3. Электрохимические производства

Электрохимическими называются процессы, которые связаны с превращением электрической энергии в химическую, а химической – в электрическую.

Электролиз – это процесс превращения исходных веществ в конечные продукты при прохождении внешнего электрического тока через растворы электролитов. В основе расчетов при протекании электрохимических процессов лежат законы Фарадея.

I закон Фарадея: количество вещества, претерпевшего изменения на электродах, прямо пропорционально количеству прошедшего через раствор электричества:

m = kQ = kI, (7)

где m – масса выделившегося вещества (г, кг), Q – количество прошедшего электричества, I – сила тока (A),  – время, k – электрохимический эквивалент, представляющий собой количество вещества, изменившегося при прохождении единицы количества электричества. Его размерность г/Кл или г/(Ач).

II закон Фарадея: массы различных веществ, претерпевших изменение у электродов при прохождении одного и того же количества электричества, прямо пропорциональны молярным массам их химических эквивалентов:

(8).

Математическое выражение, объединяющее оба закона Фарадея, называется третьим объединенным законом Фарадея и имеет вид:

m = (М_ЭI)/F, (9)

где М_Э = М_r/n, М_r – молярная масса вещества, n – заряд иона.

При решении задач следует помнить, что если время дано в часах, то необходимо брать F = 26,8 Ач, если в секундах – то F = 96500 Кл.

Законы Фарадея являются одними из немногих, которые не имеют исключений. Наблюдаемые же при электролизе отклонения от них обусловлены либо протеканием побочных процессов, либо утечками тока, утечками электролита и т.п. Поэтому для характеристики рентабельности установки вводят понятие «выход по току». Выход по току – это отношение массы вещества, фактически превратившегося при электролизе (m_пр) к массе вещества, которая должна была бы превратиться согласно законам Фарадея (m_теор):

 = (m_пр/m_теор)100% (10).

Основные показатели эффективности использования электроэнергии:

1 Теоретический расход электроэнергии, равный теоретическому количеству электроэнергии, затраченному на получение единицы массы продукта (обычно на 1 т):

W_T = (U_ТI)/m_теор, (11)

где [W] = [Втч/г] = [кВтч/кг], или:

W_T = 1000(U_TI)/m_теор,  [W] = [кВтч/т],

где U_T – теоретическое напряжение на электролизере (В), равное разности равновесных потенциалов на катоде и аноде:

U_T. = _а  _к, (12)

где _а, _к – анодный и катодный потенциалы.

2 Фактический расход электроэнергии, равный фактическому количеству электроэнергии, затраченному на получение единицы массы продукта:

W_Ф = (U_ФI)/m_пр, (13)

Фактический расход электроэнергии больше теоретического и определяется фактическим напряжением на электролизере (В), которое складывается из следующих величин:

U_ф. = _а  _к + _а + _к + U_ом, (14)

где _а,_к – анодная и катодная поляризация, U_ом – сумма омических падений напряжения в объеме электролита, контактах, токопроводах.

3. Степень использования электроэнергии (выход по энергии):

 = (W_T/W_Ф)100% (15)

где W_T и W_Ф – теоретический и фактический расход электроэнергии на единицу массы продукта, кВтч (1 кВтч  3,610⁶ Дж).

Из формул (11) и (13) получим:

 = U_T/U_Ф (16).