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

Текст из файла (страница 5)

Что касается катодного материала, то в промышленности используются, в основном, сталь, графит и титан. Важными их свойствами являются стойкость при анодной поляризации, низкий потенциал выделения хлора и высокая электропроводность.

Процесс электролиза растворов хлоридов сопровождается образованием на катодах отложений солей жесткости. Первоначально появляются тонкая пленка и отдельные кристаллы, количество которых со временем увеличи­вается, и вся поверхность катода постепенно покрывается осадком. Толщина осадка непрерывно возрастает, в связи с чем межэлектродное пространство забивается отложениями, снижается сила тока через электролизер и умень­шается производительность установки.

Рядом исследователей было установлено, что скорость образования осадков и структура солевой пленки зависят от плотности тока, времени поляризации, химического состава раствора, состояния поверхности электродов.

С увеличением плотности тока и времени поляризации обрастание като­да происходит интенсивнее. Скорость налипания отложений снижается при применении электродов с более гладкой поверхностью. Наилучшие результа­ты достигаются при использовании полированных катодов.

Из перечисленных факторов наибольшее влияние на образование отложений на катодах оказывает химический состав воды и главным образом общая жесткость. С увеличением жесткости скорость образования катодных отложений возрастает. Механизм образования отложений, по-видимому, сле­дующий. В прикатодном пространстве первичным продуктом является ще­лочь, получающаяся в результате разложения воды. При наличии в раство­ре ионов Са ²⁺и Mg²⁺ происходит образование соответствующих гидроокисей, а в присутствии ионов СО₃^- карбонатов.

Существует несколько технических приемов, применение которых предотвращает рост осадков на катодах:

- создание высокой линейной скорости движения жидкости относительно электродов; механическая очистка поверхности катодов;

- растворение отложений кислотой;

- «скалывание» осадков с катодов методом временной перемены полярно­сти электродов.

При создании высокой линейной скорости движения жидкости относи­тельно электродов отложения отрываются от поверхности катода и выно­сятся потоком. Скорость движения жидкости должна составлять не менее 1,5—2 м/с. Техническое осуществление данного способа возможно при при­менении специального насосного оборудования или электролизеров специ­альной конструкции, благодаря чему в межэлектродном пространстве созда­ются требуемые линейные скорости.

Электролит насосом под давлением снизу вверх вводится в элект­ролизер и по магистрали поступает в сепаратор. Сепаратор оборудован уст­ройством для удаления водорода, конусообразным дном для сбора отложе­ний, штуцером для подвода электролита и штуцером с клапаном для отвода готового продукта.

Электролит непрерывно с заданной скоростью циркулирует по замкну­тому объему до достижения требуемой концентрации по активному хлору. Катодные отложения выносятся из электролизера, собираются в конусной части сепаратора, откуда периодически удаляются. Новая порция электро­лита добавляется в количестве, равном отведенному готовому продукту.

Впускная камера обеспечивает равномерное распределение электролита по сечению электролизера. В электролизной части аппарата вертикально по­очередно расположены анодные и катодные пластины.

В разделительной секции смонтированы устройства, сужающиеся в верх­ней части. Ширина зазора в этих устройствах меньше, чем расстояние между

электродами.

Ячейка снабжена патрубком для подвода электролита, крышкой с гид­равлическим затвором и отверстием для удаления водорода, штуцером для отвода получаемого гипохлорита натрия и патрубком с пробкой для перио­дического удаления отложений солей жесткости.

Электролит движется снизу вверх со скоростью, затрудняющей образо­вание катодных отложений. Продукты электролиза взаимодействуют не в электролитической ячейке, а в разделительной камере.

В случае применения механической очистки снятие отложений осуществ­ляется вручную или с помощью специальных механизмов. При ручной очист­ке требуются полная разборка установки и выполнение обслуживающим персоналом трудоемких работ.

Типичная конструкция электролизера состоит из ряда биполярно включенных дисков, закрепленных поочередно на валу, по­крытом изоляционным материалом. Электролизер за­крывается крышкой и стягивается болтами. Для снятия отложений солей жесткости в электролизер введены скребковые механизмы. Удаление отло­жений с поверхности электродов осуществляется при повороте вала.

Технически более простой операцией является растворение отложений кислотой, в связи с чем этот метод нашел довольно широкое применение в практике. Сущность метода заключается в том, что периодически по мере обрастания катодов солями жесткости через установку пропускают 3— 5%-ный раствор соляной или азотной кислоты, который и растворяет отло­жения. Кислота на промывку подается с помощью так называемого замк­нутого кислотного контура, состо­ящего из насоса небольшой подачи, бачка с кислотой, соединительных магистралей и запорной арматуры. Все оборудование вы­полняется из антикоррозионного материала. При проведении кислотной промывки закрывают задвижки и прекращают поступление электролита в электролизер. Открывают спускной вентиль, воздухоотделитель и сливают рассол из установки. Включают насос и в установку подают раствор кислоты, который сливается в сборный бачок по возвратной магистрали. Промывку осуществ­ляют до полного растворения отложений, после чего электролизер снова включают в работу.

Периодичность промывки и ее длительность зависят от интенсивности обрастания катодов.

Одним из наиболее предпочтительных методов снятия отложений является способ «скалывания» осадков, который осуществляется путем про­ведения временной перемены полярности электродов. В этом случае исклю­чается необходимость применения ручного труда и реагентов и, кроме того, возможна автоматизация процесса. Однако этот метод применим только для ограниченного числа материалов, способных попеременно работать как в качестве анода, так и катода. К числу таких электродов относятся, например платиновые, магнетитовые, из платинированного титана.

2.5.Виды электролитических ванн установки электролиза

хлорида натрия

В практике электрохимического производства хлорпродуктов нашли применение разнообразные конструкции электролитических ванн. На основании общих признаков они могут быть разделе­ны на две группы: монополярные и биполярные. Схема включения электро­дов в электрическую цепь для ванн каждой из этих групп является общей.

Монополярные ванны имеют ряд параллельно расположенных электродов, одна половина которых соединена с положительной шиной це­пи - аноды, другая - с отрицательной шиной - катоды. При таком соеди­нении каждый электрод имеет только одну полярность, т. е. является или анодом, или катодом. Сила тока на ванне пропорциональна плотности тока и поверхности всех электродов одной какой-либо полярности, напряжение на ванне определяется разностью потенциалов на одной паре электродов (ка­тоде и аноде), поэтому для работы монополярных ванн требуется большая токовая нагрузка при низком напряжении.

Биполярные ванны, так же как и монополярные, имеют ряд расположенных параллельно друг другу электродов, но включенных в электрическую цепь последовательно. Ток подводят только к крайним элект­родам — аноду и катоду. Промежуточные электроды включены в элект­рическую цепь через проводники второго рода — электролит.

При наложении напряжения на крайние токоподводящие элементы промежуточные электроды поляризуются. На одной их стороне, обращенной к аноду, концентрируются отрицательные заряды, на другой — положительные.

Таким образом, крайние электроды и являются монополярными, а все промежуточные — биполярными электродами, т. е. одной стороной они работают как катоды, а другой — как аноды.

Сила тока на биполярной ванне зависит только от плотности тока и пло­щади поверхности одного монополярного электрода (анода или катода) и не зависит от числа биполярных электродов. Напряжение на ванне, наоборот, за­висит от разности потенциалов между соседними электродами и прямо про­порционально числу пар анодов и катодов. Современные электролизеры в основном относятся к биполярному типу.

Количество продукта Gт, кг, которое теоретически должно выделиться на аноде при электролизе, может быть определено, согласно закону Фарадея, по формуле:

G_T = AInt/ 1000

А – электрохимический эквивалент, г/(Ач)

I – полный ток через электролизер

n- число работающих анодов

t – продолжительность работы электролизера

2.7.Побочные процессы и основные показатели электролиза

хлорида натрия

Важно отметить, что на электродах параллельно с основными процессами образования целевых продуктов происходят другие побочные электродные процессы. В связи с этим количество выделившегося продукта всегда меньше теоретического. К таким процессам относятся:

■ реакция образования по химическому механизму хлората, протекающая в объеме:

2HClO + ClO^- = ClO₃^- +2Cl^- + 2H⁺

■ реакция электрохимическое окисление гипохлорита до хлората:

6ClO^- - 6 e^- = ClO₃^- + 1,5O₂ + 5Cl^-

■ химическая реакция разложения гипохлорита, которая особенно активируется в присутствии загрязнений электролита, особенно железа, меди, никеля:

2СlO^- = O₂ + 2Cl^-

восстановление гипохлорита и хлората на катоде:

ClO^- + H₂O + 2e^- = Cl^- + 2OH^-

ClO₃^- + 3H₂O + 6e^- = Cl^- + 6OH^-

По количеству реально полученного продукта можно подсчитать, какая часть тока израсходована полезно. Эта часть тока, выраженная в долях единицы, называется коэффициентом использования тока, а выраженная в процентах— выходом по току.

Если теоретически рассчитанное количество продукта электролиза обозначить G_T, а практически полученное количество G, то коэффициент использования тока ŋ = G/G_T, а выход по току равен G/G_T 100% .

Значение ŋ является основным показателем процесса электролиза. Чем выше его значение, тем эффективнее течение электролиза и ниже энергети­ческие затраты на получение единицы готового продукта. При более высоких значениях ŋ можно уменьшить требуемую площадь рабочей поверхности электродов для достижения заданной производительности, применить более компактные установки и снизить расходы на их изготовление.

На изменение коэффициента использования тока ŋ влияет ряд факторов:

• величина напряжения на разрядный промежуток

• исходная концентрация электролита

• степень использования раствора хлоридов

Величина выхода хлора по току сказывается в первую очередь на изменении затрат электроэнергии W, кВт-ч/кг, при получении гипохлорита натрия, которые могут быть подсчитаны по формуле:

W = I *U* t/G

или

W = U/ A*ŋ*n

где U—напряжение на токоподводящих электродах, В.

Можно указать один из возможных способов регулирования производительности электролизера. Повышая напряжение на токоподводящих электродах, а следовательно, повышая и силу тока, можно увеличить в определенных пределах производительность установки без существенного отклонения энергетических затрат от минимальных при сохранении максимально возможного значения выхода хлора по току.

Межэлектродное расстояние δ существенно не влияет на изменение ве­личины ŋ и другие параметры работы электролизера. Изменение величины δ при сохранении площади рабочей поверхности электродов сказывается толь­ко на производительности установки. При увеличении межэлектродного рас­стояния происходит пропорциональное снижение плотности тока i и соот­ветственно снижение общего выхода гипохлорита натрия. С точностью, при­емлемой для инженерных расчетов, зависимость между δ и i может быть выражена соотношением:

δ₂/δ₁ = i₁/i₂

Для создания малогабаритных и высокопроизводительных установок наи­более целесообразно предусматривать минимально возможные межэлектродные расстояния, равные 3—6 мм, что позволяет вести процесс электроли­за при больших плотностях тока.

Характеристики

Список файлов реферата