Электрохимические производства

Все о электрохимических производствах и процессах.
Защищала в университете,в прошлом полугодии,оценка 4. ...

2.Электрохимические процессы – основа электрохимических технологий
Электрохимические технологии (ЭХТ) разнообразны и могут быть для облегчения знакомства с ними классифицированы по ряду признаков. Скажем, в соответствии с природой изготовляемых продуктов или услуг. По ходу развития электрохимических технологий менялись содержание и масштабы применения ее разделов. В основе любой электрохимической технологии лежат окислительно-восстановительные процессы, протекающие в электрохимических системах на границе раздела фаз электрод-электролит (межфазных пределах). Эти процессы, как и любые другие химические процессы, характеризуются термодинамическими и кинетическими параметрами.

Электрохимические процессы основаны на взаимном превращении химической энергии в электрическую энергию и наоборот. Электрохимическая промышленность, в основе которой лежат электрохимические процессы, является одной из крупнейших областей народ¬ного хозяйства.

Одновременно на перфорированном графитовом (или оксидно-рутениевом) аноде выделяется газообразный хлорПолученную амальгаму натрия, содержащую 0,1 – 0,3% в пересчете на металл, выводят из электролизера и разлагают нагретой водой в отдельном реакторе-разлагателе. Здесь в электрохимическая реакция протекает в короткозамкнутом гальваническом элементе NaHg n[NaOH], где теперь уже амальгама служит катодомСхема описанного электролизера с ртутным катодом изображена на рисунке 2.11620512128500Концентрированный раствор хлорида натрия высокой степени очистки подается в наклонный удлиненный электролизер, по дну которого самотеком, в противоположном рассолу направлении, движется ртуть, служащая катодом. Над потоком ртути располагается горизонтальный оксидно-рутениевый (или перфорированный графитовый)анод, также погруженный в рассол. Анодная жидкость, содержащая непрореагировавший хлорид натрия, выводится из электролизера одновременно с газообразным хлором, от которого она впоследствии отделяется в сепараторах и продувочных колоннах (на схеме не показаны). После разделения этой смеси газообразный хлор передается на осушку, а очищенный от хлора рассол после очистки от ртути и других примесей снова насыщается хлоридом натрия и возвращается обратно в электролизер. Образовавшаяся амальгама натрия из электролизера перетекает в наклонный реактор-разлагатель, где промывается в дистиллированной воде, подаваемой в таком количестве, чтобы получить 45%-ный раствор гидроксида натрия. В донной части разлагателя размещены гребенчатые графитовые плиты, образующие с амальгамой короткозамкнутый гальванический элемент NaHg n [NaOH] С. Образующаяся таким образом гидроокись натрия отделяется от газообразного водорода в сепараторах, фасуется (или обезвоживается, а затем фасуется) и поступает в продажу. Ртуть из разлагателя, ртутным насосом перекачивается обратно в электролизер[3].На стадии электролиза благодаря отсутствию в продуктах реакции щелочи, из процесса с использованием ртутного катода исключены побочные химические реакции, следовательно рассматриваемый процесс характеризуется высоким выходом по току и энергии.В то же время для достижения максимальной эффективности электролиза с ртутным катодом требуется особо тщательная подготовка исходного циркулирующего электролита, поскольку такие примеси, как магний, железо, кальций и другие металлы снижают величину перенапряжения водорода на ртутном катоде, что искажает ход катодного процесса и может привести к взрыву электролизера.В результате электролиза с ртутным катодом получаются химически чистые растворы гидроксида натрия высокой конецентрации, необходимые, прежде всего, в производстве искусственных волокон, при синтезе и последующей обработке ионообменных материалов и в других областях химической промышленности. При этом следует учитывать, что использование металлической ртути накладывает ряд ограничений на аппаратурное оформление соответствующего процесса и требует проведения защитных мероприятий в отношении обслуживающего процесс персонала. В связи с этим для синтеза химически чистых растворов гидроксида натрия был разработан процесс электролиза раствора хлорида натрия с ионообменной (а точнее, катионообменной) мембраной, разделяющей катодное и анодное пространства. Данный подход усложняет аппаратурное оформление процесса, но является значительно более безопасным по сравнению со ртутным. Кроме того, мембранный метод электролиза, или иначе - диафрагменный, также является малоотходным технологическим процессом.Электрохимические производства, основанные на использовании диафрагменных электролизеров, отличаются от прочих химических производств динамичностью протекающих процессов, и характеризуются использованием широкого спектра однотипного оборудования, эксплуатирующегося в электролизном цехе и обладающего широким диапазоном параметров электрохимических процессов. Причем цех электролиза на производстве занимает особое место по энергоемкости (экономике) и по технологическим параметрам и специфике используемого оборудования. Все эти факторы должны приниматься во внимание при оптимизации электрохимического производства и управления отделением электролиза.Электрохимические производства по сравнению с чисто химическими не требуют введения дополнительных реагентов в технологическую схему получения целевых продуктов, поскольку в роли окислителя или восстановителя выступает электрический ток. С этой точки зрения электрохимические процессы рассматриваются как малоотходные технологических процессов. В качестве примера стоит привести электролиз воды для получения водорода и кислорода, получение газообразного хлора и различных щелочей диафрагменным или мембранным методами.Создание малоотходных производств стало особенно актуальной проблемой лишь в последние годы. На сегодняшний день работы в этом направлении только начинаются, хотя, справедливости ради, стоит отметить, что уже сейчас существует возможность минимизировать количество отходов на действующих производствах путем внедрения в соответствующие технологические процессы электрохимических методов. Так, например, в анилинокрасочной промышленности для восстановления ароматических нитросоединений используются насыпные железные стружки в соляной кислоте. В результате соответствующей окислительно-восстановительной реакции образуются твердые отходы хлорида железа, идущего в отвал.Электрохимическое производство химических продуктов занимает большую нишу в современной химической промышленности. Среди крупнотоннажных электрохимических производств первое место занимает электролитическое получение газообразного хлора и различных щелочей, в основу которого положен электролиз водного раствора поваренной соли. Мировое электролитическое производство хлора составляет около 30 млн. т в год. При этом хлорный электролиз относится к числу наиболее отработанных процессов: начало ему было положено еще в 80 - х годах прошлого века. В ходе этого процесса на ионы натрия разряжаются ртутном катоде, в результате чего образуется амальгама, которая впоследствии выводится из электролизера, разлагается водой с получением газообразного водорода и концентрированного раствора щелочи, а затем снова возвращается в электролизер. При использовании твердого катода, в роли которого выступают определенные марки стали с относительно низким водородным перенапряжением, также выделяется газообразный водород, а используемый электролит приобретает щелочную реакцию среды. Для предотвращения контакта выделяющегося на аноде газообразного хлора со щелочным раствором используется диафрагма. В обоих случаях, как с жидким (ртутным), так и с твердым катодом, на аноде выделяется газообразный хлор, а также возможен разряд гидроксил-ионов и молекул воды с выделением газообразного кислорода. При реализации данного процесса материал, из которого изготовлен анод, должен обладать высокой химической устойчивостью. Такими свойствами обладает магнетит, диоксид марганца, уголь, графит и некоторые другие. В последнее время разрабатываются принципиально новые типы коррозионностойких анодов, изготовленных из титана, покрытого активной массой на основе смеси оксидов рутения и титана. Данный тип электродов называются оксидными рутениево-титановыми анодами (ОРТА).На любом электрохимическом производстве требуется неукоснительное соблюдение мер предосторожностей, обеспечивающих безопасность труда обслуживающего персонала. Например, в электролизных цехах электролизеры объединены в серии. Таким образом, напряжение в каждой серии составляет до 350 - 400 В. Поскольку максимальное безопасное напряжение составляет 30 В, то в электролизных цехах должны строго соблюдаться следующие меры предосторожности: выпрямительное оборудование должно быть размещено в отдельных помещениях, вход в которые разрешается только при выключенном токе. Токоподводящие шины должны быть расположены на такой высоте, чтобы они не препятствовали перемещению людей. При этом они должны быть оснащены металлическими заземленными ограждениями. Шунтирующие тележки должны передвигаться по настилу, изготовленному из непроводящего материала. Обслуживающий персонал должен быть снабжен средствами защиты от поражения электрическим током - резиновыми перчатками и сапогами, изготовленными из материала, имеющего как можно большее электрическое сопротивление. Необходима надежная электроизоляция мостовых кранов.В электрохимических производствах, работа которых основана на катодном выделении металлов, высокие требования предъявляются к качеству катодного осадка. Этот осадок должен иметь высокую плотность, низкую пористость, гладкую ровную поверхность, и, в ряде случаев, блестящим. Структура и чистота катодного металла находятся в прямой взаимосвязи. Гладкость поверхности катодного металла необходима еще и потому, что только таким образом может поддерживаться первоначальная плотность тока; особенно это важно в тех случаях, когда на катоде происходит совместный разряд ионов металла и водорода и максимальный выход целевого металла по току может быть достигнут только при высокой плотности тока. Из-за этих особенностей в цинковой гидроэлектрометаллургии приходится ежедневно удалять цинковый осадок с маточных алюминиевых листов.В электрохимических производствах в качестве катодного материала очень часто используется графит.Для преобразования переменного тока в постоянный применяется специальное оборудование: моторгенераторы и выпрямители. Моторгенераторы применяются на электрохимических установках небольшой мощности и состоят из синхронного электродвигателя переменного тока, жестко соединенного с динамомашиной постоянного тока. Питание обмоток динамомашины производится от отдельного генератора, приводимого в движение с помощью двигателя моторгенератора. В результате напряжение постоянного тока, вырабатываемого моторгенераторами, постоянно и не зависит от силы потребляемого тока.В высокоэнергетических электрохимических производствах, расход электроэнергии на единицу получаемой продукции является одним из основных показателей эффективности.В электрохимических производствах, где утечка тока от электролитических ванн имеет высокие значения, из-за блуждащих токов возможна ускоренная коррозия арматуры железобетонных строительных конструкций. Причем принятые для таких случаев способы электроизоляции заземленной части колонн не всегда могут быть применены.Реализация любого электрохимического производства сопровождается протеканием побочных процессов. Поэтому, например, технологическая схема электрохимического производства газообразного водорода и кислорода включает системы охлаждения и циркуляции электролита, регулировки уровня электролита в электролитической ячейке и поддержания равенства давлений в ячейках получаемых газов, а также системы сушки и очистки целевых продуктов.Одним из преимуществ электрохимического производства газообразного водорода является возможность полной автоматизации данного процесса. При этом сила тока в электролизере не только поддерживается постоянной, но и регулируется автоматически в зависимости от установленного уровня необходимой производительности установки. Электрические нагрузки регулируются изменением напряжения постоянного тока, подаваемого от выпрямителя на электролизер, в зависимости от давления газа в производственной линии. Автоматическая подача воды в электролизер из напорных баков производится через регулирующие клапаны, с учетом уровня жидкости в аппарате. При снижении или превышении уровня электролита в ячейке включается автоматическая сигнализация и электролизер отключается. С помощью автоматических клапанов, которые срабатывают по сигналу, поступающему от контактных манометрических термометров, регулируется подача в аппарат охлаждающей воды, которая используется для поддержания оптимальной температуры электролита и газов.6.Основные направления применения электрохимических производствВ ходе электролиза различных водных растворов и расплавов могут быть получены самые разнообразные продукты химического производства. Наример, с помощью электролиза водных растворов солей натрия и калия получают такие химические продукты, как водород, хлор, гидроксиды натрия и калия. Также с помощью электролиза водных растворов осуществляется энергохимический синтез огромного количества прочих неорганических и органических веществ – перхлоратов, гипохлоритов, хлоратов, хлорной кислоты, диоксида марганца, перманганатов, а также адипонитрила, антидетонаторов, например, тетраэтилсвинца, гидрохинона, фторпроизводных ряда органических соединений и др. В основе гидроэлектрометаллургии и гальванотехники также положен электролиз водных растворов. Гидроэлектрометаллургия – это процесс электролитического извлечения металлов из водных растворов их солей. Электролиз обычно является завершающей стадией ряда металлургических процессов. С помощью электрохимических методами получают и рафинируют кадмий, медь, цинк, свинец, марганец, хром, олово, благородные металлы.Гальванотехника используется в металлообрабатывающей промышленности для нанесения на различные металлические изделия покрытий, состоящих из металлов или сплавов. Такие покрытия наносятся для защиты металла от коррозии, повышения твердости и сопротивления механическим повреждениям, с декоративной целью, а также для создания точных металлических копий различных предметов (гальванопластика). В связи с ускоренными темпами развития новых отраслей промышленности (атомная энергетика, радиоэлектроника, ракетостроение и др.) перед гальванотехникой открываются все более сложные задачи, например, нанесение специальных покрытий, обладающих высокой устойчивостью и стабильностью свойств в экстремальных условиях, определенными магнитными характеристиками, жаропрочностью, сверхпроводимостью, равномерностью физико-химичесикх свойств данного покрытия на сложно-профилированной поверхности, устойчивостью к перепаду температур и др.Электролиз расплавов используется в металлургии для производства и рафинирования таких металлов, которые не могут быть выделены электролизом водных растворов соответствующих солей. К этим металлам относится целый ряд тугоплавких, легких, благородных и редких металлов, а также некоторые сплавы.Например, такие востребованные промышленностью материалы как натрий, алюминий, магний, калий, литий, титан и многие другие сейчас получают исключительно электролизом соответствующих расплавов. Дополнительно электролиз расплавов используется для получения газообразного фтора и бора.Важнейшей областью электрохимии является изготовление и эксплуатация химических источников тока. Последние подразделяются на первичные и вторичные.К первичным химическим источникам тока относятся такие источники, которые могут быть использованы лишь однократно. К данному типу относятся батареи и гальванические элементы. Вторичные химические источники тока – это аккумуляторные батареи, принцип работы которых основан на обратимости соответствующих окислительно-восстановительных реакций посредством пропускания электрического тока (в направлении, противоположном тому, в котором ток протекал при разрядке). В топливных элементах «топливо», т.е. восстановитель и окислитель, раздельно и непрерывно приводятся в соприкосновение с электродами, в результате чего выделяющаяся химическая энергия преобразуется в электрическую.Химические источники тока нашли очень широкое применение в промышленности и в быту. Например, любые самолеты и автомобили оснащенные двигателями внутреннего сгорания снабжены аккумуляторами, приводящими в действие двигатель. Самые разнообразные электронные устройства, например, мобильные телефоны, транзисторные приемники, часы работают от малогабаритных аккумуляторных батарей. Широкие перспективы открываются перед применением электрохимической энергии, т.е. применением электрохимических топливных элементов в самых разных энергоустановках – на автотранспорте, электростанциях и т.д.Кроме того, электрохимические методы находят применение в технике очистки воды, в том числе на опреснительных установках для сильно минерализованных вод с последующей регенерацией индивидуальных солей, кислот и щелочей.7.Электрохимические технологии в производстве товарных химических продуктовВ настоящее время с помощью электрохимических технологий в больших объемах производятся преимущественно неорганические химические продукты. Производство газообразного хлора и различных щелочей имеет большое значение. Однако наряду с этой продукцией посредством электрохимических технологий производятся сильные восстановители (кальций, литий, натрий и т.д.) и окислители (фтор, нитраты, хлораты и т.д.), без которых невозможна реализация многих промышленных технологий. Для синтеза неорганических веществ применяется электролиз различных водных растворов, при производстве органических веществ используются электролиты, составленные на основе полярных органических растворителей. Натрий, литий, фтор, калий и прочие химически активные вещества производятся путем электролиза соответствующих расплавов. В соответствующей области производства применяются преимущества электрохимических технологий, обеспечивающие высокую избирательность, которая связана с тем, что электрохимическая технология позволяет получать химически чистые вещества без дополнительных операций разделения продуктов реакций. Высокая селективность обеспечивается тем, что окислительные и восстановительные процессы протекают в отдельных реакционных зонах, а продукты электролиза локализуются в катодном и анодном пространствах электролизера. Использование разделителей в электрохимическом аппарате (диафрагм и ионоселективных мембран) обеспечивает возможность избирательного переноса катионов или анионов из одного пространства электрохимического аппарата в другое. Одним из важнейших продуктов химической промышленности, получаемых посредством электролиза, является хлор. В настоящее время хлор в больших объемах используют в технологии пластмасс (винилхлорид), для отбеливания бумаги, а также для обеззараживания питьевой воды. Гидроксид натрия (NaOH) используют в целлюлозно – бумажной промышленности, в производстве металлов и дротраслях промышленности.8.Практическое значение электрохимииЭлектрохимические методы нашли широкое применение в самых разных отраслях промышленности. В химической промышленности большой популярностью пользуется электролиз - важнейший метод производства газообразного хлора и различных щелочей, самых разнообразных окислителей, газообразного фтора и фторсодержащих органических соединений. Все большее значение приобретает электрохимический синтез широкого спектра химических соединений. Производство важнейших металлов: натрия, лития, алюминия, магния, титана, цинка, бериллия, тантала, рафинирование меди, - основано именно на электрохимических методах. Газообразный водород получают путем электролиза воды в относительно небольших масштабах, однако по мере истощения запасов природного топлива и роста производства электроэнергии практическое значение данного метода получения водорода возрастает. Также в самых разных отраслях применяются защитные и декоративные гальванические покрытия, в том числе гальванические покрытия, обладающими определенными магнитными, оптическими и механическими свойствами. Кроме того анодное растворение твёрдых и сверхтвёрдых металлов вполне успешно заменяет их механическую обработку, а также механическую обработку их сплавов. Дополнительно в микроэлектронике всё более широкое применение находят электрохимические преобразователи информации. С экологической точки зрения все возрастающее значение приобретает создание автомобилей на электрической тяге, предназначенных для массового использования. Увеличение спроса на автономные источники электроэнергии, предназначенные для применения в технике, космических технологиях и бытового использования стимулирует разработку новых электрохимических систем повышенной удельной мощности, энергоёмкости и надежности.