Электрохимические производства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Казахско-русский международный университет

Кафедра технических и естественнонаучных дисциплин

Реферат

По дисциплине: «Прикладная химия»

На тему: «Электрохимические производства»

Выполнила студентка

Специальности БЖиЗОС-201

Бимашева Ж.Р.

Проверила Научный руководитель

Сахатова Г. С

Актобе 2014



Содержание

Введение

1. Основные направления применения электрохимических процессов

2. Промышленный электролиз: теоретические основы, количественные характеристики процесса

2.1 Теоретические основы промышленного электролиза

2.2 Количественные характеристики процесса электролиза

3. Хлорид натрия

3.1 Электролиз хлорида натрия с железными катодами

3.2 Электролиз раствора хлорида натрия с ртутным катодом

4. Переработка продуктов электролиза

5. Производство соляной кислоты

6. Производство водорода электролизом воды

Литература



Введение

Электрохимическая промышленность, базирующаяся на электрохимических процессах - одна из крупнейших отраслей народного хозяйства. Она включает электролиз водных растворов, расплавленных сред и производство химических источников тока (аккумуляторы, гальванические элементы, топливные элементы и т. д).

электрохимический электролиз промышленный



1. Основные направления применения электрохимических процессов

При электролизе водных растворов и расплавленных сред могут быть получены самые разнообразные химические продукты. Электролизом водных растворов натрия и калия получают такие много тоннажные химические продукты, как водород, хлор, гидроксиды натрия и калия. Методом электролиза водных растворов осуществляют энергохимический синтез многих неорганических и органических веществ - гипохлоритов, хлоратов, перхлоратов, хлорной кислоты, перманганатов, диоксида марганца, а также адипонитрила, антидетонаторов, например, тетраэтилсвинца, гидрохинона, фторпроизводных ряда органических соединений и др. На электролизе водных растворов основаны гидроэлектрометаллургия и гальванотехника. Гидроэлектрометалургия - это извлечение метал-лов из водных растворов их солей путем электролиза. Электролиз обычно служит завершающей стадией ряда металлургических процессов. Электрохимическими методами получают и рафинируют медь, цинк, кадмий, марганец, хром, свинец, олово, благородные металлы.

Гальванотехника применяется в металлообрабатывающей промышленности для нанесения на металлические изделия покрытий из металлов или сплавов. Эти покрытия наносят с целью защиты металла от коррозии, повышения твердости и сопротивления механическому износу, с декоративной целью, а также для изготовления точных металлических копий с различных предметов (гальванопластика). С развитием новых отраслей техники (атомная энергетика, ракетостроение, радиоэлектроника и др.) перед гальванотехникой становится более сложные задачи, например, высокая стойкость покрытий в экстремальных условиях, определенные магнитные характеристики, высокая жаростойкость, сверхпроводимость, равномерность свойств покрытия на сложно-профилированной поверхности и др.

Электролиз расплавленных сред используют в металлургии для производства и рафинирования металлов, которые не могут быть получены электролизом водных растворов - целого ряда легких, тугоплавких, благородных и редких металлов, а также сплавов.

В настоящее время такие материалы как алюминий, магний, натрий, литий, калий, титан и многие другие получают только электролизом расплавленных сред. Электролиз расплавов используют также для получения фтора и бора.

Важнейшая область электрохимии - получение и эксплуатация химических источников тока. Химические источники тока подразделяются на первичные и вторичные.

К первичным относятся источникам энергии, которые могут быть использованы лишь однократно. К ним относятся батареи и гальванические элементы. Вторичные источники тока - аккумуляторы, работоспособность которых восстанавливается пропусканием электрического тока (в направлении, противоположном тому, в котором ток протекал при разрядке). В топливных элементах «топливо», т.е. восстановитель и окислитель непрерывно и раздельно подводятся к электродам, в результате чего химическая энергия преобразуется в электрическую.

Масштабы применения химических источников тока весьма велики. Все самолеты и автомобили с двигателями внутреннего сгорания снабжены аккумуляторами, приводящими в действие двигатель. Различные электронные устройства, например, транзисторные приемники, часы работают за счет малогабаритных батарей. Большие перспективы имеет электрохимическая энергия, т.е. применение электрохимических топливных элементов в энергоустановках - автотранспорте, электростанциях и т.д.

Электрохимические методы все более широко внедряются в технику очистки сточных вод, в частности для опреснения сильно минерализованных вод электролизом с регенерацией индивидуальных солей, кислот и щелочей.

Электрохимические методы развиваются в промышленности опережающими темпами по сравнению с химическими в связи с их очевидными преимуществами. В электрохимических процессах аппаратура во многих случаях проще и компактнее по сравнению с альтернативными химическими процессами, электрохимические методы получения ряда продуктов характеризуются меньшим числом производственных стадий и операций, более дешевым сырьем и большей глубиной его превращения, одновременным образованием (причем в раздельном виде) ценных продуктов. Эти преимущества часто обусловливают более низкую себестоимость получаемой продукции. Одно из главных достоинств электрохимических методов - чистота получаемых продуктов. Основной недостаток электро-химических процессов - высокая энергоемкость, поэтому энергетические затраты составляют главную статью себестоимости продуктов. Поэтому для электрохимических производств особенно важно снижение энергопотребления путем совершенствования технологии, а также рационального, экономичного использования электроэнергии.



2. Промышленный электролиз: теоретические основы, количественные характеристики процесса

Электролиз широко применяется в различных отраслях промышленности. В химической промышленности электролизом получают такие важные продукты как хлор и щелочи, хлораты и перхлораты, надсерную кислоту и персульфаты, перманганат калия, органические соединения, химически чистые водород, кислород, фтор и ряд других ценных продуктов.

В цветной металлургии электролиз используется для рафинирования металлов, для извлечения металлов из руд. Металлы, которые не могут быть выделены из водных растворов вследствие высокого отрицательного потенциала получают в цветной металлургии электролизом расплавленных сред, в качестве которых служат соли этих металлов, содержащие добавки различных соединений, вводимые с целью понижения температуры плавления расплава, повышения электропроводности и т.д. К числу металлов, получаемых электролизом расплавленных сред относятся алюминий, магний, цирконий, титан, уран, бериллий и ряд других металлов.

Электролиз применяют во многих отраслях машиностроения, радиотехники, электронной, полиграфической промышленности для нанесения тонких покрытий металлов на поверхность изделий для защиты их от коррозии, придания декоративного вида, повышения износостойкости, жаростойкости, получения металлических копий.

Несмотря на большое разнообразие электролитов, электродов, электролизеров, имеются общие проблемы технического электролиза. К ним следует отнести перенос зарядов, тепла, массы, распределение электрических полей. Для ускорения процесса переноса целесообразно увеличивать скорости всех потоков и применять принудительную конвекцию. Электродные процессы могут контролироваться путем измерения предельных токов.

2.1 Теоретические основы промышленного электролиза

При электролизе в системе последовательно протекают первичные и вторичные процессы.

Первичные процессы заключаются в разрядке ионов, на которые диссоциирует электролит, на электродах:

АК = К⁺ + А^-,

окисление анионов на аноде:

А^-n - pe -> A^-m

и восстановление катионов на катоде:

K⁺ⁿ - pe -> K^+m.

Очевидно, что m= n - p. В частном случае, при p = n, m = 0 и на электродах выделяются нейтральные вещества.

Вторичные процессы при электролизе представляют разнообразные превращения образовавшихся продуктов разряда ионов при взаимодействии их с растворителем, материалом электродов, друг с другом, а также перестройки кристаллической решетки (в случае металлов).

Процесс электролиза начинается в том случае, если напряжение, приложенное к электролизеру, ?V_п превысит на бесконечно малую величину ?V теоретическое напряжение разложения V_T , т. е. если будет обеспеченно условие:

?V_п = V_T + ?V.



Для протекания процесса электролиза необходимо соблюдение условия, представленного в 20.1, где V_п - напряжение прикладываемое к электролизеру. Расшифровка его дает уравнение « баланса напряжения»:

V_п = V_T + J?R = E^k - E^a + J( R_э + R_д + R_тп),

J - сила тока,

R -- общее сопротивление процесса электролиза,

Rэ -- сопротивление электролита,

Rд -- сопротивление диафрагмы электролизера,

Rтп -- сопротивление токоподводов к электролизеру.

Существенное значение для процесса электролиза имеет перенапряжение, представляющее разность между потенциалом разряда иона в данных условиях (фактический потенциал) и равновесным потенциалом, то есть потенциалом неполяризованного (неработающего) электрода.

При электролизе многокомпонентных систем, к которым относятся водные растворы и расплавы смесей электролитов, их ионы разряжаются в порядке возрастания алгебраического значения их потенциалов разряда. Таким образом, при электролизе первыми разряжаются:

на катоде ионы с наименьшим положительным потенциалом разряда Е^к

на аноде ионы с наименьшим отрицательным потенциалом разряда Е^а.

Так как перенапряжение существенно влияет на величину потенциала разряда, то оно может кардинально изменить и последовательность разряда ионов при электролизе. Так, например, большое катодное перенапряжение водорода на таких металлах как железо, цинк, медь, никель препятствует разряду ионов НзО⁺ и позволяет получать эти металлы электролизом водных растворов их солей. Наоборот, малое катодное перенапряжение водорода на бериллии, алюминии, тантале или при электролизе растворов солей лития, натрия, калия не может компенсировать различие в потенциалах разряда ионов этих металлов и водорода, при этом на катоде разряжаются ионы НзО⁺

2.2 Количественные характеристики процесса электролиза

Критериями рационального проведения процесса электролиза считают выход вещества по току В_т и коэффициент использования энергии В_э.

Выходом по току называется отношение массы вещества, практически выделившийся при электролизе m_п, к массе вещества, которая должна выделиться по закону Фарадея при тех же значениях силы тока и времени электролиза m_т:

В_т = _п/m_т.

Закон Фарадея выражают следующим уравнением:

m_т=Эlt/FЧ10³ = K_хJt/10³(ru),

m - масса образовавшегося или подвергшегося превращению вещества;

Э -эквивалентная масса; J - сила тока;

t - время;

F - постоянная Фарадея (96500 Кл/моль), т.е. количество электричества, необходимое для осуществления электрохимического превращения одного эквивалента вещества,

10³ - коэффициент перевода массы из граммов в килограммы,

К_х - электрохимический коэффициент.

Выход по току характеризует эффективность использования пропущенного через электролизер количества электричества, то есть электричества, затраченного непосредственно на образование целевого продукта электролиза и составляет для расплавов 0,7--0,9 дол. Ед., а для растворов около единицы.

Выходом по энергии называется отношение количества энергии, теоретически необходимого для выделения при электролизе единицы массы вещества Wт, к количеству энергии, фактически затраченному для этого в тех же условиях Wn:

В_э = Wт/Wп.

Количество энергии, затрачиваемое на выделение единицы массы вещества:

W_т/п = V_т/пJt/m_т/п(кВт ^. ч),

Vт_/п - теоретическое/практическое напряжение электролиза,

J -- сила тока, А,

t -- время электролиза, ч,

m_т/п -- теоретическая/практическая масса вещества, полученная при электролизе за время t.

Выход по энергии характеризует эффективность использования электрической энергии при электролизе, то есть долю ее, непосредственно затрачиваемую на реакции разряда ионов. Следует, что выход по энергии падает при уменьшении выхода по току и возрастании разницы между практическим и теоретическим напряжением электролиза. Основные потери энергии при электролизе связаны с тепловыми процессами (нагрев и поддержание высокой температуры электролита).



3. Хлорид натрия

Хлорид натрия -- химическое соединение NaCl, натриевая соль соляной кислоты, хлористый натрий.

Хлорид натрия известен в быту под названием поваренной соли, основным компонентом которой он является. Хлорид натрия в значительном количестве содержится в морской воде, создавая её солёный вкус. Встречается в природе в виде минерала галита (каменная соль).

Чистый хлорид натрия имеет вид бесцветных кристаллов, но с различными примесями его цвет может принимать голубой, фиолетовый, розовый, жёлтый или серый оттенок.

3.1 Электролиз хлорида натрия с железными катодами

При прохождении постоянного электрического тока через водный раствор хлорида натрия на железном катоде разряжаются ионы гидроксония Н₃О⁺, потенциал разряда которых в насыщенном растворе хлорида натрия, даже при учете перенапряжения, составляет +1,1 В, тогда как потенциал разряда ионов натрия равен +2,71В.

В то же время, на графитовом и окиднорутениевом анодах потенциал разряда ионов гидроксила ОН" за счет высокого перенапряжения составляет 1,9 В и превышает потенциал разряда ионов хлора, равный 1,6 В. Поэтому на подобных анодах разряжаются ионы хлора.

Теоретическое напряжение разложения равно:

V_T = E^k - E^a = +1,1-(-1,6) = 2,7 В

На практике, при проведении процесса электролиза с железным катодом, на токоподводах электролизера поддерживается напряжение около 4,0 В.

В результате разряда ионов Н_зО⁺ в катодном пространстве накапливаются ионы ОН и образуется раствор гидроксида натрия:

NaCl+H2O> 0,5Cl2+ 0, 5H2+NaOH

у анода у катода

Разряд ионов гидроксония на катоде вызывает смещение равновесия диссоциации воды вправо:

2H₂O > H₃O⁺+ OH^-

и повышение концентрации гидроксид-ионов в катодном пространстве. При высокой концентрации ионов ОН- возможно попадание их в анодное пространство и реакция разряда:

2OH^-- 2з ? 0,5O₂+H₂O

Вследствие этого, хлор, выделяющийся в анодном пространстве, загрязняется кислородом.

Вторичные процессы при электролизе с железным катодом протекают в анодном пространстве. Они включают:

- окисление графитового анода кислородом, образующимся при разряде ионов гидроксида на аноде:

C+O₂>CO₂ и C+ 0,5O₂>CO;

- растворение хлора в электролите с образованием соляной и хлорноватистой кислот:



Cl₂+ 2H₂O?-H₃O⁺ + Cl^-+HOCl;

- взаимодействие компонентов при диффузии щелочи в анодное пространство или смешении анодной (анолит) и катодной (католит) жидкостей с образованием гипохлорит-иона

HOCl + OH^- - H₂O + OCl^-

и хлорат-иона за счет окислении иона ОСl^- на аноде, или реакции:

2HOCl + OCl^- + 2H₂O - ClO₃ ^{- +} 2Cl^{- +} 2H₃O⁺.

В результате протекания вторичных процессов раствор гидроксида натрия, полученный электролизом с железным катодом, всегда содержит примесь гипохлорита и хлората натрия. Вторичные процессы снижают выход по току и коэффициент использования энергии.

Удельный вес побочных вторичных процессов может быть снижен:

- разделением катодного и анодного пространства в электролизере с помощью фильтрующей диафрагмы (отсюда название метода диафрагменный), обеспечивающей одностороннее движение рассола в направлении, противоположном движению ионов ОН- к аноду и препятствующей обратному перемещению их;

- подачей рассола в электролизер со скоростью, превышающей скорость образования ионов ОН- и вытеснение образующегося раствора гидроксида натрия (щелока) в катодное пространство;

- применением высоких температур и концентраций рассола, что снижает растворимость хлора в электролите и вероятность протекания вторичных процессов;

- понижение концентрации входящего из электролизера щелока, то есть уменьшением содержания гидроксида натрия в растворе, также снижающего вероятность вторичных процессов.

3.2 Электролиз раствора хлорида натрия с ртутным катодом

В условиях промышленного электролиза водных растворов хлорида натрия в электролизерах с ртутным катодом плотность тока составляет 5--10кА/м2.

Первичные процессы разряда на аноде при электролизе с ртутным катодом те же, что и при электролизе с железным катодом В табл.21.4 приведены потенциалы разряда ионов и уравнения первичных процессов при электролизе с ртутным катодом.

Теоретическое напряжение разложения равно:

V_т = Е^к - Е^а = +1,2 - ( - 1,6) = 2,8В.

Практически, при проведении электролиза с ртутным катодом на токоподводах электролизера поддерживается напряжение, равное 4,5 В.

Вторичные процессы при электролизе водного раствора хлорида натрия с ртутным катодом сводятся к двум реакциям:

-- растворение натрия в ртути и образование жидкой амальгамы натрия в катодном пространстве:

Na + nHg = NaHg_n и

- разложение амальгамы натрия водой вне электролизера в разлагателе:

NaHg_n + H₂O = NaOH + 0,5H₂ + nHg.



Так как в электролизе с ртутным катодом не происходит разряда ионов Н_зО⁺, то концентрация ионов гидроксила в катодном пространстве электролизера не увеличивается и вторичные процессы в анодном пространстве отсутствуют.

Суммируя уравнения реакций первичных процессов и вторичных процессов образования и разложения амальгамы натрия, получаем уравнение процесса электролиза, идентичное ранее полученному:

NaCl = Na + 0,5Cl_2,

Na + nHg = NaHg,

NaHg_n + H₂O = NaOH + 0,5H₂ + nHg .

NaHg_n + H₂O = NaOH + 0,5H₂ + 0,5Cl₂

Электролизер, используемый в процессе электролиза с ртутным катодом, состоит из собственно электролизера (ванны) и разлагателя. Образующаяся в процессе электролиза жидкая амальгама натрия концентрацией не более 3^.10^-4 мас. Дол., самотеком поступает в разлогатель, куда подается вода. Из разлогателя выделяющийся водород поступает в общий коллектор,а раствор гидроксида натрия концетрацией 0,5 мас. Дол. Направляется в сборник щелока.

Себестоимость гидроксида натрия полученного электролизом с ртутным катодом на 10--15% выше, чем себестоимость полученного диафрагменным методом.



4. Переработка продуктов электролиза

Электролитический щелок, получаемый электролизом с ртутным катодом не содержит хлорида натрия. Щелок, получаемый электролизом с железным катодом содержит 170--200 г/л хлорида натрия. Выделившийся хлорид натрия после охлаждения раствора отделяют на фильтре, промывают и вновь используют для электролиза (обратная соль).В процессе электролиза водного раствора хлорида натрия как с железным, так и с ртутным катодом образуется водород, который является побочным продуктом процесса.

Конкретная технологическая схема производства, используемое сырье и методы его подготовки, зависят от метода основной стадии производства -- электролиза, проводимого в электролизерах с железным или ртутным катодом.



5. Производство соляной кислоты

Соляной кислотой называются растворы хлористого водорода в воде различной концентрации.

Хлористый водород HCl - в обычных условиях бесцветный газ с резким специфическим запахом, с температурой кипения - 84,8 ?С и температура плавления - 114,2?С. Легко сжижается, критическая температура составляет 8,2 МПа. Хлористый водород хорошо растворим в воде; при давлении 0,1 МПа растворимость его равна: при 0?С 525 л/л (82,3 г/100 г воды), при 18?С 451 л/ (70,7 г/100 г воды). Растворим в этанолдиэтиловом эфире и др. органических растворителях. Токсичен. ПДК - 5 г/м³.

Соляная кислота - бесцветная прозрачная жидкость, иногда окрашенная солями железа и растворенным хлором в желтовато-зеленый цвет. При образовании соляной кислоты хлористый водород образует с водой три кристаллогидрата: HCl^.3H₂O ст.пл. -24,9?С, HCl^.2Н₂О ст.пл. -18,3?С и HCl^.H2O ст.пл. -15,9?С, которые дают несколько эвтетик, одна из которых плавится при -86?С.

Соляную кислоту получают абсорбцией хлористого водорода водой. Из известных методов получения хлористого водорода практическое значение имеет только прямой синтез его из водорода и хлора. Другие методы производства(сульфатный и извлечением из продуктов хлорирования органических соединений) не получили применения из-за высокой загрязненности получаемого хлористого водорода и ,следовательно, соляной кислоты.

Производство соляной кислоты (реактивной, полученной сульфатным способом, синтетической, абгазной) заключается в получении НСl с последующей его абсорбцией водой. В зависимости от способа отвода теплоты абсорбции (достигает 72,8 кДж/моль) процессы разделяются на изотермические, адиабатические и комбинированные.

Сульфатный метод основан на взаимодействии NaCl с концентрированной H₂SO₄ при 500-550 °С. Реакционные газы содержат от 50-65% НСl (муфельные печи) до 5% НСl (реактор с кипящим слоем). Предложено заменить H₂SO₄ смесью SO₂ и О₂ (температура процесса около 540 °С, катализатор - Fе₂О₃).

В основе прямого синтеза НСl лежит цепная реакция горения: Н₂ + Сl₂ 2НСl+184,7кДж Константа равновесия К_р рассчитывается по уравнению:

lgK_p = 9554/T- 0,5331g T+ 2,42.

Реакция инициируется светом, влагой, твердыми пористыми (древесный уголь, пористая Pt) и некоторыми минер. веществами (кварц, глина). Синтез, ведут с избытком Н₂ (5-10%) в камерах сжигания, выполненных из стали, графита, кварца, огнеупорного кирпича. Наиболее современный материал, предотвращающий загрязнение НСl - графит, импрегнированный феноло-формальдегидными смолами. Для предотвращения взрывного характера горения реагенты смешивают непосредственно в факеле пламени горелки. В верхней зоне камер сжигания устанавливают теплообменники для охлаждения реакционных газов до 150-160°С. Мощность современных графитовых печей достигает 65 т/сут (в пересчете на 35%-ную соляную кислоту). В случае дефицита Н₂ применяют различные модификации процесса; например, пропускают смесь С1₂ с водяным паром через слой пористого раскаленного угля:

2Сl₂ + 2Н₂О + С : 4НСL + СО₂ + 288,9 кДж

Температура процесса (1000-1600 °С) зависит от типа угля и наличия в нем примесей, являющихся катализаторами (напр., Fe₂O₃). Перспективно использование смеси СО с парами воды:



СО + Н₂О + Сl₂ : 2НСl + СО₂

Более 90% соляной кислоты в развитых странах получают из абгазного НСl, образующегося при хлорировании и дегидрохлорировании органических соединений, пиролизе хлорорганических отходов, хлоридов металлов, получении калийных нехлорированных удобрений и др. Абгазы содержат различные количества НСl, инертные примеси (N₂, H₂, СН₄), малорастворимые в воде органические вещества (хлорбензол, хлорметаны), водорастворимые вещества (уксусная кислота, хлораль), кислые примеси (Сl₂, HF, О₂) и воду. Применение изотермической абсорбции целесообразно при низком содержании НСl в абгазах (но при содержании инертных примесей менее 40%). Наиболее перспективны пленочные абсорберы, позволяющие извлекать из исходного абгаза от 65 до 85% НСl.

Наиболее широко применяют схемы адиабатической абсорбции. Абгазы вводят в нижнюю часть абсорбера, а воду (или разбавленную соляную кислоту) - противотоком в верхнюю. Соляная кислота нагревается до температуры кипения благодаря теплоте растворения НСl. Изменение температуры абсорбции и концентрации НСL дано на рис. 1. Температура абсорбции определяется температурой кипения кислоты соответствующей концентрации (макс. Температура - т. кип. азеотропной смеси - около 110°С).

На рис. 2 дана типовая схема адиабатич. абсорбции НСL из абгазов, образующихся при хлорировании (напр., получение хлорбензола). НСl поглощается в абсорбере 1, а остатки малорастворимых в воде орг. веществ отделяют от воды после конденсации в аппарате 2, доочищают в хвостовой колонне 4 и сепараторах 3, 5 и получают товарную соляную кислоту.

Рис. 1 Схема распределения температур (кривая 1) и концентрации (кривая 2) НСl по высоте адиабатического абсорбера

Рис. 2 Схема типовой адиабатической абсорбции НСl из абгазов: 1-адиабатич. абсорбер; 2 - конденсатор; 3, 5-сепараторы; 4-хвостовая колонна; 6-сборник орг. фазы; 7-сборник водной фазы; 8, 12-насосы; 9-отдувочная колонна; 10-теплообменник; 11-сборник товарной кислоты

На рис. 3 дана типовая схема получения соляной кислоты из абгазов с использованием комбинированной схемы абсорбции. В колонне адиабатической абсорбции получают соляную кислоту пониженной концентрации, но свободную от органических примесей. Соляную кислоту с повышенной концентрацией НСl производят в колонне изотермической абсорбции при пониженных температурах. Степень извлечения НСl из абгазов95-99% (при использовании в качестве абсорбента разбавленных кислот) и практически полная - при использовании чистой воды.

Рис. 3 Схема типовой комбинированной абсорбции НСl из абгазов: 1 - колонна адиабатической абсорбции; 2 - конденсатор; 3-отделитель газов; 4-сепаратор; 5-холодильник; 6, 9-сборники кислоты; 7-насосы; 8-изотермич. абсорбер

Определяют НСl в воздухе нефелометрически с образованием AgCl.

Cоляную кислоту применяют для получения хлоридов Mn, Fe, Zn и др., для травления металлов, очистки поверхностей сосудов, скважин от карбонатов, обработки руд, при производстве каучуков, глутамината Na, соды, Сl₂ и т. д. Потребление соляной кислоты в Японии (тыс. т); хим. промышленность 320,7, производство глутамината Na 99,8, производство соды 54,8, черная металлургия 50,0, целлюлозно-бумажная промышленность 22,2, прочие 80. НСL используют для регенерации Сl₂, в органическом синтезе (получение винилхлорида, алкилхлоридов и т.д.), как катализатор (например, при получении дифенилолпропана, алкилирование бензола).

Получение водорода электролизом воды.

Электролиз воды один из наиболее известных и хорошо исследованных методов получения водорода. Он обеспечивает получение чистого продукта (99,6-99,9% H₂) в одну технологическую ступень. В производственных затратах на получение водорода стоимость электрической энергии составляет примерно 855.

Этот метод получил применение в ряде стран, обладающих значительными ресурсами дешевой гидроэнергии. Наиболее крупные электрохимические комплексы находятся в Канаде, Индии, Египте, Норвегии, но созданы и работают тысячи более мелких установок во многих странах мира. Важен этот метод и потому, что он является наиболее универсальным в отношении использования первичных источников энергии. В связи с развитием атомной энергетики возможен новый расцвет электролиза воды на базе дешевой электроэнергии атомных электростанций. Ресурсы современной электроэнергетики недостаточны для получения водорода в качестве продукта для дальнейшего энергетического использования.

Электрохимический метод получения водорода из воды обладает следующими положительными качествами:

1) высокая чистота получаемого водорода - до 99,99% и выше;

2) простота технологического процесса, его непрерывность, возможность наиболее полной автоматизации, отсутствие движущихся частей в электролитической ячейке;

3) возможность получения ценнейших побочных продуктов - тяжелой воды и кислорода;

4) общедоступное и неисчерпаемое сырье - вода;

5) гибкость процесса и возможность получения водорода непосредственно под давлением;

6) физическое разделение водорода и кислорода в самом процессе электролиза.

Во всех процессах получения водорода разложением воды в качестве побочного продукта будут получаться значительные количества кислорода. Это даст новые стимулы его применения. Он найдет свое место не только как ускоритель технологических процессов, но и как незаменимый очиститель и оздоровитель водоемов, промышленных стоков. Эта сфера использования кислорода может быть распространена на атмосферу, почву, воду. Сжигание в кислороде растущих количеств бытовых отходов сможет решить проблему твердых отбросов больших городов.

Еще более ценным побочным продуктом электролиза воды является тяжелая вода - хороший замедлитель нейтронов в атомных реакторах. Кроме того, тяжелая вода используется в качестве сырья для получения дейтерия, который в свою очередь является сырьем для термоядерной энергетики.



6. Производство водорода электролизом воды

Рис. 4 Возможные источники и пути получения водорода

Основные поиски ученых умов сейчас нацелены на создание высокоэффективного генератора, который нужно заправить только водой, поставить на солнце и сразу получить чистый водород без применения каких-либо внешних источников энергии.

На сегодняшний день получение или выделение чистого водорода производится множеством различных способов, но все они требуют огромного количества энергии. Вот некоторые из них:

1. Из всех видов сырья для производства водорода обычно используют природный газ или метан. Газ легко проникает через различные механические аппараты и может применяться в качестве топлива в процессах реформинга (конверсии) и промышленного получения разных химических соединений.

Сегодня данным способом производится около половины всего водорода. При температуре 700--1000 °C водяной пар под давлением в присутствии катализатора смешивается с метаном. Получение чистого водорода этим методом слишком энергоемко и к тому же в качестве побочного продукта выдает большое количество углекислого газа.

Электролиз воды - один из самых известных и глубоко исследованных методов производства водорода. Он создает условия для получения чистого водорода (99,6-99,9%) за одну технологическую ступень.

2H2O+электроэнергия = 2H2+O2

В топливном элементе происходит обратная реакция.

Этот метод крайне важен, так как он является самым универсальным при использовании первичных источников энергии. Работа современных генераторов водорода основана на принципе электролиза. Водород в таком генераторе получается электролизом дистиллированной воды в электролизере, который выполнен на твердом электролите - полимерной мембране. Чистый водород, полученный данным методом, широко применяется для лабораторных исследований, небольших производств, требующих высокой степени чистоты продукта.

Получение чистого водорода электрохимическим методом обладает многими положительными качествами: - на выходе высокой степени чистый водород - от 99,99%

- непрерывность и простота технологического процесса, возможность абсолютной автоматизации, отсутствие подвижных частей в электролитической ячейке генератора водорода

- получение ценных побочных продуктов - кислорода и тяжелой воды

- общедоступное и дешевое сырье - вода

Все процессы получения водорода методом разложения воды выдают в качестве побочного продукта колоссальное количество кислорода. Это дает новые грани его применения. Перспектива использования кислорода как ускорителя технологических процессов, в качестве очистителя водоемов, промышленных стоков, горючего для сжигания огромных количеств бытовых отходов делает получение чистого водорода методом электролиза основной задачей современной водородной энергетики.

Еще один ценный побочный продукт электролиза воды - это тяжелая вода, которая является хорошим замедлителем нейтронов в атомных реакторах и основным сырьем в термоядерной энергетике.

Ресурсы современной энергетики недостаточны для производства водорода в промышленных масштабах для дальнейшего энергетического использования. Благодаря развитию атомной энергетики в будущем возможен расцвет электролиза воды на основе дешевой электроэнергии.



Литература

1. Соколов Р.С. Химическая технология. М., Владос, 2000.

2. http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_geolog

3. http://www.coolreferat.com

4. http://www.chemiemania.ru/chemies-4930-1.html

5. http://www.chemicalnow.ru/chemies-3241-1.html

6. http://www.gas-gen.ru/support/articles/detail.php?id=2602

7. https://ru.wikipedia.org/wiki

Размещено на Allbest.ru

...