3.1.3 Дистилляция шлака

Обзор

Параметр Значение
Вход Al/Mg-шлак из MRE-ячейки
Вход ~251 т/день
Выход металлов ~111 т/день (Al 42 + Mg 48 + Na 18 + K 3)
Финальный шлак ~138 т/день
Энергопотребление Индукционная печь + конденсаторы

← Назад к обзору

Переработка шлака (Al/Mg/Na/K)

Шлак из MRE-ячейки — это смесь лёгких металлов, которые всплыли на поверхность расплава.

Источник Na и K

Полевые шпаты — основной минерал реголита (40-60%). При электролизе разлагаются на составляющие:

Минерал Формула Даёт
Альбит NaAlSi₃O₈ Na + Al + Si + O₂
Ортоклаз KAlSi₃O₈ K + Al + Si + O₂

Разделение происходит методом вакуумной дистилляции — каждый металл кипит при своей температуре.

Состав шлака (600 т реголита/день)

Металл Количество % реголита Температура кипения
Магний (Mg) ~48 т/день 8% 1091°C
Алюминий (Al) 42 т/день 7% 2519°C
Натрий (Na) ~18 т/день 3.3% 883°C
Калий (K) ~3 т/день 0.5% 759°C

Принцип разделения (непрерывный каскад)

Важно: Это непрерывный процесс, не порционный. Шлак поступает постоянно, все конденсаторы работают одновременно.

Как это работает

  1. Шлак непрерывно поступает в индукционную печь (1200°C)
  2. При 1200°C все летучие металлы испаряются одновременно — K, Na, Mg (с разной интенсивностью, пропорционально давлению паров)
  3. Смешанные пары поднимаются в каскад конденсаторов
  4. Каждый конденсатор поддерживает свою температуру:
    • EQU-031 (700-759°C): K конденсируется, пары Na+Mg проходят дальше
    • EQU-032 (800-883°C): Na конденсируется, пары Mg проходят дальше
    • EQU-033 (1000-1091°C): Mg конденсируется
  5. Al остаётся жидким в печи (Tкип = 2519°C) и непрерывно сливается

Аналогия: Это работает как ректификационная колонна в нефтепереработке — только для металлов. Разные фракции конденсируются на разной высоте колонны (= при разной температуре).

Почему вакуум помогает

В вакууме температуры кипения снижаются. При давлении 10⁻³ атм: - Na кипит уже при ~500°C (вместо 883°C) - Mg — при ~700°C (вместо 1091°C) - Это экономит энергию и увеличивает разницу между температурами конденсации

Схема дистилляционной колонны

flowchart TD
    subgraph ПЕЧЬ["ИНДУКЦИОННАЯ ПЕЧЬ"]
        SLAG[/"Шлак Al+Mg+Na+K<br/>из MRE"/] --> IND["EQU-024<br/>Нагрев до 1200°C"]
    end

    IND --> |"Пары (все кроме Al)"| K_COND

    subgraph КОНДЕНСАТОРЫ["КАСКАД КОНДЕНСАТОРОВ"]
        K_COND["Конденсатор K<br/>EQU-031<br/>700-759°C"] --> |"Пары Na+Mg"| NA_COND
        NA_COND["Конденсатор Na<br/>EQU-032<br/>800-883°C"] --> |"Пары Mg"| MG_COND
        MG_COND["Конденсатор Mg<br/>EQU-033<br/>1000-1091°C"]
    end

    K_COND --> K_OUT[/"K жидкий<br/>→ NaK сплав"/]
    NA_COND --> NA_OUT[/"Na жидкий<br/>→ NaS батареи"/]
    MG_COND --> MG_OUT[/"Mg жидкий<br/>→ Al-Mg сплавы"/]
    IND --> |"Остаток"| AL_OUT[/"Al жидкий<br/>→ зеркала, обмотки"/]

    style ПЕЧЬ fill:#fff3cd
    style КОНДЕНСАТОРЫ fill:#d4edda
    style K_OUT fill:#cce5ff
    style NA_OUT fill:#cce5ff
    style MG_OUT fill:#cce5ff
    style AL_OUT fill:#cce5ff


ДИСТИЛЛЯЦИОННАЯ КОЛОННА (секция переработки шлака)

┌─────────────┐
│ Индукционная│    Шлак Al+Mg+Na+K из MRE
│ печь        │◄───────────────────────────
│ EQU-024     │
└──────┬──────┘
       │ Пары (все металлы кроме Al)
       ▼
┌─────────────┐
│ Конденсатор │    K конденсируется (Tкип=759°C)
│ калия       │───► K жидкий → NaK сплав
│ EQU-031     │
└──────┬──────┘
       │ Пары (Na+Mg)
       ▼
┌─────────────┐
│ Конденсатор │    Na конденсируется (Tкип=883°C)
│ натрия      │───► Na жидкий → NaS батареи
│ EQU-032     │
└──────┬──────┘
       │ Пары (Mg)
       ▼
┌─────────────┐
│ Конденсатор │    Mg конденсируется (Tкип=1091°C)
│ магния      │───► Mg жидкий → Al-Mg сплавы
│ EQU-033     │
└─────────────┘

       │ Остаток в печи
       ▼
┌─────────────┐
│ Алюминий    │    Al не испаряется (Tкип=2519°C)
│ жидкий      │───► Al → зеркала, обмотки, корпуса
└─────────────┘

Оборудование

Индукционная печь (EQU-024)

Нагрев шлака до 1200°C, футеровка MgO-керамика.

Конденсатор калия (EQU-031)

Рабочая температура 700–759°C. Охлаждение: радиатор (излучение в космос).

Конденсатор натрия (EQU-032)

Рабочая температура 800–883°C. Аналогичен K, но больше (Na в 7 раз больше K).

Конденсатор магния (EQU-033)

Рабочая температура 1000–1091°C. Самый большой (Mg — 48 т/день).

Таблица сплавов и потоков

Сплав Состав Источник 1 Источник 2 Применение
Чистый Al 100% Al Инд. печь (остаток) — Зеркала, фольга
Al-Mg (корпуса) 90% Al + 10% Mg Инд. печь Конд. Mg Лёгкие конструкции
NaK (теплоноситель) 78% K + 22% Na Конд. K Конд. Na Охлаждение
Fe-Mn (сталь) 94% Fe + 6% Mn MRE-ячейка — Рамы, валки
Чистый Si 100% Si Зонная плавка — Электроника

Хранение после конденсации

Металл конденсируется в жидком состоянии и стекает в обогреваемые тигли-накопители. Там он поддерживается жидким до передачи на литьё/формовку.

Металл Tплавления Tхранения Тип нагрева
K 63°C >70°C Электрический (низкая T)
Na 98°C >110°C Электрический (низкая T)
Mg 650°C >700°C Индукционный
Al 660°C >700°C Индукционный

Почему индукционный нагрев: - Бесконтактный — нет износа нагревателей - Равномерный прогрев всего объёма - Легко регулируется - Работает с любыми металлами

Тигли-накопители: - Материал: MgO-керамика — местное производство (выдерживает все металлы) - Ёмкость: 1-2 т (буфер на несколько часов) - Слив: донный стопор или МГД-насос

Примечание: K и Na хранятся в герметичных контейнерах — реагируют с кислородом (атмосфера купола O₂). Двойные стенки + детекторы утечек.

Выход продуктов

Продукт Форма Применение
Алюминий (Al) Жидкий → слитки, проволока Зеркала, корпуса, обмотки моторов
Магний (Mg) Жидкий → слитки Лёгкие сплавы (Al-Mg), MgO-керамика
Натрий (Na) Жидкий → запаянные ампулы Анод NaS-батарей
Калий (K) Жидкий → запаянные ампулы Теплоноситель NaK
Сплав NaK Жидкий металл (хранится жидким) Охлаждение электроники

NaK-эвтектика: Сплав 78% K + 22% Na — жидкий при -12°C. Идеальный теплоноситель для космоса: не замерзает, высокая теплопроводность, не требует давления.

Дистилляция серы

Получение серы для NaS-аккумуляторов.

Параметр Значение
Источник Сульфиды в реголите (троилит FeS)
Метод Вакуумная возгонка при 450°C
Конденсатор Холодная поверхность (тень), сера осаждается жёлтыми кристаллами
Переплавка Жидкая сера (>115°C) → в аккумуляторный цех

Примечание: Сера добывается на линии титана — троилит (FeS) входит в магнитную фракцию.

Источники

  • Vacuum Distillation of Metals — Промышленные методы разделения металлов
  • Alcoa, Rio Tinto — Производители алюминия

См. также