Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор литературы 8
1.1 Способы получения оксида алюминия 8
1.1.1 Получение оксида алюминия из минерального сырья 8
1.1.1.1 Щелочные способы 9
1.1.1.2 Кислотные способы 19
1.1.1.3 Термические способы 20
1.1.2 Получение оксида алюминия из металла 23
1.1.2.1 Способы химического окисления алюминия 25
1.1.2.2 Способ искрового разряда 28
1.1.2.3 Способ образования и гидролиза алюминийорганического соединения 28
1.1.2.4 Способ синтеза и гидролиза алкоксисоединений алюминия 29
1.1.2.5 Электрохимические способы 32
1.2 Способы выращивания монокристаллов 37
1.2.1 Выращивание из раствора в расплаве (спонтанная кристаллизация) 38
1.2.2 Метод Вернейля 40
1.2.3 Метод Бриджмена 41
1.2.4 Метод Чохральского 41
1.2.5 Метод зонной плавки 42
1.2.6 Гидротермальное выращивание 45
1.2.7 Метод твердофазной рекристаллизации 45
2 Электрохимический способ получения гидроксида алюминия 47
2.1 Изучение поляризации электродных процессов в хлоридных растворах и выяснение механизма образования гидроксида алюминия 48
2.1.1 Анодная поляризация 49
2.1.2 Катодная поляризация 52
2.1.3 Взаимодействия в электролите 54
2.1.4 Выводы 56
2.2 Изучение влияния плотности тока на выход продукта 56
2.2.1 Анодный выход продукта 57
2.2.2 Катодный выход продукта 60
2.2.3 Общий выход продукта 61
2.2.4 Выводы 62
2.3 Изучение старения раствора и кинетики укрупнения частиц гидроксида алюминия 63
2.3.1 Образование защитной пленки на аноде 63
2.3.2 Старение раствора 67
2.3.3 Выводы 74
2.4 Определение удельного электросопротивления гетерогенной смеси электролита и гидроксида алюминия 75
3 Разработка электрохимической технологии получения оксида алюминия высокой чистоты 78
3.1 Описание установки для получения гидроксида алюминия 78
3.2 Разработка конструкции и расчет электролизера 79
3.2.1 Назначение электролизера 79
3.2.2 Конструкция электролизера 80
3.2.2.1 Конструкция и внешний вид ванны 80
3.2.2.3 Расчет гидравлического контура 82
3.2.3 Электрический расчет электролизера 84
3.2.4 Тепловой расчет электролизера 87
3.2.4.1 Боковые стенки 87
3.2.4.2 Продольные наклонные стенки 89
3.2.4.3 Поперечные наклонные стенки 90
3.2.4.4 Дно 92
3.2.4.5 Тепловой поток от поверхностей ванны 93
3.2.5 Расчет испарения воды 93
3.3 Разработка конструкции и расчет сборной емкости 95
3.3.1 Назначение сборной емкости 95
3.3.2 Конструктивный расчет сборной емкости 95
3.3.2.1 Расчет габаритов сборной емкости 95
3.3.2.2 Конструкция и внешний вид сборной емкости 98
3.3.2.3 Расчет поверхностей сборной емкости 98
3.3.3 Тепловой расчет сборной емкости 100
3.3.3.1 Крышка 101
3.3.3.2 Боковые стенки 102
3.3.3.3 Тепловой поток от емкости 104
3.4 Составление теплового баланса электролизной установки 104
3.4.1 Приход тепла 104
3.4.2 Расход тепла 104
3.4.3 Тепловой баланс 105
3.5 Принципиальная аппаратурно-технологическая схема получения оксида алюминия высокой чистоты 106
3.5.1 Описание технологической схемы 106
3.5.1.1 Подготовка сырья, материалов, энергоресурсов 106
3.5.1.2 Электролитическое получение и отделение гидроксида алюминия 108
3.5.1.3 Термическое получение оксида алюминия 112
3.5.2 Расчет материального баланса 114
3.6 Опытно-промышленные испытания технологии 118
Выводы 119
Список использованных источников 121
Приложение
- Способ образования и гидролиза алюминийорганического соединения
- Изучение влияния плотности тока на выход продукта
- Определение удельного электросопротивления гетерогенной смеси электролита и гидроксида алюминия
- Принципиальная аппаратурно-технологическая схема получения оксида алюминия высокой чистоты
Введение к работе
Лейкосапфир, сапфир, рубин являются разновидностями прозрачных драгоценных корундов [1]. В настоящее время производство искусственного корунда является востребованным на мировом рынке. Развитие высокотехнологичных отраслей приводит к увеличению спроса на монокристаллический корунд, который является материалом для изготовления оптических систем, лазеров, светодиодов высокой яркости, солнечных батарей, современных интегральных схем, пуленепробиваемых материалов для средств безопасности и сверхзвуковой авиации. Искусственные кристаллы корунда используются в медицине, а также в ювелирной и часовой промышленности.
Основной проблемой при получении искусственного корунда является дороговизна сырья для его производства (оксида алюминия чистотой 99,99-99,999 %), которая связана со сложностью аппаратурного оформления многочисленных переделов. Такое сырье получают из металлургического глинозема, имеющего чистоту до 99,7 % (марка Г-000) и требующего дополнительной очистки. Химическая очистка глинозема от примесей реализована за рубежом. В России в настоящее время не существует промышленного производства оксида алюминия необходимой чистоты.
Предлагаемый способ заключается в получении оксида алюминия высокой чистоты, пригодного для производства лейкосапфиров, из металла, заранее очищенного от примесей при помощи электролитического рафинирования и имеющего чистоту 99,99-99,995 % и выше [2]. Такое сырье не нуждается в дополнительной очистке, к тому же, после окисления алюминия до оксида содержание исходных примесей снижается вдвое за счет увеличения массы продукта. Поэтому работа по созданию электрохимической технологии получения оксида алюминия высокой чистоты является актуальной.
Для этого необходимо разработать научные и технологические основы нового способа получения сырья для производства лейкосапфиров, который должен стать экономичным, эффективным и позволил бы получать чистый конечный продукт.
Необходимо также создать установку для его получения и разработать аппаратурно-технологическое оформление процесса производства. Все перечисленное является целью данной работы.
Способ образования и гидролиза алюминийорганического соединения
При подаче электрического тока высокого напряжения в водный раствор металлические электроды разрушаются с образованием небольших и гидролизуются. Этот принцип используют для получения гидроксида алюминия из алюминиевых электродов. Образованный гидроксид алюминия затем прокаливают, чтобы получить оксид алюминия. Высокочистый оксид алюминия можно получить, используя металлические электроды из высокочистого алюминия.
Реактор заполняют деионизированной водой, в которую погружают гранулы алюминия диаметром 1-1,5 см. Электрические искровые разряды подают 1200 раз в секунду при напряжении 24 кВ. В результате образуется порошкообразный алюминий. При этом вода разлагается с образованием радикала ОН-. Полученный порошок алюминия и радикал ОН" реагируют с образованием гидроксида алюминия. Благодаря электрическому искровому разряду и образующемуся газу происходит перемешивание. Это способствует проворачиванию гранул, предотвращает их сплавление и стабилизирует процесс.
Чистота продуктов реакции зависит от чистоты алюминия. Продукт, получаемый в этом процессе, имеет относительно низкую чистоту, хотя он называется высокочистым оксидом алюминия. После реакции некоторая часть алюминия остается непрореагировавшей, что приводит к неопределенности размера первичных частиц и относительно грубому распределению гранулометрического состава оксида алюминия, который образуется в процессе обжига.
Высокочистый оксид алюминия можно получить через такие металлорганические соединения, как A1R3, Al(OR)3, где R — алкил. В этом процессе металлорганическое соединение гидролизуют до гидроксида алюминия, а гидрат прокаливают до получения а-оксида алюминия по реакциям:
В основном, легко получить чистое металлорганическое соединение и очень легко очистить его дистилляцией. Эти преимущества делают такой процесс самым легким для получения высокочистого соединения. Гидроксид алюминия, образованный по реакции гидролиза, имеет размер частиц в интервале от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. Так а-оксид, алюминия полученный обжигом исходных материалов, состоит из очень мелких частиц. Интервал распределения по размерам в этом случае очень узкий и средний размер частицы менее 1 мкм.
Цель процесса заключается в образовании более крупных агломератов а-оксид алюминия. Такая агломерация происходит в процессе сушки гидроксида алюминия, превращаемого в оксид алюминия. Предотвращают агломерацию крупных частиц, контролируя процесс сушки.
С точки зрения чистоты этот процесс можно считать перспективным, так как этим способом можно получить оксид алюминия чистотой 5N.
Способ имеет промышленное значение и защищен патентами США, Японии, Англии и Франции. Первые из них были выданы ,в 50-60-е годы. В СССР зарегистрирована заявка на получение бинарных оксидов алюминия и элементов IV группы (Sn, Ge, Ті) нагреванием смеси изопропилата алюминия с хлоридами элементов IV группы или алкоголятов элементов IV группы и А120з при 100-250 С с последующей термообработкой полупродуктов в течение 2-3 ч при 250-300 С и 5-Ю ч при 900-1100 С.
В литературе имеются многочисленные сообщения о способах получения алкоксипроизводных алюминия и условиях проведения их гидролиза. Причем, если в ранних работах основное внимание уделяли изучению условий получения алкоксисоединений, то в работах последних лет исследовали условия проведения гидролиза с целью получения А120з с заданными физико-химическими свойствами. Получение АЬОз гидролизом его алкоксипроизводных включает следующие стадии: синтез А1(1Ю)з, гидролиз или термическое разложение А1(ЯО)з фильтрацию суспензии А1(ОН)3, сушку и термообработку суспензии. Сообщается о перспективности использования алкоксипроизводных алюминия, хотя сведения о чистоте получаемого продукта не приводятся. К достоинствам метода следует отнести возможность проведения глубокой очистки алкоксипроизводных алюминия методом вакуумной дистилляции, получение AI2O3 при низких температурах (до 1200 С), отсутствие в отходах производства таких агрессивных газов, как С12, SO2 и SO3. Учитывая перспективность этого направления, рассмотрим более подробно методы получения высокочистого А120з на основе алкоксисоединений и методы получения и очистки последних. Основными методами получения алкоксидов алюминия являются: а) взаимодействие металлического алюминия с соответствующими алканолами; б) взаимодействие безводного АІСІз с алканолами в присутствии аммиака; в) окисление алкильных производных алюминия; г) взаимодействие безводного АІСІз с алкоголятами щелочных металлов. Наиболее приемлемым с точки зрения экологической чистоты процесса и простоты аппаратурного оформления является первый метод, применяемый для получения как низших, так и высших алкоксипроизводных:
Как правило, процесс проводят в присутствии катализатора хлорида железа, ртути или олова, алюмината меди. При этом алюминий активируют либо совместной подачей с катализатором, либо до его подачи в процесс. В последнем варианте чистота получаемого продукта выше.
Активацию гранулированного алюминия проводят также в углеводородных растворах, после чего алюминий осушают в потоке инертного газа, не содержащего кислород. Алканол в реакцию обычно берут в избытке, и после окончания процесса вновь используют.
Чистые алкоксиды алюминия являются твердыми веществами или чрезвычайно вязкими жидкостями. Для получения жидких, не кристаллизующихся в процессе синтеза продуктов, требуется строгий контроль стехиометрии реагентов.
Поддержание реакционной смеси в разбавленном состоянии достигается проведением процесса при избытке алюминия, концентрации алкоксидов в смеси на уровне 50 % и температуре реакции несколько ниже, чем температура кипения алканола.
Реакция алюминия с алканолами является экзотермичной. Для ее проведения требуются устройства для контроля температуры и обеспечения безопасности процесса. Предложено применять определенную последовательность технологических стадий, позволившую регулировать процесс: пары алканола из резервуара поступают в колонку с металлом, где частично взаимодействуют с ним, а частично конденсируются и при этом вымывают образовавшийся алкоксид с поверхности металла.
Описано получение алкоксидов алюминия взаимодействием металлического алюминия с аканолом (С3Н7ОН, ИЗО-С3Н7ОН, С4Н9ОН) в присутствии катализатора ацетата ртути или АІСІз (0,3-3,0 % массы алканола). При этом не требуется абсолютного отсутствия влаги в исходных продуктах. Для получения А1(изо-СзН7ОН)з используют 98-99 %-ный изопропиловый спирт, реакция протекает при 82 С в течение 15-20 мин, для получения А1(СзН7ОН)з — при 45-48 С. Однако, как показывает практика, при очистке продукта из неосушенного алканола получается значительное количество кубового остатка, которое резко увеличивается с повышением влажности исходных компонентов. Попытка воспроизвести синтез при использовании в качестве обезвоживающего и активирующего агента АІСЬ не привела к успеху.
Изучение влияния плотности тока на выход продукта
При изучении поляризации электродных процессов установлено, что гидроксид алюминия образуется не только электрохимически на; аноде; но и химически на катоде. Поскольку продукт на электродах разного знака получается в результате протекания отличающихся друг от друга процессов, то необходимо выяснить механизм образования продукта как на аноде, так и на катоде. Для выяснения этого механизма были проведены эксперименты по изучению влияния плотности тока на анодный и катодный выход продукта методом гальваностатической кулонометрии [31].
Эксперименты, проводились в лабораторной электрохимической ячейке. В качестве электродов применялись пластины из алюминия чистотой 99,996 %, которые перед проведением опыта промывались, высушивались при температуре около 100 С в течение 10—15 мин и взвешивались на аналитических весах AND GX-200. Во время электролиза импульсный источник питания постоянного тока Б5-45 работал в режиме стабилизации по току, а значение силы тока устанавливалось исходя из заданной плотности тока и известной рабочей площади электрода. В качестве электролита использовался раствор хлорида натрия марки «хч» в бидистиллированной воде при температуре 25 С.
После проведения электролиза регистрировалась его продолжительность, а электроды снова промывались, сушились и взвешивались. Исходя из значений убыли массы электродов, их рабочей площади и времени проведения процесса, определялся удельный выход продукта в пересчете на массу оксида алюминия, образующегося сім площади электрода за 1 ч. На основании экспериментальных данных были построены зависимости удельного выхода продукта и эффективного выхода по току от плотности тока.
Экспериментальная зависимость удельного выхода продукта на аноде от плотности тока представлена на рисунке 16. При отсутствии тока процесс не идет, а при его увеличении выход продукта увеличивается прямо пропорционально плотности тока. Поскольку зависимость линейная и возрастает от начала координат, то это подтверждает электрохимическую природу образования продукта на аноде.
Для выяснения характера кинетики анодного электрохимического процесса определен эффективный выход по току на аноде в зависимости от плотности тока. Эффективный выход по току рассчитывается с использованием стандартного значения электрохимического эквивалента трехвалентного алюминия (кА\ = 0,335 г/А-ч) и является сравнительной величиной для оценки превышения выхода продукта от теоретического, рассчитанного по закону Фарадея. Частичное образование одновалентных ионов приводит к уменьшению средней валентности ионов алюминия меньше 3 и увеличению действительного электрохимического эквивалента.
Зависимость эффективного выхода по току на аноде от плотности тока приведена на рисунке 17 и имеет вид горизонтальной прямой линии во всем изучаемом диапазоне. Это указывает на электрохимический характер кинетики анодного процесса, а именно, совместное образование ионов А1+ и А13+ без диффузионных затруднений. При этом плотность тока не оказывает влияние на соотношение выделяющихся ионов алюминия разной валентности. Эффективный выход по току на аноде составляет около 117%.
Если принять действительный выход по току за 100 %, то средняя валентность ионов алюминия в проведенном эксперименте составит 2,564. Это соответствует образованию 78,2 % ионов А1 и 21,8 % ионов А1 .
По современным представлениям алюминий в растворах образует трехвалентные ионы, а одновалентные образуются только в расплавленных средах. В растворах на поверхности металла может протекать следующая реакция: Константа равновесия этой реакции, выраженная через активности, записывается в виде:
Активность ионов А13+ определяется, исходя из предельного их содержания в растворе. Растворимость А1(ОН)з в нейтральном растворе (рН на аноде равен 7) очень мала и составляет 6,8-10-9 моль/л при температуре 25 С [32], поэтому в прианодном пространстве концентрация ионов А1 всегда находится на предельном значении, следовательно, их активность в растворе ад1з+ = 1.
Активность ионов А1+ можно определить из экспериментально полученного соотношения образования ионов АГ и АГ и условия, что оно равно отношению активностей этих ионов: Константа равновесия не зависит от плотности тока, поэтому эффективный выход по току на аноде стабильно удерживается на уровне 117 % за счет равновесия реакции (27).
Определение удельного электросопротивления гетерогенной смеси электролита и гидроксида алюминия
В процессе электролиза происходит непрерывное образование гидроксида алюминия, но после пребывания в электролите в течение времени, необходимого для старения раствора, он начинает осаждаться. Таким образом, в электролите происходит изменение содержания взвешенной твердой фазы гидроксида, которое приводит к отклонениям сопротивления раствора от исходного значения. Сопротивление раствора непосредственно влияет на электрические параметры работы электролизера, количество выделяющегося в нем тепла и, в конечном итоге, на тепловой баланс и расход электроэнергии.
Для выяснения влияния гидроксида алюминия на электрические параметры работы электролизера были проведены эксперименты по определению удельного электросопротивления гетерогенной смеси электролита и гидроксида алюминия.
Опыты проводились в электрохимической ячейке методом наложения постоянного тока. Два электрода из алюминия высокой чистоты 99,996 % А1 опускались в емкость на фиксированном расстоянии друг от друга, в ячейку заливался электролит, представляющий собой раствор концентрацией 3 % хлорида натрия марки «хч» в бидистиллированной воде при комнатной температуре. Электроды подключались к импульсному источнику питания постоянного тока Б5-45, который работал в режиме стабилизации по току. В процессе электролиза снимались показания вольтметра, и с учетом значения обратной ЭДС (1,38 В при плотности тока 0,056 А/см ) определялось сопротивление раствора, из которого затем рассчитывалось удельное электросопротивление.
Зависимость удельного электросопротивления гетерогенной смеси электролита и гидроксида алюминия от времени представлена на рисунке 25.
Зависимость показывает, что в первые 2-5 мин электролиза удельное электросопротивление раствора быстро уменьшается. Это связано с наличием на алюминии оксидной пленки, которая создает дополнительное сопротивление. За несколько минут электролиза пленка на аноде разрушается за счет ухудшения ее сцепления с металлом при электрохимическом растворении алюминия. На катоде в это время резко увеличивается рН, и оксидная пленка химически растворяется.
После очищения поверхности металла удельное электросопротивление раствора достигает минимума около 24 Ом-см, который соответствует чистому раствору NaCl концентрацией 3 %.
В следующие 20 мин происходит равномерное увеличение удельного электросопротивления, которое связано с накоплением в растворе гидроксида алюминия, препятствующего протеканию электрического тока. Затем рост удельного электросопротивления замедляется, гидроксид алюминия начинает выпадать осадок, и через ЗО Ю мин после начала электролиза система приходит в состояние равновесия. Равновесие характеризуется постоянством содержания взвешенного гидроксида алюминия за счет непрерывного осаждения прошедших старение частиц и образования новых. Удельное электросопротивление при этом составляет около 25,4 Ом-см.
При повышении температуры сопротивление раствора снижается за счет увеличения электропроводности NaCl. При температуре 70 С примерно через 1 ч после начала электролиза удельное сопротивление гетерогенной смеси электролита и гидроксида алюминия, находящейся в равновесном состоянии, составляет 23,83 Ом-см.
Основным этапом электрохимической технологии получения оксида алюминия является электролиз. При его осуществлении в промышленных масштабах необходимо предусмотреть такие важные технологические свойства, как: непрерывный режим работы; минимальное количество отходов; необходимый объем запасов промежуточных продуктов; удобство обслуживания и ремонта оборудования.
Для обеспечения перечисленных свойств предлагается использовать электролизную установку, состоящую из двух электролизеров, сборной емкости и насоса. Принципиальная схема электролизной установки показана на рисунке 26.
Принцип действия установки заключается в осуществлении циркуляции электролита во внешнем относительно электролизеров контуре и отделении осадка гидроксида алюминия в сборной емкости.
Продуктом электролиза является гидроксид алюминия, но его осаждение затруднено в начальный период из-за низкой плотности и малой крупности частиц. Для увеличения производительности и избежания забивания электролизных ванн мелкодисперсным гидроксидом необходимо интенсивное перемешивание электролита и непрерывный отбор гидроксида. Наличие сборной емкости позволяет преодолеть указанные затруднения и обеспечить образование и уплотнение осадка гидроксида алюминия в непрерывном режиме, а также сформировать технологический запас.
Использование оборотного электролита, поступающего с фильтрации и промывки гидроксида, позволяет восполнять потери воды и минимизировать потери соли.
Для обеспечения удобства технического обслуживания и ремонта, поддержания непрерывности процесса и снижения затрат установка включает два электролизера (пэп — 2) на одну сборную емкость.
Принципиальная аппаратурно-технологическая схема получения оксида алюминия высокой чистоты
Первая стадия технологического процесса (см. рисунок Б. 1) является подготовительной и служит для преобразования исходных ресурсов в пригодную для дальнейшего использования форму. На этой стадии необходимо выполнить следующие операции: - изготовить электроды из алюминиевых чушек; - провести комплексную очистку водопроводной воды; - преобразовать входящий электрический ток из переменного в постоянный и понизить его напряжение; - установить давление природного газа; - провести очистку и сжатие воздуха. Для изготовления электродов используются стандартные литейные чушки массой около 16 кг. Чушки объединяются на одной электродной рейке (см. рисунок 30), образуя единый электрод. Токоподводы к алюминиевым чушкам и сама стальная рейка тщательно изолируются фторопластовым покрытием, а к одному из концов рейки присоединяется гибкий провод для подключения к токоведущей шине электролизера согласно схеме (см. рисунок 29). Поскольку вода используется в технологии частично как сырье (в процессе образования гидроксида алюминия), как основной компонент среды при электролизе (растворитель для электролита) и как материал для отмывки осадка, то качество ее очистки непосредственно влияет на чистоту конечного продукта. Для обеспечения постоянного высокого качества воды выбрана схема очистки, позволяющая получать деионизированную воду из водопроводной в непрерывном режиме. Схема очистки воды (см. рисунок Б. 1) начинается с предварительной механической фильтрации на фильтре 1 и создания необходимого давления на входе основной очистной системы за счет водяного насоса 2.
Очистная система включает блок предварительной очистки воды 3, блок-дехлоратор 4, установку обратного осмоса 5 и ионообменный фильтр 6. Каждый блок имеет возможность промывки и слива загрязненной воды в дренаж. На выходе из очистной системы получается деионизированная вода с удельным сопротивлением не менее 16-17 МОм-см при Г=20±2С. Она очищена от механических примесей и растворимых веществ, но, вероятно, содержит незначительное количество органических остатков ионообменных смол, поэтому на заключительном этапе используется механический фильтр тонкой очистки 7. Далее вода подается в электролизеры 10 и центрифугу 13. Электроэнергия, необходимая для ведения электролиза, преобразуется в блоке питания 8 из трехфазного переменного тока (380 В, 50 Гц) в постоянный (до 12 В). Блок питания имеет пульт управления, позволяющий задавать и контролировать режим стабилизации тока, периодичность смены полярности и текущие значения тока и напряжения. Система подачи природного газа не требует специальной подготовки, но должна иметь контрольно-измерительные приборы и оборудование для регулировки и учета подачи газа. Воздух, необходимый для технологических целей, предварительно очищается от пыли и избыточной влаги, а затем сжимается в компрессорной установке 9 до давления 0,4-0,6 МПа (4-6 атм).
Вторая стадия (см. рисунок Б.2) является основной технологической и заключается в использовании подготовленных ресурсов для получения промежуточного продукта. Этим продуктом, пригодным для транспортировки, накопления и хранения, является гидроксид алюминия, отделенный от электролита и основной части несвязанной влаги. На второй стадии осуществляются следующие операции: - электролитическое получение гидроксида алюминия в электролизерах; - получение и уплотнение осадка гидроксида алюминия в сборной емкости; - отделение электролита от осадка при помощи фильтрации в центрифуге; - промывка и фильтрация осадка в центрифуге; - сбор фильтрата и подача его в электролизеры. Перед началом процесса электролизеры 10 и сборную емкость 12 необходимо заполнить электролитом. Электролит приготавливается непосредственно в ванне электролизера путем заливки в ванну деионизированнои воды, получаемой на стадии водоподготовки, и добавления хлорида натрия марки «хч» до необходимой концентрации (3 %). Для ускорения растворения хлорида натрия возможно применение циркуляционного насоса 11 или ручной мешалки. После заполнения электролизной установки электролитом в ванны погружаются электроды, подключаются поочередно к токоведущим шинам и выравниваются для соблюдения межэлектродного расстояния (d = 6 см), над электролизерами устанавливаются вытяжные зонты. На блоке питания выбирается режим стабилизации по току и устанавливается значение средней рабочей силы тока (7ср =1236 А). Смена полярности проводится в следующем режиме: 53 с в одном направлении, 7 с в другом. Через 2 ч режим сменяется на противоположный: 7 с в одном направлении, 53 с в другом. В последующем эти режимы сменяются каждые 2 ч для. обеспечения равномерного срабатывания электродов и сохранения симметрии электрохимических ячеек.
Интервал смены направления тока на 7 с. в каждой минуте соответствующего режима- необходим для сброса накопленного на аноде за 53с слоя гидроксида. алюминия за счет выделения водорода при работе в качестве катода, в течение указанных 7с, При протекании: электрического тока алюминиевые электроды растворяются, и образуется гидроксид алюминия, который накапливается в электролите. Основная; реакция, протекающая в электролизере, заключается во взаимодействии алюминия с водой с образованием гидроксида алюминия и водорода: Эта реакция, с одной, стороны, является, суммарным электрохимическим процессом и протекает в точке контакта, ионов алюминия с гидроксид-ионами: вблизи поверхности анода, ас другой стороны, частично: протекает в результате химического взаимодействия материала катода с водой при высоких.значениях рН; (12—14). При этом электрохимический процесс поддерживает химический за счёт образования гидроксид-ионов на катоде и активации его поверхности, а химический увеличивает образование продукта и производительность ванн в целом. При рабочей плотности тока (г = 0,056 А/см ) выход продукта примерно в 1,7 раза превышает теоретический, . рассчитанный, по закону Фарадея для электрохимического процесса, и составляет около 600 г/(м -ч) в пересчете на оксид алюминия с ,1м площади анода за 1ч. Удельный расход электроэнергии, затрачиваемой на электролиз, при рабочем; напряжении (/раб = 9,39 В) составит 8800 кВт-ч/т оксида алюминия. Температура электролиза (tm = 71,6 С) зависит от конструкции ванн и сборной емкости, от электрических параметров и, в конечном итоге, от теплового баланса электролизной установки. При отклонении рабочих параметров электролиза от установленных значений, т.е. при изменении приходной части теплового баланса, изменится, соответственно, и расходная часть. Так, при уменьшении прихода тепла, снизится температура внутри ванны, а это приведет к снижению тепловых потерь за счет теплопередачи от поверхностей и, главным образом, за счет испарения воды из электролизеров. Поскольку расход тепла за счет испарения воды составляет значительную часть теплового баланса (см. таблицу 5), и его величина сильно зависит от температуры, то тем самым он удерживает температурный режим электролизера от значительных изменений.
