48. Экономия электроэнергии в электролизных установках.

Основным элементом, определяющим эффективное использование

электроэнергии, являются электролизеры. Рассмотрим факторы, влияющие

на эффективное использование электролизеров, на примере получения пер-

вичного алюминия. Эффективность ведения электролизного процесса (%)

оценивается величинами выхода по току Вт и по энергии э В :

где qф – фактическое выделившееся количество вещества; qт – количество

вещества, которое должно выделиться теоретически по закону Фарадея;

qэх – электрохимический эквивалент; Uв – напряжение на ванне.

Термин «выход по энергии» обозначает количество алюминия, выде-

ляемое 1 кВт · ч электроэнергии постоянного тока. «Выход по току» зависит

от ряда факторов: температуры электролита, плотности тока, расстояния ме-

жду электродами и состава электролита. Так как выход по энергии находится

в прямой зависимости от выхода по току, то, очевидно, на выход по энергии

влияют эти же факторы и в такой же мере.

Влияние температуры. Растворение металла в расплавленном элек-

тролите (и вытекающие отсюда потери металла на аноде) – главная причина

отклонения выхода металла от теоретических значений при электролизе рас-

плавленных солей. Обычно средняя температура при электролизе криолитно-

глиноземных расплавов составляет 950 °С. С повышением температуры вы-

ход по току падает вследствие большой степени взаимодействия уже полу-

ченного алюминия с электролитом. Одновременно увеличивается интенсив-

ность циркуляции электролита, вызываемая конвекцией и приводящая к то-

му, что растворенный металл (ионы А1+ и Na+) быстрее уносится в анодное

пространство и к поверхности электролита. Все это увеличивает потери алю-

миния и снижает выход по току (по энергии) при повышении температуры

(рис. 3.12). Следовательно, электролиз надо вести при оптимальной темпера-

туре. Снижение температуры также нежелательно, так как ведет к значитель-

ному повышению вязкости электролита, запутыванию в нем металла, а зна-

чит, и к потерям металла.

влияние на выход по току при электролизе расплавленных солей. В алюми-

ниевой ванне различают три вида плотности тока: анодную jа – в сечении

анода, катодную jк – в сечении катода (зеркала металла) и среднюю jср –

в сечении электролита, jср = ja jк .

Анодная плотность тока несколько выше катодной. При неизменных

других условиях процесса с увеличением катодной плотности тока повыша-

ется выход по току при электролизе расплавленных солей и наоборот. Глав-

ной причиной снижения выхода по току при электролизе расплавленных со-

лей являются потери металла в результате его растворения в электролите.

Абсолютная величина этих потерь определяется такими факторами, как со-

став и объем электролита, температура электролита и др. С возрастанием ка-

тодной плотности тока количество металла, выделяющегося на катоде, уве-

личивается пропорционально плотности тока, а потери металла остаются

практически постоянными, поэтому выход по току возрастает по кривой,

приближающейся к Вт = 100 % (рис. 3.12, б). Однако так обстоит дело только

в том случае, если в электролите присутствуют катионы одного металла. В

криолитно-глиноземных расплавах имеются катионы двух металлов (А13+ и

Na+), поэтому при определенной катодной плотности тока на катоде начина-_

_ется разряд катионов и второго металла (натрия). От этого выход по току ос-

новного металла (алюминия), начинается с точки «а» (рис. 3.12, б), падает,

так как при дальнейшем повышении катодной плотности токов все в боль-

шей и большей степени разряжаются катионы второго металла. С уменьше-

нием катодной плотности тока удельная величина потерь металла возрастает,

а выход по току снижается. В итоге может наступить момент, когда при оп-

ределенной плотности тока количество выделяющегося на катоде металла

станет по абсолютной величине равно его потерям, т. е. выход по току станет

равным нулю, несмотря на идущий электролиз.

Влияние междуполюсного расстояния. Приведенные выше данные

о влиянии плотности тока относятся к случаю, когда междуполюсное рас-

стояние (расстояние между электродами) постоянно, а изменяется лишь

плотность тока. В алюминиевой ванне междуполюсное расстояние – это рас-

стояние между нижней поверхностью (подошвой) анода и поверхностью

(зеркалом) расплавленного алюминия на подине ванны (1 см). С увеличением

расстояния между электродами перенос растворенного металла от катода к

аноду диффузией и конвекцией затрудняется вследствие увеличения пути

прохождения металла. Благодаря этому с увеличением междуполюсного рас-

стояния абсолютные потери его возрастают, и при сильном сближении анода

и катода выход по току может оказаться равным нулю (рис. 3.12, в). Из ска-

занного следует, что увеличение как плотности тока, так и междуполюсного

расстояния приводит к увеличению выхода по току. Поэтому для повышения

производительности ванны выгодно увеличивать плотность тока и междупо-

люсное расстояние. Однако как то, так и другое приводит к увеличению на-

пряжения на ванне.

Напряжение на промышленной ванне (без учета потерь в токоподво-

дящей системе) определяется следующим выражением:

Uв =Еп + ρ jср l , (3.20)

где Еп – противоЭДС; ρ – удельное сопротивление электролита.

Из формулы (3.20) следует, что Uв растет с увеличением l и jср . По-

вышенное значение Uв – причина увеличения расхода электроэнергии на

единицу получаемого металла. Поэтому выбор той или иной плотности тока

и величины междуполюсного расстояния приобретает большое значение при

проектировании новых электролизеров.