Коэффициент использования электроэнергии.
Коэффициент использования электроэнергии (N) – доля полезного использования электроэнергии, количественно равная отношению теоретического расхода электроэнергии на единицу массы целевого продукта к фактическому расходу, выраженного в процентах:
или:
Степень использования электроэнергии тем выше, чем больше выход по току и ближе значения практического и теоретического напряжений. Поскольку изменение выхода по току не значительное, основной вклад вносит напряжение на ванне. Оно складывается из разности равновесных потенциалов анода (Ea) и катода (Ek) (35-42%), перенапряжений на аноде/катоде (εа/k) (23-26%), падения напряжения на диафрагме (Uд) (4-6%), в электролите (Uэ) (10-15%), на электродах и контактах (Uк) (2-5%):
Эти соотношения серьёзно варьируются, особо при нарушениях процесса.
Конверсия сырья.
Конверсия сырья – отношение массы хлорида натрия, израсходованного в процессе электролиза, к общей массе хлорида натрия, поступившего в процесс:
где G0NaCl – масса хлорида натрия, поступившего на электролиз;
GNaCl – масса хлорида натрия, не прореагировавшего в процессе электролиза.
В промышленности за один цикл конверсия хлорида натрия составляет 40-45%, при содержании NaOH в католите 120-140 г/л.
Выбор оптимального технологического режима. Состав электролита.
В качестве электролита при электролитическом получении натрия используют раствор, содержащий 300-310 г/л хлорида натрия (близкий к насыщению), что:
Позволяет поддерживать высокую электропроводность раствора;
Позволяет поддерживать низкое напряжение на электролизной ванне, уменьшая расход электроэнергии;
Снижает перенапряжение выделения хлора, повышая скорость его выделения на аноде;
Снижает вероятность выделения кислорода на аноде.
Концентрация гидроксида натрия в католите определяет затраты энергии на стадии упаривания. Потому стараются получить высококонцентрированный раствор, но это может привести к более вероятному попаданию гидроксид-ионов в анодное пространство за счёт диффузии и их превращение и снижению выхода по току. Оптимальная конечная концентрация гидроксида натрия – 110-135 г/л.
Температура.
80-90 оС. Даёт возможность снизить растворимость хлора в 5-9 раз, увеличить электропроводность электролита, снизить перенапряжение, уменьшить расход электроэнергии.
Плотность тока.
Плотность тока (i) имеет особое значение, т.к. ей пропорциональна скорость процесса. Плотность тока пропорциональна силе тока к площади электрода:
поскольку:
то:
Таким образом, если площадь электролита постоянна, то скорость процесса пропорциональна плотности тока. Для увеличения производительности электролизёров стремятся достичь высоких плотностей тока. Кроме того, использование высокой анодной плотности (2000 А/м2 и более) уменьшает расход тока на побочный электродный процесс выделения кислорода и предотвращает разрушение графитового анода.
Материал электродов.
Должен обладать хорошей электроповодностью, химической стойкостью, доступностью и обеспечивать наименьшее перенапряжение при выделении хлора (анода) и водорода (катод).
Катод: платина – минимальное перенапряжения, но дорого; железо, никель, титан. Чаще всего – дешёвая Сталь-3 сетка, укреплённая на каркасе. Катоды имеют сложную форму и большую поверхность, при этом сохраняется постоянное минимальное расстояние между катодом и анодом.
Анод – высокоплотные графиты в виде прямоугольных стержней толщиной мм. Разрушаемые (10-16 месяцев), что приводит к изменению межэлектродного пространства. Титановые, покрытые смесью титана и рутения (ОРТА) – проволочная сетка или перфорированный лист, имеют перенапряжение выделения хлора в 8-10 раз меньше графитовых. Малая толщина позволяет увеличить количество пластин, что позволяет снизить напряжение в ванне и расход электроэнергии на 15-20%