1.2 Выход по току, факторы влияющие на производительность электролизера

Производительность электролиза – это масса наработанного алюминия за определенный промежуток времени, согласно закону Фарадея производительность определяется :

Р_А1 = j _* I _* τ _* 

где j - электрохимический эквивалент алюминия, 0,335 кг/(кА_*час);

I - сила тока, кА;

τ - время, час;

 - выход по току, доли единицы.

Главным фактором определяющим производительность электролизера является сила тока и выход по току. Величина силы тока устанавливается на электролизере и является неизменной на весь период работы, изменение силы тока не допустимо, т.к от нее зависит не только масса наработанного алюминия, но и тепловое равновесие, т.е режим работы ванны.

Выход по току –это выраженное в процентах отношение количества фактически затраченного электричества к теоретически необходимому.

Основными факторами, от которых зависит выход по току, являются; температура электролита, плотность тока, расстояние между электродами ( междуполюсное расстояние), , состав электролита.

Температура электролита (рис 1. а)

Растворенный металл быстрее уносится в анодное пространство и там окисляется, поскольку при увеличении температуры увеличивается растворимость алюминия, ускоряется процесс диффузии ионов, усиливается массоперенос в электролите. Следовательно, перегревать расплав выше оптимальной температуры 950-960 ^оС не следует, так как при этом снижается выход по току, а значит, и выход по энергии. Опыт показывает, что перегрев криолит-глиноземного расплава на 10^о приводит к снижению выхода по току на 2-3 %. Однако слишком сильное снижение температуры также нежелательно, так как это значительно повышает вязкость электролита и приводит к запутыванию в нем капелек металла, а значит, и его потерям.

На практике ,чтобы сделать расплав более легкоплавким и снизить температуру процесса электролиза, в него добавляют до 10% (CaF₂ + MgF₂), а также LiF. Наиболее эффективна добавка солей лития, но применение лития ограничено в связи с дефицитностью его солей.

Влияние плотности тока (рис 1. б)

Различают катодную и анодную плотности тока и среднюю в электролите, представляющую среднеквадратичную из первых двух. С увеличением катодной плотности тока выход по току алюминия растет до какого-то предела, а затем начинает снижаться.

Наличие растворения алюминия проводит к тому, что при отсутствии тока количество катодного металла непрерывно уменьшается. При включении тока на этот процесс накладывается электроосаждение металла, которое протекает с тем большей скоростью, чем больше катодная плотность тока. При какой-то скорости i растворение и выделение алюминия становится равным по массе. Дальнейшее увеличение плотности тока приводит к росту выхода по току, который изменяется по экспоненте, стремясь к 100%. Однако при определенной плотности тока на катоде начинается разряд более электроотрицательного металла – натрия, что и приводит к снижению выхода алюминия по току.

Влияние междуполюсного расстояния (рис 1. в)

Междуполюсное расстояние – это расстояние между нижней поверхностью (подошвой) анода и поверхностью (зеркалом) расплавленного алюминия на подине ванны.

В современной алюминиевой промышленности придерживаются обычно анодной плотности тока 0,7 – 1 А/см² и междуполюсного расстояния 3 -5 см.. Известно, что с увеличением междуполюсного расстояния повышается выход по току. Однако одновременно возрастает падения напряжения в электролите, что приводит к увеличению расхода электроэнергии. При междуполюсном расстоянии менее 3 см резко снижается выход по току в результате возрастания интенсивности вторичных процессов. Необходимое мероприятие для повышения выхода по току это повышение междуполюсного расстояния с учетом всех критериев.

В заключение необходимо отметить, что на выход по току и по энергии в промышленных алюминиевых ваннах существенно влияет также уровень и объем электролита в ванне, а также конструктивные особенности электролизеров. На электролизерах большой мощности проявляется отрицательно влияние электромагнитных полей, которые вызывают искривление поверхности жидкого алюминия, что приводит к снижению выхода по току.

Влияние состава электролита (рис 1. г)

Большое влияние на выход по току оказывает криолитовое отношение. Как отмечалось выше, минимальные потери алюминия наблюдаются при К.О = 2,7, а следовательно, на этот состав приходится максимальный выход алюминия по току. При больших К.О. развивается процесс выделения металлического натрия, при меньших К.О. – образование субфторида алюминия. Повышение концентрации глинозема в электролите приводит к увеличению выхода по току, так как растворимость алюминия при этом понижается.

Традиционные добавки в электролит в этой или иной степени повышают выход алюминия по току. Все добавки понижают температуру плавления электролита, а следовательно, позволяют работать при более низких температурах. Индифферентные добавки положительно влияют на выход по току из-за эффекта разбавления растворителя алюминия.

Рис 1. Зависимость выхода по току при электролизе. а- от температуры, б- от плотности тока, в- от междуполюсного расстояния, г- от состава электролита.