Принципиальная схема электролизера с самообжигающимся анодом (Содерберга)

Электролит представляет собой расплав криолита с небольшим избытком фтористого алюминия, в котором растворен глинозем. Процесс протекает при переменных концентрациях глинозема от1% до 8%. Сверху в ванну опущен угольный анод, частично погруженный в электролит. Существует два основных типа расходуемых анодов самообжигающиеся и предварительно обожженные.

Самообжигающиеся аноды используют тепло электролиза для обжига анодной массы, состоящей из смеси кокса-наполнителя и связующего – пека. Сам угольный анод находится в стальной рубашке.

Обожженные аноды представляют собой предварительно обожженную смесь кокса и пекового связующего

К аноду подводится положительный полюс электрической цепи постоянного тока. Для самообжигающихся анодов - посредством запеченных в угольную часть анода стальных или сталь-алюминиевых токоподводов (штырей). Штыри посредством зажимов крепятся к анодной раме, подвешенной на домкратах. Домкраты перемещают анодную раму и весь анод.

Расплавленный алюминий при температуре электролиза 950-960⁰С тяжелее электролита и находится на подине электролизера. К подине подводится отрицательный полюс цепи постоянного тока.

Криолитоглиноземные расплавы очень агрессивны, противостоять им могут углеродистые материалы или некоторые новые материалы. Из них и выполняется внутренняя футеровка электролизера. В нижнюю часть угольной футеровки заделаны стальные стержни, через которые производится токоподвод. Для поддержания тепла в электролизере за углеродистой футеровкой ванны располагается огнеупорная и теплоизоляционная футеровка. Вся футеровка размещается в стальном кожухе.

Для преобразования переменного тока в постоянный применяются полупроводниковые выпрямители с напряжением 850В и коэффициентом преобразования 98,5%, установленные на кремниевой преобразовательной подстанции (КПП). Один агрегат дает ток силой до 63кА. Число таких агрегатов зависит от необходимой силы тока, т.к они включены параллельно.

Процесс, протекающий в электролизере, состоит в электролитическом разложении глинозема, растворенного в электролите.

Al ₂ O ₃ → 2 Al ⁺³ +3О^-2

Положительно заряженные катионы Al ⁺³ присоединяют свободные электроны катода 

Al ⁺³ +3е^- = Al ,

 превращаются в нейтральные атомы и выделяются на жидком алюминиевом катоде. По мере накопления жидкого алюминия он выливается с помощью вакуум  ковша. Вылитый металл направляется в литейное отделение для разливки в товарную продукцию.

Отрицательно заряженные анионы на положительно заряженном аноде превращаются в кислород:

О^-2-2е^-→О₂

Выделяющийся на угольном аноде кислород окисляет уголь до СО и СО₂, эти газы  и выделяются из -под анода.

Электролизеры оборудуются укрытиями, отводящими выделяющиеся газы в систему газоочистки. В отходящих от электролизёров газах преобладает СО₂ ( большая часть СО дожигается над электролитом либо в горелках), азот, кислород, газообразные и твердые фториды, частички глиноземной пыли. В системе газоочистки по определенной технологической схеме происходит очистка от вредных примесей и возврат фторидов в производство.

Суммарная реакция, происходящая в электролизере, может быть представлена уравнением

Al ₂ O ₃ + хС = 2 Al + (2х – 3) СО + (3-х) СО₂

Таким образом, теоретически на производство алюминия расходуется глинозем, углерод анода, электроэнергия для разложения глинозема и поддержания рабочий температуры.

Практически - расходуются фтористые соли, которые испаряются и впитываются в футеровку.

Производство алюминия - одно из самых энергоемких производств, расход электроэнергии достигает 14500-1800кВт-час на получение 1т алюминия.

Для получения 1т алюминия расходуется :

 глинозема - 1925-1930 кг/т;

углерода анода - 500-600кг/т;

фтористых солей - 50-70кг/т.

Все материалы , поступающие на электролиз, должны иметь минимальное количество примесей, более электроположительных чем алюминий ( железо, кремний, медь и др.), т.к они переходят в метал.

Расчёт электролизёра заданной мощности