Главная страница
qrcode

Химические реакторы


Скачать 150.84 Kb.
НазваниеХимические реакторы
АнкорХимические реакторы.docx
Дата04.10.2018
Размер150.84 Kb.
Формат файлаdocx
Имя файлаХимические реакторы.docx
ТипМетодические указания
#46626
Каталог

Министерство образования и науки Российской Федерации

Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А.

Энгельсский технологический институт

С. М. Закирова

ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ

Методические указания к выполнению контрольных работ по дисциплине «Химические реакторы» для студентов

направления 18.03.01 – Химическая технология

профиль «Технология электрохимических производств» заочной формы обучения

Энгельс 2016 г.

Введение

Химическими реакторами принято считать аппараты, в которых осуществляются химические процессы с целью получения определенного вещества в рамках одного технологического процесса. С использованием химических реакторов производят применяемые в электрохимическом производстве химические продукты: кислоты, спирты; оксиды, соли и гидроксиды металлов; металлы; газообразные продукты и др.

Наиболее часто химические реакторы классифицируют по следующим критериям: непрерывность операции – реакторы периодического, непрерывного, полупериодического действия; тепловой режим – изотермические, адиабатические, автотермические реакторы; режим движения реакционной среды – реакторы идеального вытеснения, идеального смешения, неидеальный; фазовое состояние реагентов.

Электрохимические реакторы. Под электрохимическим синтезом понимаютполучение неорганических или органических веществ с помощьюэлектролиза, т.е. процессы электролитического окисления и восстановления. Под это определение подходят все случаи электролиза (электролиз без выделения металлов, гидроэлектрометаллургия, электролитическое рафинирование металлов, электролиз расплавов и др.). Основу электрохимического синтеза составляют реакции окисления и восстановления, протекающие на аноде и на катоде. Толщина приэлектродного слоя, в котором происходит электрохимическая реакция, составляет примерно 10-6 см. Так, в результате электросинтеза получают в промышленности кислородные соединения хлора (гипохлориты, хлораты, перхлораты и хлорную кислоту); кислородные соединения марганца (активный диоксид марганца, перманганаты); пероксодвусерную (надсерную) кислоту и ее соли и из них пероксид водорода; при электролизе карбонатных растворов буры - пероксобораты, а при электроокислениигексацианоферрата (II) калия (желтой кровяной соли) – гексацианоферрат(III) калия (красную кровяную соль) и др. Электролизом водных растворов хлоридов щелочных металлов получают едкие щелочи, водород и хлор; электролизом щелочного раствора воды получают водород, кислород и тяжелую воду и т.д. Путем электросинтеза в промышленности осуществлено получение таких органических продуктов, как тетраэтилсвинец, окись пропилена, себациновая кислота и динитриладипиновая кислота (ДАК) и др.

К числу преимуществ электрохимических способов синтеза органических и неорганических веществ можно отнести следующее:

- реакции окисления или восстановления можно проводить без участия окислителей или восстановителей, загрязняющих конечный продукт, аследовательно, приводящих к его потерям при очистке;

- путем электролиза можно осуществлять те процессы, которые практически неосуществимы химическими методами, кроме того, можно достигать более высоких значений выхода продукта;

- путем изменения условий электролиза можно управлять скоростью и направлением процесса, получая из одного и того же сырья ряд продуктов, имеющих различную природу и состав, например, соли, в которых катионы имеют различные степени окисления или восстановления;

- возможность получения продуктов высокого качества из низкосортного сырья, получение химически чистых металлов из сравнительно бедных и сложных по составу руд и концентратов;

- электролиз является единственно экономически целесообразным способом для получения таких продуктов как алюминий, магний, щелочные и щелочноземельные металлы, перекись, хлор, гидроксид натрия, пероксидные соединения, дезинфицирующие растворы, неорганические окислители, различные неорганические и органические вещества высокой степени чистоты, обычно недостигаемой при химических методах их получения.

- электрохимические методы очистки природных и сточных вод, а также обессоливание воды более эффективны, по сравнению с химическими.

- процесс восстановления или окисления, т.е. процесс электросинтеза можно проводить непрерывно.

Для практической реализации электролиза или генерирования электроэнергии, применяются электрохимические реакторы ЭХР (ячейки, ванны, батареи, электрохимические станки и др.). Классификация ЭХР: по характеру гидродинамического режима - идеального смешения непрерывного действия,идеального вытеснения,идеального смешения периодического действия,каскад ЭХР идеального смешения; по динамическому состоянию электродов -ЭХР с твердыми стационарными или движущимися электродами, ЭХР с жидким электродом; по характеру электролита - ЭХР для систем с жидким, твердым и расплавленным электролитом; по способу разделения получаемых продуктов - бездиафрагменные, диафрагменные и мембранные ЭХР; по способу соединения электродов - монополярные ЭХР с параллельным соединением электродов, биполярные ЭХР с параллельным соединением электродов; по устройству корпуса - ЭХР ящичные и фильтр-прессные; ЭХР работающие под давлением.

ПРОГРАММА КУРСА

Цели и задачи дисциплины

1. Изучение основ теории химических реакторов, рассмотрение основных методов и приемов повышения эффективности их работы.

2. Обучение студентов методам выбора реакторов для технологического процесса; методам выбора технических средств с учетом экологических и экономических требований; методам определения оптимальных и рациональных технологических режимов работы оборудования.

Курс «Химические реакторы» состоит из 4 основных разделов. Первый раздел «Понятие о химическом реакторе. Типы реакторов»освещает следующие вопросы: реакторы в электрохимической промышленности: химические (ХР), электрохимические (ЭХР);требования, предъявляемые к реакторам;реакторы идеального смешения (периодического действия, непрерывного действия), реакторы идеального вытеснения,каскад реакторов. Второй раздел «Конструкции электрохимических реакторов» включает темы: реакторы для получения продуктов в объеме, на катоде, на аноде, на катоде и аноде одновременно; конструкции реакторов лабораторных, опытных, промышленных;бездиафрагменные, диафрагменные и мембранные реакторы; конструкции электродов и диафрагм, применяемых в реакторах. Третий раздел «Составление материального и энергетического баланса реактора». Четвертый раздел «Сравнение эффективности работы реакторов. Выбор реактора» подразумевает: сравнение эффективности работы реакторов различных типов и конструкций: для производства газообразных (водород, хлор и др.), жидких (щелочь, серная кислота и ее производные, гипохлорит, перекись водорода и др.), органических химических продуктов; для получения компонентов активных масс химических источников тока (гидроксид никеля, диоксид марганца, ТРГ); для гидро- и гидроэлектрометаллургии; для водоподготовки (деминерализация, обеззараживание) и очистки сточных вод (обезвреживание сточных вод гальванического производства, регенерация растворов). Пятый раздел «Способы снижения материальных и энергетических затрат производства» включает темы: пути интенсификации процессов, протекающих в реакторе; комбинирование работы реактора и другого производства (комбинирование мембранного и диафрагменного производства, работы ЭХР и топливных элементов, работы ЭХР и водоподготовки).

Объем курса определяется рабочей программой.

Основной формой изучения курса является самостоятельная работа с рекомендуемой литературой, лабораторных занятий и выполнения контрольной работы.

Задания к контрольным работам

Вариант 1.

  1. Классификация химических реакторов.

  2. Электрохимические реакторы. Назначение.

  3. Примеры конструкции промышленных электрохимических реакторов.

  4. Энергетические показатели работы электрохимических реакторов.

  5. Производство водорода в электрохимических реакторах.

  6. Сравнение эффективности работы реакторов различных типов и конструкций для производства газообразных продуктов (на примере получения водорода).

  7. Способы сокращения материальных и энергетических затрат производства на основе ЭХР.

  8. Рассчитать количество водорода выделившегося при электролизе разбавленной серной кислоты, если через электролит было пропущено 7,5 А∙ч электричества.

  9. Хлорный электролизер диафрагменного типа с графитовыми электродами работает при токовой нагрузке 25 кА с выходом по току для NaOH 96%. В ванну поступает рассол, содержащий 315 г/л NaCl (плотностью 1,2 г/см3). Получаемые щелока содержат 130 г/л NaOH и 0,2 г/л NaClO3. Рассчитайте: а) выход по току для хлора; б) объем щелоков, получаемых за 1 ч работы ванны; в) количество хлора, получаемого за 1 ч работы с ванны.

Вариант 2.

        1. Химические реакторы в электрохимической промышленности. Назначение.

        2. Электрохимические реакторы. Примеры.

        3. Бездиафрагменные реакторы в электрохимической промышленности. Назначение.

        4. Производство хлора в электрохимических реакторах.

        5. Энергетический баланс электрохимического реактора.

        6. Сравнение эффективности работы реакторов различных типов и конструкций для производства газообразных продуктов (на примере получения хлора).

        7. Пути интенсификации процессов, протекающих в реакторе.

        8. По анализу содержание гидроксида натрия и поваренной соли в католите соответственно равно 130 и 190 кг/м3. Определить степень превращения поваренной соли.

        9. В электролизер непрерывного действия нагрузкой I= 10 кА для получения хлората натрия NaClO3 подается раствор, содержащий NaCl 250 г/л и NaClO3 50 г/л. Концентрация NaClO3 в выходящем электролите должна составлять около 240 г/л. Рассчитайте: а) необходимую скорость подачи раствора, если выход по току хлората натрия Вт = 85%; б) содержание хлорида натрия в электролите, вытекающем из ванны; в) удельный расход электроэнергии на 1 т хлората натрия (в растворе), если напряжение на ванне U= 3,9 В.

Вариант 3.

1. Классификация электрохимических реакторов.

2. Преимущества электрохимических реакторов по сравнению с химическими реакторами.

3. Реакторы идеального смешения периодического действия в электрохимической промышленности. Примеры.
4. Материальный баланс хлорного электролизера диафрагменного типа.

5. Производство кислорода в электрохимических реакторах.

6. Сравнение эффективности работы реакторов различных типов и конструкций для производства газообразных продуктов (на примере получения кислорода).

7. Пути интенсификации процессов, протекающих в хлорном электролизере.
8.Диафрагменная хлорная ванна нагрузкой 20 кА работает с выходами по току для Н2 около 99%, для Cl2 и NaOH в среднем 95%. Вытекающие из ванны щелока содержат 140 г/л NaOH. Рассчитать: количество водорода, хлора и щелочи, получаемое за 1 час работы электролизера (провести расчет по массе и объему).

9. В диафрагменный хлорный электролизер с графитовыми анодами, работающий под токовой нагрузкой I= 50 кА, подается рассол с содержанием NaCl 315 г/л (dp= 1,20 г/см3). Выходящие католит имеет плотность dщ= 1,22 г/см3 (при комнатной температуре) и содержат NaОН 135 г/л, Na2СО3 0,2 г/л, NaCl 260 г/л. Выход по току щелочи Вт = 96,5%. Рассчитайте: а) количество хлора, получаемого за 1 ч работы с ванны; б) степень превращения NaCl; в) расход хлорида натрия за 1 ч работы ванны. Пренебречь расходом хлорида натрия на обратимые редокс-превращения, потери хлора с испарением раствора.

Вариант 4.

  1. Требования, предъявляемые к электрохимическим реакторам.

  2. Реакторы идеального смешения непрерывного действия в электрохимии. Примеры.

  3. Примеры конструкций электрохимических реакторов.

  4. Мембранные реакторы в электрохимической промышленности. Назначение. Примеры.

  5. Получение гипохлорита натрия в электрохимических реакторах.

  6. Сравнение эффективности работы реакторов различных типов и конструкций для производства гипохлорита натрия.

  7. Способы сокращения материальных и энергетических затрат производства на основе электрохимических реакторов.

  8. На электролиз подается рассол, содержащий 315 кг/м3 поваренной соли. Определить расходный коэффициент по рассолу, при котором степень превращения будет раной 0,42.

  9. На биполярном электролизере для производства гипохлорита натрия NaClO, состоящем из 22 последовательных ячеек, нагрузкой каждая I= 40 А, за 10 ч непрерывной работы получено Vэ=900 л белильного раствора с концентрацией NaClO 10 г/л. Исходный раствор содержит NaCl 190 г/л. Напряжение на электролизере в среднем U= 108 В. Рассчитайте: а) выход по току NaClO; б) удельный расход электроэнергии на 1 кг NaClO; в) удельный расход NaCl; г) коэффициент использования NaCl при электролизе.

Вариант 5.

  1. Химические реакторы в электрохимической промышленности. Назначение. Примеры.

  2. Электрохимические реакторы. Назначение. Примеры.

  3. Конструкции электродов применяемых в электрохимических реакторах.

  4. Электрохимические реакторы с биполярными электродами.

  5. Получение хлората натрия в электрохимических реакторах.

  6. Сравнение эффективности работы реакторов различных типов и конструкций для производства хлората натрия.

  7. Пути интенсификации процессов, протекающих в электролизере для получения гипохлорита натрия.




  1. На биполярном электролизере для производства гипохлорита натрия NaClO, состоящем из 22 последовательных ячеек, нагрузкой каждая I= 40 А, за 10 ч непрерывной работы получено Vэ=900 л белильного раствора с концентрацией NaClO 10 г/л. Исходный раствор содержит NaCl 190 г/л. Напряжение на электролизере в среднем U= 108 В. Рассчитайте: а) выход по току NaClO; б) удельный расход электроэнергии на 1 кг NaClO; в) удельный расход NaCl; г) коэффициент использования NaCl при электролизе.

  2. С серии из 240 последовательных ванн для электролиза воды получено за сутки 19 100 м3 водорода. Нагрузка на ванну 8000 А, среднее напряжение на серию 540 В. Рассчитайте выход по току.

Вариант 6.

  1. Требования, предъявляемые к реакторам в электрохимической промышленности.

2. Преимущества электрохимических реакторов по сравнению с химическими реакторами.

3. Конструкции диафрагм, применяемых в электрохимических реакторах.

4. Каскад электрохимических реакторов. Назначение. Примеры.

5. Материальный баланс электрохимического реактора для электролиза воды.

6. Сравнение эффективности работы реакторов различных типов и конструкций для производства хлора.

7. Способы интенсификации процесса производства химических продуктов электролизом растворов хлоридов щелочных металлов.

  1. Найдите объем газов, выделившихся на катоде и аноде электролизера, при электролизе водного раствора, содержащего 120 г/л хлорида калия. Объем поступающего на электролиз рассола 200 л.

9. В электролизер с биполярными электродами (25 электролитических ячеек) нагрузкой I= 12 кА для получения гипохлорита натрия NaClO подается раствор, содержащий NaCl 107 г/л. Концентрация NaClO в выходящем электролите должна составлять около 20 г/л. Рассчитайте: а) необходимую скорость подачи раствора, если выход по току гипохлорита натрия Вт = 60 %; б) удельный расход электроэнергии на 1 кг гипохлорита натрия (в растворе), если напряжение на электролизере U= 140 В и нагрузка 50 А.

Вариант 7.

  1. Классификация химических реакторов.

  2. Отличительные особенности электрохимических реакторов от химических.

  3. Получение жидких химических продуктов (на примере щелочи) в электрохимических реакторах.

  4. Конструкции электрохимических реакторов для производства щелочи.

  5. Материальный баланс для производства щелочи.

  6. Сравнение эффективности работы реакторов различных типов и конструкций для производства щелочи.

  7. Способы сокращения материальных и энергетических затрат производства на основе ЭХР.




  1. В хлорном электролизере диафрагменного типа нагрузкой I= 25 кА за 24 ч получено V= 5500 л электролитической щелочи, содержащей 135 г/л NaOH. Определите выход по току щелочи.

  2. Хлорный электролизер диафрагменного типа с графитовыми электродами работает при токовой нагрузке 25 кА с выходом по току для NaOH 91%. В ванну поступает рассол, содержащий 315 г/л NaCl (плотностью 1,2 г/см3). Получаемые щелока содержат 132 г/л NaOH и 0,2 г/л NaClO3. Рассчитайте: а) выход по току для хлора; б) объем щелоков, получаемых за 1 ч работы ванны; в) количество хлора, получаемого за 1 ч работы с ванны.

Вариант 8.

  1. Классификация реакторов в электрохимической промышленности.

  2. Реакторы идеального вытеснения. Примеры.

  3. Электрохимические реакторы для получения химических продуктов в объеме. Примеры.

  4. Конструкции ЭХР для производства газообразных продуктов.

  5. Энергетический баланс ртутного хлорного электролизера.

  6. Сравнение эффективности работы реакторов различных типов и конструкций в гидроэлектрометаллургии (извлечение металлов из растворов, рафинирование металлов).

  7. Способы сокращения материальных и энергетических затрат в гидроэлектрометаллургии.

  8. Хлорный электролизер мембранного типа МВС работает при нагрузке 60 кА и напряжении 3,35 В. Выход по току для хлора 97%. Поступающий в электролизер рассол имеет концентрацию хлорида натрия 300 г/л. Рассчитайте производительность электролизера по хлору за час работы.

  9. В диафрагменный хлорный электролизер с графитовыми анодами, работающий под токовой нагрузкой I= 50 кА, подается рассол с содержанием NaCl 300 г/л. Выходящие католит имеет плотность dщ= 1,22 г/см3 (при комнатной температуре) и содержат NaОН 130 г/л, Na2СО3 0,2 г/л, NaCl 260 г/л. Выход по току щелочи Вт = 96,5%. Рассчитайте: а) количество хлора, получаемого за 1 ч работы с ванны; б) степень превращения NaCl; в) расход хлорида натрия за 1 ч работы ванны. Пренебречь расходом хлорида натрия на обратимые редокс-превращения, потери хлора с испарением раствора.

Вариант 9.

        1. Электрохимические реакторы. Назначение. Примеры.

        2. Каскад реакторов. Примеры.

        3. Реакторы для получения продуктов на катоде. Примеры.

        4. Получение металла методом электрогидрометаллургии.

        5. Энергетический баланс электрохимического реактора для электролиза воды.

        6. Сравнение эффективности работы реакторов различных типов и конструкций для обезвреживания сточных вод гальванического производства (регенерация растворов).

        7. Повышение эффективности работы производства с применением электрохимических реакторов (на примере комбинирования работы реактора и другого производства).

        8. Диафрагменный электролизер для получения едкого кали работает 1 ч при нагрузке 10 кА. В ванну поступает рассол с содержанием KCl 315 г/л. Содержание КОН в вытекающих щелоках составляет 180 г/л. Рассчитать выход по току для щелочи и объем полученного КОН.

9. В электролизер с биполярными электродами (25 электролитических ячеек) нагрузкой I= 12 кА для получения гипохлорита натрия NaClO подается раствор, содержащий NaCl 110 г/л. Концентрация NaClO в выходящем электролите должна составлять около 22 г/л. Рассчитайте: а) необходимую скорость подачи раствора, если выход по току гипохлорита натрия Вт = 60 %; б) удельный расход электроэнергии на 1 кг гипохлорита натрия (в растворе), если напряжение на электролизере U= 140 В и нагрузка 50 А.

Вариант 10.

        1. Требования, предъявляемые к реакторам в электрохимической промышленности.

        2. Преимущества электрохимических реакторов по сравнению с химическими реакторами.

        3. Реакторы для получения продуктов на аноде. Примеры.

        4. Получение твердых химических продуктов в электрохимических реакторах (на примере получения диоксида марганца).

        5. Тепловой баланс хлорного электролизера с твердым катодом.

        6. Сравнение эффективности работы реакторов различных типов и конструкций для производства металлов электролизом расплавов (на примере производства алюминия).

        7. Повышение эффективности работы производства с применением электрохимических реакторов (на примере комбинирования работы электрохимического реактора и водоподготовки).

        8. Диафрагменный электролизер для получения едкого кали работает 1 ч при нагрузке 10 кА. В ванну поступает рассол с содержанием KCl 315 г/л. Содержание КОН в вытекающих щелоках составляет 180 г/л. Рассчитать выход по току для щелочи и объем полученного КОН.

9. Хлорный электролизер мембранного типа МВС работает при нагрузке 60 кА и напряжении 3,35 В. Выход по току для щелочи 90%. Поступающий в электролизер рассол имеет концентрацию хлорида натрия 300 г/л. По анализу содержание гидроксида натрия и поваренной соли в католите соответственно равно 140 и 180 кг/м3. Рассчитайте: а) расход электроэнергии на 1 т получаемой щелочи; б) степень превращения хлорида натрия; в) объем щелоков, получаемых за 1 ч работы ванны.

Литература

1. Павлов, К. Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии : учеб.пособие для вузов / К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков ; ред. П. Г. Романков. - 10-е изд., перераб. и доп. - М. : Альянс, 2013. - 576 с.

2. Закгейм, А.Ю. Общая химическая технология: введение в моделирование химико-технологических процессов: учеб.пособие / А.Ю. Закгейм. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Логос, 2012. - 304 с.

http://www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785987044971.html

3. Лабораторный практикум по общей химической технологии: учебное пособие/В.А.Аверьянов и др.; под.ред. В.С.Бескова. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. – 279 с.

http://www.studentlibrary.ru/doc/ISBN9785996301096-SCN0003.html

  1. Соловьева Н.Д., Савельева Е.А. Экологические проблемы гальванических производств. – Саратов: СГТУ, 1997. – 58 с.

  2. Флеров, В.Н. сборник задач по прикладной электрохимии: Учеб. пособие для хим. спец. Вузов/ В.Н.Флеров. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1987. – 319 с.

  3. Кубасов В.Л. Электрохимическая технология неорганических веществ: учебник для техникумов/ В.Л.Кубасов, Банников В.В. – М.: Химия, 1989. – 288с.

Имеется электронная версия

  1. Мазанко А.Ф. Промышленный мембранный электролиз. – М.: Химия, 1989.- 240 с.

  2. Яковлев С.В. Технология электрохимической очистки воды/ С.В.Яковлев и др. – Л.: Стройиздат, Ленинградское от-ние, 1987. – 472 с.

Имеется электронная версия

  1. Фиошин М.Я. Электрохимические системы в синтезе химических продуктов/М.Я.Фиошин, М.Г.Смирнова. – М.: Химия, 1985. – 256 с.

Имеется электронная версия

Периодические издания (журналы)

11. Электрохимия

12. Журнал прикладной химии

13. Гальванотехника и обработка поверхности

14. Экология и промышленность России

15. Журнал физической химии

Интернет ресурсы

  1. http://www.freepatent.ru

  2. www.findpatent.ru

18. Научная электронная библиотека http://www.elibrary.ru

19. Библиотека Российской академии наук (БАН) http://www.rasl.ru

20. Российская государственная библиотека (РГБ) http://www.rsl.ru__

21. http://science.kaznu.kz

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ.

Пример 1. По анализу содержание гидроксида натрия и поваренной соли в католите соответственно равно 120 и 200 кг/м3. Определить степень превращения поваренной соли.

Решение. Степень превращения выражается следующей формулой:



где m0 – число молей поваренной соли, поданных на электролиз; m1 – число молей гидроксида натрия, полученных в католите; m2 – число молей поваренной соли, непревратившихся в гидроксид натрия, которые содержатся в католите.

Используя результаты анализа проб католита, формула преобразуется в следующее выражение:



где G1 и G2 – количества гидрокисда натрия и поваренной соли в католите, кг; 40 и 58,5 – молекулярные массы гидроксида натрия и поваренной соли; Vk – объем католита, м3; и - концентрации гидроксида натрия и поваренной соли в католите, кг/м3; Vр – объем рассола (м3) на 1 кг выработанного гидроксида натрия (расходный коэффициент по рассолу); - концентрация поваренной соли в рассоле, кг/м3.



Пример 2. На электролиз подается рассол, содержащий 302 кг/м3 поваренной соли. Определить расходный коэффициент по рассолу, при котором степень превращения будет раной 0,42.

Решение. Расходный коэффициент по рассолу определяется, используя выражения для степени превращения:



из которого находят Vр:



Пример 3. В хлорном электролизере диафрагменного типа нагрузкой I= 22 кА за 24 ч получено V= 5450 л электролитической щелочи, содержащей 138 г/л NaOH. Определите выход по току щелочи.

Решение.

1. Реакция суммарного электрохимического процесса:



2. Электрохимический эквивалент для NaOH:



где z – количество электронов, участвующих в реакции; F – число Фарадея, А∙ч/(г-экв); М – молекулярная масса щелочи.

3. Теоретическое количество щелочи, образующееся при электролизе за сутки:



4. Фактически получено щелочи:



5. Выход по току щелочи:



Пример 4. Найдите объем газов, выделившихся на катоде и аноде, при электролизе водного раствора, содержащего 111,75 г/л хлорида калия.

Решение:

Суммарное уравнение реакции:

2КСl + 2Н2О = Н2 + С12 + 2КОН

На катоде выделяется водород, на аноде хлор, в растворе образуется гидроксид калия. Ионы калия не восстанавливаются на катоде, вместо этого происходит восстановление молекул воды.

 Вычислим молярную массу хлорида калия:

М(КС1) = 39+35,5 = 74,5 г/моль

Вычислим количество вещества хлорида калия:

По уравнению реакции при электролизе 2 моль хлорида калия выделяется 1 моль хлора. Тогда при электролизе 1,5 моль хлорида калия выделяется х моль хлора. Составим пропорцию:

                 2 моль (KCl) -  1 моль (Cl2)

                    1,5 моль (KCl) - х моль (Cl2)    



По уравнению реакции при выделении 1 моль хлора на аноде на катоде выделяется 1 моль водорода. Следовательно, если на аноде выделится 0,75 моль хлора, то на катоде выделится 0,75 моль водорода, v(H2) = 0,75 моль.

Вычислим объем хлора, выделившегося на аноде, исходя из того, что объем 1 моля газа составляет 22,4 л:

                         V(C12) = v(Cl2)∙VM = 0,75 ∙ 22,4 л/моль = 16,8 л.

Объем водорода равен объему хлора:

V(Н2) = V(С12)=16,8л.

По уравнению реакции при электролизе 2 моль хлорида калия образуется 2 моль гидроксида калия, значит, при электролизе 0,75 моль хлорида калия образуется 0,75 моль гидроксида калия. Вычислим молярную массу гидроксида калия:

М(КОН) = 39+16+1= 56 г/моль.

 Вычислим массу гидроксида калия:

                           m(KOH) = v(KOH)∙M(KOH) = 0,75 моль∙56 г/моль = 42 г.

Учитывая, что объем рассола поступающего в электролизер составляет 100 л, найдем количество полученных продуктов электролиза:

а) количество щелочи

mV(KOH) = V(раствора) ∙ m(KOH) = 100∙42 = 4200 г = 4,2 кг

б) количество хлора

V(Cl2) = V(раствора) ∙ V(Cl2) = 100∙16,8 = 1680 л

в) количество водорода

V(Н2) = V(раствора) ∙ V(Н2) = 100∙16,8 = 1680 л

Пример 5. При электролизе 200 г раствора сульфата калия с концентрацией 15% на аноде выделилось 14,56 л кислорода. Вычислите концентрацию раствора по окончании электролиза.

В растворе сульфата калия и на катоде, и на аноде реагируют молекулы воды:

2О + 2е = Н2 + 2ОН-

2О - 4е = 4Н+ + О2

Суммарное уравнение:

2О = 2Н2 + 4ОН- + 4Н+ + О2,

или  

2О = 2Н2 + 4Н2О + О2,

или

2О = 2Н2 + О2

Фактически при электролизе раствора сульфата калия происходит электролиз воды.

Концентрация растворенного вещества в растворе определяется по формуле:



Чтобы найти концентрацию раствора сульфата калия по окончании электролиза, необходимо знать массу сульфата калия и массу раствора. Масса сульфата калия при реакции не изменяется. Вычислим массу сульфата калия в исходном растворе. Обозначим концентрацию исходного раствора Сисх.



Масса раствора во время электролиза изменяется, так как часть воды превращается в водород и кислород. Вычислим количество вещества выделившегося кислорода:

v(O2 )=V(O2) / Vм =14,56 / 22,4 = 0,65 моль

По уравнению реакции из 2 моль воды образуется 1 моль кислорода. Пусть 0,65 моль кислорода выделяется при разложении х моль воды. Составим пропорцию:

2 моль (H2O) -  1 моль (O2)

x моль (H2O) – 0,65 моль (O2)



Разложилось 1,3 моль воды, v(H2O) = 1,3 моль.

Вычислим молярную массу воды:

М(Н2О) =1∙2+16 =18 г/моль.

Вычислим массу разложившейся воды:

m(H2O) = v(H2O)∙M(H2O) = 1,3∙18 = 23,4 г.

Масса раствора сульфата калия уменьшилась на 23,4 г и стала равна:

200 - 23,4 = 176,6 г.

Вычислим теперь концентрацию раствора сульфата калия по окончании электролиза:



 Ответ:концентрация раствора по окончании электролиза равна 17%.

Пример 6. В электролизер непрерывного действия нагрузкой I= 12 кА для получения хлората натрия NaClO3 подается раствор, содержащий NaCl 280 г/л и NaClO3 55 г/л. Концентрация NaClO3 в выходящем электролите должна составлять около 290 г/л. Рассчитайте: а) необходимую скорость подачи раствора, если выход по току хлората натрия Вт = 85%; б) содержание хлорида натрия в электролите, вытекающем из ванны; в) удельный расход электроэнергии на 1 т хлората натрия (в растворе), если напряжение на ванне U= 4,0 В.

Решение.

  1. Суммарный электрохимический процесс в ванне:

NaCl + 3H2O → NaClO3 + 3H2

  1. Электрохимические эквиваленты компонентов реакции:



  1. Часовая производительность ванны по NaClO3:



  1. Часовой расход воды на электролиз:



(по воде 4 кг принимаем как 4 л)

  1. Для определения скорости вытекания раствора из ванны (υвых) примем, что объем раствора в ходе процесса уменьшается на объем воды, израсходованной на электролиз.

Увеличение содержания NaClO3 в растворе:



  1. Необходимая скорость подачи свежего раствора в ванну:



  1. Часовой расход хлорида натрия на электролиз:



  1. Концентрация хлорида натрия в выходящем растворе:



  1. Удельный расход электроэнергии:

NaClO3

Пример 7. На биполярном электролизере для производства гипохлорита натрия NaClO, состоящем из 22 последовательных ячеек, нагрузкой каждая I= 50 А, за 10 ч непрерывной работы получено Vэ=960 л белильного раствора с концентрацией NaClO 10,2 г/л. Исходный раствор содержит NaCl 180 г/л. Напряжение на электролизере в среднем U= 108 В. Рассчитайте: а) выход по току NaClO; б) удельный расход электроэнергии на 1 кг NaClO; в) удельный расход NaCl; г) коэффициент использования NaCl при электролизе (считать объемы растворов при электролизе неизменными, пренебрегая расходом воды на разложение и испарение).

Решение.

  1. основной электрохимический процесс:

NaCl + H2O → NaClO + H2

2. Электрохимические эквиваленты компонентов реакции:



  1. Теоретическая масса гипохлорита натрия, которую можно получить в электролизере за 10 ч работы:



  1. Фактическая масса полученного NaClO:



  1. Выход по току:



  1. Удельный расход электроэнергии:



  1. Удельный расход NaCl на 1 кг NaClO:



  1. Масса прореагировавшего NaCl:



  1. Коэффициент использования NaCl:



Пример 8. В диафрагменный хлорный электролизер с графитовыми анодами, работающий под токовой нагрузкой I= 50 кА, подается рассол с содержанием NaCl 315 г/л (dp= 1,20 г/см3). Выходящий католит имеет плотность dщ= 1,22 г/см3 (при комнатной температуре) и содержит NaОН 135 г/л, Na2СО3 0,3 г/л, NaCl 260 г/л. Выход по току щелочи Вт = 96,5%. Рассчитайте: а) выход по току для хлора; б) объем щелоков, получаемых за 1 ч работы ванны; в) количество хлора, получаемого за 1 ч работы с ванны; в) степень превращения NaCl; г) расход хлорида натрия за 1 ч работы ванны. Пренебречь расходом хлорида натрия на обратимые редокс-превращения, потери хлора с испарением раствора.

Решение.

  1. Основные реакции, протекающие в электролизере:

(1)

(2)

  1. Электрохимический эквивалент для реакции (2):



где n – стехиометрический коэффициент в уравнении перед NaCl; z – количество электронов, участвующих в реакции.



  1. Выход по току для реакции (2):



где

  1. Выход по току для хлора:



  1. Масса щелочи, получаемой за 1 ч работы электролизера:



  1. Объем щелоков, получаемых за 1 ч работы ванны:



  1. Количество хлора, получаемое с ванны за 1 ч:



  1. Расход NaCl за 1 ч работы ванны:

9. Степень превращения соли:


перейти в каталог файлов


связь с админом