电解铝电流效率12-4-10课件.ppt
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- 电解铝 电流效率 12 10 课件
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1、第五章第五章 铝电解的电流效率铝电解的电流效率重庆旗能电铝有限公司重庆旗能电铝有限公司生产准备部生产准备部王民王民第一节第一节 概述概述n电流效率是铝电解生产最重要的技术经济指标之一,20 多年来,对提高电流效率的研究,从理论到实践都有了很大的进展。当前,最好的预焙阳极铝预焙槽年平均电流效率略大于96%,表1介绍了两种经典槽型的技术参数以及旗能槽型的设计参数。表1 现代工业铝预焙槽的电流效率和其他重要指标 1.1电流效率的定义n电流效率是单位时间电解产出铝的质量与按法拉第定律计算的理论产出量之比,即:CE=W实/W理100%式中:W理=0.3356It=0.3356 kgkA-1h-1 I 为
2、电流强度,A;t 为时间,小时;0.3356 为Al 的电化当量。1.2 铝的电化当量 1、铝的电化学当量定义是电流为1A、电解时间为1h时,阴极上所析出的铝量,它是根据法拉第定律推导出来的。法拉第第一定律法拉第第一定律:在电解过程中,阴极上还原物质析出的量与所通过的电流强度和通电时间成正比。法拉第第二定律:法拉第第二定律:电解过程中,通过的电量相同,所析出或溶解出的不同物质的物质的量相同。也可以表述为:电解1mol的物质,所需用的电量都是1个“法拉第”(F),1F=96485C 结合第一定律也可以说用相同的电量通过不同的电解质溶液时,在电极上析出(或溶解)的物质与它们的物质的量成正比。结合法
3、拉第第一和第二定律,得出电解时,电极上发生化学反应的物质的质量和通过电解池的电量成正比。可用下列公式定量表示:m=MQ/nF=MIt/nF 式中m为电极上发生化学反应的物质的质量(kg),M为反应物质的摩尔质量(kgmol-1),Q为电量(C),F为法拉第常数(96485Cmol-1),n为电极反应计量方程式中电子的计量系数,t为时间(s),I为电流强度(A)。铝的电化当量值:已知:1mol的铝为26.98154g,电解质熔体中的铝为Al 3+,通入预焙槽1A的电流,通入时间(电解时间)1h,根据法拉第定律,在阴极上析出率的质量 m=26.98154*1*3600/3/96485=0.3356
4、g第二节 关于电流损失 现在的理论和实践证明电流效率(CE)很难超过98%,其原因是不可避免有若干的电流损失。电流损失主要是两大方面,即铝的二次反应损失和钠的二次反应损失,共七个项目。2.1铝的二次反应损失 i1这种损失是最主要的设为i1,其反应式为 2Al(溶)+3CO2(气)=Al2O3+3CO(气)其动力学机理为:Al 从铝液/电解质的界面上转移至电解质本体,这种溶解的Al 再经过电解质转移到阳极/电解质界面,溶解的Al 被CO2所氧化并生成CO2.2 钠的二次反应损失 i2 电解过程中钠析出消耗的电流,而析出的钠被再氧化而损失,用i2 表示 6Na(溶)+3CO2(气)+2AlF3(溶
5、)=6NaF(溶)+Al2O3+3CO(气)由于Na+离子是电解质中传递电流的主要载体,它富集在阴极区的边界层,当阴极电流密度提高时,析出的Na 进入铝和电解质中,当遇到CO2 时即被氧化而损失。因此,现代炼铝技术中,有的工厂通过铝中钠的含量或槽内靠近铝液区的电解质中钠的含量来表示电流效率的大小。现代预焙槽由于磁场的平衡,铝液的流动减慢,同时对铝液面的干扰减少,减缓了Na+由边界层向电解质中的扩散,减少了Na 的氧化损失。因此,在边界层,Na+的浓度比较高,这种槽的电流效率将会很高,同时,边界层的Na+含量高,也表明铝液镜面很稳定,电流效率也会很高。2.3 Al4C3的生成和氧化 i3反应为:
6、4Al(溶)+3C(固)=Al4C3(固)通常发生在与铝液接触的阴极碳块上,也会发生在没有电解质炉帮保护的侧部碳块上。当槽内铝液水平降低时,生成的Al4C3与电解质接触,发生溶解,Al4C3在电解质的最大溶解度(分子比为1.8 时)为2.15%,而后,遭遇阳极气体或空气作用而氧化,其反应为:Al4C3(溶)+6CO2(气)=2Al2O3(溶)+3C(固)+6CO(气)Al4C3的生成也是阴极内衬破损的主要原因之一2.4电子导电性 i4 电子导电性主要是由溶解的钠引起的。金属溶解在自身的熔盐中,容易形成“色心”,它具有电子导电性。因此,电解质具有微弱的电子导电性。电子导电性形同短路,这样引起的电
7、流损失估计在12%左右。研究表明,降低温度,减小AlF3含量,将减小电解质的电子导电性,有利于提高电流效率。2.5杂质引起的损失 i5 分子比为2.5,氧化铝为46,CaF2 为5的电解质中,在980情况下的研究结果指出,大多数杂质都以单价态存在于电解质中,在含量很低的情况下,Mg、Ba 和B 对电流效率几乎无影响;SnO2也无影响;而多价态的杂质离子Fe、P、V、Si、Zn、Ti 和Ga 等随着它们在电解质中浓度的增加,电流效率呈直线降低。电解质中这些杂质的阳离子每增加0.01,电流效率降低0.10.7。P 离子是最为有害的,它以低价态到阳极氧化为高价态,转移到阴极后还原为低价态,反复的氧化
8、还原,增大了电流损失。大多数杂质离子引起电流效率降低也是由于在阴极和阳极/二氧化碳界面上的反复氧化-还原所造成的。2.6阴极和阳极之间的瞬时短路 i6 这是操作不慎而发生的,在更换阳极或出铝时,误使阳极同铝液接触造成瞬时短路而引起的电流损失。2.7铝或钠渗透进预焙槽的内衬材料而引起的电流损失i7在预焙槽没有发生漏电的情况下,电流总损失(i 损)为上述7 项之和,即 i 损=i1+i2+i3+i4+i5+i6+i7第二节工业预焙槽上的电流效率问题 影响工业槽电流效率的因素:温度过与热度电解质组成预焙槽设计及预焙槽操作 2.1温度与过热度电流效率的影响 电解温度是影响电流效率的最重要因素,电解温度
9、=电解质的初晶温度(或熔化温度)+过热度,温度主要对铝的二次反应起作用,一般是温度降低,二次反应减少。通过对不同系列的工业预焙槽进行统计,得出的结论是:温度降低56,电流效率可提高1%。温度作为动力学参数对电流效率产生如下影响:1、温度升高会增加铝在电解质熔体中的饱和浓度2、温度升高会提高铝电解质熔体中扩散系数,这样会使铝通过阴极表面界面层扩散传质速度的增加3、对于工业预焙槽来说,如果电解质温度高于正常值,则会使槽帮结壳熔化,电解质分子比升高,氧化铝浓度和电解质水平上升,铝水平下降,阴极铝业面积增加,阴极平均电流密度降低,铝溶解损失增加n温度的提高会降低电解槽的电流效率确定无疑,但温度提高对提
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