1.7.Электрическое подключение электродов, ячеек и электролизеров
Промышленный электролизер - сложная конструкция, состоящая из набора элементарных электрохимических ячеек. При объединении элементарных электрохимических ячеек в одну конструкцию можно получить либо батарею ячеек (рис.1.9, А), либо многоячейковый электролизер (рис.1.9, Б).
Рис. 1.9. Схема батареи электрохимических ячеек (А)
и многоячейкового электролизера (Б).
1-корпус ячейки, 2- корпус электролизера, 3- корпус батареи
Если при объединении ячеек каждая из них сохраняет свой собственный корпус, то такая конструкция называется батареей (батарея сухих элементов, батарея аккумуляторов). В том случае, если для экономии места и повышения удельной производительности электрохимического аппарата все ячейки устанавливаются в одном корпусе, то следует говорить о многоячейковом электролизере.
В электролизерах всех типов используются монополярные или биполярные электроды, которые соединяются электрически параллельно или последовательно. Монополярные электроды подключенные параллельно обычно присоединяются к одной шине и имеют один и тот же знак заряда (“+” или “-”), в зависимости от подключения к той или иной клемме источника питания (рис.1.10, А).
Рис.1.10. Схема электрического подключения электродов в
электролизере.
А-монополярные электроды, параллельное подключение,
Б-монополярные электроды, последовательное подключение.
1-корпус, 2-шина, 3-непрницаемая для электролита перегородка.
Ток, поступающий по общей шине, отделяется и протекает по каждому электроду параллельно. Поэтому монополярные электроды являются электрически параллельными. При параллельном подключении электродов напряжение на многоэлектродном электролизере равно напряжению между анодом и катодом единичной ячейки; ток на единичном электроде равен частному от деления токовой нагрузки на электролизер на число одноименных электродов: U=const, I = Iобщий /N.
Достоинством параллельного подключения монополярных электродов является их независимая работа, возможность извлечения из ванны и замены любого электрода без отключения электролиза и остановки технологического процесса. В качестве недостатка можно отметить необходимость подвода тока к каждому отдельному электроду, большое количество шин и большой расхода дорогостоящего цветного металла на ошиновку.
При последовательном подключении электродов (рис. 1.10, Б) ток подводится только к концевым электродам. Условием последовательного подключения монополярных электродов является отделение многоячейковых электролизеров друг от друга непроницаемыми для электролита перегородками. Вторым условием является электрический контакт монополярных электрода одного знака в первом электролизере с монополярным электродом противоположного знака во втором и так далее. Разделение зарядов в этом случае аналогично биполярному электроду (смотри выше). При работе электролизера одинаковый по величине ток последовательно перетекает от электрода к электроду, и эквивалентная токовая нагрузка на электролизер определяется произведением величины тока, подводимого к электролизеру (линейная токовая нагрузка) на число одноименных электродов. Напряжение на многоэлектродном электролизере равно произведению падения напряжения между анодом и катодом элементарной ячейки на количество ячеек: I=const, Iэквивалентный = IN, Uэлектролизера=UячN.
Достоинствами электрохимических аппаратов с последовательным подключением электродов является малый расход цветного металла на ошиновку и компактность электролизера. К недостаткам следует отнести сложность обслуживания при плотной установке электролизеров.
Подключение электролизеров рассмотрим на примере гидрометаллургических производств. Эти производства характеризуются использованием электролизеров с большим числом разноименных электродов, требующих питания электрическим током и большого расхода цветного металла на ошиновку.
Обычно подключение электролизеров и электродов в электролизерах осуществляется параллельно-последовательным способом (схемы Анаконда, Уокера и Уайтхеда). В этих схемах электроды в одной ванне подключены электрически параллельно, а между ваннами - последовательно.
Одной из старейших и наиболее удобной для обслуживания является схема, впервые примененная на заводах “Анаконда”, рис. 1.11. Электролизеры по этой схеме, соединяются по два и открыты для обслуживания с трех сторон. Однако, при такой схеме требуется достаточно большой расход шин. В схеме Уайтхеда расход шин минимален, так как катоды в одной ванне укладываются непосредственно на плечики анодов в другой. Недостатком такого соединения является возможность большой неравномерности распределения тока в последовательно расположенных цепочках электродов, так как при плохом качестве контакта (высоком сопротивлении) на одной или нескольких парах электродов, ток уменьшается во всей цепочке.
Промежуточное положение по расходу металла на ошиновку занимает подключение по схеме Уокера. В ней электроды в разных ваннах укладываются на промежуточные шины, уложенные по бортам ванн. Эти шины усредняют текущий через ванны ток и полностью исключают неприятные последствия плохого качества контактов в схеме Уайтхеда.
Рис.1.11. Параллельно-последовательные схемы подключения
(мультипль).
1 - Анаконда, 2 – схема Уокера, 3 - схема Уайтхеда.
В настоящее время принята модернизированная схема Уайтхеда, или Уайтхеда - Уокера, объединяющая признаки обеих схем. Электроды по этой схеме укладываются плечиками друг на друга, как в схеме Уайтхеда, а под ними располагается небольшая выравнивающая трехгранная шинка, как в схеме Уокера (рис.1.12).
Рис.1.12. Схема Уайтхеда - Уокера при подключении электродов в ванне рафинирования меди.
1-анод, 2-катодная штанга, 3- выравнивающая шина, 4-корпус ванны, 5-изолирующая прокладка, 6-плечико анода.