Электрический баланс электролизера

Для производства алюминия требуются большие затраты электри­ческой энергии, а вопрос о снижении ее расхода является одним из важнейших в алюминиевой промышленности. Поэтому необходимо знать на каких участках электролизера происходят потери электроэнергии и от каких причин они зависят.

Расчет электрического баланса состоит в определении падении напряжения в конструктивных элементах электролизера, в электро­лите и напряжений поляризации. Рассчитанные или принятые по прак­тическим данным падения напряжения в отдельных элементах электролизера сводятся в таблицу, которую называют электрическим балансом электролизера.

В практике электролиза различают три вида напряжении:

1)среднее напряжение U_ср - включает в себя все виды паде­ния напряжения, в том числе среднее повышение напряжения от анодных эффектов и падение напряжения в общесерииной ошиновке;

2) рабочее напряжение U_p- это фактическое напряжение, опреде­ляемое показаниями вольтметра на ванне, т.е. среднее напря­жение без учета падения напряжения в общесерииной ошиновке и среднего повышения напряжения от анодных эффектов;

3)греющее напряжение U_гр - учитывает падение напряжения во всех греющих элементах электролизера, т.е. находящихся внутри того объема, с поверхности которого рассчитываются потери тепла в окружающее пространство. Греющее напряжение обязатель­но включает в себя и напряжение поляризации.

Введем следующие обозначения: Е - напряжение поляризации(или напряжение разложения), В; U_а - падение напряжения в аноде, В; U_k - падение напряжения в катоде, В; U_{ан. эф} - повышение падения напряжения за счет анодных эффектов; U_эл - падение напряжения вэлектролите, В; U_{о. э} - падение напряже­ния в ошиновке электролизера, В; U_о.о падение напряжения в общесерийной ошиновке, В.

Тогда можно записать:

U_cp = E + ΔU_a + ΔU_k + ΔU_{ан. эф} + ΔU_эл + ΔU_{o. э} + ΔU_o.o,

U_p = E + ΔU_a + ΔU_k + ΔU_эл + ΔU_{o. э},

U_гр = Е + ΔU_a + ΔU_k + ΔU_{ан. эф} + ΔU_эл.

Напряжение поляризации.

Напряжение поляризации, или э.д.с. поляризации представляет собой термодинамическую величину напряжения разложения для ре­акции разложения глинозема с образованием СО₂, плюс анодные и катодные перенапряжения, минус деполяризация, вызванная раст­ворением а электролите алюминия в виде субфторидов натрия и алюминия.

Катодное перенапряжение обусловлено диффузионными затрудне­ниями. В промышленных условиях оно мало и не учитывается при расчетах.

Анодное перенапряжение, т.е. сдвиг потенциала анода от равно­весного значения, отличающего выделению СО₂, вызвано замедленно­стью распада соединении С_ХО с образованием СО и СО₂. При низких плотностях тока кислородосодержащие ионы разряжаются на наиболее активных участках поверхности анода, там где углерод наименее прочно связан со своей решеткой. В этом случае прочность связи кислорода с углеродом особенно велика, и химический потенциал кислорода почти соответствует потенциалу окислов углерода. При повышении плотности тока разряд происходит на менее активных участках поверхности анода, где силы связи кислорода с углеродом становятся менее прочными. Это приводит к сдвигу электрохимического потенциала анода в положительную сторону, чем выше плотность тока, тем больше сдвиг потенциала анода, чем выше плотность тока, тем меньше связь кислорода с углеродом в С_ХО, тем больше актив­ность кислородного иона и больше потенциал анода.

Деполяризация на аноде обусловлена растворением в электролите алюминия с образованием субфторидов алюминия и натрия. Основная масса субионов окисляется углекислым газом, который выделяется на аноде.

Таким образом, величина напряжения поляризации определяется температурой, плотностью тока, активностью ионов кислорода в расплаве (составом электролита) и структурой угольного анода. Для расчетов напряжение поляризации обычно принимают 1,4 - 1,6B, Для электролизеров большой мощности и малых плотностей тока э.д.с. поляризации принимают меньше, чем для ванн малой мощности.

В ВАМИ для расчета э.д.с. поляризации при температуру электро­лиза 950 -960 °С предложено эмпирическое уравнение:

Е = 1,33 + 0,37 * D_a,

Е = 1,33 + 0,37 * 0,720 = 1,596 В,  

где D_а - анодная плотность тока, А/см².