Удельный расход электроэнергии при электролизе
|
Удельный расход энергии определяется по формуле w = V/0,454 η, где w — удельный расход энергии, вт*ч/г; V — напряжение на электролизере, в. Удельный расход энергии тем ниже, чем меньше напряжение и больше выход по току. Ранее 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 lD/x + ir, где E — напряжение разложения, в; x — удельная электропроводность, I — расстояние между электродами, см; D — плотность тока в электролите, a/cм2; 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 и в узком интервале температур технического электролиза можно считать постоянной. Падение напряжения в шинопроводах, контактах и электродах имеет некоторое постоянное значение для данной конструкции электролизера и не связано с составом электролита температурой электролиза, плотностью тока на электродах и расстоянием между ними. Таким образом, основные параметры электролиза будут существенно 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 повышает расход энергии, но при этом также возрастает выход по току, что снижает расход энергии. Так как пока нет математической формулы для расчета выхода по току при данных параметрах процесса, то анализ зависимости удельного расхода энергии от параметров электролиза может быть сделан на основе экспериментальных данных. Применительно к современным промышленным электролизерам 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, фактически достигнутые на заводах, при соответствующих параметрах электролиза несколько выше, чем были 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 электроэнергии от плотности тока, расстояния между электродами и их высоты при электролизе карналлита Зависимость удельного расхода энергии от плотности тока, расстояния между электродами и их высоты характеризуется табл. 130 и рис. 90. Эти данные показывают, что по мере увеличения расстояния между электродами удельный расход энергии вначале снижается, а потом начинает возрастать. При увеличении расстояния между электродами с 2 до 6 см и высоте анода 80 см выход по току растет быстрее, чем сопротивление в электролите, и поэтому, как видно на рис. 90, удельный расход энергии снижается. При увеличении расстояния между электродами сверх 6 см выход по току изменяется незначительно, а напряжение продолжает расти пропорционально расстоянию между электродами, так что удельный расход энергии возрастает. Зависимость удельного расхода энергии от плотности тока при электролизе карналлита характеризуется рис. 91. При малых расстояниях между электродами (2—4 см), когда потери напряжения в электролите составляют незначительную часть общего напряжения на электролизере, увеличение плотности до 0,3—0,4 а/см2 несколько снижает удельный расход энергии, так как при этом напряжение возрастает незначительно, а выход по току заметно. При больших расстояниях между электродами увеличение плотности тока приводит к росту удельного расхода энергии, так как при этом напряжение быстро растет, а выход по току увеличивается незначительно. Как видно из рис. 90, удельный расход энергии с увеличением плотности тока растет тем быстрее, чем больше расстояние между электродами, независимо от высоты электродов. При данной плотности тока расход энергии снижается по мере увеличения высоты анодов с 40 до 80 см и повышается при дальнейшем увеличении высоты анодов.   Минимальный удельный расход энергии, равный 15 квт*ч, достигается при ha = 80 CM, Da = 0,3—0,5 а/см2 и l = 4—6 см. В табл. 130—132 удельный расход энергии рассчитан исходя из того, что перепад напряжения в электродах и токоведущей системе равен 1.3 в, что составляет от 20 до 30% от общего напряжения. Естественно, что в технике необходимо стремиться к рационализации токоведущей системы и снижению потерь в ней до минимума. Подсчитанные выше минимальные удельные расходы справедливы только для современных конструкций токопровода к магниевым электролизерам. Влияние состава электролита на удельный расход электроэнергии В табл. 131 приведены данные об удельном расходе энергии при различном составе электролита. При увеличении концентрации СаСl2 и NaCl в электролите удельный расход энергии снижается. Наиболее сильно снижает расход энергии увеличение содержания в электролите NaCl. Это объясняется тем, что одновременно с ростом выхода по току снижается падение напряжения между электродами ввиду роста электропроводности электролита. С повышением же содержания хлористого кальция в электролите растет выход по току, но при этом снижается электропроводность электролита, что увеличивает расход энергии. Из рис. 91 видно, что минимум на кривой зависимости удельного расхода энергии от состава электролита не совпадает с максимумом на кривой зависимости выхода по току от состава электролита. 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.   С точки зрения удельного расхода электроэнергии оптимальными являются электролиты, содержащие 30% СаСl2 и 60% NaCl. На практике следует работать на электролитах с 50—607с NaCl и 30—40% CaCl2. В этих пределах предпочтительны составы, содержащие меньше хлористого кальция и больше хлористого натрия. Как видно из табл. 126, при расстоянии между электродами 2—8 см удельный расход энергии падает до минимума в электролитах отказанного состава и мало изменяется при изменении концентрации основных компонентов электролита в указанных пределах. Выше было показано, что в этих составах электролита производительность электролизера достигает максимума. На рис. 92 и 93 показана зависимость удельного расхода энергии от расстояния между электродами для электролиза с калиевым и оптимальным электролитами. С увеличением расстояния между электродами удельный расход энергии возрастает, однако он мало изменяется при увеличении расстояния от 2 до 4 см. Это объясняется одновременным заметным увеличением выхода по току. Дальнейшее увеличение расстояния между электродами на выходе по току почти не сказывается, а падение напряжения в электролите и с ним расход энергии растут. Этот рост тем больше, чем больше плотность тока. С увеличением высоты анодов до 120 см удельный расход энергии растет ввиду снижения выхода по току. Влияние плотности тока на удельный расход энергии при оптимальном электролите видно из табл. 132.  Изложенное позволяет 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 тока удельный расход энергии увеличивается; чем больше расстояние между электродами, тем резче это проявляется. 3. Удельный расход энергии 11—12 квт*ч/кг возможен при высоте анода 80—100 см, расстоянии между электродами 2—4 см и анодной плотности тока 0,45—0,60 a/см2. Колебание перечнеленных параметров в указанных пределах заметно не отражается на удельном расходе электроэнергии. 4. Минимальный удельный расход электроэнергии при работе на оптимальном электролите значительно ниже, чем на калиевом, и достигается при более высокой плотности тока, меньшем расстоянии между электролитами и большей высоте анода.  |
