Hall-Héroult jarayoni - Hall–Héroult process

The Hall-Héroult jarayoni asosiy hisoblanadi sanoat jarayoni uchun alyuminiyni eritish. Bu eritishni o'z ichiga oladi alyuminiy oksidi (alyuminiy oksidi) (ko'pincha olingan boksit, alyuminiy orqali asosiy ruda Bayer jarayoni ) eritilgan kriyolit va elektroliz qilish eritilgan tuzli hammom, odatda mo'ljallangan kamerada. Sanoat miqyosida qo'llaniladigan Hall-Héroult jarayoni 940-980 ° S da sodir bo'ladi va 99,5-99,8% toza hosil qiladi. alyuminiy. Qayta ishlangan alyuminiy elektrolizni talab qilmaydi, shuning uchun u bu jarayonda tugamaydi.[1] Ushbu jarayon o'z hissasini qo'shadi Iqlim o'zgarishi emissiyasi orqali karbonat angidrid elektrolitik reaktsiyada[2]

Jarayon

Qiyinchilik

Elemental alyuminiyni an elektrolizi bilan hosil qilib bo'lmaydi suvli alyuminiy tuzi, chunki gidroniy ionlari osongina oksidlanish elementar alyuminiy. Garchi a eritilgan o'rniga alyuminiy tuzidan foydalanish mumkin, alyuminiy oksidi erish nuqtasi 2072 ° S ga teng[3] shuning uchun uni elektroliz qilish maqsadga muvofiq emas. Hall-Héroult jarayonida, alyuminiy oksidi, Al2O3, eritilgan sintetikada eritiladi kriyolit, Na3AlF6, osonroq elektroliz qilish uchun uning erish nuqtasini pasaytirish uchun.[1] Uglerod manbai odatda a koks (qazib olinadigan yoqilg'i).[4]

Nazariya

Hall-Héroult sanoat kamerasi

Hall-Héroult jarayonida uglerod elektrodlarida quyidagi soddalashtirilgan reaktsiyalar sodir bo'ladi:

Katod:

Al3+ + 3 e− → Al

Anot:

O2- + C → CO + 2 e−

Umuman olganda:

Al2O3 + 3 C → 2 Al + 3 CO

Aslida, yana ko'p narsalar CO2 anodda CO ga nisbatan hosil bo'ladi:

2 Al2O3 + 3 C → 4 Al + 3 CO2

Sof kriyolitning erish nuqtasi bor 1009±1 ° S. Unda eritilgan alyuminiy oksidining ozgina qismi bilan uning erish nuqtasi tushadi taxminan 1000 ° C gacha. Kriyolit nisbatan past erish nuqtasiga ega bo'lishdan tashqari, elektrolit sifatida ishlatiladi, chunki u boshqa narsalar qatorida alyuminiy oksidini ham yaxshi eritadi, elektr tokini o'tkazadi, elektrolitik ravishda alyuminiy oksidiga nisbatan yuqori voltajda dissotsiatsiyalanadi va shuningdek talab qilinadigan haroratda alyuminiyga qaraganda past zichlikka ega. elektroliz.[1]

Alyuminiy ftor (AlF3) odatda elektrolitga qo'shiladi. NaF / AlF nisbati3 kriyolit nisbati deyiladi va u sof kriyolitda 3 ga teng. Sanoat ishlab chiqarishida AlF3 erish nuqtasini yanada kamaytirish uchun kriyolit nisbati 2-3 ga teng bo'lishi uchun qo'shiladi, shuning uchun elektroliz 940 dan 980 ° S gacha bo'lgan haroratlarda sodir bo'lishi mumkin. Suyuq alyuminiyning zichligi 950 dan 1000 ° C gacha bo'lgan haroratda 2,3 g / ml ni tashkil qiladi. Elektrolitning zichligi 2,1 g / ml dan kam bo'lishi kerak, shunda eritilgan alyuminiy elektrolitdan ajralib, elektroliz xujayrasi tubiga to'g'ri joylashadi. AlFdan tashqari3, shunga o'xshash boshqa qo'shimchalar lityum florid elektrolitning turli xil xususiyatlarini (erish nuqtasi, zichligi, o'tkazuvchanligi va boshqalarni) o'zgartirish uchun qo'shilishi mumkin.[1]

Aralashma past kuchlanishni (5 V dan past) o'tkazib elektroliz qilinadi. to'g'ridan-to'g'ri oqim da 100-300 kA u orqali. Bu suyuq alyuminiy metallni cho'ktirishga olib keladi katod, alyuminiy oksididan esa kislorod uglerod bilan birikadi anod asosan karbonat angidrid ishlab chiqarish uchun.[1]

Ushbu jarayon uchun nazariy minimal energiya talabi 6,23 kVt / s (kg Al) ni tashkil qiladi, ammo jarayon odatda 15,37 kVt soatni talab qiladi.[5]

Hujayraning ishlashi

Ulardagi eritilgan materiallar qotib qolmasligi uchun fabrikalardagi hujayralar 24 soat davomida ishlaydi. Hujayra ichidagi harorat elektr qarshiligi orqali saqlanadi. Uglerodning oksidlanishi anod uglerod elektrodlarini iste'mol qilish va karbonat angidrid ishlab chiqarish hisobiga elektr samaradorligini oshiradi.[1]

Qattiq kriyolit esa zichroq xona haroratidagi qattiq alyuminiyga qaraganda, suyuq alyuminiy eritilgan kriyolitdan 1000 ° C (1830 ° F) atrofida haroratda zichroq. Alyuminiy vaqti-vaqti bilan to'planadigan elektrolitik hujayraning pastki qismiga cho'kadi. Suyuq alyuminiy hujayradan a orqali chiqariladi sifon juda yuqori haroratli vanalar va nasoslardan foydalanmaslik uchun har 1 - 3 kunda. Alyuminiy chiqarilganda hujayralarga alyuminiy oksidi qo'shiladi. Zavoddagi turli xujayralardan yig'ilgan alyuminiy nihoyat bir xil mahsulotni ta'minlash uchun birgalikda eritilib, masalan. metall plitalar. Elektrolitik aralashma anodning rivojlangan kislorod bilan oksidlanishini oldini olish uchun koks bilan sepiladi.[1]

Hujayra anodda gazlar hosil qiladi. Egzoz, birinchi navbatda, CO2 anod iste'molidan ishlab chiqarilgan va ftorli vodorod (HF) kriyolitdan va oqim (AlF3). Zamonaviy inshootlarda ftoridlar deyarli to'liq hujayralarga qayta ishlanadi va shuning uchun yana elektrolizda ishlatiladi. Qochilgan HF natriy tuziga neytrallashtirilishi mumkin, natriy ftorid. Zarrachalar yordamida qo'lga olinadi elektrostatik yoki sumka filtrlari. CO2 odatda atmosferaga chiqarib yuboriladi.[1]

Hujayrada eritilgan materialning aralashishi mahsulotdagi kriyolit aralashmalarining ko'payishi hisobiga uning ishlab chiqarish tezligini oshiradi. To'g'ri mo'ljallangan hujayralar kaldıraç mumkin magnetohidrodinamik elektrolitni aralashtirish uchun elektroliz qiluvchi tok tomonidan chaqirilgan kuchlar. Ajitatsiyalanmaydigan statik hovuz hujayralarida iflosliklar metall alyuminiyning yuqori qismiga ko'tariladi yoki pastki qismiga cho'kib ketadi va yuqori sof alyuminiyni o'rta qismida qoldiradi.[1]

Elektrodlar

Hujayralardagi elektrodlar asosan koks yuqori haroratlarda tozalangan. Qatron qatroni yoki smola biriktiruvchi sifatida ishlatiladi. Anodlar, koks va qatron qatronlarida eng ko'p ishlatiladigan materiallar asosan neft sanoatining qoldiqlari bo'lib, ular yuqori darajada toza bo'lishi kerak, shuning uchun hech qanday aralashmalar eritilgan alyuminiy yoki elektrolitga aylanmaydi.[1]

Hall-Héroult jarayonidan foydalanadigan ikkita asosiy anod texnologiyasi mavjud: Söderberg texnologiya va pishirilgan texnologiya.

Foydalanadigan hujayralarda Söderberg yoki o'z-o'zidan pishadigan anodlar, bitta elektroliz hujayrasida bitta anod mavjud. Anod ramkada joylashgan bo'lib, anodning pastki qismi asosan CO ga aylanadi2 elektroliz paytida anod massani yo'qotadi va mavjud bo'ladi amorf, u o'z ramkasida asta-sekin cho'kadi. Anodning yuqori qismiga ko'proq materiallar doimiy ravishda koks va pitchdan tayyorlangan briket shaklida qo'shiladi. Eritish jarayonida yo'qolgan issiqlik briketlarni alyuminiy oksidi bilan reaktsiya uchun zarur bo'lgan uglerod shaklida pishirish uchun ishlatiladi. Soderberg anodlarida elektroliz paytida pishirish jarayoni ko'proq ajralib chiqadi kanserogen PAHlar va oldindan ifloslangan anodlar bilan elektrolizga qaraganda boshqa ifloslantiruvchi moddalar va qisman shu sababli oldindan pishirilgan anod ishlatadigan hujayralar alyuminiy sanoatida keng tarqalgan. Soderberg anodi yon tomondan elektrolitlar tarkibiga elektrolitlar aralashmasining ustki po'stlog'i singanidan keyin ko'proq alyuminiy oksidi qo'shiladi.[1]

Oldindan pishirilgan anodlar har xil og'ir sanoat o'chirish tizimlari tomonidan elektrolitik eritmaga tushirilishidan oldin juda katta gazli pechlarda yuqori haroratda pishiriladi. Odatda bitta hujayra uchun ikkita qatorda 24 ta pishirilgan anod mavjud. Har bir anod vertikal va individual ravishda kompyuter tomonidan tushiriladi, chunki elektroliz paytida anotlarning pastki yuzalari yemiriladi. Söderberg anodlari bilan taqqoslaganda, kompyuter tomonidan boshqariladigan oldindan pishirilgan anodlarni hujayraning pastki qismida eritilgan alyuminiy qatlamiga yaqinlashtirish mumkin, ularning hech biri qatlamga tegmasdan va elektrolizga xalaqit bermaydi. Bu kichikroq masofa elektrolitlar aralashmasidan kelib chiqadigan qarshilikni pasaytiradi va Söderberg anodlariga nisbatan pishirilgan anodlarning samaradorligini oshiradi. Prebake texnologiyasi, shuningdek, anod ta'sirining ancha past xavfiga ega (quyida ko'rib chiqing), lekin undan foydalanadigan hujayralarni qurish ancha qimmatga tushadi va ulardan foydalanish juda ko'p mehnat talab qiladi, chunki hujayradagi har bir pishirilgan anodni ishlatib bo'lgandan so'ng uni almashtirish kerak. . Alumina oksidi elektrolitga oldindan pishadigan hujayralardagi anodlar orasidan qo'shiladi.[1]

Pishirilgan anodlar pitchning kichik foizini o'z ichiga oladi, chunki ular Söderberg anodlariga qaraganda qattiqroq bo'lishi kerak. Oldindan pishirilgan anodlarning qoldiqlaridan yangi pishirilgan anotlarni yaratish uchun foydalaniladi. Tayyorlangan anodlar elektroliz sodir bo'ladigan zavodda ishlab chiqariladi yoki u erga boshqa joylardan keltiriladi.[1]

Hujayra vannasining ichki qismi koks va pichindan tayyorlangan katod bilan qoplangan. Katodlar elektroliz paytida ham tanazzulga uchraydi, ammo anodlarga qaraganda ancha sekinroq bo'ladi va shu sababli ular toza bo'lishiga hojat yo'q va tez-tez saqlanib turilmaydi. Katodlar odatda har 2-6 yilda almashtiriladi. Bu butun hujayraning yopilishini talab qiladi.[1]

Anot effekti

Anod effekti - bu anodning pastki qismida juda ko'p gaz pufakchalari hosil bo'lib, birlashib, qatlam hosil qiladigan holat. Bu hujayraning qarshiligini oshiradi, chunki elektrolitning kichik joylari anodga tegadi. Hujayraning elektr tokining zichligi faqat ular orqali o'tishga qaratilganida elektrolitlar va anodlarning bu joylari qiziydi. Bu gaz qatlamini isitadi va uning kengayishiga olib keladi, shu bilan elektrolit va anod bir-biri bilan aloqa qiladigan sirt maydonini yanada kamaytiradi. Anod effekti energiya samaradorligini va hujayraning alyuminiy ishlab chiqarilishini pasaytiradi. Bu shuningdek shakllanishiga turtki beradi tetraflorometan (CF4) sezilarli darajada, CO hosil bo'lishini kuchaytiradi va ozgina miqdorda, shuningdek, hosil bo'lishiga sabab bo'ladi geksafloroetan (C2F6). CF4 va C2F6 emas CFClar, va, ammo zararli bo'lmasa ham ozon qatlami, hali ham kuchli issiqxona gazlari. Anod effekti asosan Söderberg texnologiyasi hujayralarida muammo bo'lib, u oldindan pishirilgan emas.[1]

Tarix

Mavjud ehtiyoj

Alyuminiy eng keng tarqalgan hisoblanadi metall element er qobig'ida, lekin u kamdan-kam hollarda topiladi elementar holat. Bu ko'plab minerallarda uchraydi, ammo uning asosiy tijorat manbai boksit, gidratlangan alyuminiy oksidi va temir kabi boshqa elementlarning aralashmasi.

Hall-Héroult jarayonidan oldin elementar alyuminiy rudani elementar bilan birga qizdirib tayyorlanardi natriy yoki kaliy a vakuum. Usul murakkab va o'sha paytda o'zlari qimmat bo'lgan materiallarni iste'mol qilgan. Bu shuni anglatadiki, 19-asrning boshlarida ishlab chiqarilgan oz miqdordagi alyuminiyni ishlab chiqarish xarajatlari ancha yuqori bo'lgan va undan yuqori bo'lgan oltin yoki platina. Frantsuzlar qatorida alyuminiy qutilari ham namoyish etildi toj-marvaridlar da 1855 yilgi Universelle ko'rgazmasi va Imperator Napoleon III Frantsiya haqida aytilgan[iqtibos kerak ] o'zining eng muhtaram mehmonlari uchun alyuminiy dasturxonidan va ovqatlanadigan idishlardan bir nechta to'plamini saqlab qo'ygan.

Eski usullardan foydalangan holda ishlab chiqarish xarajatlari pasayib ketdi, lekin alyuminiy qopqoq / chaqmoq tayog'i uchun material sifatida tanlanganda Vashington yodgorligi yilda Vashington, Kolumbiya, bu hali ham qimmatroq edi kumush.[6]

Mustaqil kashfiyot

Hall-Héroult jarayoni mustaqil ravishda va deyarli bir vaqtning o'zida 1886 yilda ixtiro qilingan Amerika kimyogar Charlz Martin Xoll[7] va tomonidan Frantsuz Pol Erot[8]- ikkalasi ham 22 yoshda. Ba'zi mualliflarning ta'kidlashicha, Xollga uning singlisi yordam bergan Julia Brainerd zali;[9] ammo, u qay darajada ishtirok etgani haqida bahslashdi.[10][11] 1888 yilda Hall birinchi yirik alyuminiy ishlab chiqarish zavodini ochdi Pitsburg. Keyinchalik bu bo'ldi Alcoa korporatsiya.

1997 yilda Hall-Héroult jarayoni a Milliy tarixiy kimyoviy yo'nalish tomonidan Amerika kimyo jamiyati jarayonning alyuminiyni tijoratlashtirishdagi ahamiyatini e'tirof etish.[12]

Iqtisodiy ta'sir

Hall-Héroult jarayoni orqali ishlab chiqarilgan alyuminiy arzonroq va arzonroq elektr energiyasi, alyuminiy ishlab chiqarishga yordam berdi (va tasodifan) magniy ) qimmatbaho metall o'rniga arzon tovar.

Bu, o'z navbatida, kashshoflar uchun imkoniyat yaratishda yordam berdi Ugo Yunkers alyuminiydan foydalanish va alyuminiy-magniy qotishmalari minglab metall samolyotlar yoki Xovard Lund kabi baliq ovlash uchun alyuminiy qayiqlarini ishlab chiqarish.[13] 2012 yilda 12,7 tonna CO deb taxmin qilingan2 ishlab chiqarilgan tonna alyuminiy uchun chiqindilar hosil bo'ladi.[14]

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

  1. ^ a b v d e f g h men j k l m n o Totten, Jorj E.; MakKenzi, D. Skott (2003). Alyuminiydan qo'llanma: 2-jild: qotishma ishlab chiqarish va materiallar ishlab chiqarish. jild 2018-04-02 121 2. Nyu-York, NY: Marcel Dekker, Inc. ISBN  0-8247-0896-2.
  2. ^ {"Toza uglerod iste'molida anod ishlab chiqarish jarayonlarining o'rni".
  3. ^ Xeyns, VM (2015). CRC Kimyo va fizika bo'yicha qo'llanma (96-nashr). Boka Raton, FL: Teylor va Frensis. ISBN  978-1-4822-6096-0.
  4. ^ {"Toza uglerod iste'molida anod ishlab chiqarish jarayonlarining o'rni".
  5. ^ Mazin Obaidat 1, Ahmed Al-Gandur, Patrik Felan, Rene Villalobos va Ammar Alxalidi (17.04.2018). "Alyuminiyni kamaytirish bo'yicha turli xil texnologiyalarning energiya va eksergiya tahlili". Hashimit universiteti. Arxivlandi asl nusxasidan 2019 yil 2 mayda.CS1 maint: bir nechta ism: mualliflar ro'yxati (havola)
  6. ^ Jorj J. Binczevski (1995). "Yodgorlik nuqtasi: Vashington yodgorligining alyuminiy qopqog'ining tarixi". JOM. 47 (11): 20–25. Bibcode:1995 yil JOM .... 47k..20B. doi:10.1007 / BF03221302. S2CID  111724924.
  7. ^ AQSh patent 400664, Charlz Martin Xoll 1889-04-02 yilda chiqarilgan "Alyuminiyni florid tuzlaridan elektroliz bilan kamaytirish jarayoni". 
  8. ^ Ero, Pol; Frantsiya patent raqami. 175,711 (topshirilgan: 1886 yil 23-aprel; chiqarilgan: 1886 yil 1-sentyabr).
  9. ^ Kass-Simon, Gabrielle; Farnes, Patrisiya; Nash, Debora (tahr.) (1990). Ilm-fan ayollari: rekordni to'g'rilash. Indiana universiteti matbuoti. 173–176 betlar. ISBN  0-253-20813-0.CS1 maint: qo'shimcha matn: mualliflar ro'yxati (havola)
  10. ^ Sheller, Mimi (2014). Alyuminiy orzulari: engil zamonaviylik. Kembrij, MA: MIT Press. p. 270. ISBN  978-0262026826. Olingan 19 aprel 2016.
  11. ^ Giddens, Pol H. (1953). "Alcoa, An. American Enterprise. Charlz Karr tomonidan. (Kitob sharhi)". Pensilvaniya tarixi. 20 (2): 209–210.
  12. ^ "Alyuminiy ishlab chiqarish: zal - Héroult jarayoni". Milliy tarixiy kimyoviy belgilar. Amerika kimyo jamiyati. Olingan 2014-02-21.
  13. ^ Lund Boat Company asoschisi 91 yoshida vafot etdi
  14. ^ Das, Subodh (2012). "Global alyuminiy sanoatida uglerod neytralligiga erishish". JOM. 64 (2): 285–290. Bibcode:2012 JOM .... 64b.285D. doi:10.1007 / s11837-012-0237-0. ISSN  1047-4838. S2CID  59383624.

Qo'shimcha o'qish