第3章(电化学反应器)课件.ppt

1、第三章第三章 电化学反应器电化学反应器第三章第三章 电化学反应器电化学反应器1 1、电化学反应器的分类、电化学反应器的分类2 2、两种典型结构的电化学反应器、两种典型结构的电化学反应器3 3、结构特殊的电化学反应器、结构特殊的电化学反应器4 4、电化学反应器的工作特性、电化学反应器的工作特性5 5、电化学反应器的联结与组合、电化学反应器的联结与组合6 6、电化学反应器的设计、电化学反应器的设计电化学反应器的联结与组合电化学反应器的联结与组合一、电化学反应器的电联结一、电化学反应器的电联结二、电化学反应器的液路联结二、电化学反应器的液路联结三、电化学反应器的组合三、电化学反应器的组合一、电化学反

2、应器的电联结u电化学反应器内电极的联结电化学反应器内电极的联结u电化学反应器之间的电联结电化学反应器之间的电联结1 1、电化学反应器内电极的联结、电化学反应器内电极的联结电化学反应器的电联结电化学反应器的电联结单极式单极式复极式复极式接近于接近于5V槽槽V槽槽旁路旁路1 1、电化学反应器内电极的联结、电化学反应器内电极的联结电化学反应器的电联结电化学反应器的电联结单极式和复极式电化学反应器的比较单极式和复极式电化学反应器的比较1 1、电化学反应器内电极的联结、电化学反应器内电极的联结电化学反应器的电联结电化学反应器的电联结单极式和复极式电化学反应器的比较单极式和复极式电化学反应器的比较相邻电极

3、的电压相邻电极的电压电极上的电极上的IR降降阳极电位差阳极电位差阴极电位差阴极电位差溶液的溶液的IR降降距电极距电极1的距离的距离复极式电化学反应器中的电压分布复极式电化学反应器中的电压分布1 1、电化学反应器内电极的联结、电化学反应器内电极的联结（采用复极式电化学反应器时应注意的问题）采用复极式电化学反应器时应注意的问题）u 防止防止“旁路旁路”和和“漏电漏电”的发生。的发生。相邻两个单元反应器之间存在液路连接，电相邻两个单元反应器之间存在液路连接，电流在相邻两个反应器中的两个电极之间流过，使流在相邻两个反应器中的两个电极之间流过，使电流效率降低，且可能导致中间电极发生腐蚀。电流效率降低，且

4、可能导致中间电极发生腐蚀。u 不是任意电极都能作为复极式电极使用不是任意电极都能作为复极式电极使用。复极式电极对于两种电极过程应该分别具有复极式电极对于两种电极过程应该分别具有电催化活性，两个工作表面常需要选择不同的材电催化活性，两个工作表面常需要选择不同的材料或工艺处理。料或工艺处理。2 2、电化学反应器之间的电联结、电化学反应器之间的电联结低压大电流，多台单极槽的电联低压大电流，多台单极槽的电联结宜在电源之间串联工作结宜在电源之间串联工作高压低电流，多台单极槽的高压低电流，多台单极槽的电联结宜在电源之间并联工电联结宜在电源之间并联工作作二、电化学反应器的液路连接二、电化学反应器的液路连接电

5、化学反应器的液联结电化学反应器的液联结 (a)并并连连 (b)串联串联流程大，阻力大，需要流程大，阻力大，需要液泵具有更高的液压，液泵具有更高的液压，易使电解液产生更大的易使电解液产生更大的温升温升需要的总液量大得多，需要的总液量大得多，流量均匀分配到每一反流量均匀分配到每一反应器成为关键问题应器成为关键问题二、电化学反应器的液路连接二、电化学反应器的液路连接()()exp()moutink SccQ()()exp()moutinnk SccQ串连供液可提高转化率，如：柱塞流反应器串连供液可提高转化率，如：柱塞流反应器串连串连n个个反应器反应器()()11 exp()outmincnk ScQ

6、 三、三、电化学反应器的组合电化学反应器的组合u 电化学反应器的组合必需满足槽间电联结的要求，电化学反应器的组合必需满足槽间电联结的要求，使直流电源总电压在变流效率高的区间内运行。使直流电源总电压在变流效率高的区间内运行。u 电化学反应器的容量及数目，决定生产能力，因电化学反应器的容量及数目，决定生产能力，因此，电解工业中需选择反应器的容量及数目。此，电解工业中需选择反应器的容量及数目。u研究思路：首先分析反应器容量及数目对固定投研究思路：首先分析反应器容量及数目对固定投资及生产运转费的影响，然后求解总的生产费用最资及生产运转费的影响，然后求解总的生产费用最低时的反应器数目。低时的反应器数目。

7、三、三、电化学反应器的组合电化学反应器的组合cccMFO0cMn电化学反应器的设计电化学反应器的设计一、电化学反应器的设计要求及设计内容一、电化学反应器的设计要求及设计内容二、设计的基础材料二、设计的基础材料三、电化学反应器设计的原则三、电化学反应器设计的原则四、电化学反应器设计中的若干问题四、电化学反应器设计中的若干问题设计要求：设计要求：u 反应器的生产能力：额定产率及产量反应器的生产能力：额定产率及产量u 反应器的技术经济指标反应器的技术经济指标 电流效率、物质的转化率及物耗、电化学反应器电流效率、物质的转化率及物耗、电化学反应器的工作电压、直流电耗及能量效率、时空产率或比的工作电压、直

8、流电耗及能量效率、时空产率或比特性、成本。特性、成本。一、电化学反应器的设计要求及设计内容一、电化学反应器的设计要求及设计内容设计内容：设计内容：u 结构设计：电极结构及反应器结构设计结构设计：电极结构及反应器结构设计u 材料的选择：阳极、阴极、隔膜和反应器的结构材料材料的选择：阳极、阴极、隔膜和反应器的结构材料u 加工工艺及装配工艺的选择及制定加工工艺及装配工艺的选择及制定u确定反应器的工作方式、组合和联结确定反应器的工作方式、组合和联结u确定反应器的工作条件（如温度、湿度、清洁度）对环境确定反应器的工作条件（如温度、湿度、清洁度）对环境的要求及环保措施的要求及环保措施u对反应器进行物料、热

9、量、能量衡算及工作电压的分析对反应器进行物料、热量、能量衡算及工作电压的分析一、电化学反应器的设计要求及设计内容一、电化学反应器的设计要求及设计内容1 1、电化学资料、电化学资料u电化学体系的构成及其性质，包括电极和电解质电化学体系的构成及其性质，包括电极和电解质的基本理化性质、机械物理性质等及来源、价格。的基本理化性质、机械物理性质等及来源、价格。u电化学反应有关的热力学数据，包括有关组分的电化学反应有关的热力学数据，包括有关组分的主要热力学数据、电极反应式及电解总反应式，主主要热力学数据、电极反应式及电解总反应式，主要产物的电流效率，电化当量或理论耗电量，标准要产物的电流效率，电化当量或理

10、论耗电量，标准电极电位，平衡电极电位，理论分解电压或电动势电极电位，平衡电极电位，理论分解电压或电动势u基本动力学资料，包括电极反应的速度控制步骤基本动力学资料，包括电极反应的速度控制步骤及动力学特征及动力学特征二、设计的基础资料二、设计的基础资料2 2、有关设计规范、标准、有关设计规范、标准 有关部门、企业已制定、公布的各种标准及设有关部门、企业已制定、公布的各种标准及设计要求。计要求。3 3、国内外同类产品的资料、国内外同类产品的资料 样本说明书，研制，使用报告。样本说明书，研制，使用报告。二、设计的基础资料二、设计的基础资料1 1、在达到设计要求的前提下，简化结构，降低成本、在达到设计要

11、求的前提下，简化结构，降低成本2 2、反应器应工作可靠、安全、操作、维修方便、反应器应工作可靠、安全、操作、维修方便3 3、易加工、装配、易加工、装配4 4、符合设计标准及有关规定，有较好的通用性、适、符合设计标准及有关规定，有较好的通用性、适应性，便于改变产量及产率应性，便于改变产量及产率5 5、满足电化学工程的特殊要求，包括电位及电流的、满足电化学工程的特殊要求，包括电位及电流的均匀分布，传质、传热要求，对时空产率及比特性均匀分布，传质、传热要求，对时空产率及比特性的要求。的要求。三、电化学反应器设计的原则三、电化学反应器设计的原则电化学反应器设计中的不同选择电化学反应器设计中的不同选择2

12、、电极大小（即电极工作面积）的选择、电极大小（即电极工作面积）的选择 单元电化学反应器中电极的大小取决于其额定产单元电化学反应器中电极的大小取决于其额定产量及产量，一般可按以下程序估算：量及产量，一般可按以下程序估算：u 由额定产量、产率，据法拉第定律及电流效率，由额定产量、产率，据法拉第定律及电流效率，计算所需的总电量及总电流计算所需的总电量及总电流u 由总电流及合理的工作电流密度计算所需的电由总电流及合理的工作电流密度计算所需的电极总面积。极总面积。u 根据电极数目决定单片电极的面积。根据电极数目决定单片电极的面积。四、电化学反应器设计中的若干问题四、电化学反应器设计中的若干问题3、电极结

13、构的选择、电极结构的选择四、电化学反应器设计中的若干问题四、电化学反应器设计中的若干问题(电极结构的选择）电极结构的选择）u二维电极：仅以其外表面作为工作电极，平板电二维电极：仅以其外表面作为工作电极，平板电极和圆柱状电极最简单、应用最广泛。极和圆柱状电极最简单、应用最广泛。此外：拉网电极、孔板电极、百叶窗式电极等。此外：拉网电极、孔板电极、百叶窗式电极等。目的：使电极反应产生的气泡逸散到电极背面的空目的：使电极反应产生的气泡逸散到电极背面的空间，减小电解液的充气率，降低溶液欧姆压降及电间，减小电解液的充气率，降低溶液欧姆压降及电化学反应器的工作电压，并使气泡在电极表面附着化学反应器的工作电压

14、，并使气泡在电极表面附着及滞留的效应降低。但电极开孔和拉网后，有效工及滞留的效应降低。但电极开孔和拉网后，有效工作面积减小，真实电流密度提高，使电化学极化增作面积减小，真实电流密度提高，使电化学极化增大。大。四、电化学反应器设计中的若干问题四、电化学反应器设计中的若干问题(电极结构的选择）电极结构的选择）u三维电极：大多由非整体材料形成，工作表面不三维电极：大多由非整体材料形成，工作表面不限于电极的外表面，电解液及电流可渗入电极内部限于电极的外表面，电解液及电流可渗入电极内部（第三维）。（第三维）。优点：具有很高的比电极面积，有利于降低电化学优点：具有很高的比电极面积，有利于降低电化学极化和提

15、高电流密度。极化和提高电流密度。技术关键：如何强化传质，使电极活性表面能充分技术关键：如何强化传质，使电极活性表面能充分利用及良好地导电，使电流分布均匀。利用及良好地导电，使电流分布均匀。四、电化学反应器设计中的若干问题四、电化学反应器设计中的若干问题(电极结构的选择）电极结构的选择）单室平行板反应器电极最小面积计算单室平行板反应器电极最小面积计算电解液以体积流速电解液以体积流速N通过平行板电极，边流动边电解，通过平行板电极，边流动边电解，进口处的浓度为进口处的浓度为c1，出口处的浓度为，出口处的浓度为c2。在板长。在板长x处处的平均体积浓度为的平均体积浓度为c，电极表面浓度为，电极表面浓度为

16、cs，传质系数，传质系数为为mx.单室平行板反应器电极最小面积计算单室平行板反应器电极最小面积计算电流密度：电流密度：设电极板全长为设电极板全长为L，单位长度极板面积为，单位长度极板面积为a，则电流，则电流强度：强度：电解液流过板长电解液流过板长dx后，电活性物质平均浓度变化为后，电活性物质平均浓度变化为-dc,由物料衡算得：由物料衡算得：单室平行板反应器电极最小面积计算单室平行板反应器电极最小面积计算当当cs0，电流密度为极限值，此时板长达到转化率，电流密度为极限值，此时板长达到转化率所要求的最短长度：所要求的最短长度：单室平行板反应器电极最小面积计算单室平行板反应器电极最小面积计算求求Lm

17、in必须求得平均传质系数。必须求得平均传质系数。对于平板电极，电解液沿板长方向流动时，其极限对于平板电极，电解液沿板长方向流动时，其极限电流密度的平均值：电流密度的平均值：或：或：单室平行板反应器电极最小面积计算单室平行板反应器电极最小面积计算两边乘以两边乘以(L/D),得无量纲数值，称为得无量纲数值，称为Sh注：注：L要用反映电解槽形状的特征长度或等效直径要用反映电解槽形状的特征长度或等效直径dL代替。代替。单室平行板反应器电极最小面积计算单室平行板反应器电极最小面积计算*注注：L要用反映电解槽形状的特征长度或等效直径要用反映电解槽形状的特征长度或等效直径dL代替。代替。如：两块平行板电极，

18、板长为如：两块平行板电极，板长为L，板宽为，板宽为b，极间距，极间距为为s，当电解液沿板长方向流动时：，当电解液沿板长方向流动时：单室平行板反应器电极最小面积计算单室平行板反应器电极最小面积计算按流体动力学规定：按流体动力学规定：u Re2000时时，液体湍流流动液体湍流流动 Re2000单室平行板反应器电极最小面积计算单室平行板反应器电极最小面积计算电极反应：电极反应：产物产物Y Y的分子量为的分子量为110，电解液含大量支持电解质及，电解液含大量支持电解质及100100molmm-3-3的的X，转化率为，转化率为45。用平行板反应器，。用平行板反应器，年（年（以以8000h算）产算）产12

19、5吨。阴极和阳极面积相同，吨。阴极和阳极面积相同，宽度宽度b为为0.5m，极间距，极间距s为为0.005m。假设电流效率为。假设电流效率为100，试计算总电流和所需的最小阴极面积。已试计算总电流和所需的最小阴极面积。已知溶液粘度为知溶液粘度为1.5210-3kgms-1，电解液的密度，电解液的密度为为1050kgm-3，扩散系数，扩散系数D D为为6.210-10m2s-1单室平行板反应器电极最小面积计算单室平行板反应器电极最小面积计算计算总电流计算总电流每秒产生每秒产生Y的摩尔数：的摩尔数：据法拉第定律计算总电流：据法拉第定律计算总电流：单室平行板反应器电极最小面积计算单室平行板反应器电极最

20、小面积计算计算最小阴极面积计算最小阴极面积思路：思路：计算最小阴极面积计算最小阴极面积Lmin计算平均传质系数计算平均传质系数计算计算Re，确定，确定液体流动状态液体流动状态单室平行板反应器电极最小面积计算单室平行板反应器电极最小面积计算计算最小阴极面积计算最小阴极面积转化率为转化率为45，反应物进出口浓度：，反应物进出口浓度：电解液的体积流速电解液的体积流速N：单室平行板反应器电极最小面积计算单室平行板反应器电极最小面积计算计算最小阴极面积计算最小阴极面积电解液的体积流速电解液的体积流速N：溶液的平均线速度溶液的平均线速度：单室平行板反应器电极最小面积计算单室平行板反应器电极最小面积计算计算

21、最小阴极面积计算最小阴极面积溶液的平均线速度溶液的平均线速度：等效直径等效直径：动力粘度动力粘度：雷诺数雷诺数：单室平行板反应器电极最小面积计算单室平行板反应器电极最小面积计算 Re2000计算最小阴极面积计算最小阴极面积平均传质系数：平均传质系数：单室平行板反应器电极最小面积计算单室平行板反应器电极最小面积计算计算最小阴极面积计算最小阴极面积平均传质系数：平均传质系数：最小阴极面积：最小阴极面积：该阴极面积较大，可由若干个反应器单元组成。该阴极面积较大，可由若干个反应器单元组成。单室平行板反应器电极最小面积计算单室平行板反应器电极最小面积计算该阴极面积较大，可由若干个反应器单元组成。该阴极面积较大，可由若干个反应器单元组成。多室平行板电极反应器多室平行板电极反应器