Отделение электролиза алюминия

Курсовая работа

Алюминий – химический элемент III группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. По содержанию в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов и третье среди других элементов (после кислорода и кремния).

Однако этот химически активный металл не может существовать в свободном состоянии и встречается только в виде различных и очень разнообразных по своему составу соединений. Основная их масса приходится на оксид алюминия (А1 2 О3 ), в обиходе оно называется глиноземом, или просто глиной. Глина примерно на треть состоит из оксида алюминия и является потенциальным сырьем для его производства. [1]

Наиболее приемлемым способом получения алюминия из его окиси является электролиз.

При получении алюминия невозможно применение водных электролитов. Алюминий приходится получать электролизом его расплавленных солей.

Наиболее пригодным электролитом оказался криолитоглиноземный расплав. Основой его является криолит, в котором при температуре 930-960 о С растворяют окись алюминия и некоторые другие добавки, полезные для процесса. [2]

Основным сырьем для электролитического получения алюминия служит глинозем, или окись алюминия Al 2 O3 .

Абсолютно чистый глинозем содержит 52,9 % Al и 47,1% О в соответствии со своей химической формулой Al 2 O3 . [2,5]

При электролизере в качестве растворителя глинозема применяется криолит, соответствующий химической формуле 3NaF*AlF 3 (Na3 AlF6 ).

Его получают, как и все другие фтористые соли, посредстовм обработки минерала плавикового шпата (CaF2 ).

В период эксплуатации электролизера состав электролита периодически корректируют фтористым натрием, содой или фтористым алюминием, которые снижают температуру плавления.

В электролит алюминиевых электролизеров также вводят в качестве добавок фтористый кальций (CaF 2 ) и фтористый магний (MgF2 ), или окись магния (MgO) и техническую поваренную соль (NaCl), и фтористый литий (LiF), улучшающие физико-химические свойства криолита.

Алюминий в электролизах получают в электролизерах (алюминиевых ваннах).

Любой электролизер состоит из катодного устройства, анодной системы, катодной и анодной ошиновок и опоры металлоконструкций. Алюминиевые электролизеры различаются по мощности и по конструкции анодного устройства. [2,4]

24 стр., 11756 слов

Производство Алюминия (2)

... способа производства алюминия Эру во Франции и Холл в США независимо друг от друга подали в 1886 г. почти аналогичные заявки на патентование способа получения алюминия электролизом глинозема, ... добавка к цементу. В зависимости от сорта бокситов на 1 т полученной окиси алюминия приходится 0,6-1,0 т красного шлама (сухого остатка); 4). Разложения алюминатного раствора. Его фильтруют ...

1 Общие сведения

Алюминий – химический элемент III группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. По содержанию в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов и третье среди других элементов (после кислорода и кремния).

Однако этот химически активный металл не может существовать в свободном состоянии и встречается только в виде различных и очень разнообразных по своему составу соединений. Основная их масса приходится на оксид алюминия (А1 2 О3 ), в обиходе оно называется глиноземом, или просто глиной. Глина примерно на треть состоит из оксида алюминия и является потенциальным сырьем для его производства. [1]

2 Теоретические основы получения алюминия

Большинство цветных металлов получают из их соединений с различными другими элементами – кислородом, серой, хлором. Наиболее распространенным способом при этом является процесс восстановления металла из его соединений с помощью углерода, реже – некоторых активных металлов.

Восстановитель является своего рода топливом, источником энергии, необходимой для протекания процесса восстановления. Количество этой энергии определяется химической прочностью соединения, которая зависит от активности образующих его элементов.

Алюминий весьма активный металл, о чем свидетельствуют большое значение величины теплоты образования его окиси 393000 ккал/кмоль.

Разрабатываются промышленные способы получения алюминия прямым восстановлением его из руд, содержащих окись алюминия. Однако этот процесс связан со значительными техническими трудностями. Трудности эти вызваны тем, что алюминий как очень активный химический элемент легко и прочно связывается с кислородом, а также с другими элементами, например с углеродом. Поэтому при его восстановлении углеродом наряду с основной реакцией:

Al 2 O3 + 3C = 2Al + 3CO

При высокой температуре, необходимой для этого процесса, идет и другая реакция:

4Al + 3C = Al 4 C3 ,

в результате которой алюминий связывается с углеродом в карбид.

Поэтому наиболее приемлемым способом получения алюминия из его окиси является электролиз.

При получении алюминия невозможно применение водных электролитов. Алюминий приходится получать электролизом его расплавленных солей.

Наиболее пригодным электролитом оказался криолитоглиноземный расплав. Основой его является криолит, в котором при температуре 930-960 о С растворяют окись алюминия и некоторые другие добавки, полезные для процесса.

Поскольку процесс электролиза связан с применением электрического тока и протеканием его через проводники второго рода (электролиты), необходимо знать некоторые основные положения электрохимии и электротехники.

При электролитическом производстве алюминия значительная часть потребляемой электроэнергии переходит в тепло. Количество тепла, выделяющегося на данном электролизере (или на отдельном его участке), зависит от омического его сопротивления и еще в большей мере от силы тока. [2]

3 Процессы, протекающие на электродах при электролизе алюминия

Расплавленный электролит состоит в основном из криолита Na 3 AlF6 и Al2 O3 .

11 стр., 5368 слов

Технологические основы производства цветных металлов: меди, алюминия, ...

... цветных металлах удовлетворялась преимущественно путём импорта. За годы индустриализации у нас в стране не только увеличено производство ... научную основу процессы горячей обработки металлов. Технологические процессы производства и обработки металлов непрерывно ... коррозии в морской воде, алюминий и никель для повышения ... При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в ...

Криолит диссоциирует на ионы:

Na 3 AlF6 = 3Na+ + .

Анион частично диссоциирует дальше:

= + .

Растворенный глинозем диссоциирует по схемам:

2Al 2 O3 = Al3+ + 3Al или

Al 2 O3 = Al3+ + 3Al.

Следовательно, в электролите присутствуют катионы двух сортов Na + и Al3+ . В ряду напряжений Al3+ стоит правее Na+ , и поэтому при электролизе он будет выделяться на катоде в первую очередь. Таким образом, катодным процессом является:

Al 3+ + 3e = Al.

На аноде в первую очередь разряжаются анионы 3Alи Al, так как для их разряда требуется наименее положительный потенциал. Процесс разряда происходит с участием углерода по реакции:

4Al+С = 2Al 2 O3 + CO2 + 4e или

4Al+3C = 2Al 2 O3 + 3CO2 + 12e.

Таким образом, в результате электролиза на катоде получается Al, а на аноде — CO 2 и суммарную реакцию можно представить в следующем виде:

2Al+3C + 12F = 4AlF 3 + 3CO2 .

При электролизере алюминия нормальное течение процесса периодически нарушается возникновением, так называемого анодного эффекта. Анодный эффект наступает тогда, когда содержание глинозема в электролите падает до 1-1,5%.

Имеется несколько объяснений для явления анодного эффекта.

При уменьшении концентрации глинозема в электролите соответственно происходит и уменьшение конценртации анионов Al или Al. С уменьшением их конценртации затрудняется процесс достваки этих ионов к поверхзности электрода, возникает так называемая концентрационная поляризация, ктороая вызывает увеличение потенциала анода. В определенный момент потенциал анода относительно расплава становится нгастолько высоким, что делается возможным разряд ионв фтора, присутствующих в электролите. При этом как и при разряде кислородсодержащих ионов в электрохимической реакции при нимает участие углерод анода. В этом случае реакция может быть написана так:

4F + C = CF4 + 4e.

CF 4 (четырехфтористый углерод) – газообразный продукт улетучивается из электролизера. Но кроме четырехфтористого углерода образуются промежуточные продукты взаимодействия углерода и фтора с другим соотношением количества атомов.

Это твердые соединения, которые почти мгновенно покрывают соприкасающуюся с электролитом поверхность анода тонкой пленкой, имеющей высокое сопротивление.

Так как ток на серии и, следовательно, на электролизере поддерживают практически постоянным, то по закону Ома за счет появления этого дополнительного сопротивления резко и быстро возрастает напряжение на электролизере. Повышенное напряжение на электролизере приводит к увеличению расхода энергии и разогреву электролита. Но пока не удается полностью отказаться от анодного эффекта при ведении промышленного электролиза. Дело в том, что анодный эффект позволяет в определенной мере контролировать ход процесса электролиза. Если анодный эффект слишком долго не возникает, значит глинозема расходуется мало, т.е. электролизер работает недостаточно эффективно и необходимо устранить причину этого.

8 стр., 3750 слов

Способы получения алюминия

... 4]). Рис. 2.1. Схема производства алюминия из глинозема. Расплавленный алюминий при температуре электролиза (950–960°С) тяжелее электролита и находится на подине электролизера. Криолитоглиноземные расплавы – очень агрессивны, ... в период с 1854 по 1890 г. Получение алюминия химическим способом не могло обеспечить промышленность дешевым металлом. Он был малопроизводителен и не давал чистый ...

Ликвидируют анодные эффекты догрузкой свежей порции глинозема и перемешиванием электролита. [2,3,4]

4 Потери металла при электролизе и выход по току

Обычно при электролизе удается получить меньшее количество вещества, чем должно быть получено по закону Фарадея, т.е. выход по току обычно оказывается меньше единицы, а если выражать его в процентах –меньше 100%. Часть металла теряется в результате ряда побочных процессов. Механизм этих потерь представляется

Выделяющийся на катоде металлический алюминий в не больших количествах растворяется в электролите. Вследствие довольно интенсивной циркуляции электролита растворенный алюминий вступает в контакт с анодным газом и окисляется по реакции:

2Al + 3CO 2 = Al2 O3 + 3CO.

Выход по току будет уменьшаться с увеличением растворимости алюминия в электролите. Растворимость металла сильно увеличивается с повышением температуры, а также зависит от состава электролита.

Большое влияние на величину потерь алюминия оказывает электромагнитные явления, вызывающие движение металла в электролизере и, вероятно, движение газов, выделяющихся при электролизе. Увеличение плотности тока повышает количество газов, выделяющихся на аноде. Это усиливает интенсивность движения и перемешивания электролита и толщину слоя электролита, насыщенного газами. Все это увеличивает потери металла. [2]

5 Сырье для производства алюминия

5.1 Глинозем

Основным сырьем для электролитического получения алюминия служит глинозем, или окись алюминия Al 2 O3 .

Извлечение окиси алюминия из руд осуществляется сложными химическими способами. Получаемый продукт представляет собой тонкий белый порошок, сухой и жесткий на ощупь, с насыпной массой 0,8-1,0 г/см 3 при истинной плотности кристаллического глинозема 3,7-4,0 г/см3 .

Порошкообразный глинозем является хорошим тепло- и электроизолятором, абразивен; размеры частиц колеблются от десятых долей миллиметра до нескольких микронов.

К техническому глинозему, поступающему на электролиз, предъявляется ряд требований:

1) минимальное содержание вредных примесей, поскольку они либо переходят в алюминий, либо ухудшают свойства электролита;

2) хорошая растворимость в электролите во избежание образования на подине электролизера глиноземистых осадков;

3) достаточная текучесть при возможно меньшей распыляемости для того, чтобы можно было организовать транспортировку глинозема без больших механических потерь.