华南师范大学华师第四章-应用电化学2016.ppt

第四章电化学工程概要;4.1物料衡算;现以生产氯气用

的隔膜电解槽(图

4．1为示意图)为

例，进行物料衡

算。;将65℃含有5.39kmol·m-3NaCl的溶液输入电解槽中。阳极室温度为95℃，每kg氯气带走0.5kg水离开阳极室。阴极室温度为100℃，每kg氢气含22kg水蒸气离开阴极室。电解槽在150kA电流下稳定工作，阴极电解液中NaOH与NaCl的摩尔比为1:0.92。;试利用上述数据计算：

①进入电解槽，跨越隔膜和离开电解槽溶

液的体积流速(m3·s-1)；

②阳极电解液和阴极电解液的组成。;假设：(a)OH?不会迁移越过隔膜，Cl?的迁移数t-为0.58；(b)离开电解槽的流速降低是由于水的蒸发和反响的消耗，从而减小液体体积所致；(c)溶液进入阳极室后温度立即变为与该室的温度相同；(d)阴、阳极反响的电流效率均为100％；(e)各种溶液具有与水相同的密度(kg·m-3)，即

ρ0=981(65℃)，ρ1=962(95℃)，

ρ2=958(100℃)。;图4.1的N0、N1和N2分别是

盐水进料、越过隔膜的溶

液和阴极室排出液的体积

流速(m3·s?1)；c0、c1和c2

是对应溶液中NaCl的浓度

(mol·m?3)；G1和G2为单位

时间内Cl2和H2的产量

(kg·s?1)。;氯气(2Cl?→Cl2+2e)的质量衡算

(4．4)

氢气(2H++2e→H2)的质量衡算

(4．5)

氯原子的摩尔数衡算

(4．6)

钠原子的摩尔数衡算

(4．7);总质量衡算

(4．8)

以阴极室为衡算体系(图中虚线所示)列出如下衡算式：

氯原子的摩尔数衡算

(4．9)

钠原子的摩尔数衡算

(4．10);由于c0、ρ0、ρ1、ρ2、I和t-是的，而G1和G2可由(4.4)和(4.5)式求得，因此，由(4.6)到(4.10)式可得N0、N1、N2、c1和c2。计算结果为

N0=5.536×10?4m3·s?1

N1=5.360×10?4m3·s?1

N2=4.733×10?4m3·s?1

阳极液中NaCl浓度为254.2kg·m?3

阴极液中含176.5kg·m?3NaCl和131.3kg·m?3

NaOH。;此外，通过???算尚可求得氯气和氢气的产量均为0.7772mol·s?1。

由实验电解槽测得阳极液中含266.1(254.2)

kg·m?3，阴极液中含140(131.3)kg·m?3NaOH，进料速度为5.4×10-4(5.536×10?4)m3·s?1，与计算值相当一致，说明上述简单模型很好地反映工业电解槽的行为。;4.2电压衡算与能量衡算;采用铁电极电解KOH

溶液制取氢气，电解

槽的主要尺寸如图4.2

所示。操作温度为80℃，

电流为500A，当气体

压力为1.01×105Pa时，

阴极电解液中含35％H2，阳极电解液中含20％O2

(均为体积百分数)，隔膜中不含气体。;电极面积为1m2，Ed为1.154V，KOH的电导率κ0为112S·m?1，隔膜的有效电导率为35S·m?1。在铁电极上

ηA=0.35+0.07lgi?0.001(T?20)，ηK=0.06+0.12lgi?0.002(T?20)，T为操作温度(℃)。试求在上述条件下的电解电压。

由所给公式算出

ηA=0.419V

ηK=0.264V;