电解工程-课件

电解工程--课件第一页，共66页。4.1电解过程的技术经济指标和经济优化4.1.1电解过程的技术经济指标在第一章中曾经提到过对于工业的评价可以通过投资利润率判断，常见的电解过程技术经济指标如下：（1）产率是指由1mol反应剂实际获得的目的产品B的物质的量。产率==（转化为目的产品的原料物质的量/原料消耗的物质的量）×100%第二页，共66页。例如：电化学反应A+ze0---nB根据反应方程式的化学计量关系，第三页，共66页。（2）转化率是指电化学反应中反应剂A消耗的百分数。对于间歇反应过程而言，转化率定义为：第四页，共66页。对于连续过程而言，第五页，共66页。单程转化率：原料通过反应器一次，反应剂消耗的百分数。它取决于反应器单位体积中的总电极面积，与电解的流速有关。第六页，共66页。

（3）选择性

原料的回收率，定义为S=（目的产品的物质的量）/(所有产物的物质的量之和)×100%例如：假设反应剂A可能分别按照以下两条途径进行反应这两条途径中目的产物P1的选择性是一样的。但是这两条反应途径中产率与转化率之比不同。第七页，共66页。（4）电流效率

表示电解时所用电量的回收率，电子是电极反应的反应剂，需要考虑电子的回收率。电流效率的定义第八页，共66页。（5）电能消耗电能消耗也简称为能耗，是生产大内质量产品所消耗的电能。电解过程的能耗的计算公式：

第九页，共66页。（6）能量效率和电压效率是电解过程中最重要的经济指标之一，但是很难给严密的定义。电解过程所需要的最小能量被定义为：电解槽在开路条件下操作、电流强度为I且电流效率为100%时的能耗。第十页，共66页。消耗的总能量为W=Uit定义能量效率为第十一页，共66页。（7）产品品质

产品品质没有统一的量化标准。对于化学品而言，最重要的品质指标是产品的纯度第十二页，共66页。4.1.2电解过程的经济优化电解过程优化包括三个基本问题：第一，确定优化目标。第二，选择调节参数。第三，明确过程优化与设备优化的关系。第十三页，共66页。4.2电化学反应器设计概述第十四页，共66页。4.2.1电化学反应器设计的一般原则与步骤虽然电化学反应器的设计与一般化学反应器的设计存在某些共同之处，但也有其自身的特点。与气固催化反应器相比，电解槽有两个重要的差别：第一，液相中的传质总比气相中的传质慢，电极反应容易受传质控制。第二，这两类反应器都需要有最大的反应面积/体积比，电解槽的设计还需要考虑电流分布和电位分布。第十五页，共66页。电化学反应器的结构取决于不同的用途。在设计时需要满足以下要求：第一，结构力求简单第二，操作方便可靠第三，一体化和多用途第四，满足反应工程参数第五，运行成本最小化第十六页，共66页。电化学反应器的工艺设计大致可以按照如下步骤进行：第一，初步估算电解过程所需的总电流，这可由预定操作周期内的总物料衡算求得。第二，初步选择反应器的类型，确定拟用的电极尺寸。第三，根据步骤二得到两项数据，重新核算总电流、电流效率和能耗。第十七页，共66页。4.2.2与反应器结构相关的若干电化学工程参数

4.2.2.1单位反应器体积中的活性电极面积单位反应器体积中的活性电极面积As也被称为“比电极面积”：反应器中有效的总电极面积A与反应器体积VR之比。As=A/VR反应器体系VR有三种不同的含义：第一：反应器所占的空间体积，也就是反应器的总体积。第二：反应器中电解液所占的体系；第三：反应器中电极所占的体积；第十八页，共66页。因此，对应于不同的体积定义，比电极面积有相应的区别。活性电极面积As过大，往往引起不均匀的电流、电位分布，所以增大比电极面积和提高反应选择性存在着矛盾。第十九页，共66页。4.2.2.2体积传质系数电化学反应器的性能与传质系数K和单位反应器体积中的活性电极面积As有关，而传质系数和活性电极面积的乘积称为体积传质系数。

第二十页，共66页。4.2.3空时和空速空时：反应器体积与单位时间内流经反应器的电解液体积N之比空速：电解液的体积流速N与反应器体积之比第二十一页，共66页。空速的大小反映了反应器的处理能力，也就是说在单位时间内单位体积反应器所能处理的电解液体积。4.2.2.4空时收率空时收率：单位时间内单位体积反应器的产量。第二十二页，共66页。4.2.3电化学反应器的典型结构第二十三页，共66页。电化学反应器的基本特征：（1）构成：两个电极和电解质。（2）类别：电解反应器、化学反应器。（3）过程：电化学反应，电荷、质量、热量、动量的四种传递过程，服从电化学热力学、电极过程动力学及传递过程的基本规律。（4）特殊的化学反应器：第二十四页，共66页。电化学反应器的分类一、按照反应器结构分类考点1、箱式电化学反应器：反应器一般为长方形，具有不同的三维尺寸，电极常为平板状。2、压滤机式或板框式电化学反应器：由单元反应器重叠并加压密封组合，每一单元反应器都包括电极、板框和隔膜等部分。3、结构特殊的电化学反应器：增大比电极面积、强化传质、提高反应器的时空产率。第二十五页，共66页。作业1、按照反应器结构可以将电化学反应器分为哪几类?简要介绍它们的结构特征和优缺点，画出结构简图。2、按照反应器工作方式可以将电化学反应器分为哪几类?简要介绍它们的结构特征和优缺点，画出结构简图。第二十六页，共66页。间歇式电化学反应器：定时送入一定量的反应物（电解液）后，经过一定时间，放出反应产物。柱塞流电化学反应器：反应物不断进入反应器，产物不断流出，达到稳态。连续搅拌箱式反应器：连续加入反应物并以同一速率放出产物的同时，在反应器中不断搅拌，反应器内的组成恒定。二、按照反应器工作方式分类考点第二十七页，共66页。

其他分类方法：

按照构型和作用：单室、双室和多室反应器根据电极的维度分类：二维电极反应器三维电极反应器第二十八页，共66页。对流：利用溶液中的自然对流，很少引入外加的强制对流。联结：单极式电联结、复极式电联结优缺点优点：结构简单、设计和制造较容易、维修方便；阳极和阴极的间距易于根据需要进行调节。缺点：时空产率较低，难以适应大规模连续生产及对传质过程要求严格控制的生产。几种典型结构的电化学反应器

4.2.3.1箱式电化学反应器）第二十九页，共66页。水电解用单极箱式电解槽电极石棉隔膜KOH水溶液槽体如下图所示：竖立的平板状阳极和阴极交替排列，石棉隔膜位于阴极和阳极中间，防止阳极产物O2和阴极产物H2的混合。第三十页，共66页。在金属铝提取的电解中，也是箱式电化学反应器，但是阳极和阴极是水平排放的。箱式电化学反应器的实例：电解槽和铅酸电池。第三十一页，共66页。二、压滤机式电化学反应器或板框式电化学反应器由很多单元反应器组合而成、每一单元反应器都包括电极、板框、隔膜，电极大多为垂直安放，电解液从中流过，同箱式电化学反应器相比，无需另外制作反应器槽体。第三十二页，共66页。(a)单极式(b)复极式A一阳级液C—阴极液板框压滤机式电化学反应器阳极区阳极隔膜均匀加压阴极阴极区均匀加压绝缘端板ACCAACACCAAC入口出口每一个电极均与电源的一端连接，电极的两个表面为同一极性仅有两端的电极与电源的两端连接，每一电极的两面均具有不同的极性第三十三页，共66页。压滤机式电化学反应器优点单元反应器的结构可以简化及标准化，便于大批量的生产及在维修中更换。可广泛地选用各种电极材料及膜材料电极表面的电位及电流分布较为均匀采用多种湍流促进器来强化传质及控制电解液流速第三十四页，共66页。通过改变单元反应器的电极面积及数量较方便地改变生产能力，适应不同用户的需要。适于按复极式联接(其优点为可减小极间电压降，节约材料，并使电流分布较均匀)，也可按单极式联接。压滤机式电化学反应器优点第三十五页，共66页。在滤压式结构中：阴极和阳极的间距可以减小到0.5-5cm，电解液流速比较大，电解液入口处的设计必须能满足电解液在反应器中均匀分布的要求。并且它的基本单元可以根据需要进行修改。如下图中，a：在电解池单元中增添热交换器。b：增添了渗析室c,d：采用；流过式或旁流式的多孔电极第三十六页，共66页。（a)带有第三室(作为热交换器)的反应器（b)带有第三室(可作电渗析)的反应器电极隔膜电极隔膜ACHACHAECAEC(a)(b)各种压滤机型电化学反应器第三十七页，共66页。(c)三维电极反应器(d)流化床电极反应器各种压滤机型电化学反应器电极隔膜多孔电极电极隔膜多孔电极第三十八页，共66页。结构特殊的电化学反应器电导率很低的反应体系，或反应物浓度很低，受制于传质速度的反应，都不可能大幅度地提高电极反应的电流密度，而力图设计具有更大比表面积的电化学反应器提高时空产率。第三十九页，共66页。各种电化学反应器的As值与特征长度的关系体积电流密度（iv）与特征长度的关系特征长度特征长度比电极面积多孔流通反应器固定床反应器流化床反应器迭层式反应器板框式反应器水银法氯碱槽多孔流通反应器板框式反应器水银氯碱槽迭层式反应器流化床反应器固定床反应器体积电流密度第四十页，共66页。4.2.3圆柱型旋转电极旋转电极的构造：阳极阴极离子交换膜刮板第四十一页，共66页。应用：水处理中用于回收照相业废液中的银。隔膜辅助电极电极表面附近的传质情况：下图：阳离子交换膜将阳极室和阴极室隔开；阴极是旋转圆筒电极，控制转速，改变传质速率；刮板则不断将沉积在阴极上的Ag剥离下来。为了维持均匀的电流分布，阳极A环绕着阴极排列。第四十二页，共66页。4.2.3.4、毛细间隙和薄膜反应器当电化学反应器采用电导率很低的电解质，如有机电合成时，减小电极间隙，形成薄膜状电解液的毛细间隙反应器及薄膜反应器，对于降低电解液的欧姆压降，具有显著作用。如：德国巴斯夫公司电解合成己二腈、癸二酸二甲酯时采用毛细间隙电化学反应器。第四十三页，共66页。毛细间隙电化学反应器示意图如图所示的反应器中：电极是由一组圆盘组成的，采用双极式的电连接，电解液在电极的旋转作用下由反应器中部的管道流到电极间的缝隙中。第四十四页，共66页。此外还有颗粒床反应器卷筒式反应器等第四十五页，共66页。间歇式电化学反应器：定时送入一定量的反应物（电解液）后，经过一定时间，放出反应产物。柱塞流电化学反应器：反应物不断进入反应器，产物不断流出，达到稳态。连续搅拌箱式反应器：连续加入反应物并以同一速率放出产物的同时，在反应器中不断搅拌，反应器内的组成恒定。按照反应器工作方式分类考点第四十六页，共66页。4.3间歇式电化学反应器间歇式电化学反应器：定时送入一定量的反应物（电解液）后，经过一定时间，放出反应产物，适用于小规模生产。

特点：间歇操作，生产率不高，只适合于小规模生产，需经常调整槽压，使电流密度尽可能接近最适宜值。

第四十七页，共66页。间歇式电化学反应器的操作方法：反应器内装入一定量电解液，在搅拌条件下电解一段时间使反应进行到预定的程度，然后将物料卸出并进行产品分离。措施：为了控制反应温度和增大反应器容量，使电解液在电解槽和另一化学反应器组成的封闭系统循环。如：电解制取氯酸盐第四十八页，共66页。间歇式反应器及其浓度随时间的变化间歇式电化学反应器时间t反应物产物浓度0c在电解过程中，随时间的延长，反应剂浓度不断下降，产物浓度不断提高，但是反应器中各处的物料组成始终均一，电解液在反应器中的停留时间非常确定。第四十九页，共66页。简单的间歇反应器设：反应器体积：VR，反应物初始浓度为c(0)，经过反应时间t后，降为c(t)。若反应物级数为1，则反应物浓度变化的速率：动力学：法拉第定律：第五十页，共66页。简单的间歇反应器当电极过程处于扩散控制时：∴km↑或S↑，C(t)↓第五十一页，共66页。简单的间歇反应器∴km↑或S↑，c(t)↓简单间歇反应器工作在非稳态下，其反应物和产物浓度均随时间变化。第五十二页，共66页。4.4连续搅拌箱式反应器连续投料CSTR反应器及其浓度的变化连续输出产物入口反应器出口反应物反应物产物产物浓度c0x反应物在反应器出口的浓度与反应器内的浓度相同，极限电流和传质不随时间和空间变化。第五十三页，共66页。理想化的连续搅拌箱式电化学反应器的特点是：反应器内各物种的浓度时均匀的，且不随时间而改变，于此同时，产物流于反应器中的物料具有相同的组成。第五十四页，共66页。连续搅拌箱式反应器第五十五页，共66页。4.5、柱塞流电化学反应器PFER柱塞流电化学反应器的特征：在反应器中流动的溶液像活塞那样进行平推式的移动，前后的溶液体积元不会相互混合，因此溶液中的任何体积元在反应器内的停留时间相同，反应器中物料的组成沿着溶液经过的位置不断发生变化。第五十六页，共66页。柱塞流反应器及其浓度的变化(x——距反应器入口的距离)反应物进入产物流出x浓度c反应物产物0x当电解液以稳定的流量进出电化学反应器时，达到稳态后，其入口浓度和出口浓度将与时间无关。第五十七页，共66页。柱塞流反应器质量平衡式：进入反应器的物料一反应器输出的物料