Состав анодных газов и расход углерода

Существование на аноде химисорбированного кислорода приводит к тому, что парциальное давление кислорода на аноде оказывается выше, чем упругость диссоциации СО2 на углерод и кислород. В этих условиях первичным анодным газом может быть только СО2. Если бы образовалось СО, оно немедленно окислялось бы избыточным хемисорбированным кислородом СО2. Поэтому первичной реакцией, протекающей в электролизе, будет (4). Окись углерода, всегда присутствующая в анодных газах, образуется в результате вторичных реакций: взаимодействия, растворенных в электролите натрия, субфторидов натрия и алюминия с СО2 — реакция (16) и окисления углекислым газом не поляризованного углерода.

СО2 + С = 2СО (17).

Как известно, равновесие этой реакции (Будуара) при температуре электролиза сильно сдвинуто вправо — в равновесной газовой смеси содержание СО достигает 98%. Первичный углекислый газ окисляет анод, проходя через поры и трещины в нем (вне зоны поляризаций). Кроме того. СО2 взаимодействует с угольной пеной, взвешенной в электролите, реагирует с боковыми гранями анода, выступающими из электролита.

Итоговая реакция, протекающая в электролизере, представляет сумму реакций (6), (7), (13). Она может быть представлена уравнением.

Al2O3 + хС = 2Al + (3-х) СО2 + (2х — 3) СО (18).

Коэффициент X здесь подчеркивает переменный характер расхода углерода, который зависит от многих факторов: гидродинамики электролита, состояния и свойств анода, состава и температуры электролита и т.д. Как видно, минимальный теоретический расход углерода на 1 г-атом алюминия получается при х = 1,5 т. е,. когда вторичные реакции отсутствуют, минимальный расход отвечает х = 3.

где mс — удельный расход углерода, кг/кг алюминия; NСО2: — содержание СО2 в анодных газах, мольные доли.

Чем выше содержание СО2 в анодных газах, тем меньше расход углерода. Уравнение (19) не учитывает расход углерода в виде несгоревшей угольной пены, извлекаемой из электролизеров. Минимальный расход (Nсо2 = 1) составляет 0,333 кг/кг А1 или 0,112 г/А* ч.

В лабораторном опыте, который описывается в дальнейшем, возможно сравнить рассчитанные значения выхода по току алюминия и расхода углерода с теми величинами, которые получаются из привеса алюминия и потерь веса угольного анода, определенных экспериментально.

На промышленных электролизерах определение состава анодных газов дает ценную и оперативную информацию о состоянии электролизеров и помогает устранить возникшие неполадки в самом начале их развития.