Общая химическая технология. В 2-х частях. Ч. II. Важнейшие химические производства. Изд. 3-е, перераб. и доп. - Мухленов И.П.
Скачать (прямая ссылка):
Выход по току т] — отношение количества вещества G1J), полученного практически при электролизе в результате затраты определенного количества электричества, к количеству вещества G1, которое должно было бы выделиться в соответствии с законами Фарадея. Выход по току выражается обычно в процентах:
т) = (0ф/0т)100. (VIIl)
Теоретическое количество полученного вещества G1 (кг) определяется по формуле
GT = /т?/1000, (VI 1.2)
ЭДе / — сила тока, А; т — продолжительность электролиза, ч; с — электрохимический эквивалент — количество вещества, выделяющегося на электроде при прохождении 1 А-ч (для хлора 1.323, едкого натра 1,492, водорода 0,0376).
Пример. Определить выход по току, если в течение 24 ч, в ванне для электро-иза раствора поваренной соли при токе 15 500 А было получено 4200 л электро-• итнческого щелока, содержащего 125 г/л NaOH.
В п'р Мухленова И П, ч 2 J29
Решение. По уравнению (VII 2) теоретически должно было бы получиться следующее количество едкого натра:
15 500-24. 1.492 °т~ 1000 -bob кг.
Фактически было получено едкого натра
п 125-4200 со(.
°ф= юоо =525 кг-
Следовательно, выход по току ,равен
525
Т] = (Єф/Єт) ЮО = ^ 100 = 94,6о/0.
При промышленном электролизе выход по току всегда меньше 100%, что вызывается поотеканием побочных химических и электрохимических процессов. Для увеличения выхода по току необходимо предусмотреть меры, способствующие уменьшению роли этих процессов.
Коэффициент использования энергии ц выражается отношением теоретически необходимого для выделения единицы продукта количества энергии WT к действительно затраченной Wnp. В процентах он равен
H^llVWnp) 100. (VI 1.3)
Теоретический расход энергии кВт-ч на единицу получаемой продукции определяется по уравнению
U?T = yT/T/GT, (VlI 4)
где vt —теоретическое напряжение разложения, В.
Практический расход энергии зависит от напряжения, приложенного к электролизеру vnp,
WnP = (fMP/T/G$) 100. (VII.5)
Таким образом, после подстановки значений Wr из уравнения (VI 1.4) и WIIp из (VI 1.5) в уравнение (VI 1.3) получаем
V = (VrKp) Ц%- (VII 6)
Из уравнения (VII.6) следует, что коэффициент использования энергии будет тем больше, чем выше выход по току и чем ниже напряжение на ванне. Теоретически электролиз должен начаться тогда, когда приложенное к ванне напряжение превысит хотя бы на бесконечно малую величину теоретическое напряжение разложения, равное алгебраической разности равновесных потенциалов анодной фар и катодной сркр реакций при данных условиях, т. е.
Уг = ф,р —фкр- (VII ")
Равновесные электродные потенциалы рассчитывают по уравнению Нернста:
RT
ф=фон- ^-InC, (VII 8)
где Ф° —стандартный электродный потенциал, В; R —газовая постоянная, л-атм/г-моль-град; T —температура, К; z —число зарядов иона; F —число Фарадея, 96 ООО Кл; С —концентрация, г-экв/л.
Практически к ванне прикладывается напряжение vup, слагающееся из теоретического напряжения vT и напряжений, которые затрачиваются на преодоление концентрационной поляризации фкон, анодного фа и катодного (рк перенапряжений *, а также на преодоление омических сопротивлений электролита, электродов, контактов, диафрагмы (если она имеется) I1IR:
^пр = (фар — фкр) + Фкон + (фа — фк) + И IR, (VI 1.9)
где R — сопротивление, Ом.
Уравнение (VI 1.9) представляет собой так называемый баланс напряжения.-В промышленных электролизерах, несмотря на принимаемые меры, действительное напряжение v„p значительно выше теоретического. Ниже приведен баланс напряжения на ванне с железным катодом и графитовыми анодами для электролиза растворов хлорида натрия.
Потенциал анода фар, В ...................1,320
Потенциал катода фкр, В . . . . ч...............0,820
Перенапряжение выделения хлора фа, В...........0,192
Перенапряжение выделения водорода <рк, В .........0,210
Омические потери ZIR, В ...................1,051
При выходе по току, равном 96%, коэффициент использования энергии оказывается равным
1,3204-0,820 ,_лп/
—зд«—96=57'2%-
Еще меньшая степень использования энергии при электролизе расплавов. Так, при получении алюминия из Al2O3, растворенного в криолите (Na3AlF6), напряжение на ванне равно vnp = 4,4 В, в то время как напряжение разложения составляет vT = 1,1 В. При выходе по току около 85% коэффициент использования энергии будет ja -= (1,1/4,4)85 = 20,3%. В данном случае потери энергии, главным образом, обусловлены большими омическими сопротивлениями электролита, шин, контактов и т. п.
2. электролиз водных растворов. производство хлора и едкого натра
Технический электролиз водных растворов может осуществляться без выделения металлов или с их выделением на катоде. Среди электрохимических процессов разложения водных растворов
* Перенапряжением называется разность между потенциалом выделения иона на электроде при данных условиях и равновесным потенциалом в тех же Условиях. Перенапряжение обусловтено замедленностью одной или нескольких промежуточных стадий, через которые проходит разряд некоторых ионов на электродах. Таким образом, чем выше эта разность, т. е. чем выше перенапряжение, тем практически выше электродные потенциалы.
