Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Теоретические основы энерго- и ресурсосбережения в химической технологии» для студентов специальности 170500 «Машины и аппараты химических производств» Томск 2008 icon

Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Теоретические основы энерго- и ресурсосбережения в химической технологии» для студентов специальности 170500 «Машины и аппараты химических производств» Томск 2008



Смотрите также:
Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Химическое сопротивление...
Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Химическое сопротивление...
Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Химическое сопротивление...
Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Химическое сопротивление...
Рабочая программа дисциплины «Технология машиностроения» для специальности 170500 «Машины и...
Рабочая программа дисциплины Общая химическая технология для специальности 170500 «Машины и...
Образовательная программа: Специальность: 170500 Машины и аппараты химических производств...
Образовательный стандарт специальность: 170500 [240801] «Машины и аппараты химических...
Образовательный стандарт специальность: 170500 «Машины и аппараты химических производств»...
Рабочая программа дисциплины «основы и элементы гидравлического привода» для специальности...
Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу "Теоретические основы...
Рабочая программа дисциплины «Специальное оборудование» для специальности 240801 «Машины и...



скачать


ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

_____________________________________________________________________


«УТВЕРЖДАЮ»

Декан ХТФ

_____________В.М. Погребенков

«_____» ________________2008г.


К А Ф Е Д Р А О Б Щ Е Й Х И М И Ч Е С К О Й Т Е Х Н О Л О Г И И


Термодинамический анализ процесса электролиза воды


Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Теоретические основы энерго- и ресурсосбережения в химической технологии» для студентов специальности 170500 «Машины и аппараты химических производств»


Томск 2008

УДК 66.011


Электролиз воды


Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Теоретические основы энерго- и ресурсосбережения в химической технологии» для студентов специальности 170500 «Машины и аппараты химических производств»– Томск: Изд. ТПУ. 2008 – 8 с.


Составитель к.х.н., доц. каф. ОХТ Ю. Н. Обливанцев


Рецензент к.т.н., доц. каф. ОХТ О. И. Налесник


Методические указания рассмотрены и рекомендованы методическим семинаром кафедры общей химической технологии “____”_________ 2008г.


Зав. каф. ОХТ, д.т.н., проф. В.В. Коробочкин

2.1 Порядок выполнения работы 6

4. Оформление отчета 9

Анализ действующего или проектируемого производства с целью разработки способов экономии материальных и энергетических ресурсов включает:

-стандартный материальный баланс процесса;

-стандартный энергетический баланс процесса;

-эксергетический анализ процесса для идеализированной и реальной систем;

-разработку технических решений позволяющих приблизиться к квазистатическому процессу.


^ Цель работы: выполнить анализ процесса электрохимического разложения воды c целью оценки возможности энерго- и ресурсосбережения.


1. Основные процессы при электролизе воды


Процесс электролиза воды проводят с целью получения водорода и кислорода.

Основное количество водорода используется для синтеза аммиака, метанола и хлористого водорода. Другие области применения водорода:

– производство капрона, нейлона, высших жирных кислот;

– гидрирование тяжёлых нефтяных фракций позволяет увеличить выход бензина и других топлив из нефти;

– гидрогенизация жиров, производство красителей, некоторых медикаментов;

– создание восстановительной атмосферы в некоторых термических и сварочных процессах.

Кислород широко используется для интенсификации обжиговых процессов вместо воздуха, в доменных процессах и бессемеровских конверторах, в обжиге сульфидных руд цветных металлов и др.

Для большинства из этих производств не требуется водород и кислород высокой чистоты.

Самым масштабным химическим методом получения водорода является конверсионный из метана и паров воды.

СН4 + Н2О → СО + 3Н2 (1)

Получающийся водород загрязнён органическими и неорганическими газообразными соединениями и требует дополнительной очистки перед использованием.

Кислород в промышленности получают из воздуха методом его сжижения и ректификации.

В ряде же случаев требуются водород и кислород высокой чистоты. Получение таких продуктов возможно только методом электролиза воды.


1.1. Электродные процессы


В кислой среде процесс выделения водорода на катоде происходит по схеме

Н3О+ + (Мe) + е → Н-Ме + Н2О, (2)

Н3О+ + Н-Ме + е → Н2 + Ме + Н2О (3)

Суммарная реакция на катоде

3О+ + 2е → Н2 + 2Н2О, (4)

В упрощенном виде 2Н+ + 2е → Н2 (5)

Данный механизм основан на взаимодействии активного атомарного водорода с металлом и внедрением его в кристаллическую структуру металла вследствие химической и физической сорбции.

В нейтральной или щелочной среде катодный процесс идёт по схеме:

Н2О + (Ме) + е → Н-Ме + ОН-, (6)

Н2О + Н-Ме + е → Н2 + Ме + ОН- (7)

Суммарная катодная реакция

2О + 2е → Н2 + 2ОН, (8)

Анодная реакция выделения кислорода в кислой и нейтральной средах запишется в упрощённом виде:

Н2О → 1/2О2 + 2Н++ 2е, , (9)

а в щелочной 2ОН- → 1/2О2 + Н2О+ 2е, (10)

Суммарная реакция электролиза воды в кислой и щелочной среде запишется в виде:

Н2О = Н2 + 1/2О (11)

В производственных процессах электролиз воды ведётся в щелочных электролитах, отличающихся низкой коррозионной активностью к стали, основному конструкционному материалу.

Других процессов на электродах не происходит, и потому выход по току водорода и кислорода должен быть равен 100%. Тем не менее, имеет место отклонение его в меньшую сторону из-за утечек тока по каналам подвода электролита в каждую ячейку и по каналам отвода газообразных продуктов в виде газожидкостной эмульсии. Кроме этого, незначительное количество кислорода попадает в газообразный водород, а водорода – в кислород и они теряются в процессах очистки газов.

1.2 Рабочее напряжение электролиза


Минимальное напряжение разложения воды может быть найдено по энергии Гиббса реакции разложения воды

, В (12)

где , Дж/моль

z = 2 – число электронов в реакции разложения;

F = 96498 – число Фарадея, Кл/моль

Отсюда: , В. (13)

Такой же результат, получается по разности стандартных электродных потенциалов как в кислой, так и в щелочной средах

,В (14)

, В

Рабочее напряжение электролиза воды значительно больше величины теоретического напряжения, т. к. включает электродные поляризации (ΔЕ+), (ΔЕ-) и падения напряжения вследствие омического сопротивления электролита, электродов, контактов.

Если у электролизёра с биполярными электродами N ячеек, то рабочее напряжение электролизёра

. (15)


^ 2. Экспериментальная часть


1(а). Изучить влияние плотности тока на напряжение электролиза и удельный расход электроэнергии

или

1(б). Изучить влияние материала электродов на напряжение электролиза и удельный расход электроэнергии.

2.Экспериментально определить минимальное напряжение разложения воды.

^

2.1 Порядок выполнения работы



Перед работой с помощью груши в бюретку с делениями набирается электролит. С помощью крана 7 уровень электролита устанавливается на нулевую отметку. Количество выделяющегося водорода регистрируется по делениям бюретки.

Для эксперимента рекомендуется в порядке увеличения следующие плотности тока: 50,100, 150, 200, 250 А/м2. Рабочий ток рассчитывается после измерения площади катода.

При каждой плотности тока фиксировать время наполнения бюретки (полного или частичного) и напряжение электролиза.

Объём газа, выделенный при эксперименте, определяется по показаниям бюретки и пересчитывается на объём газа при нормальных условиях. Теоретический объём водорода, который должен выделиться при электролизе, рассчитывается по закону Фарадея.

, (16)

где: - ток и время электролиза, час;

- электрохимический эквивалент водорода, л/А·ч.

, л/А·ч.

Выход по току рассчитать по формуле

, % (17)

Результаты эксперимента заносят в таблицу.


Таблица 1

Результаты изучения электролиза воды



i, А/м2

I, А

U, B

τЭ, час.

Объём выдел. Н2

Теорет. объём Н2

Вт.
























По полученным данным строится зависимости напряжения электролиза и удельного расхода электроэнергии от плотности тока.


^ 3.Анализ процесса электролиза воды

Используя экспериментальные данные, выполняются следующие расчёты:

1.Теоретический и практический материальный баланс процесса и на основании его данных

-практический и теоретический удельный расход воды,

-практический и теоретический выход водорода и кислорода,

-абсолютный выход водорода и кислорода.

2.Энергетический баланс для идеализированной и практической системы с вычислением:

-теоретического и практического удельного расхода электроэнергии;

- коэффициента преобразования энергии / энергетического к.п.д. /.

3.Эксергетический баланс для идеализированной и практической системы с вычислением:

-потерь эксергии;

-теоретического и практического эксергетического коэффициента полезного действия.

Все результаты расчёта балансов материальных и энергетических потоков представляются в виде таблиц и потоковых диаграмм. В заключении раздела дается оценка степени совершенства процесса и рассматриваются пути его совершенствования с точки зрения экономии материальных и энергетических ресурсов.

^ 4.Схема лабораторной установки




Рис.1. Схема лабораторной установки для электролиза воды:

1 – Н-образная ячейка; 2 – пористая мембрана; 3 – катод; 4 – анод;

5 – гальваностатический источник тока; 6 – бюретка; 7 – трёхходовой кран;

8 – резиновая груша.

^

4. Оформление отчета



Отчет по лабораторной работе должен содержать:

- цель работы;

- порядок выполнения работы и схему установки;

- таблицу экспериментальных результатов;

- обработку результатов эксперимента в виде таблиц и графических зависимостей;

-вывод по результатам выполнения анализа процесса.

Литература

  1. Прикладная электрохимия. Под ред. Томилова А.П.-М.: Химия, 1984.-520с.

  2. Лейтес И.Л., Сосна М.Х., Семёнов В.П. Теория и практика химической энерготехнологии.– М.: Химия, 1988.-280с.



Электролиз воды


Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Теоретические основы энерго- и ресурсосбережения в химической технологии» для студентов специальности 170500 «Машины и аппараты химических производств»–

Томск: Изд. ТПУ. 2008 – 8 с.


Составитель к.т.н., доц. каф. ОХТ Ю. Н. Обливанцев


Подписано к печати 13.03.08.

Формат 60х84/16. Бумага офсетная.

Печать RISO. Усл. печ. л. . Уч. - изд. л.

Тираж экз. Заказ Цена свободная.

Издательство ТПУ. 634050, Томск, пр. Ленина 30.





Скачать 101,6 Kb.
оставить комментарий
Ю. Н. Обливанцев
Дата28.09.2011
Размер101,6 Kb.
ТипМетодические указания, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

наверх