電解槽的設(shè)計(jì)

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界面處發(fā)生還原反應(yīng)，以制取所需產(chǎn)品。對(duì)電解槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),合理選擇電極和隔膜材料,是提高電流效率、降低槽電壓、節(jié)省能耗的關(guān)鍵。目前電解槽正朝大容量、低能耗方向發(fā)展。

1.2電解槽存在的問題

隨著科技的快速發(fā)展，技術(shù)的成功開發(fā)以及各項(xiàng)新技術(shù)的綜合利用，越來越多的工廠使用產(chǎn)量大、自動(dòng)化程度高、環(huán)保節(jié)能、電流效率達(dá)93%~95%的電解槽。由于環(huán)保法規(guī)的日趨嚴(yán)格及國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的要求，大量側(cè)插自焙鋁電解槽都要足部改造為中間下料的小型預(yù)焙鋁電解槽。（鋁電解槽是一種特別的高溫冶煉設(shè)備，它不僅要起到盛裝鋁液，高溫熔融氯化鹽電解質(zhì)作用，而且底部炭塊要有良好的導(dǎo)電性及抗鈉、電解質(zhì)侵蝕能力，側(cè)襯材料具有良好的導(dǎo)熱、抗氧化性能。）對(duì)于中間下料預(yù)焙槽技術(shù)氧化鋁集中在中間參與，邊部氧化鋁濃度相對(duì)較低，是的側(cè)部炭塊失去保護(hù)，直接與電解質(zhì)、鋁液、氧化氣氛接觸，易被氧化、沖刷，加速側(cè)部炭塊的剝落、破損。側(cè)部炭襯很薄時(shí)，簡(jiǎn)單紅爐幫，給電解槽的操作帶來困難，稍有不慎就會(huì)造成側(cè)部漏爐，影響電解槽壽命，造成很大經(jīng)濟(jì)損失。因此急需開發(fā)一種導(dǎo)熱性好、耐侵蝕、抗氧化、絕緣性好的新型側(cè)襯材料，使電解槽側(cè)部形成穩(wěn)定的爐幫，理想的爐膛形狀，減少水平電流，提高電流效率，防止電解槽側(cè)部的早期破損，延長(zhǎng)電解槽壽命。

1.3電解槽

電解槽因內(nèi)部部件材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、安裝等不同表現(xiàn)出不同的性能與特點(diǎn)。兩家大型銅電積廠的工作參數(shù)如下表所示。

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大型電積廠的電解槽的工作參數(shù)廠名生產(chǎn)能力/t/a數(shù)量/個(gè)材料襯里尺寸（長(zhǎng)*寬*高）/m電解槽陽(yáng)極，陰極數(shù)巡查系統(tǒng)清槽周期/d酸霧控制進(jìn)液方式圣曼紐爾66000188水泥PVC6*1.25*1.461.60紅外線60聚乙烯小球底邊盤管NCCM1670001120水泥Pb，6%Sb，PVC4.6*1.1*1.441,40或61,60目視150∮2cmPVC球上部進(jìn)液

1.3.1電解槽結(jié)構(gòu)

（1）例如按電極的連接方式，可分為單極式和復(fù)極式兩類電解槽。單極式電解槽中同極性的電極與直流電源并聯(lián)連接，電極兩面的極性一致，即同時(shí)為陽(yáng)極或同時(shí)為陰極。復(fù)極式電解槽兩端的電極分別與直流電源的正負(fù)極相連，成為陽(yáng)極或陰極。電流通過串聯(lián)的電極流過電解槽時(shí)，中間各電極的一面為陽(yáng)極，另一面為陰極,因此具有雙極性。當(dāng)電極總面積一致時(shí),復(fù)極式電解槽的電流較小，電壓較高，所需直流電源的投資比單極式者省。復(fù)極式一般采用壓濾機(jī)結(jié)構(gòu)形式，比較緊湊。但易漏電和短路，槽結(jié)構(gòu)和操作管理比單極式繁雜。單極式電解槽截面一般為長(zhǎng)方形或方形，圓筒形占地大,空間利用率低,采用較少。

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（2）在電解槽中，基本上都用隔膜將陰、陽(yáng)極室隔開，隔膜可以防止陰、陽(yáng)兩極產(chǎn)物混合，避免可能發(fā)生的有害反應(yīng)。隔膜需有一定的孔隙率，能使離子通過，而不使分子或氣泡通過，當(dāng)有電流流過時(shí)，隔膜的歐姆電壓降要低。這些性能要求在使用過程中基本不變，并且要求在陰、陽(yáng)極室電解液的作用下，有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。電解水時(shí)，陰、陽(yáng)極室的電解液一致，電解槽的隔膜只需將陰、陽(yáng)極室隔開，以保證氫、氧純度，并防止氫氧混合發(fā)生爆炸。更多見的比較繁雜的狀況是電解槽中陰、陽(yáng)極室的電解液組成不同。這時(shí)隔膜還需要阻止陰、陽(yáng)極室電解液中電解產(chǎn)物的相互擴(kuò)散和作用，如氯堿生產(chǎn)中隔膜法電解槽中的隔膜，可以增大陰極室氫氧離子向陽(yáng)極室擴(kuò)散和遷移的阻力。隔膜由惰性材料制作，如氯堿工業(yè)中長(zhǎng)期使用的石棉隔膜。但石棉隔膜性能不穩(wěn)定，當(dāng)鹽水中含有鈣、鎂雜質(zhì)時(shí)，簡(jiǎn)單在隔膜中生成氫氧化物沉淀，降低透過率；在比較高的溫度和在電解液作用下，還會(huì)發(fā)生膨脹、松脫。為此可以在石棉中參與樹脂作為加強(qiáng)材料，或以樹脂為主體做成微孔隔膜，在穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度方面都有很大改進(jìn)。近年來氯堿生產(chǎn)開發(fā)的陽(yáng)離子交換膜是新型的隔膜材料。它具有對(duì)離子透過的選擇性，可使氯離子基本上不進(jìn)入陰極室，從而可以制得氯化鈉含量極低的堿液。

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電解槽示意圖

1.3.2電解槽內(nèi)部部件材質(zhì)

電解槽由整體的聚合物混合凝土制成，安裝時(shí)下面鋪襯了聚乙烯板，以防止溢出的電解液造成短路。

電解槽內(nèi)襯,不同位置所起的作用不同,生產(chǎn)過程中所受到的影響也不同。因此,應(yīng)當(dāng)依據(jù)不同位置內(nèi)襯的作用采用不同的材質(zhì),不同的配置方式,以實(shí)現(xiàn)最大限度發(fā)揮每種材料的正面作用,降低其負(fù)面影響,最大限度提高電解槽壽命,降低生產(chǎn)過程中的額外能量消耗。

鋁電解側(cè)部砌筑傳統(tǒng)用耐火磚，在使用中液體電解質(zhì)滲透時(shí)易損壞，我廠和科研單位合作，開發(fā)出鋁電解槽高強(qiáng)防滲澆注料，選用合理的鋁硅系原料，引入復(fù)合結(jié)合劑和多種添加劑，混練澆注鋁電解槽側(cè)部，當(dāng)液體電解質(zhì)從碳磚縫隙滲出時(shí)會(huì)反應(yīng)生成致密的玻璃體狀霞石，阻擋延續(xù)滲入，并具有

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強(qiáng)度、體密小、導(dǎo)熱系數(shù)低，施工便利等特點(diǎn)，產(chǎn)品在十多家鋁廠電解槽上應(yīng)用，得到廠家的高贊和好評(píng)。高強(qiáng)防滲澆注料技術(shù)性能見下表：

項(xiàng)目SiO2+Al2O3單位%DFGL≥90≥16903s*o耐火度3s*oQ2P+m5b&j3體積密度抗折強(qiáng)度110℃×24h110℃×24h1000℃×3h3U6O8u+\\/f4l8`\耐壓強(qiáng)度燒后線變化率導(dǎo)熱系數(shù)

110℃×24h1000℃×3h1000℃×3h700℃#Wm'a9h(~-y.a'F1Z6_%W/m.k6S#\\4v/G4A/W9H*OMPa{._g/cm3MPa≥2.2≥5.0≥10.0≥35.0≥60.0≤-0.3≤0.6鋁電解槽用高強(qiáng)輕質(zhì)澆注料世界工業(yè)的發(fā)展節(jié)能、環(huán)保提出更新更高的要求，工業(yè)爐窯的進(jìn)步，爐窯的降耗、節(jié)能列入設(shè)計(jì)重要指標(biāo)。%ZX4s:我單位長(zhǎng)期摸索、實(shí)踐、開發(fā)出適應(yīng)電解槽應(yīng)用的輕質(zhì)保溫耐火材料。采用輕質(zhì)高強(qiáng)澆注料，對(duì)降低電解槽外殼溫度和儉約能源有良好作用。輕質(zhì)保溫澆注料技術(shù)性能見下表：67

（2）電極糊（包括標(biāo)準(zhǔn)、非標(biāo)準(zhǔn)電極糊）；（3）底糊（包括多灰、少灰底糊）；（4）密閉糊（包括多灰、少灰密閉糊）；

（5）其它糊（包括粗縫糊、細(xì)縫糊、自焙炭磚等）。8．非標(biāo)準(zhǔn)炭、石墨制品類

這是指用炭、石墨制品經(jīng)過進(jìn)一步加工而改制成的各種異型

炭、石墨制品。包括鏟型陽(yáng)極、制氟陽(yáng)極以及各種規(guī)格的坩堝、板、棒、塊等異型品。

9．不透性石墨類

這是指經(jīng)樹脂及各種有機(jī)物浸漬、加工而制成的各種石墨異

型品，包括熱交換器的基體塊。

10．電炭產(chǎn)品類

這是指炭精棒、電刷等產(chǎn)品。

2.2.2.4碳素材料在電解質(zhì)中的反應(yīng)特性

Gudbrandeen等、Oedegaerd、EgilSkybakmoen等隨碳素材料的測(cè)試研究說明：C在冰晶石熔體中的溶解行為主要按下面反應(yīng)進(jìn)行：

Al4C3+5AlF3+9NaF=3Na3Al3CF8（1）Na3Al3CF8在陽(yáng)極上按下面反應(yīng)進(jìn)行：Na3Al3CF8+NaF=C+3AlF3+4Na﹢+4eˉ(2)

在低電流密度例如石墨基本體上，反應(yīng)（2）可逆進(jìn)行。

在無(wú)電解質(zhì)爐幫的狀況下，炭側(cè)塊在冰晶石熔體中的陰極性溶解按反應(yīng)（2）的反方向進(jìn)行：

C+3AlF3+4Na﹢+4eˉ=Na3Al3CF8+NaF（3）

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總反應(yīng)將是（2）+（3）;

C（陰極）=C(陽(yáng)極)（4）

在電解槽側(cè)部無(wú)電解質(zhì)爐幫的狀況下，炭作為導(dǎo)體，以為這炭素側(cè)襯在電解質(zhì)中腐蝕，在陽(yáng)極沉積。這也是無(wú)電解質(zhì)爐幫的電解槽，側(cè)部炭塊除上部氧化嚴(yán)重外，中下部腐蝕脫落也嚴(yán)重，造成電解槽壽命低的一個(gè)主要原因。

2.2.3炭素材料和玻璃鋼材料的比較

玻璃鋼材料與炭素材料相比，具有相當(dāng)高的體積密度、耐壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，完全可以滿足作為電解槽側(cè)襯材料的機(jī)械性能要求；另外，玻璃鋼材料有比炭素材料高得多的電阻率和導(dǎo)熱系數(shù)；點(diǎn)擊誒生產(chǎn)過程中，在出現(xiàn)陽(yáng)極效應(yīng)和供電變化等飛穩(wěn)定因素導(dǎo)致側(cè)部爐幫可能溶化的狀況下，玻璃鋼材料作電解槽側(cè)襯，由于其高絕緣可以防止側(cè)部漏電，減少水平電流，有利于提高電流效率;其高導(dǎo)熱性可以滿足電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)所要求的底部和側(cè)下部保濕，側(cè)上部散熱的工藝條件，有利于生成較理想的電解質(zhì)爐幫保護(hù)層，提法哦電解槽運(yùn)行的熱穩(wěn)定性。規(guī)整的槽內(nèi)型既有利于提高電流效率，又有利于提高電解槽的使用壽命。

此外，（1）SZS電解槽壁厚70mm，槽間距10mm，相鄰兩壁共150mm厚，傳統(tǒng)槽壁厚115mm，槽間距30mm，相鄰兩壁共260mm厚，故SZS電解槽每臺(tái)比傳統(tǒng)槽節(jié)省110mm廠房長(zhǎng)度,而相應(yīng)的導(dǎo)電線槽間電排，以及槽間墊板也都在寬度上縮短了110mm；（2）SZS電解槽因絕緣性能強(qiáng)大，無(wú)需加墊；（3）玻璃鋼材料相對(duì)其他材料較低廉，加工工藝也較為便利；（4）由于強(qiáng)度、耐蝕性能等增加，增加使用壽命，降低了維修費(fèi)。

總之，使用SZS電解槽不但在設(shè)備投資上不予增加，反而對(duì)提高產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量，降低成本起到重要的作用。

三、結(jié)論

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電解是濕法冶金的主要方法之一，電解槽的設(shè)計(jì)直接影響電解效果，隨著科技的進(jìn)步，材料科學(xué)也大大提升，不僅僅局限于單一材料，在電解槽的設(shè)計(jì)中，人們也采用了一些新型復(fù)合材料，例如玻璃鋼、氮化硅結(jié)合碳化硅等，復(fù)合型材料解決了單一材料的一些缺陷，但是復(fù)合材料也不是十全十美的，需要根據(jù)不同的需求、價(jià)格、要求特別性能等條件，決定材料的選擇。以下是玻璃鋼電解槽優(yōu)越于一般炭素材料電解槽的總結(jié):

1、玻璃鋼材料用作電解槽的側(cè)襯材料，無(wú)論是在機(jī)械性能、物理化學(xué)性能還是在抗腐蝕性能明顯優(yōu)于碳素材料；

2、使用玻璃鋼，既充分利用了玻璃鋼的良好抗電解質(zhì)腐蝕性，又可以降低成本。電解槽還可采用模具一次性整體澆鑄而成，整體性好、尺寸精度高、預(yù)埋件確鑿，吊裝到位墊平即可，安裝簡(jiǎn)單，易調(diào)整。

3、電解槽由于其可靠的質(zhì)量、超強(qiáng)的耐腐蝕性能、較高的強(qiáng)度成就了它的免維護(hù)性能，可以使企業(yè)避免因頻繁維護(hù)、更換槽體而造成的人力、物力、時(shí)間的浪費(fèi)。

4、電解槽使用壽命長(zhǎng)，一般無(wú)需更換。從而解決了其它電解槽更換后無(wú)法處理而污染環(huán)境的問題。

5、由于玻璃鋼材質(zhì)透明，若采用一次性整體澆鑄，在側(cè)部裝上燈管，可以便利槽的檢查，不必一一提出檢查，避免