Отделение электролиза алюминия

                 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ  КАЗАХСТАН

 

ВОСТОЧНО  – КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Д. Серикбаева 
 

                     ФАКУЛЬТЕТ: ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ 

                 КАФЕДРА: ХИМИИ МЕТАЛЛУРГИИ И ОБОГАЩЕНИЯ

  
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

                            по дисциплине: Металлургия легких  металлов

 на тему: Отделение электролиза алюминия 
 
 
 
 
 
 
 

     Выполнил:

     студент группы 08- ЦМ 1

Утегенова Меруерт

     Принял: старший преподаватель

     Саденова  М. А 
 
 
 
 
 
 
 

                                            Усть – Каменогорск, 2011 год

                           

РЕФЕРАТ 

     Данная  курсовая работа содержит 40 лисов, 5 рисунков и 3 таблицы.

     Ключевые  слова: электролиз, электролизер, электролизная  ванна, анод, катод, глинозем, криолит, анодная масса, фтористый алюминий, руда, выщелачивание, обезвоживание.

     В курсовой работе изложены основные положения теории процесса электролиза алюминия; осуществлен выбор аппаратурно-технологической схемы отделения; приведены металлургические расчеты процесса.

   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение                  3

1 Общие  сведения                 4

2 Теоретические основы получения алюминия             4

3 Процессы, протекающие на электродах при электролизе алюминия 5

4 Потери металла при электролизе и выход по току           7

5 Сырье  для производства алюминия             8

     5.1 Глинозем                8

     5.2 Криолит и другие фтористые  соли            9

     5.3 Анодная масса              10

6 Конструкция  алюминиевых электролизеров         10

     6.1 Катодное устройство            11

     6.2 Анодное устройство            15

     6.3 Электролизеры с обожженными  анодами        15

     6.4 Ошиновка электролизеров           17

7 Расчет отделения электролиза алюминия         21

     7.1 Выбор конструкции электролизера и его электрических параметров                  21

     7.2 Расчет числа электролизеров и производительности серии       21

     7.3 Конструктивный расчет электролизера           23

     7.3.1 Размеры анода             23

     7.3.2 Внутренние размеры шахты электролизера         23

     7.3.3 Конструкция катода            24

     7.3.4 Размеры катодного кожуха           24

     7.4 Материальный расчет электролизера           25

     7.5 Электрический расчет электролизера           27

     7.5.1 Расчет токоподводящих проводников         27

     7.5.2 Составляющие среднего напряжения         29

     7.6 Энергетический расчет электролизера          34

     7.6.1 Приход тепла             35

     7.6.2 Расход тепла             36

Заключение                39

Список  литературы               40 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

     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 (А1₂О₃), 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^оС растворяют окись алюминия и некоторые другие добавки, полезные для процесса. [2]

     Основным  сырьем для электролитического получения  алюминия служит глинозем, или окись  алюминия Al₂O₃.

     Абсолютно чистый глинозем содержит 52,9 % Al и 47,1% О в соответствии со своей химической формулой Al₂O₃. [2,5]

     При электролизере в качестве растворителя глинозема применяется криолит, соответствующий химической формуле 3NaF*AlF₃ (Na₃AlF₆). 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 (CaF₂) 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] 

     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 (А1₂О₃), 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: 

     Al₂O₃ + 3C = 2Al + 3CO 

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

     4Al + 3C = Al₄C₃,  

     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^оС 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 Na₃AlF₆ и  Al₂O₃.

     Криолит диссоциирует на ионы:     

     Na₃AlF₆ = 3Na⁺ + . 

     Анион частично диссоциирует дальше:  

      = + . 

     Растворенный  глинозем диссоциирует по схемам: 

     2Al₂O₃ = Al³⁺ + 3Al или 

     Al₂O₃ = 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: 

            Al³⁺ + 3e = Al. 

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

     4Al +С = 2Al₂O₃ + CO₂ + 4e или 

     4Al +3C = 2Al₂O₃ + 3CO₂ + 12e. 

Таким образом, в результате электролиза  на катоде получается Al, а на аноде - CO₂ и суммарную реакцию можно представить в следующем виде:

 

     2Al +3C + 12F = 4AlF₃ + 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%.