Что такое электролизер, его принцип работы, конструкция и виды

Главная › База знаний ›

12.02.2019

Вопрос о том, что такое электролиз, рассматривается еще в школьном курсе физике, и для большинства людей не является секретом. Другое дело – его важность и практическое применение. Этот процесс с большой пользой используется в различных отраслях и может пригодиться для домашнего мастера.

Что такое электролиз?

Электролиз представляет собой комплекс специфических процессов в системе электродов и электролита при протекании по ней постоянного электрического тока.

Его механизм основывается на возникновении ионного тока. Электролит – это проводник 2-го типа (ионная проводимость), в котором происходит электролитическая диссоциация.

Она связана с разложением на ионы с положительным (катион) и отрицательным (анион) зарядом.

Катионами в основном являются ионы металлов и водород, а анионами – кислород, хлор. На катоде катионы присоединяют к себе избыточные электроны, что обеспечивает протекание восстановительной реакции Men+ + ne → Me (где n – валентность металла).

На аноде, наоборот, электрон отдается из аниона с протеканием окислительной реакции.

Таким образом, в системе обеспечивается окислительно-восстановительный процесс. Важно учитывать, что для его протекания необходима соответствующая энергия. Ее должен обеспечить внешний источник тока.

Законы электролиза Фарадея

Великий физик М.Фарадей своими исследованиями позволил не только понять природу электролиза, но и производить необходимые расчеты для его осуществления. В 1832 г. появились его законы, связавшие основные параметры происходящих процессов.

Первый закон

Первый закон Фарадея гласит, что масса восстанавливающегося на аноде вещества прямо пропорциональна электрическому заряду, наведенному в электролите: m = kq = k*I*t, где q – заряд, k – коэффициент или электрохимический эквивалент вещества, I – сила тока, протекающего через электролит, t – время прохождения тока.

Второй закон

Второй закон Фарадея позволил определить коэффициент пропорциональности k. Он звучит следующим образом: электрохимический эквивалент любого вещества прямо пропорционален его молярной массе и обратно пропорционален валентности. Закон выражается в виде:

k = 1/F*A/z, где F – постоянная Фарадея, А- молярная масса вещества, z – его химическая валентность.

С учетом обоих законов можно вывести окончательную формулу для расчета массы, оседающего на электроде вещества: m = A*I*t/(n*F), где n – количество электронов, участвующих в электролизе. Обычно n соответствует заряду иона. С практической точки зрения важна связь массы вещества с подаваемым током, что позволяет контролировать процесс, изменяя его силу.

  Как подключить и настроить интернет на телевизоре?

Электролиз расплавов

Один из вариантов электролиза – использование в качестве электролита расплав. В этом случае в электролизном процессе участвуют только ионы расплава. В качестве классического примера можно привести электролиз солевого расплава NaCl (поваренная соль).

К аноду устремляются отрицательные ионы, а значит, выделяется газ (Cl). На катоде будет происходить восстановление металла, т.е. оседание чистого Na, образующегося из положительных ионов, притянувших избыточные электроны. Аналогично можно получать другие металлы (К, Са, Li и т.д.

) из расправа соответствующих солей.

При электролизе в расплаве электроды не подвергаются растворению, а участвуют только в качестве источника тока. При их изготовлении можно использовать металл, графит, некоторые полупроводники. Важно, чтобы материал имел достаточную проводимость. Один из наиболее распространенных материалов – медь.

Особенности электролиза в растворах

Электролиз в водном растворе существенно отличается от расплава. Здесь имеют место 3 конкурирующих процесса: окисление воды с выделением кислорода, окисление аниона и анодное растворение металла. В процессе задействованы ионы воды, электролита и анода. Соответственно, на катоде может происходить восстановление водорода, катионов электролита и металла анода.

Возможность протекания указанных конкурирующих процессов зависит от величины электрических потенциалов системы. Протекать будет только тот процесс, который требует меньше внешней энергии.

Следовательно, на катоде будут восстанавливаться катионы, имеющие максимальный электродный потенциал, а на аноде – окисляться анионы с наименьшим потенциалом. Электродный потенциал водорода принят за «0».

Для примера, у калия он равен (-2,93 В), натрия – (-2,71 В), свинца (-0,13 В), а у серебра – (+0,8 В).

Электролиз в газах

Газ может исполнить роль электролита только при наличии ионизатора. В этом случае ток, проходя через ионизированную среду, вызывает необходимый процесс на электродах. При этом законы Фарадея не распространяются на газовый электролиз. Для его осуществления необходимы такие условия:

1. Без искусственной ионизации газа не поможет ни высокое напряжение, ни большой ток.
2. Для электролиза подходят лишь кислоты, не содержащие кислорода и находящиеся в газообразном состоянии, и некоторые газы.

Важно! При выполнении необходимых условий процесс протекает аналогично электролизу в жидком электролите.

Особенности процессов, происходящих на катоде и аноде

Для практического применения электролиза важно понимать, что происходит на обоих электродах при подаче электрического тока. Характерны такие процессы:

1. Катод. К нему устремляются положительно заряженные ионы. Здесь происходит восстановление металлов или выделение водорода. Можно выделить несколько категорий металлов по катионной активности. Такие металлы, как Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al, хорошо восстанавливаются только из расплава солей. Если используется раствор, то выделяется водород за счет электролиза воды. Можно обеспечить восстановление в растворе, но при достаточной концентрации катионов, у следующих металлов – Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Процесс протекает наиболее легко для Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
2. Анод. К этому электроду поступают отрицательно заряженные ионы. Окисляясь, они отбирают электроны у металла, что приводит к их анодному растворению, т.е. переходу в положительно заряженные ионы, которые направляются к катоду. Анионы также подразделяются по своей активности. Только из расплавов могут разряжаться такие анионы PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F. В водных растворах электролизу подвергаются не они, а вода с выделением кислорода. Наиболее легко реагируют такие анионы, как ОН, Cl, I, S, Br.

При обеспечении электролиза важно учитывать склонность материала электродов к окислению. В этом отношении выделяются инертные и активные аноды. Инертные электроды делаются из графита, угля или платины и не участвуют в снабжении ионами.

Факторы, влияющие на процесс электролиза

Процесс электролиза зависит от следующих факторов:

1. Состав электролита. Значительное влияние оказывают различные примеси. Они подразделяются на 3 типа – катионы, анионы и органика. Вещества могут быть более или менее отрицательными, чем основной металл, что и мешает процессу. Среди органических примесей выделяются загрязнители (например масла) и ПАВ. Их концентрация имеет предельно допустимые значения.
2. Плотность тока. В соответствии с законами Фарадея, масса осаждаемого вещества увеличивается с увеличением силы тока. Однако возникают неблагоприятные обстоятельства – концентрированная поляризация, повышенное напряжение, интенсивный разогрев электролита. С учетом этого существуют оптимальные значения плотности тока для каждого конкретного случая.
3. рН электролита. Кислотность среды также выбирается с учетом металлов. Например оптимальное значение кислотности электролита для цинка – 140 г/куб.дм.
4. Температура электролита. Она влияет неоднозначно. С увеличением температуры растет скорость электролиза, но повышается и активность примесей. Для каждого процесса есть оптимальная температура. Обычно она находится в пределах 38-45 градусов.

Важно! Электролиз можно ускорить или замедлить путем различных воздействий и выбора состава электролита. Для каждого варианта применения существует свой режим, который следует строго соблюдать.

Где применяется электролиз?

Электролиз применяется во многих сферах. Можно выделить несколько основных направлений использования для получения практических результатов.

Гальваническое покрытие

Тонкое, прочное гальваническое покрытие из металла можно наложить путем электролиза. Покрываемое изделие устанавливается в ванну в виде катода, а электролит содержит соль нужного металла. Так можно покрыть сталь цинком, хромом или оловом.

  Как правильно выбрать аккумулятор для автомобиля?

Электроочистка – рафинирование меди

Примером электроочистки может служить такой вариант: катод – чистая медь, анод – медь с примесями, электролит – водный раствор медного сульфата. Медь из анода переходит в ионы и оседает в катоде уже без примесей.

Добыча металлов

Для получения металлов из солей они переводятся в расплав, а затем обеспечивается электролиз в нем. Достаточно эффективен такой способ для получения алюминия из бокситов, натрия и калия.

Анодирование

При этом процессе покрытие выполняется из неметаллических соединений. Классический пример – анодирование алюминия. Алюминиевая деталь устанавливается, как анод. Электролит – раствор серной кислоты.

В результате электролиза на аноде оседает слой из оксида алюминия, обладающего защитными и декоративными свойствами. Указанные технологии широко используются в различных отраслях промышленности.

Можно осуществить процессы и своими руками с соблюдением техники безопасности.

Энергетические затраты

Электролиз требует больших энергетических затрат. Процесс будет иметь практическую ценность при достаточной величине анодного тока, а для этого необходимо приложить значительный постоянный ток от источника электроэнергии.

Кроме того, при его проведении возникают побочные потери напряжения – анодное и катодное перенапряжение, потери в электролите за счет его сопротивления.

Эффективность работы установки определяется путем отнесения мощности энергозатрат к единице полезной массы полученного вещества.

Электролиз давно и с высокой эффективностью используется в промышленности. Анодированные и гальванические покрытия стали обычным явлением в повседневной жизни, а добыча и обогащение материалов помогает добывать многие металлы из руды. Процесс можно запланировать и рассчитать, зная основные его закономерности.

Что такое электролиз и где он применяется? Ссылка на основную публикацию

Источник: https://odinelectric.ru/knowledgebase/chto-takoe-electroliz

Конструкции электролизеров и их оборудования

Широкое распространение в цветной металлургии получили две существенно различающихся разновидности электролизных процессов — получение алюминия электролизом и электролитическое рафинирование ряда цветных металлов.

Конструкция электролизеров для рафинирования черновой меди

Сущность рафинирования заключается в том, что литые аноды (пластины) из черновой меди и тонкие матрицы (пластины) из чистовой меди, служащие катодами, попеременно навешивают в электролизную ванну, заполненную электролитом, и через них пропускают постоянный ток.

При этом анод растворяется, т. е. медь в виде анионов переходит в жидкий электролит, а из него осаждается на катоде в виде слоя чистой меди.

Электролиз ведут в ваннах ящичного типа, внутренняя поверхность которых выложена кислотостойкими материалами (винипласт, стеклопластик и др.).

На отечественных заводах применяют медные электролизеры двух типов: ящичные и блочные, причем лучшие характеристики имеет прямоточный электролизер блочного типа. Один блок включает 10 ванн. Обычная длина ванны 3—6 м, глубина 1,1—1,3 м, ширина 1,0-1,1м. Электролит подают через коллектор 6 в первую ванну и далее он перетекает в последующие ванны через отверстия в стенах (рисунок 1).

Рисунок 1 — Электролизер для электролиза меди 1 — корпус ванны; 2 — футеровка; 3 — изолятор; 4 — катод; 5 — анод; 6 — коллектор; 7 — токоподводящая шина

Электролизеры бывают товарные (для получения товарного электролитического металла в виде катодов) и матричные (используемые для производства катодных основ). В матричных электролизерах применяют не расходуемые аноды, а в качестве катодов — матрицы (рисунок 2, а).

Матрицы изготовляют из катаной меди марок М1 и М2 или титана ВТ1-1. Наиболее эффективными являются титановые матрицы, отличающиеся большей долговечностью и менее трудоемким процессом сдирки основы. Матрица состоит из листа 1 толщиной Змм, приваренного к штанге 2. На конце штанги закреплена медная пластина 3, обеспечивающая надежный контакт с токоподводящей шиной.

Толщина осадка (катодной основы), наращиваемого на матрицы, составляет 0,5-0,6 мм. Осадок сдирают вручную на горизонтальных столах или вертикальных станках, и эта операция является трудоемкой.

Сборку катодов для товарных ванн на старых предприятиях выполняют также вручную. Собранный катод (рисунок 2, б) состоит из основы 1 и прикрепленной к ней ушками 2 полой медной штанги 3.

Аноды (рисунок 2, в) отливают из металла, прошедшего огневое рафинирование, на карусельных разливочных машинах в виде плоских фигурных пластин толщиной 35-45 мм с двумя ушками, предназначенными для подвески анодов в электролизере и их транспортирования.

Рисунок 2 — Элементы электролизера

В зависимости от размеров ванны предусмотрено от 16 до 35 анодов и от 17 до 36 катодов.

Загрузку анодов и выемку нарощенных катодных листов осуществляют краном с помощью бороны. Катодные основы в большинстве случаев загружают вручную.

Никелевые электролизеры отличаются от медных только конструкцией анодов и катодов, футеровкой и некоторыми технологическими особенностями.

Новым направлением развития электролитического рафинирования металлов является внедрение автоматизированных линий производства ленты для основ и сборки матричных катодов.

Так Гинцветметом разработана и внедрена на Норильском горнообогатительном комбинате непрерывная линия получения медной ленты для основ матричных катодов.

Далее лента сматывается с барабана и ее толщина наращивается до 0,4-0,5 мм во втором электролизере при движении ленты в электролите по петлевой траектории, после чего лента режется на куски.

Конструкция электролизеров для получения алюминия

В настоящее время единственным промышленным способом получения чистого алюминия является электролизный процесс. Исходным сырьем служит глинозем (АІ2О3), а основой электролита служит система криолит-глинозем.

В электролизнойванне при приложении между анодом и катодом напряжения 4,0-4,3 В в электролите происходит разложение глинозема на ионы алюминия и кислорода.

Анионы алюминия осаждаются на катоде, образуя слой жидкого алюминия на дне электролизера;  электролиз протекает при температуре 950-970° С.

Электролизеры подразделяют по следующим признакам: по конструкции анода —с самообжигающимися и обожженными анодами; по способу подвода тока к аноду — с боковым и верхним подводом; по мощности (силе тока) — малой мощности (40-50 кА), средней (50-90 кА) и большой (100-250 кА).

Самообжигающиеся аноды с боковым подводом применяли на ранее сооружавшихся электролизерах небольшой мощности и сегодня они считаются устаревшими.

В настоящее время эксплуатируют в основном мощные электролизеры с самоспекающимися анодами и верхним токоподводом и электролизеры с обожженными анодами.

Недостатком электролизеров с самоспекающимися анодами является выделение в процессе спекания загрязняющих атмосферу канцерогенных веществ.

Электролиз в электролизерах всех типов происходит в электролизной ванне прямоугольной формы с кожухом из стального листа, имеющего шамотную футеровку снаружи, а внутри обожженные угольные блоки и угольные плиты стен (кожух небольших и иногда средних электролизеров делают без днища). Ванна с угольной футеровкой является катодом, а сверху в ванну введен подвешиваемый анод (самоспекающийся из углеродистой массы или обожженный угольный).

Ванна глубиной 0,5—0,6м заполнена электролитом и находящимся под ним слоем жидкого алюминия. Поскольку допустимая удельная плотность проходящего через анод тока составляет 0,65-1,0 А /см2, то при росте мощности ванн увеличивается площадь анода; размеры поперечного сечения анода мощных ванн достигает 2,8 х 9 м, размеры ванны (внутри) 3,8 х 10м.

Электролизеры с самообжигающимися анодами и верхним токоподводом

Электролизеры с самообжигающимися анодами и верхним токоподводом применяют с 1959 г. В то время они были самыми мощными из всех типов электролизеров. Они непрерывно совершенствуются, увеличивается их мощность, улучшаются отдельные узлы, а для их обслуживания применяют машины современных конструкций. Поперечный разрез подобного электролизера показан на рисунке 3.

Кожух электролизера без днища; кожух вместе с подиной 2 из углеродистых блоков опирается на цоколь 1, т. е. кладку из красного кирпича внизу и шамотного кирпича вверху, укладываемых на бетонный фундамент.

Перед установкой угольных блоков в их нижнюю часть заливают чугуном стальные стержни 5, служащие токоподводом.

Анод 4 электролизера заключен в стальной кожух 7 и удерживается на токоподводящих штырях 14- В кожух 7 сверху периодически загружают анодную углеродистую массу, которая нагреваясь плавится и образует слой 22 жидкой массы, а ниже спекается, образуя угольный анод 4.

Рисунок 3 — Электролизер с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом (поперечный разрез)

Штыри 14 расположены по площади анода в четыре ряда на двух горизонтах и крепятся к анодным шинам эксцентриковыми зажимами 15. Общая масса сталеалюминиевого штырядиаметром 138 и длиной 2700 мм составляет 200 кг. Число штырей тем больше, чем больше мощность электролизера (т. е. чем больше сила тока электролизера)

Анодные шины 16 с закрепленными штырями опираются на анодную раму 10 через изоляторы. По мере срабатывания анода его опускают с помощью основного механизма.

При этом рама с анодом перемещается по четырем неподвижным винтам анодных домкратов 9, установленным на стойках 8, с помощью двух электромеханических приводов 20.

Каждый из них содержит электродвигатель и червячный редуктор и соединен со специальными червячными редукторами 11 домкратов 9 посредством трансмиссионных валов 12.

На анодной раме установлена рама 17 вспомогательного механизма, предназначенного для подъема кожуха анода 7.

Этот механизм по конструкции сходен с механизмом подъема анода и отличается только тем, что винты его домкратов 19 выполнены подвижными и перемещаются вместе с рамой 13 кожуха анода от привода 18. К кожуху анода крепится колокол 6 для сбора выделяющихся из электролизера газов.

Скорость перемещения анода и кожуха анода составляет примерно 0,3мм/с.

Электролизеры с обожженными анодами

Современный электролизер подобного типа показан на рисунки 4.

Кожух 6 электролизера имеет форму прямоугольного корыта и сварен из стальных листов. Своим днищем кожух опирается на поперерчные стальные балки 5, продольные балки 4 и через колонны 1 на фундамент. Стены кожуха укреплены ребрами жесткости, а продольные стены дополнительно контрфорсами 2.

Контрфорсы — этовертикальные балки, стянутые попарно на уровне днища кожуха поперечными стальными тягами 25.

Верхние концы контрфорсов прижаты к стенам кожуха, а нижние  концы каждой пары опираются на железобетонные балки 3, которые работают на сжатие, что препятствует деформации стенок (расширению кожуха).

Под ванны имеет внизу слой шамотного кирпича и выше него углеродистые блоки 7 с залитыми чугуном стальными стержнями — токоподводами 19; футеровка стен имеет слой шамота и внутри угольные плиты.

Опорой анодного устройства и механизмов его подъема-опускания служат две продольные балки 16, закрепленные на колоннах 24. Кроме того, балки выполняют следующую функцию. Вместе с уложенным на их верх горизонтальным стальным листом они образуют располагаемый вдоль оси ванны короб, служащий газосборным и газотводящим коллектором (из него газы отсасываются в систему газоочистки).

Анодное устройство состоит из двух рядов обожженных угольных блоков —анодов 8, подвешенных к двум токоподводящим шинам 13, которые расположены продольно с двух сторон от оси электролизера.

Каждый угольный анод 8 посредством четырех ниппелей 23 и кронштейна 17 крепится к алюминиевой токоподводящей штанге 9, которая эксцентриковым зажимом прикреплена к анодной шине 13.

Каждая анодная шина подвешена в двух точках к механизмам ее подъема-опускания, будучи шарнирно соединена с тягами (винтами) 14 этих механизмов.

Механизм подъема-опускания шин 13 с анодами имеет привод 12 (электродвигатель с червячным редуктором) и четыре домкрата 10, опирающиеся через неподвижную раму 20 на опорные балки 16.

При включении привода вращение через карданные валы 11 передается гайкам домкратов 10, что обеспечивает вертикальное перемещение винтов (тяг) 14 и, тем самым, подъем-опускание шин 13 с анодами.

Рисунок 4 — Электролизер с предварительно обожженным анодам

Укрытие электролизера обеспечивают горизонтальные крышки, опирающиеся на балки 21 и наклонные крышки 18, выполненные в виде наклонной рамы со створками. Можно открывать всю раму вверх (поз. 18, а) с помощью пневмоприводов 15 и рычажных механизмов 22 или же откидывать вверх отдельные наклонные створки.

Угольные блоки, расположенные в два ряда вдоль ванны, имеют размеры: ширина 700—900 мм, высота 550-650 мм и длина 1450-1600 мм. В блоке имеются гнезда, в которые чугуном заливают ниппели 23.

Электролизеры в современном электролизном цехе располагают в два ряда вдоль здания (до 90-96 электролизеров).

Конструкции механизмов для обработки электролизеров

Основными технологическими операциями при обслуживании электролизеров являются разрушение корки и загрузка электролизера глиноземом, извлечение огарков анодов и установка новых анодов, перетяжка анодной рамы.

В нормально работающем электролизере поверхность расплава покрыта коркой застывшего электролита, на которую насыпают глинозем. Чтобы глинозем поступил в ванну, корку разрушают.

Со временем образуется новая корка и на нее высыпают очередную порцию глинозема, чтобы перед подачей в ванну он предварительно прогрелся. Это обеспечивает снижение потерь тепла в электролизере.

Комплекс работ по пробивке корки и загрузке глинозема принято называть обработкой электролизера.

Вид применяемого оборудования в значительной мере зависит от типа электролизера и пространства между соседними электролизерами. Например, в старых электролизных цехах с четырехрядным расположением электролизеров с самообжигающимися анодами и боковым токоподводом необходимы малогабаритные и высокоманевреннуе машины на колесном и гусеничном ходу.

Создан и эксплуатируется ряд самоходных машин для пробивки корки электролита на колесном и, иногда, на гусеничном ходу. Эти машины оборудованы расположенной на поворотной колонне рычажно-коленчатой стрелой, на конце которой закреплен пневмомолот. Применяются машины, передвигающиеся вдоль электролизеров и загружающие в него глинозем из бункеров, размещенных на машине.

• В новых цехах, оснащенных электролизерами с верхним токоподводом применяют универсальные напольно-рельсовые машины (например, МНР-2М), которые разрушают корку электролита, засыпают глинозем и загружают анодную массу.
• Для обслуживания электролизеров с обожженными анодами в таких машинах нет механизма для подачи анодной массы.
• На рисунки 5 показана напольно-рельсовая машина МНР-2М.

Рисунок 5 — Напольно-рельсовая машина МНР-2М

Машина передвигается вдоль корпуса по рельсам 1, расположенным с двух сторон электролизеров 7 и содержит портал 2, два устройства для засыпки глинозема 3, два механизма разрушения корки 4 и два механизма ее передвижения. На металлоконструкциях машины установлены труба 6 для подачи глинозема, две кабины 5, гидросистема, электрооборудование и буферные устройства.

Механизм разрушения корки (рисунок 6, а) состоит из основной рамы 1, шарнирно закрепленной на опоре машины, и фрезы 2 диаметром 1600 мм с устройствами ее вращения и регулирования положения.

Фреза с приводной частью смонтирована на дополнительной раме, которая перемещается на четырех роликах в направляющих основной рамы посредством гидроцилиндра 3.

Вращение фрезе сообщается через коническую передачу 6 от стандартного двигатель-редуктора 4 МП02-26-5,5/5,6 со встроенным электродвигателем А02-42-4. Угол наклона фрезы регулируют винтовым устройством 5.

Устройства для засыпки глинозема (рисунок 6, б) расположены по одному с двух сторон машины и содержат бункеры 1 0 вместимостью 6,0т и винтовые питатели производительностью 30 т/ч.

Питатель отсекается от бункера плоской задвижкой 9 с ручным винтовым приводом 4. Глинозем подается в электролизер при открытой задвижке, работающем шнеке и наклонном положении лотка 3а.

Рисунок 6 — Кинематическая схема механизмов машины МНР-2М а — механизма разрушения корки в электролизере; б — засыпки глинозема в электролизер

Механизм передвижения машины состоит из четырех колес, два из которых являются приводными. Приводы расположены с двух сторон на боковых балках и включают каждый двухскоростной двигатель МТКМ.М-411-6, втулочно-пальцевую муфту, тормоз ТКГ-209 и вертикальный редуктор ВКН-630.

Загрузка бункеров машины глиноземом осуществляется из межкорпусных силосов. Для этой цели на машине установлена труба 6, которая стыкуется с подающей трубой силоса. Скорость передвижения машины при работе 0,33 м/с, транспортная скорость 1,0 м/с.

Извлечение жидкого алюминия из электролизера производят с помощью вакуум-ковшей. Это футерованный шамотом ковш вместимостью 1,5—5 т алюминия, снабженный крышкой и заборной трубой. После накрывания крышкой из ковша отсасывают воздух и после опускания заборной трубы сверху в жидкий алюминий, он за счет разрежения засасывается в ковш.

Источник: https://metallurgist.pro/konstruktsii-elektrolizerov-i-ih-oborudovaniya/

Электролизер

Промышленный электролизер – это технологическое оборудование, которое используется при добыче полезных ископаемых и производственных предприятиях для получения некоторых видов газов (хлора, водорода), для производства алюминия и магния. Отдельные виды оборудования могут применяться для обессоливания, обеззараживания и дезинфекции сточных вод.

Конструктивные особенности устройства

Рассмотрим подробнее устройство и принцип работы устройства. Устройство имеет токопроводящий корпус, электроды из разных материалов (медный, цинковый и т. д.) – катод и анод, а также патрубки для ввода внутрь электролита и вывода вещества, которое получают электролитическим методом.

Конструкция оборудования может быть изменения для выполнения специализированных задач. Например, для выделения магния и хлора применяется емкость со стенками, облицованными огнеупорными кирпичами или иными подобными материалами.

При подключении установки к электрическому току электроды, которые опущены в токопроводящую жидкость – электролит – начинают электрохимическую реакцию. Между анодом и катодом протекает ионный ток, а в процессе реакции положительные частицы направляются к катоду, а отрицательные – к аноду. Таким образом электролит разлагается, например, на водород кислород, металлы и хлор.

Если электролизная установка используется для получения газа, образующиеся в процессе реакции пузырьки поднимаются и собираются в емкость с помощью специальных патрубков.

Используется несколько видов электролизеров:

• Сухие;
• Проточные – в них организован постоянный поток электролитической жидкости;
• Мембранные – в этих устройства применяется твердый электролит на полимерной основе;
• Диафрагменные – применяются в случаях, когда нельзя допускать диффузию продуктов электролиза между камерами.

Характеристики электролизеров могут варьироваться в зависимости от области применения и задач, которые решаются с их помощью на производстве.

Где применяются электролизеры?

Основные сферы применения оборудования:

• Получение цветных металлов из растворов;
• Выделение золота из цианистых растворов;
• Разложение воды на кислород и водород;
• Получение хлора из раствора.

Также применяется проточный для нефти электролизер, который используется в комплексах для добычи полезных ископаемых для обеспечения технологического процесса.

Основными преимуществами оборудования является цена, простота обслуживания и высокая производительность, а также большой коэффициент полезного действия.

Как подобрать устройство?

При выборе оборудования для использования в промышленности необходимо обращать внимание на мощность и производительность электролизных установок. Обычно эти параметры указываются в маркировке оборудования. На рынке в России представлены различные модели, среди которых можно подобрать нужный вариант под любое производство.

Источник: https://zavodtrud.ru/stati/elektrolizer

Электролизер. Виды и типы. Устройство и работа. Применение

Электролизер– это специальное устройство, которое предназначено для разделения компонентов соединения или раствора с помощью электрического тока.

Данные приборы широко используются в промышленности, к примеру, для получения активных металлических компонентов из руды, очищения металлов, нанесения на изделия металлических покрытий. Для быта они используются редко, но также встречаются.

В частности для домашнего использования предлагаются устройства, которые позволяют определить загрязненность воды или получить так называемую «живую» воду.

Основа работы устройства принцип электролиза, первооткрывателем которого считается известный зарубежный ученый Фарадей. Однако первый электролизер воды за 30 лет до Фарадея создал русский ученый по фамилии Петров.

Он на практике доказал, что вода может обогащаться в катодном или анодном состоянии. Несмотря на эту несправедливость, его труды не пропали даром и послужили развитию технологий.

На данный момент изобретены и с успехом используются многочисленные виды устройств, которые работают по принципу электролиза.

Что это

Электролизерработает благодаря внешнему источнику питания, который подает электрический ток. Упрощенно агрегат выполнен в виде корпуса, в который вмонтировано два или несколько электродов.

Внутри корпуса находится электролит. При подаче электрического тока происходит разложение раствора на требуемые составляющие.

Положительно заряженные ионы одного вещества направляются к отрицательно заряженному электроду и наоборот.

Основной характеристикой подобных агрегатов является производительность. То есть это количество раствора или вещества, которое установка может перерабатывать за определенный период времени. Данный параметр указывается в наименовании модели. Однако на него также могут влиять и иные показатели: сила тока, напряжение, вид электролита и так далее.

Виды и типы

По конструкции анода и расположению токопровода электролизер может быть трех видов, это агрегаты с:

1. Прессованными обожженными анодами.
2. Непрерывным самообжигающимся анодом, а также боковым токопроводом.
3. Непрерывным самообжигающимся анодом, а также верхним токопроводом.

Электролизер, используемый для растворов, по конструктивным особенностям можно условно разделить на:

• Сухие.
• Проточные.
• Мембранные.
• Диафрагменные.

Устройство

Конструкции агрегатов могут быть различными, но все они работают на принципе электролиза.

Устройство в большинстве случаев состоит из следующих элементов:

• Электропроводящий корпус.
• Катод.
• Анод.
• Патрубки, предназначенные для ввода электролита, а также вывода веществ, полученных в ходе реакции.

Электроды выполняются герметичными.

Обычно они представлены в виде цилиндров, которые сообщаются с внешней средой с помощью патрубков. Электроды изготавливаются из специальных токопроводящих материалов.

На катоде осаждается металл или к нему направляют ионы отделенного газа (при расщеплении воды).

В цветной промышленности часто применяют специализированные агрегаты для электролиза. Это более сложные установки, которые имеют свои особенности.

Она обкладывается с помощью огнеупорных кирпичей и иных материалов, а также делится с помощью перегородки на отделение для электролиза и ячейку, в которой собираются конечные продукты.

Конструктивные особенности каждого вида подобного оборудования позволяют решать лишь конкретные задачи, которые связаны с обеспечением качества выделяющихся веществ, скоростью происходящей реакции, энергоемкостью установки и так далее.

Принцип действия

В электролизных устройствах электрический ток проводят лишь ионные соединения. Поэтому при опускании электродов в электролит и включении электрического тока, в нем начинает течь ионный ток. Положительные частицы в виде катионов направляются к катоду, к примеру, это водород и различные металлы. Анионы, то есть отрицательно заряженные ионы текут к аноду (кислород, хлор).

При подходе к аноду анионы лишаются своего заряда и становятся нейтральными частицами. В результате они оседают на электроде. У катода происходят похожие реакции: катионы забирают у электрода электроны, что приводит к их нейтрализации.

В результате катионы оседают на электроде. К примеру, при расщеплении воды образуется водород, которые поднимается наверх в виде пузырьков. Чтобы собрать этот газ над катодом сооружаются специальные патрубки.

Через них водород поступает в необходимую емкость, после чего его можно будет использовать по назначению.

Принцип действия в конструкциях разных устройств в целом схож, но в ряде случаев могут быть и свои особенности.

Так в мембранных агрегатах используется твердый электролит в виде мембраны, которая имеет полимерную основу. Главная особенность подобных приборов кроется в двойном назначении мембраны.

Диафрагменные устройства применяются в случаях, когда нельзя допустить диффузию конечных продуктов электролизного процесса. С этой целью применяют пористую диафрагму, которая выполнена из стекла, асбеста или керамики. В ряде случаев в качестве подобной диафрагмы могут применяться полимерные волокна либо стеклянная вата.

Применение

Электролизершироко применяется в различных отраслях промышленности. Но, несмотря на простую конструкцию, оно имеет различные варианты исполнения и функции. Данное оборудование применяется для:

• Добычи цветных металлов (магний, алюминий).
• Получения химических элементов (разложение воды на кислород и водород, получение хлора).
• Очистки сточных вод (обессоливание, обеззараживание, дезинфекция от ионов металлов).
• Обработки различных продуктов (деминерализация молока, посол мяса, электроактивация пищевых жидкостей, извлечение нитратов и нитритов из овощных продуктов, извлечения белка из водорослей, грибов и рыбных отходов).

В медицине установки используются в интенсивной терапии для детоксикации организма человека, то есть для создания растворов гипохлорита натрия высокой чистоты. Для этого используется устройство проточного вида с электродами из титана.

Электролизные и электродиализные установки нашли широкое применение для решения экологических проблем и опреснения воды. Но эти агрегаты в виду их недостатков используются редко: это сложность конструкции и их эксплуатации, необходимость трехфазного тока и требования периодической замены электродов из-за их растворения.

Подобные установки находят применение и в быту, к примеру, для получения «живой» воды, а также ее очистки. В будущем возможно создание миниатюрных установок, которые будут использоваться в автомобилях для безопасного получения водорода из воды. Водород станет источником энергии, а машину можно будет заправлять обычной водой.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/ustrojstva/elektrolizer/

Электролизер

Главная > Теория > Электролизер

Электролиз – химико-физическое явление по разложению веществ на компоненты посредством электротока, которое широко применяется в производственных целях. На основе этой реакции изготавливаются агрегаты для получения, например, хлора или цветных металлов.

Электролизная установка, состоящая из пластин

Постоянный рост цен на энергетические ресурсы сделал популярными электролизные установки бытового назначения. Что представляют собой такие конструкции, и как их изготовить дома?

Общая информация об электролизере

Электролизная установка – устройство для электролиза, требующее внешний энергоисточник, конструктивно состоящее из нескольких электродов, которые помещены в заполненную электролитом емкость. Также такая установка может называться устройством для расщепления воды.

В подобных агрегатах основным техническим параметром является производительность, которая означает объем вырабатываемого водорода за час и измеряется в м³/ч. Стационарные агрегаты несут этот параметр в наименовании модели, например, мембранная установка СЭУ-40 вырабатывает за час 40 куб. м водорода.

Внешний вид стационарного промышленного агрегата СЭУ-40

Прочие характеристики таких устройств полностью зависят от целевого назначения и вида установок. Например, при осуществлении электролиза воды КПД агрегата зависит от нижеследующих параметров:

1. Уровень наименьшего электродного потенциала (электронапряжения). Для нормального функционирования агрегата эта характеристика должна находиться в диапазоне 1,8-2 В на одну пластину. Если источник электропитания имеет напряжение в 14 В, то емкость электролизера с электролитным раствором имеет смысл разделить листами на 7 ячеек. Подобная установка называется сухим электролизером. Меньшее значение не запустит электролиз, а большее – сильно увеличит расход энергии;

Размещение пластин в ванне электролизной установки

1. Чем меньше будет расстояние между пластиночными компонентами, тем меньше будет сопротивление, что при прохождении большого тока приведет к увеличению выработки газового вещества;
2. Площадь поверхности пластин напрямую оказывает влияние на производительность;
3. Тепловой баланс и степень концентрации электролита;
4. Материал электродных элементов. Золото является дорогим, но идеальным материалом для применения в электролизерах. Из-за его дороговизны часто применяют нержавеющую сталь.

Важно! В конструкциях другого типа значения будут иметь иные параметры.

Установки для электролиза воды могут также использоваться для таких целей, как обеззараживание, очистка и оценка качества воды.

Принцип работы и виды электролизера

Самое простое устройство имеют электролизеры, которые расщепляют воду на кислород и водород. Они состоят из емкости с электролитом, в которую помещаются электроды, подключенные к энергоисточнику.

Конструкция простейшей электролизной установки

Принцип работы электролизной установки заключается в том, что электроток, который проходит через электролит, имеет напряжение, достаточное для разложения воды на молекулы. Результат процесса – анод выделяет одну часть кислорода, а катод производит две части водорода.

Виды электролизеров

Устройства для расщепления воды бывают нижеследующих видов:

1. Сухие;
2. Проточные;
3. Мембранные;
4. Диафрагменные;
5. Щелочные.

Сухой тип

Такие электролизеры имеют самую простую конструкцию (картинка выше). Им присуща особенность, которая заключается в том, что манипуляция с числом ячеек дает возможность запитать агрегат от источника с любым напряжением.

Проточный тип

Эти установки имеют в своей конструкции полностью залитую электролитом ванну с электродными элементами и баком.

Устройство простого электролизера проточного типа, где А – ванна с электродами, D – бак, В, Е – трубки, С – выходной клапан

Принцип работы проточной электролизной установки нижеследующий (по картинке выше):

• при протекании электролиза электролит вместе с газом через трубу «В» выдавливается в бак «D»;
• в емкости «D» протекает процесс по отделению газа от электролита;
• газ выходит через клапан «С»;
• электролитный раствор возвращается через трубку «Е» в ванну «А».

Интересно знать. Такой принцип работы настроен в некоторых сварочных аппаратах – горение выделяемого газа позволяет сваривать элементы.

Мембранный тип

Электролизная установка мембранного типа имеет схожую конструкцию с другими электролизерами, однако в качестве электролита выступает твердое вещество на полимерной основе, которое именуется мембраной.

Конструкция мембранного электролизера

Мембрана в таких агрегатах имеет двойное назначение – перенос ионов и протонов, разделение электродов и продуктов электролиза.

Диафрагменный тип

Когда одно вещество не может проникать и влиять на другое, применяют пористую диафрагму, которая может изготавливаться из стекла, полимерных волокон, керамики либо асбестового материала.

Устройство диафрагменного электролизера, где 1 – выход для кислорода, 2 – колба, 3 – выход для водорода, 4 – анод, 5 – катод, 6 – диафрагма

Щелочной тип

Протекать электролиз в дистиллированной воде не может. В таких случаях необходимо использовать катализаторы, которыми выступают щелочные растворы высокой концентрации. Соответственно, основную часть электролизных устройств можно назвать щелочными.

Важно! Стоит отметить, что использование соли в качестве катализатора вредно, так как при протекании реакции выделяется газообразный хлор. Идеальным катализатором может выступать гидроксид натрия, который не разъедает железные электроды и не способствует выделению вредных веществ.

Самостоятельное изготовление электролизера

Водородный генератор для отопления частного дома

Изготовить электролизер своими руками может каждый человек. Для процесса сборки самой простой конструкции потребуются нижеследующие материалы:

• лист нержавейки (идеальные варианты – зарубежная AISI 316L или отечественная 03Х16Н15М3);
• болты М6х150;
• шайбы и гайки;
• прозрачная трубка – можно применять водяной уровень, который используется в строительных целях;
• несколько штуцеров типа «елочка» с внешним диаметром 8 мм;
• контейнер из пластика объемом 1,5 л;
• небольшой фильтрующий проточную воду фильтр, например, фильтр для стиральных машин;
• обратный водный клапан.

Процесс сборки

Собирать электролизер своими руками следует по следующей инструкции:

1. Первым делом необходимо осуществить разметку и дальнейшую распилку листа нержавейки на равные квадраты. Распилка может осуществляться угловой шлифовальной машинкой (болгаркой). Один из уголков в таких квадратах должен быть спилен под углом для верного скрепления пластин;
2. Далее потребуется просверлить отверстие для болта на противоположной от углового спила стороне пластины;
3. Соединение пластин необходимо производить поочередно: одна пластина на «+», следующая на «-» и так далее;
4. Между разно заряженными пластинами должен находиться изолятор, которым выступает трубка от водяного уровня. Ее необходимо разрезать на кольца, какие следует разрезать вдоль для получения полосок толщиной 1 мм. Такого расстояния между пластин достаточно для эффективного выделения газа при электролизе;
5. Скрепление пластин вместе осуществляется посредством шайб следующим образом: на болт насаживается шайба, потом – пластина, далее – три шайбы, после – пластина и так далее. Пластины, положительно заряженные, располагаются зеркально отрицательно заряженных листов. Это позволяет не допустить задевание электродов спиленными краями;

Собранные вместе пластины электролизной установки

1. Собирая пластины, следует сразу выполнять их изоляцию и затяжку гаек;
2. Также каждую пластину нужно прозвонить для того, чтобы убедиться в отсутствии короткого замыкания;
3. Далее всю сборку требуется поместить в бокс из пластика;
4. После этого надо отметить места касания болтов о стенки контейнера, где и просверлить два отверстия. Если болты не влезают в емкость, то их необходимо подрезать ножовкой;
5. Далее болты затягиваются гайками и шайбами для герметичности конструкции;

Пластины, помещенные в пластиковый контейнер

1. После проделанных манипуляций потребуется сделать отверстия в крышке контейнера и вставить в них штуцера. Герметичность в данном случае можно обеспечить посредством промазки швов герметиками на основе силикона;
2. Защитный клапан и фильтр в конструкции располагаются на выходе газа и служат средством контроля чрезмерного его скопления, которое может привести к плачевным последствиям;
3. Электролизная установка собрана.

Заключительный этап – тестирование, которое осуществляется таким образом:

• заполнение водой емкости до уровня крепежных болтов;
• подключение питания к прибору;
• подключение к штуцеру трубки, противоположный конец которой опускается в воду.

Если будет подан на установку слабый ток, то выпускание газа через трубку будет почти незаметно, однако внутри электролизера его можно будет наблюдать. Повышая электрический ток, добавляя щелочной катализатор в воду, можно существенно увеличить выход газового вещества.

Изготовленный электролизер может выступать составной частью многих устройств, например, водородной горелки.

Внешний вид водородной горелки, основой которой является собственноручно изготовленный электролизер

Зная типы, основные характеристики, устройство и принцип работы электролизных установок, можно осуществить правильную сборку самодельной конструкции, которые будет являться незаменимым помощником в различных бытовых ситуациях: от сварки и экономии расхода топлива автотранспорта до работы систем отопления.

Видео

Генератор на неодимовых магнитах

Источник: https://jelectro.ru/teoriya/ehlektrolizer.html