29.Конструктивный расчет барабанного электролизера для получения фольги

Электролитический способ получения фольги заключается в осаждении слоя металла на погруженную в электролит часть барабан-катода и сдирке осажденного металла с поверхности барабана на воздухе. Для облегчения сдирки, в качестве материала барабан-катода используется титан или нержавеющая сталь, характеризующиеся плохой адгезией металла-покрытия к материалу - основе. Поверхность барабана тщательно полируется. Подробно о получении электролитической фольги смотри в первой части пособия. Схема барабанного электролизера приведена на рис.1.11.

Установим связь между технологическими параметрами:

• силой тока I

• плотностью тока i,

• толщиной фольги 

• выходом по току металла Вт

и конструктивными параметрами:

• диаметром D,

• длиной B

• степенью погружения барабана в электролит =/360,

• скоростью вращения барабана 

• скоростью выхода фольги W.

Рис.1.11. Схема барабанного электролизера.

1-барабан-катод, 2-анод, 3-фольга.

Время наращивания фольги определяем по закону Фарадея, исходя из толщины фольги и плотности тока.

За это время барабан должен повернуться на угол , определяющий степень его погружения в электролит. При этом точка (А) перейдет в позицию (Б) (смотри рисунок 1.11).

Время полного оборота, таким образом, равно

Отсюда определяется скорость вращения барабана, об/мин

Площадь погруженной части барабана можно найти из силы и плотности тока

Полная поверхность барабана

Зная или задавшись длиной барабана, определяемой промышленной шириной получаемой фольги, можно рассчитать диаметр барабана. Полная поверхность барабана представляет собой боковую поверхность цилиндра

Отсюда

Зная время одного оборота барабана и его диаметр, можно рассчитать длину ленты, получаемой за один оборот и за единицу времени

32 Расчет вспомагательного оборудования. Емкостное оборудовани

К вспомогательному относится оборудование, обеспечивающее функционирование основного в заданном технологией режиме. Вспомогательное оборудование включает в себя источники питания электролизеров постоянным током (иначе называемые преобразователи тока, выпрямители), трубопроводы, емкостное оборудование, насосы, компрессоры, вентиляторы.

К емкостному оборудованию относятся баки хранения раствора, напорные баки, баки-сборники и оборудование для отделения фаз (осветлители, циклоны, насосы, фильтры).

В технологическом проекте требуется выбрать необходимое оборудование по каталогам с учетом потребностей производства и технической характеристики вспомогательного оборудования и рассчитать количество аппаратов с учетом резервирования.

А. Баки непрерывного использования.

Баки непрерывного использования предназначены для приготовления, накопления и последующего снабжения электролизного оборудования электролитом. Объем раствора в баке определяется, как:

где _р - время работы аппаратов, [час] j - часовая производительность цеха (отделения), [л/час].

Полный объем бака определяется из объема раствора и коэффициента заполнения бака.

где k_запол - коэффициент заполнения бака.

Коэффициент заполнения бака зависит от назначения последнего и равен 0,8-0,99 для длительного хранения, 0,6-0,7 для приготовления раствора при перемешивании и 0,5 для приготовления раствора при его вспенивании.

Далее по каталогу выбирается бак с соответствующим объемом.

Число аппаратов с учетом резерва определятся из соотношения производительности j_ц цеха и одного аппарата j_а:

Б. Число проточных аппаратов непрерывного действия.

Число проточных аппаратов, соединенных последовательно, определяется изменением концентрации в одном аппарате, и общим изменением концентрации во всем каскаде (рис.1.13).

где: С_Н , С_К , C_А - концентрация начальная, конечная и изменение концентрации в одном аппарате, соответственно.

Рис.1.13. К расчету числа проточных аппаратов.

34. Расчет насосов.

Насосы выбирают по каталогам с учетом их производительности и напора. Производительность определяется задачами производства, а напор - разницей горизонтальных высот и падением напора в трубопроводной сети за счет трения и местных сопротивлений.

где Н_с - напор в сети, Н_г - перепад горизонтальных высот,  - коэффициент трения на шероховатой стенке, d - диаметр трубы, l – длина трубы, w - скорость движения раствора, g - ускорение силы тяжести, местные сопротивления, - потери напора в идеально гладкой трубе.

Примечание. Перепад горизонтальных высот определяется высотой столба жидкости между уровнями всасывания и нагнетания перекачиваемой жидкости. Коэффициент трения на шероховатой трубе зависит от абсолютной шероховатости стенок трубы (разница высот выступов и впадин, мм, диаметра трубы и скорости движения жидкости) и приведен в [11]. Местные сопротивления представляют собой изменения диаметра трубы, наличие на линии вентилей, отводов и др. и их значения также приведены в [11].

Мощность насоса, кВт

где j - расход жидкости, м³/с,  - плотность жидкости, кг/м³, =0,5-0,95 - коэффициент полезного действия насоса.

Мощность приводящего электродвигателя

где ₁ =0,9-0,95, ₂ = 0,8-0,9 - коэффициенты полезного действия двигателя и передачи.

33. Выбор выпрямителей

Электролизеры для производства неорганических веществ обычно питаются постоянным током нагрузкой от нескольких тысяч ампер до нескольких сот тысяч ампер. Но напряжение на электролизерах обычно невелико. С другой стороны, для питания цехов электролиза чаще всего используются полупроводниковые выпрямители с токовой нагрузкой от 5 до 100 кА и выходным напряжением от 6 до 25000 В (см. часть первую данного пособия и ГОСТ 26830-86 и ГОСТ 18142-80). Сравнивая токовые нагрузки на электролизер (20-1000 кА) и напряжения (2-5 В) с характеристиками источников питания видно, что токовая нагрузка выпрямителя может быть существенно меньше, а напряжение существенно больше, чем на электролизере. Для согласования характеристик электролизеров и источников тока обычно применяется параллельно-последовательная схема соединения (рис.1.12), в которой выпрямители подключаются параллельно, а электролизеры - последовательно.

При этом суммируются токи выпрямителей и падения напряжения на электролизерах.

Полученные соотношения позволяют рассчитать количество выпрямителей, необходимых для работы.

(1.11)

где I_1ВЫП – выпрямленный ток одного выпрямителя, N_P – число резервных выпрямителей.

Рис.1.12. Принципиальная схема электрического соединения электролизеров и источников питания (выпрямителей).

В формуле (1.11) число выпрямителей увеличивается по сравнению с рассчитанным из соотношения токов. Эти дополнительные резервные выпрямители обеспечивают сохранение заданной токовой нагрузки и производительности при ремонте или профилактическом отключении нескольких выпрямителей силовой подстанции.

Еще одним параметром для выбора выпрямителей является мощность, то есть, произведение силы тока на величину выпрямленного напряжения. Необходимо соблюдать условие, что

(1.12)

Если использовать выпрямители, ток и напряжение которых во много раз больше необходимого для электролиза тока и напряжения, цех работать будет, но выпрямитель будут использоваться только на небольшую часть своих возможностей. В этом случае говорят, что коэффициент использования оборудования мал и экономическая эффективность производства невелика. Поэтому при выборе выпрямителей необходимо пользоваться соотношением (1.11).

От приведенного алгоритма отличается выбор источника питания гальванических ванн. Токовая нагрузка на ванне составляет обычно 100-300 А и редко достигает 1000 А (например, при хромировании). Напряжение на ванне колеблется в пределах 3-12 В, поэтому для снабжения каждой ванны током используется индивидуальный источник питания.

35 Расчет шин по допустимому падению напряжения

Расчет шин по допустимому падению напряжения обычно производится для маломощных потребностей. Расчет производится по падению напряжения по длине шины от источника тока до ванны. Если напряжение на ванне до 6-12 В, то потери в шинах допускаются до 10%. Для магистральных шинопроводов падение напряжения не должно превышать 3% от напряжения на потребителе. Задаваясь приведенными величинами падения напряжения, из закона Ома легко рассчитать площадь поперечного сечения шин

где - удельное сопротивление материала шин, S – площадь поперечного сечения шины; L – длина шины от источника питания к электрохимическому аппарату; 2-множитель, учитывающий наличие двух участков шинопровода - от источника к аноду потребителя и от катода потребителя к источнику питания, U_дш - допустимое падение напряжения в шине.

35 полное уравнение баланса напряжения

для электролизера и аккумулятора в режиме заряда полное уравнение баланса напряжения можно записать, как [2-4]:

где -равновесные потенциалы анодного и катодного процессов, соответственно, В; _a, _k - перенапряжение анодного и катодного процессов при кинетическом контроле скорости реакции, В; _д - диффузионное перенапряжение, В; U_эл-т, U_д, U_эл-д, U_к, U_ш - падение напряжения в электролите, диафрагме, электродах и контактах, В.

В химическом источнике тока, работающем в режиме разряда, максимальная величина энергии, которая затрачивается на перенос заряда и совершение полезной работы, определяется запасом химической энергии активных веществ, их природой и количеством. Увеличение внутреннего сопротивления химического источника тока приводит к повышению затрат энергии на его преодоление. В результате, доля энергии на совершение полезной работы уменьшается, уменьшается и напряжение на клеммах ХИТ. Баланс напряжения в ХИТ можно записать, как

Как видно из этих двух приведенных уравнений, в баланс напряжения электрохимических аппаратов разной природы входят одни и те же составляющие.

36. Расчет равновесной разницы потенциалов. Напряжение разложения

Стандартные электродные потенциалы рассчитываются по уравнениям протекающих реакций и термодинамическим параметрам (энтальпия H, энергия Гиббса G, энтропия S) участвующих в реакции веществ. При расчете целесообразно пользоваться следующими положениями, уменьшающими возможность совершения ошибки студентами. При самопроизвольном протекании реакции, запас свободной энергии у продуктов реакции меньше, чем у исходных веществ. Избыток энергии у таких электрохимических систем выделяется в виде электрической энергии (химические источники тока). Для них справедливо записать [26-30]:

и

где Е – электродвижущая сила системы, n – количество электронов, принимающих участие в реакции, F – число Фарадея, G – изменение энергии Гиббса, EnF – величина электрической энергии.

В электролизерах реакция протекает при затрате электрической энергии, с увеличением запаса энергии Гиббса получаемых продуктов реакции. То есть,

и