Отделение электролиза алюминия

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

                            по дисциплине: Металлургия легких  металлов

 на тему: Отделение электролиза алюминия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение                  3

1 Общие сведения                 4

2 Теоретические основы получения алюминия             4

3 Процессы, протекающие на электродах при электролизе алюминия 5

4 Потери металла при электролизе и выход по току           7

5 Сырье для  производства алюминия             8

5.1 Глинозем                8

5.2 Криолит  и другие фтористые соли            9

5.3 Анодная  масса              10

6 Конструкция алюминиевых  электролизеров         10

6.1 Катодное устройство            11

6.2 Анодное устройство            15

6.3 Электролизеры с обожженными  анодами        15

6.4 Ошиновка электролизеров           17

7 Расчет отделения электролиза алюминия         21

7.1 Выбор  конструкции электролизера и  его электрических параметров                  21

7.2 Расчет числа электролизеров и производительности серии       21

7.3 Конструктивный расчет электролизера           23

7.3.1 Размеры анода             23

7.3.2 Внутренние размеры шахты электролизера         23

7.3.3 Конструкция катода            24

7.3.4 Размеры катодного кожуха           24

7.4 Материальный расчет электролизера           25

7.5 Электрический расчет электролизера           27

7.5.1 Расчет токоподводящих проводников         27

7.5.2 Составляющие среднего напряжения         29

7.6 Энергетический расчет электролизера          34

7.6.1 Приход тепла             35

7.6.2 Расход тепла             36

Заключение                39

Список литературы               40

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Алюминий  – химический элемент III группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. По содержанию в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов и третье среди других элементов (после кислорода и кремния). Однако этот химически активный металл не может существовать в свободном состоянии и встречается только в виде различных и очень разнообразных по своему составу соединений. Основная их масса приходится на оксид алюминия (А1₂О₃), в обиходе оно называется глиноземом, или просто глиной. Глина примерно на треть состоит из оксида алюминия и является потенциальным сырьем для его производства. [1]

Наиболее  приемлемым способом получения алюминия из его окиси является электролиз.

При получении  алюминия невозможно применение водных электролитов. Алюминий приходится получать электролизом его расплавленных  солей.

Наиболее  пригодным электролитом оказался криолитоглиноземный  расплав. Основой его является криолит, в котором при температуре 930-960^оС растворяют окись алюминия и некоторые другие добавки, полезные для процесса. [2]

Основным  сырьем для электролитического получения  алюминия служит глинозем, или окись  алюминия Al₂O₃.

Абсолютно чистый глинозем содержит 52,9 % Al и 47,1% О в соответствии со своей химической формулой Al₂O₃. [2,5]

При электролизере  в качестве растворителя глинозема  применяется криолит, соответствующий  химической формуле 3NaF*AlF₃ (Na₃AlF₆). Его получают, как и все другие фтористые соли, посредстовм обработки минерала плавикового шпата (CaF₂).

В период эксплуатации электролизера  состав электролита периодически корректируют фтористым натрием, содой или  фтористым алюминием, которые снижают  температуру плавления.

В электролит алюминиевых электролизеров также  вводят в качестве добавок фтористый  кальций (CaF₂) и фтористый магний (MgF₂), или окись магния (MgO) и техническую поваренную соль (NaCl), и фтористый литий (LiF), улучшающие физико-химические свойства криолита.

Алюминий в электролизах получают  в электролизерах (алюминиевых ваннах). Любой электролизер состоит из катодного  устройства, анодной системы, катодной и анодной ошиновок и опоры  металлоконструкций. Алюминиевые электролизеры  различаются по мощности и по конструкции  анодного устройства. [2,4]

 

 

1 Общие  сведения

 

Алюминий  – химический элемент III группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. По содержанию в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов и третье среди других элементов (после кислорода и кремния). Однако этот химически активный металл не может существовать в свободном состоянии и встречается только в виде различных и очень разнообразных по своему составу соединений. Основная их масса приходится на оксид алюминия (А1₂О₃), в обиходе оно называется глиноземом, или просто глиной. Глина примерно на треть состоит из оксида алюминия и является потенциальным сырьем для его производства. [1]

 

2 Теоретические  основы получения алюминия

 

Большинство цветных металлов получают из их соединений с различными другими элементами – кислородом, серой, хлором. Наиболее распространенным способом при этом является процесс восстановления металла  из его соединений с помощью углерода, реже – некоторых активных металлов.

Восстановитель  является своего рода топливом, источником энергии, необходимой для протекания процесса восстановления. Количество этой энергии определяется химической прочностью соединения, которая зависит  от активности образующих его элементов.

Алюминий  весьма активный металл, о чем свидетельствуют  большое значение величины теплоты  образования его окиси 393000  ккал/кмоль.

Разрабатываются промышленные способы получения  алюминия прямым восстановлением его  из руд, содержащих окись алюминия. Однако этот процесс связан со значительными  техническими трудностями. Трудности  эти вызваны тем, что алюминий как очень активный химический элемент  легко и прочно связывается с  кислородом, а также с другими  элементами, например с углеродом. Поэтому  при его восстановлении углеродом  наряду с основной реакцией:

 

Al₂O₃ + 3C = 2Al + 3CO

 

При высокой  температуре, необходимой для этого  процесса, идет и другая реакция:

 

4Al + 3C = Al₄C₃,

 

в результате которой алюминий связывается с углеродом в карбид.

Поэтому наиболее приемлемым способом получения  алюминия из его окиси является электролиз.

При получении  алюминия невозможно применение водных электролитов. Алюминий приходится получать электролизом его расплавленных  солей.

Наиболее  пригодным электролитом оказался криолитоглиноземный  расплав. Основой его является криолит, в котором при температуре 930-960^оС растворяют окись алюминия и некоторые другие добавки, полезные для процесса.

  Поскольку  процесс электролиза связан с  применением электрического тока  и протеканием его через проводники  второго рода (электролиты), необходимо  знать некоторые основные положения  электрохимии и электротехники.

При электролитическом  производстве алюминия значительная часть  потребляемой электроэнергии переходит  в тепло. Количество тепла, выделяющегося  на данном электролизере (или на отдельном  его участке), зависит от омического его сопротивления и еще в  большей мере от силы тока. [2]

    

3 Процессы, протекающие на электродах при электролизе алюминия

 

Расплавленный электролит состоит в основном из криолита Na₃AlF₆ и  Al₂O₃.

Криолит диссоциирует на ионы:   

 

Na₃AlF₆ = 3Na⁺ + .

 

Анион частично диссоциирует дальше:

 

= + .

 

Растворенный  глинозем диссоциирует по схемам:

 

2Al₂O₃ = Al³⁺ + 3Al или

 

Al₂O₃ = Al³⁺ + 3Al.

 

Следовательно, в электролите присутствуют катионы  двух сортов Na⁺ и Al³⁺. В ряду напряжений Al³⁺ стоит правее Na⁺, и поэтому при электролизе он будет выделяться на катоде в первую очередь. Таким образом, катодным процессом является:

 

       Al³⁺ + 3e = Al.

 

На аноде  в первую очередь разряжаются  анионы 3Alи Al, так как для их разряда требуется наименее положительный потенциал. Процесс разряда происходит с участием углерода по реакции:

 

4Al+С = 2Al₂O₃ + CO₂ + 4e или

 

4Al+3C = 2Al₂O₃ + 3CO₂ + 12e.

 

Таким образом, в результате электролиза на катоде получается Al, а на аноде - CO₂ и суммарную реакцию можно представить в следующем виде:

 

2Al+3C + 12F = 4AlF₃ + 3CO₂.

 

При электролизере  алюминия нормальное течение процесса периодически нарушается возникновением, так называемого анодного эффекта. Анодный эффект наступает тогда, когда содержание глинозема в электролите падает до 1-1,5%.

Имеется несколько объяснений для явления  анодного эффекта.

При уменьшении концентрации глинозема в электролите  соответственно происходит и уменьшение конценртации анионов Al или Al. С уменьшением их конценртации затрудняется процесс достваки этих ионов к поверхзности электрода, возникает так называемая концентрационная поляризация, ктороая вызывает увеличение потенциала анода. В определенный момент потенциал анода относительно расплава становится нгастолько высоким, что делается возможным разряд ионв фтора, присутствующих в электролите. При этом как и при разряде кислородсодержащих ионов в электрохимической реакции при нимает участие углерод анода. В этом случае реакция может быть написана так:

 

4F^- + C = CF₄ + 4e.

 

 CF₄ (четырехфтористый углерод) – газообразный продукт улетучивается из электролизера. Но кроме четырехфтористого углерода образуются промежуточные продукты взаимодействия углерода и фтора с другим соотношением количества атомов.

 Это  твердые соединения, которые почти  мгновенно покрывают соприкасающуюся  с электролитом поверхность анода  тонкой пленкой, имеющей высокое  сопротивление.

Так как  ток на серии и, следовательно, на электролизере поддерживают практически  постоянным, то по закону Ома за счет появления этого дополнительного сопротивления резко и быстро возрастает напряжение на электролизере. Повышенное напряжение на электролизере приводит к увеличению расхода энергии и разогреву электролита. Но пока не удается полностью отказаться от анодного эффекта при ведении промышленного электролиза. Дело в том, что анодный эффект позволяет в определенной мере контролировать ход процесса электролиза. Если анодный эффект слишком долго не возникает, значит глинозема расходуется мало, т.е. электролизер работает недостаточно эффективно и необходимо устранить причину этого.

Ликвидируют анодные эффекты догрузкой свежей порции глинозема и перемешиванием электролита. [2,3,4]

 

4 Потери  металла при электролизе и  выход по току

 

Обычно  при электролизе удается получить меньшее количество вещества, чем  должно быть получено по закону Фарадея, т.е. выход по току обычно оказывается  меньше единицы, а если выражать его  в процентах –меньше 100%. Часть металла теряется в результате ряда побочных процессов. Механизм этих потерь представляется в следующем виде.

Выделяющийся  на катоде металлический алюминий в  не больших количествах растворяется в электролите. Вследствие довольно интенсивной циркуляции электролита  растворенный алюминий вступает в контакт  с анодным газом и окисляется по реакции:

 

2Al + 3CO₂ = Al₂O₃ + 3CO.

 

Выход по току будет уменьшаться с увеличением  растворимости алюминия в электролите. Растворимость металла сильно увеличивается  с повышением температуры, а также  зависит от состава электролита.

Большое влияние на величину потерь алюминия оказывает электромагнитные явления, вызывающие движение металла в электролизере  и, вероятно, движение газов, выделяющихся при электролизе. Увеличение плотности  тока повышает количество газов, выделяющихся на аноде. Это усиливает интенсивность  движения и перемешивания электролита  и  толщину слоя электролита, насыщенного  газами. Все это увеличивает потери металла. [2]

 

5 Сырье  для производства алюминия 

 

5.1 Глинозем

 

Основным  сырьем для электролитического получения  алюминия служит глинозем, или окись  алюминия Al₂O₃.

Извлечение  окиси алюминия из руд осуществляется сложными химическими способами. Получаемый продукт представляет собой тонкий белый порошок, сухой и жесткий  на ощупь, с насыпной массой 0,8-1,0 г/см³ при истинной плотности кристаллического глинозема 3,7-4,0 г/см³.

Порошкообразный глинозем является хорошим тепло- и электроизолятором, абразивен; размеры частиц колеблются от десятых долей миллиметра до нескольких микронов.

К техническому глинозему, поступающему на электролиз, предъявляется ряд требований:

1) минимальное  содержание вредных примесей, поскольку  они либо переходят в алюминий, либо ухудшают свойства электролита;

2) хорошая  растворимость в электролите  во избежание образования на  подине электролизера глиноземистых  осадков;

3) достаточная  текучесть при возможно меньшей распыляемости для того, чтобы можно было организовать транспортировку глинозема без больших механических потерь.