13.8. Электрохимические производства

Электрохимическими называют производства, в которых химические процессы протекают под действием постоянного электрического тока.

В промышленности широкое распространение получил электролиз водных растворов и расплавов.

Электрохимические методы производства в ряде случаев имеют преимущества перед химическими: более полно используется сырье и энергия, одновременно может производиться несколько ценных продуктов, продукты получаются высокой степени чистоты, недостижимой при химических способах производства. Благодаря указанным достоинствам электрохимические методы охватывают многочисленные и разнообразные производства, важнейшими из которых является получение хлора, щелочей, водорода, кислорода, неорганических окислителей (перманганатов, персульфатов, перекиси водорода и т.д.), получение и рафинирование металлов, декоративные и защитные покрытия металлов.

К недостатком электрохимических производств относится высокий расход энергии; в себестоимости продуктов расходы на энергию составляют значительную долю.

Критериями рационального использования электрической энергии при электролизе является выход по току и коэффициент использования энергии.

Выход по току – отношение количества вещества G_ф, полученного практически при электролизе в результате затрат определенного количества электричества, к количеству вещества G_т, которое должно было бы выделиться в соответствии в соответствии с законами Фарадея. Выход по току выражается обычно в процентах:

ή = G _ф/G_т (1)

Теоретическое количество полученного вещества G _т (кг) определяется по формуле

G_т = I τT/1000 (2)

Ι-сила тока, а; τ – продолжительность электролиза, ч; Е – электрохимический эквивалент – количество вещества, выделяющегося на электроде при прохождении 1 а*ч (для хлора 1.323, едкого натрия 1.492, водорода 0.0376). Чем выше сила тока, тем большее количество продукта можно получить при эксплуатации электролизера данного типа.

При промышленном электролизе выход по току всегда меньше 100%, что вызывается протеканием побочных процессов. Для увеличения выхода по току необходимо предусмотреть меры, способствующие уменьшению роли этих процессов.

Коэффициент использования энергии μ выражается отношением теоретически необходимого для выделения единицы продукта количества энергии W_τ, к действительно затраченной W_пр. В процентах он равен

μ= (W_τ /W_пр) *100 (3)

Теоретический расход энергии квт*ч на единицу получаемой продукции определяется по уравнению:

Wτ = v_τ Iτ /G_т (4)

Практический расход энергии зависит от напряжения, приложенного к электролизеру v_пр

Wпр =(v_пр I τ / G_ф) 100, (5)

таким образом, исходя из 3, 4 и 5-го уравнений, получим

μ = (v_т/v_пр)ή % (6)

Из уравнения (6) следует, что коэффициент использования энергии будет тем больше, чем выше выход по току и чем ниже напряжение на ванне. Теоретически электролиз должен начаться тогда, когда приложенное к ванне напряжение превысит хотя бы на бесконечно малую величину теоретическое напряжение разложения.

В промышленных электролизерах, несмотря на принимаемые меры, величина действительного напряжения значительно выше теоретического.

Технический электролиз водных растворов может осуществляться без выделения металлов или с их выделением на катоде.

Среди электрохимических процессов разложения водных растворов без выделения металлов наибольшее распространение получил электролиз водных растворов хлористого натрия.