Системы технологий (стр. 15 из 29)

Основные задачи электрохимических технологий следующие:

■ получение, рафинирование цветных и благородных металлов;

■ получение щелочных, щелочноземельных и других легких металлов;

■ получение металлических сплавов;

■ получение хлора, щелочей, кислорода, водорода;

■ получение неорганических солей, окислителей;

■ защита металлов от коррозии;

■ декоративные, специальные покрытия;

■ гальванопластическое изготовление копий;

■ получение химических источников тока.

В последние десятилетия область применения электрохимических процессов расширилась. Их применяют в машиностроении, для синтеза органических веществ, получения редких металлов, в радиоэлектронике.

По сравнению с химическими методами электрохимические имеют ряд преимуществ. Прежде всего, с их помощью по простым технологическим схемам получают чистые продукты. Использование электрической энергии упростило технологию получения веществ, например, производства легких металлов (алюминия, натрия, магния), причем удается получать ценные побочные продукты.

Недостатки электрохимических процессов состоят в применении энергии постоянного тока, в наличии затрат на создание источников постоянного тока.

Основные аппараты, где идут электрохимические процессы,-электролизеры. В них через растворы, расплавы солей (электролиты) проходит постоянный ток от положительного электрода (анода) к отрицательному (катоду).

На аноде идет реакция растворения или окисления металла, а на катоде - выделение, восстановление.

Количественно явление электролиза описывается законами Фарадея:

1-й закон: количество выделяющегося при электролизе вещества прямо пропорционально силе тока и времени прохождения тока.

2-й закон: различные вещества при электролизе выделяются прямо пропорционально их электрохимическим эквивалентам.

Количество электричества, необходимое для выделения 1 грамм-эквивалента вещества при электролизе называют числом Фарадея. Оно составляет 96 500 Кл/моль.

Электрохимический эквивалент (с) - это количество вещества, выделенное или растворенное при пропускании через электролит единицы количества электричества. Тогда можно записать:

Q = c х/хт,

где Q - количество вещества; / - сила тока; г - продолжительность электролиза.

На практике количество выделенного вещества меньше теоретического. Это обусловлено протеканием параллельных реакций. Доля электричества, пошедшая на данную реакцию, называется выходом по току (//). Выход по току - это отношение практически получаемого вещества при электролизе к теоретически возможному, согласно законам Фарадея. Тогда количество выделяемого вещества при электролизе будет определяться по формуле:

Q = cXlXt0Xtj.

Скорость реакции в электрохимии характеризуют по плотности тока. Это количество электричества, прошедшее в единицу времени через единицу поверхности электрода на его границе с электролитом. Расчетная плотность тока находится как отношение силы тока к геометрической площади электродов.

Затраты электроэнергии на единицу продукции прямо пропорциональны произведению напряжения электролиза на количество электричества, необходимое для выработки продукта.

Разность равновесных потенциалов на аноде и катоде называют напряжением разложения. При таком напряжении, при токе близком к нулю, при наличии условий обратимости электродных реакций начинается электролиз.

Перенапряжением называют разность между потенциалом электрода при электролизе и его равновесным потенциалом.

7.2 Примеры выполнения заданий

Пример 1. Провести очистку черновой меди и получить 400 кг рафинированной меди в сутки. Напряжение на клеммах ванны 0,25 В, напряжение на клеммах машины 15 В. Выход по току 90%. Какое количество электричества нужно пропустить через ванну?

Решение. Количество ванн при последовательном их соединении равно:

Решение. Количество никеля, которое нужно осадить на пластинку, равно:

10X10X2X0,005 = 1см3.

Тогда фактическое количество никеля, осевшее на пластинке, составит:

G^eKm = 1-0X8,9 = 8,9 г,

где 8,9 г/см3 - плотность никеля.

Для выделения такого количества никеля потребуется:

Пример 7. Электролизное отделение имеет производительность 30 000 т/год алюминия. Определить необходимое число электролизеров, среднее напряжение на электролизере, если используют электролизеры с само обжигающими анодами, рассчитанными на силу тока 45 000 А; выход по току 90%; выход алюминия на 1 кВт-ч равен 60 г; потери алюминия при переплавке 1,5%; время работы электролизеров 8000 ч/год.

Решение. Сначала рассчитывают часовую производительность электролизеров с учетом потерь:

(30 000 + 30 000 х 0,015 х 1000) = 3806,25 кг.

8000

На 1 А-ч выделяется алюминия 0,90X0,335 = 0,30 г, где 0,335 -электрохимический эквивалент алюминия.

Тогда за 1 ч электролизер дает:

0,3x45000- = 13,5 кг алюминия.

1000

Следовательно, требуется установить в отделении:

3806,25 •

= 282 электролизера.

7.3 Контрольные задания к практическим занятиям

1. Провести процесс рафинирования черновой меди и получить 350 кг чистой меди в сутки. Какое количество электричества нужно пропустить через электролизеры, если напряжение на клеммах машины 13 Б, на клеммах ванны 0,20 В, выход по току - 89%, электрохимический эквивалент меди 31,8 г.

2. Какое количество электролитических ванн необходимо установить для рафинирования черновой меди с целью получения 390 кг меди в сутки. Напряжение на клеммах машины 15 В, а на клеммах электролизеров 0,24 В. Каков выход по току, если количество электричества составляет 13,0 X108 Кл.

3. Определить электрохимический эквивалент бертолетовой соли в процессе получения ее электролизом хлорида калия.

4. Рассчитать количество электричества для получения 600 г бертолетовой соли (КСЮ3) путем электролиза хлорида калия, если напряжение электролиза 5 В, выход по току 89%.

5. Определить расход электроэнергии для получения 10 г гидроксида калия электролизом раствора хлорида, если за время опыта израсходовано 5,0 А-ч электричества, напряжение на клеммах электролизера 4,5 В.

6. Рассчитать выход по току гидроксида натрия, получаемого электролизом раствора хлорида натрия в течение 24 ч при силе тока 15 000 А. Полученный электролитический щелок содержит 120 г/л гидроксида натрия.

7. Чему равен фактический выход гидроксида натрия при электролизе раствора хлорида натрия, если образующийся щелок в количестве 3000 л содержит 100 г/л гидроксида натрия?

8. Определить время электролиза для никелирования металлической пластики разменом 20x20 см. Толщина слоя покрытия 40 мкм, сила тока при электролизе 2,5 А, выход по току 93%.

9. Чему равна масса никеля, осевшего при электролизе на пластинках размером 15x15 см, если толщина слоя никеля равна 50 мкм, а плотность никеля 8,9 г/см3.

10. Рассчитать дополнительный расход электроэнергии на получение 200 кг продукта, вызванный перенапряжением 0,25 В в процессе электролитического получения водорода.

11. Производительность электролизного отделения составляет 25 тыс. т/год алюминия. Определить требуемое число электролизеров, среднее напряжение на электролизере, если применяют электролизеры с самообжигающимися анодами, рассчитанными на силу тока 4500 А. Выход по току 91%, время работы электролизеров 7500 ч/год, выход алюминия на 1 кВт-ч равен 55 г, потери алюминия при переплавке 1,0%.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

ЗАДАНИЕ № 1

1. Понятие технология. Виды технологии, их характеристика.

2. Охарактеризовать плазменную обработку материалов.

3. В цехе работают печи, характеризуемые потребностью условного топлива 35 000 кг. КПД каждой печи 70%. Какому количеству электроэнергии, механической энергии, нормального пара соответствует расход условного топлива на непосредственную термообработку изделий?

4. Охарактеризовать углеродистые стали обыкновенного качества. Раскрыть принципы маркировки следующих сталей: Ст2пС, ВСт5, БСтЗГпс.

5. Определить расходные коэффициенты сырья и составить материальный баланс обжиговой печи в производстве цементного клинкера для портландцемента. Шихта для обжига включает (% масс): известняка - 19, глины - 21. Известняк содержит (% масс): СаСОэ - 96, примесей - 4. В состав глины входят (96 масс): Si02 - 73; А1203- 15; Fe203- 6,9; K20 - 1,9; Na20 - 3,2.

ЗАДАНИЕ № 2

1. Описать связь технологии и экономики.

2. Охарактеризовать лазерную обработку материалов.

3. Электрическая печь термического цеха завода потребляет 2500 кВт-ч электроэнергии. Печь работает 900 ч/год. Какому количеству условного топлива, механической энергии, нормального пара эквивалентен расход электроэнергии, если КПД печи равен 8096?

4. Привести краткую характеристику углеродистых конструкционных качественных сталей. Описать принципы маркировки и механические свойства этих сталей на примере сталей 10, 20,40, 50.

5. Провести расчет паропроизводительности котла-утилизатора типа КУ-50, установленного за мартеновской печью. Расчетная температура дымовых газов перед КУ-50 равна 600°С, а на выходе из котла-утилизатора - 200°С. Состав дымовых газов перед котлом-утилизатором (% объемн.): углекислый газ - 12,5; водяной пар - 10; кислород - 5,5; азот - 72. Объем подсасываемого воздуха в газоходах котла-утилизатора составляет 0,06 объема дымовых газов, идущих в котел-утилизатор.

ЗАДАНИЕ № 3

1. Описать технический прогресс, его основные направления.

2. В чем сущность фотохимических процессов? Дать классификацию этих процессов.