Контрольные задания и тесты по курсу «Технология электрохимических производств». Методические указания

Министерство образования и науки России Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ И ТЕСТЫ ПО КУРСУ «ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ»

Методические указания

Казань Издательство КНИТУ

2015

1

УДК 620.0197.5 ББК 34.66

Составители: доц. И. О. Григорьева доц. Ж. В. Межевич

Контрольные задания и тесты по курсу «Технология электрохимических производств» : методические указания / сост. : И. О. Григорьева, Ж. В. Межевич; М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2015. – 84 с.

Приведены варианты четырех контрольных работ, тесты и вопросы для самоконтроля по дисциплине «Технология электрохимических производств».

Предназначены для студентов заочной формы обучения, обучающихся по направлениям подготовки 18.03.01 «Химическая технология» по профилю «Технология электрохимических производств».

Подготовлены на кафедре технологии электрохимических производств.

Печатаются по решению методической комиссии института нефти, химии и нанотехнологий

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. М. Ф. Шаехов канд. техн. наук, доц. Л. Н. Нажарова

2

ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 1 Вариант №0

Теоретическая часть

1.Привести электрическую схему батареи топливных элементов.

2.Описать электродные процессы в свинцовом аккумуляторе.

3.Провести анализ материального баланса электролиза для производства хлора и щелочи диафрагменным методом.

4.Описать электрическую схему включения биполярного электролизера при производстве водорода.

Расчетная часть

1.Рассчитать Сан – концентрацию NaCl в анолите диафрагменного хлорного электролизера, если содержание NaCl в

исходном рассоле С1 = 310 г/л, а концентрация NaOH в электролитических щелоках С2 = 130 г/л.

Для расчета использовать эмпирическое уравнение, учитывающее расход компонентов при электролизе, миграцию ионов

ииспарение воды для + 90° С: Сан = С1 – 0,4·С2

2.Провести материальный расчет хлорной ртутной ванны нагрузкой 30 кА.

Рассчитать: а) часовую производительность ванны по NaOH,

H2 и хлору (выход по току для Cl2 равен 96%; для NaOH и H2 – 98%); б) объем и массу щелоков с концентрацией [NaOH] = 660 г/л (d = 1,475), образующихся за 1 ч в разлагателе ванны; в) часовой расход воды на получение щелочи в разлагателе (без учета уноса паров

реакции, протекающие в электролизере и разлагателе ванны.

Вариант №1

Теоретическая часть

1.Охарактеризовать народнохозяйственное значение электрохимической технологии.

2.Описать принцип действия гальванических элементов.

3

3.Провести сопоставление электролитического способа получения водорода с другими методами.

4.Описать принцип устройства и действия электролизера с твердым катодом для получения хлора.

Расчетная часть

1.Напряжение разложения водного раствора NaCl в хлорном

ртутном электролизере Еразл = 3,22 В. Найти теоретический удельный расход электроэнергии в расчете на 1 т 100% - ного NaOH и на 1 т хлора?

2.Фильтр-прессная ванна для электролиза воды, состоящая из 180 последовательных ячеек нагрузкой 9000 А, работает при + 80° С и давлении 1 атм. Средний выход по току равен 96%; рабочее напряжение на ванне 385 В. Сколько джоулевого тепла выделяется

ежечасно в ванне? Тепловой эффект реакции Н2 + О2 Н20 при

+80 С равен 67,9 ккал/моль.

Вариант №2

Теоретическая часть

1.Описать устройство и принцип действия аккумулятора электрической энергии.

2.Перечислить составляющие баланса напряжения химического источника тока при заряде и разряде.

3.Описать электродные процессы при получении водорода и кислорода электролизом.

4.Описать устройство, принцип действия, преимущества и недостатки электролизеров сжидким катодом для производства хлора

ищелочи.

Расчетная часть

1. Средняя электродная плотность тока в хлорном ртутном электролизере равна 5500 А/м2; межэлектродное расстояние в ванне l = 4 мм; удельная электропроводность электролита æ = 0,52 Ом-1·см- 1. Каково падение напряжения в электролите ванны, если газонаполнение увеличивает сопротивление раствора на 15%?

2. Биполярная ванна для электролиза воды нагрузкой 9000 А содержит 180 последовательных ячеек и работает с выходом по току около 96,5%. Какое количество воды электролитически разлагается в ванне за 1ч?

4

Вариант №3

Теоретическая часть

1. Описать устройство и принцип действия батарей топливных элементов.

2. Описать электродные процессы в топливных элементах водородно-кислородного типа, указать материалы электродов.

3.Привести анализ баланса напряжения электролизера при электролизе воды.

4.Охарактеризовать анодные материалы для хлорных электролизеров (устойчивость, выход по току и др.)

Расчетная часть

1.Диафрагменная хлорная ванна нагрузкой 20 кА работает с

выходами по току для Н2 около 99%, для Cl2 и NaOH в среднем 95%. Вытекающие из ванны щелока содержат около 140 г/л NaOH. Какова

часовая производительность ванны по Н2 и Cl2 (по приведенному объему и массе) и по NaOH? Какой объем щелоков вытекает за 1 ч из ванны? Напишите реакцию основного электрохимического процесса в ванне.

2.Напряжение разложения водного раствора NaCl в хлорном

ртутном электролизере Еразл = 3,22 В. Найти теоретический удельный расход электроэнергии в расчете на 1 т 100% - ного NaOH и на 1 т хлора?

Вариант № 4

Теоретическая часть

1. Привести технико-экономические показатели работы химических источников тока.

2.Этапы развития и основные понятия, относящиеся к проблеме водородной энергетики.

3.Сопоставить устройства и показатели монополярных и биполярных электролизеров для получения водорода.

4.Привести технологическую схему отделения электролиза в хлорном производстве.

Расчетная часть

1.Диафрагменный хлорный электролизер, предназначенный для получения едкого калия, работает при нагрузке 10 кА и в среднем выходе по току 92%. Содержание КОН в вытекающих щелоках

5

составляет около 180 г/л. Какова должна быть скорость вытекания щелоков из электролизера?

2. Ртуть, поступающая в хлорный ртутный электролизер из разлагателя, содержит примерно 0,02% металлического натрия, а выходящая из электролизера – около 0,3%. Какова должна быть скорость циркуляции ртути в электролизере нагрузкой 30 кА, если катодный выход по току для натрия равен 96%? Плотность ртути принять 13,5 кг/л.

Вариант №5

Теоретическая часть

1. Дать экологическую характеристику электрохимических технологических процессов.

2.Сопоставить электрические характеристики химических источников тока разного типа.

3.Описать вторичные источники тока (дать их общую характеристику, указать области применения).

4.Привести технологическую схему электролиза воды.

Расчетная часть

1.Каков удельный расход электроэнергии на 1 т 100% - ного NaOH и на 1 т хлора, производимых в диафрагменном хлорном электролизере, если выход по току для обоих продуктов равен 95%, а среднее напряжение на ванне составляет 3,4 В?

2.Хлор-газ, выходящий из хлорного ртутного электролизера,

содержит 95 об.% Cl2 и 0,7 об.% СО2. Выход по току для хлора равен 96%. Анодная плотность тока 5000 А/м (не учитывать перфорацию электродов). Принимая, что в общем расходе анодного графита его

электрохимическое разрушение (за счет реакции С→СО2) составляет 60%, рассчитать, за какое время аноды сработают на 1 мм? Кажущаяся плотность анодов dа = 1,6.

Вариант №6

Теоретическая часть

1.Привести общую характеристику электролиза водных

растворов.

2.Описать электродные процессы в кислотном аккумуляторе при заряде и разряде.

3.Проанализировать баланс напряжения при работе биполярного электролизера дли получения водорода.

6

4.Указать особенности технологии мембранного электролиза

впроизводстве хлора и щелочи.

Расчетная часть

1. Рассчитать Сан – концентрацию NaCl в анолите диафрагменного хлорного электролизера, если содержание NaCl в исходном рассоле С1 = 310 г/л, а концентрация NaOH в электролитических щелоках С2 = 130 г/л. Для расчета использовать эмпирическое уравнение, учитывающее расход компонентов при электролизе, миграцию ионов и испарение воды для +90° С:

Сан = С1 – 0,4С2

2. Ширина ртутного катода хлорного электролизера равна 725 мм, длина 7,83 м, толщина 4,0 мм. Рассчитать уменьшение закладки ртути в электролизер (в его катодную часть) в расчете на 1000 А токовой нагрузки при повышении катодной плотности тока с 5,0 до 6,2 кА/м2. Плотность ртути в электролизере принять равной

13,5 г/см3.

Вариант №7

Теоретическая часть

1. Привести выражения, определяющие мощность и емкость ХИТов.

2.Описать основные z побочные процессы в свинцовом аккумуляторе, перечислить факторы, определявшие срок службы аккумулятора этого типа.

3.Проанализировать материальный баланс электролизера для производства водорода и кислорода.

4.Описать отделения очистки рассола и выпаривания щелоков в хлорном производстве.

Расчетная часть

1.Расстояние между анодами и катодами хлорного

электролизера диафрагменного типа равно 12 мм, из них 2 мм занимает диафрагма. Рабочая плотность тока D = 800 А/м2; удельная электропроводность электролита æ = 0,58·Ом-1·см-1. Увеличение

сопротивления электролита за счет газонаполнения 15%. Сопротивление диафрагмы составляет 2,5 Ом·см2.

2.На серии из 30 последовательно соединенных ванн нагрузкой 12 кА каждая, используемых для получения перхлората

7

натрия NaClO4 анодным окислением хлората натрия, за сутки работы получено 17,6 м3 раствора, содержащего 920 г/л NaClO4. Напряжение на серии около 195 В. Каков выход по току и удельный расход электроэнергии для перхлората натрия (в растворе)? Напишите реакцию суммарного электрохимического процесса в ванне.

Вариант №8

Теоретическая часть

1. Перечислить факторы, влиявшие на выбор плотности тока в электрохимическом реакторе, дать понятие оптимальной плотности тока.

2. Описать щелочные аккумуляторы (устройство и области применения).

3.Дать общую характеристику промышленного производства хлора и щелочи, основных потребителей продуктов.

4.Перечислить возможные источники сырья для хлорного производства, указать влияние исходного сырья на эффективность этапов производства.

Расчетная часть

1.Диафрагменная хлорная ванна нагрузкой 20 кА работает с

выходами по току для Н2 около 99%, для Cl2 и NaOH в среднем 95%. Вытекающие из ванны щелока содержат около 140 г/л NaOH. Какова

часовая производительность ванны по Н2 и Cl2 (по приведенному объему и массе) и по NaOH? Какой объем щелоков вытекает за 1 ч из ванны? Напишите реакцию основного электрохимического процесса в ванне.

2.С серии из 40 последовательно включенных хлорных

ртутных ванн, имеющих среднюю нагрузку 20500 А, получено за сутки 43,0 м3 жидкой щелочи с концентрацией NaOH 670 г/л. Среднее напряжение на серии 185 В. Рассчитать выходы по току и удельный

расход электроэнергии для щелочи и хлора (Вт для NaOH принять на 2,0% выше, чем для хлора).

Вариант №9

Теоретическая часть

1. Привести примеры гальванических элементов. Описать электрохимические системы, находящиеся в их основе.

8

2.Описать электродные процессы в щелочных аккумуляторах.

3.Провести сопоставление электролизеров разного типа, используемых при производстве хлора и щелочи.

4.Обосновать этапы производства при получении хлора и

щелочи.

Расчетная часть

1. Исходный рассол, поступающий в диафрагменный хлорный электролизер, содержит 315 г/л NaCl. Концентрация NaOH в щелоках, вытекающих из ванны, около 140 г/л. Рассчитать: а) концентрацию NaCl в вытекающих щелоках; б) степень разложения поваренной соли; в) относительный объем щелоков (по отношению к объему рассола). Для расчета содержания NaCl в щелоках использовать эмпирическое уравнение, учитывающее расход воды на электролиз, образование NaOH, испарение, а также изменение плотности раствора при превращении NaCl в NaOH (уравнение составлено для температуры электролиза +90° С):

С1 = С2 – 1,065С3

2. Средняя электродная плотность тока в хлорном ртутном электролизере равна 5500 А/м2; межэлектродное расстояние в ванне l = 4 мм; удельная электропроводность электролита æ = 0,52 Ом-1·см-1. Каково падение напряжения в электролите ванны, если газонаполнение увеличивает сопротивление раствора на 15%?

9

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 2 Вариант 0

Теоретическая часть

1.Описать (в общем виде) использование электролиза в металлургии.

2.Описать свойства никелевых гальванопластических

осадков.

3.Охарактеризовать анодные процессы, применяемые в машиностроительной технологии.

4.Привести схему циркуляции электролита в станках для

ЭХО.

Расчетная часть

1.Цикл наращивания металла на катодах ванн рафинирования меди продолжается 10 суток при силе тока на ванну 9000 А и катодном выходе по току около 95%. Какова масса готового одиночного катода (среднего), если масса исходного маточного листа равна 5 кг и в ванне установлено 29 катодов и 28 анодов.

2.В опытных образцах барабанного цинкового электролизера готовая цинковая лента, получающаяся на вращающемся катоде, непрерывно сдирается с него и наматывается на бобины. Рассчитать необходимую скорость вращения катодного барабана диаметром 1000 мм, чтобы снимаемая цинковая лента имела толщину 0,45 мм.

Длина рабочей поверхности катодного барабана составляет 55% от длины его окружности. Катодная плотность тока Dк = 4000 А/м2, средний выход по току составляет 91%.

Вариант №1

Теоретическая часть

1.Указать в чем сущность электроэкстракции металлов в металлургии. Привести примеры этих процессов.

2.Свойства медных гальванопластических осадков.

3.Описать процесс электрохимической размерной обработки.

4.Указать особенности конструкции электрода-инструмента для прошивки глубоких отверстий.

Расчетная часть

1. Последовательная цепь из 968 непрерывно работавших ванн рафинирования меди нагрузкой 9000 А выдала за месяц (30 суток)

10