Диссертация (1095047), страница 15

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 15)

Коэффициент k,учитывающий газонаполнение, равен 1,1. Плотность тока j в расчетах прототипа хлораторапринимаем равной 0,16 А/см2, т.к. предельная плотность тока для используемой в хлораторемембраны Флемион 811 составляет 0,18 А/см2. Габаритные размеры перфорированного анода вхлораторе, соответствующие расчетной плотности тока 0,16 А/см2, составляют 0,6*1,14 м(таблица 2.1). Размеры катода и расчетная плотность тока на перфорированном катодеаналогичны аноду.Таблица 2.1. Расчетные плотности тока на сплошном и перфорированном электродахПлощадьанода, м20,68400,600Плотность тока, А/см2Форма анода/катода0,14030,1600сплошной электродперфорированный электрод с коэффициентомживого сечения перфорации 0,88Для прототипа хлоратора в качестве анода и катода выбран перфорированный электрод скоэффициентом живого сечения 0,88, обеспечивающий большую плотность тока (большийвыход по току), циркуляцию электролита в межэлектродном пространстве и снижениегазонаполнения в межэлектродном пространстве.ΔUм - падение напряжения на мембране из литературных данных колеблется от 0,2 до 1В пропорционально плотности тока на мембране, которая соответствует плотности тока насплошном электроде, что составляет примерно 0,14 А/см2.

При плотности тока 0,14 А/см2 притемпературе 60С и концентрации щелочи до 20% падение напряжения на мембране Нафион непревышает 0,25 В.Равновесный потенциал катода из углеродистой стали Ек составляет ~ 0,8 В.перенапряжение выделения водорода на катоде Ψк для катода из нержавеющей стали ононаходится в пределах до 0,4 В в зависимости от состава стали, для углеродистой стали ~ 0,18 В.Падение напряжения на катоде ΔUк определяется аналогично ΔUа из уравнения 2.4.Удельное сопротивление католита ρ, зависит от концентрации и температуры (ρ для 20% раствора едкого натра при температуре 40С ρ = 1,81 Ом∙см; при температуре 60С ρ = 1,28Ом∙см; при температуре 80С ρ = 1,01 Ом∙см).Расстояние между катодом и мембраной Ɩ варьируется от 1,5 до 3 мм и зависит оттолщины резиновой прокладки.

Коэффициент, учитывающий газонаполнение, k равен 1,1.65Расчетная плотность тока на катоде равна 0,16 А/см2.ΔUпр обычно не превышает 0,1 В.Втаблице2.2приведенырасчетныезначениянапряженияипотребляемойэлектроэнергии в прототипе хлоратора в зависимости от температуры и расстояния междуэлектродами и мембраной. Наиболее существенно ΔU зависит от перенапряжения на катоде,определяемого материалом катода, и плотности тока, определяющей падение напряжения намембране. Реальный зазор между электродами и мембраной определяется толщинойуплотнительной прокладки, устанавливаемой между мембраной и катодом, и качествомповерхности электродов.

ΔU увеличивается с увеличением расстояния между мембраной икатодом от 1,5 до 3 мм (таблица 2.2).Таблица 2.2. Значения напряжения и потребляемой мощности в хлораторе в зависимости оттемпературы и расстояния между электродами и мембраной кВт∙ч/кгWmin,кВт∙ч/кгWmax,кВт∙ч/кг2,652,722,862,732,833,02,93,043,32,852,933,062,943,033,213,13,243,52,702,782,802,902,993,152,902,983,003,113,203,35l м/у мембр.и анодом, ммКонцентрация щелочи на катоде 20%2,873,090,1580С2,953,170,1560С3,13,320,1540С2,963,180,1580С3,063,280,1560С3,263,480,1540С3,143,360,1580С3,293,510,1560С3,583,800,1540СКонцентрация щелочи на катоде 35%2,923,140,1580С3,013,230,1560С3,033,250,1580С3,143,360,1560С3,243,460,1580С3,413,630,1560СUmin, BUmax, BТ, Сl м/у мембр.и катодом, мм1,51,51,52223331,51,52233Энергозатраты W, кВт∙ч/кг, на производство 1 кг хлора в хлораторе рассчитываются поформуле (3), при этом напряжение U, В, варьируется (см.

таблицу 2.2); I =960 А; m =1,042 кг.При меньшей концентрации щелочи напряжение и потребляемая мощность ниже. Вхлорном электролизере с мембраной, стальным катодом и титановым анодом напряжениеразложения соли при 20% щелочи в катодной камере составляет не более 3,5 В притемпературах от 60 до 80С и зазорах между мембраной и анодом до 0,15 мм и между66мембраной и катодом от 1,5 до 3 мм. Максимальная потребляемая мощность на 1 кг хлора приэтих условиях не превосходит 3,5 кВт/кг.Энергопотребление процесса электролиза в хлораторе при времени электролиза 1 ч иуказанных в таблице 2.3 расчетных параметрах процесса не превосходит 3,0 кВт∙ч на 1 кгхлора.Таблица 2.3 – Расчетные параметры хлоратораПараметры процессаСила токаТеоретическое разложениевещества (по Фарадею)напряжение на электродахПлощадь анодаПлотность токаВыход реакцииФактическое количество вещества в часЭнергопотреблениеОбозначениеЗнач.I (A)960m (г/ч)U (В)Sa (см2)j (A/см2)h (%)m (г/ч)W(кВт∙час/кг)Cl2NaOHH212541433368310422,778311892,4210035,880,43,0060000,162.2.2 Расчет параметров ферратора и анализ основных факторов,влияющих на выход по току и энергопотребление процессапроизводства ферратаДля ферратора принимаем выход по току равным 54%, электрохимический эквивалентферрата равен 1,03 г/А-час, количество пар анод – катод равно 10, время электролиза – 1 ч.Необходимая сила тока в ферраторе для обеспечения заданной производительности, равной 10кг/сут или 420 г/час феррата (в пересчете на сухое вещество) по формуле (2.1) равна 750 А или75 А на электродную пару.Напряжение на электролизере равно среднему напряжению на электродном промежуткеΔU в соответствии с формулой (2.12).В ферраторе равновесный потенциал анода Еа ~ 0,79 В, перенапряжение выделениякислорода на аноде в щелочной среде Ψа ~ 0,4В, падение напряжения в анолите ΔUа, Вварьируется, падение напряжения в мембране при плотности тока до 500 А/м2 ΔUм непревышает 0,5 В, равновесный потенциал катода Ек ~ 0,79 В, перенапряжение выделенияводорода на катоде из нержавеющей стали Ψк ~ 0,18 В, падение напряжения в католите ΔUк, Вварьируется, падение напряжения в контактах и проводниках ΔUпр ~ 0,1 В.Падение напряжения в анолите ΔUа определяется из уравнения 2.4.67Удельное сопротивление раствора щелочи ρ зависит от концентрации и от температуры,при концентрации щелочи 20% при температуре 20С ρ = 2,94 Ом∙см; при температуре 40С ρ =1,82 Ом∙см; при концентрации щелочи 35% при температуре 50С ρ = 1,95 Ом∙см; притемпературе 55С ρ = 1,7 Ом∙см.

Расстояние между анодом и мембраной Ɩ варьируется от 0,5 до1,5 см.Коэффициент, учитывающий газонаполнение в анолите принимается k = 1,09.В расчетах ферратора принимаем плотность тока на аноде равной 500 А/м2, так как приэтих значениях, как показали исследования на макете ферратора и на лабораторной установкеобеспечивается необходимый выход по току феррата и энергопотребление [20-23, 104].Габаритные размеры анодов, используемых в прототипе ферратора, составляют 0,35х0,46 м,эффективная поверхность каждого анода соответствует площади мембраны 0,33х0,46 м (33х46см). Габаритные размеры катодов, используемых в прототипе ферратора, совпадают сразмерами анодов, эффективная поверхность катодов соответствует площади мембраны0,33х0,46 м (33х46 см). Площади сплошных электродов составляют 0,15 м2, расчетнаяплотность тока на электродах и мембране 0,05 А/см2.Для ферратора в качестве анода выбран сплошной электрод с максимальной площадьюповерхности, а расстояние между стенками камеры и электродом по 15 мм с каждой стороны и10 мм снизу обеспечивает циркуляцию электролита и снижение газонаполнения вмежэлектродном пространстве.

В качестве катода выбран сплошной электрод, а расстояниемежду стенками камеры и электродом по 15 мм с каждой стороны и 10 мм снизу обеспечиваетциркуляцию электролита и снижение газонаполнения в межэлектродном пространстве.Аналогично падение напряжения в католите ΔUк определяется из уравнения 2.11.Удельное сопротивление католита ρ для 20 % раствора NaOH определяетсятемпературой электролита: при температуре 40С ρ = 1,81 Ом∙см; при температуре 60С ρ =1,28 Ом∙см; при концентрации щелочи 35% при температуре 50С ρ = 1,95 Ом∙см; притемпературе 55С ρ = 1,7 Ом∙см. Расстояние между катодом и мембраной Ɩ варьируется от 0,5до 1,5 см.

Коэффициент, учитывающий газонаполнение, k равен 1,1.На рисунках 2.2 и 2.3 приведены расчетные значения энергопотребления в ферраторе всоответствии с формулой (2.10) в зависимости от концентрации электролита, температуры ирасстояния между электродами и мембраной.Для прототипа ферратора на основании выполненных на макете исследованийвыбираются как оптимальные минимальные конструктивно возможные расстояния междумембраной и электродами, находящиеся в интервале 0,8…1.1 см.

Концентрация щелочи в68катодном пространстве принимается равной 20% для минимизации напряжения, энергозатрат иувеличения срока службы мембраны.Рисунок 2.2 Энергопотребление взависимости от расстояния междуэлектродом и мембраной при различнойтемпературеРисунок 2.3. Энергопотребление взависимости от температуры при различныхрасстояниях между электродом и мембранойРасчетные значения напряжений на электролизере в соответствии с формулой (2.12) иэнергопотребления процесса при выбранных расстояниях между мембраной и электродамиприведены в таблице 2.4.Таблица 2.4 – Значения напряжения и потребляемой мощности в прототипе ферратора взависимости от температуры и расстояния между электродами и мембраной в 20% щелочиWmin,кВт∙ч/кг5,435,615,265,36Wmax,кВт∙ч/кг6,336,516,166,26Umin, BUmax, BТ, С3,023,122,922,983,543,643,443,520С20С40С40Сl м/у мембр.и анодом, cм0,81,10,81,1l м/у мембр.и катодом, cм0,81,10,81,1При температуре 20С и концентрации щелочи 20% падение напряжения наэлектролизере составляет 3,45 В, при 40С – 3,18 В.

Наиболее существенно оно зависит отрасстояния между мембраной и электродами (от 0,5 до 2,5 см). ΔU увеличивается сувеличением расстояния между мембраной и электродом (таблица 2.4), перенапряжения наэлектроде(материалаэлектрода),иотплотноститока.Выбираютсяминимальныеконструктивно возможные расстояния, находящиеся в интервале 0,8…1.1 см. Температура 40Спри выбранной концентрации 20% соответствует максимуму проводимости. По имеющимсялитературным и экспериментальным данным, максимальный выход по току обеспечивается приплотностях тока 400-500 А/м2 [20-23, 104].69Если напряжение на ферраторе с мембраной, стальным катодом и стальным анодом при20-35С составляет от 3,1 до 3,4 В при зазорах между анодом (катодом) и мембраной от 0,8 до1,1 см и плотности тока до 500 А/м2, то энергопотребление процесса электролиза при времениэлектролиза 1 ч и указанных в таблице 2.5 расчетных параметрах процесса не превосходит 6кВт∙ч на 1 кг феррата.Таблица 2.5 – Параметры электрохимической ячейкиПараметры процессаКол-во анодных камерКол-во катодных камерСила токаТеоретическое разложение железаТеоретическое количество ферратаНапряжение на электродахПлощадь анодаПлотность токаВыход по токуКоличество электродных парФактическое количество ферратаЭнергопотреблениеОбозначениеN, шт.N+1, шт.I (A)mfe (г/ч)mfт (г/ч)U (В)Sa (см2)j (A/сm2)h (%)n (шт.)mfr (г/ч)Wfr (кВт∙час/кг)Значение22553366300300750750104,7 104,7 261,7 261,73093097727723,13,43,13,41500 1500 1500 15000,05 0,05 0,05 0,05545454544410101671674174175,46 5,99 5,46 5,992.3 Взаимосвязь производительности КЭА, его технологических иконструктивных параметровНаоснованиимоделированияработыпрототипаКЭАвыбраныоптимальныеконструктивные и технологические параметры для хлоратора.Расстояние между мембраной и анодом минимально возможное, определяется качествомповерхности анода, не более 0,15 мм.

Характеристики

Список файлов диссертации