Использование электрической энергии в электрохимическом производстве

В металлургии цветных металлов и в ряде химических производств широко используются электрохимические процессы, и в первую очередь электролиз, который применяется для рафинирования меди, никеля, свинца, получения алюминия, цинка, магния, водорода, хлора и ряда других химических веществ.

► Сущность электролиза заключается в выделении из электролита при протекании через него постоянного тока частиц вещества и осаждении их на электродах (этот процесс называется экстракцией) или в переносе веществ с одного электрода через электролит на другой (электролитическое рафинирование).

В электролитах переносчиками зарядов служат ионы обоих зарядов. При протекании ионного тока (рис. 254) положительно заряженные ионы — катионы будут двигаться к катоду (это в основном металлы и водород), а отрицательно заряженные ионы — анионы (хлор, кислород, ОН^-, SO^-₄) — к аноду. У анода анионы отдают свой заряд и превращаются в нейтральные частицы, оседающие на электроде. У катода катионы отбирают электроны и превращаются в нейтральные частицы. Выделяющийся на электроде газ в виде пузырьков поднимается наверх. При этом раствор электролита обедняется и для поддержания непрерывности процесса электролиза его концентрацию необходимо сохранять на определенном уровне, пополняя электролит исходными соединениями.

► При электролитическом рафинировании материал анода вступает в реакцию с электролитом, растворяется в нем по мере его обеднения, и частицы анода, приобретая положительный заряд, направляются к катоду. На катоде выделяется материал, свободный от примесей, гораздо более чистый, чем тот, который растворяется на аноде (например, производство меди).

Электролиз кроме перечисленных процессов широко применяется для нанесения металлических покрытий из материалов анода или соединений, растворенных в электролите, на поверхность детали, служащей катодом (хромирование, лужение, никелирование и т. п.). Такой процесс называется гальваностегией.

Электрохимические процессы используются для получения металлических копий с изделий, получивших название матриц. Такой процесс называется гальванопластикой. Широкое применение гальванопластика получила в полиграфии. Явление электролиза используется при очистке (травлении) поверхностей деталей от загрязнений путем снятия с них тонкого поверхностного слоя. Объект травления в этом случае служит анодом.

Электрохимические процессы широко используют в цветной металлургии для производства алюминия. Процесс получения алюминия заключается в разложении глинозема А1₂O₃. При этом на катоде выделяется алюминий, а на аноде — кислород. Однако глинозем имеет высокую температуру плавления (2050°С) и не электропроводен. Поэтому его растворяют в расплавленном криолите Na₃AlF₆. Смесь оксида алюминия с криолитом имеет более низкую температуру плавления (950°С) и служит электролитом для получения алюминия. Такая относительно высокая рабочая температура процесса заставляет в качестве материалов электродов и футеровки электролизеров ванны, где получают металл, применять уголь или графит.

Современные электролизеры для получения алюминия работают на постоянном токе при плотности тока на аноде 7000— 10 000 А/м², при дальнейшем увеличении плотности тока усиливаются побочные реакции, которые приводят к увеличению падения напряжения на ванне и увеличению удельного расхода электроэнергии. Нормальное напряжение на ванне составляет 4,2—4,5 В, а удельный расход электроэнергии на тонну алюминия 14 000—18 000 кВт-ч.

Ванны включают последовательно; они образуют серию, состоящую из десятков и сотен ванн. Токи ванн достигают 200— 250 тыс. ампер. В связи с этим к ошиновке ванн предъявляются высокие требования, особенно к качеству неразъемных и разъемных контактных шин и шинных пакетов.

► Производство алюминия является одним из наиболее энергоемких процессов, поэтому для питания электролизных ванн постоянным током в десятки и сотни тысяч ампер используется мощный выпрямительный агрегат, который подключается к заводским сетям напряжением 6, 10 и 35 кВ.

Этот агрегат состоит из специального понизительного трансформатора, выпрямительных блоков, высоковольтного выключателя и аппаратуры защиты управления и сигнализации. Мощные выпрямительные агрегаты выполняются на ртутных управляемых вентилях, а также на кремниевых силовых диодах.

Установки промышленного электролиза относятся к крупным потребителям электроэнергии. Они потребляют из сети активную мощность в течение продолжительного времени. Отключения установок очень редки лишь в период ремонта. Пусковые режимы установок характеризуются плавным повышением напряжения и мощности в течение нескольких десятков часов, таким образом не создается трудности для системы электроснабжения. Коэффициент мощности установок промышленного электролиза не ниже 0,92.