Основные показатели процесса электролиза

Основными показателями электролиза являются выход по току, удельный расход электроэнергии, и расход углерода на получение алюминия.

Выход по току. Между количеством прошедшего через раствор электричества и количеством выделяющегося элемента сущес­твует строго определенное соотношение. Это связано с тем, что ионы имеют разные заряды. Например, для восстановления иона водорода требуется один электрон, а для иона алюминия - три электро­на:

Н⁺ + е → Н;

А1³⁺ + 3е → А1

Фарадей установил, что количество выделенного при электролизе вещества прямо пропорционально силе тока Iи времени его про­хождения τ, т.е. прямопропорционально количеству прошедшего электричества:

М = I * τ,

Это первый закон Фарадея.

Фарадей определил также, что при прохождении через растворы электролитов одинакового количества электричества масса выде­лившегося вещества пропорциональна его химическому эквиваленту. Это второй закон Фарадея.               Для получения одного химического эквивалента вещества, выра­женного в граммах, требуется пропустить 96500 кулон электричес­тва. Это количество электричества называют числом Фарадея или сокращенно "фарадеем".

Количество вещества в граммах, получающееся в результате де­ления атомной массы элемента на валентность, называется грамм-эквивалентом. Например для алюминия, атомная масса которого равна 27, а валентность 3, грамм-эквивалент равен 27 / 3 = 9г. Ели поделить грамм-эквивалент на 96500 к, то получаем электрохимический эквивалент данного вещества. Для алюминия он сос­тавляет:

j = 9/ 96500 = 0,0000933 г/к.

Практически чаще пользуются электрохимическим эквивалентом, выраженным в граммах на один ампер-час. 1 ампер-час равен 3600 кулонам. Следовательно, один фарадей содержит:

96500 / 3600 = 26,8 а-ч.

Тогда электрохимический эквивалент алюминия, выраженный в г/А-ч, будет равен:

9 / 26,8 = 0,336 г/А-ч.

Таким образом, при прохождении тока силой 1A в течении 1 сек выделяется 0,336 г алюминия.

Зная законы Фарадея, можно подсчитать теоретическое количество вещества М, которое должно выделиться при электролизе в тече­нии определенного времени:

M= j * I * τ,

где  I - сила тока,А;

j - электрохимический эквивалент, г/А-ч;

τ - время электролиза, час.

Но на практике количество вещества выделяется меньше, чем по закону Фарадея. Отношение количества практически полученного вещества к количеству теоретическому называется ВЫХОДОМ ПО ТОКУ.

Следовательно, выход по току определяется по формуле:

η_T = M_практ/М_теор = М_прак/ [j * I * τ].

Наличие рассмотренных выше побочных процессов приводит к по­тере части электроэнергии, подаваемой на электролизер, и снижает выход по току. Поэтому на алюминиевых электролизерах выход по току составляет 85 – 90%. Рассмотрим условия, которые могут повышать и снижать выход по току.

Температура электролита. Повышение температуры приводит к снижению выхода по току, так как в этом случае увеличивается растворение алюминия в электролите, возрастает циркуляция металла и электролита, уве­личивается скорость окисления алюминия анодными газами. Практи­ческие данные показывают, что при повышении температуры на 1°С выход по току снижается на 0,2 - 0,3%. Поэтому процесс электро­лиза необходимо вести при возможно низкой температуре.

       Плотность тока существенно влияет на выход по току. Это связано с тем, что с повышением плотности тока увеличивается выделение металла на катоде, т.е. повышается производительность электролизера, а потери, связанные с протеканием побочных про­цессов, остаются примерно на прежнем уровне. Поэтому относитель­ные потери металла уменьшаются. Кроме того, при низкой плотнос­ти тока возможен частичный разряд ионов алюминия:

Аl³⁺ + 2е = А1⁺

Такое частичное восстановление алюминия приводит к дополнитель­ным потерям тока. Практически установлено, что повышение плотности тока на 0,1A/см² при сохранении температуры электролиза на одном уровне приводит к увеличению выхода по току примерно на 2%.

Межполюсное расстояние. С увеличением МПР выход по току повышается, так как затрудня­ется перенос растворенного алюминия от катода к аноду и его окисление, установлено, что уменьшение межполюсного расстояния на I см приводит к снижению выхода по току примерно на 3%.

Таким образом, на электролизере для достижения высокого вы­хода по току необходимо увеличивать плотность тока и МПР. Но эти параметры можно повышать только до определенного значения, чтобы не вызвать повышения температуры электролита и расхода электроэнергии. Поэтому анодную плотность тока, в зависимос­ти от типа электролизера, поддерживают в пределах 0,6 - 1,1 А/см², а МПР в пределах 4,2 - 5,5 см.

Состав электролита влияет на изменение температуры плавления электролита, которая уменьшается за счет добавок солей магния, кальция, лития и снижения криолитового отношения (NaF/AlF₆).Поэтому добавки фторсолей следует вводить в электролит в преде­лах, предусмотренных технологической инструкцией.

Высота слоя металла. Чем выше плотность тока при одинаковых конструктивных разме­рах электролизера, тем большим должен быть уровень металла. Высокий уровень металла способствует выравниванию теплового по­ля под анодом электролизера за счет высокой теплопроводности алюминия и отвода тепла через боковые стороны катодного устрой­ства. Уменьшение уровня металла при прочих равных условиях при­водит к снижению выхода по току.

Влияние на выход по току таких факторов, как конструктивные особенности и геометрические размеры электролизера, способы его обслуживания, обусловлено влиянием этих факторов на анодную и (особенно) катодную плотность тока. Практика эксплуатации электролизеров с предварительно обожженными анодами показывает, что при прочих равных условиях выход по току при работе на электролизерах этой конструкции выше, чем на электролизерах с самооб­жигающимся анодом. Это объясняется лучшими условиями теплоотда­чи и более равномерным температурным полем в междуэлектродной зоне.

Большое влияние на величину выхода по току оказывают боковые настыли в шахте ванны, отсутствие которых приводит к утечкам тока, и, следовательно, к снижению выхода по току.

Выход по энергии. На получение одной тонны алюминия расходуется 16000 - 17000кВт*ч. Расход электроэнергии на одну тонну алюминия (g, кВт*ч) может быть определен отношением количества затраченной энергии (А, кВт*ч) к полученному при этом количеству алюминия (Q,т).

Если: А = I*U*τ *10^-3;

Q = 0,336*I*τ*η_T*10^-3;

то: g = I*U*τ*10^-3/ [0,336*I*τ* η_T*10^-3] = U*10³/ [0,336* η_T],

где I - сила тока, А;

U- среднее напряжение, В;

τ - время, ч;

 η_T - выход по току, %.

Hа практике часто пользуются показателем расхода электроэнергии называемым выходом по энергии.

За выход по энергии принимают количество алюминия, полученное на каждый киловатт-час затраченной электроэнергии (η_эн г/кВт*ч):

η_эн = Q/ A = 0,336*I*U*η_т/ [I*U*τ] = 0,336* η_т / U,

т.е. выход по энергии прямопропорционален выходу по току, и об­ратно пропорционален среднему напряжению на ванне.