004RCR....42...49R . doi : 10.1016/j.resconrec.2004.02.003 . ISSN 0921-3449 .
- ^ Магниевая технология . Берлин/Гейдельберг: Springer-Verlag. 2006. doi : 10.1007/3-540-30812-1 . ISBN 978-3-540-20599-9 .
- ^ «Наука и технические инновации – Национальный исследовательский совет Канады» . 2005-02-23. Архивировано из оригинала 23 февраля 2005 г. Проверено 16 апреля 2023 г.