Влияние электролита различного состава на удельный расход образцов обожженных анодов при электролитическом получении алюминия
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
анодных образцов с различными свойствами, изменяющимися в широком диапазоне, дает возможность в дальнейшем вывести математическое уравнение для расчета удельного расхода обожженного анода. Это уравнение позволит прогнозировать эффективность или убытки при использования анодов различного качества.
Помимо этого, экспериментальная установка позволяет определить зависимость расхода углерода не только от качества анодов, но и от свойств и состава используемого электролита, а это в еще большей степени подтверждает необходимость проведения данной научно-исследовательской работы.
1. Специальная часть
.1Литературный обзор
.1.1 Основные механизмы потерь анода
Угольные аноды, используемые в ваннах Эру-Холла, могут быть монолитными телами, которые обжигаются теплом, образованным в ванне (аноды Содерберга), или состоять из нескольких угольных блоков, обожженных вне ванны (обожженные аноды). Практически все производители алюминия в последнее время перешли или переходят на использование технологии обожженных анодов. Однако используемое сырье и механизмы расхода обожженных анодов подобны таковым для анодов Содерберга.
На рис. 1.1 представлена структура расхода анода:
Рисунок 1.1 - Структура расхода анода
Стоимость анодов составляет 15-17 % от себестоимости алюминия, поэтому снижение потерь углерода особенно важно. На сегодняшний день большинство зарубежных заводов для производства алюминия используют электролизеры с обожженными анодами, для которых расход углерода составляет 0,4-0,45 кг С/кг Al, в то время как на российских заводах превалируют самообжигающиеся аноды, расход которых больше, чем обожженных и зачастую превышает 0,5 кг С/кг Al [1].
На практике анод расходуется по электрохимическим, химическим и механическим процессам. Рассмотрим в отдельности каждый из них.
Электрохимический расход анода
Большая часть анода расходуется непосредственно на электролитический процесс. Во время электролиза из растворенного в криолите глинозема атомы кислорода разряжаются на поверхности анода и реагируют с горячим углеродом с образованием первичного продукта СО2, который покидает окрестность электрода в виде газовых пузырей. Электролитический процесс может быть представлен реакцией:
Al2O3(раств) + 3C(анод)= 4Al(ж) +3CO2(газ) (970 oC) (1.1)
Также вероятно, что первичным продуктом может также быть СО согласно реакции:
2O3(раств) + 3C(анод)= 2Al(ж) + 3CO(газ) (970 oC) (1.2)
Если реакция (1.2) происходит, то в этом случае анод расходуется вдвое быстрее, чем по реакции (1.1). Однако первичное образование СО происходит только при очень низкой плотности тока (0,1-0,3 А/см2). При плотностях тока применяемых в промышленности (0,6-1,3 А/см2) преобладает первичное образование газа СО2.
Реакция с диоксидом углерода
Образование газа СО возможно за счёт взаимодействия между диоксидом углерода и углеродом (реакция Будуара), представляется реакцией:
2(газ) + C(анод)=2CO(газ) (1.3)
Эта реакция может иметь место на поверхности анода ниже уровня электролита, в порах анода и на частицах углерода в расплаве. Скорость этой реакции удваивается при повышении температуры на каждые 40 С выше 800 С.
Гидравлическое давление электролита в сочетании с пористой природой анодов приводит к проникновению электрохимически образованного СО2 внутрь анода. Там он взаимодействует в основном с коксом из связующего и более пористым коксом (если анод плохо прокален).
Термодинамическая вероятность реакции Будуара наступает при температурах выше 700 С: ?Gо = -171,642 - 0,1737Т кДж/моль. При температуре выше 930 оС равновесие реакции (1.3) полностью сдвинуто вправо и ее скорость примерно удваивается от 960 оС к 1000 оС.
Первичное выделение газа СО2 в процессе электролиза и температура процесса около 970 оС означают, что реакция (1.3) может происходить на аноде в электролизере. Однако, утверждается, что во время электролиза анодная поверхность, контактирующая с электролитом, защищена от этих химических атак, хотя механизм защиты не ясен. Тем не менее анод - это пористая структура и электролитически образующийся СО2 может заполнять объем электрода через поверхность анод-электролит, где будет происходить реакция Будуара (1.3). Исследования показали, что реакция (1.3) хорошо происходит внутри анода на расстоянии 5-10 см от подошвы.[2] Реакция вносит значительный вклад в превышение расхода: по приближенным расчетам из-за образования СО по реакции (1.3) увеличение перерасхода составляет 2-10 % (9-45 кг/т Al) от общего расхода, а для анодов Содерберга этот вклад может быть выше, чем на 10 % (50 кг/т Al). На рис. 1.2 представлена схема процессов, связанных с расходом углерода. [2]
Горение на воздухе
Реакция воздушного горения происходит на верхних и не- защищенных сторонах анода. Горячая поверхность электрода контактирует с окружающим воздухом с образованием газообразных оксидов углерода по реакциям (1.4) и (1.5):
С(анод) + О2(газ)=СО2(газ) (1.4)
С(анод) + О2(газ)=2СО(газ)(1.5)
Температура на верхней поверхности обожженных анодов может колебаться от 200 до 700оС, точная температура зависит от положения анода и состояния ванны.
Отношение первичных продуктов реакций (1.4) и (1.5) СО/СО2 очень резко возрастает с увеличением температуры. Было рассчитано, что равновесное соотношение СО/СО2 при 400оС около 0,2, а при 550оС превышает 1. Это гов?/p>