книги / Расчеты химико-технологических процессов

Рпр)* находим: z„3= 0 ,2 ; Яоозд = 287 ДжДкг • К)', Дп=462Дж/(кг • К). Тогда:

Квозд в 613/(25 • 10») (1,115849,63 - 287 + 0,2 • 807,6.462) = 8,5 м»/ч

Объем реакционного пространства, рассчитанный на часовую производительность:

Ор==2 (6,87 + 8,5) * 30,74 м9

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1. Рассчитать количество растворенного кислорода из воздуха в 25 кг води под давлением 15 МПа при 20 °С.

2. Найти равновесный состав газа над жидкостью, состоящей из смеси 25% бензола, 35% толуола и 40% о-ксилола, при 100 °С. Давление паров чистых компонентов взять по справочным данным.

3. Рассчитать давление пара над водой, содержащей 19% (масс.) глице­ рина, при 22 °С.

4. В пенном аппарате абсорбируют аммиак из газа промывкой его водой. Рассчитать движущую силу абсорбции на противоточных и перекрестноточных

*0,3 кмоль/м*.

5.Какова степень извлечения аммиака о условиях предыдущего примера?

6.Определить движущую силу абсорбции и к. п. д. прямоточного насадоч­ ного скруббера при поглощении оксидов азота содовым раствором при 30 °С и

скруббер — 3 н.

7. Рассчитать коэффициент диффузии диоксида серы в воздухе при 18 °С

идавлении 0,1 МПа.

8.Рассчитать коэффициент диффузии SO* в воде при 18°С.

9.Каково значение коэффициента эффективной диффузии при абсорбции

бензола каменноугольным маслом в пенном аппарате при 250 °С? Скорость газа в полном сечении аппарата 2,1 м/с, плотность орошения 6 м3/(и**ч), высота исходного слоя жидкости 25 мм.

10. Рассчитать среднее время пребывания реагентов в реакторе, если из­ вестны следующие опытные данные замеров концентрации индикатора, поки­

11.По данным предыдущего примера произвести расчет степени превраще­ ния в реакторе по распределению времени пребывания частиц для необратимой реакции первого порядка, если константа скорости этой реакции 0,147 с~‘.

12.Каков будет расход серной кислоты для осушки воздуха, если процесс проводят при атмосферном давлении в насадочной протнвоточной башке; на­ чальное содержание влаги в воздухе 0,03 кг/кг (сухого воздуха), конечное со­ держание— 0,005 кг/кг, а начальное содержание воды о кислоте 0,5 кг/кг (мо­ ногидрата), конечное содержание— 1,4 кг/кг?

13.Рассчитать коэффициент массопередачи в водяном скруббере при погло­

щении из газа диоксида углерода. В I ч пропускается 5000 м9 газа, чистой воды подается 650 м3/ч. Начальное содержание СО* в газе 28,4% (об.), конечное (в верху скруббера)— 0,2% (об.). Давление в скруббере 16,5*I05 Па, темпера*

* См., например, Хоуген О., Ватсон К. Физико-химические расчеты в тех­ нике. М., Госхимиздат, 1941. 598 с.

221

В основе электрохимических процессов лежат законы Фара­ дея. По первому закону Фарадея для любого электродного про­ цесса масса вещества, превращаемого при электролизе, прямо пропорциональна силе тока и времени его прохождения, т. е. прямо пропорциональна количеству прошедшего электричества.

Второй закон Фарадея характеризует влияние природы ионов. Закон устанавливает, что при пропускании одинакового количе­ ства электричества через растворы различных электролитов ко­ личества каждого вещества, претерпевающие превращения, про­ порциональны их эквивалентным массам, причем для выделения одного эквивалента любого вещества требуется пропустить 96500 Кл или 26,8 А*ч электричества.

Вследствие протекания побочных процессов выделяется веще- • ства всегда меньше, чем должно бы выделиться по закону Фара­ дея.

Основными критериями рационального использования электро­

электролизе, к массе вещества GMакс, которая должна была по­ лучиться по законам Фарадея при той же затрате электричества:

Я = (^ ф ,к Л акс)-100 (VIII-I)

Понятие выхода по току аналогично понятию выхода продук­ та в химическом процессе. Теоретическое значение массы веще­ ства Омакс (кг) можно вычислить по формуле, вытекающей из законов Фарадея

Е — масса вещества, выделяющаяся на электроде при прохожде­ нии 1 А*ч.

Коэффициентом использования энергии р (%) называется от­

224

равных единице и давлении 105 Па приведены в табл. 3.

Таблица 8. Стандартные электродные потенциалы при стандартных условиях

Фактическое напряжение (Л^акт на электролизере больше теоретического из-за поляризации и перенапряжения, а также омических сопротивлений электролита и токоподзодов. Фактиче­ ское напряжение рассчитывают по формуле

№

При электролизе растворов в производственных условиях выход по току часто составляет 0,8—0,9, а при электролизе расплавов еще меньше. Коэффициент использования энергии при электро­ лизе растворов обычно выше 0,5, а при электролизе расплавов меньше 0,5.

РАСЧЕТЫ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Пример 1. В течение 24 ч при электролизе раствора хлорида натрия при силе тока 15500 А получено 4200 л электролитиче­ ского щелока, содержащего 125 г/л NaOH. Определить выход по

Откуда

г) = (525/555) * 100 * 94,6%

Пример 2. Определить степень использования электроэнергии при электролизе раствора хлорида натрия, если концентрация раствора NaCl равна 310 г/л, перенапряжение выделения хлора 0,192 В, водорода— 0,210 В; суммарные омические потери, вклю­

Здесь под знаком логарифма стоит произведение концентрации

Сна коэффициент активности /.

Внейтральном насыщенном растворе хлорида натрия концент­

рация ОН" около 10~7 моль/л; коэффициент активности 0,8. Кон­ центрация ионов хлора в насыщенном растворе хлорида натрия (310 г/л) равна 5,3 моль/л, коэффициент активности при 25 °С 0,67.

Как видно из расчетов, потенциал разряда ионов ОН" меньше потенциала разряда ионов С1". Однако большое значение пере­

226

напряжения кислорода на графитовом электроде, на котором хлор выделяется почти без перенапряжения, делает потенциал выделе­ ния ионов ОН” более положительным, чем потенциал выделения ионов С1”. Благодаря этому из концентрированных растворов хло­

При 25 °С К' = 1,05-10-и , откуда [Н+] = 1,05- 10-14/[ОН~3. Кон­ центрация ионов ОН" в катодном пространстве равна мольной концентрации едкого натра, так как последний диссоциирован пол­ ностью. Однако для расчета равновесного потенциала по уравне­ нию Нернста необходимо знать не концентрацию ионов ОН~, а их активность

Так как в электролите, кроме едкого натра, присутствует хло­ рид натрия, то последний будет оказывать влияние на коэффи­ циент активности fQн-. Это влияние может быть точно учтено

лишь на основании экспериментальных данных. Приблизительную оценку можно сделать из определения ионной силы католята и правила: коэффициент активности данного иона одинаков для всех растворов с одинаковой ионной силой.

Ионная сила раствора

Коэффициент активности для раствора NaOH с ионной силой 5,75 равен 0,73. Отсюда активность ионов Н+ в электролите

Теоретическое напряжение разложения хлорида натрия:

^ т = -Ф а -ф к = 1;32 - (-0 ,5 3 0 )« 1,850 В

227

Фактическое напряжение разложения:

* '.32 - (-0,530) + (0,192 + 0,210) + 1,051 =» 3,3 В

При выходе по току 0,96:

|1 * (1,850/3,3) • 0,96 = 54%

Пример 3. Металлическую пластинку размером 10 X Ю см тре­ буется покрыть с обеих сторон слоем никеля толщиной 50 мкм. В растворе никель находится в виде ионов Ni2+. Определить не­ обходимое время электролиза, если пропускать ток силой 2,5 А. Процесс проводится в условиях, обеспечивающих равномерное распределение никеля по всей поверхности. Выход по току 94,4%.

Пример 4. Определить дополнительный расход электроэнергии (на 1 т продукта), вызываемый перенапряжением 0,25 В при электролитическом получении водорода.

Р еш ен ие .'Д ля получения эквивалента водорода необходимо затратить 26,8 А-ч. Дополнительный расход энергии составит при

Пример 5. Рассчитать выход по току и расход электроэнергии при электролите раствора КС1, если в катодное пространство ла­ бораторного электролизера залито 500 мл раствора и увеличение массы медного катода в кулометре, последовательно включенном в цепь, составляет 5 г. При анализе жидкости катодного простран­ ства на содержание КОН на 10 мл жидкости пошло 25 мл 0,1 н. раствора НС1. Напряжение на клеммах электролизера 4,5 В,

Р е ш е н и е . Количество электричества, израсходованное на электролиз за время опыта, определим по увеличению массы мед­ ного катода, используя уравнение (VIIL2):

/т = 26,8-5/32 = 4,2 А -ч

Количество КОН по закону Фарадея и фактически:

Выход по току:

I) «г 7/8,8 — 0.795 *-79,5%

Расход электроэнергии на ! кг КОН:

№факт— 4,5 - 4,2 ? 1000/7 =- 2700 Вт • ч/кг =* 2700 кВт - ч/т

228

выделившееся при электрохимическом получении цинка, при сле­

концентрация H2SO4 в вытекающем отработанном электролите 80 г/л, концентрация цинка в протекающем свежем электролите 118 г/л. Суммарная химическая реакция процесса разложения ZnSC>4 следующая

229

3,62» 10 000*3,4 = 123000 кДж, затратится на нагревание электро­ лизера 123 000 — 65 220 = 57 780 кДж.

Если необходимо поддерживать температуру электролита не выше 40°С и охлаждающая вода имеет температуру 15°С, а вы­

гда объем раствора, подаваемого в 1 ч в электролизер, равен 9760/53 = 184 л.

Если раствор поступает с температурой 20 °С, то количество теплоты, отводимое свежим раствором, составит:

184 (40 - 20) • 4,18 = 15 400 кДж

где 4,18— теплоемкость раствора, Дж/(кг-°С).

Количество теплоты, поглощаемое свежим раствором, недо­ статочно, но это позволяет соответственно сократить расход охлаждающей воды.

Пример 8 [30, с. 613—617]. Для электролизного отделения производительностью 50 000 т алюминия в год определить требуе­ мое число электролизеров, среднее напряжение на них и соста­ вить баланс напряжения по следующим исходным данным:

1)конструкция электролизера с самообжигающимся анодом на силу тока 50 000 А;

2)выход по току 89%;

3) выход металла по энергии 62 г А1 на 1 кВт-ч;

4)потери алюминия при переплавке 2%;

5)простой электролизеров на капитальный ремонт 3%.

Р е ш е н и е . Электролизер работает в году (с учетом простоя) 365*24 — 365-24-0,03 = 8500 ч. Учитывая потери при переплавке алюминия, производительность в I ч должна быть:

(50 000 + 50 000 • 0,02)/8500 = 6000 кг

1000 •0,335 ■0,89/62 * 4,8 В

Составляем баланс напряжения на электролизере. Характер электродных процессов, протекающих при электролизе криолит- но-глиноземного расплава.,. определить затруднительно,. так как

230