Повышение эффективности процесса электролиза алюминия

Оглавление

введение

Важным направлением повышения эффективности процесса электролиза алюминия является совершенствование способов управления на основе его автоматизации. При этом результативность автоматизации в значительной мере определяется возможностью своевременного получения информации от объекта в реальном времени.

Применение современных программных обеспечений и аппаратов автоматизированного контроля и управления позволяет охватить более широкий круг параметров состояния электролизера и функций регулирования. Использование их так же позволяет производить оценивание, то есть оперативно контролировать недоступные для непосредственного измерения параметры состояния электролизеров междуполюсное расстояние, концентрация глинозема в расплаве, его сопротивление и электрохимическая составляющая напряжения по результатам измерений тока, протекающего через электролизер, и напряжение на нем.

технология электролиза алюминия

1. общие сведения

Электролиты – это жидкие или твердые вещества и системы, в которых в сколько-нибудь заметной концентрации присутствуют ионы, обусловливающие прохождение электрического тока. Распад молекул растворенных веществ на ионы в результате взаимодействия с растворителем называется электролитической диссоциацией. Ионы, образующиеся в результате электролитической диссоциации, несут положительный (катионы) или отрицательный (анионы) заряд. При диссоциации любого соединения суммарный заряд катионов равен суммарному заряду анионов.

Проводники электрического тока, которые обладают ионной проводимостью, относятся к проводникам второго рода в отличие от проводников первого рода, обладающих электронной проводимостью. Электролиты относятся к проводникам второго рода. Ими являются водные растворы кислот, щелочей и солей, а также соли и другие вещества в расплавленном состоянии.

Совокупность процессов электрохимического окисления (восстановления), происходящих на погруженных в электролит электродах (катодах и анодах) при прохождении электрического тока, называется электролизом. Чтобы вызвать разряд катиона, необходимо создать на катоде избыток электронов, придав катиону некоторый отрицательный потенциал относительно раствора или расплава. Причем для каждого типа катионов значение этого потенциала различно. Чем легче катион присоединяет электроны, тем меньший избыток их на катоде требуется для разряда этого катиона. Аналогичные превращения происходят с анионами, только в этом случае нужно придать аноду определенный для каждого вида анионов положительный потенциал относительно раствора или расплава.

В электрохимическом ряду напряжений, алюминий занимает место среди наиболее электроотрицательных металлов. Это обстоятельство делает невозможным выделение его электролизом из водных растворов, так как при этом на катоде в первую очередь будет выделяться водород. Этот же фактор создает большие ограничения при выборе электролитов для процесса электролиза алюминия. Электролит не должен содержать ионов металлов более электроположительных, чем алюминий, и в то же время обладать хорошей растворимостью его соединений. В состав такого электролита, кроме соединений алюминия, могут входить лишь соединения щелочных и щелочноземельных металлов.

До настоящего времени единственным применяющимся в крупномасштабном промышленном производстве способом получения металлического алюминия является электролитическое разложение его окиси, растворённой в расплавленном криолите Na₃AlF₆ или 3NaF×AlF₃. Температура процесса близка к температуре плавления этой смеси и составляет 950 – 960°С; концентрация глинозема в электролите от 1 до 8% (по массе). Промышленный электролит в основном состоит из обогащенного фтористым алюминием криолитно-глинозёмного расплава, свойства которого улучшены добавками различных химических соединений, причём сумма добавок не превышает 8 - 10%. Наибольшее распространение в качестве добавок к электролиту получили CaF₂, LiF, MgF₂, NaCl. Основное назначение добавок – это снижение температуры плавления электролита. Однако все добавки приводят к снижению растворимости глинозёма в электролите.

В практике электролиза алюминия принято выражать состав электролита его молекулярным отношением NaF : AlF₃ – криолитовым соотношением, следовательно, для криолита молекулярное соотношение равно 3. При избытке фтористого алюминия криолитовое соотношение будет меньше трёх (кислые электролиты), а при избытке фтористого натрия – больше трёх (щелочные электролиты).

Теоретически при электролизе должны расходоваться глинозем, углеродистый анод, электроэнергия, необходимая для осуществления электрохимического процесса и для поддержания высокой рабочей температуры. Кроме того, расходуется некоторое количество фтористых солей, которые испаряются и впитываются в футеровку. На тонну получаемого металла расходуется примерно 2 т глинозема, 600 кг угольного анода, 70 кг фторсолей, 15 МВт_*ч переменного тока.