» » Производительность электролизера и удельный расход энергии при электролизе
26.04.2015

Производительность электролизера

Производительность электролизера P определяется по формуле
P = 0,454 I η,

где P — производительность, г/час;
I — сила тока, а;
η — выход по току, %,
0,454 — электрохимический эквивалент магния, г/а ч.
Зависимость силы тока на электролизере I от анодной плотности тока Da и размеров анода выражается формулой
I = DahaBa 2n,

где Da — анодная плотность тока, а/см2;
ha — рабочая высота анода, см;
Ba — ширина анода, см;
n — число анодов,
Таким образом, производительность электролизера P может быть определена по формуле
P = 0,454η DahaBa2n/S,

где S — площадь пода, м2.
Производительность электролизера прямо пропорциональна выходу по току и находится в сложной зависимости от высоты анода и плотности тока, поскольку указанные параметры влияют на выход по току и при постоянной ширине анода определяют силу тока.
Данные, характеризующие зависимость производительности электролизера от рабочей высоты электродов, расстояния между электродами и плотности тока при питании электролизера карналлитом, приведены в табл. 15. В интервале расстояний между электродами 2— 12 см производительность электролизера меняется в зависимости от высоты анода. Максимум достигается при рабочей высоте анода, близкой к 100 см. При увеличении высоты анода сверх 100 см или уменьшении ее до 60—40 см производительность электролизера падает, особенно при малых расстояниях между электродами.
Производительность электролизера и удельный расход энергии при электролизе

По мере увеличения расстояния между электродами с 2 до 8 см максимум производительности становится менее выраженным и достигается при большей высоте анодов. При дальнейшем увеличении расстояния между электродами максимум исчезает, что связано с уменьшением отрицательного влияния высоты анодов на выход по току при расстоянии между электродами больше 8 см.
Производительность электролизера и удельный расход энергии при электролизе

Производительность электролизера растет с увеличением плотности тока (табл 16—18), что объясняется увеличением выхода по току при росте плотности тока.
Производительность электролизера и удельный расход энергии при электролизе

При высоте анода менее 80 см и расстоянии между электродами менее 8 см к этому добавляется еще влияние увеличения силы тока. При больших расстояниях между электродами, когда плотность тока в рассматриваемых пределах не сказывается на выходе по току, рост производительности пропорционален только увеличению плотности (силы) тока. Максимум производительности достигается при наибольшей плотности тока, высоте анода 100 см и расстоянии между электродами 6—8 см,
При применении электролита оптимального состава характер зависимости производительности электролизера от высоты электродов определяется тем, что в данном случае с увеличением высоты анода с 80 до 120 см сила тока растет быстрее (при постоянной плотности тока), чем снижается выход по току. При электролизе карналлита с увеличением высоты анода до 120 см производительность падает, так как выход по току снижается в большей степени, чем возрастает сила тока.
Приведенные данные позволяют выбрать условия, обеспечивающие максимальную производительность при питании электролизера хлористым магнием и карналлитом, а именно.
Производительность электролизера и удельный расход энергии при электролизе

Удельный расход энергии

Удельный расход энергии определяется по формуле
W = v/0,454η

где W — удельный расход энергии, вт-ч/г,
V — напряжение на электролизере, в.
Удельный расход энергии тем ниже, чем меньше напряжение и чем выше выход по току.
Выше было показано, что при данной конструкции электролизера выход по току зависит от расстояния между электродами, плотности тока, высоты электродов, состава электролита и температуры. Напряжение также зависит от этих параметров и может быть определено по формуле
v = E + l*D/x + ir,

где E — напряжение разложения, в;
x — удельная электропроводность электролита, ом-1*см-1;
l — расстояние между электродами, см;
D — плотность тока в электролите, а/см2;
ir — падение напряжения в шинопроводе, контактах и электродах, в.
Чтобы определить условия, обеспечивающие минимальный удельный расход энергии, необходимо знать кроме зависимости выхода по току от перечисленных параметров процесса также и зависимость напряжения от плотности тока, расстояния между электродами, состава электролита и температуры.
Величину напряжения разложения MgCl2 при данном составе электролита в узком интервале температур технического электролиза можно считать постоянной. Падение напряжения в шинопроводах, контактах и электродах имеет некоторое постоянное значение для дан ной конструкции электролизера и не связано с составом электролита, температурой электролиза, плотностью тока на электродах при постоянной силе тока и расстоянием между электродами. Таким образом, основные параметры электролиза будут влиять только на изменение падения напряжения в электролите и соответственно на удельный расход энергии. Зависимость удельного расхода энергии от расстояния между электродами и плотности тока сложна, так как с их увеличением падение напряжения в электролите растет, что должно увеличивать расход энергии, но при этом также возрастает выход по току, что должно снижать расход энергии. Так как пока не предложена математическая формула, которая позволяет рассчитать выход по току при данных параметрах процесса, то анализ зависимости удельного расхода энергии от параметров электролиза может быть сделан на основе экспериментальных данных. Для современных промышленных электролизеров эти зависимости были изучены в ВАМИ. Для упрощения при анализе зависимости удельного расхода энергии от параметров электролиза принято, что температура электролита, напряжение разложения и падение напряжения в токоведущей системе не изменяются при изменении состава электролита, плотности тока, расстояния между электродами и высоты электродов.
Абсолютные значения удельного расхода энергии, которые в настоящее время фактически достигнуты на заводах, при соответствующих параметрах электролиза несколько выше, чем достигнутые в свое время на экспериментальной установке. Однако влияние параметров электролиза на расход энергии в заводских условиях вполне характеризуется приведенными данными и, следовательно, ими можно руководствоваться при выборе параметров электролиза для промышленных электролизеров.
Зависимость удельного расхода энергии от расстояния между электродами, высоты анодов, плотности тока и состава электролита

Зависимость удельного расхода энергии от расстояния между электродами, плотности тока и высоты электродов при электролизе карналлита характеризуется данными табл. 19. По мере увеличения расстояния между электродами удельный расход энергии вначале снижается, а потом начинает возрастать. Минимальный расход энергии 13,4—13,6 квт*ч/кг достигается при ha=80 см, Da=0,34—0,5 а/см2 и l=2/4 см.
Производительность электролизера и удельный расход энергии при электролизе

В табл. 20 приведены значения удельного расхода энергии при различном составе электролита. При увеличении концентрации CaCl2 и NaCl в электролите удельный расход энергии снижается. Наиболее сильно снижается расход энергии с увеличением содержания в электролите NaCl. Это объясняется тем, что одновременно с ростом выхода по току снижается падение напряжения между электродами, ввиду роста электропроводности электролита. Увеличение же содержания хлористого кальция в электролите благоприятствует выходу по току, но при этом снижается электропроводность электролита, что увеличивает расход энергии.
Удельный расход энергии приближается к минимуму при содержании в электролите 10% CaCl2 и мало изменяется при увеличении его концентрации до 45%, несмотря на значительное увеличение выхода по току.
Производительность электролизера и удельный расход энергии при электролизе

С точки зрения удельного расхода электроэнергии оптимальными являются электролиты, содержащие ~30% CaCl2 и ~60% NaCl.
При расстоянии между электродами 2—8 см удельный расход энергии мало изменяется при изменении концентрации основных компонентов электролита в указанных выше пределах.
Выше было показано, что при этих составах электролита производительность электролизера достигает максимума.
Таким образом, указанный состав электролита является в данной системе оптимальным как с точки зрения удельного расхода энергии, так и производительности электролизера.
Влияние плотности тока на удельный расход энергии характеризуется данными табл. 19 и 21.
Производительность электролизера и удельный расход энергии при электролизе

С увеличением плотности тока до 0,4 а/см2 удельный расход энергии снижается, так как выход по току растет при этом быстрее, чем падает напряжение в электролите. При дальнейшем увеличении плотности тока удельный расход энергии возрастает» так как выход по току при этом мало изменяется, а напряжение растет пропорционально плотности тока. В электролитах с высоким содержанием NaCl оптимальная плотность тока более высокая. Это объясняется большей электропроводностью и меньшим влиянием расстояния между электродами на выход по току в этих электролитах.
Из всего сказанного можно сделать следующие выводы о влиянии параметров электролиза на удельный расход энергии.
1. Удельный расход энергии снижается с увеличением высоты анода до 100 см, а затем растет.
2. При расстоянии между электродами 2 см увеличение плотности тока от 0,3 до 0,5 а/см2 снижает удельный расход энергии. При больших расстояниях с ростом плотности увеличивается удельный расход энергии, и чем больше расстояние между электродами, тем резче это проявляется.
Удельный расход энергии 13—15 квт*ч/кг возможен при высоте анода 80—100 см, расстоянии между электродами 2—4 см и анодной плотности тока 0,45—0,60 а/см2. Колебание перечисленных параметров в указанных пределах не сказывается заметно на удельном расходе электроэнергии,
4. Минимальный удельный расход электроэнергии при электролизе хлористого магния ниже, чем при электролизе карналлита достигается при более высокой плотности тока, меньшем расстоянии между электродами и большей высоте анода.