Том 337 № 6 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/6/5449
Прогнозирование режимов работы укрупненных электрохимических аппаратов для получения фтора
Актуальность. Фтор получают в промышленности электролитическим разложением фтороводорода из расплава гидрофторида (трифторида) калия KF·2HF, в основном, так называемым, среднетемпературным способом при температуре от 80 до 115 °С. В аппаратах (электролизерах), имеющих форму прямоугольного параллелепипеда, основными конструктивными элементами являются стальные корпус и жалюзийный катод, угольный (коксовый) анод, колокол, системы нагревания и охлаждения электролита, а также средства контроля и управления. Цели. Экспериментальное исследование влияния напряжения процесса электролиза, температуры электролита, концентрации фтороводорода в электролите на анодную плотность тока, выход анодного газа и содержание фтора в анодном газе в процессе электролитического получения фтора в опытном электролизере. Получение уравнения множественной регрессии исходя из зависимости анодной плотности тока от указанных ранее параметров процесса для опытного электролизера и сравнение его с аналогичным уравнением, полученным ранее для лабораторного электролизера. Методы. Экспериментальные и теоретические исследования, физико-химические и химические методы анализов. Объект. Лабораторная и опытная установки среднетемпературного способа получения фтора. Результаты. Проведены исследования влияния напряжения процесса электролиза (U) от 5 до 15 В, температуры электролита от 80 до 120 °С, концентрации фтороводорода от 37,0 до 41,5 мас. % на анодную плотность тока (i, А/см2) в опытном электролизере. Установлено, что анодная плотность тока возрастает пропорционально увеличению напряжения процесса электролиза, при этом возрастает выход анодного газа и повышается содержание в нем фтора; с ростом температуры процесса происходит уменьшение напряжения электролиза, что ведет к увеличению количества выделяемого анодного газа и содержания фтора в анодном газе; c увеличением содержания HF в электролите происходит уменьшение напряжения процесса электролиза и увеличение количества выделяемого анодного газа. Путем обработки экспериментальных данных, полученных в опытном электролизёре, выведено уравнение множественной регрессии зависимости анодной плотности тока от напряжения, температуры и концентрации фтороводорода. Полученные при исследованиях в лабораторном и опытном электролизерах уравнения множественной регрессии подобны, и из первого уравнения можно получить второе умножением на адаптирующий коэффициент 0,182. Таким образом, результаты лабораторных исследований позволяют прогнозировать показатели работы опытных и промышленных электролизеров.
Для цитирования: Софронов В.Л., Ткачук С.А. Прогнозирование режимов работы укрупненных электрохимических аппаратов для получения фтора. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2026, Т. 337, № 6, С. 65-73. https://doi.org/10.18799/24131830/2026/6/5449
Ключевые слова:
фтор, среднетемпературный электролиз, лабораторный и опытный электролизеры, анодная плотность тока, напряжение, температура, концентрация фтороводорода, регрессионные уравнения, адаптирующий коэффициент
Библиографические ссылки:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рысс И.Г. Химия фтора и его неорганических соединений. М.: Гос. научно-техн. изд-во хим. лит., 1956. 718 с.
2. Галкин Н.П., Крутиков А.Б. Технология фтора. М.: Атомиздат, 1968. 188 с.
3. Корнилов В.В. Ретроспективный анализ и прогноз развития некоторых отраслей фторхимической промышленности. Online journal «Fluorine notes», 2024. Т. 157, № 6, С. 1–21. URL: http://ru.notes.fluorine1.ru/public/2024/6_2024/article_2.html (дата обращения 15.12.2025).
4. Зусайлов Ю.Н., Бадеников В.Я. Увеличение эксплуатационной стойкости анодов и оптимизация работы серийных фторных электролизёров. Сборник научных трудов Ангарского государственного технического университета. Ангарск: АГТА, 2005. Т. 1, № 1, С. 87–91. URL: https://elibrary.ru/rcfhcv (дата обращения 15.12.2025).
5. Fourie E. Establishing a process to reduce, recycle and reuse the waste electrolyte from fluorine generation: Dr. Diss. Johannesburg, 2004. 177 p.
6. Курин Н.П., Шашкин Б.Ф., Беляев В.М., Минин М.М. и др. Интенсификация производства фтора. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2002, Т. 305, № 3, С. 92–101. URL: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/4904 (дата обращения 15.12.2025).
7. Беляев В.М. Механизм и кинетика электродных процессов при электролизе расплава КF•nHF. Известия Томского политехнического университета, 2003, Т. 306, № 6, С. 85–90. URL: https://elibrary.ru/hpoptj (дата обращения 15.12.2025).
8. Binns K.J., Lawrenson P.J. Analysis and computation of electric and magnetic field problems. Pergamon International Library of Science, Technology, Engineering and Social Studies. Netherlands: Elsevier, 2013. 366 p.
9. Roustan H., Caire J.P., Nicolas F., Pham P. Modelling coupled transfers in an industrial fluorine electrolyser. Journal of applied electrochemistry, 1998, Vol. 28, P. 237–243. DOI: https://doi.org/10.1023/A:1003299213119.
10. Ливенцов С.Н. Разработка математической модели технологического процесса электролитического получения фтора в аппаратах СТЭ-20. Известия Томского политехнического университета, 2002, Т. 305, № 3, С. 408–415. URL: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/4904 (дата обращения 15.12.2025).
11. Зусайлов Ю.Н. Контроль качества продукции в производствах угольных анодов, фтора и гексафторида урана. Ангарск: АГТУ, 2017. 267 с.
12. Bard A., Faulkner L., White H. Electrochemical methods: fundamentals and applications. The latest edition of a classic textbook in electrochemistry. 3rd ed. New York: John Wiley & Sons, 2022. 1104 p.
13. Sadler B.A. Critical issues in anode production and quality to avoid anode performance problems. Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2015, Vol. 5, № 8, P. 546–568. DOI: 10.17516/1999-494X-2015-8-5-546-568.
14. Nakajima T. Fluorine-carbon and fluoride-carbon materials: chemistry, physics, and applications. Library of Congress cataloging-in-publication data. Ed. by T. Nakajima. New York: CRC Press, 2001. 416 p.
15. Watanabe N., Ishii Y., Yoshizawa S. Studies on the preparation of fluorine and its compounds. III Relation between the wettability of anode and the anodic polarization in the electrolytic generation of fluorine. Journal of the Electrochemical Society of Japan, 1961, Vol. 29, № 3, P. 180–186. DOI: 10.5796/jesj.29.3.E180.
16. Lantelme F., Groult H., Belhomme C., Morel B., Nicolas F. Role of the surface properties of carbon anodes in the electrolytic preparation of fluorine. Journal of New Materials for Electrochemical Systems, 2006, Vol. 9, № 3, P. 283–290.
17. Софронов В.Л., Полянская А.В., Молоков П.Б. и др. Анализ углеродных материалов, используемых в качестве анодов в производстве фтора. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2019, Т. 330, № 4, С. 78–88. DOI: 10.18799/24131830/2019/4/202.
18. Софронов В.Л., Дамм Ю.П., Карташов Е.Ю., Ткачук С.А., Эйрих К.А. Исследования коррозионной стойкости никелевых и магниевых сплавов в условиях электролизного производства фтора. Вестник Тверского государственного университета. Химия, 2024, № 4, С. 159–170. DOI: 10.26456/vtchem2024.4.16.
19. Софронов В.Л., Житков С.А., Ткачук С.А. Исследование вольт-амперных характеристик процесса получения фтора методом среднетемпературного электролиза. Вестник Томского государственного университета. Химия, 2024, № 36, С. 81–89. DOI: 10.17223/24135542/36/6.
20. Софронов В.Л., Ткачук С.А., Житков С.А., Жиганов А.Н. Исследования углеродных материалов и их ресурсные испытания в качестве анодов при производстве фтора. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2025, Т. 306, № 6, С. 125–132. DOI: 10.18799/24131830/2025/7/5070.
REFERENCES
1. Ryss I.G. Chemistry of fluorine and its inorganic compounds. Moscow, State Scientific and Technical Publ. House of Chemical Literature, 1956. 718 p. (In Russ.)
2. Galkin N.P., Krutikov A.B Fluorine technology. Moscow, Atomizdat Publ., 1968. 188 p. (In Russ.)
3. Kornilov V.V. Retrospective analysis and forecast of development of some branches of fluorochemical industry. Online journal «Fluorine notes», 2024. vol. 157, no. 6, pp. 1–21. (In Russ.) Available at: http://ru.notes.fluorine1.ru/public/2024/6_2024/article_2.html (accessed 15 December 2025).
4. Zusailov Yu.N., Badenikov V.Ya. Increasing the operational durability of anodes and optimizing the operation of serial fluorine electrolyzers. Collection of scientific papers of the Angarsk State Technical University. Angarsk, AGTA Publ., 2005. Vol. 1, no. 1, pp. 87–91. (In Russ.) Available at: https://elibrary.ru/rcfhcv (accessed 15 December 2025).
5. Fourie E. Establishing a process to reduce, recycle and reuse the waste electrolyte from fluorine generation. Dr. Diss. Johannesburg, 2004. 177 p.
6. Kurin N.P., Shashkin B.F., Belyaev V.M., Minin M.M. et al. Intensification of fluorine production. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Engineering of georesources, 2002, vol. 305, no. 3, pp. 92–101. (In Russ.) Available at: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/4904 (accessed 15 December 2025).
7. Belyaev V.M. Mechanism and kinetics of electrode processes in electrolysis of KF nHF melt. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, 2003, vol. 306, no. 6, pp. 85–90. (In Russ.) Available at: https://elibrary.ru/hpoptj
8. Binns K.J., Lawrenson P.J. Analysis and computation of electrical and magnetic field problems. Pergamon International Library of Science, Technology, Engineering and Social Studies. Netherlands, Elsevier, 2013. 366 p.
9. Roustan H., Caire J.P., Nicolas F., Pham P. Modeling coupled transfers in an industrial fluorine electrolyser. Journal of applied electrochemistry, 1998, vol. 28, pp. 237–243. DOI: https://doi.org/10.1023/A:1003299213119.
10. Liventsov S.N. Development of a mathematical model of the technological process of electrolytic production of fluorine in STE-20 devices. Bulletin of Tomsk Polytechnic University, 2002, vol. 305, no. 3, pp. 408–415. (In Russ.) Available at: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/4904 (accessed 15 December 2025).
11. Zusailov Yu.N. Quality control of products in the production of carbon anodes, fluorine and uranium hexafluoride. Angarsk, ASTU Publ., 2017. 267 p. (In Russ.)
12. Bard A., Faulkner L., White H. Electrochemical methods: fundamentals and applications. The latest edition of a classic textbook in electrochemistry. 3rd ed. New York, John Wiley & Sons, 2022. 1104 p.
13. Sadler B.A. Critical issues in anode production and quality to avoid anode performance problems. Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2015, vol. 5, no. 8, pp. 546–568. DOI: 10.17516/1999-494X-2015-8-5-546-568.
14. Nakajima T. Fluorine-carbon and fluoride-carbon materials: chemistry, physics, and applications. Library of Congress cataloging-in-publication data. Ed. by T. Nakajima. New York, CRC Press, 2001. 416 p.
15. Watanabe N., Ishii Y., Yoshizawa S. Studies on the preparation of fluorine and its compounds. III Relation between the wettability of anode and the anodic polarization in the electrolytic generation of fluorine. Journal of the Electrochemical Society of Japan, 1961, vol. 29, no. 3, pp. 180–186. DOI: 10.5796/jesj.29.3.E180.
16. Lantelme F., Groult H., Belhomme C., Morel B., Nicolas F. Role of the surface properties of carbon anodes in the electrolytic preparation of fluorine. Journal of New Materials for Electrochemical Systems, 2006, vol. 9, no. 3, pp. 283–290.
17. Sofronov V.L., Polyanskaya A.V., Molokov P.B. et al. Analysis of carbon materials used as anodes in fluorine production. Bulletin of Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2019, vol. 330, no. 4, pp. 78–88. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2019/4/202.
18. Sofronov V.L., Damm Yu.P., Kartashov E.Yu., Tkachuk S.A., Eirikh K.A. Studies of corrosion resistance of nickel and magnesium alloys under conditions of electrolysis production of fluorine. Bulletin of Tver State University. Chemistry, 2024, no. 4, pp. 159–170. (In Russ.) DOI: 10.26456/vtchem2024.4.16.
19. Sofronov V.L., Zhitkov S.A., Tkachuk S.A. Study of volt-ampere characteristics of the process of obtaining fluorine by medium-temperature electrolysis. Bulletin of Tomsk State University. Chemistry, 2024, no. 36, pp. 81–89. (In Russ.) DOI: 10.17223/24135542/36/6.
20. Sofronov V.L., Tkachuk S.A., Zhitkov S.A., Zhiganov A.N. Studies of carbon materials and their resource tests as anodes in fluorine production. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2025, vol. 306, no. 6, pp. 85–90. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2025/7/5070.
