Материальный баланс электролизера

С помощью расчета материального баланса электрохимического аппарата (электролизера) можно определить изменение состава элект­ролита за счет протекания электродных процессов, химических реакций, а также за счет испарения воды и уноса электролита деталями или движу­щейся лентой. Результаты материального баланса позволяют рассчи­тать технико-экономические показатели процесса электролиза (рас­ход сырья и материалов, удельный расход электроэнергии), ре­жим корректировки и регенерации электролита, необходимость очист­ки электролита от примесей, частоту загрузки и выгрузки катодов и анодов.

Различают стационарный и нестационарный материальный балан­сы. Для достижения максимальной производительности электролизер должен работать в оптимальном режиме при неизменном составе элек­тролита. Стационарный материальный баланс позволяет рассчитать состав и скорость потока циркуляции на входе в ванну, при котором будет поддерживаться постоянный режим работы электролизера. Ста­ционарный материальный баланс целесообразно составлять для элект­ролизеров, имеющих систему непрерывной циркуляции электролита, обычно используемых в гидрометаллургических производствах (рафинирование меди, никеля и т.п.).

Многие электрохимические процессы являются периодическими, например, гальваническое нанесение металлических покрытий, электрополировка, обезжиривание и др. В ваннах такого типа обычно от­сутствует циркуляция раствора и состав электролита медленно изменяется. В таких случаях часто состав­ляют нестационарный материальный баланс, на основании которого рассчитывают изменение состава электролита за определенный проме­жуток времени и периодичность корректировки состава ванн.

В зависимости от особенностей технологического процесса материальный баланс составляют за единицу време­ни (час, смену, сутки, год), единицу количества электри­чества, либо на 100 (1000) кг расходуемых анодов и др. [14].

Наиболее удобной формой составления материального баланса электролизера является метод математического моделирования [15].

Этот метод позволяет использовать ЭВМ для расчетов, а готовую математическую модель для автоматизированного управления электро­лизом. Основой математической модели является закон сохранения вещества. Математическая модель позволяет рассчитать все традици­онные виды балансов: стационарные, нестационарные (изменение состава электролита, накопление примесей в катодном металле, расход анодов), материальный баланс электролизера в расчете на единицу времени, количества электричества и т.д. Кроме того, в ходе моделирования можно проследить за изменением всех параметров электролизера.

3.1. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА

Несмотря на разнообразие технологичес­ких процессов (гидрометаллургия, гальванотехника, электролиз без выделения металлов и т.д.) все электрохимические производства ха­рактеризуются общими конструктивными элементами. Схематично электролизер представляет собой емкость (I), заполненную электролитом, в которой на­ходятся электроды: катоды (2) и аноды (3). В электролизер непре­рывно или периодически поступают реагенты. Такие поступления мож­но назвать входящими потоками (4). Входящими могут быть циркуляци­онный поток (непрерывный) или добавляемые в целях корректировки электролита соли, поверхностно-активные вещества, вода, поступающая с деталями в ванну покрытия (периодические потоки). Периодические по­ступления реагентов в электролизер можно описать, как псевдонепрерывные потоки. На электродах происходят электрохимические реак­ции, в результате которых возможно растворение компонентов анод­ного металла (сплава) и переход их в виде ионов в раствор с по­следующим восстановлением на катоде в виде металла, либо на элек­тродах могут выделяться газообразные продукты и т.д. Вещества, образующие материальные потоки, по которым рассчитывается баланс электролизера, являются компонентами материального баланса. Ком­понентами могут быть соли, вода, ионы в растворе, металл, газооб­разный продукт и т.д.

Из электролизера электролит может выноситься с деталями (периодически) или отводиться с циркуляцией (непрерывно). Это все выходящие потоки (5). Состав выходящего по­тока соответствует составу электролита в электролизере.

Рис.3.1. Схема электрохими­ческого аппарата

1 – электролизер, 2 – катод, 3 – анод, 4 – входящие потоки, 5 – выходящий поток.

Состав электролита в электролизере зависит от количества компонентов, приносимых с входящими потоками и уносимых с выходящим потоком, а также от количества компонентов, образующихся или расходуемых в результате протекания в аппарате физических процессов (испарение воды, диффузионный перенос веществ через диафрагму и т.д.), химических и электрохимических реакций.

3.1.1. Нестационарная модель материального баланса

При математическом моделировании электрохимический аппарат удобно представить в виде зоны идеального смешения [16], в которой значения параметров могут изменяться во вре­мени, но в каждый момент времени во всем пространстве зоны (аппарата) они одинаковы. Изменение содержания любого из компонентов можно описать уравнением [16]:

(3.1)

В уравнение (4.1) входят следующие величины:
- массовая доля i-го компонента (m_i - масса i-го компонента и - масса всех компонентов в единице объема электролизера),

i - порядковый номер ком­понента ( ), k - число всех компонентов в системе;

из определения массовой доли компонента следует, что сумма массовых долей всех компонентов равна единице ; V - объем электролизера, м³;

r- плотность электролита, кг/м³, определяемая составом раствора

; (3.2)

t - время, с; - объемная скорость потока, м³/с; v - количество входящих потоков. Величины со штрихом (') относятся к входящим потокам, а без штриха - к выходящему.

Физический смысл уравнения (3.1) состоит в том, что изменение количества i-го компонента в электролизере определяется количеством этого компонента, приносимого в ванну всеми входящими потоками , а также скоростью образования или расходования этого компонента за счет протекания различных реакций и процессов ( ) за выче­том количества i-го компонента, уносимого из ванны с выходящим потоком .

Входящие и выходящие потоки могут быть непрерывными, псевдонапрерывными (то есть периодическими) или отсутствовать.

Величина - суммарная интенсивность источника i-го компонента, кг/с, характеризует скорость производства или потребления i-го компонента в результате химических или электрохимических реакций, либо физи­ческих процессов (диффузии, миграции, фильтрации или перехода веществ в другое агрегатное состояние).

В зависимости от целей моделирования с помощью уравнения (3.1) можно составлять и рассчитывать различные типы материальных балансов.