Экологическая безопасность при обработке конструкций кондиционеров (стр. 9 из 11)

где G_H2O кг/ч - количество воды, вступившее вэлектрохимическую реакцию на электроде;

Вт - выход потоку, доли единицы;

М = 18 -молекулярная масса воды;

26.8 - количество электричества, равная 1Р, А-ч;

n = 4, 2соответственно - количество электронов, участвующих в электрохимическойреакции.

G1_H2O = 0,0082  кг/ч - количество воды, вступившее вреакцию на аноде.

G2_H2O = 0,0165 кг/ч - количество воды, вступившее вреакцию на катоде.

G_H2O⁼G1_H2O + G2_H2O

G_H2O⁼ 0,0247 кг/ч

Определениеколичества образовавшихся газов

 

где

кг/ч- количествообразовавшегося водорода,

М_Н2= 2 - молекулярная масса водорода;

n = 2 - количество электронов, участвующих в электрохимической реакции.

= 0,0019 кг/ч

где

кг/ч- количествообразовавшегося кислорода,

М_O2 = 32 - молекулярная масса кислорода.

 

= 0,2195 кг/ч

Определение количества растворителя (воды), уносимого сгазообразными продуктами

а)Определение количества растворителя, уносимого с водородом

где t⁰_эл = 25 - температура электролита, °С;

22,4 л - объем одного г-моль газа принормальных условиях;

р = 23,76 мм.рт. ст. = 23,76133 = 3167,2 Па = 31,672 - упругость водяного пара притемпературе электролита, гПа;

ρ_р= 0,02304 - плотность паров растворителя при t⁰_эл, г/л.

= 5,5246 10^-4 кг/ч

б) Определение количестварастворителя, уносимого с кислородом

где

 - количествообразовавшегося кислорода, кг/ч.

 = 2,7623 10^-4 кг/ч

Таким образомсуммарный расход воды на электролиз:

=0,0503 кг/ч

Энергетическийбаланс электрофлотатора.

Общая формуладля расчета напряжения на электрофлотаторе:

(Е_а- Е_к) + (h_а - h_к) + DЕ_конц + DЕ_диф+ DU_эл + DU_д + DU₁ + DU_к ,

где  U – напряжение на ячейке электролизера, В

Е_а, Е_к – термодинамические(обратимые) значения потенциалов анода и катода, В

Е_а - Е_к = Е_т– теоретическое напряжение разложения, В

h_а, h_к – перенапряжение реакций на аноде и катоде, В

DЕ_конц – величины концентрационной поляризации на аноде икатоде , В

DЕ_диф – диффузионный потенциал междуанолитом и католитом (при наличии диафрагмы), В

DU_эл – падение напряжения в электролите ,В

DU_д – падение напряжения в диафрагме, В

DU₁ – падение напряжения в электродах итокоподводящих шинах, В

DU_к – падение напряжения в контактах, В.

Для данного случая мы исключаем из расчета DЕ_диф и DU_д в связи сотсутствием диафрагмы. Также мы не рассчитываем DЕ_конц, так как процесс имеетэлектрохимическую природу. Величинами DU₁ и DU_к мы пренебрегаем в связи с малостью их вклада в общуювеличину напряжения на электрофлотаторе.

Расчеттеоретического напряжения разложения, Е_т

Расчет проводится по доминирующимреакциям, которые идут с наиболее высокими выходами по току.

на катоде: 2H⁺ + 2е → H₂

на аноде: H₂O → 1/2O₂+2H⁺ +2ē

суммарнаяреакция: H₂O→ H₂ + 1/2О₂

В таблице  приведены стандартные величины энергии Гиббса (DG⁰), энтальпии (DН⁰) и энтропии S° длякомпонентов и продуктов реакции.

Таблица

	Вещество	H2O	(H+) H2O	Н2(газ)	О2(газ)
Терм. функция	DG0, кДж/моль	-237,531	0	0	0
	DН0, кДж/моль	-286,248	0	0	0
	S°, Дж/моль град	70,040	0	130,761	205,322

Теоретическое напряжение разложенияреализуется при совершении системой максимально полезной работы. Оновычисляется из изменения изобарно-изотермического потенциала при протеканииреакции.

DG⁰= nFЕ_т  = -А_мах,

где DG⁰ –стандартный изобарно-изотермический потенциал электродной реакции (энергияГиббса),

DG⁰= (Dn_i DG⁰ _i)_п – (Dn_i DG⁰ _i)_р,

где DG⁰ _i  – энергия Гиббса образования компонентов реакции

n_i - стехиометрический коэффициент компонента реакции.Индекс "п" означает продукты реакции; индекс "р" означаетреагенты реакции.

Для реакции на катоде:

DG⁰_к= DG⁰ _н2– 2DG⁰ _Н+,

DG⁰_к= 0 кДж/моль

Величинастандартного потенциала на катоде:

                 Е⁰_к= 0

Для реакции на аноде:

В соответствии с правилом термодинамических расчетов, анодную реакциюследует представить в обратном направлении:

1/2O₂+2H⁺ +2ē → H₂O.  Тогда  DG⁰_а= DG⁰ _Н2О– 1/2DG⁰ _О2– 2DG⁰ _Н+,

DG⁰_а= -237,531кДж/моль

Величина стандартного потенциала нааноде:

             Е⁰_а = 1,231 В

Теоретическое напряжение разложения в стандартных условиях

Е⁰_т = Е⁰_а - Е⁰_к                Е⁰_т = 1,231 В

По уравнению Гиббса-Гельмгольца:

Е_т= -(DН/nF) + Т(¶Е/¶Т)_р,

где ¶Е/¶Т - температурный коэффициент, В/град.

Величина (¶Е/¶Т)_р вычислена из следующего уравнения,получающегося из уравнения Гиббса-Гельмгольца:

(¶Е/¶Т)_р = DS° /(2×96500), В/град

Вычислим DS°_к катодной реакции:

DS°_к= DS°_Н2 - DS°_Н+

DS°_к= 130,761 Дж/моль град

Аналогично находим DS°_а анодной реакции:

DS°_а= DS°_Н2О - 1/2DS⁰_О2- 2DS°_Н+

DS°_а= -32,621 Дж/моль град

Далее находим DS° суммарной реакции и температурный коэффициент

DS° =  DS°_а  - DS°_к                            DS° = -163,328 Дж/моль град

Е_т= 1.231 В

Определение перенапряжения на электродах

Перенапряжение возникает вследствиезамедленной одной (или нескольких) стадий переноса заряженных частиц черезфазовую границу раздела электрод/раствор и описывается теорией замедленногоразряда.

h_а = f_а – Е_т,

где f_а = 0,9 В. Величина f_аопределена из поляризационной кривой по кислороду для ОРТА при плотности тока i = 244,14 А/м².

h_а = 0,46 В

h_к = f_к – Е_т,

где f_к = 1,0001 В. Величина f_к определена из парциальной поляризационной кривой   по   водороду   для    стального    электрода    при    плотности    тока

i = 244,14 А/м².

h_к = 0,52 В.

Расчет падения напряжения вэлектролите

Падение напряжения в электролитеможет быть рассчитано по закону Ома:

DU_эл = I∙R_эл, R_эл = ρ∙(1/S)

где I - ток,проходящий через электрофлотатор, А;

R_эл - сопротивление электролита с учетом газонаполнения, Ом;

ρ - удельное сопротивление электролита с учетом газонаполнения,Ом-м;

l = 0,005 м- расстояние между электродами;

S = 0,02 - м² площадь поверхностиэлектрода. Поскольку на электродах выделяется некоторое количество газовэлектролит, содержащий газовые пузырьки имеет большее сопротивление, чем безних. Удельное сопротивление, таким образом, зависит от степени газонаполнения иможет быть определено как

Ρ = K∙ρ₀

где К –коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления электролита из-за наличия внем газовых пузырьков;

ρ₀ - удельное сопротивление электролита без газовых пузырьков,причем

ρ₀= 1/к

где к -удельная электропроводность раствора электролита, Ом^-1-м^-1.

Таким образом DU_эл можно рассчитать по формуле:

DU_эл = I∙K∙ρ₀∙(1/S)

Величину Копределим по формуле:

K= 1/ (1-1,78∙Г+Г²)

где Г = 2 % -газонаполнение электролита, принятое для наших условий.

К =1,036

Величину копределим по формуле:

к = α∙с(λ^о++λ^о-)1000

где α =1 - степень электролитической диссоциации Н₂SО₄