Электролит, как подсистема алюминиевого электролизера

1. Состав электролита:

-Криолит Na₃AlF₆ (основной компонент)

- AlF₃ (6-13 % масс.)

-CaF₂ (4-8 % масс.)

- Al₂O₃ (2-4 % масс.)

2. Основные функции электролита:

- Растворение глинозёма и образование ионов пригодных для электролитического разложения;

- служит для прохождения электрического тока от анода к катоду;

- генерация тепла;

- физическое разделение произведенного на катоде алюминия и выделяющегося на аноде CO₂.

3. Основная характеристика электролита – криолитовое отношение К.О. – молярное отношение NaF к AlF₃

Если много, то электролит кислый, плохо растворяет глинозем, большая вероятность выпадения осадка, уменьшается электропроводимость.

Высокое содержание AlF₃ (малое К.О) вредно для электролизера по следующим причинам:

- Уменьшает МПР, повышает уровень шумов

- Снижает выход по току

- Растворяет гарнисаж

- Увеличивает настыль

- Увеличивает образование осадка и коржей

 

4. Свойства криолита:

- является относительно хорошим растворителем для глинозёма;

- имеет более высокое напряжение разложения, чем оксид алюминия;

- не реагирует в какой-либо заметной степени с алюминием и углеродом;

- образует достаточно жидкий расплав;

- плотность в расплавленном состоянии (2,5 %) ниже, чем плотность жидкого алюминия (2,7 %);

- имеет в расплавленном состоянии хорошую электропроводность;

- имеет приемистую температуру плавления;

- имеет относительно низкое давление пара;

5. Оптимальные требования к электролиту:

- Высокий выход по току;

- Малый расход электроэнергии;

- Экологические требования;

- Стабильная работа ванны

- Малая себестоимость

Состав электролита на электролизерах различен, зависит от того, какой параметр оптимизируют (выход по току, удельный расход электроэнергии, производительность электролизера, себестоимость.)

Необходимо, чтобы в электролите падение напряжения было маленьким, а выход по току большим.

6. Параметры «здоровья» электролита зависят от:

- типа электролизёра;

- стратегической политики компании;

- состояние мировой экономики;

- уровня грамотности инженерных ковров.

К параметрам «здоровья» относят:

- масса;

- форма;

- состав;

- поля (концентраций, температур, потенциала, скоростей)

- граничные условия.

 

Состав электролита определяет его свойства:

1. Термодинамические: энтальпия, энтропия, упругость пара, температура ликвидуса

2. Кинетические: электропроводность, вязкость, коэффициент диффузии, теплопроводность

7. Электролит, как диссипативная система чувствителен к граничным условиям на потоки (тепла, электричества, количества движения и масс)

Электролит включает:

1. Основную жидкую часть

2. Твердую (гарнисаж, настыль)

Расплавленный электролит диссоциинирует на ионы:

Na₃AlF₆ = 3Na + AlF₆^3-

AlF₆^3- частично (~25%) диссоциирует на AlF₆^3- = AlF₄^3- + 2F^-

По схеме:

AlF₆^3- = AlF₅^2- + F^- ;

AlF₅^2- = AlF^4- + F^-;

Реакции на границе с углеродом:

Al³⁺ + 3e = Al;

Na⁺ + 3e = Na;

4Al³⁺ + 12e + 3C = Al₄C₃ .

Обратная реакция между растворенным алюминием и анодным газом:

2Al(раств.) + 3CO₂ = Al₂O₃ + 3CO

Схема растворения глинозёма при низкой концентрации Al₂O₃ и высокой кислотности:

4AlF₆^3- + Al₂O₃ = 3Al₂OF₆^2- + 6F^-;

4AlF₆^3- + Al₂O₃ = 3Al₂OF₈^4- ;

При высокой концентрации Al₂O₃ и низкой кислотности:

AlF₆^3- + Al₂O₃ = 1,5 (Al₂O₂F₄)^2-;

AlF₆^3- + Al₂O₃ + 3F^- = 1,5 Al₂O₂F₆^4-

8. Нарушение на электролизере, связанные с электролитом:

-Высокий уровень электролита

- Низкий уровень электролита

- Низкая температура (холодный ход)

- Высокая температура (горячий ход)

- Большие колебания AlF₃

- Обвал анодного укрытия

Выход на «горячий ход» ванны. Причины:

- Проблемы с анодом (высокий уровень шума и т.д)

- Избыток угольной пены;

- Осадок на подине;

- Малый масс.% AlF₃;

- Фосфор, ванадий.

9. Растворимость алюминия в электролитах составляет 0,03 до 0,06 % масс

Стадия растворения:

1. Нагрев

2. Переход ᵧ Al₂O₃ в ᵩ Al₂O₃

3. Растворение Al₂O_3(т) + Na₃AlF₆ = Na⁺ + Al₂O₂F₄^2-

4. Перемешивание