Електролізер з біполярними прямокутними електродами

Електролізер включає прямокутні біполярні електроди, закріплені в похилих пазах у двох вертикальних стояках з діелектричного матеріалу. Верхній і нижній електроди стикаються зі скошеними блоками, у яких розміщені рухома шайба і струмопідводна штанга. Електролізер взято в корпус з пластмаси, на який надіто металевий кожух з двох половин, скріплених болтами. Пластмасові дно і кришка стягуються з фланцями корпуса. На кришці і днищі розташовані штуцери для подавання розсолу і відведення гіпохлориту.

Схему електролізеру показано на рис. 4.46.

 

Рис. 4.46. Схема електролізера з біполярними прямокутними

електродами.

1-електроди, 2-пази, 3- стояки, 4-штуцер для відведення гіпохлориту, 5-коробки, 6-стяжна пластина, 7-кришка, 8-фланці, 9- струмопідводна штанга, 10-рухома шайба, 11 -кожух, 12-скошений блок, 13- корпус, 14,17- болти, 15-днище, 16-штуцер для введення розсолу,.

Електролізер “Синклор” фірми “Де-Нора”

Схему електролізера “Синклор” показано на рис. 4.47.

 

Рис. 4.47. Схема електролізера “Синклор”.

 

1-корпус, 2-анод, 3 - катод.

 

Біполярний електролізер на лінійне струмове навантаження 0,4 А складається з корпуса, в якому розміщено плоскі аноди й катоди, що утворюють 3-6 комірок (рис. 4.46.). Це дозволяє одержувати 2,7 кг/год активного хлору при напрузі на комірці 15-40 В. Електроліз ведеться при температурі 15-40 ^оС з виходом за струмом 85-90 %. Витрата солі становить 8-9 кг на 1 кг гіпохлориту.

 

 

Розділ 5. ЕЛЕКТРОЛІЗ РОЗПЛАВЛЕНИХ СЕРЕДОВИЩ [35-39]

Електролізом розплавлених середовищ одержують метали, такі як алюміній, магній, натрій, літій та багато які інші. Найважливіші з них - алюміній та магній, постійно збільшується виробництво літію, використовуваного в хімічних джерелах струму. З електрохімічними процесами тісно пов'язані одержання і рафінування титану. Легкі метали найбільш негативні в ряді напруг і тому їх не може бути виділено електролізом водяних розчинів, тому що в цьому випадку на катоді виділяється водень. Електролітами, що не містять вільних іонів водню є розплавлені солі, електроліз яких і служить основним промисловим способом виробництва. Розглянемо основне і допоміжне устаткування найбільш значних і характерних виробництв.

ВИРОБНИЦТВО АЛЮМІНІЮ

Одержання алюмінію базується на трьох незалежних, але тісно пов'язаних виробництвах: безпосередньо електролізному, підготуванні сировини і виробництві анодів (або анодної маси).

Алюміній одержують електролізом глинозему - дрібнодисперсного оксиду алюмінію Al₂O₃:

2

У природі в чистому вигляді глинозем не зустрічається, найбільш багатими на оксид алюмінію рудами є боксити, нефеліни і каолін. Однак до складу цих мінералів входять також оксиди і гідроксиди заліза, кремнію, кальцію, титану та інших більш електропозитивних елементів, спроможних відновлюватися на катоді паралельно алюмінію і забруднювати його. Тому на першому етапі підготування сировини необхідне видалення цих домішок, а на другому - сушіння продукту, тому що домішка води різко зменшує вихід за струмом алюмінію і порушує технологічний процес електролізу.

Анодний матеріал, застосовуваний у виробництві алюмінію, повинен мати високу електропровідність, стйкість до дії глиноземно-кріолітового розплаву, інертність стосовно до алюмінію, бути механічно стійким, дешевим і доступним. Як анодний матеріал зараз використовується вугілля, що відповідає практично всім вище перерахованим вимогам, крім однієї. Вугільний анод інтенсивно згоряє при виділенні на ньому кисню:

С + О₂ = СО₂

СО₂ + С = СО

Згоряння анода при електролізі (на 2 см на добу) вимагає постійного регулювання міжелектродної відстані і поповнення маси анода. Усі наявні на сьогодні конструкції алюмінієвих електролізерів визначаються саме цими вимогами. Значно спростити конструкцію та її обслуговування можна тільки за умови створення принципово нового анодного матеріалу. Найбільш перспективним є металокерамічний електрод, спечений з тугоплавких оксидів металів, що володіють електронною провідністю при високих температурах.

Підготування сировини

Підготування сировини й анодної маси - не електрохімічні процеси. Вони взагалі можуть робитися на окремих спеціальних заводах. Тому в даному курсі їх буде розглянуто схематично.

Способи одержання глинозему залежать від вибору вихідних матеріалів і концентрації домішок у них. Тому ці способи відзначаються великою різноманітністю. Як приклад розглянемо одержання глинозему методом російського вченого Байєра, який полягає у випалі бокситів, вилуговуванні, відділенні домішок і сушінні.

Боксити - складна гірнича порода, до якої входять гідрати окислів алюмінію, заліза, кремнію, титану та ін. На перших стадіях боксит проходить збагачення - миття проточною водою для видалення піску й глини. Наступними стадіями є дроблення в молоткових дробарках і подрібнювання в кульових млинах. Збагачений боксит надходить на очищення від домішок, що здійснюється вилуговуванням і подальшим “викручуванням” глинозему.

Для вилуговування застосовують 40% розчин NaOH при температурі 160-170 ^оС, процес ведуть майже 3 години. При вилуговуванні протікають реакції розчинення оксиду алюмінію й кремнію:

AlOOH + NaOH=NaAlO₂ + H₂O

SiO₂ + NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O

Алюмінат і силікат натрію взаємодіють між собою з утворенням нерозчинної сполуки, забарвленої домішками заліза в бурий колір -“червоного шламу”:

2NaAlO₂ +2Na₂SiO₃ + 4H₂0 = Na₂O´Al₂O₃´SiO₂´2H₂O + 4NaOH

Червоний шлам йде у відвали, при цьому неминуче втрачається частина алюмінію і лугу.

Вилуговування ведуть в автоклавах (див. перший розділ) за допомогою гострої пари. Після вилуговування пульпа подається у випарники, потім промивається водою в агітаторах-просвітлювачах. При промиванні відбувається розкладання алюмінатного розчину (гідроліз) в апаратах-декомпозерах, так зване “викручування”:

NaAlO₂ + 2H₂O = NaOH + Al(OH)₃

У операції викручування можуть застосовуватися декомпозери з повітряним (пачук) і механічним перемішуванням. Апарати з механічним перемішуванням (рис. 5.1.) з'єднуються послідовно в секції з 9-10 штук. Викручування здійснюється безупинно. У головні апарати надходить алюмінатний розчин і затравка гідроокису алюмінію. Швидкість протоку вибирається так, щоб від головного до хвостового декомпозера розчин проходив за 96-120 годин. Гідратна пульпа з хвостового декомпозера направляється у вигляді готової затравки в головні декомпозери (до 75%), а інша частина йде на промивання. Процес триває 75-90 годин.

Рис. 5.1. Декомпозер з механічним перемішуванням.

 

Маточний розчин після викручування містить до 140 г/л Na₂О і йде на випарювання, промивні води - на розведення пульпи. При випарюванні з розчину випадають кристали карбонату натрію. Для регенерації їх обробють гашеним вапном Ca(OH)₂ і направляють на вилуговування бокситів.

Отриманий гідрат окису алюмінію направляється на сушіння-випал (кальцинацію) для одержання безводного глинозему. Обробку ведуть при температурі 1150-1200 ^оС, оскільки процес перетворення Al(OH)₃ у Al₂O₃ завершується саме при цих температурах. Для кальцинації застосовують обертові трубчасті печі (див. перший розділ).

Чистий глинозем має температуру плавлення майже 2050 ^оС. Для підтримання такої високої температури потрібні великі енерговитрати, вона обмежує можливість застосування багатьох конструкційних матеріалів, рідкий алюміній кипить при цій температурі. Тому при одержанні алюмінію використовується не чистий глинозем, а низькоплавка евтектика з кріолітом - Na₃AlF₆, у якій розчиняється Al₂O₃. Природний кріоліт малодоступний, тому звичайно застосовують кріоліт штучного походження. Основною сировиною для його одержання є плавиковий шпат CaF₂. Кріоліт з плавикового шпату може бути отриманий двома методами -- кислотним і лужним. У кислотному методі розмелений і збагачений плавиковий шпат нагрівають у печах до 200 ^оС у присутності сірчаної кислоти. При цьому одержують сульфат кальцію і плавикову кислоту. Отримана плавикова кислота взаємодіє з гідроксидом алюмінію та содою:

12HF + 2Al(OH)₃ + 3Na₂CO₃=2Na₃AlF₆ + 9H₂O + 3CO₂

Осад кріолиту після фільтрації і сушіння в барабанних сушилах з паровим обігріванням при 150 ^оС є цільовим продуктом.

Лужний спосіб виробництва кріолиту заснований на спіканні плавикового шпату із содою при 825-875 ^оС з одержанням фториду натрію. Фторид натрію взаємодіє з алюмінатом натрію, і при подальшій карбонізації утворюється кріоліт:

6Na + NaAlO₂ + 2CO₂ = Na₃AlF₆ + 2Na₂CO₃

Карбонизація триває 7-8 годин при 70-75 ^оС. Лужний метод більш екологічно чистий, менш чутливий до домішок і менш агресивний до устаткування.