电解槽的设计论文.docx

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电解槽的设计论文

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题目：

电解槽的设计

姓名：

杨倩

学号：

200706023

专业：

材料工程

指导教师：

刘柳

2010年5月

摘要：

电解是湿法冶金的主要方法之一，所用主要设备电解槽由槽体、电解液、阳极和阴极组成，电解就是通过阴阳极在电解液中的电子迁移，得到所需金属的方法。

在电解槽的设计中，电解槽内衬是影响槽体的主要原因之一，构成材料必须耐腐蚀、具有良好的绝缘性、热导性、与高强度。

经研究分析，玻璃钢材料优越于炭素材料，是替代炭素材料电解槽内衬的理想材料。

关键词：

电解槽，电解，电极，电解槽内衬，阴极，阳极，玻璃钢材料，炭素材料

AbstractElectrolysisisoneofthemainmethodshydrometallurgy,themainequipmentusedinelectrolyticcellbythetank,electrolyte,anodeandcathodecomposition,electrolysisisthenegativepoleoftheelectronmobilityintheelectrolyte,toobtaintherequiredmethodofmetal.Thedesignoftheelectrolyzer,electrolyzertankliningisoneofthemaineffects,constitutematerialmustbecorrosion-resistant,hasgoodinsulation,thermalconductivity,andhighstrength.Afteranalysis,theglassissuperiortocarbonsteelmaterials,isanalternativecarbonmaterialanidealmaterialforelectrolyticcelllining.

KeywordsElectrolyzer,electrolysis,electrode,electrolyticcelllining,cathode,anode,glassfiberreinforcedmaterials,carbonmaterials

一、电解槽综述

1.1电解槽的简述

电解槽是电解所用的主题设备。

所谓电解（Electrolysis）是将电流通过电解质溶液或者熔融态物质（又称电解液），在阴极和阳极上引起氧化还原反应的过程，电化学电池在外加电压时可以发生电解过程。

即电流通过物质而引起化学变化的过程，是物质失去或获得电子的过程。

此过程一般是在电解池中进行，电解池是由分别侵没在含有正、负离子的溶液中的阴阳两个电极构成，电流流进负电极（阴极），溶液中带有正电荷的正离子迁移到阴极，与电子结合，变成中性的元素或分子；带负电荷的负离子迁移到另一电极（阳极），给出电子，变成中性元素或分子。

电解在现今广泛用于冶金工业中，如从矿石或化合物中提取金属（电解冶金）或提纯金属（电解提纯），以与从溶液中沉积出金属（电镀）。

下图是电解的原理：

电解槽中文（DianJieCao）;英文（Electrolyzer）。

所谓电解槽:

就电解质储存槽叫电解槽。

电解槽材质种类:

PP/PPN/FRP/CPVC/PVDF。

电解槽可分为隔膜电解槽和无隔膜电解槽两类。

隔膜电解槽又可分为均向膜（石棉绒）、离子膜与固体电解质膜（如β-Al2O3）等形式；无隔膜电解槽又分为水银电解槽和氧化电解槽等。

工业中使用的电解槽由槽体、电解液、阳极和阴极组成，多数用隔膜将阳极室和阴极室隔开。

按电解液的不同分为水溶液电解槽、熔融盐电解槽和非水溶液电解槽三类。

当直流电通过电解槽时,在阳极与溶液界面处发生氧化反应,在阴极与溶液界面处发生还原反应，以制取所需产品。

对电解槽结构进行优化设计,合理选择电极和隔膜材料,是提高电流效率、降低槽电压、节省能耗的关键。

目前电解槽正朝大容量、低能耗方向发展。

1.2电解槽存在的问题

随着科技的快速发展，技术的成功开发以与各项新技术的综合利用，越来越多的工厂使用产量大、自动化程度高、环保节能、电流效率达93%~95%的电解槽。

由于环保法规的日趋严格与国家产业政策的要求，许多侧插自焙铝电解槽都要足部改造为中间下料的小型预焙铝电解槽。

（铝电解槽是一种特殊的高温冶炼设备，它不仅要起到盛装铝液，高温熔融氯化盐电解质作用，而且底部炭块要有良好的导电性与抗钠、电解质侵蚀能力，侧衬材料具有良好的导热、抗氧化性能。

）对于中间下料预焙槽技术氧化铝集中在中间加入，边部氧化铝浓度相对较低，是的侧部炭块失去保护，直接与电解质、铝液、氧化气氛接触，易被氧化、冲刷，加速侧部炭块的剥落、破损。

侧部炭衬很薄时，容易红炉帮，给电解槽的操作带来困难，稍有不慎就会造成侧部漏炉，影响电解槽寿命，造成很大经济损失。

因此急需开发一种导热性好、耐侵蚀、抗氧化、绝缘性好的新型侧衬材料，使电解槽侧部形成稳定的炉帮，理想的炉膛形状，减少水平电流，提高电流效率，防止电解槽侧部的早期破损，延长电解槽寿命。

1.3电解槽

电解槽因内部部件材质、结构、安装等不同表现出不同的性能与特点。

两家大型铜电积厂的工作参数如下表所示。

厂名

圣曼纽尔

NCCM

生产能力/t/a

66000

167000

电解槽

数量/个

188

1120

材料

水泥

水泥

衬里

PVC

Pb，6%Sb，PVC

尺寸（长*宽*高）/m

6*1.25*1.4

4.6*1.1*1.4

阳极，阴极数

61.60

41,40或61,60

巡查系统

红外线

目视

清槽周期/d

60

150

酸雾控制

聚乙烯小球

∮2cmPVC球

进液方式

底边盘管

上部进液

大型电积厂的电解槽的工作参数【1】

1.3.1电解槽结构

（1）例如按电极的连接方式，可分为单极式和复极式两类电解槽。

单极式电解槽中同极性的电极与直流电源并联连接，电极两面的极性相同，即同时为阳极或同时为阴极。

复极式电解槽两端的电极分别与直流电源的正负极相连，成为阳极或阴极。

电流通过串联的电极流过电解槽时，中间各电极的一面为阳极，另一面为阴极,因此具有双极性。

当电极总面积相同时,复极式电解槽的电流较小，电压较高，所需直流电源的投资比单极式者省。

复极式一般采用压滤机结构形式，比较紧凑。

但易漏电和短路，槽结构和操作管理比单极式复杂。

单极式电解槽截面一般为长方形或方形，圆筒形占地大,空间利用率低,采用较少。

（2）在电解槽中，基本上都用隔膜将阴、阳极室隔开，隔膜可以防止阴、阳两极产物混合，避免可能发生的有害反应。

隔膜需有一定的孔隙率，能使离子通过，而不使分子或气泡通过，当有电流流过时，隔膜的欧姆电压降要低。

这些性能要求在使用过程中基本不变，并且要求在阴、阳极室电解液的作用下，有良好的化学稳定性和机械强度。

电解水时，阴、阳极室的电解液相同，电解槽的隔膜只需将阴、阳极室隔开，以保证氢、氧纯度，并防止氢氧混合发生爆炸。

更多见的比较复杂的情况是电解槽中阴、阳极室的电解液组成不同。

这时隔膜还需要阻止阴、阳极室电解液中电解产物的相互扩散和作用，如氯碱生产中隔膜法电解槽中的隔膜，可以增大阴极室氢氧离子向阳极室扩散和迁移的阻力。

隔膜由惰性材料制作，如氯碱工业中长期使用的石棉隔膜。

但石棉隔膜性能不稳定，当盐水中含有钙、镁杂质时，容易在隔膜中生成氢氧化物沉淀，降低透过率；在比较高的温度和在电解液作用下，还会发生膨胀、松脱。

为此可以在石棉中加入树脂作为增强材料，或以树脂为主体做成微孔隔膜，在稳定性和机械强度方面都有很大改进。

近年来氯碱生产开发的阳离子交换膜是新型的隔膜材料。

它具有对离子透过的选择性，可使氯离子基本上不进入阴极室，从而可以制得氯化钠含量极低的碱液。

电解槽示意图

1.3.2电解槽内部部件材质

电解槽由整体的聚合物混合凝土制成，安装时下面铺衬了聚乙烯板，以防止溢出的电解液造成短路。

电解槽内衬,不同位置所起的作用不同,生产过程中所受到的影响也不同。

因此,应该依据不同位置内衬的作用采用不同的材质,不同的配置方式,以实现最大限度发挥每种材料的正面作用,降低其负面影响,最大限度提高电解槽寿命,降低生产过程中的额外能量消耗。

铝电解侧部砌筑传统用耐火砖，在使用中液体电解质渗透时易损坏，我厂和科研单位合作，开发出铝电解槽高强防渗浇注料，选用合理的铝硅系原料，引入复合结合剂和多种添加剂，混练浇注铝电解槽侧部，当液体电解质从碳砖缝隙渗出时会反应生成致密的玻璃体状霞石，阻挡延续渗入，并具有强度、体密小、导热系数低，施工方便等特点，产品在十多家铝厂电解槽上应用，得到厂家的高赞和好评。

【2】高强防渗浇注料技术性能见下表：

项目

单位

DFGL

SiO2+Al2O3

%

≥90

耐火度3s*o&P+m5b&j

℃8z7x!

z;Q2{._

≥1690

体积密度

110℃×24h

g/cm3

≥2.2

抗折强度

110℃×24h

MPa

6S#\4v/G4A/W9H*O

≥5.0

1000℃×3h

≥10.0

3U6O8u+\/f4l8`"r

耐压强度

110℃×24h

MPa

#W  m'a9h（~-y.a'F1Z6_

≥35.0

1000℃×3h

≥60.0

烧后线变化率

1000℃×3h

%

≤-0.3

导热系数

700℃

W/m.k

≤0.6

铝电解槽用高强轻质浇注料　世界工业的发展节能、环保提出更新更高的要求，工业炉窑的进步，炉窑的降耗、节能列入设计重要指标。

　　我单位长期探索、实践、开发出适应电解槽应用的轻质保温耐火材料。

采用轻质高强浇注料，对降低电解槽外壳温度和节约能源有良好作用。

轻质保温浇注料技术性能见下表：

项目/性能指标/牌号

轻质高强浇注料

Al2O3%≥

DQ-0.6

DQ-0.8

DQ-1.0

DQ-1.2

DQ-1.4

DQ-1.6

体积密度g/cm3

-d;A+e/U9`1d.E3?

6Q$y%l110℃×24h≤$f1P;G6@:

l!

f4F,T

30

35

35

40

40

40

0.65

0.85

1.05

1.25

1.45

1.65

耐压强度

+n6`5_1l6Z0p8\'k3C%D）LMPa

0].H0y"J"v$h

110℃×24h

1.70

2.60

5.50

8.0

12.0

20.0

1000℃×3h

1.5

2.0

4.50

6.0

8.0

15.0

烧后线变化率%（m%l.|$G'e&\  A

1000℃×3h≤

-1.5

-1.2

-1.0

-0.95

-0.8

-0.5

热导率700℃U&V9L;p）\  q.Y"G

W/m.k≤/B#]  Q%B+w/K5b

0.21

0.23

0.25

0.30

0.35

0.42

二、电解槽内衬

2.1电解槽的内衬材料

长期以来人们一直采用炭素产品作为电解槽的侧部内衬材料。

以无烟煤为主要原料生产的普通炭块或半石墨质炭块，虽然能满足铝电解生产的基本要求，但存在着许多炭素材料本身固有的不足，融容易被高温的冰晶石电解质侵蚀，金属钠的