电解槽节能设计毕业论文

一、电流效率在电解过程中，通过一定电量时，生成物的“实际产量和理论产量”之比称为电流效率。η=G实际/G理论×100%电解溶液中常含有一些其他离子，当这些离子放电时要消耗一部分电能，电解时发生的副反应以及电荷漏电等因素也要消耗电能。因此电流效率常小于1。分为阴极电流效率和阳极电流效率。通常计算阴极电流效率：η阴=G实际/G理论×100%式中：G理论=K·I·t·n/1000 （kg）G实际=电解液浓度g（kg/m3）×体积V（m3） （kg）K为电化当量：氯的电化当量：KCl2= g/(A·h)氢的电化当量：KH2= g/(A·h)氢氧化钠电化当量：KNaOH=40/ g/(A·h)阳极电流效率：从电解反应知，阳极上的析O2反应，是与析Cl2反应相竞争的主要电化学副反应，它可使阳极电流效率下降2～4%，2H2O→O2+4H++4e-…………（1-9）或 4OH-→ O2+2H2O+4e-……（1-10）这个电极反应的速度与电极材料、电解条件等密切相关。此外，阳极析出的氯气，不可避免地有部分溶解在阳极液中，生成次氯酸钠和盐酸：Cl2+H2O H++Cl-+HClO当阴极生成的碱，由于扩散等原因进入阳极液中，次氯酸被中和，生成易解离的次氯酸盐：HClO+ OH- →ClO-+ H2O这时次氯酸根将在阳极上氧化，生成氯酸根并析出氧气。6ClO-+3H2O→2ClO3-+4Cl-+6H++3/2O2+6e-······（1-13）此外，在阳极液中生成的HClO还会进行化学反应生成氯酸盐：HClOH++ClO-················（1-14）2HClO+ClO-→ ClO3-+2H++2Cl-······（1-15）上述这些反应使阳极生成的氯，阴极生成的碱，都由于副反应而白白消耗掉，降低了电流效率和产品纯度，特别是阳极液中的OH-增高时，这些副反应更严重。将阳极和阴极产物分开，降低阳极液中的OH-含量，是提高电解过程电流效率的关键。设法提高阳极析O2过电位，降低析氯主反应过电位，是提高电流效率的又一措施。影响电流效率的因素有：盐水质量、盐水温度、电解液浓度（碱液盐碱比）、隔膜吸附质量、电流密度大小、电流波动、电槽绝缘情况等。二、 电压效率理论分解电压与实际槽电压之比称为电压效率，它总是小于1。槽电压直接影响直流电耗，槽电压由以下几部分组成：V=V0+η阳+|η阴|+ΣIR·················（1-16）式中：V0——理论分解电压，当工作电流为零时的槽电压，可由热力学计算。η阳——阳极过电位。|η阴|——阴极过电位绝对值。ΣIR——电流流过电解槽各部分时的欧姆电压降总和。槽电压由阴极电极电位、阳极电极电位、阴极过电压、阳极过电压、溶液压降、隔膜压降、金属导体压降组成。因此，可通过选择和研制新型电极材料、隔膜材料、调整极距、提高电解液温度和浓度，控制适宜的电流密度，设计合理的电槽结构等来降低槽电压，以提高电压效率，降低电耗。

电解槽由槽体、阳极和阴极组成，多数用隔膜将阳极室和阴极室隔开。按电解液的不同分为水溶液电解槽、熔融盐电解槽和非水溶液电解槽三类。当直流电通过电解槽时，在阳极与溶液界面处发生氧化反应，在阴极与溶液界面处发生还原反应，以制取所需产品。对电解槽结构进行优化设计，合理选择电极和隔膜材料，是提高电流效率、降低槽电压、节省能耗的关键。电解槽材质种类:PP/PPN/FRP/CPVC/PVDF。一、按电解液的不同分类：1、水溶液电解槽水溶液电解槽的形式，可分为隔膜电解槽和无隔膜电解槽两类。隔膜电解槽又可分为均向膜(石棉绒）、离子膜及固体电解质膜（如β-Al2O3）等形式；无隔膜电解槽又分为水银电解槽和氧化电解槽等。采用不同的电解液时，电解槽的结构也有所不同。水溶液电解槽分有隔膜和无隔膜两类。一般多用隔膜电解槽。在氯酸盐生产和水银法生产氯气和烧碱时，采用无隔膜电解槽。尽量增大单位体积内的电极表面积，可以提高电解槽的生产强度。因此，现代隔膜电解槽中的电极多为直立式。电解槽因内部部件材质、结构、安装等不同表现出不同的性能与特点。2、熔融盐电解槽多用于制取低熔点金属，其特点是在高温下运转，并应尽量防止水分进入，避免氢离子在阴极上还原。例如制取金属钠时，由于钠离子的阴极还原电位很负，还原很困难，必须用不含氢离子的无水熔融盐或熔融的氢氧化物，以免阴极析出氢。为此电解过程需在高温下进行，例如电解熔融氢氧化钠时为310℃，如其中含有氯化钠成为混合电解质时,电解温度为650℃左右。电解槽的高温可以通过改变电极间距，将欧姆电压降所消耗的电能转变为热能来达到。电解熔融氢氧化钠时，槽体可用铁或镍，电解含有氯化物的熔融电解质时常由于原料中不可避免地带入少量水分，会使阳极生成潮湿的氯气，对电解槽的腐蚀作用很强，因此电解熔融氯化物的电解槽，一般用陶瓷或磷酸盐材料，而不受氯气作用的部位可用铁。熔融盐电解槽中的阴、阳极产物，同样要求妥善隔开，而且应尽快由槽中引出，以免阴极产物金属钠长时间飘浮在电解液表面，会进一步与阳极产物或空气中的氧起作用。3、非水溶液电解槽由于非水溶液电解槽在制取有机产品或电解有机物时,常伴随有各种复杂的化学反应,使其应用受到限制，工业化的不多。一般采用的有机电解液，电导率低，反应速度也小。因此，必须采用较低的电流密度，极间距尽量缩小。采用固定床或流化床的电极结构有较大的电极表面积，可提高电解槽生产能力。二、按电极的连接方式分类：电解槽按电极的连接方式，可分为单极式和复极式两类电解槽。单极式电解槽中同极性的电极与直流电源并联连接，电极两面的极性相同，即同时为阳极或同时为阴极。复极式电解槽两端的电极分别与直流电源的正负极相连，成为阳极或阴极。电流通过串联的电极流过电解槽时，中间各电极的一面为阳极，另一面为阴极,因此具有双极性。当电极总面积相同时,复极式电解槽的电流较小，电压较高，所需直流电源的投资比单极式者省。复极式一般采用压滤机结构形式，比较紧凑。但易漏电和短路，槽结构和操作管理比单极式复杂。单极式电解槽截面一般为长方形或方形，圆筒形占地大，空间利用率低，采用较少。

一、电流效率

在电解过程中，通过一定电量时，生成物的“实际产量和理论产量”之比称为电流效率。

η=G实际/G理论×100%

电解溶液中常含有一些其他离子，当这些离子放电时要消耗一部分电能，电解时发生的副反应以及电荷漏电等因素也要消耗电能。因此电流效率常小于1。分为阴极电流效率和阳极电流效率。

通常计算阴极电流效率：η阴=G实际/G理论×100%

式中：G理论=K·I·t·n/1000      （kg）

G实际=电解液浓度g（kg/m3）×体积V（m3）   （kg）

K为电化当量：

氯的电化当量：KCl2= g/(A·h)

氢的电化当量：KH2= g/(A·h)

氢氧化钠电化当量：KNaOH=40/ g/(A·h)

阳极电流效率：从电解反应知，阳极上的析O2反应，是与析Cl2反应相竞争的主要电化学副反应，它可使阳极电流效率下降2～4%，

或 4OH-→ O2+2H2O+4e-……（1-10）

这个电极反应的速度与电极材料、电解条件等密切相关。

此外，阳极析出的氯气，不可避免地有部分溶解在阳极液中，生成次氯酸钠和盐酸：Cl2+H2O H++Cl-+HClO

当阴极生成的碱，由于扩散等原因进入阳极液中，次氯酸被中和，生成易解离的次氯酸盐：HClO+ OH- →ClO-+ H2O

这时次氯酸根将在阳极上氧化，生成氯酸根并析出氧气。

6ClO-+3H2O→2ClO3-+4Cl-+6H++3/2O2+6e-······（1-13）

此外，在阳极液中生成的HClO还会进行化学反应生成氯酸盐：

HClOH++ClO-················（1-14）

2HClO+ClO-→ ClO3-+2H++2Cl-······（1-15）

上述这些反应使阳极生成的氯，阴极生成的碱，都由于副反应而白白消耗掉，降低了电流效率和产品纯度，特别是阳极液中的OH-增高时，这些副反应更严重。将阳极和阴极产物分开，降低阳极液中的OH-含量，是提高电解过程电流效率的关键。设法提高阳极析O2过电位，降低析氯主反应过电位，是提高电流效率的又一措施。影响电流效率的因素有：盐水质量、盐水温度、电解液浓度（碱液盐碱比）、隔膜吸附质量、电流密度大小、电流波动、电槽绝缘情况等。

二、 电压效率

理论分解电压与实际槽电压之比称为电压效率，它总是小于1。

槽电压直接影响直流电耗，槽电压由以下几部分组成：

V=V0+η阳+|η阴|+ΣIR·················（1-16）

式中：V0——理论分解电压，当工作电流为零时的槽电压，可由热力学计算。

η阳——阳极过电位。

|η阴|——阴极过电位绝对值。

ΣIR——电流流过电解槽各部分时的欧姆电压降总和。

槽电压由阴极电极电位、阳极电极电位、阴极过电压、阳极过电压、溶液压降、隔膜压降、金属导体压降组成。

因此，可通过选择和研制新型电极材料、隔膜材料、调整极距、提高电解液温度和浓度，控制适宜的电流密度，设计合理的电槽结构等来降低槽电压，以提高电压效率，降低电耗。