- •Оглавление.
- •Раздел I введение в технологию
- •Глава 1
- •Основные понятия и определения
- •§ 1.1. Предмет и содержание курса технологии отраслей промышленности
- •§ 1.2. Связь технологии с экономикой
- •§ 1.3. Понятие о технологических процессах: принципы их классификации
- •§ 1.4. Материальные и энергетические (тепловые) балансы
- •§ 1.5. Понятие о себестоимости и качестве промышленной продукции
- •§ 1.6. Общие положения по технике безопасности и охране труда на промышленных предприятиях
- •Глава 2 сырье, вода и энергия в промышленности § 2.1. Сырье в промышленности
- •Минеральное сырье
- •Растительное и животное сырье
- •Обогащение сырья
- •Комплексное использование минерально-сырьевых ресурсов
- •§ 2.2. Вода в промышленности
- •Промышленная водоподготовка
- •Промышленные сточные воды и их очистка
- •§ 2.3. Роль энергии в технологических процессах
- •Рациональное использование энергии
- •Глава 3 научно-техническая революция и научно-технический прогресс в промышленности § 3.1. Сущность, значение и основные направления научно-технического прогресса
- •§ 3.2. Нтр и технология
- •§ 3.3. Химизация народного хозяйства - важное направление нтп
- •§ 3.4. Нтп в области промышленных материалов
- •§ 3.5. Нтп в области орудий труда. Механизация, автоматизация и роботизация производства
- •§ 3.6. Применение вычислительной техники и асу в технологии
- •§ 3.7. Экологические проблемы нтп
- •Раздел II
- •§ 4.2. Основные закономерности, определения и классификация химических процессов
- •§ 4.3. Понятие о скорости и равновесии химических процессов
- •§ 4.4. Выход продукции в химико-технологических процессах
- •§ 4.5. Общие принципы интенсификации химико-технологических процессов
- •Перспективы развития и совершенствования химико-технологических процессов
- •Глава 5. Высокотемпературные процессы § 5.1. Сущность и значение высокотемпературных процессов
- •Влияние температуры на процессы, идущие в кинетической области
- •Влияние температуры на скорость процессов в диффузионной области
- •Условия, ограничивающие применение высоких температур
- •Типовое оборудование
- •§ 5.2. Тенденции совершенствования высокотемпературных процессов
- •§ 5.3. Высокотемпературные процессы в металлургии
- •Высокотемпературные процессы черных металлов в производстве
- •§ 5.4. Высокотемпературные процессы в производстве строительных материалов
- •§ 5.5. Высокотемпературная переработка топлива
- •Термические процессы переработки нефти и нефтяных фракций
- •§ 5.6. Высокотемпературные процессы в химической промышленности
- •Глава 6 электрохимические процессы § 6.1. Значение и сущность электрохимических процессов
- •Основные закономерности электрохимических процессов
- •§ 6.2. Электролиз водных растворов Электрохимическое производство хлора и едкого натра (каустической соды)
- •Электролиз воды
- •Электрохимическое производство продуктов окисления
- •§ 6.3. Гидроэлектрометаллургия
- •§ 6.4. Электролиз расплавленных сред
- •Свойства расплавленных электролитов
- •Глава 7 каталитические процессы § 7.1. Роль каталитических процессов, основные закономерности и определения
- •§ 7.2. Применение каталитических процессов в промышленности
- •§ 7.3. Производство аммиака
- •§ 7.4. Каталитические процессы нефтепереработки
- •Глава 8 процессы, идущие под повышенным или пониженным давлением § 8.1. Роль давления в технологии
- •§ 8.2. Давление как фактор интенсификации газообразных процессов
- •§ 8.3. Роль давления в жидкофазных и твердофазных процессах
- •Глава 9 биохимические процессы § 9.1. Основные понятия и определения
- •§ 9.2. Применение биотехнологических процессов в промышленности
- •Глава 10 фотохимические процессы
- •Глава 11 радиационно-химические процессы
- •Глава 12 плазмохимические процессы § 12.1. Общие понятия и определения
- •§ 12.2. Виды плазмохимических процессов
- •Глава 13 общие сведения о физических процессах химической технологии § 13.1. Значение физических процессов и их классификация
- •§ 13.2. Виды физических процессов Физико-механические процессы
- •Массообменные процессы
- •Раздел III
- •§ 14.2. Кислоты, щелочи Неорганические кислоты
- •§ 14.3. Минеральные удобрения
- •§ 14.4. Полимеры Общие сведения о полимерах, их строении, свойствах и способах получения
- •Пластмассы, их свойства, значение и применение в народном хозяйстве
- •Химические волокна и их применение в народном хозяйстве
- •Каучуки и резина
- •§ 14.5. Нефтепродукты
- •Глава 15 строительные материалы § 15.1. Общие сведения
- •§ 15.2. Основные виды строительных материалов Природные (естественные) материалы, применяемые в строительстве
- •Керамические материалы
- •Огнеупорные материалы
- •Минеральные вяжущие
- •Бетон, железобетон и строительные растворы
- •Силикатные (автоклавные) материалы
- •Асбестоцементные материалы
- •Стекло и изделия на его основе
- •Теплоизоляционные материалы
- •Глава 16 металлы и сплавы § 16.1. Общие сведения
- •§ 16.2. Методы определения качества металла (сплава)
- •§ 16.3. Термическая и химико-термическая обработка
- •§ 16.4. Черные металлы и сплавы
- •Материалы со специальными свойствами (стали, сплавы)
- •Магнитные материалы
- •Инструментальные материалы
- •§ 16.5. Цветные металлы и их сплавы
- •§ 16.6. Коррозия металлов
- •Классификация коррозионных процессов
- •Электрохимическая коррозия металлов
- •§ 16.7. Защита металлов от коррозии Защита металлов от химической коррозии
- •Экономия на 1 т листа
- •Защита металлов от электрохимической коррозии
- •Технико-экономические показатели и выбор методов защиты
- •Раздел IV
- •Типы производств
- •Типизация технологических процессов
- •Технологичность конструкций изделий
- •Качество изделий
- •Понятие о точности обработки
- •Основные методы и средства контроля качества изделий
- •Шероховатость поверхности
- •Выбор заготовок
- •§ 17.2. Экономическая оценка технологического процесса
- •Глава 18
- •Литье в песчано-глинистые формы
- •Специальные способы литья
- •§ 18.2. Основы технологии производства заготовок методами пластической деформации
- •Формообразование заготовок, изделий из пластмасс и резины методами пластической деформации
- •Формообразование деталей методами порошковой металлургии
- •§ 18.3. Изготовление неразъемных соединений Понятие о неразъемных соединениях. Виды неразъемных соединений
- •Сущность процессов сварки материалов и их классификация
- •Сварка плавлением
- •Огневая резка материалов
- •Сварка давлением
- •Контроль качества сварных соединений
- •Клеевая технология
- •§ 18.4. Обработка конструкционных материалов резанием
- •Обработка на станках-автоматах и полуавтоматах
- •Чистовая обработка наружных поверхностей тел вращения
- •Обработка внутренних поверхностей тел вращения.
- •Обработка плоских поверхностей
- •Обработка фасонных поверхностей
- •Методы изготовления деталей зубчатых зацеплений
- •Обработка резанием неметаллических материалов
- •Обработка заготовок на агрегатных станках
- •§ 18.5. Электрофизические методы обработки
- •Применение ультразвука в промышленности
- •Плазменная обработка материалов
- •Лазерная обработка
- •Глава 19 основные технологические процессы электроники и микроэлектроники § 19.1. Технология изготовления интегральных микросхем
- •Фотолитография в микроэлектронике
- •Нанесение тонких пленок в вакууме
- •Осаждение из газовой фазы
- •§ 19.2. Технология изготовления печатных плат
- •Технологические процессы изготовления пп
- •Субстрактивные методы изготовления печатных плат
- •Технология изготовления многослойных печатных плат
- •Аддитивные методы изготовления печатных плат
- •Печатные платы с многопроводным монтажом
- •Глава 20 технология сборочных процессов § 20.1. Понятие о технологическом процессе сборки и его организационных формах
- •§ 20.2. Контроль и испытание готовых изделий
- •Глава 21 основы технологии строительного производства § 21.1. Роль капитального строительства в развитии народного хозяйства ссср
- •§ 21.2. Строительные работы
- •§ 21.3. Основные направления совершенствования строительства
- •Глава 22 оптимизация технологических процессов § 22.1. Общая постановка задач оптимизации технологических процессов
- •§ 22.2. Методы оптимизации технологических процессов
- •Регрессионный и корреляционный методы анализа при оптимизации технологических процессов
- •Методы планирования эксперимента для оптимизации технологических процессов
§ 6.4. Электролиз расплавленных сред
Так как при электролизе легче всего выделяются электроположительные металлы и только те электроотрицательные металлы, на которых перенапряжение водорода очень велико (Zn, Mn), то из водных растворов осадить электролизом щелочные и щелочно-земельные металлы (Al, Mg) невозможно. Также нельзя получить и такие тугоплавкие металлы, как цирконий, торий, ниобий и редкоземельные металлы.
Эти металлы получают электролизом расплавленных сред. Разрабатываются методы электролитического получения титана и других металлов. Этим методом также получают фтор.
Электролиз расплавленных сред получает все большее применение в электрометаллургии.
Свойства расплавленных электролитов
Многие расплавленные соединения (соли и гидроксиды) хорошо проводят электрический ток, являясь проводниками 2-го рода — электролитами.
Электролиз расплавленных сред подчиняется в основном тем же законам, что и электролиз водных растворов.
Важную роль при электролизе расплавленных сред играет поддержание необходимой температуры расплава. Излишнее повышение температуры вызывает ряд затруднений (усиливается растворимость выделившегося металла, его испарение и др.). Поэтому желательно поддерживать наиболее низкую температуру электролиза. Однако температура электролита должна быть выше температуры плавления выделяемого металла (кроме тугоплавких металлов), чтобы его легко можно было удалить из электролизера; должна быть исключена возможность застывания электролита, так как это нарушает процесс. Так как температура плавления солей, содержащих выделяемый металл, высока {например, А12О3 — более 2000 °С), то при электролизе применяют смеси солей, что понижает температуру плавления, увеличивает его электропроводность, понижает вязкость и снижает растворимость металла в расплаве.
Расплав электролита должен быть таким, чтобы его плотность была больше плотности выделяемого металла, если металл должен собираться на поверхности электролита (например, Mg, Na) и, наоборот, если он собирается под электролитом (например, А1).
При электролизе расплавленных сред применяются значительно большие плотности тока, чем в электрогидрометаллургии, так как электропроводность расплавов значительно больше электропроводности водных растворов. Повышение плотности тока увеличивает выход по току до определенного предела (20000 А/м2). При электролизе на твердом катоде выделяющийся металл получают либо в жидком виде, когда температура электролита выше температуры плавления металла (натрий, магний), либо в твердом виде (порошки или дендриты), например при получении тугоплавких металлов.
В электролите необходимо поддерживать высокую концентрацию соли выделяемого металла, иначе процесс будет нарушаться. Для предотвращения этого в электролит непрерывно добавляют соли осаждаемого металла.
Необходимо, чтобы выделяемый на катоде металл хорошо смачивал его и отлагался в виде компактного слоя. В противном случае получаемый металл выделяется в несплошном виде (в виде отдельных частиц), что увеличивает его соприкосновение с электролитом и растворимость в нем; при этом происходит уменьшение выхода по току.
Электролиз с жидким катодом используют в технике для получения товарных сплавов, например тройного сплава РЬ — Na — К, или для получения промежуточных сплавов, из которых затем вакуумной разгонкой получают нужный металл. В технике так получают металлический кальций и калий.
Процессы электролиза расплавленных сред происходят как с растворимыми, так и с нерастворимыми анодами. Растворимые аноды применяют в электрометаллургии при рафинировании и получении чистых металлов (например, рафинирование Al, Mg). Основные процессы электролиза расплавленных сред осуществляются с нерастворимыми угольными или графитовыми анодами.
Для каждого электролита существует анодная плотность тока (критическая), выше которой возникает анодный эффект, заключающийся в повышении напряжения и падении силы тока. Эта критическая плотность зависит от природы электролита, примесей в нем, температуры и материала анода. Наличие оксидов в ванне предотвращает анодный эффект.
Электролиз расплавленных сред по сравнению с гидроэлектрометаллургией характеризуется кроме указанных рядом других технологических и температурных особенностей. Одной из них является проведение процесса при повышенной температуре, которая поддерживается либо внешним подогревом, либо за счет джоулевой теплоты, вызываемой током электролиза, что чаще всего и осуществляется.
Для уменьшения тепловых потерь электролизера должна быть осуществлена хорошая тепловая изоляция, Вторая особенность — это выбор и применение для изготовления оборудования материалов, стойких в условиях электролиза расплавленных сред.
Электролитическое получение алюминия. Сочетание легкости и прочности, высокой коррозионной стойкости с отличной электро- и теплопроводностью сделало алюминий и сплавы на его основе важнейшими конструкционными материалами современности. Активное развитие получил электролитический способ производства алюминия во второй половине XIX в. Большое значение в разработке технологии его получения имели работы русских и советских ученых П. П. Федотьева, Ю. В. Баймакова и др.
Исходным сырьем для получения алюминия служат бокситы, нефелины, алуниты и каолины. Важнейшей рудой являются бокситы, содержащие от 30 до 60 — 70% А12О3. Бокситы измельчают и обрабатывают чаще всего в растворе щелочи, получая водорастворимый алюминат натрия NaAlO.2, отделимый от нерастворимого осадка (натриевый алюмосиликат), являющегося отходом производства. Разложением растворов алюмината натрия выделяют гидроксид алюминия, который при последующем прокаливании превращается в А12О3 (глинозем).
Получение алюминия сводится к электролизу расплава А12О3, температура плавления которого около 2093 °С. Снижение высокой температуры плавления оказалось возможным в результате применения криолита Na3AlF6, в котором растворяется А12О3 (до 10% по массе). При этом температура плавления снижается до 960 °С.
Процесс электролиза сводится к выделению на стальном катоде электролизера, футерованном угольными блоками, металлического алюминия и сгоранию угольного анода в результате выделения на нем кислорода. Схема электролизера с самообжигающимся анодом показана на рис. 6.1. Плотность алюминия больше плотности расплавленного электролита, в результате чего он скапливается на поддоне электролизера, откуда откачивается с помощью специальных вакуум-ковшей один раз в 1 — 2 сут. Электролиз ведут при температуре 950-960 °С^_ напряжении 4,2 — 4,5 В, с выходом по току 85-90%. На 1 т алюминия расходуется 1,92—1,94 т глинозема, 40 — 50 кг криолита, 20 — 25 кг фторида алюминия, 0,52 — 0,6 т анодной массы, расход электроэнергии составляет 14000-16000 кВт-ч.
Эксплуатация электролизеров состоит из следующих технологических операций: введение глинозема, регулирование напряжения, извлечение алюминия, обслуживание самообжигающихся анодов или замена обожженных анодов. Анодные газы содержат оксиды углерода, фтористый водород, а также смолистые вещества и частицы глинозема и криолиты. Эти вещества загрязняют атмосферу, а при безотходном производстве их переработка дает ценные продукты промышленности.
Совершенствование электролизеров шло главным образом по линии увеличения амперной нагрузки при сохранении нормальных эксплуатационных характеристик. Если первоначально сила тока на один электролизер составляла 4000 — 5000 А, то в современных электролизерах она достигает 20000 А и выше. При этом снижается удельный расход энергии на 1 кг алюминия (с 42 до 14 кВт-ч). Получаемый при электролизе алюминий содержит различные примеси (водород, глинозем, фториды, углерод). Имеется ряд способов рафинирования: барботированием через расплавленный алюминий газообразного хлора, переплавкой металла в отражательных электрических печах. Для получения алюминия высокой чистоты (99,99%) металл подвергают дополнительному электролитическому рафинированию.