В. Н. ФЛЕРОВ

СБОРНИК

ЗАДАЧПО ПРИКЛАДНОЙЭЛЕКТРОХИМИИ

ДОПУЩЕНОМИНИСТЕРСТВОМ ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГОСПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СССРВ КАЧЕСТВЕ УЧЕБНОГО ПОСОБИЯДЛЯ СТУДЕНТОВ ХИМИЧЕСКИХ СПЕЦИАЛЬНООТЕЙВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ

ИЗДАТЕЛЬСТВО «ВЫСШАЯ ШКОЛА»Москва 1987

УДК 641.13 (076.1)

Валерий Николаевич Флёров

СБОРНИК

ЗАДАЧ

ПО ПРИКЛАДНОЙ

ЭЛЕКТРОХИМИИ

•

Редактор Л. В. Бородина .

Художник В. М . Лукьянов

Художественный редактор Т. М. Скворцова Технический редактор Э. М. Чижевский Корректор М. Н. Мелейникова

Т-05280. Сдано в набор 25/XI-G5 г. Подп. к печати 18/Х-66 г. Формат 70X108 782. Объем 9,123 печ. л.

Усл. п. л. 12,775. Уч.-изд. л. 10,91

ХИМ-242. Тираж 16 000 экз.

Цена 38 коп. Зак. 999

Тематический план издательства «Высшая школа» (вузы и техникумы) на 1966 г.

Позиция Хе 86

Москва, И-51, Неглинная ул.; д. 29/14; Издательство «Высшая школа»

Отпечатано с матриц Ярославского полиграф комбината

в Московской тип № 4 Главполнграфпрома Комитета по печати при Совете Министров СССР

Б Переяславская. 46

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящем сборнике задач сделана попытка изложить основные принципы технологических расчетов в области электрохимии. Примерами расчетов охвачено большинство электрохимических производств; технологические расчеты проведены в основном для электрохимических аппаратов, применяемых в практике.

Приводимые расчеты, однако, не могут быть механически перенесены на более детальные расчеты электрохимических процессов. Задачи, собранные в книге, иногда для упрощения расчетов даны с допущениями, которые не всегда могут быть приемлемы при более точных расчетах. В ряде случаев было решено отказаться от применения готовых расчетных формул, которые, хотя и уменьшают объем расчетов, часто используются студентами чисто механически.

Значительное внимание уделено в сборнике технологическим расчетам, основывающимся на тех разделах теоретической электрохимии, которые сравнительно редко применяются в прикладных расчетах (термодинамика, числа переноса подвижность ионов и т. п.).

В таблицах, приводимых в приложении, собраны основные данные, необходимые для решения задач. Сборник разбит на главы, соответствующие основным отраслям электрохимических производств. В каждой главе приводятся примеры основных расчетов, а также даны задачи для самостоятельного-решения.

Все расчеты проведены с инженерной точностью, с помощью логарифмической линейки.

Автор выражает глубокую благодарность проф. Л. И. Антропову, проф. В. В. Стендеру, доц. А. Ф. Никифорову, докт. техн, наук М. Я- Фиошину за ряд ценных замечаний, сделанных ими при рецензировании рукописи сборника.

Все замечания направлять по адресу: Москва, И-51, Неглинная, 29/14, изд-во «Высшая школа».

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Символ

Размерность

Активность элекiролита

а

г-ион]л. моль/л

Атомный вес

А

Влажность абсолютного воздуха

w

мм рт. ст.

Время процесса

т

ч, мин, сек

Выход по веществу

Вв

%

Выход по току

Вт

%

Выход по энергии

Вэ

%

Грамм-эквивалент

э

Давление газов

в

мм рт. ст., атм

Давление газов парциальное

Pl

мм рт. ст., атм

Длина

L

см, м

Доля в токообразовании

%

Количество тепла

Qt

ккал, кал

Количество электричества (ем

кость)

теоретическое

Отеор

а-ч

фактическое

Сфакт

а-ч

Количество электронов, участ

вующих в реакции

г

Концентрация электролита

С

2-ЗКв]л, МО ЛЬ 1 Л,

г-ион/л

Коэффициент активности

41

—

Коэффициент использования ак

тивного вещества

^ПСП

%

Коэффициент электропровод

ности температурный

а

—

Масса вещества

g

е, кг, т

Машинное время работы элек

тролизера

f

доли, %

Молекулярный вес

м

Мощность

N

вт, кет

Напряжение

V

в

Напряжение разложения

^разл

в

Объем

и

см3, л, м8

Отдача по току

Тт

%

Отдача по энергии

7э

%

Плотность вещества

d

г! см3

Плотность тока

D

а{см8, а!дм2, а/м8

Поверхность

S

см2, дм2, м2

Поляризация (катодная и анод

ная)

1

в

Пористость

П

%

Потенциал электрода

<Р

в

Рассеивающая способность элек

тролита

PC

%

Расстояние межэлектродное

/

мм, см

Расход вещества

теоретический

£теор

г, кг

фактический

£факт

г, кг

Саморазряд

%

Сила тока

/

ма, а, ка

Скорость движения

и

мм] сек, м]ч

Содержание вещества в смеси

Pl

%

Сопротивление

омическое

R

OM

удельное

Р

OM^CM

Степень разложения соли

Кр

%

Темп выхода подвесок (из ав

томата или полуавтомата)

тп

MUH

Температура

LT

°C, °I<

Тепловое напряжение разло

жения

Ет

в

Теплоемкость

с

кал/г-°C

Теплосодержание

1

ккал 1кг

Термодинамический потенциал

Гиббса

ДФ

кал 1 моль

Толщина (металла, осадка

и т. д.)

8

мк, мм, см

Удельная емкость источника

тока

по массе

Qg

а*ч,кг

по объему

Qy

ач]л

Удельная емкость вещества

а

а*ч}г

Удельная мощность

по массе

Ng

вт!кг

по объему

Ny

вт,л

Удельный расход вещества

tn

е{а-ч

Удельный расход электроэнер

гии

^g

квт-ч!т

Удельная энергия источника

тока

по массе

Wg

вт*ч]кг

по объему

Wy

вт • ч/л

Универсальная газовая посто

янная

Rr

дою'°C-моль

Символ

Равмерность

Число переноса

ГЦ

доли

Число Фарадея

Число электрохимических ап

F

к, а-ч

паратов

Шаг подвески (в автомате или

п

полуавтомате)

^п

см, м

Эквивалент электрохимический

q

г1а*ч, мг^

Электродвижущая сила (э. д. с)

Электропроводность

Е

в

удельная

X

ОМ^-СМ^1

эквивалентная

Л

ом^-см^-г-экв**1

Энтальпия

№

кал!моль

Энтропия

5э

к,ал!°С» моль

ГЛАВА I

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМАЯ В РАСЧЕТАХ

Электрохимическим эквивалентом q называется теоретическое количество вещества, которое должно участвовать в электрохимическом процессе при прохождении через электролизер (или элемент) единицы количества электричества. Электрохимический эквивалент обычно выражают гг!а-ч илимг!к. Вычисление его основано на законах Фарадея, согласно которым

(1)(1)Л1 _ м гР ~~ г 26,8 *

(1)

(1)

где М — вес моля вещества (или А— вес грамм-атома вещества); г — число электронов в реакции; оно соответствует количеству фарадеев электричества, участвующему в электрохимическом преобразовании одного моля (грамм-атома) вещества; F— число Фарадея, равное 26,8 а-ч (или 96500 к).

Если q выражается в мг!к, то формула приобретает вид:

1000/И z 96 5001000/И z 96 500мг/к.мг/к.(1')(1')

1000/И z 96 500

1000/И z 96 500

мг/к.

мг/к.

(1')

(1')

Расчеты количества реагирующего вещества по его электрохимическому эквиваленту применимы для всех видов электрохимических процессов — катодных и анодных: для выделения на катоде металлов и газов, для растворения анодного металла и выделения на аноде продуктов электрохимического окисления, для электрохимических процессов, протекающих без образования новой фазы и т. д.

Значение электрохимического эквивалента для одного и того же вещества может быть различным в зависимости от вида электрохимического процесса, в котором данное вещество участвует. Например, для сернокислых растворов медного купороса, где медь двухвалентна, ее электрохимический эквивалент равен 1,185 ela-H, а для медиоцианистых ванн, где медь одновалентна, электрохимический эквивалент меди вдвое больше и равен 2,37 г!а-ч.

При электролизе NaCl с выделением на аноде хлора:

NaCl + Н2О—^ NaOH + -у Н2+ -|-С12 ± ё

число фарадеев электричеству расходуемых на каждый моль реагирующего NaCl, равно 1, т. е. г = 1. При получении гипохлорита г = 2:

NaCl + Н2О—> NaClO + Н2 ± 27

При электролитическом получении хлората 2 = 6:

NaCl + ЗН2О—> NaC103 + ЗН2 ± 67

Электрохимические эквиваленты NaCl для этих процессов будут равны соответственно 2,18 г/а-ч, 1,09 г!а-ч и 0,545 г!а*ч.

Термин «электрохимический эквивалент» иногда применяется и для веществ, химически взаимодействующих

в ходе вторичного процесса с продуктами собственно электрохимической реакции, или веществ, получающихся при этом процессе. Расчет электрохимического эквивалента в этом случае не отличается какими-либо особенностями, так как вещества реагируют при вторичном процессе в эквивалентном отношении.

Пример: Суммарная реакция в свинцовых аккумуляторах:

разряд

Pb + РЬО2 + 2H2SO4 7——> 2PbSO4 + 2НаО ± 2Fзаряд

электрохимические эквиваленты серной кислоты и воды в данном процессе:

п _ ^n2so4 _ 98,1 _ о

Отт С ГЛ — — 0,00 PlQ‘4^

Р 26,8

Л1ПП 18,0

о =!Д2_ == 0,672г1а-ч.

Иг° Л 26,8

Для расчета теоретического количества вещества 5*тсор> которое должно участвовать в электрохимическом процессе, достаточно умножить электрохимический эквивалент q этого вещества па количество протекшего электричества Q:

бтеор 5=1 qQ*(2)

В большинстве реальных электрохимических процессов количество фактически реагирующего вещества отличается от теоретической, расчетной величины. Это может быть обусловлено параллельным протеканием других электрохимических реакций (например, одновременное выделение на катоде цинка и водорода при электролитической экстракции цинка), взаимодействием катодных и анодных продуктов (например, реакция мигрирующей щелочи с хлорогл в хлорных электролизерах), взаимодействием электродных веществ с электролитом (напри-

мер, саморастворение магниевых анодов в магниевых источниках тока), появлением шунтирующих замыканий между электродами и т. д.

Степень отклонения количества фактически прореагировавшего вещества £факт от величины gTeop, рассчитанной по законам Фарадея, характеризуется выходом по току Вт для электролизеров и коэффициентом, использования активного вещества КИсп Для химических источников тока. Эти величины обычно выражаются в процентах и, реже, в долях единицы:

вт = -у^-юо%;(3)

бтеор

£Г

/<ИсП=^ЮОо/о.(4)

^факт

В ряде случаев удобнее произвести расчет этих параметров через отношение теоретически необходимого количества электричества QIC0p к фактически затраченному при процессе <2фаит:

Вт = -§^100%;(5)

Чфакт

Кисп = ^100%.(6)

Количество электричества Q применительно к химическим источникам тока (ХИТ) принято именовать емкостью. При расчете теоретической емкости источника тока следует учитывать, что активные вещества в разнополярных электродах закладываются обычно в неэквивалентных количествах. Эта неэквивалентность может усугубляться различием в значениях /Сисп разнополярных активных веществ. Вследствие этого фактическая ем-

кость ХИТ обычно ограничивается емкостью только одного из его электродов, тогда как другой электрод еще может сохранять свою работоспособность и после полного разряда ХИТ. Поэтому величина /Снсп активного вещества этого электрода, рассчитанная на фактическую емкость ХИТ, может быть сильно заниженной по сравнению с возможным значением Кисп, полученным в условиях полного разряда электрода.

Емкость ХИТ может значительно снижаться вследствие его саморазряда, который связан с непроизводительной затратой активных веществ и электролита в период бездействия, ухудшением электрохимической активности электродных веществ и т. д. Величину саморазряда Gq обычно выражают в процентах снижения первоначальной фактической (или номинальной) емкости Сфакт за определенный период т бездействия ХИТ

Офакт—QT looo/oi(?)

4 Чфактт

где Q.— емкость ХИТ после хранения в бездействующем состоянии в течение времени т (в сутках, месяцах, годах).

Отношение количества активного вещества, заложенного в источник тока, к фактической емкости последнего называется удельным расходом активного вещества и выражается в г!а-ч.

Важными параметрами ХИТ являются их удельные характеристики:

удельная емкость ХИТ равна отношению величины фактической емкости к массе или объему ХИТ:

Qg ^ J^p^ а е ч/кг.(g)

=(9)

удельная энергия ХИТ равняется отношению энергии, отданной им при разряде, к массе или объему ХИТ:

W- = вт • ч!кг;(10)

W.. = -— ет-ч!л.(11)

и

Удельная емкость и энергия ХИТ связаны между собой соотношениями:

^ = <2^(12)

Wy = Q3V^(13)

где Уср — среднее разрядное напряжение ХИТ, в.

Значения удельных емкости и энергии в значительной степени зависят от режима разряда, который влияет как на величину отдаваемой емкости, так и на рабочее напряжение источника тока. Поэтому для большей сравнимости удельных емкостных и энергетических характеристик разных систем и типов ХИТ чаще пользуются данными «нормального режима» разряда.

В некоторых случаях при эксплуатации важную роль играет удельная мощность ХИТ N, т. е. мощность, которую можно получить с единицы массы или объема ХИТ в течение определенного времени разряда:

N, ™ _{р^2_ emka*,(14)

N.-12^2-8ml,.(14')

где /рюр*— сила тока, а; Уср — разрядное напряжение, в; g — масса ХИТ, кг; и — его объем, л. Степень обратимо-

сти аккумулятора может быть охарактеризована его отдачами по току и по энергии.

Отдачей по току 7Т называется выраженное в процентах отношение разрядной емкости аккумулятора к количеству электричества, принятому им при заряде

Тт = -^100%.(15)

хзар

Отдача по энергии 7, равна выраженному в процентах отношению разрядной энергии аккумулятора к энергии, затраченной при его заряде

ъ = J^L 100?6 = '^У ^ тр"р. Ю0%.(16)

^зар'зарср. зар тзар

Отдачу по энергии можно выразить через отдачу по току

V

T9 = Ti_^E.(17)

v ср.зар

Равновесным, потенциалом электрода <?равп называется потенциал неполяризованного (неработающего) электрода, находящегося в обратимом равновесии с электролитом.

Для некоторых электродов величину <рравн можно определить непосредственно из эксперимента, используя обычную потенциометрическую схему (например, потенциал медного электрода в сернокислом растворе CuSO< средней концентрации). В ряде случаев наличие побочных и вторичных процессов в электродной системе может сильно маскировать истинное значение величины <рравн; в таких системах экспериментально найденная величина потенциала бездействующего электрода уже не будет совпадать с <рравн (например, цинковый электрод в растворе HaSO4, когда образуется пара Zn— Н2; несколько

пассивирующийся никелевый электрод в растворе NiSO4 и т. д.). Для таких электродов равновесный потенциал может быть теоретически рассчитан по изменению термодинамических функций в ходе основной электродной реакции или же исходя из известных величин нормального потенциала электрода и активностей компонентов, участвующих в электродной реакции. Наиболее прост способ расчета равновесного потенциала по уравнению Нернста, им обычно и пользуются в прикладных расчетах

<Рра=„ = ?о+-^-1п^-,(18)

2 F °восст

где <р0 — нормальный электродный потенциал (находится по справочным таблицам); R, — универсальная газовая постоянная, дж! моль-°C; Т— температура, °К; г — число электронов, участвующих в реакции; F — число Фарадея, к; аок и авосст— активность окисленной и восстановленной форм вещества.

Подставляя в уравнение соответствующие значения коэффициентов и переводя натуральный логарифм в десятичный, получим выражение

I 0,0002 Г , ^ок/ ю\

Трави = То 41g —•(19)

2авосст

Например, для окислительно-восстановительной реакции Сг2ОГ +14Н++бё^ 2Сг3+ + 7Н2О равновесный потенциал равен:

Л #—

, ., 0,0002 Т .М^№

Трави "Ь 1,36 +1g ' а т •(20)

°а»+ н,о

Активность иона

°/ ■ чА»

где 7/— коэффициент активности; Ct — концентрация иона, г-ион'Х^О г растворителя. Без большой погрешности можно брать Cz и в грамм-нонах на 1 л раствора.

Напряжением разложения Еразл в ваннах и электродвижущей силой (э. д. с) в ХИТ называют разность равновесных электродных потенциалов системы (не путать с напряжением разложения электролита!):

£разл = Т^Н-ф^(21)

£Хит = С™- ?-ВН-<21')

У ХИТ под термином э. д. с. чаще, впрочем, понимают разность напряжений на клеммах неработающего ХИТ, что может несколько не совпадать с расчетной разностью электродных потенциалов по причинам, указанным выше.

Значение Еразл может быть использовано при расчетах теоретического удельного расхода электроэнергии 1^теор и выхода по энергии Вэ:

ip™, -;(22)

В,= ^100 = -5^,(23)

где Ув — напряжение на ванне, в; Вт — выход по току, ?6.

Фактический удельный расход электроэнергии

Vb 100,

^факт = —^—вщ.ч!г.

Напряжение на работающей ванне VB больше £раэл на величины катодной и анодной поляризации т)к и т]а и значения омических потерь напряжения в электролите, электродах и на контактах:

Ув = £разл + (^а — ^к) + ^' + ^" + Д^коит, (24)

где R' и R"— омические сопротивления электролита и электродов.

Аналогично уравнение и для зарядного напряжения аккумулятора.

Разрядное напряжение ХИТ, наоборот, меньше £разл, вернее э. д. с., на те составляющие, которые указаны в уравнении (24):

Уразр = Е-^-Т!+)-IR' -IR"- дуконт. (25)

Для ХИТ обычно объединяют все отдельные факторы, вызывающие смещение напряжения от значения э. д. с., общим термином «внутреннее сопротивление» — /?внутр. Следовательно, /?внутр включает в себя как собственно омическое сопротивление ХИТ, так и «сопротивление поляризации».

Явнутр = ^-^R' A-R" + RKom.(26)

Практически ₽внутр определяют, замеряя рабочее напряжение ХИТ при двух (или более) нагрузках

Явнутр”-^^-.(27)

Полученное значение /?ВНуТр действительно только для интервала нагрузок 1г — /2, так как поляризация не имеет прямолинейной зависимости от силы (плотности) тока.

Степень участия вещества в электрохимическом процессе в электролизерах характеризуется степенью разложения вещества и выходом по веществу.

Степень разложения вещества показывает, какая доля этого компонента электролита подверглась электрохимическому разложению за время процесса

к = >ач-£кон ( 00 % ,(28)

£нач

где ^пач и ^„он — начальное и конечное количество вещества в электролите.

Выход по веществу равен отношению количества продукта, полеченного за врс/.ш процесса, к тому его количеству, которое можно получив при полном превращении всего исходного вещества, введенного в ванну:

Вц = ^--100?6,(29)

8г —L

где gi — количество полученного продукта; go— количество исходного вещества; qv и q>— электрохимические эквиваленты полученного и исходного веществ.

В ряде случаев степень разложения вещества и выход по веществу имеют численно равные значения.

Важную роль в электрохимических вычислениях играют расчеты, основанные на принципах термодинамики. В прикладных расчетах наиболее употребительны три термодинамические функции — термодинамический потенциал Гиббса, иначе называемый свободной энергией при постоянном давлении Ф; энтальпия Н и энтропия 5Э.

Изменение термодинамического потенциала при каком-либо процессе равно максимально-полезной работе

Дф = Амакс*

Если эта максимально-полезная работа совершается при электрохимическом процессе, то знание величины Д,акс позволяет рассчитать э. д. с. — разность равновесных электродных потенциалов

Амане = — ДФ = zFE.(30)

Изменение термодинамического потенциала при электрохимическом процессе равно сумме термодинамических потенциалов конечных веществ за вычетом суммы АФ

для начальных веществ самопроизвольно протекающей реакции.

Пусть в элементе вида А[электролит)В протекает реакция

а А + b В> сС + dD ± ze,

где ayb,c,d— стехиометрические коэффициенты. Тогда

АФ = (сАФс + £/АФо ) — (яАФа + 6АФВ );

Е = —4,18Е = —4,18АФг 96 500АФг 96 500АФ2 23 060’АФ2 23 060’

Е = —4,18

Е = —4,18

АФг 96 500

АФг 96 500

АФ

2 23 060’

АФ

2 23 060’

где АФ — выражено в калориях на моль, а Е— в вольтах.

Условимся в дальнейшем обозначать отношение ~^8" = = 23060 через FT.

Изменение энтальпии А// при реакции численно равно тепловому эффекту реакции при постоянном давлении, отнесенному к одному молю реагирующего вещества, — QT (взятому с обратным знаком):

A// = -QT.(31)

Зная энтальпию отдельных соединений, участвующих в электрохимической реакции, можно рассчитать ее тепловой эффект, использовав тот же принцип, который был указан выше для расчета изменения термодинамического потенциала при реакции

АЯ = 5дЯкон-2АЯнач.(32)

Критерием, позволяющим судить о направлении термодинамических процессов в изолированных системах, является энтропия 5Э.

Для об ческие фу! симостыо:

фатимого процесса все эти три термодпнами- 1кции связаны между собой следующей зави-

Ф = Н — Т8Э,(33)

где Т — те Соглась

:мпература, °К.

ю уравнению Гиббса— Гельмгольца

Аф = АД + Т(34)

Можно ви;

^еть, что

AS =—(35) дТ'

но

дФ_ = d(—zFrE) =_гр дЕ_(36>

дТдТт ОТ

поэтому

^S3=zFr — ,(37)

э1 дТ'

т. е., зная определить химическо]

АЗЭ при электрохимической реакции, можно > температурный коэффициент э. д. с. электрой системы (и наоборот)

^zFTE = \H — zFrT—;(38)

Г dTх ’

Е=-^г^т^--<39)

г FTal

Волыни протекать высокой с(

нство электрохимических процессов должно в узком температурном интервале, т. е. при эалансированности прихода и расхода тепла.

Составление теплового баланса для таких электрохимических систем предполагает прежде всего правильное определение количества тепла, выделяемого в электролизере при прохождении электрического тока.

Как известно, количество тепла QT, выделяющееся при прохождении электрического тока («джоулево тепло»), равно:

QT = 0,239/l/т кал,(40)

где 1 — сила тока, а; V— напряжение, в; т— время, сек. Если т выразить в часах, то уравнение примет вид:

Qx - 0,239-330 MV- = 860/1/т кал. (41)

При электрохимических процессах в тепло может переходить, однако, не все количество затраченной электроэнергии, а только часть ее, за вычетом энергии, пошедшей на химические превращения в системе

QT = 0,239//- —Q?,(42)

где Qt—тепловой эффект химического процесса (процессов), отнесенный к количеству веществ, реагирующих в электролизере при прохождении тока / в течение времени т.

Если в системе идет один химический процесс при Вг = 100%, то

Qt-Q.^(43)

где QT — тепловой эффект реакции, кал/люль; п— число реагирующих молей вещества;

<«)

где г — число электронов, участвующих в реакции.

ТогдаТогда

Тогда

Тогда

(45)(45)«=Ь>.

(45)

(45)

Подставляя в уравнение (42) значение О, из уравнения (45) и проведя соответствующие преобразования, получим!

QT = 0,239/1/. -/.-> = 0,239/. (v - ^^ -

(46)(46)—0,239/. fl/ 23060 г) кал‘

(46)

(46)

Если QT и QT выразить в килокалориях и килокалориях на моль соответственно, ат — в часах, тогда получим

(47)(47)QT — 0,860/т (V —| ккал.

(47)

(47)

1\2о,Uo Z /

Если Вт не равен 100% и его снижение не обусловлено параллельным протеканием какого-либо другого электрохимического процесса, а вызвано взаимодействием катодных и анодных продуктов или реагированием их на электродах другой полярности с образованием исходных веществ, то

(48)(48)QT = 0,860/. (V — ^4-) ккал\Zu,UuZ/

(48)

(48)

где Вт выражен в долях единицы.

При параллельном протекании нескольких электрохимических процессов необходимо учитывать затраты энергии на все химические процессы, идущие в системе

QT = 0,860/. VQT = 0,860/. VQTBTQTBTQtbtQtbt23,06г'23,06г"23,06г'23,06г"ккал, (49)ккал, (49)

QT = 0,860/. V

QT = 0,860/. V

QTBT

QTBT

Qtbt

Qtbt

23,06г'23,06г"

23,06г'23,06г"

ккал, (49)

ккал, (49)

где QT, Вт, г' относятся к одному электрохимическому процессу; Qr, Вг, z”— к другому и т. д.

Вместо теплового эффекта реакции в уравнение можно подставить численно равную ему величину расчетного изменения энтальпии А//, чем обычно и пользуются при расчетах.

Уравнение теплового баланса можно видоизменить, введя понятие так называемого «теплового напряжения разложения» — Етг

= 23^06 г" ~ “ 23,06? & (50)

Тогда

QT = 0,860/t (V — ^ В', — Ет Br — . . .) ккал. (51)

«Тепловое напряжение разложения» включает в себя как действительную величину напряжения разложения, так и поправку на температурный коэффициент э. д. с.— ^

£т = £разл-Т^-.(52)

01

ГЛАВА II

ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА

Электродный ламель щелочного аккумулятора, в который запрессовано g = 7,5 г положительной окисно- никелевой активной массы, состоящей из смеси Ni (ОН)2, графита и растворов Ва (ОН)2 и NaOH, обладает разрядной емкостью 9факт = 0,96 а-ч.

Рассчитать коэффициент использования Лисп гидроокиси никеля (II), если активная масса электрода содержит 72,6% Ni(OH)2 (р = 0,726).

Решение

Основная электрохимическая реакция в электроде

Ni (ОН)2 + ОН- — е т^~> NiOOH + Н2О разряд

Изменение валентности никеля в такой реакции равно единице. По этому электрохимический эквивалент гидроокиси никеля (II)

_ ^кионц 92,7 _ о 4fi ,^NKOJih- 3,46

Количество Ni(OH)2, заложенное в ламель

^Ni(OH)2 = &*Р = 7,5*0,726 = 5,45 г.

Теоретическая емкость ламе ля

QTeop == АА = 1,575 а-ч.

?Ni(OH)8 3,46

Определяем КИСп

Лисп = _£Al юо = Ag* юо = б1,о%.

Отрицательный электрод щелочного аккумулятора с кадмиево-железной активной массой, содержащей 38,8% «общего» кадмия и 39,2% «общего» железа, должен иметь фактическую разрядную емкость 2,5 а-ч.

Какова должна быть навеска активной массы на электрод, если при таком составе массы коэффициент использования /<исп кадмия равен 60%, а железа 31 %? Какова доля каждого металла в тскообразовании?

Решение

Токообразующие реакции в электроде:•

разряд_

Cd 4- 2ОН- 5=i Cd(OH)2+2eзарядразряд_

Fe + 2ОН- <—» Fe(OH)24-2e

заряд

Электрохимические эквиваленты активных веществ (в пересчете на металл):

9cd == . 112'4 . = 2,10 г^а-ч,

4CdzF2-26,8*

q- == —ALL = 1,042 ela-ч,

4FezF2-26,8'

где 71Cd и ,4Fe — атомные веса Cd и Fe; г—изменение валентности.

Определяем удельную емкость а активных веществ.

теоретическое значение а для отдельных компонентов:

= = = 0,476 а-ч[г\

Cd <7Cd 2,101 ’

aF = = —-— =0,96 а-ч1г\

Fe Ч?е 1,042'

фактическая величина а для смеси:

асм = AaCd 4- ДаРе = aCd pCd К^п + aFe ^Fe ^исп =

= 0,476-0,388.0,60 + 0,960.0,392.0,31 =0,111 +0,117 = 0,228 а-Щг, где Да — удельная емкость компонентов смеси в расчете на 1 г активной массы; р — доля электродного компонента в массе.

Необходимая навеска активной массы на электрод

g = -*а- = 4+ = 10,95 г.

aCM 0,228

Доля участия электродных компонентов в гокообразующем процессе:

Cd aCM 0,228

△Fe= 1 — Дса = 1 — 0,487 = 0,513,

3. Кадмиево-железная активная масса для электродов щелочных аккумуляторов изготовлена смешением 100 кг CdO, 118 кг Ре3О4 и 6,5 кг солярового масла.

Сколько такой массы необходимо заложить в отрицательный электрод, который должен иметь 9факт = 30a-ч, если при подобном составе массы Кит кадмия равен 62%, а Кисп железа — 30%? Какова доля отдельных компонентов активной массы в токообразующем процессе?

Решение

Электрохимические эквиваленты для активных компонентов электродной массы равны:

„ McdO _ 128,49ЛП,М„.

<CdO= —-^ = 2,40 г1а.ч,

„^Fe3O4 231,5

^Fe3O,— nzF — 3.2.26,8 — 1,44 г1а‘ч>

где п—число атомов металла в молекуле активного вещества; г— изменение валентности каждого атома металла в формированном электроде (см. задачу 2).

Определим удельную емкость а активных веществ. Теоретическое значение ее для отдельных компонентов смеси:

°CdO == -2740" = °'417 ai4^

8ре А=~^Г=тгг=°-694

Фактическая величина а для активной массы слагается из емкостей, отдаваемых отдельными компонентами 1 г массы:

°м = Л °CdO + Д^езО., = ’CdoPCdO К^ + °Ре,О. Рре3О4 ^исп°4'

(значения КИсп численно равны независимо от того, рассчитывают его на металл или на его окисел).

100100 Л

PcdO- 100+ 118 +6,5 ~ 224,5 -°>4451

118 ~Ррс3О, = 224,5" = °,525;

см = 0,417.0,445-0,62+ 0,694-0,525-0,30 = 0,115+ 0,109 =

= 0,224 а*ч1г.

Необходимое количество активной массы на электрод

бм —бм —Оф а ктОф а кт30= 0,224 = 134 г"30= 0,224 = 134 г"

бм —

бм —

Оф а кт

Оф а кт

30

= 0,224 = 134 г"

30

= 0,224 = 134 г"

Доля кадмия и железа в токообразовании:

Л A°Cd0 °-115 ПACd~ ам “ 0,224 “°'513,

ДРе = 1 —0,513 = 0,487.

Плотность раствора серной кислоты в заряженном свинцовом аккумуляторе d3 должна равняться 1,28 (концентрация 36,87% по массе); в разряженном аккумуляторе dp = 1,10 (концентрация 14,35%). Сколько электролита должно быть залито в полностью разряженный аккумулятор с фактической емкостью Уфакт =120 а-ч, чтобы изменение плотности его электролита в процессе заряда — разряда находилось в указанных пределах? Каков будет при этом коэффициент использования H2SO4?

Решение

Суммарная электрохимическая реакция в аккумуляторе:

разряд

Pb + РЬО2 + 2HoSO4 > 2PbSO4 + 2Н2О ± 2F

заряд

Согласно суммарной реакции, при прохождении одного фарадея (1F) электричества в ходе заряда аккумулятора будет израсходован 1 моль Н2О и выделится 1 моль H2SO4. Отсюда электрохимические эквиваленты этих веществ:

18,0„ „

^НгО— гр ~ 1-26,8“ 0,672 г1а'ч>

„98,1

^Н^О.~ гр “ 1-26,8 —о,№ г(а-ч.

Рассчитаем изменение содержания компонентов в электролите аккумулятора в ходе его заряда. Израсходуется воды

^н,о ~ ^ц2о^факт ~ 0,672-120 = 80,5 г;

выделится серной кислоты

£h2so4 = ^н2зо4^Факт = 3,66-120 = 440 г.

Обозначим массу электролита в разряженном аккумуляторе Л1. Тогда количество H2SO4 в электролите разряженного аккумулятора будет

.1 14’35

°H2SO, -100 •,

а содержание Н2О

85,65&н2о ~100 *

В электролите заряженного аккумулятора содержание H2SG4 равно

^H2SO4= Wi ^» 1435 + £h2so4) д»

а количество Н2О

^н2о = (^ 0,8565£н2о) 2е

Состав электролита заряженного аккумулятора отвечает соотношению

6H2SO, А 0,1435 + 440 Ph2SO4 36,87

6^о""^10,8565-80,5 - pHQ ~ 63,13 *

Отсюда Л1 = 1365 г.

Объем электролита разряженного аккумулятора

Ai 1365

Рр == -уду- = 1240 мл.

Масса электролита заряженного аккумулятора

^* = »i-«H.o + «H,so4 = 1365-80,5 + 440 = 1724,5 г.

Объем электролша разряженного аккумулятора

А 1724'5

1,з=-й- =-Г98-= 1346 ли.

Определяем коэффициент использования серной кислоты, рассчитываемый как отношение количества кислоты, участвующей в электрохимическом процессе, к общему количеству кислоты в электролите заряженного аккумулятора:

100 = 69,2 %.100 = 69,2 %.£h3so4 100 _440

100 = 69,2 %.

100 = 69,2 %.

Л! 0,1435 + ^h2so4 1365-0,1435+440

Сухой воздушно-марганцево-цинковый элемент емкостью Q = 150 а-ч, ограничителем емкости которого является положительный электрод, содержит положительной агломератной массы g*M = 521 г. Исходная углемарганцевая смесь состоит из 35% марганцевой руды (содержащей 90% МпО2), 45% графита и 20% активированного угля. На 100 г угле-марганцевой смеси берется 15,0 г нашатыря МН4С1 и на 100 г полученной сухой смеси — 35,0 г электролита.

Каковы доли участия МпО2 и кислорода воздуха в токообразующем процессе элемента, если коэффициент использования МпО2 равен 60%? Каков удельный расход агломератной массы на единицу снимаемой емкости?

Решение

Процентное содержание МпО2 в положительной активной массе _ 35 100 100 _ л ,

Р — ЮО * 115 * 135 — 20’3%*

Количество МпО2 в одном элементе

20,3

£мпо, = £мР = 521 |QQ = 105,8 t.

Емкость, получаемая с элемента за счет раскисления МпО2

^МпО8^ИСП?МпО,

электрохимический эквивалент МпО3 равен

^МпО. 86,94 п о<?мпог— zF “ 1-26,8 — 3,24 г1и’4-

Отсюд 1

105,8-60^ = 3,24-100 = 19,6

Доля МпО2 в токообразующем процессе Qi 19,6

ЛМпО2 = q — 150 100 = 13,05%.

Доля емкости, получаемая за счет кислорода воздуха

До^ = ЮО — АМп0 = 100— 13,05 = 86,95%.

Удельный расход агломератной массы

521

т =Т5(Г = 3,47 г/а'4*

Галетная батарея типа 54 АСМЦГ-5П, состоящая из п = 43 последовательно соединенных марганцево-цин- ковых элементов, имеет номинальную емкость 0=5,0 а-ч.

Рассчитать коэффициент использования МпО2, если на изготовление положительных электродов батареи расходуется 3870 г активной массы (gM = 3870 г), получаемой добавкой 13 в. ч. электролита к 100 в. ч. сухой смеси. Последняя готовится смешением 100 в. ч. угле-марганце- вой смеси с 10 в. ч. нашатыря МН4С1. Угле-марганцевая смесь состоит из 84% марганцевой руды (содержащей 90% МпО2), 14,5% графитам 1,5% сажи. Каков удельный расход угле-марганцевой смеси на 1 а-ч номинальной емкости батареи?

Решение

Процентное содержание МпО2 в положительной активной массе 84 100 100

р = 90 100 • ц0 • пз — 60,8%.

Количество МпО2 в одном элементе батареи Sm 387060,8

6мпО2- п р — 43 "100 ~54'7г-

Коэффициент использования МпО2

Киев = -^о= 100 = А^24 юо = 29,6%. 6MnO2

Удельный расход угле-маргапцевой смеси 3870-100.100

т =113-110-5,0— 623г/о-ч.

В расчете на один элемент:

т^т^т 623.А „

т^

т^

- = — = 14,5 гЩ-ч.

Рабочая поверхность S цинкового электрода медноокисного элемента типа МОЭ-250 (номинальная емкость Q = 250 а-ч) равна 260 см-. Цинковые электроды снабжены «индикаторными окнами» — углублениями с заданной толщиной металла, которые должны разъедаться после отдачи элементом определенной емкости.

Рассчитать толщину индикаторных окон — указателей отдачи 75 и 100% номинальной емкости элемента.

Решение

Основная электродная реакция

Zn + 4OH">- Zn(OH)^“ + 27

Количество цинка, растворяющегося при отдаче элементом номинальной емкости

g = qZnQ = 1,22-250 = 305 г.

Объем цинкового электрода, электрохимически растворяющегося при отдаче номинальной емкости

g 305

yzn = ~d^ = 7,14 ~ 42,7 сл‘3-

Толщина индикаторного окна, соответствующего 100% номинальной емкости элемента

и7п 42,7

Ч =~26СГ~ = $464 сл = 1,64 л?лк

Толщина цинка в индикаторном окне— указателе отдачи 75% емкости

о2 = 0,75= 0,75-1,64 = 1,23 лыъ

В батарейном колодце установлена батарея из п — 20 последовательно соединенных воздушно-цинковых элементов, разряжающихся непрерывным током / = 0,5 а.

Какой объем кислорода расходуется за час работающей батареей? Через какое время будет израсходовано 10% кислорода, содержащегося в атмосфере герметически закрытого батарейного колодца? Газовый объем колодца ик = 3,0 м3.

Решение

Суммарная реакция в элементе

О2 + 2Zn + 4КОН + 2Н2О> 2K2Zn(OH)4 ± 4F

Электрохимический эквивалент кислорода

2240022400

?о2 — ZF = 4-26,8 = 209 мл!ач>

где 22 400 мл—объем, занимаемый 1 молем газа в нормальных условиях (0сС, 760 мм рт. ап.).

Часовой расход кислорода батареей элементов

0,5-1.209.20

ио2= =1000= 2109 лЬи

Парциальный объем кислорода в батарейном колодце

V1 = vKpQ = 3000-0,21 = 630 л,

где Pq — содержание кислорода в воздухе.

Время, за которое израсходуется 71о кислорода в батарейном колодце

Положительная активная масса для цинк-иодатно- го элемента Zn|H2SO4| КЮ3(С) состоит (без связующего) из 57,1 % КЮ3, 40,8?о графита и 2,Г?о сажи. Электролитом служит 8,0 и. серная кислота (С^зО = = 392 г/л) с добавками."

Какой объем электролита требуется для последовательно соединенной батареи номинальной емкостью Q = 1,5 а-ч, состоящей из 102 элементов, если «полезный» коэффициент использования кислоты равен 55 ?о? Каковы будут конечные концентрации H2SO4, ZnSO4, 12 и K2SO4 в электролите, если 6% H2SO4 (^10Т)тратится на химическое взаимодействие с цинком (объем электролита в ходе разряда считать неизменным)? Каково должно быть количество сухой положительной активной массы для батареи элементов при коэффициенте использования КЮ3, равном 58%?

Решение

Суммарная реакция в элементе

52п + 2КЮ3 + 6H2SO4► 5ZnSO4 + I2 + K2SO4 + 6H2O ± 10F

Электрохимические эквиваленты:

2MKIO, 2-214,0

^КЮ,— zF — 10-26,8 — h6'/г/а-ч;

б^н^о, 6-98,1_ ,

<?HJSO4— zF — 10-26,8 —^^г1ач\

5,1 ^nso, _ 5-161,4

9znSO — zF " -10-26,8 - 3,01 г,а*ч;

253,8 n „

qlz— zF — 10-26,8 — °«$46 г/а-ч;

^4k2sO4174,3

£k2SO,— zF — 10-26,8 — 0,65 г1а‘ч-

Необходимое количество положительной активной массы на батарею

^КЮ,^1,60-1,5_ „

5м = /<кю, ‘п = 0,58-0,571 102 — 740 г.

' псп ^КЮ

Необходимы!! обьем электролита на батарею

^ilso^2,2 «1,5

иэ — ,,n,sot <чь1ч0 55*392 ^^ = 1,56 л = 1560 мл.

шкп ^HjSOi’ '

Конисиiрация IKSOj в отработанном электролите

_ гкач [ 100 - (Кнсп + ^пoт)) w 100 - (55 + 6)_

= 153 г/л

0) Колччесню ZnSO4, образовавшегося:

при разряде

g/nso, == 3'0Ь’’5-102 - 461 г;

при химическом взаимодействии цинка с серной кислотой

g = С?ДП- 1,56— -=60,3 г

6ZnSO4 H,sO4 > ->т Д{1]•!0J981•

Общее количество образовавшегося ZnSO4

^ZnSO, =461 + 60,3 = 521,3 г.

Концентрация ZnSO4 в отработанном электролите

^znSOt 521,3

cznso4 =:^= *1756" = 334 г^‘

Концентрация 12

^i. QuL v3^i. QuL v30,946.1,5.1021,560,946.1,5.1021,56= 92,8 г/л.= 92,8 г/л.

^i. Qu

L v3

^i. Qu

L v3

0,946.1,5.102

1,56

0,946.1,5.102

1,56

= 92,8 г/л.

= 92,8 г/л.

Концентрация I\2SO4

0,65-1,5.102

CK2SO,™ 1,56= 63,8 г/л.

Фактический коэффициент использования свинца в активных массах свинцового аккумулятора составил на десятом цикле (при полном заряде и разряде электродов) в положительном электроде /<'|сп = 55(%, в отрицательном электроде /<'гп = 65%. При этом возможная фактическая емкость отрицательного электрода примерно на 30% (А = 1,30) превосходила емкость положительного электрода, которая на этом цикле была равна номинальной емкости аккумулятора. Положительная активная паста содержит p'uov> = 85,0% «свинцового порошка», отрицательная активная паста — p"hOp = 82,1 %. В «свинцовом порошке» 58% РЬО, остальное— металлический свинец.

Какое количество положительной и отрицательной паст потребно для изготовления аккумуляторной батареи из 6 последовательно соединенных аккумуляторов номинальной емкостью Q= 125 а -ч, если потерн пасты в процессе изготовления составляют 1,5%’(^I10r 1,015)?

Какой объем электролита и какой концентрации должен быть залит в новую батарею если электролит полностью заряженного аккумулятора должен иметь плотность 1,28; а в разряженном аккумуляторе—1,10 гкм3 (аккумулятор!;! выпускаются в разряженном состоянии при разряжениссти электродов ^8О?о от их фактической емкости на десятом цикле)?

Решение

Суммарная реакция в аккумуляторе

р.1 фЯД

РЬ + РЬО, -I- 21I ,SO42PbSO4 + 2Н >0 ± 2F.

за ряд

Процентное содержание свинца в пересчете на металлический в «свинцовом порошке»

207,2

Ррь = 42 + 58‘==95>8%>

где 207,2 — атомный вес свинца; 223,2 — молекулярный вес РЬО.

Электрохимический эквивалент свинца ^рь = 3,87 г[а-ч. Величина 7рь одинакова для положительного и отрицательного электродов, так как в обоих электродах изменение валентности свинца одинаково.

Количество положительной активной пасты, требующееся для одной батареи из 6 аккумуляторов (/г = 6)

?PbQ3,87-125

£+ = do' к' ^пот ,г = 0,958-0,85-0,55 1>°15-6= 6580 г. ''РЬ-"пор хпсп

Необходимое количество отрицательной активной пасты

<7рь<Эа3,87-125-1,30

8"= Р^р" К А'"от'г = 0,958-0,821-0,65 К015-6 = 7480 г. ^РЬ^пор *'псп

При заряде полностью сформированной разряженной батареи образуется H2SO4

^н so 98,1

= ^H2so4 Qn =Q и = 26,8 ^0'6 = 2750 г,

поглотится Н2О

18

Хо = ■ пн о- 125-6 = 504 г. "о

(не учитываем разложение воды при выделении Н2 и О2 на электродах). Обозначим массу электролита разряженной аккумуляторной батареи Д4. Тогда количество H2SO4 после заряда

£h2so4 = °*1435 ^i + хь

количество Н2О после заряда

£н,о = 0,8565 Л4 — v2,

где 0,1435 и 0,8565 —доли II2SO4 и ILO в растворе серной кислоты ПЛ0НЮС1Ы0 1,10

Определим массу электролита At заряженной батареи из соотношения

^H2sot 0,1435/1!-1- 275036,87

^LO = 0,8565/11— 504= 63,13 ’

где 36,87 и 63,13 —содержание H2SOi и Н2О в кислоте (d3 = l,28).

Отсюда Л4 -- 8530 г.

Объем электролита разряженного аккумулятора

Ах _8530

dp “ 1,10

Масса электролита заряженной батареи равна

Л2 = /11 + ад — х2 = 8530 + 2750 — 504 = 10 776 г.

Объем электролита заряженной батареи

Количество H2SO4 в электролите после заряда

Ч10 776-0,3687 = 3976 г.

Количество Н>0 в электролите после заряда

адЛ.2 — л'з = 10 776 — 3976 -= 6800 г.

Емкость, которую необходимо затратить для заряда электро дов новой батареи (без учета выхода по току):

для положительных электродов

Qi 125-0,8 = 100 а-ч;

для отрицательных электродов

Q2 = 125-0,8-1,30 = 130 а-ч.

При прохождении первых 100 а-ч (когда заряжаются оба электрода) протекает реакция:

2PbSOi + 2Н2О> Pb + РЬО2 + 2H2SO4 ± 2F

При этом выделится H2SO4

М 11 .so.98,1

х5 = —— Qxn = -^ 100-6 = 2200 г, поглотится Н2О

УИН о18

хб =рг— Qxti = - 20 g” 100-6 = 403 г.

При протекании следующих 30 а-ч (когда заряжается только отрицательный электрод) в аккумуляторах идет реакция

PbSO4 + Н2О> РЬ+4 °2 + Н2$О4 ± 2F

При этом выделится H2SO4

98,1

х7 = 2","26 8 30-6 = 329 г;

разложится Н2О

18

Л 8 = ~2~26 8 30 • 6 = 60,5 г.

Всего выделится H2SO4

х9 = х5 + х7 = 2200 + 329 = 2529 г,

будет удалено Н2О

ад9 = Xg -|~ л'д = 403 *4” 60,5 == 463,5 2

(в расчете не учитываем разложение воды при выделении Н2 и О2 на электродах).

В кислоте, заливаемой в новую батарею, должно содержаться серной кислоты

хп = х3 — х9 = 3976 — 2529 = 1447 г, воды

х12 = х4 + *ю — 3800 + 463,5 = 7263,5 г.

Концентрация исходной кислоты, заливаемой в новую батарею хп1447

1^0^.,Ю° = 7263,5+~i~447~ 100 = 16’6

что соогве1С1вуег плотосги 1,117 г/с.и3.

Объем исходного электролита

^о + ^п 7263,5 + 1447

Унач- d -1J17.1000

Составить баланс потребности в материалах для изготовления активных масс 100 кадмий-никелевых аккумуляторов номинальной емкостью QH0M = Ь^а-ч.

Исходные вещества: гидроокись никеля (II) с содержанием «общего» никеля pNi=58%; «восстановленное» железо, содержащее 71% «общего» железа; окись кадмия с содержанием «общего» кадмия 87%.

Состав положительной активной массы: 75.5% гидроокиси никеля (II); 18,8% графита; 1,9% Ва(ОН)2-8Н2О; 3,8% раствора NaOH плотностью 1,10.

Состав отрицательной активной массы: 70% окиси кадмия, 26% «восстановленного» железа, 4% солярового масла.

Превышение фактической емкости аккумуляторов над номинальной 10% (/Ci = 1,10). Избыток фактической емкости кадмиевого электрода над емкостью окисно-нике- левого электрода 20% (/<2= 1,20). Коэффициенты использования активных веществ при полном заряде и разряде электродов: /<псп никеля 60?6; /Сисп кадмия 65%; /<исп железа 18%. Потери активных масс при изготовлении электродов 1,2?6 (^от = 1,012).

Решение

Ампер-часовая емкость всей пар]ни аккумуляторов (равная суммарной емкости окиспо-никелевых электродов)

Уфакг " ^ом KiU = 50.1,1.100 = 5500 а-ч, где и — количество аккумуляторов.

Электрохимические эквиваленты активных веществ:

2,19 г!а ч;

,;si I- 26,8

112,4

6/с»1 " 2-26,8 ~ г?п‘ч>

55,85,

Необходимое количество положительной активной массы на партию аккумуляюров

q _,2 19

g, =—-—^2 ^факт^пот— 0,58-0,755 5500-1,012 =

' Ni ' Ni (ОП)Л

= 27800 г = 27,8 кг,

в том числе шдроокнеи никеля (II)

75 5

27,8 " у^ " = 21,0 кг,

графи I а

18,8

27,8 — ^д- — 5,2 кг,

гидроокиси бария

1,9

27,8 Yqq - - 0,533 кг,

рас 1 вора NaOII плотнос1ыо 1,10

3,8

27,8 -^0= 1 ,056 кг,

твердого NaOH

8,99

1,056 —foo- = 0,095 кг,

где 8,99% — содержанке NaOII в растворе.

Фактическая емкость отрицательных электродов всей аккумуляторной партии

УфаКг= 4,к, /<2-5500.1,20 - 6000 а-ч

Удельная емкость отрицательной активной массы

°- = А aCd + А ’fc = ~^ pcd Ped ^п + “^ Р?е р Fe ^исп = = ■ g1) ■ 0,87.0,70.0,65 + ] q42 0.71.0,26-0,18 = 0,2205 а-ч/г,

где р'— содержание металла в соответствующем активном веществе; р"— содержание данного активного вещества в смеси.

Удельный расход отрицательной активной массы

1 _ 1

т- = ТГ^+2205 ^4'51 г/а‘"

Потребное количество отрицательной активной массы

^_ = /и_0факт 7<пот = 4,54.6600-1,012 = 30 300 а = 30,3 кг,

в том числе окиси кадмия

70

30,3- jqq = 21,21 кг,

«восстановленного» железа

26

30,3 |qq — 7,88 кг,

солярового масла

4

30,3 ioo= 1,21 кг.

Гидроокись никеля (II), идущую для приготовления положительной активной массы щелочных аккуму-

ляторов, получают взаимодействием растворов NiSO4 и NaOH

При этом = 186 г/л)При этом = 186 г/л)NiSO4 + 2NaOH Ni(OH)2 + Na2SO4 раствор NiSO4 плотностью 1,18 (CNiso4 = постепенно приливают к раствору NaOH

При этом = 186 г/л)

При этом = 186 г/л)

ПЛОТНОСТЬЮ 1,30 (Ск.юнПЛОТНОСТЬЮ 1,30 (Ск.юн= 352 г/л). В конце процесса в

ПЛОТНОСТЬЮ 1,30 (Ск.юн

ПЛОТНОСТЬЮ 1,30 (Ск.юн

образовавшейся пульпе должен сохраняться избыток NaOH (CNaOH^ 9 г/л).

Рассчитать суточный расход растворов NiSO4 и NaOH, необходимый для обеспечения выпуска щелочных аккумуляторов общей емкостью 0,5-106 а-ч! сутки. Коэффициент использования никеля в положительных электродах АГИСП = 55°6. Потери активного вещества на всех технологических операциях 2,0 ?6 (/<пот = 1,02). Для простоты расчета принять, что объем конечного раствора равен сумме объемов растворов NaOH и NiSO4. Какова объемная концентрация Ni(OH)2 и Na2SO4 в полученной пульпе? Каковы удельные расходы NaOH и NiSO4 на 1 а-ч емкости аккумуляторов?

Решение

Электрохимический эквивалент Ni(OH)2

_ MNi(OH)2 92,7

^Ni(OH)2 —^~ 1-26,8 ~3’46 г?а‘ч-

Удельный расход Ni(OH)2 на 1 а-ч емкости аккумулятора

^Ni(OH)»3,46

т№(ОН1 = " К ^ = “0 55- 1 .°2 = 6,42 г]а.ч.

Mi(UH)2Лиспи,ии

Количество Ni(OH)2, необходимое для обеспечения суточной производительности

£i=^Ni(0H) 9 = 6,42-500 000 = 3 210 000 а = 3210 кг.

Суточный расход твердого NiSO4 (безводного)

^л^=3210 1^ = 5360 ,.,ywNi(OH)292,7

где М — молекулярные веса соответствующих соединений.

Необходимый объем раствора NiSO4

и, =§25 360 000 = 28800

-186

Суточный расход твердого NaOH (100%-ного) для реакции

£з=51 4г2^-=3210 44г=2770Ni(OII)2’

Стехиометрпчески необходимый объем раствора NaOH для реакции

иг =§2= -■770 00 - = 7870 л.

С352

Объем конечной суспензии без избыточной щелочности

^3 = у1 + Уо = 28 800 + 7870 — 36 670 л

Объем раствора NaOH, нужный для придания суспензии избыточной щелочности

и3 CNaOHCNaOll “ CNaOHи3 CNaOHCNaOll “ CNaOH36 670-9352—936 670-9352—9= 962 л.= 962 л.

и3 CNaOH

CNaOll “ CNaOH

и3 CNaOH

CNaOll “ CNaOH

36 670-9

352—9

36 670-9

352—9

= 962 л.

= 962 л.

где CNa0H — концентрация NaOH в суспензии

Суточный расход раствора щелочи

v5 = у2 у4 = 7870 + 962 = 8832 л.

Общий расход твердого NaOH (100%-иого)

352-8832

— CNaOH и5 —Ю00—3110 кг.

Объем подщелоченной суспензии, получаемой за сутки у0 = у, -|- у5 = 28 800 4- 8832 - 37 632 д

Содержание Ni(OH)2 в суспензии gt 3 210 000 CNi(OH)2 = vd — 37 632 — 85,2 г1л"

Концентрация Na2SO4 в суспензии

6'1^а25О43 210 000-142,06

^Na2SO4 - у„ MNi(0Hb -37 632-92,7- 131 г/Л.

Удельные расходы:

безводного NiSO4

g. 5 360 000

mNiSO4— Q — 500 000 ” 10,72 г^а'ч«

100%-ного NaOH gt 3 110 000 ^NaOH - q — 500 000

. Провести конструктивный расчет кадмий-никелевого аккумулятора типа КН-50 (номинальной емкостью Сном = 50 а-чу При восьмичасовом режиме разряда электродная плотность тока D должна составлять примерно 8,0 мои см1. Крайними электродами аккумулятора являются положительные пластины. Кажущаяся плотность спрессованной отрицательной активной массы d_= = 4,2 г!см\ положительной активной массы d+ = 1,9 г/см‘ (состав активных масс — см. задачу И).

Решение

Дктивная поверхность отрицательных электродов

где т—время разряда, ч.

В электрохимическом процессе участвуют обе стороны электро дов. Поэтому их площадь S2 составит

Si 782о

S2 — 2 — 2 — ^^ С'И2.

Из конструктивных соображений (чтобы аккумулятор имел достаточную ширину), принимаем четыре отрицательных электрода в аккумуляторе; высота электрода по тем же соображениям должна быть на Va больше его ширины.

Отсюда площадь одного электрода равна

S2 391_„

S3 = "4" = "4" = 97,7 cni2.

Если ширина электрода а, то высота его равна 1,33 а. Зная площадь электрода, находим его размеры:

S3 = u-1,33а = 1,33 а2 = 97,7;

а = 8,57 см;

высота электрода b равна

Объем спрессованной отрицательной активной массы на один аккумулятор (без учета потерь):

g.30 300

р‘ = nd.Knox - 100.4,2-1,012 -71.3сл‘л

(значения g_, п, Кпот взяты из задачи 11).

Толщина отрицательных электродных брикетов

и. 71,3

0_ = у- = - ggi " =0,182 СМ = 1,82 мм.

Положительных электродов аккумулятора на один больше, чем отрицательных, т. е. п^ =5. По площади одиночные положительные и отрицательные электроды равны. Находим площадь всех положительных электродов

S4 = S3 п+ = 97,7• 5 = 488 см2.

Объем спрессованной положительной активной массы

g,27 800г

^“rtd+KnoT ~ 100.1 9-1,012 - 144.5

(значения gv, п, 7<иот взяты из задачи 11); g+ в задаче 11 рассчитано с учетом потерь; в данном случае потери не принимаются во внимание, поэтому в знаменатель вводится поправочный коэффициент Апот-

Толщина положительных электродных брикетов

144,5

б+ = —^gg— = 0,296 сл( = 2,96 лит.

Примечание. При автоматизированном процессе получения электродных брикетов определенной толщины расчет обычно ведется, исходя из емкости, отдаваемой ламелем стандартной толщины и определенной длины. При этом способе расчета у всех аккумуляторов одинаковая электродная плотность тока т-часового режима разряда, а избыток емкости электрода одной полярности над электродом противоположной полярности зависит от количества однополярных электродных пластин в аккумуляторе, так как от этого зависит соотношение активных масс.

Объем электролита щелочных аккумуляторов рассчитывают, исходя из необходимого межэлектродного зазора, наличия свободных пространств в аккумуляторе и пористости электродных масс. При расчете габаритов аккумуляторного сосуда учитывается необходимость некоторого газового пространства над электролитом и шламового пространства под электродным блоком.

Емкость свежезаряженного щелочного аккумулятора типа КН-60 равнялась 68,3 а-ч. После месячного бездействия в заряженном состоянии емкость того же аккумулятора составила 53,4 а-ч.

Определить саморазряд аккумулятора.

Решение

Qo — Qx 68,3 — 53,4

Gq = Qo^ =68,3-1 ЮО = 21,8%/месяц.

Габариты серебряно-цинкового аккумулятора типа СЦ-50 равны 64X49X 165 мм, масса £ = 0,84 кг. При разряде током 5,0 а аккумулятор проработал т = 12 ч 20 мин, из них 1 ч 25 мин (V = 1 ч 25 мин^ при напряжении г/р = 1,75 #, остальное время при у"р = = 1,51 в. Каковы удельные характеристики аккумулятора?

Решение

Разрядная емкость аккумулятора

Q = /t = 5,0 12+ -эд =61,7 а-ч.

Отданная энергия

w=qvcp=q (+<р + + v;p )=

1,511,51/ ЬбО + 25(12-60 + 20)—(1-60+ 25)

1,51

1,51

12-60 + 20 1*75+12-60 + 20

= 61,7-1,536 = 94,8 вт-ч.

Объем аккумулятора

и = 6,4-4,9-16,5 = 517 ^з=0,517 л.

Удельная емкость: по массе

Q 61,7

Qg = -7 = "ОТ =73’4 а‘ч;кг-

по объему

Q 61,7

у = 0 517 =119,3 а-«/л.

Удельная энергия: по массе

Г 94,8

^ = — = q^- = 113 вт-ч/кг;

по объему

Г 94,8

U^у = у = о 517 == 163,5 вш-ч1л.

Хлор-серебряно-магниевая батарея разряжается током Оу = 1,1 а на 1 сл3 объема батареи при среднем

напряжении 1,35 в. Какова удельная объемная мощность разряда батареи?

Решение

N^Dy Кр = 1,1-1,35 = 1,485 вт • ч/слР= 1, №квт • mJ л.

Батарея свинцовых аккумуляторов типа ЗСТ-70 заряжалась током 6,5 а в течение 14 ч при среднем напряжении 6,8 в. При разряде током 7,0 а батарея отдала свою емкость за 10 ч 30 мин при среднем напряжении 5,95 6. Какова отдача батареи по току и энергии?

Решение

Отдача по току

/р 1 ртразр7,0-10,5

~-Р100 = 80,8%.

|Т / згр^зарЬ,о-14’ ,и

Отдача по энер! пи

1/СРк п-

7Э = 7Т -JL22- — 8 0,8 _2l32_ = 70,7%.

1э ,т уср ’6,8

При заряде 6-часовым режимом (током 15 а) железо-никелевого акку мулягора типа ЖН-60, органичи- телем емкости которого является екпено-иикелевый электрод, за первые 3 ч процесса выделилось V = 5,1 л газа (объем приведен к нормальным условиям с вычетом паров воды) с парциальным давлением кислорода Р'^ = = 0,192 атм и водорода Рн _ 0,8и8 атм В последующие 3 ч заряда выделилось а" = 11,2 д газа с Ро = = 0,395 атм и Р^ = 0,605 атм.

Рассчитать отдачу аккумулятора по теку за первые и последующие 3 ч заряда, а также общую отдачу по

току глубину разряда электродов принять одинаковой по циклам).

Решение

Так как ограничителем емкости аккумулятора является оки- сно-никелевый электрод, то отдачу по току рассчитываем по количеству кислорода, выделяющегося на этом электроде.

Электрохимический эквивалент кислорода

22 400

% == 209 мл!а-4-

Количество кислорода, выделившееся за первые 3 ч

Vi = и' P'Q = 5,1-0,192 = 0,978 л.

Отдача по току за этот период заряда

/т-Л-978

' =Л 100 =——Л100 = 89>%-

т /т1 о • 3

Количество кислорода, выделившегося за последние 3 ч заряда

у = у» Р” = 11,2-0,395 = 4,42 л.

- о2’

Отдача по току за последние 3 ч заряда

4420

15-3 OOQ

7т + 77т —27т + 77т —289,6 4-53,2289,6 4-53,22= 71,4%.= 71,4%./ =100 = 532%,

7т + 7

7т —2

7т + 7

7т —2

89,6 4-53,22

89,6 4-53,22

= 71,4%.

= 71,4%.

Рассчитать э. д. с. свинцового аккумулятора РЬ | H2SO41РЬО3 по значениям равновесных потенциалов его электродов при 4- 25,"’С и плотности раствора H2SO4: а) 1,20 г! см3, б) 1,12 г!см3.

Решение

Электродная реакция на отрицательном электроде Pb + SO^~ ч* PbSO4 + й

на положительном электроде

РЬО2 + SO^ + 4Н+ чЬ PbSO4 + 2Н8Э—27

Определяем э. д. с. аккумулятора:

£ = <?+- <?-;

, RT , [Ок]

-Г zF in [Восст ] ;

_ - 4-1 67 4- °'059 1» Oso4- °И+ .

<Р+ = + 1,67 + . ' 1g;

2“н,0

0,059

Ф- = — 0,35— -у— lgns02- !

0 059

£ = <р+-?_ = 2,02 + 21221 1g——=

2 “н2О

°so2- ан+

= 2,02 + 0,059 1g;

°Н2О

так как

°SO2- °2Н+ = OH2SO1-

поэтому

Е = 2,02 4-0,059 1g.

°н2о

При плотности раствора серной кислоты 1,20 моляльность его равна 3,84, коэффициент активности 7 =0,166 [1]; при плотности раствора 1,12 моляльность равна 2,1 а 7, =0,125. Активность воды в этих растворах 67p|2Q равна, соо!ветственно, 0,790 и 0,907.

Тогда npndH2SO4 = 1,20

3,84-0,166

Et = 2,02 + 0,059 lg —o”79Q== 2,015 в.

ПРИ dH2SO4 = 1.12

„2,1-0,125

f2 = 2,02 + 0,059 lg —0-9^— = 1,988 в.

Рабочая поверхность S однополярных пластин одиночного свинцового аккумулятора батареи ЗМТ-7 равна 130 см2. В межэлектродном пространстве с / = = 3,0 мм установлены деревянный сепаратор толщиной /2=1,0 мм и стекловойлочный толщиной /3 = 0,5 мм. Объемная пористость П: а) у деревянных сепараторов ~7О?6; б) у стекловойлсчных ~88%. Коэффициент извилистости пор К у деревянных сепараторов и у стекловойлочных соответственно 1,5 и 1,15.

Рассчитать падение напряжения в электролите межэлектродного пространства одиночнс го аккумулятора при разряде его током 2,8 а*, а) в начале процесса, когда плотность электролита — раствора серной кислоты dHSO = 1’28 и б) в конце разряда, когда dH S0 = 1,12. Удельная электропроводность электролита:

х = 0,707 олг1-слг1; х = 0,607 олг^слг1.

1,281,12

Решение

Сопротивление электролита складывается из сопротивления электролита Рэл в свободных зазорах между электродами и сепараторами и сопротивления электролита в порах сепараторов — деревянного Рд и стекловойлочного Рст.

Сопротивление электролита в заряженном аккумуляторе

Rt = R^ -I- Rx !- R„ =

1/1,1 UKi ,1 UK.

" "1,28 ' s + "1,28 '"1,28 ' S^ "

1/0,30 — 0,150,101,5 , 0,05-l,15\

= 0,707 ^130+ 130-0,70130-0,88 y= 0,00467 ом,

где lv = I — (/2 + Z3) — толщина межэлектродного слоя электролита, не занятого сепараторами.

Падение напряжения в электролите в начале разряда

A н = IRX = 2,8-0,00467-1000 = 13,1 мв.

Сопротивление электролита плотностью 1,12 1/ 0,150,10-1,50,05-1,15\ _„

0,607130 + 130-0,70 + 130-0,8800545 ом.

Падение напряжения в электролите в конце разряда

Д У2 =//?2 = 2,8-0,00545-1000 = 15,3 мв

(в расчете не учитывалось падение напряжения в электролите внутри пор активного вещества).

Каково внутреннее сопротивление аккумулятора типа КН-100 в середине его разряда, если в этот момент его напряжение при 20-часовом режиме разряда равно 1,22 в, а при 2-часовом режиме 1,09 в?

Решение

Сила тока разряда при 20-часовом режиме

Q 1°° А

^о = т — 20 — 5,0 а*

при 2-часовом режиме

/2 = -у = 50 а.

Внутреннее сопротивление

Я-Я-Л-ЛоЛ-Ло1 ,22- 1,091 ,22- 1,09= 0,0029 ом.= 0,0029 ом.

Я-

Я-

Л-Ло

Л-Ло

1 ,22- 1,09

1 ,22- 1,09

= 0,0029 ом.

= 0,0029 ом.

Э. д. с. медноокисного элемента, электролит которого (5 и. NaOH) насыщен цинкатом, равна 0,89 в.

Определить термодинамическим расчетом, какая из указанных элементных реакций является э. д. с.-определяющей:

Zn + 2Cu(OH)2 ZnO + Cu2O + 2Н2О

Zn 4- 2CuO ZnO -I- Cu2O

Zn + Си (OH)2 ZnO Си 4~ Н2О

Zn 4- СиО ZnO 4- Си

Zn 4- Си2О ZnO + 2Си

Решение

Произведем расчет э. д. с. для каждой реакции. Э. д. с. гальванического элемента может быть рассчитана через изменение термодинамического потенциала Гиббса при э. д. с -определяющей реакции (см. гл I):

Л Ф

А Ф = S А Фкоп —Sa Фрач.

Изменение термодинамического поюнциала Гиббса при реакции (а)

А Фа = А Ф2п0 4- -^ фси.О Л 2 -^ фп,0 " -^ ф7п — 2 А ФС|1(Он)2 —= — 76,05 — 34,98 — 2.56,69 -; 0-J-2-85,3 = —53,81 ккал;

53810

£а“ 2-23060 = 1’17 с’

при реакции (б)

Д ф6 = А Ф2п0 + -^ фСп2о ““ -^ ^zn ~ 2 А ФСи0 =

= — 76,05 — 34.98 +0 + 2-30,4 = —50,23 ккал;

50 230

£б “ 2-23 060 “ 1 ’°9 в;

при реакции (в)

Д фв = А Ф2п0 + А ФСн + А Фц2о— △ Фгп — А фСи(ОН)2 = = — 76,05 — 0 — 56,69 + 0 + 85,3 = — 47,44 ккал;

47 440

£в ~ 2-23 060 “ 1,03 б;

при реакции (г)

А фг = А Ф2п0 + А ФСи — А Ф2п — А ФСиО =

= — 76,05 + 0 — 0 + 30,4 = — 45,65 ккал;

45 650Л ПА

Ег ~ 2-23060 —°’99

при реакции (д)

А Фд = А Ф2пО + 2 А ФСи — А Ф2п — А ФСи2О =

= — 76,05 + 0 —0 + 34,98 = —41,07 ккал;

41 070 Л on

Е& ~ 2-23060 “ °’89 °-

Практически полное совпадение расчетной величины Ед с экспериментальным значением э. д с. медноокисного элемента указывает, что э. д. с.-определяющей реакцией в этой системе является реакция (д).

Рассчитать изменение при + 25°С термодинамических функций АФ, А Н и А5Э при реакции

Zn + HgO ZnO + Hg

по электрохимическим параметрам окисно-ртутного (ОР) элемента Zn (ZnO) КОН HgO(Hg), в котором

K2Zn(OH)4

протекает эта реакция.

Э. д. с. ОР-элемента Е = 1,353 в, температурный коэффициент э. д. с. ™ = +0,04 мв/°С [2]. Сравнить полученные данные со значениями, рассчитанными по табличным величинам термодинамических функций компонентов реакции.

Решение

Изменение термодинамических функций, рассчитанное по эксперимеи гальпым параметрам ОР-элемента:

-2-23 060-1,353

А Фх = — г Ft Е=Гббб= — ккал [моль;

, п dE 2-23 060-0,04

А 5Э = zFi =pqqq= 1,845 кал/моль-°C;

,1,845

A Hi = А Фх + ТА 5Э = — 62,4 + 298 ^qqq ” = — 61,85 ккал [моль.

Изменение термодинамических функций, рассчитанное по табличным величинам:

А Ф2 — А Ф2, о + А Фн„ — А Ф2п — А ФН£О “

= — 76,05 + 0 — 0 + 13,99 = — 62,06 ккал [моль;

kH2 = & Н7пО + A//Hg — АЯ2п — AHHg0 =

= — 83,17 + 0 — 0 + 21,68 = — 61 ,49 ккал/моль;

А 5Э = SZnO + SHg — S2n— SHg0 =

= + 10,5 + 18,5 — 9,95— 17,2 = 1,85 калр^-моль.

Близкое совпадение термодинамических функций, рассчитанных из экспериментальных и табличных данных, подтверждает, что выбранная элементная реакция действительно является э. д. с.-оп- ределяющей.

Серебряно-цинковый аккумулятор типа СЦ-40 разряжается током 100 а. Серебряный электрод аккумулятора, имеющий емкость 50 а-ч при 10-часовом режиме разряда, был заряжен на 65% (в расчете на реакцию Ag ^ AgO). Разряд аккумулятора при таком режиме идет одноступенчато, при среднем напряжении Vpa3p = - 1,35 в.

Рассчитать конечную температуру такого аккумулятора после 20 мин разряда, если начальная температура + 20°С, масса аккумулятора g = 840 г, а его средняя теплоемкость с -= 0,30 кал’г С. Потери тепла в окружающую среду принять равными 10?и от количества выделяющегося тепла.

Решение

Доля серебра в виде AgO в заряженном серебряном электроде (при расчете на полное окисление металлического серебра)

р1 = (65 —50) 2 = 30%,

70% серебра (р2) электрода находятся в форме Ag2O (50%—степень заряженносги электрода при его полном окислении до Ag2O).

Для упрощения расчета примем, что при разряде серебряного электрода в первую очередь электрохимически восстанавливается вся окись серебра по реакции

AgO-* Ag

после чего только и начинается электродная реакция перехода

Ag2O-* Ag

Это упрощение не изменит конечного результата расчета.

Первая стадия разряда:

Zn + AgO-* ZnO + Ag

Изменение энтальпии при этой реакции

Д Н1 = д Н7пО + д нЛе - ьн7п - ЬН.Хе0 =

= — 83,17 4-0 — 0 + 3,15 = — 80,02 ккал(моль.

Тепловое напряжение разложения для этой стадии , АН^ 80 020„

= ~ zFr = 2-23 060 “1,/35в-

Количество электричества, полученного за счет реакции AgO-> Ag

pi г30-2

91 = $10 Рг + Piz = 50 70 + 30-2 = 23

где Q16— полная емкость аккумулятора при 10-часовом режиме разряда; pi и р2 — содержание AgO и Ag2O в активной массе, %; 2—изменение валентности AgO.

Вторая (условная) стадия разряда аккумулятора:

Zn + Ag2O -> ZnO + 2Ag

Изменение энтальпии при этой реакции

А ^2 = A HZn0 + 2 A HAg - bHZn - ^Н^ -

= — 83,17 + 0 — 0 + 7,3 = — 75,87 кка1/люль.

Тепловое напряжение разложения на этом этапе разряда

„75 870

£т™ 2-23 060 “ 1,645 6

Количество электричества, полученного за счет реакции

Zn+Ag2O-> ZnO + 2Ag

20

Q2 = / т — Qi = 100 -^q- — 23 = 10,3 а-ч.

Количество тепла, выделившегося при разряде аккумулятора Qr = 860 [Qi ( Е\ - Иразр ) + Q. ( Е^ - Уразр )] =

= 860 [ 23 (1,735 —1,35) +10,3 (1,645 — 1,35) ] = 10 210 кал.

Примечание. При разряде химического источника тока, когда электрохимическая реакция протекает самопроизвольно, уравнение (51), выведенное в гл. I для расчета джоулевого тепла, видоизменяется. В этом случае необходимо вычитать рабочее напряжение из теплового напряжения разложения, а не наоборот.

Потери тепла в окружающую среду

AQT = 0,bQT = 0,bl0210= 1021 кал.

Повышение температуры аккумулятора в течение разряда

Конечная температура аккумулятора

Ткои = 20 + 36,5 = 56,5°С.

Какое количество тепла выделится за 10 мин разряда в 15-элементной батарее Mg | NaCl | AgCI, разряжающейся током 0,80 а, если среднее разрядное напряжение ^разр на один элемент батареи составляет 1,35 в?

При разряде 60% прореагировавшего магния (pj расходуется на собственно электрохимический процесс

Mg + 2AgCl-> MgCl2 + 2Ag

a 40% (p2) на химическое взаимодействие с электролитом

Mg + H2O-*MgO + H.

Решение

Изменение энтальпии при реакции электрохимического про

цесса

Д Н, = Д Н№ + ЬН' + 2 Д HAg - Д /^ - 2 ДЯАйС1 = = - 153,4 — 34,0 4-0 — 0 + 2.30 36 = — 126,68 ккал, " где А Н'— изменение энтальпии при растворении MgCl2.

Тепловое напряжение разложения при электрохимической реакции

^Л__126680__ст-— zFt - 2-23 060 -z-,oe'

Изменение энтальпии при реакции коррозии магния

А //2 — A Т А 7/Нг — A HMg — ДННгО= — 143,84 + 0 — 0 + 68,32 = — 75,52 ккалIмоль.

Количество тепла, выделившегося за 10 мин разряда при собственно электрохимическом процессе

,10

Qt = 860/t (Ет - Уразр) л = 860-0,8 -^ (2,75— 1,35) 15 =

= 2410 кал, где п — количество элементов в батарее.

Емкость, отданная элементами батареи при разряде

10

Q = /тп =0,80 "gg- 15 = 2,0 а-ч.

Количество магния, израсходованного на химическое взаимодействие с электролитом

Q p^ 2,040

g = гР . — = ■ 2-26,8 ' 60"= °>0249 г-атом.

Количество тепла, выделяющееся в батарее при реакции магния с электролитом

Q* = —Д//2 g = 75520-0,0249 = 1880 кал.

Суммарное количество выделившегося при разряде тепла

QT = Q' + Q" = 2410 + 1880 = 4290 кая

Заряд серебряно-цинкового аккумулятора током / = 10 а до достижения конечного напряжения 2,10 в длился т = 11 ч 40 мин, из них 4 ч 10 мин (^ = 250 мин) на первой зарядной ступени при среднем напряжении ^ = 1,65 в, остальное время на второй ступени при у2 = = 1,96 в. Количество электричества, принятого при заряде аккумулятором, соответствует коэффициенту использования серебра в положительном электроде КИСП = = 65?о (в расчете на изменение валентности, равное двум); в конце заряда положительная электродная масса содержит еще pv ^ 5% серебра в металлической форме. Отдачи по току у обоих электродов можно считать равными 100%.

Рассчитать количество джоулева тепла, выделяющегося при заряде такого аккумулятора.

Решение

На первой зарядной ступени идет реакция

a) ZnO + 2Ag-> Zn + Ag2O

Изменение энтальпии при этой реакции

А Н'= А Я2пО + 2 A HXg - ДЯ211 - ДЯА„гО = = — 83,17 + 0 —04- 7,3 = —75,87 ккал (конечными веществами при расчете изменения термодинамических функций считаются продукты самопроизвольного протекания реакции; в данном случае ZnO и Ag).

Тепловое напряжение разложения

„- _^H'75 870,

Ет~— 2РТ ~ 2-23 060 - 1-640 3-

Количество тепла, выделяющегося в аккумуляторе в ходе первой зарядной ступени

,,250

QT=0,860/4 (^—Е,.) =0,860-10 -gQ (1,65— 1,645) =0,18 ккал.

На второй зарядной ступени для удобства расчета примем возможность параллельного протекания наряду с реакцией (а) только двух реакций:

ZnO+ Ag> Zn + AgO

ZnO + Ag2O► Zn -|- 2 AgO

Изменение энтальпии при реакции (б)

ДЯ"=ДЯ2пО + ^НAg - ДЯ2п - AEAgO == — 83,17 + 0 —0 + 3,15 = —80,02 ккал;

при реакции (в)

AH'" = ДЯ2п0 + ДЯ^о - ДЯ7п - 2AEAgO = = — 83,17 —7,3 —0 + 2-3,15 = —84,17 ккал.

Тепловое напряжение разложения для реакции (б)

»OU UZrU_ _

Ет = 2-23 060 = 1 - 735

для реакции (в)

84170

Ет ~ 2-23060 ~ 1,825 61

Суммарная зарядная емкость, принятая аккумулятором /40 \

Q = -/ = /11 + -§Q- 10= 116,7 а-ч.

Количество серебра в положительных электродах аккумулятора в пересчете на металлическое

Qqi 116,7-2,012

8Ай"0,65— 361 г.

Заряженный серебряный электрод содержит неокисленного металлического серебра

gx = g pi = 361 -0,05 = 18,0 г. Ag

Коэффициент использования серебра за вычетом неучаствовавшей в процессе металлической компоненты

^ИСП65

^исп- (1—Р1) ~ 0,95 - 68,4/0-

Количество серебра в положительной электродной массе, окисленного до AgO

<,сп2-Ю0 /100\ ° Ag<,сп2-Ю0 /100\ ° Ag_ 68,4-2—100_ 68,4-2—100100100(361 — 18) = 126 г(361 — 18) = 126 г

<,сп2-Ю0 /

100\ ° Ag

<,сп2-Ю0 /

100\ ° Ag

_ 68,4-2—100

_ 68,4-2—100

100

100

(361 — 18) = 126 г

(361 — 18) = 126 г

(при умножении Кисп на 2 находим коэффициент использования серебра в расчете на изменение его валентности, равное единице. Превышение полученного значения над 100% соответствует процентному содержанию AgO в массе).

Количество серебра, находящегося в серебряном электроде в форме Ag2O

£з = ^Ag”" (^ + ^ = 361 “ (18 + 126) = 217 г’

в том числе количество Ag2O, образующегося на первой зарядной ступени

250

=4,025 = 167 г,

где q2 = 4,025 г[а-ч — электрохимический эквивалент серебра в расчете на то, что валентность серебра изменяется на единицу.

Количество серебра, превращающегося в Ag2O на второй зарядной ступени"

g’3 =53-^ = 217- 167 = 50 г.

Количество Ag2O, находящегося в заряженном серебряном электроде (g3), превышает количество Ag2O, образующегося в ходе первой зарядной ступени (g3). Это свидетельствует, что вся окись серебра AgO, сформированная в ходе второй зарядной ступени, могла образоваться по реакции (б). И хотя реакция (в), несомненно, протекает в электроде, однако, учитывая закон Гесса о независимости теплового эффекта реакции от ее промежуточных стадий, возможно в данном случае провести тепловые расчеты только по реакциям (а) и (б). Не скажется на суммарном тепловом эффекте и то, что при расчете не учитывается внутриэлектродная реакция взаимодействия AgO с оставшимся металлическим серебром

AgO + Ag> Ag2O которая протекает на второй стадии заряда.

Количество тепла, выделившегося на второй зарядной ступени за счет реакции (а)

„^з / М50

Qt= 0,860 — ^2-Ет) =0,860 ^q25 (1,96— 1,64 5) = 3,36^ал.

Количество тепла, выделившегося за счет реакции (б)

*go i п \126

Q = 0,860l/2—Е= 0,860-5-777 (1,96- 1,735) = 12,Хккал.

т<71 \ т JZ’

Суммарное количество выделившегося тепла

Qt = Q'+Q^+ Q" = 0,18 + 3,36 + 12,1 = 15,64 ккал.

Примечай и е. Расчет количества джоулевого тепла, выделившегося при заряде аккумулятора, дан для большей наглядности в развернутой форме. Более коротким путем является подсчет по формуле

QT = 0,860 / т (Рср — Вт Ет — Вт £т) ккал,

где Vcp — среднее напряжение при заряде, в; т—полное время заряда, ч;

Вт и Вт — доли тока, затраченные на образование Ag2O и AgO соответственно.

Рассчитать количество джоулевого тепла, выделяющегося за 30 мин зарядного процесса в ванне совместного формирования электродов свинцовых аккумуляторов в начале и в конце формирования при одноступенчатом режиме заряда.

Токовая нагрузка на ванне /=200 а, напряжение в начальной стадии процесса Vx = 2,40 в; при этом выход по току Вт^95%. 5% (В'т) расходуется на электролиз воды. Напряжение в конце процесса 2,65 в, выход по току Вт = 10?6.

Решение

Процессы в ванне:

2PbSO4+2H2O->Pb+PbO2+2H2SO4

Н2О->Н2 + 4“ о2

Изменение энтальпии при реакции (а)

ДН1= 2+2Д Н — ХН — ХН — 2ХН — 2ХН'=

PbSO4Н2О Pb PbO2H2SO4

= — 2-219,5 —2 68,32—0 + 66,12 + 2-193,91+ 2-17,0 =-- — S1,1ккал. где Д Н'— изменение энтальпии при образовании раствора H2SO4.

При реакции (б)

1

△ Я2= Д Я _ — Д Н — -о- д нл Н20 Н2 2 ог

= — 68,32 —0 — 0 = — 68,32 ккал.

Тепловое напряжение разложения для реакции (а)

для реакции (б)

„68 320

Ет = 2-23060 - 1,48

Количество тепла в ванне, выделяющегося за 30 мин в начальной стадии зарядного процесса

q; = о,8бо/ т [вт (и, - ет) + в; (Vj - е;)] =

=0,860-200 -^- [0,95 (2,40— 1,90)+ 0,05 (2,40— 1,48)]=

= 44,8 ккал

Количество тепла, выделяющегося за 30 мин в ванне в конечной стадии процесса

„30 Г1

QT = 0,860-200 — 0,10(2,65—1,90) 4- 0,90(2,65— 1,48) =

= 97,0 ккал

Сравнить количество тепла, выделяющегося за 15 мин в открытых и герметичных кадмий-никелевых аккумуляторах на разных стадиях их заряда током 1,0 а: а) при недозаряде обоих электродов (зарядное напряжение V3 = 1,45 в; считать полезное использование тока на обоих электродах 100%-ным); б) при полном заряде окисно-никелевого и недозаряде кадмие- 66

вого электродов (V3 = 1,48 в); в) в конце заряда — полная заряженность обоих электродов при V3 = 1,85 в для открытого аккумулятора и полный заряд для герметичного аккумулятора с /з = 1,48 в.

Решение

Суммарные токообразующие реакции в аккумуляторах на стадии (а)

Cd (OH)2+2Ni(OH)2 -> Cd+2Ni(OH)3

(фактически в заряженном окисно-никелевом электроде образуется fi-NiOOH однако из-за отсутствия для него величин термодинамических функций принимаем величины для Ni(OH)3, что мало сказый- вается на окончательных результатах).

Реакция на стадии (б) для открытых аккумуляторов

Cd(OH)2->Cd+ 4" Оо+НоО

В герметичных аккумуляторах первоначально образующийся кадмий снова окисляется кислородом, выделяющимся на окисно-никелевом электроде, г е на этой стадии заряда не происходит химических превращений электродных веществ.

Реакции на стадии (в):

для открытых аккумуляторов

Н2О-** Н2+ ~2~ О2

для герметичных аккумуляторов см. стадию (б)

Изменение энтальпии при реакции на стадии (а)

ХН=2ХН -V-ЬН — ХН — 2ХН = Ni(OH)2 Cd(OH). CdNi(OH)d

= — 2.128,6 — 133,3 — 0 + 2-162,1 = — 66,3 ккал;

при реакции на стадии (б) в открытых аккумуляторах

ХН2=ХН —ИН2 Cd(OH)2 CdХН2=ХН —ИН2 Cd(OH)2 Cdхн -хно2 Н2Охн -хно2 Н2О

ХН2=ХН —ИН

2 Cd(OH)2 Cd

ХН2=ХН —ИН

2 Cd(OH)2 Cd

хн -хн

о2 Н2О

хн -хн

о2 Н2О

= — 133,3 — 0 — 0 + 68,3 = — 65,0 ккал;

при реакции на стадии (в) в открытых аккумуляторах

ЬН3 = АН—ДН — 4- ДЯ =- 68,3-0 — 0 = — 68,3 ккал.

Н2О Н2О2

Тепловое напряжение разложения для стадии (а) ,66 300

£Г — 2-23060 = 1,44 в’

для стадии (б) в открытых аккумуляторах „65 000

£т = 2-23 060 = 1,41 81

для стадии (в) в открытых аккумуляторах „,68 300

Е' =' 2-23 060 “ 1.48 в.

Тепловое напряжение разложения Ет для стадий (б) и (в) в герметичных аккумуляторах равно нулю, так как па этом этапе зоряда отсутствуют превращения электродных веществ.

Количество тепла, выделяющееся за 15 мин на стадии (а) в открытых и герметичных аккумуляторах

Q = 860/т (V3— £') = 860-1,0-^- (1,45 — 1,44) = 2,1 кал.

Количество тепла, выделяющееся за 15 мин нз стадии (б) в открытых аккумуляторах

Q' = 860-1,0 — (1,48— 1,41) = 15,05 кал.

в герметичных аккумуляторах „15

QT, = 860-1,0 -^- 1,48 = 318 кал.

На стадии (в) за 15 мин выделится теплт в открытых аккумуляторах

,15

QTe = 860 -1,0 -gjy- (1,85 — 1,48) = 79,5 кал, в герметичных аккумуляторах

QTi = QTg = 318 кал.

Примечание. Количество тепла, выделяющееся в открытых аккумуляторах, несколько меньше расчетного, так как образующиеся газы уносяг с собой некоторое количество паров воды, на образование которых затрачивается теплота.

ЗАДАЧИ

Разрядная емкость окисно-никелевого электрода щелочного аккумулятора должна равняться 1,5 а-ч. Положительная активная масса, из которой изготавливается электрод, содержит 45,6% никеля в пересчете на металлический; коэффициент использования никеля при разряде равен 60%.

Какое количество активной массы необходимо заложить в электрод? Напишите основную электродную реакцию.

Окисно-никелевый электрод щелочного аккумулятора содержит 16,2 г активной массы. В составе активной массы 47,2?6 никеля в пересчете на металлический. Коэффициент использования активного вещества при разряде равен 63%.

Какой разрядной емксстью обладает электрод?

Электродная ламель, внутрь которой запрессовано 7,0 г железной активной массы с содержанием 69,8% «общего» железа, отдала емкость 1,18 а-ч.

Каков коэффициент использования железа? Напишите основную электродную реакцию.

Отрицательный (железный) электрод щелочного аккумулятора должен иметь разрядную емкость 3,2 а-ч. Активная масса электрода содержит 70,2% «общего» железа. Коэффициент использования железа при разряде электрода равен 25%.

Какое количество активной массы должно быть затрачено на изготовление электрода (без учета потерь)?

Железный электрод щелочного аккумулятора содержит 22,8 г активной массы. В ее состав входит 69,3% «общего» железа; коэффициент использования железа при разряде электрода равен 23%.

Определить разрядную емкость электрода.

Отрицательный электрод щелочного аккумулятора, содержащий 7,2 г чисто кадмиевой (без железа) активной массы с 79,2% «общего» кадмия, обладает разрядной емкостью 1,70 а-ч.

Каков коэффициент использования кадмия?

Кадмиевая активная масса (без добавки железа), идущая для приготовления отрицательных электродов щелочных аккумуляторов, содержит 78,5% «общего» кадмия; коэффициент использования кадмия при разряде равен ~ 65%.

Какое количество активной массы необходимо заложить в электрод, чтобы получить с него разрядную емкость 2,6 а-ч?

Отрицательный электрод щелочного аккумулятора содержит 18,2 г чисто кадмиевой массы с 80,1 % «общего» кадмия; коэффициент использования кадмия при разряде равен 63%.

Какова разрядная емкость электрода?

Отрицательный электрод щелочного аккумулятора изготовлен из кадмиево-железной активной массы, содержащей 57,8% «общего» кадмия и 21,3% «общего» железа.

При таком составе массы коэффициент использования кадмия 65% , железа 18?6.

Какова доля каждого компонента в токообразованииг Какой емкостью будет обладать электрод, содержащий 10,2 г активной массы?

В качестве положительной активной пасты для электродов свинцового аккумулятора применена масс< 70

следующего состава: 100 кг «свинцового порошка» (состоящего на 60% из РЬО, остальное — металлический свинец); 10 л воды и 7,5 л раствор H2SO4 плотностью 1,32.

Какое количество пасты необходимо для изготовления положительных электродов для 100 аккумуляторов емкостью каждый 120 а-ч, если /<нсл свинца в активной массе электродов равен 60%, потери пасты при изготовлении 0,7%. Каков удельный расход свинцового порошка на 1 а-ч емкости аккумуляторов?

Напишите основную электродную реакцию.

Отрицательная паста для электродов свинцовых аккумуляторов имеет следующий состав: 100 кг «свинцового порошка» (на 60% окисленного до РЬО), 13 л воды, 5 л раствора H2SO4 плотностью 1,32, «расширитель» — 3,5 к \

Какое количество пасты должно быть заложено в отрицательные электроды, чтобы последние обладали фактической емкостью 140 а-ч (7<исп свинца 65 %)? Напишите электродную реакцию.

Ограничителем емкости серебряно-цинкового (СЦ) аккумулятора, имеющего фактическую разрядную емкость 8,0 а-ч, является серебряный электрод. Коэффициент использования серебра при разряде электрода равен ^ 60% (в расчете на изменение валентности равное двум).

Какую навеску серебряного порошка необходимо взять для изготовления электрода?

Серебряный электрод СЦ-аккумулятора весит 4,3 г (без токоотвода). Коэффициент использования серебра (в расчете на изменение валентности, равное двум) составляет 60%.

Какой разрядной емкостью обладает электрод?

Серебряный электрод СЦ-аккумулятора, содержа-

щий 6,27 г металлического серебра (без токоотвода), отдал емкос1ь 1,98 а-ч.

Чему равен коэффициент использования серебра в расчс-ie на изменение валентности, равное 1 и 2. Напишите соответствующие электродные реакции.

Порошковый цинковый электрод СЦ-аккумулято- ра содержит 5,67 г отрицательной активной массы (не- подсушенной); фактическая емкость электрода2,22 а-ч. Активная масса изготовлялась смешением 100 в. ч. сухой смеси с 20 в. ч. связующего. Сухая смесь в свою очередь была приготовлена из 25 ?6 цинковой пыли (содержащей 10% окиси цинка) и 75?о окиси цинка.

Рассчитайте коэффициент использования цинка в электроде. Напишите основную электродную реакцию.

Фактическая емкость порошкового цинкового электрода СЦ-аккумулятора равна 3,5 а-ч. Коэффициент использования цинка в электроде ^ 65 %. Потери активной массы при изготовлении электродов 2%.

Какое количество цинковой пыли, окиси цинка и связующего должно быть затрачено для изготовления партии в 1000 электродов? Состав активней массы — см. задачу 43.

Сухой марганцево-цинковый элемент, ограничите лем емкости которого является положительный электрод, имеет емкость 18,5 а-ч. На изготовление одного элемента расходуется положительной активной массы 225 г (без учета потерь). Положительная активная масса готовится смешением углемарганцевой смеси с нашатырем NH4C1 и электролитом. Углемарганцевая смесь содержит 81,5% активированного пиролюзита (имеющего 71,2?6 МпО2), 15,2?6 графита и 3,3?6 сажи. На 100 г углемарганцевой смеси добавляется 14 г нашатыря МН4С1 (сухая смесь); на 100 г сухой смеси — 27 г электролита (связующее).

Каковы коэффициент использования МпО2 и удельный расход jглемарганцсвой смеси? Напиши ге основную токообразующую реакцию в электроде.

В окисиортутном элементе типа ОР-4 положительная активная масса равна 16,0 г, она состоит из 95% HgO и 5‘% графита.

Каков коэффициент использования окиси ртути в расчете на номинальную емкость элемента, равную 2,6 а-ч (ограничитель емкости элемента — окиснортут- ный электрод)? Напишите электродную реакцию.

Фактическая емкость медноокисного элемента типа МОЭ-250 составляет около 270 а-ч. На изготовление его положительного электрода (ограничителя емкости элемента) идет активная масса, приготовляющаяся смешением 100 в. ч. окиси меди (содержащей около 92?6 СиО) и 11 в. ч. связующего.

Какова должна быть навеска активной массы на электрод элемента, если коэффициент использования СиО на нормальном режиме разряда равен примерно 97% ? Каков должен быть в элементе объем электролита — раствора едкого натра плотностью 1,20 (216 г! л NaOH), если коэффициент использования щелочи равен 70%? Запишите основную гокообразующую реакцию в элементе.

В резервном свинцовом элементе с хлорной кислотой РЬ | НС1О41 РЬО2 на 1 а-ч фактичэской емкости расходуется около 20 г 50?6-ного раствора НС1О4.

Каков коэффициент использования НС1О4?

Суммарная элементная реакция

РЬ + РЬО2 + 4НС1О4 -> 2РЬ(СЮ4)2-|-2Н2О

В одном из типов резервного свинцово-цинкового элемента Zn | H2SO41РЬО2 электролитом служит 36% -ный

раствор серной кислоты (467 г!л H2SO4) со специальными добавками.

Рассчитать необходимый объем электролита для элемента емкостью 8,5 а-ч, если коэффициент использования H2SO4 при разряде равен 44?6.

Суммарная элементная реакция

Zn+PbO24-2H2SO4~>ZnSO4 + PbSO4+2H2O

Резервная 18-элементная последовательно соединенная батарея Mg|NaCl|CuCl имеет емкость 1,5 а-ч. Средний коэффициент использования однохлористой меди при разряде батареи равен 6О?6.

Какое количество CuCl (без учета потерь) необходимо для изготовления положительных электродов батареи?

Суммарная элементная реакция

Mg+2Cu С1 MgC 12 + 2Cu

В резервном магниевом элементе смешанной деполяризации Mg| NaCI ^ в качестве положительной активной массы использована смесь из 23,3 в. ч. AgCl и 76,7 в. ч. K2SoO8 (без учета связующего). На батарею из 15 последовательно соединенных элементов израсходовано 232 г смеси AgCl и K2S2Ob.

Каков коэффициент использования K2S2O8, если фактическая емкость батареи составляет 2,65 а-ч, а коэффициент использования AgCl при разряде равен 98%? Какова доля AgCl и K2S2O8 в токообразовании?

Токообразующая реакция в элементе;

(v + 111) мй + n AgC* + rn K2SA

-> -^- MgC|2 + т MgSO4 + т K2SO4 + п Ag

где п и т — коэффициенты, зависящие от содержания AgCl и K2S2O8 в активной массе и от режима разряда.

В разработанном Кирком и Фрайем [3] сухом магниевом элементе в качестве положительного активного вещества использован метадинитробензол (ДНБ) CeH4(NO2)2. С 2 в. ч. ДНБ смешивалась 1 в. ч. электропроводной добавки (графит + сажа). На 100 в. ч. такой смеси добавлялось 3 в. ч. ВаСгО4. Агломератная масса изготовлялась смешением 2 в. ч. полученной сухой смеси с 3 в. ч. электролита.

Рассчитать коэффициент использования ДНБ в элементе, если его агломератная масса—47 г, а отданная емкость — 18 а-ч.

Электрохимическая схема элемента:

Mg | MgBr21 C6H4(NO2)2(C)

Полная элементная реакция

6Mg+C6H4(NO2)2+8H2O->6Mg(OH)2+C6H4(NH2)2

А. В сухом магниевом элементе вида

Mg I MgBr21 (CH3)2N-^"/-NO

доля активного вещества НДМА в агломератной массе составляет 26%.

Рассчитать необходимое количество агломератной массы (без учета потерь) для элемента емкостью 25 а-ч, если коэффициент использования НДМА при нормальном режиме разряда равен 87%.

Элементная реакция

2Mg+(CH3)2N • CGH4NO -[-3H2O->

2Mg(OH)2 -I- (CH3)2N-CgHiNH2

Б. To же для элемента вида

Mg|MgBr2| HON-Mg|MgBr2| HON--NOH*-NOH*

Mg|MgBr2| HON-

Mg|MgBr2| HON-

-NOH*

-NOH*

с элементной реакцией

3Mg+CGH4(NOH)2+4H2O->3Mg(OH)2+CcH4(NH2)2

Коэффициент использования парахинондиоксима равен 93%.

В опытном магниевом элементе «сухого» типа Mg | MgBr21 МпО2 доля расхода магния на собственно электрохимический процесс составляет около 55% его общего расхода (при непрерывном разряде элемента). Остальные 45% расхода металла (без учета неиспользованной части электрода) обусловлены химическим взаимодействием магния с электролитом, которое сопровождается выделением водорода.

Какой приведенный объем водорода выделится за сутки из 20-элементной последовательно соединенной батареи, разряжающейся непрерывным током 200 ма?

Реакция разряда

Mg+2MnO2+2H2O^Mg(OH)2+2MnOOH

Реакция коррозии

Mg+2H2O->Mg(OH)2+ t Н2

Рассчитать количество активных масс, необходимых для изготовления 100 железо-никелевых аккумуляторов номинальной емкостью 120 а-ч.

Железная активная масса содержит 70,2% «общего» железа; фактический коэффициент использования железа в отрицательных электродах при их полном разряде 25%. ,

Положительная активная масса содержит 46?6 «общего» никеля; расчетный коэффициент использования никеля в положительных электродах 6О?6.

Ограничителем емкости аккумулятора должен быть положительный электрод, фактическая емкость которого должна превышать приблизительно на 10% номинальную емкость аккумулятора.

Фактическая емкость железнегэ электрода должна быть примерно на 70% больше емкости положительного электрода. Потери активной массы при изготовлении 1,0%.

Каковы значения коэффициентов использования никеля и железа в расчете на номинальную емкость аккумулятора? Напишите суммарную реакцию в аккумуляторе.

Твердоэлектролитный элемент Ag | AgCl | КЮ4(С) [4] имеет начальную толщину электролита (AgCl) 13 мк и рабочую поверхность каждого из электродовS = 0,24 см1. Удельная электропроводность AgCl при 25ГС равна

3* 10~9ч-2« Ю"8 ом-'-слг1 (для расчета принять 8-Ю-9). Э.д.с, системы 1,133 в.

Считая, что разница между рабочим напряжением Ураб элемента и его э.д.с. полностью обусловлена омическими потерями в электролите, рассчитать Граб элемента в начале его разряда и после периода разряда током 7 = 0,56 мка в течение 2000 ч. Плотность AgCl d = 5,56 г!см\

Элементная реакция

2Ag 4 KICl4->2AgCl + KICl2

Гарантийный максимум саморазряда свинцового аккумулятора составляет 21% за месяц. Какой минимальной емкостью может обладать свинцовый аккумулятор типа СТ-70, фактической емкостью 74 а-ч после месяца бездействия в заряженном состоянии?

Свежезаряженный железо-никелевый аккумулятор имеет емкость 25 а-ч. Ограничителем его емкости является окисноникелевый электрод. Фактическая емкость железного электрода на 50°о превосходит емкость положительного электрода. После месячного бездействия в заряженном состоянии аккумулятор отдал при разряде 15 а-ч. В этом случае ограничителем емкости аккумулятора уже служил железный электрод.

Принимая, что глубина разряда обоих электродов не меняется после периода без действия и что саморазряд положительного электрода за это время равен 20%, рассчитать приведенный объем газа, выделившегося из аккумулятора при его месячном бездействии (не учитывать саморазряд железного электрода за счет взаимодействия его активной массы с растворенным кислородом). Каковы парциальные объемы выделившихся кислорода и водорода? Написать реакции саморазряда на обоих электродах.

Батарея свинцовых аккумуляторов типа ЗСТ-70 имеет габариты 194x257x230 мм и массу 19,2 кг. При разряде током 7,0 а батарея должна работать не менее 10 ч; при этом среднее разрядное напряжение батареи равно 6,0 в.

Каковы удельные емкость и энергия батареи на этом режиме?

Щелочной аккумулятор типа ЖН-60, имеющий габариты 45x349x 128 мм и массу 4,07 кг, отдал свою емкость за 8 ч 52 мин при разряде током 7,5 а; среднее разрядное напряжение аккумулятора Vcp=l ,18 в.

Каковы удельные характеристики аккумулятора?

Сухой марганцево-цинковый элемент типа 1,6 ФМЦ-у-3,2 диаметром 34 и высотой 64 мм, имеет к а> су 105 г. При разряде на сопротивление 10 ом элемент проработал 34 ч при среднем напряжении Vcp--^l,10 в.

Каковы удельные характеристики элемента?

Батарея из 70 марганцево-цинковых элементов типа 100 АМЦГ-у-2,0, габаритами 218x 138x73 мм имеет массу 3,35 кг. При ее полном разряде на сопротивление 7000 ом батарея имела среднее напряжение Кср - 78 в.

Каковы удельные характеристики батареи, если за время разряда на катоде медного кулометра, последовательно включенного в электрическую схему, выделилось 2,43 г меди?

Батарея из 10 последовательно соединенных свин- цово-кадмиевых резервных элементов Cd | H2SO41 РЬО2 имеет объем 1,03 л и массу 2,22 кг. Напряжение такой батареи в начальной стадии разряда на сопротивление 0,6 ом состав/ яло 18,5 в, после отдачи 1,0 а-миниа 1 см3 объема батареи—17,0 вив конце разряда—10,0 в.

Какова удельная мощность батареи на этих стадиях разряда?

Батарея свинцовых аккумуляторов типа ЗСТ-84 имеет номинальную разрядную емкость 84 а-ч.

Какова должна быть длительность ее заряда током 8,0 а, если отдача батареи по току в этом режиме равна 8О?6?

При заряде 6-часовым режимом отформированно- го кадмий-никелевого аккумулятора примерно 70/6 зарядной емкости принимается при среднем напряжении 1,45 в и около 30% при 1,85 в.

Какова отдача по току и по энергии у аккумулятора типа КН-100, заряжающегося током 25 а в течение 6 ч, если при последующем разряде током 12,5 а он проработал 8 ч 22 лит при среднем напряжении 1,18 в?

Заряд железо-никелевого аккумулятора типа ЖН-60 проводился в течение 6 ч током 15 а при среднем зарядном напряжении 1,65 в.

Какова отдача аккумулятора по току и по энергии, если его разряд током 7,5 а продолжается 8 ч 18 мин при среднем разрядном напряжении 1,18 в?

Заряд серебряно-цннкового аккумулятора типа СЦ-50 током 6,0 а длился 10 ч 20 мин, из них 3 ч 45 мин при среднем напряжении V = 1,62 в, остальное время— на второй зарядной ступени при Izcp ~ 1,95 в. При последующем разряде током 5,0 а аккумулятор проработал 12 ч 20 мин, из них 1 ч 25 мин при КсР = 1,75 в, остальное время при Vcp = 1,51 в.

Какова у аккумулятора отдача по току и по энергии?

Отдача по току в серебряно-кадмиевом (СК) аккумуляторе Cd | КОН|%° равна примерно 10026, т. е. такова же, как и в серебряно-цинкгвых <С1 \) аккумуляторах.

Учитывая, что форма и ход потенциальных кривых серебряного электрода примерно одинаковы в СК- и СЦ-аккумуляторах и омические потери напряжения и поляризации кадмиевого и цинкового электродов мало отличаются по численной величине, рассчитать отдачу по энергии у СК-аккумуляторэв, использовав данные задачи 67 для СЦ-аккумулятороз. Равновесный потенциал кадмиевого электрода примерно на 0,42 в положительнее потенциала порошкового цинкового электрода.

Рассчитать величину равновесного потенциала монолитного цинкового электрода в цинкатном растворе 5 н. NaOH()6lIV содержащем цинка 10 г’л при + 25°С. Принять коэффициенты активности ионов гидроксила уон- и ионов цинката 7Zn(OH)2- равными единице. Плотность раствора 1,195 г'см\

Потенциалопределяющая реакция

Zn+4OH"^Zn(OH);" -|- 2ё

Определить расчетную э. д. с. полностью заряженного и наполовину разряженного серебряно-кадмие- вого (СК) аккумулятора исходя из значений потенциалов его электродов.

А. Электрохимическая схема полностью заряженного СК-аккумулятора:

Cd 110 н. КОН | AgO

Потенциалопределяющая реакция на серебряном электроде

2AgO hH2O+2^^Ag2O + 2OH- на кадмиевом электроде

Cd 2ОН- CdO+Н2О + 2^

Б. Электрохимическая схема полуразряженного СК- аккумулятора:

Cd 110 н. KOH|Ag2O

Потенциалопределяющая реакция на серебряном электроде

Ag2O + H2O+2 5^2Ag+2OH-

на кадмиевом электроде

Cd+2OH-^CdO+H2O+2e

Величина э. д. с. частично разряженного медноокисного элемента Zn |^^(0Н) | СиО, электролит которого содержит некоторое количество цинката, равна 0,90 в. Концентрация свободного NaOH в электролите 4,2 люль ЮОО г Н2О. Активность воды в нем 0,7. Равновесный потенциал цинкового электрода в таком электролите — 1,30 в.

Рассчитать, пользуясь уравнением Нернста, величину э. д. с. элемента для каждой из приведенных ниже реакций. Какая из этих реакций определяет равновесный потенциал реального медноокисного электрода?

Возможные реакции в медноокисном электроде:

2Cu(OH)2+2 5^Cu2O+2OH-+H2O

2CuO+H2O+2 №Си2О4-2ОН-

Си (ОН)2 4-2 е=^Си + 2ОН'

СиО+Н2О+2 №Си+2ОН*

Си2О+НаО 4-2^2Си+2ОН-

Рассчитать падение напряжения в электролите межэлектродного пространства щелочною аккумулятора 82

типа ЖН-22, имеющего 2 положительных пластины габаритами 140x95 мм и 3 отрицательных пластины габаритами 145x99,5 мм при разрядном токе 22 а. Межэлектродное расстояние 1,2 мм. Электролит — раствор КОН плотностью 1,20 (21,15?о-ный раствор КОН) с удельной электропроводностью х15 = 0,520 ом-1-см"1.

Медноокисный элемент разряжается при электродной плотности тока 50 ма см?. Удельная электропроводность калиевого электролита (7,0 н. КОНо6ш) при 18°С — х18 = 0,538олг*-слг1. Температурный коэффициент

1 / д х \

электропроводности а = — • I -^-1 = 0,0225.

Каково падение напряжения в электролите элемента при +18°Си —5СС при межэлектродном расстоянии: а) 8 мм, б) 4 мм?

Каково внутреннее сопротивление медноокисного элемента типа МОЭ-1000: а) в начале его разряда, когда при токе 1,0 а разрядное напряжение элемента равно 0,68в, а при токе 6,0 а — 0,63в; б) после отдачи номинальной емкости, когда при тех же токах разрядные напряжения соответственно равны 0,62 и 0,53 в?

Резервная хлористо-медно-магниевая батарея, состоящая из 15 последовательно соединенных элементов Mg | NaCl | CuCl, электроды которых имеют рабочую поверхность 15x25 мм, разряжается током 0,35 а. Межэлектродное пространство с о = 2 мм заполнено гигроскопическим веществом с объемной пористостью около 90% и коэффициентом извилистости пор 1,1.

Каково падение напряжения в электролите межэлектродных пространств батареи: а) в начале ее разряда и б) после 15 мин работы (с учетом постепенного насыщения электролита хлористым магнием)? Межэлектродное расстояние, температуру электролита и его объем в ходе разряда считать для простоты расчета постоянными.

Начальный электролит—3 %-ный раствор NaCI (0,52 г-экв'л NaCI); zNaCI — 0,0413 олг^слг1; d~ 1,02. Производительный расход магния на собственно электрохимическую реакцию 55% (остальные 45% расходуются на химическое взаимодействие магния с электролитом;; производительный расход CuCl 100?6.

Реакции в элементе:

разряд

Mg4-2CuCl^MgCI2 ; 2Cu

химическое взаимодействие

Mg |-H2O^MgO+H2

Удельная электропроводность смешанного раствора NaCI и MgC!> при 18 С

Концентрации

КО хПЮНСНТОВ

хсм

О.1Г1 «Г1

Концентрации компонентов

хсм

О.М-1 -СЛ!-1

NaCI

м^си % Ою

NaCI г- же 'л

MgCI2 % (по массе)

0.52

0,52

14,6

19,4

0,150

0,148

0,52

0,52

24,3

29,1

0,138

0,110

У частично заряженного серебряно-цинкового аккумулятора с электрохимической схемой

I | А&О

и э.д.с.-определяющей реакцией

Zn-!-Ag2O ^ZnOH-2Ag

э.д.с. равна 1,59 ви^ = — 6 16.) mg С [5].

Для полностью заряженного аккумулятора с э.д.с.- определяющей реакцией

Zn | 2AgO^ZnO | Л&О

э.д.с. = 1,83 в и -^- = -|- 0,057 Л1в С [5].

Рассчитать изменение термодинамических функций ДФ, kH и ДЗ. при вышеуказанных реакциях. Сравнить полученные значения с величинами, рассчитанными п) табличным данным для отдельных компонентов реакций.

Рассчитать изменение термодинамических функций ДФ, Д// и Д5Э при реакции

РЬ + PbO2 р 2H2SO42PbSO4+2Н2О

по электрохимическим параметрам свинцового аккумулятора РЬ | H2SO41 РЬО2, в котором протекает эта реакция. Электролит имеет плотность 1,195; э.д.с. = 2,04 в; 4С- = ИЗБ Л(в;°С.

al

Сравнить полученные данные с величинами, рассчитанными с помощью табличных значений термодинамических функций отдельных компонентов реакции.

Определить термодинамическим расчетом — какие из нижеперечисленных электрохимических реакций могут являться э.д.с.-определяющими в сухом марганцево- цинковом элементе Zn l^ci01 | МпО2(С), значение э.д.с. которого 1,45 в (в частично разряженном элементе). Какие значения э.д.с. соответствуют каждой из указанных электрохимических реакций:

Zn + MnO2+H2O^ZnO4-Mn(OH)2

Zn+MnO2^ZnO+MnO

Zn+2MnO24-3H2O^ZnO+2Mn(OH)3

Zn+2MnO2+H2O^Zn(OH),H Мп2О3

Zn^2MnO2^ZnO+2Mn2O3

Серебряно-цинковый аккумулятор типа СЦ-40 разряжается током 15 а. Серебряный электрод аккумулятора емкостью 50 а-ч при 10-часовом режиме заряжен на 65 ° о (в расчете на полное превращение Ag^AgO). Разрядная кривая аккумулятора содержит две ступени: одна — длительностью 35 мин при среднем напряжении Кср = 1,74 в, другая — при Vcp = 1,48 в.

Рассчитать конечную температуру аккумулятора после 3 ч разряда (/нач = + 20:С); масса аккумулятора 840 г, а его средняя теплоемкость 0,30 кал!г-°C. Потери тепла в окружающую среду принять равными 5О°6 от суммарного количества тепла, выделенного при разряде.

Какое количество тепла выделится за 10 мин заряда током 10 а в одиночном серебряно-цинковом аккумуляторе: а) на первой зарядной ступени, при среднем рабочем напряжении Vcp= 1,65 в; суммарная реакция на этой ступени

ZnO+2 Ag-> Zn+Ag2O

б) после полного заряда положительного и недозаряда отрицательного электрода аккумулятора, при Кср=2,08 в; суммарная реакция

ZnO->Zn+ -^- О2

После периода бездействия на разрядной кривой медноокисного элемента Zn |^1^(он)4| ^Ll® появляется дополнительная ступень с напряжением более положительным, чем это характерно для установившегося процесса разряда [5].

Рассчитать, какое количество тепла выделяется за 10 мин в медноокисном элементе в ходе его разряда током 2,0 а; а) на верхней разрядной ступени при среднем напряжении 0,75 в и б) на основной разрядной ступени при Vcp=0,61 в.

Верхней разрядной ступени соответствует электрохимическая реакция

Zn+Cu2O->ZnO+2Cu

(электролит насыщен цинкатом).

Полная реакция на основной разрядной ступени Zn+CuO-^ZnO+Cu

Рассчитать количество тепла, выделяющегося за 30 мин зарядного процесса в ваннах: а) совместного формирования отрицательных и положительных электродов свинцовых аккумуляторов при напряжении на ванну Узар = 2,45 в и б) отдельного формирования положительных пластин (с холостыми электродами) при V3ap = = 2,65 в. Выход по току для основной электрохимической реакции в обеих ваннах — 95% (5% затрачивается на разложение воды). Сила тока на ванну 200 а.

Основные электрохимические реакции:

в первой ванне

2PbSO4+2H2O->Pb pPbO2+2H2SO4

во второй ванне

PbSO4+2Н2О РЬО2+Н 2SO4 + Н2

Реакция электролиза воды

Н2О->Н2-|—2~ ®2

Какое количество тепла выделяется за 30 мин процесса при заряде аккумуляторов током 10 а после полного заряда их электродов (т. е. при выделении Н2 и О2 на электродах) для: а) свинцовых аккумуляторов, имеющих на этой стадии зарядное напряжение Узар ^2,65 в; б) кадмий-никелевых аккумуляторов, Кзао = 1,85 в; в) железо-никелевых аккумуляторов, V3ap = 1,70 в?

ГЛАВА III

ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ БЕЗ ВЫДЕЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

С хлорного электролизера диафрагменного типа нагрузкой 1 = 22 ка за 24 ч получено и = 5450 л электролитической щелочи, содержащей 138 г!л NaOH.

Каково значение выхода по току для щелочи?

Решение

Реакция суммарного электрохимического процесса в ванне

NaCl+H2O-*NaOH+ -^- Н2+ 4" С12

Электрохимический эквивалент для NaOH

MNaOH4°’°,,

»NaOH == 1149 г/а'4-

Теоретическое количество NaOH, которое должно было бы образоваться в ванне за сутки

^теор = ^Na0H /т = 1,49-22-24 = 787 кг.

Фактически полученное количество NaOH _138-5450_

£факт—Си —10Й0— ^^ ^'

Выход по току для щелочи

752вг - - 11007^7 100 = 95,5?(,.

ЛОеор

Щелока, выходящие из диафрагменного хлорного электролизера, должны содержать 130 гл NaOH. Электродная плотность тока в электролизере jD^ 800 а м-\ выход по том для щелочи Вт - 95%.

Какова должна быть иротекаемость рассола через диафрагму электролизера (без учета изменения объема раствора)?

Решение

Количество NaOH, подымаемое с 1 nt2 электродной поверхности и примерно pannoif ей поверхности диафрагмы

8ХЮН = <7NiOH DBt - 1,49.800.0,95 = 1134 г^-ч.

Прогскасмость рассола

#И34

X .он

Грас ~^=12Q = 8,72 л!м~'Ч.

X юн

Объемная концентрация С12 в хлор-газе диафрагменного хлорного электролизера рсх = 98,5?Ь, содержание СО2 ( pcoJ составляет 0,8%. Выходы по току Вт для хлора и щелочи равны 95%. Рассчитать расход анодного окислившеюся графита на 1 пг 100%-ного NaOH (без 5 чета механически выкрашивающегося графита и наличия анодного скрапа) и долю анодного тока, идущую на окисление графита (на образование СО2).

Решение

Реакция окисаеиия i рафн.а (не учитываем образование СО)

С -| 4OIГ - 4е► СО, -211.0

Электрохимические эквиваленты лс 12,0

V°’1,2 г1а'4

(пренебрегаем наличием примесей в графте);

22 100

qco2 = 4^6 78 ~ 209

22 400

V =272678 = 4,8 ли/и'4-

40

^х.юп- 1-26,8 = 1149 г1°"4'

Долю анодного тока, расходуемую на образование СО2 при электрохимическом окислении графита, В( рассчитываем из отношения

Вт _ Гео2^ci2 ,

Вт'/со.^С12 *

Bl_ 018 98,5.

95 ~ 209 : 418 ’

В> 1,55 %

Расход анодно-окпслпвшегося графита в расчете на 1 tn 100%-ного NaOH

^СВ'0,112-1,55

£гр = ~7 б 1000 =; .g Q- 1000 = 1.23 кг/т

Катодно поляризованная ртуть протекает слоем толщиной о = 4,0 мм по днищу хлорного ртутного электролизера, имеющего длину электродной части L = = 8,0 м.

Какова должна быть скорость течения ртути, чтобы при выходе из электролизера она содержала ркоп — Na — 0,15% металлического натрия? При входе в электролизер ртуть содержит р^х = 0,02 ?о Na. Катодная плотность тока DK = 5400 а'м\ выход по току Вт = 96°6. Плотность ртути dH ~ 13,5 г/соч3 (пренебречь изменением плотности при образовании амальгамы).

Решение

Электрохимический эквивалент натрия находим в приложении 2: q = 0,858 г/а^ч.

Выберем условно участок ртутного катода с поверхностью 5 = 1 дм2. Масса ртутного слоя с такой поверхностью

g = Scd = 100-0,4-13,5 = £40 г. Hg Hg

На участке ртутного катода с S = 1 дл12 за время прохождения его через ванну должно выделиться металлического Na

gNl -sH„ (С' ~С) =540(0'0015-°'00(2) = "•702 г-

Это соответствует количеству протекшего электричества

. gNa0,702ОСО

^Вт “ 0,858-0.96 -0-852 а.Ч.

Скорость протекания ртути L 8,0 и = — = 55”8 = 0,141 м/сек.

При электролизе раствора NaCl получаются в эквивалентных количествах три продукта: хлор и менее дефицитные щелочь и водород. Это заставляет изыскивать такие способы производства, в которых получался бы только хлор (при низком удельном расходе электроэнергии). Среди таких способов наиболее интересны процессы, позволяющие утилизировать «абгазный» хлористый водород— побочный продукт при получении ряда хлор- производных веществ.

Одним из подобных способов является электролиз солянокислого раствора СиС12 [7]. Такой электролит непрерывно просасывается через катод, изготовленный из пористого графита; при этом ноны Си2+ восстанавливаются до одновалентной меди, образующей комплексные ионы типа СнС1з“. На аноде электролизера выделяется хлор. Отработанный электролит подается на окисление одновалентной меди кислородом воздуха и донасыщение соляной кислотой, после чего возвращается в электролизные ванны.

Рассчитать выход по току и удельный расход электроэнергии при получении хлора электролизом солянокислого раствора СиС12, если суточный объем выходящего отработанного электролита (католита) из электролизера нагрузкой У 4000 а составил уэ = 11,2 л? с содержанием одновалентной меди 28,2 г!л в расчете на CuCl (считать, что поступающий в ванну раствор не содержит CuCI). Напряжение на ванне VB = 1,85 в.

Решение

Суммарный электрохимический процесс в ванне

CuCl2 + 2НС1► H2Cu 'J8 + -Т- С12

пли

CuCl2► CuCl 4- ~- Cl2

Так как выходы по току для С12 и CuCl практически одинаковы, то расчет выхода по току для хлора проводим по имеющимся данным для CuCl

Суточное количество образовавшегося CuCl

5факт = Суэ = 28,2 - И ,2 = 316,0 кг.

Теоретическое количество CuCl которое должно образоваться за сутки

,3,70-4000.24 огг г

§теоР = <7СиС|/'= юоо = 355,5 /сг,

где

МСпС1 99,0„ _ ,

qcuCi~ zF “ 1-26,8 ~ 3,70

Выход по юку

316,0

в АФакт, 100 = ^^100 = 89,0%.^теор 355,5’

Удельный расход электроэнергии

Нагрузка на фильтрпрессную ванну для электролиза воды, состоящую из 180 последовательных ячеек, составляет 10 ка. Напряжение на ванну около 385 в. Чистота производимого водорода Рп =99,9% (без учета паров воды), кислорода — 99,7?о О2. Выход по току — 96,5%.

Рассчитать: а) объем насыщенных водяными парами газов, получаемых с ванны за 1 ч (при давлении 7G0 мм рт. ст. и 4-2(ГС); б) удельный расход электроэнергии на 1 ж3 Н2 (для приведенного объема); в) мощность потребляемой электролизером электроэнергии.

Решение

Суммарный электрохимический процесс в ванне

1Н2О^ Но 4* 2 ^2

Электрохимические эквиваленты для продуктов электролиза:

22 400

^н = 272б”8 ~ ^^ MAja-ч = 0,418 нмл/ка*ч;

22 400

^О ~ 4-26~~8 = -^ мл(а-ч = 0,209 нмл/ка-ч

Нормальный объем водорода, получаемого за 1 ч с ванны

оо = q^ /т Вт л = 0,418-10-1-0,965-180 = 727 нм\ где п — количество электролитических ячеек в ванне.

Объем влажного водорода в реальных условиях

ц0 760 (273 4-01727-760(273 4- 20)1

иТ -273 (В — су) 'Р - 273(760—17,5) '0,999 =

= 800 лг^/ч,

где В — давление, aim рт. ст.; ю=17,5 ммрт. ст. — парциальное давление насыщенных водяных паров при -|- 20°С [8].

Нормальный объем О2, получаемого за I ч с ванны

v^ = q^ It BTn = 0,209.10.1.0,965.180 - 363,5 /м3.

Объем влажного кислорода в реальных условиях ,363,5.760.(273 4- 20)1.

UT~ 273(760— 17,5)' 0,997 = 401 Л| '^-

Удельный расход электроэнергии на 1 нм3 Н2

IVx 10-385-1

Ц/ , = — =то?= 5,30 кет • ч I нм^.

Мощность, потребляемая электролизером

N IV = 10-385 = 3850 кет.

Раствор, подаваемый в анодное отделение верхней ванны каскада, состоящего из я = 27 последовательно включенных электролизеров для получения персульфата аммония, содержит 260 г/л H2SO4 и 213 г/л (NH4)2SO4. Нагрузка на электролизер 2000 а. Выход по току для персульфата Вт = 85% (15% анодного тока расходуется на выделение О2). Концентрация (NH4)2S2Oy в выходящем анолите должна составлять около 250 г/л.

Рассчитать необходимую скорость вытекания анолита из каскада и концентрацию компонентов в выходящем анолите (считать объем поступающего и выходящего растворов равными). Принять средние числа переноса: п = 0,68,= 0,08, п^- = 0,24 (участием S2Q2- в

переносе тока пренебрегаем, так как эти ионы находятся только в анолите).

Решение

Составляем анодный баланс:

разряд

2-0,85 SO^-—2-0,85ё^-0,85S2O^~

0,15Н2О — 2 • 0,15? -*0,15 • -у О2 + 2 0.15№

перенос

2пн+Н+ -2nNH+ NH* + ^2- S()2-

суммарное уравнение анодного баланса

-2 ■ 0,85 SO^—+ 0,85 52О8—— 0,15Н2О + 0,15 ^ О2 +

+ 2 ■ 0,15 Н+ — 2ян+Н+ — 2«NH+ NH+ + nso2- SO^“ + 2? =

= —2-0,85SO4 +0,85S,O8 — 0,15 H2O + 0,15-у О. +

+ 2 • 0,15 H+ -2nH+H+ -2nNH+ NH4 + (1 -«H+ - nNH+ ) SO^

+ 2 e = — 0,85 SO4~ + 0,15 SO^~ + 0,85 S2O|“ — 0,15 H2O +

+ 0,15 -y O2 + 2 • 0,15 H+ — 2nH+ H+ — 2«NH+ NH4 —

— nH+ SO^ — nNH+ SO^- + 2e = — 0,85 SOj~ + 0,15 H ,SO4 +

+ 0,85S2O|~ —0,15 H2O +0,15 "^Оз-"н+ H^SOj —

— "nh^ (NH4)2SO4 + 2Г± 2 • 0.85NH+ =

= — f0,85 + nNH+'l(NH4)2SO4-(nH+-0,15)H,SO4+

+ 0,85(NH4)2S2O8 — 0,15H2O +0,15-5- °з+2е

(при преобразованиях учитывали, что /гн+ + ^л+ + л5С)2— = 1).

Основываясь на полученном анодном балансе, проводим все материальные расчеты.

Количество электричества, проходящее за 1 ч через все ванны каскада

Q = /та = 2000 • 1 • 27 = 54 000 а • ч, или • 2g"g = 2015 Л

Количество (NH4)2S2O8, образующееся за 1 ч в ваннах каскада

228,2_

£(NH4)2s2o8 = ^(Niit)2s2o8 Вт = 201520,85 — 195 700 г/ч,

где 228,2 — молекулярный вес (NH4)2S2O8.

Скорость вытекания анолига из каскада

£(nh4)2s2o, уа — г'L(NH4)2S2O8£(nh4)2s2o, уа — г'L(NH4)2S2O8195 700„2^q= /83 л/ч.195 700„2^q= /83 л/ч.

£(nh4)2s2o, уа — г'

L(NH4)2S2O8

£(nh4)2s2o, уа — г'

L(NH4)2S2O8

195 700„

2^q= /83 л/ч.

195 700„

2^q= /83 л/ч.

Убыль концентрации H2SO4 в электролите

98,1

дг _(2Эи,5О4(,гн+-0,15)2015 —(0,68-0,15)

ДСн2зо4 783 =

= 66,8 г/л.

Убыль концентрации (NH4)2SO4 в электролите

._ ^(Nlla.SO, (°'85+,гМц)

^^(NH4)2SO4~

132,1

2015 (0,85 + 0,08)

= = 158 г/л.

Концентрации компонентов в вытекающем анолите

CHnSO4 = 260 —66,8= 193,2 г/л;

^(XH4)2so4 = 213 — 158 = 55 г/л.

При получении надсерной кислоты H2S2Os электролизом раствора серной кислоты применен каскад из 27 последовательно соединенных ванн нагрузкой / = = 1000 а. Свежий электролит, поступающий первона-

чально в катодное отделение верхней ванны каскада, содержит [H2SO4]KaT = 510 г!л. Католит, последовательно прошедший все ванны каскада, используется затем в качестве анолита.

Какова должна быть скорость циркуляции католита (и анолита), если концентрации H2S2O8 в вытекающем анолите должна составлять 250 г/л, а выход по току для персульфата Вт = 76%? Какая концентрация H2SO4 будет достигнута в электролите после прохождения его через катодные и анодные пространства ванн каскада?

Решение

Суммарный электрохимический процесс в ваннах 2H2SO4-> H2S2O8 + Н2

Электрохимические эквиваленты компонентов реакции: MHAO,194,1„

?H2s2oe - zF — 2-26,8 ~ 3,62 г1а ' ’

Mh2So498,1

9h2so4— гр — 1-26,8 ~ 3,66 г*а " ч'

Количество H2S2O8, образующееся за 1 ч в каскаде £н252оя _ ^H2s2o8 п®т — ЮОО • 1 • 3,62 • 27 • 0,76 = 74 300 г.

Необходимая скорость циркуляции электролита

H2s2oR 74 300

- {H2S2O8] = 250 -297 л/ч'

Убыль концентрации H2SO4 в ходе электролиза

Д [H2SO4] =Д [H2SO4] =^so.’1^^so.’1^1000 • 1 • 3,66 . 27 • 0,761000 • 1 • 3,66 . 27 • 0,76= 253 г/л.= 253 г/л.

Д [H2SO4] =

Д [H2SO4] =

^so.’1^

^so.’1^

1000 • 1 • 3,66 . 27 • 0,76

1000 • 1 • 3,66 . 27 • 0,76

= 253 г/л.

= 253 г/л.

Концентрация H2SO4 в вытекающем анолите

[H2SO4]aH = [Н25О4]кат — △ [H2SO4] = 510 — 253 = 257 г/л.

(Миграция ионов в этом расчете не должна приниматься во внимание, так как один и тот же раствор проходит последовательно катодные и анодные отделения электролизеров.)

В электролизер непрерывного действия нагрузкой /=12 ка для получения хлората натрия NaC103 подается раствор, содержащий NaCl 280 г/л, NaC108 55 г/л. Концентрация NaC103 в выходящем электролите должна составлять около 290 г/л.

Рассчитать: а) необходимую скорость подачи раствора в ванну, если выход по току для хлората Вт = 85%; б) содержание NaCl в электролите, вытекающем из ванны; в) удельный расход электроэнергии на 1 т хлората (в растворе), если напряжение на ванне VB = 4,0 в.

Решение

Суммарный электрохимический процесс в ванне

NaCl + ЗН2О -> NaClO8 + ЗН2

Электрохимические эквиваленты компонентов реакции:

_ MNaCl 58,45 _

^NaCl “ ' zF ' = 6-26 ,8 ~ 0,363‘ Ч*

^КаСЮ» 106,45

WiOs- zF - 6-26,8 - 0,662 г/а ' ч;

мн,о 18,0 п ,9н,о“ zF “ 2-26,8“ 0,336 г,а ' ч*

Часовая производительность ванны по NaClO3

и =В' = 12 000 • 1 • 0,662 • 0,85 = 6750 г/ч.

6NaC10, ^NaClO, т•,г

Часовой расход воды на электролиз

gH о = kq^ о В* = 12 000 • 1 • 0,336 -1,0 = 4030 ?h «4,0 кг{ч (вода расходуется в эквивалентных количествах на основной и побочный процессы, поэтому В^ = 1,0).

Определим скорость вытекания раствора из ванны. При расчетах примем для упрощения, что объем раствора в ходе процесса уменьшается на объем воды, израсходованной на электролиз.

Обозначим укон — скорость вытекания раствора из ванны. Тогда увеличение содержания NaClO3 в растворе

^МаСЮз ~ Укон ^аС1О3]к°и (^кон + £р}оо) 1^аС1О3]пач,

6750 = Укон 290 — (Укон + 4) 55,

отсюда

Укон— 27,8 л)ч<

Необходимая скорость подачи вежего раствора в ванну Уцач = Укон + £НгО = 27,8 + 4,0 = 31.8 л[ч

Часовой расход NaCI на электролиз

а т _ = kq^ В' = 12 000 • 1 • 0,363 • 0,85 = 3700 г^ч. sNaCI ^NaCl т

Концентрация NaCI в выходящем электролите

[NaCI]K0H —[NaCI]K0H —[NaCl]na4ииач — gNaC1 _ 280 - 31,8 — 3700[NaCl]na4ииач — gNaC1 _ 280 - 31,8 — 3700Укон9) Удельный расход электроэнергииУкон9) Удельный расход электроэнергии27,827,8= 187 ejA.= 187 ejA.

[NaCI]K0H —

[NaCI]K0H —

[NaCl]na4ииач — gNaC1 _ 280 - 31,8 — 3700

[NaCl]na4ииач — gNaC1 _ 280 - 31,8 — 3700

Укон

9) Удельный расход электроэнергии

Укон

9) Удельный расход электроэнергии

27,8

27,8

= 187 ejA.

= 187 ejA.

VR4,0-1000

= ^n. сю R - = 0,662 * 0,85 = 7120 KQm'l^tn -СЮз.

При электролитическом получении хлората калии КС1О3 в верхнюю ванну каскада из 15 ванн нагрузкой / = 1000 а подается смешанный электролит содержа-

щий 190 г/л NaCl, 120 г/л КС1,80 г/л КС1О3 ([КС1О3]пач) и присадку бнхромата натрия. Раствор, выходящий из последней ванны каскада, содержит |КСЮ3]коп -= 190 г/л и [NaC103]K():1 - 100 г л.

Каков выход по току для КС1О3 и NaClO3, если с каскада получено за сутки с»К()11 - 1030 л раствора вышеуказанного состава? Какова концентрация NaCl и КС1 в выходящем электролите?

Решение

Реакции основных электрохимических процессов в ванне: NaCl -р ЗН2О-> NaClO3 + ЗН2

КС1+ ЗН.О-* КСЮз И- зн2

Электрохимические эквиваленты компонентов реакций:

Л1ксю3 122,55

’ксю. == 6Ж8 = °’763 г/а ' ч'

Л,кс1 74.55

’kci == °'464 г/й • Ч'

q = 0,662 г;а • ч;

vNaClo3 ’1’

^ХаС1 0,363 ^ ' Ч;

<7Н 0 = 0,336 г/а • ч.

Расход воды на электролиз за сутки

^н о = /чн оВт/г = 1000 * 24 * 0,336 * СО • 0,15= 121 000 г

(в расчете примем следующие допущения: неполное использование тока на получение хлората обусловлено только электролитическим разложением воды; уменьшение объема раствора при электролизе равно объему воды, израсходованной на электрохимический процесс).

Объем рас вора, подаваемого за сутки в ванны каскада

^нач = Укон + ^1о0 = ЮЗО + 121 = 1151 д.

Количесио КС1О3, полученного за сутки

4а«1 IКСЮзкои 1’Ко„ - |КСЮ3]„а„ ппач = 190 . 1030 - 80 • 1151 -=■- 103 G00 г.

Выход по току для КС1О3

ВтВт100 ~ 1000 • 24 • 0,763-1о^°"100 ~ 1000 • 24 • 0,763-1о^°"«факт _103 600

Вт

Вт

100 ~ 1000 • 24 • 0,763-1о^°"

100 ~ 1000 • 24 • 0,763-1о^°"

^теор^ ^KClOj

07 70/

О1 , / /0 •

Выход по току для NaC103

В.В.^факт|NaC103]K0H Укоиьтсор1ХаС1О3^факт|NaC103]K0H Укоиьтсор1ХаС1О3100 . 1030 ЮОО-24-0,662-15 100 ”

В.

В.

^факт|NaC103]K0H Укои

ьтсор1ХаС1О3

^факт|NaC103]K0H Укои

ьтсор1ХаС1О3

= 43,3%.

Расход КО на электролиз

W п — 100 0 • 24 • 0,461 • 0,3 77 • 15 = 63 00 0 г. ёКС1 'КС1 т

Расход NaCl на электролиз

Ag = I-q t В" п = 1000 • 24 • 0,363 • 0,433 - 15 = 56 600 г

6 NaCl 'NaCl т*’

Концентрация хлоридов в выходящем электролите:

Г„Г1.[КС1]11ачр1|а„-Д^кс1120.1151 - 63 000

1^11кон —то л<ог(Л\

^кон

[NaCl]K0H[NaCl]K0H[NaCl]Ha4t’„a4-А^ХаС1 _ 190-1151 —56 600

[NaCl]K0H

[NaCl]K0H

= 157,5 гЬг.

На биполярном электролизере для производства гипохлорита натрия NaClO, состоящем из 22 последовательных ячеек, нагрузкой каждая / = 50 а, за 10 ч непрерывной работы получено иэ = 960 л белильного раствора с концентрацией NaClO 10,2 г/л. Исходный ра-

створ содержит NaCl 180 г!л. Напряжение V на электролизере составляет в среднем 108 в.

Рассчитать: а) выход ио току для NaClO; б) удельный расход электроэнергии на 1 кг NaClO; в) удельный расход NaCl; г) коэффициент использования NaCl при электролизе (считать объемы растворов при электролизе неизменными, пренебрегая расходом воды на разложение и испарение).

Решение

Основной электрохимический процесс

NaCl+ Н2О-* NaClO+ Н2

Электрохимические эквиваленты

MNaCi58,45

^NaCl “ zF2-26,8 — Ь09г/п-ч;

MNaCIO 74’45

^NaClO™ zF ~ 2-26,8 — V39e/u-4.

Теоретическое количество NaClO, которое можно получить с электролизера за 10 ч работы

^теор = 7^NaCio ^ = ^9 • Ю • 1,39 • 22 = 15 300 г.

Фактическое количество полученного NaClO

^факт = ^NadO уэ = Ю,2 -960 = 9790 г.

Выход по току £факт9790

Вт = ^100=т^ж 100 = 64’0%-

Удельный расход электроэнергии

IVt50-108-10

Wg = —=отон— = 5,52 квпг-ч{кг.

g ^факт 9790’4

Удельный расход NaCI на 1 кг NaClO v^.d 960-0,180

=-^-=W,7 кг.

Количество прореагировавшего NaCI

gNaCI = /4NaC1/1BT = 50-10.1,09.22 0,64 = 7670 г.

Коэффициент использования NaCI (выход по веществу) ^NaCI 1007670

В ванну периодического действия для получения перхлората натрия NaClO4 нагрузкой I = 12 ка залито ^»ач = 7,0 Л13 раствора, содержащего lNaC103]na4 = 700 г!л. Процесс электролиза проводится до достижения [NaC103]K0II = 50 г!л со средним выходом по току Вг = = 80 % и напряжением V = 6,0 в.

Рассчитать: а) длительность одного цикла работы ванны; б) объем электролита в ванне в конце цикла ее работы (считать, что изменение объема раствора полностью обусловлено электролитическим разложением воды); в) концентрацию NaClO4 в конечном растворе; г) удельный расход электроэнергии на 1 кг NaClO4 (в растворе); д) коэффициент использования NaClO3.

Решение

Реакция основного электрохимического процесса

NaCiO3 + Н ,О = NaClO4 + Н2

Электрохимические эквиваленты основных компонентов реакции: ^NaClO, 106,4а

^NaClO. =^= 2-26,8 = 1 ’98 г^а-ч;

MNaCIO4 122,45

^NadO, ~ zF — 2-26,8 — 2,28г/и-<<;

Мц2о 18.0

9н.О ~ zF — 2-26,8 — 0.336 г[а-ч,

Для расхода воды при электролизе выход по току Вт близок к 100%, Для нахождения количества воды £Нго> расходующейся при электролизе, выразим количество протекшего электричества Q через расход NaC103 и воды при электролизе

_^NaC103£Н8О

^NaCIO3 Вт ?Н3ОВт

Выражая расход NaC103 при электролизе через концентрацию соли [NaC103] и объем электролита и, получаем уравнение

[NaC103]na4 инач [NaC103]K0H (УНач &н2о) ^Н2О

^NaClOj Вт^Н2ОВт

Подставляем числовые значения

700-7000 - 50 (7000 - £НгО) gHiO 1000

1,98-0,80= 0,336-1,0 *

отсюда находим ^Ы2О = 975кг.

Объем электролита в ванне в конце цикла ее работы ^кон = ^нач ^н о^^ООО — ^5 = 6025 Л.

Количество NaClO3, реагирующего при электролизе (см. уравнение в п. 3)

700-7 000 — 50 (7000 — 975)

^NaClO3 =Ю00= 4600

Коэффициент использования NaClO3 (выход по веществу) ^NaCIO4600

=• -100 = "гагтлг 100 -93-™-

Продолжительность цикла работы ванны

Sn.CIO,4600000_

т =г == 242 ч.

^Nacio, вт 12 000-1,98.0,80

Концентрация NaC104 в конечном растворе

[NaClOtU,[NaClOtU,.IO4 Ri.IO4 Riуконукон12 000-212-2,28-0,80= 8/9 г/л.602512 000-212-2,28-0,80= 8/9 г/л.6025

[NaClOtU,

[NaClOtU,

.IO4 Ri

.IO4 Ri

укон

укон

12 000-212-2,28-0,80

= 8/9 г/л.

6025

12 000-212-2,28-0,80

= 8/9 г/л.

6025

Удельный расход электроэнергии на 1 кг NaClO4.

Wg =К = ^= 3,29 квт-ч.

^NaCIO4 Вт 2,28-0,80

Перманганат калия КМпО4 получается электролизом щелочного раствора К2МпО4 путем окисления иона MnCh на нерастворимых анодах. Анодный выход по току Вт для КМпО4 при таком процессе составляет около 50%.

Какое количество электролизеров нагрузкой I = = 1400 а необходимо установить в цехе с годовой производительностью ^— 2000 т КМпО4, если потери КМпО4 при его кристаллизации составляют 5?6 (К = = 0,95), а машинное время работы ванн равно 0,90?

Решение

Суммарная реакция основного электрохимического процесса в ванне

К2МпО4 4- Н2О —> КМпО4 + КОН 4- -^- Н2

Электрохимический эквивалент КМпО4

Годовая производительность одного электролизера с учетом выхода по току Вт, машинного времени работы ванны / и потерь КМпО4 при кристаллизации

г1,4-24.365-5,90-0,50.0,95-0,90

^ = kq^Ki =31,0 т.

Необходимое количество ванн в цехе

2000п =—— 64,5 ^ 66 ванн

ga 31,0

(устанавливается обычно четное число ванн из-за удобства расположения их в серию).

Искусственная двуокись марганца МпО2 может быть получена электрохимическим окислением ионов Мпа+ в ванне с нерастворимыми анодами и сернокислым электролитом.

В электролизер периодического действия для получения МпО2 нагрузкой 1000 а залито онач = 1,5 Л13 раствора, содержащего |MnSO4]na4 = 300 г] л, [H2SO4]lia4 = = 180 г! л. Цикл работы ванны продолжается до [MnSO4lKOH = 50 г!л. Средний выход по току ВтдляМпО2 около 80%.

Рассчитать: а) продолжительность рабочего цикла ванны; б) количество МпО2, получаемого за этот период; в) концентрацию H2SO4 в отработанном электролите (принять, чю уменьшение объема раствора при электролизе равно объему воды, принявшей участие в электрохимическом процессе); г) выход по веществу.

Решение

Суммарная реакция основного электрохимического процесса в ванне

MnSO4 + 2Н2О —> МпО2 + Н2 + H2SO4

Электрохимические эквиваленты компонентов реакции:

MM„so4 151-0 ооо ,?Mnso4 — zF — 2-26,8 — 2,82г/а-ч;

^MnOj 86,9„

^МпО2= гр ~ 2-26,8 - ^б2^-»;

MH,so4 98-1, _ ,

^n2so4 = zF = 2-26,8 = 1 -83 г/ач>

МНгО 18,0

^,0 = zF - 1-26,8 - °-672

Определим количество воды £НоО , реагирующей при электролизе. Для этого процесса выход по току близок к 100%. Согласно условию задачи, 80% проходящего тока ( Вт) соответствует расходу воды с 7Н^О = 0,672 г[смц а 20% тока (Вг) расходуется на реакцию

Н2о—>Н2 + у 02,

в которой 9Нг0 = 0,336 г!а*ч.

Количество протекшего электричества

£Мп$О4 [Мп$О4]Пач унач [^п^О4]КОн (упач £н .0^

^MnSO4^T^MnSO4 Вт

г_£НгО

?Н2ОТ + ^H2qBt

Подставляем соответствующие числовые значения и решаем уравнение относительно gH 0

300-1500 —50(1500 —gHoO)gILO 1000

Количество МпО2, образовавшееся за рабочий цикл ,1000-169*1,62*0,80

□= /то В_ = -= 219 кг.

^МпО2 'МпО, т1000

Количество H2SO4, образовавшейся за рабочий цикл ,1000.169.1,83.0,80_

#h2so< — ^FLSO, ВТ -1000— 218 кг.

Концентрация H2SO4 в отработанном электролите

180*1,5 + 2481,5 - 0,103 = 371 i/''180*1,5 + 2481,5 - 0,103 = 371 i/''[H2SO4]|ia4ulia4 4~ ^HoSO,

180*1,5 + 248

1,5 - 0,103 = 371 i/''

180*1,5 + 248

1,5 - 0,103 = 371 i/''

[H2SO4]koh =~„

унач £н2О

Выход по веществу

^MnSO4380

Вв = iMnSO^T^T 100 = 300-1500 100 = 84 ’5%'

Одним из способов получения свинцовых белил 2РЬСО3*РЬ(ОН)2 является анодное растворение металлического свинца в ацетатно-содовом электролите при разделенных диафрагмой анодном и катодном пространствах. Расход карбоната, удаляющегося с твердыми продуктами из ванны, восполняется продувкой СО2 через электролит.

Рассчитать среднесуточную производительность по свинцовым белилам ванны нагрузкой / = 1200 а, если выход по току Вт = 97?6. Каков удельный расход электроэнергии на 1 т свинцовых белил (напряжение на ванне VB = 3.5 в)? Какой срок служат свинцовые аноды толщиной о=10 лич, если анодная плотность тока Da= = 300 а м2 (аноды полностью погружены в электролит; работают обе плоскости анодов)? Неиспользованные остатки анодов (скрап) составляют 13°6 от их первоначальной массы; машинное время работы анодов / = = 0,95; анодный выход по току равен катодному. Какой объем (приведенный) СС\ нужно подавать в католит

для восполнения расхода карбоната (считать использование СО2 100%-ным; не учитывать миграцию ионов ОН")?

Решение

Суммарная реакция электрохимического процесса

ЗРЬ + 6Н2О + 2Na2CO3 —> 2РЬСО3 • Pb (ОН)2 +ЗН2 + 4NaOH

Электрохимические эквиваленты компонентов реакции:

^РЬ = 3,87 е!с1*ч\

Мбел 775,6

= ~ = -^J = 4,83 г1а.ч.

Суточная производительность ванны по свинцовым белилам (при непрерывной работе)

1200.24.4,83.0,97

^Л = ^Ябел^т =— = 135 /сг/сутки.

Удельный расход электроэнергии

Ц7 Е»— ^ Ябел В-Ц7 Е»— ^ Ябел В-3,5-10003,5-1000

Ц7 Е»— ^ Ябел В-

Ц7 Е»— ^ Ябел В-

3,5-1000

3,5-1000

Определим часовой расход углекислого газа. Продуваемый углекислый газ нейтрализует образующуюся щелочь по реакции

СО2 + 2NaOH► Na2CO3 + Ы2О

Следовательно, для нейтрализации 4 моль NaOH, образующихся согласно суммарной реакции, потребуется 2 моль СО2. Отсюда кажущийся электрохимический эквивалент СО2

2-22 400

Яса == 279 мл1а-ч.

чс°2 6-26,8

Тогда подача СО2 в ванну составит ,„1200.1.279.0,97„

усо2 “ ^т^со2вт— 1и00— 32о А1Ч.

Вес 1 л<2 анодов

gPb = Sudpb = 10 000-1,0.11,3 = 113 000 г»

из них растворяющаяся часть

gpb= 113 000 (1 —0,13) = 98 300 г.

Продолжительность службы анодов

, /РЬ98 300

т = /уРЬВг/ = (300-2) 3,87-0,97-0,95 = 46

где / — сила тока, приходящаяся па 1 лГ2 площади анодов, равна 2£)а.

Для изготовления прорезиненных тканей может быть использован метод электрофореза, при котором лента ткани непрерывно скользит вдоль поверхности анода, погруженного в каучуковую эмульсию.

Какова должна быть скорость движения ленты ткани шириной 90 см, если усредненная толщина нанесенного слоя резины о равна 0,5 мм, а удельный расход электроэнергии W g на 1 кг каучука составляет 0,10 квт-ч? Длина анодной коробки L = 1,0 л (ее ширина равна ширине ткани). Напряжение на аппарате V = 60 в; плотность тока D = 500 а м-. Плотность резины принять й = 1,07. Какова часовая производительность аппарата?

Решение

Определим продолжительность процесса нанесения каучука на 1 л<2 ткани. На него нужно осадить каучука

gpc3 = Sdd = 10 000-0,05-1,07 = 535 г.

Необходимо затратить электроэнергии для изготовления 1 Л12 прорезиненной ткани

117 = ^рез^ — 535-0,1 = 53,5 от-ч^м2*.

Мощность электроэнергии, oiнесенная к 1 м- анодной поверхностиN = DV = 500-60 = 30 000 впг.

Время прохождения ленты ткани через всю анодную коробку

W 53,5 т = — = -60 = 0,107 мин = 6,42 сек.

N 30 000

Скорость движения ткани

и = — = —:— = 9,34 mJ мин.т 0,1071

Часовая производительность аппарата

Л = 9,34-60 = 560 м/ч, или

560-0,9 = 504 м-[ч.

Для электрохимического обессоливания воды использован трехкамерный электродиализа гор, катодное пространство которого заполнено слабым раствором NaOH, анодное пространство — слабым раствором H2SO4; в среднюю камеру подается обессоливаемая вода, содержащая 14 г!л соли (для простоты считать, что солевая примесь полностью состоит из Na2SO4).

Какую амперную нагрузку должен нести электродиализатор, чтобы производить за 1 ч 20 л воды (и = 20л), содержащей половину первоначального содержания соли?

Числа переноса: а) на границе католита и средней камеры: /?ои_ = 0,82; /2Na+ = 0,18; б) на границе анолита и средней камеры: п^- == 0,18; /гн+ = 0,82.

Решение

При прохождении 1F электричества из катодного пространства в среднее мигрирует 0,82 г-иона ОН-; в обратном направлении перейдет 0,18 г-иона Nah; из анодной камеры в среднюю при этом перейдет 0,82 г-иона Н+ и в обратном направлении мигрирует

0,18-V2 г-uoHaSO"- (соответственно числам переноса для отдельных ионов).

Суммарное изменение содержания компонентов в средней камере после прохождения 1F электричества

+ 0,82ОН- — 0,18Na+ + 0.82Н+ — 0,18 . V2 SO^ =

= + 0,82Н2О — 0,18 л/2 Na2SO4

Убыль содержания Na2SO4 за 1 ч в среднем отделении ^Na2SO4= уДС = 20*7 = 140 г’

или 1,97 г-экв Na2SO4.

Необходимая амперная нагрузка на электродиализатор 1,97

/ = -Q — = 10,95 F/ч = 293 а.

Гексаметилендиамин H2N(CH2)6NH2— исходный продукт для получения некоторых синтетических веществ, можно получить электрохимическим путем — катодным восстановлением адипонитрила N = C(CH2)4C = N в солянокислом растворе при разделении диафрагмой катодного и анодного пространств ванны. При катодном процессе адипонитрил может восстанавливаться до гекса- метилендиамина (ГМД), гексаметиленимина (ГМИ) идо аминокапронитрила (АКН):

N^C(CH2)4C = N +8Н+ + 8^—> H2N(CH2)eNH2

гексаметилендиамин

N = C(CH2)4C = N+8H++8s-> (CH2)6NH + NH3

гсксаметиленимин

N =С(СН,)4С = N + 4Н++ 4ё-> N = C(CH2)6NH2

аминокалронитрил

Из ванны нагрузкой I = 5000 а получено за 1 ч иэ = = 29,5 л католита, содержащего 39 г!л ГМД, 32 г!л АКН, 8 г!л ГМИ и 9 г!л адипонитрила.

Какая доля катодного тока затрачена на каждую из трех вышеперечисленных реакций? Какова степень участия в катодном процессе адипонитрила, вводимого в исходном католите (для упрощения расчета не принимать во внимание возврат амииокапроиитрила в процесс)? Каков объем водорода, выделяемого за 1 ч в ванне?

Решение

1) Электрохимические эквиваленты компонентов реакций:

Лfг' Г

116

9гмд ■ zF ■

п _ Л,лкн ^АКН - гр " "

л_ Л11МИ

^гми2р— =

-=0,511 г/и-ч,

8-26,8

112

== 1,045 г/и • ч;

4-26,8Z ’

99

= = 0,462 г/а-ч.

8-26,8

Количества катодных продуктов, полученных за 1 ч в ванне:

£гмд “ ^ГМ С'э = 39-29,5 = 1150 г/ч;

£дкн ” ^АКН1^ ~ 32-29,5 = 944 г,ч;

^гми ~ ^гдшг'э = 8-29,5 = 233 г/ч.

Выходы по току для отдельных катодных продуктов: а) для ГМД

100 = 42,5%;100 = 42,5%;Вт = 100 =—— 100 =

100 = 42,5%;

100 = 42,5%;

^теор ^‘~^1мд5000-1-0,541

для А КН

941

500U-1•1,015

100= 18,о?б;

в) для ГМ И

в;=

_ 236

5000-1-0,

100 - 10

Количество прореагировавшего адипонитрила (АН) в расчете на 1 л вытекающего католига

ДСАН 2=2 СГМД —Г1 мдДСАН 2=2 СГМД —Г1 мдГ С А КНГ С А КНI ГА^дц~гСГМИ —Л1ГМИI ГА^дц~гСГМИ —Л1ГМИ^АКН108^АКН108108— 39 + 32 -j- 8= 75,9 г/л.116 111299108— 39 + 32 -j- 8= 75,9 г/л.116 111299108108

ДСАН 2=2 СГМД —Г1 мд

ДСАН 2=2 СГМД —Г1 мд

Г С А КН

Г С А КН

I ГА^дц

~гСГМИ —

Л1ГМИ

I ГА^дц

~гСГМИ —

Л1ГМИ

^АКН

108

^АКН

108

108

— 39 + 32 -j- 8= 75,9 г/л.

116 111299

108

— 39 + 32 -j- 8= 75,9 г/л.

116 111299

108

108

Степень участия адипонитрила в катодном процессе (степень разложения)

ДСХИ75,9

Кп =■: 100 = ———-— 100 - 89,4%.

АСдц д- ^ан75,9-j-9,0

Выход по току для водорода

В»2 = 100— (в' -I- в” + в") = 100-(42,5+ 18,0 + 10,2) == 29,3%.

Объем водорода, выделяемого в ванне за 1 ч н5000.1.418-0,293

= I*qH ОВ^ = л:— 0,613 нм^ч.

Нз чню т1000-1000

На приготовление католита для ванн электрохимического получения гексамстилсндиампна (см. задачу 101) идет 10%-ная соляная кислота плотностью 1,047, являющаяся отработанным анолитом тех же ванн.

Рассчитать, какую концентрацию НС1 и какой объем должен иметь анолит, поступающий в ванну нагрузкой /-- 5000 а, чтобы на гыхеде из ванны он содержал 10% НС1 (без ^чета потерь воды и НО на испарение), а объем выходящего анолита должен быть достаточен для приготовления католита. Необходимая скорость по- дг чи католита в ванну 30 лч. Считать, что такой же объем должен иметь и выходящий анолит (иан = цкат).

Числа переноса в НС1: /гн+ = 0,83; пс1_ = 0,17. Аноды нерастворимые.

Решение

Составляем анодный баланс для ванны:

разряд

ci

перенос

+ ^С]_С1- — ^Н+Н+

суммарный анодный баланс

-С1“ + 7 + -у С12 + па_ С!" - п^ Н+ =

= -/гн+НС1 + у CU+7

(при приведении подобных членов учитываем, что 1—rtci-= ^Н*)-

Согласно полученному анодному балансу, можно судить, что при прохождении 1F электричества в анолите произойдет убыль пн+ моль HCL

Изменение за 1 ч содержания НС1 в анолиге ванны составит /т5000-1

A^hci — р ^h+^hci ~26 8 ^»33’35»5 —— 5650 г/ч.

Выходящий анолит должен иметь массу

^ан = уан d = 30-1,047 = 31,4 кг, в том числе;

,.10

Яна — 31’4 100 - 3’14 кг*

gHi0 =(31,4 — 3,14) = 28,26 кг.

Поступающим анолит должен содержать следующее количество ЫС1 и I ПО:

S11GI ' " i'llCl — Л«И. I 3110 i" 5650 ; ” 8790 г>

8НгО = 2«260 г.

Процентное содержание НС! в поступающем анолиге

|НС11нач|НС11нач£нс1^Ноо+^НС!£нс1^Ноо+^НС!879028 260 4-8790879028 260 4-8790100 = 23,7%.100 = 23,7%.

|НС11нач

|НС11нач

£нс1

^Ноо+^НС!

£нс1

^Ноо+^НС!

8790

28 260 4-8790

8790

28 260 4-8790

100 = 23,7%.

100 = 23,7%.

Такая кислота имеет плотность daa4 = 1,118 г[см\

Объем поступающего анолита

, ^н2О + £пс128 260+8790 оо t

=== 33’1

103. При анодном окислении натриевой соли монометилового эфира адипиновой кислоты H3COOC(CH2)4COONa образуемся диметиловый эфир се- бациновой кислоты Н3СООС(СН2)8СООСН3, из которого путем гидролиза можно получить себациновую кислоту НООС(СН.2)8СООН — исходный продукт в производстве некоторых синтетических волокон.

Рассчитать выход по теку для диэфира, если за 8 ч работы ванны нагрузкой I 7000 а получено £днэф = = 92 кг диэфира. Каков удельный расход электроэнергии в расчете на 1 т себациновой кислоты, если выход по веществу при гидролизе Вц = 95%, а напряжение V на электролизе составляет 9,5 в?

Суммарная реакция процесса электролиза

2H3COOC(CH2)4COONa+H2O^H3COO -+Na2CO3+CO2+H2.

Реакция гидролиза диэфира

Н3СООС(СН2)8СООСН3+2Н2О^^ НООС(СН2)8СООН+ 2СН3ОН

Решение

Электрохимический эквивалент диэфира Мднэ|)230,4, А ,

17диэф —^-2-26,8 =4,3 г1а"4-

Теоретическое количество диэфира, которое можно получить с ванны за 8 ч процесса

^теор — ^диэф 7^ — 4,3 • 7,0 • 8 — 240,5 кг,

Выход по току для диэфира

Вт-Вт-_£днэф_£теор_£днэф_£теор92100 = 240^92100 = 240^100 = 38,2 %.100 = 38,2 %.

Вт-

Вт-

_£днэф_£теор

_£днэф_£теор

92

100 = 240^

92

100 = 240^

100 = 38,2 %.

100 = 38,2 %.

Выход себациновой кислоты из 8-часовой продукции ванны мс.к202,3_

§с.к=^ДиэфЩ^-Вв = 92 230,4 °-9о=76-7 кг-

Удельный расход электроэнергии на 1 т себациновой кислоты _/^7000-9,5.8,

Ц7 = — = ——=^-= = 6940 квт-ч/т,

8£с.кZb’Z

Рассчитать, исходя из термодинамических данных, теоретическое напряжение разложения для процесса, протекающего при электрохимическом получении МпО2 из MnSO4:

MnSO4 + 2H2O-^MnO2+H2SO4+H2

Решение

1) Для расчета £разл воспользуемся уравнением, связывающим э. д. с. системы с изменением свободной энергии ДФ при основном электрохимическом процессе

ДФ^разл = — грт ;

ДФ =2ДФКОП —£ДФиач = ДФМп$о4 + 2ДФНго — ^фМпО2 —

~ ^фня5О4 — ^фн>0 = — 228,48 — 2 - 56,7-4- 111,4 4- 177,3- 0 =

= —53,18 ккал;

(«конечными веществами» при расчете считаются те вещества, которые получаются при самопроизвольном протекании процесса, в данном случае MnSO4 и Н2О).

53,18£разл =2-23,06= 1.15 в.

Рассчитать, основываясь на термодинамических данных, теоретическое напряжение электрохимического разложения воды при +80°С и 1 апш

н2о -> н2 + 4-о2

Решение

Изменение термодинамического потенциала Гиббса при реакции

ДФ2дв — ^фн О Афн — " 2 АФО ——56,69 ккал.

Напряжение разложения при + 25°С

_-^298 _56,69

^298 — — грт — 2-23,06

Напряжение разложения при температуре Т dE ^1—^гов+^Т1 др »

так как

dE Д5Э

dT ” zF, ’

отсюда

Ет— Е^ 4- грт ^Т.

Изменение энтропии при реакции

Д5э =SH2o - ( Sh8 + 4tsO.) = 16,7-^31,2+Д-49,о) =

= — 39,0 кал.

Напряжение разложения при + 353°К

39,0

^353 = 1,232.2з 060 ^^ 25) = 1,183 в.

Как изменится напряжение электрохимического разложения воды при + 80°С, если давление газов при процессе (без учета парциального давления паров воды) повысить с 1 до 10 атм?

Решение

Напряжение разложения при 1 атм и 80°С

Е353 = 1,183 в"(см. задачу 105).

Зависимость э. д. с. кислородно-водородной системы от давления газов выражается следующим уравнением, полученным на основании уравнения Нернста

„10.0002Г, + -

^разл Vo2 Vn, ^разл 22^0, ^2

3

= 1,183+0,0001 (273+80) 1g 10 2 = 1,236 в.

Рассчитать по термодинамическим данным теоретическое напряжение разложения водного раствора NaCl при 90°С для электрохимического процесса в диафрагменном хлорном электролизере. Реакция:

NaCl+H2O^MaOH++ С12 + + Н2

Температурный коэффициент э. д. с. для электрохимической системы Н2|ОН": ;С1'|С12 равен —0,0004 в/°С.

Решение

Изменение энтальпии при реакции

^^298 = (-^NaCl + ^) + H2O — (А^ NaOH ++^")-4-^Ci2-4-^h2 =

= (—98,24-0,46) — 68,3— (—102,0—10,3)—0—0=—53,74 ккал?модЬ,

где АН' и АН"— изменения энтальпии при растворении NaCI и NaOH.

Из \ равнения Гиббса—Гельмгольца находим напряжение разложения

АНоцо dE 53,71

^зиз “ ~zFjE '^ ~dT = 1-23,06363 ^ * ^^ 1 = 2,185 в,

где Т = 363ЧС

Каковы значения теоретического расхода электроэнергии на 1 пг едкого натра и на 1 ш хлора при диафрагменном способе электролиза хлорида натрия, если теоретическое напряжение разложения водного раствора NaCI равно 2,18 в?

Суммарная реакция процесса

NaC4-H.,O->NaOH + -i-Cl2+ ^Н3

Решение

Электрохимические эквиваленты продуктов реакции

^ХаОН^ХаОН^NaOH ~ ZF^NaOH ~ ZF40,0Л

^ХаОН

^ХаОН

^NaOH ~ ZF

^NaOH ~ ZF

1-26,8 “ 1,49 г1а'ч‘*

электроэнергии выходэлектроэнергии выход<7С1, = 1.325 г/а-ч.

электроэнергии выход

электроэнергии выход

Для значений теоретического расхода по току принимается равным 100 %

^NaOH —^NaOH —£разч^ХаОН£разч^ХаОН2,18-10001,492,18-10001,491462 квт-чИп;1462 квт-чИп;

^NaOH —

^NaOH —

£разч

^ХаОН

£разч

^ХаОН

2,18-1000

1,49

2,18-1000

1,49

1462 квт-чИп;

1462 квт-чИп;

_ ^разл 2,18-1000

CI’ ”= Г 325 ” = 1645 квш.чЬп.

Сечение графитового анодного стержня в хлорном электролизе диафрагменного типа (до работы) равно 50x50 мм; общая длина анода 1,0 лг; длина его рабочей части 0,75 м. Нагрузка на один анодный стержень 50 а. Удельное сопротивление графита р=8ом-мм-, м.

Рассчитать падение напряжения в анодах электролизера в начале и в конце рабочего цикла, считая, что к концу периода эксплуатации ванн сечение рабочей части анодов уменьшается на G5%.

Решение

Проходное сечение анодного стержня в начале эксплуатации (в нерабочей части анода оно остается неизменным):

Si = 50-50 = 2500 лаг2.

Падение напряжения в нерабочей части анода

1Х0,25

^=/7? = /?-^- =50-8 ^ = 0,04

/1 = 1,0 — 0,75 = 0.25 ле, где /1 — длина нерабочей части анода.

Падение напряжения в рабочей части анода в начале эксплуатации ванны — AV2.

При расчете необходимо принимать во внимание изменение го длине анода силы тока, которая при этом уменьшается от 50 а до 0. Поэтому при расчете этого анодного участка принимаем среднюю величину тока

Тогда

/о0,75

AV 2 = /ср р ~^~ = 25-8 25qq = 0,06 в.

Суммарное падение напряжения в анодах в начале эксплуатации ванн

ДГ = 0,04 4- 0,06 = 0,10 в.

Сечение рабочей части анодов в конце их эксплуатации

S2 = 2500-0,35 = 875 лиг".

Потери напряжения в рабочей части эксплуатировавшихся анодов

0,75

AV3 = 25-8-gyg-= 0,172 в.

Суммарное падение напряжения в работавших анодах

ДУ" = ДУХ + ДУ3 = 0,04 + 0,172 = 0,212 в.

В качестве электролита в ваннах для электролиза воды использованы: а) 17?о-ный раствор NaOH, б) 27?о-ный раствор КОН. Электродная плотность тока 2000 а!м?. Межэлектродное расстояние 5 мм. Газона- полнение электролита 20%. Температура процесса+80°С.

Каково падение напряжения в электролите ванны (не учитывать некоторого увеличения сопротивления за счет наличия диафрагмы в межэлектродном пространстве)?

Удельные электропроводности при +80°С: для раствора NaOH х1=1,0 олг^слг1, для раствора КОН х2 = = 1,28 олг^слг1.

Решение

Определяем увеличение сопротивления электролита за счет газонаполнения. Расчет поправочного коэффициента сопротивления раствора проводим по формуле Машовца [9]

= 1—1,78 Г+Г2 = 1—1,78-0,2+0,22 = 1>46’

где Г — степень газонаполнения раствора.

Падение напряжения в натриевом электролите

д1,К I I К1 2Ш 1,46-0,5

£kVi = IR = I • s = 5 • Xj = Ю000 ‘1,0-

= 0,146 в.

Падение напряжения в калиевом электролите

Диафрагменная хлорная ванна нагрузкой 1 = = 20 000 а работает с выходом по току Вт = 95% при напряжении V = 3,4 в.

Какое количество джоулева тепла выделяется за 1 ч в ванне (без учета тепла от сгорания анодов и тепла при электролизе воды)?

Теплота реакции

NaCl+H2O -> NaOH + у Н2 + -1" с12

равна—52,9 ккал/моль NaCl (с учетом теплот растворения и разбавления).

Решение

Тепловое напряжение разложения

QT 52,9

£тZfr - 1.23,06 - 2’29в-

Количество джоулева тепла, выделяющегося за 1 ч в ванне Qr = 0,860 / (V—ЕТВ^ =0,860• 20 000 (3,4—2,29-0,95) = 21 100 ккшфи При расчете сделано допущение, что снижение выхода по току полностью обусловлено процессами с напряжением разложения, равным нулю, например обратным взаимодействием электродных продуктов.

Рабочее напряжение на ванне при получении персульфата аммония равно 5,0 в. Сила тока равна 1000 а. Выход по току Вт для персульфата 82% (считать, что 18% тока—Вт"—тратится на разложение воды); температура процесса +20°С (такой же считать и температуру окружающей среды).

Рассчитать часовой расход охлаждающей воды на ванну для компенсации выделяющегося джоулева тепла, если начальная температура воды + 10°С, а конечная + 15°С.

Решение

Суммарные реакции электрохимических процессов в ванне

(NH4)2SO4+'. i2SO4^(NH4)2S2O8+Ha

НаО->На +°*

Изменение энтальпии при электрохимических реакциях:

^H1 = (AW(Nihhso* + ^'^ + (А //H2so1 + Ай") — -(AH(NHj2s2o8 + АН'")-дН2 = (-281,9 + 1,5)+(- 193,9 - 17,0)(—396,4 +8,6)—0 = — 103,5 ккал,

где ХН', ХН" и /ХН’"— соответственно изменение энтальпии при растворении (NH4)2SO4, H2SO4 и (NH4)2S2O8

ДН2 = ^^н2о — д^н2” “ТГ А^о2 = — 68,3 ккал.

Тепловые напряжения разложения при реакциях: ,103-5 .

ет — 2-23,06 — 2-25в;

68,3

£Т — 2-23,06 — 1,48s-

Джоулево тепло, выделяющееся за 1 ч в ванне

QT = 0,860 k ( VB - е'в;-Е"в') =

=0,860-1000-1 (5,0—2,25-0,82—1,48-0,18) = 2480 ккал/ч.

Часовой расход охлаждающей воды на ванну

QT2480.

т = "ТаГ = 1 (15—10)1000 -°>496 я^4-

ЗАДАЧИ

Для расчета ожидаемого значения выхода по току для щелочи при диафрагменном способе электролиза раствора NaCl с непроточным электролитом можно использовать ориентировочную формулу Ферстера и Йорре [10]

или

100 %,100 %,

100 %,

100 %,

где /?ои_ —число перевеса ионов ОН" в растворе NaOH; уч и у.о — удельные электропроводности NaCl и NaOH в их смешанном растворе; ах и 72— степени диссоциации NaCl и NaOH; Сх и С2— концентрации NaCl и NaOH в щелоках, вытекающих из ванны; Х^ и Х^— эквивалентные электропроводности NaCl и NaOH при бесконечном разбавлении.

Рассчитать, при какой концентрации NaOH в вытекающих щелоках ванна будет иметь выход по току, равный 60%, если суммарная концентрация NaCl и NaOH в электролите составляет 5,0 г-экв'л, а температура процесса равна + 85СС. Х^ = 276; Х^ = 530; /гон" = 0,80. Принять, что ах 7.2.

Диафрагменная хлорная ванна нагрузкой 20 ка работает с выходами по току для Н2 около 99%, для С12 и NaOH в среднем 95 %. Вытекающие из ванны щелока содержат около 140 г!л NaOH.

Какова часовая производительность ванны по Н2 и С12 (по приведенному объему и массе) и по NaOH? Каков объем щелоков, вытекающих за 1 ч из ванны? Напишите реакцию основного электрохимического процесса в ванне.

Исходный рассол, поступающий в диафрагменный хлорный электролизер, содержит 315 г/л NaCl. Концентрация NaOH в щелоках, вытекающих из ванны, составляет около 140 г/л.

Рассчитать: а) концентрацию NaCl в вытекающих щелоках; б) степень разложения поваренной соли; в) отно-

сительный объем щелоков (по отношению к объему рассола).

Для расчета содержания NaCl в щелоках использовать эмпирическое уравнение, учитывающее расход воды на электролиз, образование NaOH, испарение, а также изменение плотности раствора при замене NaCl на NaOH [11] (уравнение составлено для температуры электролиза +90°С)

^ = ^—1,065 С3,

где Cv и С2— содержание NaCl в щелоках и рассоле, г/л; С3 — концентрация NaOH в щелоках, г/л.

Диафрагменный хлорный электролизер, предназначенный для получения едкого кали, работает при нагрузке 10 ка и среднем выходе по току 92 ?6. Содержание КОН в вытекающих щелоках составляет около 180 г, л.

Какова должна быть скорость вытекания щелоков из электролизера?

Каков удельный расход электроэнергии: а) на 1 т 100°6-ного NaOH, б) на 1 т хлора, производимых в диафрагменном хлорном электролизере, если выход по току для обоих продуктов равен 95?6, а среднее напряжение на ванне составляет 3,40 в?

Рассчитать Са— концентрацию NaCl в анолите диафрагменного хлорного электролизера, если содержание NtCI в исходном рассоле ^ = 310 г/л, а концентрация NaOH в электролитических щелоках Со= 130 г/л.

Для расчета использовать эмпирическое уравнение, учитывающее расход компонентов при электролизе, миграцию ионов и испарение воды [II] для+90°С

Са = ^ — 0,4^

Расстояние между анодами и катодами хлорного электролизера диафрагменного типа равно 12 мм, из

них 2,0 мм занимает диафрагма. Рабочая плотность тока Z) = 803 а/м-\ удельная электропроводность электролита х = 0,58 ом^-слг1. Увеличение сопротивления электролита за счет газонаполнения 15%. Сопротивление диафрагмы составляет 2,5 ом-см2.

Какова величина падения напряжения в электролите и диафрагме электролизера?

Провести материальный расчет хлорного ртутного электролизера нагрузкой 30 ка.

Рассчитать: а) часовую производительность ванны по NaOH, Н2 и хлору (выход по току для всех продуктов равен 96 %); б) объем и вес щелоков с концентрацией NaOH 660 г/л (d = 1,475), образующихся за 1 ч в раз- лагателе ванны; в) часовой расход воды на получение щелочи в разлагателе; г) скорость подачи в ванну рассола с концентрацией NaCl Спач = 320 г/л, если в вытекающем растворе содержится 270 г/л NaCl. Напишите основные реакции, протекающие в электролизере и разлагателе ванны.

Ртуть, поступающая в хлорный ртутный электролизер из разлагателя, содержит примерно 0,02?о металлического натрия, а выходящая из электролизера — около 0,15 % Na.

Какова должна быть скорость циркуляции ртути в электролизере нагрузкой 30 ка, если катодный выход по току равен 96 %? Плотность ртути принять 13,5 кг/л.

С серии из 40 последовательно включенных хлорных ртутных ванн, имеющих среднюю нагрузку 20 500 а, получено за сутки 42,0 м3 жидкой щелочи с концентрацией NaOH 670 г/л. Среднее напряжение на серии 185 в.

Рассчитать выход по току и удельный расход электроэнергии для щелочи и хлора (считать Вт для обоих продуктов одинаковыми).

Хлор-газ, выходящий из хлорного ртутного электролизера, содержит 95 объемы. ?о С12 и 0,7 объемы. % СО2. Выход по току для хлора равен 96%. Анодная плотность тока 5000 а м- (не учитывать перфорацию электродов).

Принимая, что в общем расходе анодного графита его электрохимическое разрушение (за счет реакции С->СО2) составляет 60?% рассчитать, за какое время аноды сработаются на 1 мм? Кажущаяся плотность анодов da = 1,6.

Средняя электродная плотность тока в хлорном ртутном электролизере равна 5500 а at2; межэлектродное расстояние в ванне / = 4 мм; удельная электропроводность электролита / = 0,52 о.и^-слг1.

Каково падение напряжения в электролите ванны, если газонаполнеыие увеличивает сопротивление раствора на 15 %?

Напряжение разложения водного раствора NaCl в хлорном ртутном электролизере £раз1 = 3,22 в

Чему равен теоретический удельный расход электроэнергии в расчете на 1 т 100 %-ного NaOH и на 1 т хлора?

Хлорный ртутный электролизер нагрузкой 30 ка работает с напряжением на ванне Кв 4,5 в, при выходе по току Вг = 97%. Какое количество джоулевого тепла выделяется за 1 ч в ванне (для простоты расчета не учитывать электролиз воды и тепло, выделяющееся при сгорании анодов)? Тепловой эффект электрохимической реакции рассчитать, основываясь па термодинамических функциях ее компонентов. Энтальпиядчя амальгамы натрия АЯ-—21,6 ккал 'г-атом Na.

Для получения хлор-газа исш льлшап метод электролиза солянокислого раствора Си(% (см. задачу 88). Электролит в подобных ваннах непрерывно проса-

сывается через катод, изготовленный из пористого графита; при этом ионы двухвалентной меди восстанавливаются до одновалентного комплекса меди.

Рассчитать, какую скорость протекания через катод (в литрах на 1 Л12 в 1 ч) должен иметь медно-хлористый электролит, содержащий первоначально 180 г!л СиС12, чтобы за время нахождения в электролизере 1/4 поступающей двухвалентной меди катодно восстановилась до одновалентной меди. Кажущаяся катодная плотность тока DK = 4000 а/м2. Катодный и анодный выход по току равен 90%.

В отдельных случаях может оказаться экономически выгодным получение хлора электролизом соляной кислоты [12], получаемой из «абгазного» хлористого водорода.

Биполярный хлорный электролизер для электролиза соляной кислоты состоит из 50 последовательных ячеек. Нагрузка на электролизер 1000 а, рабочее напряжение 115 в.

Каковы выход по току и удельный расход электроэнергии для получаемого хлора, если среднесуточная производительность электролизера составила 1,46 т С12?

Биполярный хлорный электролизер нагрузкой 1000 а для электролиза соляной кислоты, состоящий из 50 последовательных ячеек, питается раствором, содержащим 250 г!л НС1. Из электролизера выводится раствор с содержанием НС1 170 г!л.

Какое количество свежего электролита должно ежечасно подаваться в весь электролизер и в его отдельную ячейку (для упрощения расчета пренебречь летучестью хлористого водорода и изменением объема раствора при электролизе)? Выход по току равен 90 %.

Рассчитать количество джоулева тепла, выделяющегося за 1 ч в биполярном хлорном электролизере

для электро/пза соляной кислоты нагрузкой 1000 а, состоящего из 50 последовательных ячеек. Напряжение на ванне 115 с, выход по току 90 % (при расчете предполагать, что снижение выхода по току полностью обусловлено внутренними утечками тока и взаимодействием анодных и катодных продуктов; пренебречь электролизом воды и теплом от сгорания анодов). Расчет теплового эффекта электрохимической реакции провести через термодинамические функции ее отдельных компонентов.

С последовательной серии из 240 ванн (с моио- полярпыми электродами) для электролиза воды пэлученс за сутки 19 100 нм? Н2. Нагрузка на ванну 8000 а, среднее напряжение на серию 540 в. -

Рассчитать: а) выход по току; б) удельный расход электроэнергии ia получение 1 нл3 Н2; в) суточную производительность серии по О2 (считать равным выходы по току для Н2 и О2).

Биполярная ванна для электролиза воды нагрузкой 9000 а содержит 180 последовательных ячеек и работает с выходом по току около 96,5%.

Какое количество воды электролитически разлагается за 1 ч в ванне?

Фильтрпрессная ванна для электролиза воды, состоящая из 180 последовательных ячеек нагрузкой 9000 а, работает при + 80°С и давлении 1 атм. Средний выход по току равен 96?о; рабочее напряжение на ванне 385 в.

Какое количество джоулевого тепла выделяется ежечасно в ванне? Тепловой эффект реакции Н2+-^-О2-*Н2О при + 80°С равен 67,9 ккал!моль.

Цех электролитического получения надсернокислых соединений с годовой производительностью 3000 пг 85 %-ной перекиси водорода оснащен электролизерами

нагрузкой 2000 а. Выход по току для надсернокислых соединений 84%; выход при гидролизе их до перекиси 80%, выход при «креплении» перекиси водорода 90%. Машинное время работы ванн 0,95.

Какое количество электролизеров необходимо установить в цехе?

При электролитическом получении персульфата аммония ванны имеют разделенные анодное и катодное пространства, что позволяет устранить или, по крайней мере, резко уменьшить катодное восстановление персульфата, образующегося в анодном отделении. Обогащение анолита персульфатом осуществляется путем его перетекания последовательно через анодные пространства ряда ванн (так называемый «каскад»).

Рассчитать выход по току для персульфата аммония, если с каскада в 27 ванн нагрузкой каждая 2000 а получено за сутки 18,8 и3 анолита, содержащего 246 г!л (NH4)oS2O8.

Исходный раствор для получения персульфата аммония, подаваемый в катодное отделение верхней ванны каскада из 27 электролизеров нагрузкой 2000 а, содержит 300 г/л H2SO4 и 200 г/л (МН4)2 SO4.

Какова концентрация H2SO4 и (МН4)2 SO4 в выходящем католите, если известно, что скорость его выхода из ванны должна равняться 790 л/ч (последняя величина рассчитывается, исходя из необходимости достижения нужной концентрации персульфата в анолите, который готовится из «отработанного» католита)?

Числа переноса: мн+ = 0,68; ^^= 0,08; nSo^- = 0,24. В расчете не учитывать изменение объема раствора при прохождении его через каскад.

Раствор, подаваемый в катодное отделение верхней ванны каскада из 27 электролизеров нагрузкой

2000 а каждый для получения персульфата аммония содержит 300 г!л H2SO4 и 200 г!л (NH4)2SOi.

Учитывая, что выходящий католит затем использу ется в качестве анолита того же каскада, рассчитать а) скорость подачи католита (и анолита) в каскад, есл! концентрация персульфата аммония (NH4)2S2O8 в выхо дящем анолите должна составлять 250 г, л; б) кон цен трацию H2SO4 и (NH4)2SO4 в выходящем анолите. Анод ный выход по току для персульфата 85 ?6, для кисло рода 15%. Катодный выход по току для водорода 100 "о При расчете не учитывать изменение объема электролп та в ходе электролиза.

В электролизном цехе получения персульфате аммония установлено 6 каскадов по 27 ванн нагрузке! 2000 а в каждом.

Какой приведенный объем водорода выделяется за 1 ' всеми ваннами цеха (выход по току для водорода околс 100%)?

Выход по току в электролизерах для полу чеши персульфата аммония в среднем равен 82?6; выход в про цессе гидролиза персульфата в перекись водорода 8О?8 выход при «креплении» перекиси водорода 90 ° о. Среднее напряжение на ванну с учетом падения напряжения г соединительных шинах 5,5 в.

Каков удельный расход электроэнергии в расчете не 1 пг товарной 85%-ной перекиси водорода?

При электролитическом получении персульфата аммония без разделения анодных и катодных пространен электролизера в верхнюю ванну каскада подается раст вор состава: 280 г'л (NH4\SO4, 70 г!л H2SO4, 40 K2ST)4, 80 г!л (NH4)2 S2O8. Выходящий электролит со держит 170 г!л (NH4)2S2O8. Каскад состоит из 27 ваш нагрузкой 1000 а каждая, работающих при выходе пс току 85 ?6.

Рассчитать: а) необходимую скорость подачи электролита в каскад; б) концентрацию (NHi)2SO4 и H2SO4 в выходящем растворе (но принимать во внимание возможного изменения объема электролита в ходе электролиза).

Для приготовления раствора гипохлорита натрия NaClO использован электрохимический способ. Для электролиза применена ванна с биполярными электродами, состоящая из 25 электролитических ячеек. Исходный раствор (с концентрацией NaCl 107 г/л) подается в верхнюю ячейку каскадно расположенной ванны и последовательно проходит через все ее ячейки. Выходящий раствор содержит 20 г, л NaClO. Нагрузка на ванну 50 а, среднее напряжение 140 в. Выход по току для гипохлорита равен 60 %.

Рассчитать: а) необходимую скорость подачи в ванну раствора NaCl; б) сдельный расход электроэнергии и NaCl на 1 к' NaClO (при расчетах считать объем раствора в ход - электролиза неизменным).

Напишите реакцию основного электрохимического процесса в ванне.

В электролизер для периодического получения хлората натрия NaC!O3 нагрузкой 1600 а одновременно заливается 760 л раствора, содержащего 250 г!л NaCl. Процесс электролиза продолжается до того, как концентрация NaCl в рас1в?ре понизится до 85 г/л. Ванна работает при среднем выходе по току 87 ?6 и среднем напряжении 3,3 в.

Рассчитшь: а) продолжительность рабочего цикла ванны; 6) ко; ц и грацию и количество NaClO3 в конечном расти дм, в) \ дельный расход электроэнергии и NaCl на 1 к-' ХаСК), в растворе.

Принять, что в .ходе процесса электролиза объем электролита уменьшается на величину, соответствующую объ-

ему воды, израсходованной на электрохимический процесс; при этом считать, что понижение выхода по току для основного электрохимического процесса полностью обусловлено электролизом воды.

Напишите реакцию основного электрохимического процесса в ванне.

При электролитическом получении хлората натрия NaC103 в электролизерах непрерывного действия выходящий из ванн раствор возвращается после извлечения из него части NaC103 и донасыщения его поваренной солью в процесс электролиза. В таком маточном растворе содержание NaCl доводят до 280 г/л; концентрация NaC103 составляет около 50 г/л.

При питании ванны нагрузкой 12 ка таким электролитом получено после 220 ч электролиза 6,0 Л!3 раствора, содержащего 297 г/л NaC103.

Рассчитать: а) выход по току для NaC103; б) удельный расход электроэнергии, если среднее напряжение на ванне равно 4,1 в; в) концентрацию NaCl в выходящем растворе. Допущения для расчета изменения объема раствора в ходе электролиза см. в условиях задачи 142.

В верхнюю ванну каскада, состоящего из 7 последовательно соединенных электролизеров нагрузкой 20 ка, предназначенных для получения хлората натрия NaClO3, подается электролит, содержащий 270 г/л NaCl, 50 г/л NaClO3 и некоторые улучшающие присадки. Из нижней ванны каскада выходит раствор с концентрацией NaClO3 300 г/л. Напряжение на каскаде 28 г; средний выход по току для хлората 85%.

Рассчитать: а) необходимую скорость подачи раствора в ванну; б) объем электролита, выходящего за 1 ч из каскада; в) удельный расход электроэнергии на кг NaClO3 (в растворе); г) концентрацию NaCl в выходящем 136

электролите. Методику расчета изменения объема раствора в ходе электролиза см. в условиях задачи 142.

На серии из 30 последовательно соединенных ванн нагрузкой 12 на каждая, используемых для получения перхлората натрия NaClOj анодным окислением хлората натрия, за сутки работы получено 17,6 лР раствора, содержащего 920 г!л ИаСЮь Напряжение на серии около 195 в

Каковы выход по току и удельный расход электроэнергии для перхлората натрия (в растворе)? Напишите реакцию суммарного электрохимического процесса в ванне.

В электролизер периодического действия нагрузкой 500 а для получения перхлората натрия NaC104 одновременно заливается 220 л раствора, содержащего 650 г!л NaClO3. Процесс электролиза прекращается при снижении концентрации NaClO3 до 20 г!л. Выход по току для перхлората равен 95%, а среднее напряжение на ванне 6,5 в.

Рассчитать: а) длительность одного рабочего цикла электролизера; б) конечную концентрацию NaClO4 в электролите; в) удельный расход электроэнергии на 1 т NaClO4 (в растворе). В расчете для упрощения принять, что изменение объема электролита в ходе процесса равно объему воды, израсходованной при электрохимических превращениях.

Для электрохимического получения пербората натрия NaBO3-4H2O анодным окислением буры использованы ванны нагрузкой 6700 а. Исходным электролитом служит смешанный раствор буры и соды (40 г/л Na2B4O7- ЮН2О и 140 г/л Na2CO3) с некоторыми присадками. Каждые 6 ч из ванны отбирается от раствора часть электролита с плавающими кристаллами пербората, которые от деляют на центрифуге. Расход буры на электролиз вос-

полняют при отборе электролита. Ванна работает при выходе по току примерно 58?о и среднем напряжении 6,0 в.

Рассчитать: а) месячную (30 суток) производительность ванны по перборату; б) количество твердой буры, которое необходимо расходовать для восполнения ее расхода на электролиз через каждые 6 ч (не учитывать буру в отбираемом растворе, который после центрифугирования возвращается в процесс); в) удельный расход электроэнергии на 1 т пербората.

Суммарная реакция электрохимического процесса в ванне:

Na2B4O7 + 2NaOH + 19Н2О -> 4(NaBO3-4H2O) + 4Н2

Для электрохимического получения красной кровяной соли K3[Fe(CN\] из желтой кровяной соли К11Ре(СМ)6] использованы электролизеры периодического действия нагрузкой 200 а с разделенными анодными и катодными пространствами. В анодное пространство ванны заливается 1,5 лс3 раствора, содержащего 90 г!л K4[Fe(CN)6] и 280 г!л K3[Fe(CN)J. Процесс ведут до достижения концентрации K3[Fe(CN)6] 320 г! л. Выход по току для красной кровяной соли равен 90% , среднее напряжение на ванне 3,0 в.

Рассчитать: а) продолжительность одного периода работы ванны; б) конечную концентрацию K4[Fe(CN)6] в электролите; в) удельный расход электроэнергии на 1 т красной кровяной соли (в растворе). При расчете пренебречь изменением объема анолита и переносом ионов в ходе электролиза.

Реакция суммарного электрохимического процесса в ванне:

K4[Fe(CN)6] + Н2О -> K3[Fe(CN)6] + КОН + 4"Н2

Исходным электролитом в ванне периодического действия для электрохимического получения пермангана- 138

та калия KMnOi из манганата К2МпО4 является раствор, содержащий 180 г}.г К2МпО4, 150 г!л КОН и некоторое количество КМнО4 и 1\2СО3. В процессе электролиза основная масса образующегося КхМпО4 выпадает в виде кристаллов на дне электролизера. Ванна работает при объемной плотности тока 0,9 а'л, выходе по току, равном 50%, и среднем напряжении 2,8 в. Процесс прекращается при снижении содержания К2МпО4 до 20 г!л.

Рассчитать: а) продолжительность рабочего периода ванны; б) удельный расход электроэнергии на 1 т образующегося КМпО4; в) концентрацию КОН в отработанном электролите ванны (при расчете пренебречь изменением объема раствора в ходе электролиза).

Реакция суммарного электрохимического процесса в ванне:

К2МпО4 + Н2О -> КМпО4 + КОН + -Ъ Н2

В электролизер периодического действия нагрузкой 1300 а для получения КМпО4 одновременно заливается 1,5 Л13 раствора, содержащего 180 г!л К2МпО4, 23 г!л КМпО4, 150 г!л КОН и примесь К2СО3. После 48 ч электролиза раствор имеет состав: 16 г!л К2МпО4, 46 г/л КхМпО4 и некоторое количество КОН и К2СО3. Основная масса образовавшегося КМпО4 кристаллизуется и выпадает на дно ванны. Среднее напряжение на ванне 3,1 в.

Рассчитать: а) выход по току для КМпО4; б) количество кристаллического КМпО4, выпавшего в ванне за рабочий период 48 ч; в) удельный расход электроэнергии на 1 т образовавшегося перманганата; г) конечную концентрацию КОН в электролите; д) выход по веществу. При расчетах не учитывать некоторое изменение объема электролита в ходе электролиза.

Для получения закиси меди Си2О использован электрохимический способ — анодное растворение меди в подщелоченном хлоридном электролите.

Рассчитать суточную производительность ванны нагрузкой 1200 а для получения закиси меди, если выход по току равен 99%. Каков удельный расход электроэнергии на 1 т Си2О при среднем напряжении на ванне около 4,0 в? Какова длительность работы медных анодов толщиной 10 мл1 при анодной плотности тока Da = 200 а, м2 (аноды погружены в раствор полностью и работают двусторонне)? Для анодиого растворения меди принять выход по току равным 100%. Анодные остатки (скрап) составляют 10% от первоначальной массы анода. За рабочий период растворения анодов ванна работает непрерывно.

Реакция суммарного электрохимического процесса в ванне

2Си + Н2О -> Си2О + Н2

Для регенерации отработанных растворов хромовой кислоты, использованных для целей органического синтеза, применяется электрохимический способ, при котором ионы трехвалентного хрома анодно окисляются до шестивалентного хрома. Анодное пространство ванны отделено от катодного диафрагмой. Регенерируемый раствор непрерывно пропускается сначала через катодное (с экранированным катодом), а затем через анодное отделение ванны.

Рассчитать, с какой скоростью должен подаваться в ванну нагрузкой 1200 а регенерируемый раствор, содержащий 245 г/л Cr2(SO4)3 и 250 г/л H2SO4, чтобы 90% сернокислого хрома анодно окислились до СгО3(Н2Сг2О7), если выход по току для СгО3 равен 85%. Каковы часовая производительность ванны по СгО3 и удельный расход электроэнергии в расчете на 1 кг хромового ангидрида СгО3 при среднем напряжении на ванне около 3,5 в?

Какова концентрация Cr2(SO4)3, СгО3 и H2SO4 в вытекающем растворе?

Изменение объема раствора в ходе электролиза принять равным объему воды, израсходованной при электрохимическом процессе. Для простоты расчета считать катодный выход по току для водорода равным 100?6 и анодный выход по току для кислорода Вт = (100 — 85) = = 15?6.

Реакция основного электрохимического процесса в ванне

Cr2(SO4)3 + 6Н2О 2CrO3 + 3H2SO4 + ЗН2

Побочный процесс в ванне

Н2О->Н2 + 4-О2

Для получения гидросульфита натрия Na2S2O4 можно использовать электрохимический способ, при котором ион бисульфита катодно восстанавливается до гидросульфита по реакции

2HSO7+ 2Н+ + 2е->S2O4-+ 2Н2О

При этом способе раствор, содержащий бисульфит, последовательно протекает через анодное и катодное отделения ванны, разделенные между собой диафрагмой.

Каковы выход по току и удельный расход электроэнергии для получаемого гидросульфита в ванне нагрузкой 500 а с рабочим напряжением 5,5 в, если за 10 ч с нее получено 104 л раствора, содержащего 137 г!л Na2S2O4?

Для частичного обезвоживания каолина использован метод электроосмоса. На осмос-машине с вращающимся анодом барабанного типа, имеющим рабочую поверхность 1,7 Л12, получено за сутки 11,0 т каолина с

содержанием влаги 35/6. Анодная плотность тока равна 100 а!м\ среднее напряжение на установке 80 в.

Каков удельный расход электроэнергии в расчете на 1 т безводного каолина?

Одним из возможных способов получения йодоформа СН13 является электролиз водного раствора иодида калия KI, содержащего этиловый спирт. Йодоформ при этом является продуктом вторичной реакции — взаимодействия аноднообразованного иода с этиловым спиртом.

Какова суточная производительность по йодоформу ванны нагрузкой 900 а, а также удельный расход электроэнергии, если выход по току составляет 89%, а напряжение на ванне равно 2,3 в? Какой приведенный объем СО2 должен ежечасно вводиться в ванну для нейтрализации избыточной щелочи, образующейся в ходе процесса?

Реакция суммарного электрохимического процесса в ванне

С2Н5ОН + ЗКI + ЗН2О -> СШ3 + 5Н2 + К2СО3 + кон

При получении хлороформа СНС13 электролизом водного раствора NaCl, содержащего этиловый спирт и некоторые улучшающие присадки, с ванны нагрузкой 1100 а получено за сутки 7,3 кг хлороформа при среднем рабочем напряжении 4,2 в.

Каковы выход по току и удельный расход электроэнергии для полученного хлороформа?

Реакция суммарного электрохимического процесса в ванне

C2H5OH+3NaCl + ЗН2О -> СНС13 + 5Н2 + Na2CO3 +NaOH

При электрохимическом получении гексаметилендиамина H2N(CH2)6NH2 (исходного продукта в производстве некоторых синтетических веществ) путем катодного

восстановления в солянокислом растворе адипонитрила N = C(CH2)4C=N с ванны нагрузкой 5000 а получено за сутки 730 л католита, содержащего 47 г!л гексаметилендиамина. Среднее напряжение на ванне 5,0 в.

Каковы выход по току и удельный расход электро* энергии для полученного гексаметилендиамина?

Реакция суммарного электрохимического процесса в ванне

N = C(CH2)4C = N + 8НС1 -> H2N(CH2)6NH2 + 4С12

При анодном окислении натриевой соли монометилового эфира адипиновой кислоты H3COOC(CH2)4COONa получается диметиловый эфир се- бациновой кислоты. Гидролизом последнего может быть в свою очередь получена себациновая кислота НООС(СН2)8СООН— исходный продукт в производстве некоторых синтетических волокон. -

Реакция суммарного электрохимического процесса в ванне

2H3COOC(CH2)4COONa + Н2О -> Н3СООС(СН2)8СООСН3+ Na2CO3 -}- СО2 -Г Н2

Реакция гидролиза диэфпра

Н3СООС(СН2)8СООСН3 + 2Н2О -> НООС(СН2)8СООН ++2СН3ОН

Какое количество электролизеров нагрузкой 7000 а необходимо установить в цехе с годовой производительностью 2000 т себациновой кислоты? Выход по току для диэфира в электролизерах равен 4О?6. Машинное время работы электролизеров 0,90. Выход по веществу при гидролизе диэфира составляет 95%.

ГЛАВА IV

ГАЛЬВАНОТЕХНИКА

Последовательно с лабораторной ванной цинкования, залитой цианистым электролитом, включен медный кулометр. За 20 мин процесса цинкуемая деталь с рабочей поверхностью S-- 1,4 дм2* увеличилась в массе на ^zn ~ 1,82 г, за это же время на катоде медного кулометра высадилось 2,10 г меди.

Рассчитать: а) выход по току для цинка; б) среднюю толщину цинкового покрытия; в) среднюю катодную плотность тока в ванне цинкования.

Решение

Количество электричества, протекшее через электрическую цепь

^Си 2,10

9=М85 =''77 "-

Выход по току для процесса цинкования &факт^факт1,82

вт = -100 =-^—100 = гутггод 1°0 = 84,2%. бтеорЧ 4zn1,//•1,

Средняя толщина цинкового покрытия (плотность цинка 7,14 г(см^

§7ч1,82

6 =7 . . Ю1 = 18,2 Л1К.

SdZn140-7,14

Средняя катодная плотность тока процесса цинкования Q 1,77-60Л о

^к — т£ — 20-1 4 =^’^^ а/дм~.

За 20 мин гальванического цинкования плотностью тока DK^3,2 адм2 на детали поверхностью S = =^0,80 дм- выделилось ^ = 62,7 мл водорода (насыщенного парами воды), собранного при +23^С и давлении В = 752 мм рт. ст.

Рассчитать выход по току для цинка и среднюю толщину цинкового покрытия.

Решение

Снижение выхода по току для цинка практически полностью обусловлено параллельным протеканием на катоде процесса выделения водорода. Поэтому, зная количество электричества, затраченного на последний процесс, легко рассчитать и выход по току для цинка.

Давление насыщенных паров воды при +23 С oj=21 ,0 млг pm. c/zz[8].

Приведем измеренный объем выделившегося водорода к нормаль* ным условиям:

у, 273 (5 — и) 62,7-273(752 — 21)

и° “ 760(273 + /) “760(273 + 23)“ 55’6 ли*

Электрохимический эквивалент водорода

22 400^н2— 2-26,8 —418 мл/а-ч.

Количество электричества, затраченное на выделение Н2 и о55,6

QH,418" = 0,133 ич'

Общее количество протекшего электричества Л 20

Q = DK St = 3,2-0,8-^- = 0,853а-ч.

Выход по юку для цинка

в _100 =100 _’33._

DT- QQ—0 853

Количес.вэ осажденного маталла

gZn = qZn QZn = 1,22(0,853 — 0,133) = 0,878 г.

Толщина цинкового покрытия

6 = _£^L_ =. 104 _ 15 4 мк

SdZn 80-7,14

В колокольную ванну цинкования нагрузкой 80 а одновременно загружено g = 15,0 кг деталей с удельной поверхностью 5уд 19,2 дм21кг.

Какова необходимая длительность процесса покрытия для получения толщины цинкового осадка В= 15 лхлс, если выход по току в таком электролите в стационарных ваннах равен 90% и необходимое увеличение времени электролиза в колокольных ваннах (для компенсации механического истирания и неравномерности пересыпания деталей) составит 15% ^К =1,15)?

Решение

Поверхность деталей одной загрузки

S = ^5уд = 15-19,2 = 288 дм1.

Масса катодного осадка цинка ля деталей всей загрузки

gZn = 5 о dZn = 28 800-0,0015-7,14 = 308 г.

Продолжительность процесса покрытия

£zn308

т = /gZnBT К= 80-1,22-0,90 1 ’154,04 41

Процесс электролитического никелирования деталей проводится в стационарной ванне при катодной плотности тока DK = 4,0 а1дмг с выходом пэ току около 96%. Необходимая толщина о слоя никеля на деталях 25 мк. Напряжение на ванне VB = 5,0 в, падение напряжения в шинопроводе равно 10?6 от Vu(Ki = 1,1); неэкранированная (никелируемая) поверхность подвесок составляет 5% от поверхности завешиваемых на них деталей (/<2 = 1,05). Обратимый брак равен примерно 1% всех никелируемых деталей ^3 = 0,99).

Рассчитать: а) продолжительность процесса никелирования; б) удельный расход электроэнергии на 1 м- никелируемых деталей.

Решение

1) Продолжительность процесса никелирования 6d№0,0025-8,9

Ок<7№Вт - 0,04-1,095-0,96 60-31,8л«ч.

2) Удельный расход электроэнергии на 1 м2 покрытия

VBK1DK-K.

-Кз

5,0.1,1.400.31,8.1,05

0,99-60-1000— 1,236 кет-ч/и3-

Ванна хромирования нагрузкой 4000 а, электролитом которой является раствор, содержащий 250 г!л СгО3 и 2,5 г!л H2SO4, работает при катодной плотности тока DK = 50 адм-, среднем напряжении VB=12 в и выходе по току для хрома В?г = 15%. Необходимая толщина слоя хрома на деталях о = 2,0 мк.

Принимая в )емя на загрузку и выгрузку подвесок с деталями т3 = 1,7 мин, рассчитать: а) количество рабочих циклов ванны в 1 ч\ б) часовую производительность ванны (площадь хромированных изделий); в) нормальный объем водорода, выделяющегося в ванне за 1 ч, если

5% тока (В““а) расходуется на процесс катодно-анодного перехода_

Сг°Ч- З^Сг3г

г) количество СгО3, расходующегося в ванне, в расчете на 1 ч ее работы и на 1 м- хромового покрытия (механические потери раствора т принять равными 0,1 л л2); д) удельный расход электроэнергии на 1 л2 покрытия.

Решение

Время хромирования

?^сг 0,0002-7,0

Тх = DKQCrBT = 0,50-0,324-0,15 60 = 3,46 Ш1Н*

Продолжительность одного цикла работы ванны

тц = тх + т3 = 3,46 + 1,7 = 5,16 мин.

Количество рабочих циклов в час

60

= г .х" = 11. G.

5,16

Поверхность детален одновременной загрузки ванны (совместно с неэкранированными частями подвесок)

Часовой расход СгО3 на собственно электролиз g'CrOi =QqCtOj В^ = 2680-0,622.0,15 = 250 г.

где 9сгогде 9сгомСго, 100,0 А аоп ,zF — 6-26,8 — 0,622 г^4-

где 9сго

где 9сго

Часовой расход СгО3 за счет потерь электролита

/CrOj = mSBCСЮз = 0,100 • 9,28 • 250 = 232 г.

Суммарный часовой расход СгО3

£сгО3 = ^СгОз + ^СгОз " 250 -|- 232 = 482 г.

Удельный расход хромового ангидрида па 1 м2 покрытия

Удельный расход электроэнергии на 1 Л12 покрытия

Itz = DkVbtx = Л292_ 12 3,4L = 3,46 квт.ч[л^ .

А k в х 100060

При гальваническом цинковании током переменной полярности на детали с цинкуемой поверхностью S = 32 см*2 осаждено за 10 мин (т = 10 мин) 0,416г цинка. Режим процесса цинкования: катодный период тк = 8сгк, анодный период та = 1 сек, плотность тока катодного и анодного периодов 10 а/дм2.

Каков выход по току для цинка в расчете на: а) фактический катодный ток; б) общее количество протекшего электричества?

Решение

Среднерасчетное значение фактической катодной плотности тока

£>7 = DK ? 7 Та = 10 -^Тт = 7,78 а/Ли2 .

-к "г -а0 Т 1

Расчетный фактический катодный ток, приходящийся на одну деталь

/к = p^S = 7,78-0,32 = 2,49 а.

Выход по фактическому катодному току для цинка

g0,416-60

Вт = и '^п 100 = 2,49-10-1,22 100 = 82,2% ■

Выход цинка по общему количеству протекшего электричества g0,416-60

Вт = DS-qZn 100 = 10.0,32.10.1,22 100 = 64.° % •

Для гальванического меднения деталей веернокислом электролите использован ток переменной полярности с длительностью катодного периода тк = 8 сек и анодного периода та = 2 сек; плотность тока катодного периода Z)K = 10 а/дм, плотность тока анодного периода Da = 5 а!дм2. Выход по фактическому катодному току для меди Вт = 99%.

Какова необходимая продолжительность процесса меднения при толщине медного покрытия 3 = 20 мк>

Решение

1) Среднерасчетное значение фактической катодной плотности тока1) Среднерасчетное значение фактической катодной плотности токарсР =рсР =Рк~к 7)атаЧ + таРк~к 7)атаЧ + та10-8-5-28 + 210-8-5-28 + 2=7,0 а {дм2.=7,0 а {дм2.

1) Среднерасчетное значение фактической катодной плотности тока

1) Среднерасчетное значение фактической катодной плотности тока

рсР =

рсР =

Рк~к 7)ата

Ч + та

Рк~к 7)ата

Ч + та

10-8-5-2

8 + 2

10-8-5-2

8 + 2

=7,0 а {дм2.

=7,0 а {дм2.

, „ МСи

D? 9СиВт

0,002-8,9

0,070.1,185.0,99

60 = 13 мин

При электролитическом станнатном лужении используется раствор следующего состава: 80 г!л Na2SnO3-3Н2О, 12 г!л NaOHCBo6, 25 г!л CH3COONa. Для приготовления такого раствора может быть применен электролитический способ: анодное растворение метал-

лического олова в щелочной ванне с разделенными анодным и катодным пространствами и последующее электрохимическое окисление в той же ванне полученного раствора двухвалентного олова до станната.

Какова должна быть исходная концентрация NaOH в анолите, чтобы получить раствор вышеуказанного состава, если для процесса Sn -> Sn2+ выход по току можно принять равным 100%, а для процесса Sn2+ -> Sn4+B" = 90 %? Числа переноса /гОн-=0,82и лыа+ =0,18. Пренебречь участием в переносе тока ионов станнита, станната и ацетата, а также изменением объема раствора при процессе.

Решение

Концентрация станната в конечном растворе в пересчете на металлическое олово

^Sn = Сст -^- = 80- 266 ? " = 3$’6 г^ ’

где Сст и Мст — концентрация станната и его молекулярный вес.

Анодные балансы для обеих стадий анодного процесса;

разряд

Sn + 4 ОН* — 27у SnO^" + 2 Н2О

перенос

+ 2пон_ ОН- — 2nNa+ Na+

Суммарный анодный баланс

—Sn—4 ОН- + 27+ SnO2"+2H2O + 2пон_ ОН- — 2«Na+Na++4Na+= = —Sn-4NaOH+Na2SnO2 + 2 Н2О + 2 (1— nNa+) ОН" — 2nNj+Na+ + + 2Na* + 27 = — Sn — 2 (1 + nNa+) NaOH + Na2SnO2 + 2H2O +27

(в преобразованиях учитываем, что лон_ = 1 —/iNa+ );

разряд

SnO2’ 4-2 ОН" — 2г^пОз^Н.О перенос

+ 2/zOII_OH-- 2/zNa.Na^

Суммарны!*! баланс

— SnO2' — 2ОН“ +2?+SnO2' -Н H2O + 2/zoii_ Oil"— 2/?Na+Na+±

± 2Na+ = —- Na2SnOo + Na2SnO3 — 2 (1 — nOH_)OH~— 2/zNa+ Na+ 4

H2O 4- 2e = — Na2SnO2 4- Na2SnO3 — 2/zNa+NaOH 4- H2O 4-2e

Для перехода в раствор 35,6 г/л олова в двухвалентном состоянии требуется затратить электричества

Се35,6

Qi 5= о ,„- = 16,1 а-чи ,

?8п2+2,21

16,1„„

26,8=0>60^/л-

При этом произойдет убыль NaOH в анолите в количестве Qi (1 + ^Na+) молЬ (см. анодный баланс), или

ДСХ = 0,6(1 4-0,18) 40 = 28,3 г/л NaOH

При анодном окислении 35,6 г/л олова из двухвалентного до четырехвалентного должно быть затрачено электричества

О, = - ^ = ■ 0,60 = 0,667 F .В" 0,90

Разница в величинах Q2 и Qv обусловлена только различием в значениях Вт для процессов, так как электрохимические эквиваленты для переходов Sn► Sn2+ и Sn2b>Sn4 + одинаковы.

На этой стадии процесса произойдет убыль NaOH в анолите

ДСо = Q2n М = 0,667-0,18.40 = 4,8 г/л NaOH. " Na*- NaOH

Необходимая концентрация NaOH в исходном растворе ^нач ~ ^кон ~^~ ^С1 4* АСо = 12 4~ 28,3 4~ 4,8 = 45,1 г/л

Годовая производительность по никелированию цеха гальванопокрытий составляет 26 300 м? однослойного покрытия толщиной д=18 мк. Детали никелируются в стационарных ваннах при катодной плотности тока Ок 3,0 щ'дм2 и выходе по току для никеля Вт = 96%. Никелируемая поверхность деталей одной подвески Sn 16 дл^. Величина загрузки одной ванны 6 подвесок (^в = 6). Исправимый брак при никелировании составляет 1%.

Время на загрузку и выгрузку подвесок с деталями т3 = 1,7 мин. Режим работы двухсменный с семичасовой сменой и прерывной неделей. Общие годовые потери времени на простои оборудования 3%. Время на подготовительно-заключительные операции 0,5 ч в сутки.

Какое количество ванн должно быть установлено в цехе?

Решение

Номинальный годовой фонд работы оборудования в сутках То = 365 — 60 = 305 дней, где 60 — количество нерабочих дней в году.

Номинальный годовой фонд работы оборудования в часах

Toz = (305 — 58) 14 + 58-12 = 4154 ч

(четыре праздничных дня: 1—2 мая и 7 — 8 ноября — совмещены по двое суток, поэтому предпраздничных и предвыходных дней с меньшей продолжительностью работы на два меньше, чем нерабочих дней).

Действительный годовой фонд времени работы оборудования с учетом его простоев

Tz = 4154-0,03-4154= 4029 ч.

Подготовительно-заключительное время за год

Тот = 305-0,5 = 153 ч.

Продолжительность процесса никелирования

0,0018*8,9-60„ „

Ti =-—- == 30,5 мин.

Z)^NiBT 0,03.1,095-0,96

Продолжительность процесса покрытия с учетом времени для загрузки и выгрузки деталей

т2 = Ti + тз = 30,5 + 1,7 = 32,2 мин.

Фактическое годовое количество никелируемой поверхности деталей с учетом брака

5ф = 26 300-1,01 = 26 560 м2.

Годовое количество подвесок с никелируемыми деталями

/21 =/21 =5ф _ 2 656 0005ф _ 2 656 000S1S11616= 166 000.= 166 000.

/21 =

/21 =

5ф _ 2 656 000

5ф _ 2 656 000

S1

S1

16

16

= 166 000.

= 166 000.

Годовая производительноегь одной ванны по подвескам

Тг — IV (4029 —153). 60_

/22 = /2В = ^y-Q 6 = 43 300.

Потребное количество ванн в цехе 166 000

/г = —4ззоо~ =3,83 (принимаем п = 4 ванны).

Коэффициент загрузки оборудования

к_2^„ 0.937.

Рассчитать необходимое количество барабанны? ванн цгнюванпя в цехе, имеющем годовую производи телькость g^ = 37 500 кг мелких деталей с удельной по верхкостью 5>д = 15,6 д.ч- кг.

Барабаны работают на сернокислом электролите при нагрузке I 40 а и единовременной загрузке детале: g^ 12 кг. Толщина цинкового покрытия о = 7 мк. Вы ход по току для цинка Вг = 98?о; увеличение времен.*:

процесса цинкования в барабанах с учетом меха .ическо- го исшрання покрытии и недостаточ ой раш омерпости пересыпания деталей 15% (К 1,15). Цинкующая'я по* верхность катодных контактов составляет 3% от суммарной поверхности деталей загрузки (J^ — 1,03).

Отделение гальванопокрытий работает двухсменно при 7-часовой смене с прерывной неделей. Время i а загрузку и выгрузку деталей в барабанах 5 мин. Подготовительно-заключительное время в сутки 0,5 ч. Простои оборудова. ия в ремонте 4,5пс от номинального годового време hi работы оборудования.

Решение

Номинальный годовой фонд работы оборудования:

в с) 1 к ах То -=365 — 60 = 305;

в часах T^z = (305 — 58)1458-12 = 4154 •*.

Действительный годовой фонд работы оборудования с учетом его простев на ремонте

Tz = 4154 — 0,045-4154 = 3967 ч.

Подготвигелыю-заключительное время за год

Т0" = 305-0,5= 153 ч.

Цинкуемая поверхность единовременной загрузки барабана (с учетом поверхности контактов)

S5 = ^3 SyiKi = 12-15,6-1,03 = 193 Ди2.

Необходимая продолжительность цинкования

1,15-(0= 139 мин.1,15-(0= 139 мин.S6odZn _19 309-0,0007-7,14

1,15-(0= 139 мин.

1,15-(0= 139 мин.

7(/Zn Вг~40-1,22-0,98

Длшельност цикла покрытия (с учетом времени на загрузку и выгрузку деталей)

т2 = 139 + 5 = 144 мин.

Годовая производительность одного барабана

g6 = Tz—1V g3 = J3967—!53Ь60 12 = 19 050 кг.

Необходимое количество барабанов в цехе

п = -^Я- -= —?1Л29__ = 1,97 (принимаем п = 2).

£б 19 050v'

Коэффициент загрузки оборудования

К3 = J..’?7„ = 0,985.

Для гальванического цинкования деталей должен быть использован овальный полуавтомат с одним катодным рядом, залитый цианистым электролитом. Оптимальная катодная плотность тока в таком электролите DK = 4,0 а!дм2, выход по току для цинка Вт = 80%. Скорость движения подвесок в полуавтомате иг = = 0,8 м!мин, примерный шаг подвески 0,47 м. Поверхность деталей одной подвески Sn=20 Ли2; неизолированная (цинкуемая) поверхность подвески составляет 5% от поверхности завешенных на нее деталей. Время на загрузку и выгрузку подвески т3 = 0,8 мин.

Какова должна быть длина цепи полуавтомата, чтобы обеспечить получение цинкового покрытия толщиной В 15 мк? Определить силу тока, потребляемого полуавтоматом, и темп выхода из него подвесок. Сколько полуавтоматов необходимо для обеспечения годовой производительности отделения 5Ц, равной 71000 м2 покрытий, если отделение работает двухсменно при 7-часовой смене и прерывной неделе? Простои оборудования на ремонте составляют 4,5% от номинального годового времени работы оборудования; подготовительно-заключительное время 0,5 ч в сутки и обратимый брак составляет 1%.

Решение

Продолжительность процесса собственно цинкования деталей bd7n 0,0015.7,14.

?i =—„ «= —„ 60 =16,4 мин.

DKqZn Вт0,04-1,22.0,80

Общая продолжительность процесса покрытия с учетом времени на загрузку и выгрузку подвески

т = тх 4- ?3 = 16,4 + 0,8 = 17,2 мин.

Необходимая длина цепи полуавтомата

L = «т = 0,8* 17,2 = 13,8 м.

Количество подвесок, которое можно разместить в полуавтомате

пх == -А^5- = 29,4 (принимаем пх = 30 подвесок).

I 0,47

Действительный шаг подвески

Темп выхода подвесок

Единовременно цинкуемая поверхность в полуавтомате

Sd = SunxKx = 20-30-1,05 = 630 дм\

где Ki — поправочный коэффициент на цинкование неизолированной поверхности подвесок.

Сила тока, потребляемого полуавтоматом

/ = DKSa = 4,0-630 = 2520 а.

Действительный годовой фонд времени работы оборудования с учетом подготовительно-заключительного времени и простоев оборудования в ремонте

Т = 3967 — 153 = 3814 ч (см. задачу 168).

Годовая производиюлыюсть одного полуавтомата

S. т Дл, = 3814"60 _0,20 = 76 200 .и21К, 0,5951,01

Ml "

где К2 — поправочный коэффициент па обратимый брак.

Необходимое количество полуавтоматов

Принимаем /г2 = 1.

Коэффициент загрузки полуавтомата

К3 = _2^_ = 0.945.

Конвейерный автомат электролитического цинкования проволоки i.^eei рабочую длину ванны цинкования L = 5,8 м, количество «ниток» в ванне nv = 20. Проволока в ванне проходит по прямой горизонтальной линии; 10?6 поверхности проволоки, находящейся в ванне, экранируется катодными контактами (/<1 = 0,90). Необходимая толщина цинкового покрытия на проволоке 6 = 10 мк, катодная плотность тока Ок = 20 а^м2, выход по току для цинка Вт = 96?6. Работа автомата трехсменная, без выходных дней (в праздничные дни не работает). Неизбежные планируемые простои автомата равны 10?6 от номинального годового фонда времени работы оборудования.

Рассчитать: а) годовую производительность автомата в расчете на проволоку диаметром 0,65 л/л (вес 1 м проволоки g' = 2,54 г); б) скорость движения проволоки в ванне; в) силу тока на ванну, если его потери на цинкование неизолированных частей катодных контактов составляют около 3?о от тока, идущего непосредственно на цинкование проволоки (/<2 = 1,03).

Решение

Поверхность 1 Л1 проволоки

5t = т: dZ = 3,14 • 0,0065 • 10 = 0,204 дл1а.

Необходимая продолжительность процесса цинкования

0,0010.7,14

DrfznBDrfznB3) Скорость протяжкитц3) Скорость протяжкитц 60 = 0,183 лшн . 2,0-1.220,96

DrfznB

DrfznB

3) Скорость протяжки

тц

3) Скорость протяжки

тц

проволоки в автомате

= 5'8’0'9 =28,5 я/лшн .

0,183

Единовременно цинкуемая поверхность в ванне

SB = LKiSin^^ 5,8-0,9.0,204.20.1,03 = 21,9 длЛ

Сила тока на ванну цинкования

/ = pKsB = 200-21,9 = 4380 а.

Номинальный годовой фонд времени работы автомата То = 365 — 8 = 357 суток.

Действительный годовой фонд времени работы автомата Т = 357 — 0,1-357 = 321,3 суток = 7711 ч.

Годовая производительность автомата:

в метрах проволоки

А = ипхТ = 28,5-20.7711.60 = 2,65-108 л<;

в тоннах

g = Ag' = 2,65- Ю8 • 2,51 - IO-® = 672 tn.

Электролит стационарной ванны цианистого цинкования нагрузкой /=1200 а содержит около 35 г!л цинка (в пересчете на металлический), 85 г!л NaCNo61u, 80 г/л NaOHo6ui, небольшое количество присадок глицерина и Na2S. Ванна работает при комнатной температу-

ре; катодная плотность тока DH = 3 а! дм1, катодный выход по току В^85%; анодный выход по току для цинка Вт — 9О?6. Толщина о цинкового покрытия на деталях должна составлять 15 мк; на открытую поверхность подвесок расходуется около 5?6 оттока, расходуемого на цинкование самих деталей (/(= 1,05). В течение рабочих смен ванна работает непрерывно: подвески из ванны вынимаются по одной и сразу же заменяются новыми. Ванна снабжена сборником — уловителем раствора.

Рассчитать: а) изменение за 1 ч содержания цинка в электролите ванны; б) расход цианида (свободного и связанного в пересчете на NaCN) в 1 ч и на 1 м1 покрытия, если механические потери электролита составляют ит ~ 90 мл м* покрытия, а потери цианидов (NaCN) на разллжение у2^0,6 г!а-ч протекшего электричества [13].

Решение

Длительность процесса цинкования

60 = 20,65 мин.60 = 20,65 мин.__ odZn _0,0015-7,14

60 = 20,65 мин.

60 = 20,65 мин.

СоТТ^Ж 0,03-1,22.0,85

Количество рабочих циклов в 1 ч

п =п =60 «2,9, 20,6560 «2,9, 20,65

п =

п =

60 «2,9, 20,65

60 «2,9, 20,65

Поверхность деталей одной загрузки ванны

S3 =S3 =/DkK/DkK12003,0-1,0512003,0-1,05= 381= 381им1,им1,

S3 =

S3 =

/

DkK

/

DkK

1200

3,0-1,05

1200

3,0-1,05

= 381

= 381

им1,

им1,

где К — поправочный коэффициент на цинкование открытой поверхности подвесок.

Часовая производигельность ванны

S = S3n = 381-2,9= 1105 дм1.

Увеличение за 1 ч содержания цинка в электролите ванны за счет превышения анодного выхода над катодным:

Д§2п =/T<7Zn ( В?— В*) = 1200.1.1,22(0,90 — 0,85) = 73,2 г.

Уменьшение за 1 ч содержания цинка в ванне за счет потерь электролита

Ag'Zn = ViCZnSK = 0,090•35•11,05•1,05 = 36,5 г.

Суммарное изменение содержания цинка в ванне за 1 ч

Д^ = 73,2— 36,5 = + 36,7 г.

Расход цианида за 1 ч работы

AgNaCN = ^'^NaCN sK + u^h = 0,090.85.11,05-1,05 + 0,6.1200.1 = = 808,7 г NaCN.

Расход цианида на 1 Л12 покрытия „nxi 808,7

^NaCN==73,2 г NaCN.

Для кадмирования мелких деталей использованы барабанные ванны и цианистый электролит, содержащий 120 г/л общего цианида (в пересчете на NaCN). Толщина кадмиевого покрытия 8=15 мк, катодный выход по току Вт = 92% (для данного электролита в стационарных ваннах). Коэффициент увеличения времени электролиза в барабанных ваннах на механическое истирание покрытий и неравномерность пересыпания деталей /<=1,15. Механические потери раствора составляют ^ ^ 130 мл на 1 м2 покрытия (детали сложной конфигурации, имеется сборник-уловитель электролита). Потери цианида на разложение у2 = 0,8 г]а*ч протекшего электричества [13].

Каков удельный расход цианида на 1 м2 покрытия и какую долю в этой величине составляют потери цианида на разложение?

Решение

Количество кадмия в 1 -и2 покрытия

gcd = SMCd = 10 ООО«0,0015-8,65 = 130 г.

Расход электричества на получение 1 м2 кадмиевого покрытия

^Cd^ ^

2.10.0.92 MS-77,

Удельный расход цианида на 1 л? покрытия

т = viCNaCN + u2Q = 0,13-120 + 0,8-77,4 = 77,6 а, в том числе доля расхода цианида на разложение

р = J^Q_ ЮО = °'8'77’4 100 = 79,8%• т77,6

Годовая производительность автомата двухслойного (медь — никель) гальванопокрытия составляет Sa = = 46 000 At2 покрываемой поверхности деталей. Ванна никелирования, установленная в автомате, работает при катодной плотности тока DK — 4,0 а! дм2 и выходе по току В* = 96%. Необходимая толщина слоя никеля на деталях 8 = 15 мк. Обратимый брак составляет 1% от поверхности всех покрываемых деталей. Действительный годовой фонд времени работы оборудования 6373 ч (автомат работает круглосуточно, кроме выходных и праздничных дней; простои на ремонте—10% от номинального годового фонда оборудования).

Габариты анодов: 750x250 мм, толщина 8а = 10 мм. Анодная плотность тока Da = 2,0 а!дм-\ анодный выход по току Вт =103% (с учетом шламления); анодные остатки (скрап) составляют около 17?6 от первоначальной массы анода.

Рассчитать: а) продолжительность работы анодов, установленных на средних штангах ванны (т. е. при

двухстороннем анодном растворении электродов); б) годовой расход анодов на автомат в тоннах и штуках (без учета расхода электродов на единовременную загрузку ванны); в) частоту смены средних анодов; г) годовое количество анодного скрапа.

Решение

Фактически никелируемая поверхность за год

5 = 46 000-1,01 = 46 460 Л1а,

где 1,01 — коэффициент, учитывающий обратимый брак.

Масса никеля в 1 Л12 покрытия

g!=5odNi = 10 000-0,0015-8,9 = 133,5 г.

Общая масса никелевого покрытия всей годовой продукции

52 = 51$ = -^- 46 460 = 6200 кг-

Годовое количество анодно растворяющегося никеля

§з = §2 —— = 6200§з = §2 —— = 62001,030,961,030,96= 6650 кг.= 6650 кг.

§з = §2 —— = 6200

§з = §2 —— = 6200

1,03

0,96

1,03

0,96

= 6650 кг.

= 6650 кг.

Годовой расход никелевых анодов (с учетом скрапа)

66501,0 — 0,1766501,0 — 0,17= 8015 кг.= 8015 кг.

6650

1,0 — 0,17

6650

1,0 — 0,17

= 8015 кг.

= 8015 кг.

Масса одного анода

g5 = 5oadNi = (7,5-2,5) 0,1-8,9=16,7 кг.

в том числе масса его растворяющейся частиgti = 16,7-0,83 = 13,86 кг.

Годовой расход никелевых анодов в штуках ^ = 480 шт.

#516,7

Сила тока, приходящаяся на один средний анод / = DaS = 2,0- (7,5-2,5).2 = 75 а (коэффициент 2 взят для ^чета двухсторонней работы анодов).

Продолжительность работы одного среднего анода gC)13 860

т =--^— = = 164 ч.

ZvNi В*;75.1,095.1,03

Частота смены средних анодов за год

Рассчитать электрохимический эквивалент трс fluoro сплава следующего состава: 90% свинца (ррь=0,9). 8% олова (pSn = 0,08) и 2?и меди (рСи = 0,02) для случая его осаждения из борфтористоводородного электролита, содержащего Pb(BF4)2, Sn(BF4)2, Cu(BF4)2, свободную борфтористоводородную кислоту и присадку коллоида.

Решение*.

Удельный расход электричества на 1 г сплава

5СП1 = зрь pPb + sSn pSn + gCu pCu =

11J _

~ ^Pb Ppb + VSn Psn + 9cu Pcu “=—^--0,90-1-—4-0,08+ -4— 0,02 = 0,285 а-ч1г.

.3,872,211,185

Электрохимический эквивалент сплава

11

(7cn 1 —= ~—" = 3,51 г/а-ч.

/un ^ент0,285

Процесс бронзирования деталей осуществляется в цианисто-стаинатном электролите. Бронзовое покрытие, имеющее толщину о =15 мк, содержит 15?6 олова (^Sn=0,15) и 85?6 меди (рСи = 0,85). Катодная плот-

о dОкЯсПЛ $то dОкЯсПЛ $т0,0015-8,890,03-2,02-0,680,0015-8,890,03-2,02-0,6860 = 19,4 мин.60 = 19,4 мин.

о d

ОкЯсПЛ $т

о d

ОкЯсПЛ $т

0,0015-8,89

0,03-2,02-0,68

0,0015-8,89

0,03-2,02-0,68

60 = 19,4 мин.

60 = 19,4 мин.

ность тока DK —3,0 а/дм\ выход по току для катодного сплава Вт = 68%. Плотность осадка бронзы d - 8,89г cot3.

Какова необходимая продолжительность процесса бронзирования?

Решение

В цианнсю-сганнатном электролите медь одновалентна, а олово четырехвалентно. Отсюда электрохимические эквиваленты компонентов сплава:

^Си = 2’37 г/а*>

qSn = 1,105 г!а-ч.

Удельный расход электричества на 1 г катодного сплава Gcm = “7— Рен —0,15 +0,85=0,495 а-ч]г

<750 Sn 9cu Cu 1,Ю52,37

Электрохимический эквивалент полученного сплава

7спл = ~= n =2,02 г[а*ч.

^спI 0,495

В лабораторной ванне нагрузкой /=1,90 а с аммиачно-щелочным электролитом, содержащим Na2WO4, Na2CoO2 и некоторые другие компоненты, за т = 1 ч 11 мин получен на детали электролитический осадок вольфрамо* кобальтового сплава; масса осадка £факт 2,13 г. Полученное покрытие состоит из 34% вольфрама (pw =» = 0,34) и 66% кобальта (рСо 0,66).

Каков выход по току для сплава и для его отдельных компонентов?

Решение

Удельный расход электричества на 1 г сплава

11

сспл = ow PW + аСо ^Со - Qw ^W + qCo ^Со —

=—-—0,34 + —-—0,66 = 0,898 а-ч/г.

1,1431,099

Электрохимический эквивалент сплава

11

<?СПЛ = ~== 1,113 г/и-ч.

аспл 0,898

Количество сплава которое можно было бы получить за время процесса

71

б^теор = /^ст = 1,90 6Q ' 1,113 — 2,505 г.

Выход по току для сплава

вспл = £факт_ 100 = 2.13 100 = 850%. ^теор2,505

Выход по току для вольфрама

BW = ^!i^_^lll =’ ИЗ-0,34-85,0 g 2g 2%

Т ^1,143’ °*

Выход по току для кобальта

вСо= В™Л-ВУ = 85,0— 28,2 = 56,8%.

Для осаждения покрытий из сплава, содержащего 65% олова (psn = 0,65) и 35% никеля (pNx = 0,35), использован фторид-хлоридный электролит, компонентами которого являются SnCl2, NiCl2, NaF, KF и NH4F. Аноды раздельные — оловянные и никелевые. Катодный и анодный выходы по току равны 10096.

Какова должна быть плотность тока на оловянных и никелевых анодах, чтобы в процессе сохранялась не- 166

изменность состава электролита по олову и никелю? Известно, что соотношение поверхностей оловянных и никелевых анодов должно составлять примерно 1:5. а средняя плотность тока Z)jP ^ 1,7 afdAi2.

Решение

Удельный расход электричества для сплава 1111

асп =п- 4-р —0,65 4-0,035 =

спл 9sn /SnT ?Ni FNi 221• T 1 095 •

= 0,614 а*ч1г.

Доля тока, идущая на никелевые аноды, должна быть равна доле электричества, затрачиваемого на осаждение никелевого компонента катодного сплава

11

Д/№ == Ь°95 0,35 = 0,522.

°спласпл0,614

Доля тока, проходящая через оловянные аноды A/Sn = 1 —0,522 = 0,478.

Для нахождения необходимых плотностей тока на никелевых и оловянных анодах составляем систему уравнений:

соотношение поверхностей оловянных и никелевых анодов, согласно условию задачи

-^!L = —.(1)

SNi 5

средняя анодная плотность тока по условию задачи

D=p = Jsp.t/№ =1,7;(2)

S8n + SNi

согласно п. 3 решения

^1-= 0,478:(3) ZSn + ZNi

согласно п, 2 решения

=0,522.

'Sn + 'Ni

Из уравнения (3)

Из уравнения (1)

SNi = ^Sn •

Подставляя последние два равенства в уравнение (2), получаем

=1,7.

0,478 (Ssn + 55sn)

Отсюда плотность тока на оловянных анодах

-/sn- = D^ = 4,88 а!дмг.

5Sn

Решая подобным же образом систему уравнений относительно ZNi

—— , получаем, что плотность тока на никелевых анодах должна SNiт.

составлять D^x = 1,064 а/дм2.

При электролитическом осаждении белой бронзы (pSn—36?6 олова и рСи = 64% меди) из станнатно- цианистого электролита использованы раздельные аноды— медные и оловянные. При этом оловянные аноды работают при плотности тока Z?tn = 2,1 а!дм2 и выходе по току ВтП = 68?6; медные аноды — при D^u = 0,7 а!дм2 и выходе по току By11 = 90 ?6. Катодная плотность тока £% = 4,0 aidM2. Выход по току для катодного сплава В?пл = 70%.

Какова должна быть относительная рабочая поверхность оловянных и медных анодов ванны (в расчете на 1 л2 одновременно бронзируемых деталей), чтобы состав электролита в ходе процесса оставался неизменным?

Решение

Электрохимические эквиваленты для компонентов катодного сплава:

9sn = 1,Ю5 г/а-ч.,

<7си=" 2)37 г!а"4*

Теоретический удельный расход электричества на грамм осаждаемой бронзы

+ тЬ ’С" - TS °'36 + “ЙГ °'64 ■

= 0,596 а-ч1г.

Доля полезного катодного тока, расходуемая на выделение олова

0,36ДЛ =, 1)105= 0,547.

аспл0,596

То же, для никеля

A/Ni = 1— Д/5п= 1 —0,547 = 0,453.

Электрохимический эквивалент для катодного сплава

9спл == t4zt=1-68 eja-u.

асп.т 0,596

Количество сплава, осаждаемое на 1 К2* катодной поверхности за 1 ч процесса

£спл = Ок9спдВ^л = 400.1,68-0,70 = 470 г.

в том числе олова

gSn = 470-0,36= 169 г,

меди

gCn = 470 — 169 = 301 г.

Сила тока, проходящая через анодную поверхность, которая соответствует 1 мЛ поверхности деталей, завешенных на катоде:

для медных анодов

-Си ^Си^01

== 141 а;

а 9СиВт 2,37 - 0,90'

для оловянных анодов

/Sn£sn169

а ~ ^„BS" - 1,105.0,68 -°'

Рабочая поверхность анодов, соответствующая 1 м2 поверхности одновременно бронзируемых деталей:

медных анодов

/Си < 4 <

== 201 дм»;

оловянных анодов

-_7а"225

Sa = "Т^Г" == 107 дмг-

aDsn2, j

Суммарный ток через медные и оловянные аноды, приходящийся на 1 м2 одновременно покрываемых деталей

/а = /Си + /Sn = 141 + 225 = 366 а

Несоответствие между расчетными величинами катодного и анодного токов

А/ = /к — /а = 400 — 366 = 34 а.

При соответствии катодного тока и тока, проходящего через медные и оловянные аноды, раствор будет постоянно обогащаться

оловом и медью. Во избежание этого и должна быть вышеуказанная разница в «активных» токах—Д/. Наличие ее можно обеспечить, например, установкой в ванне инертны^ анодов, через которые должен пропускаться ток, равный Д/ (фактически несколько меньше, так как часть электролита с соответствующем содержанием ионов металла теряется, механически захватываясь с деталями).

В ходе анодного оксидирования алюминиевой детали поверхностью 5=1,22 дм2 выделилось %з = = 10,5 мл кислорода (объем приведен к нормальным условиям). Средняя толщина 3 полученного оксидного слоя (А12О3) 7 лис; его пористость П = 12?6. Плотность тока анодирования Da = 1,4 а! дм2. время процесса т = = 25 мин.

Каково распределение анодного тока: а) на образование оксидной пленки на алюминии; б) на выделение кислорода и в) на переход алюминия в раствор? Плотность А12О3 равна 3,85 г!см?.

Анодные реакции при оксидировании алюминия:

2А1 + ЗН2О — бе —> А12О3 + 6Н+

2Н2О + 4ёу О2 + 4Н+

в) А12О3 + 6Н+ —> 2А13+ + ЗН2О

Решение

Электрохимические эквиваленты отдельных компонентов процесса:

101'9L =0,634 г!а ч; 6 • 26,8

22 400

Яо = ~„ ' = 209 мл(а-ч.

4 • 26,8

Общее количество электричества, протекшее при оксидировании детали

25

Q = Z)aST= 1,4 • !’22~- =0,712 а-ч.

Масса полеченного оксидного покрытия

&ALO3 ^°^каж ~ ^g^AI ,O3 (^^) ~

= 122.0,0007-3,85 (1 —0,12) = 0,29 г, '

где б/каж = ^дьо . (1 — П) — кажущаяся плотность оксидной пленки.

Количество электричества, затраченное

на образование Д12О3 в оксидной пленке

Qi =Qi =^А1гО, ^А12о,^А1гО, ^А12о,0,290,6340,290,634= 0,457 а-ч;= 0,457 а-ч;

Qi =

Qi =

^А1гО, ^А12о,

^А1гО, ^А12о,

0,29

0,634

0,29

0,634

= 0,457 а-ч;

= 0,457 а-ч;

па выделение кислорода

^о,10,5

Qo === 0,0503 а-ч.

* Чо> 209

Распределение анодного тока (выходы по току): а) на образование АЬОу

в'= 4г100 =100 = 64-2%;

т Q 0,712

на выделение кислорода

в;в;100 = 7,1?6;100 = 7,1?6;Q.0,0503

в;

в;

100 = 7,1?6;

100 = 7,1?6;

— ЮО =

Q0,712

на анодное растворение алюминия (по разности)

Вт' = 100—(64,2 + 7,1) = 28,7%.

180. При анодном оксидировании медной детали в щелочном растворе током 1 = 1,24 а за 20 мин процесса выделилось у0 =5,2 м г кислорода (приведен к нормальным условиям). В ходе процесса оксидирования масса детали увеличилась на Ag" = 31,2 мг.

Какая доля анодного тока была затрачена на образование оксидной пленки CuO(Q1), на анодное растворение меди в электролите (Q.,) и на выделение кислорода (Q3)?

Анодные реакции при оксидировании меди:

Си + 2ОН- — 2<Г—> СиО + Н2О

Си -|- 4ОН- — 2с^ Си (ОН)^

4ОН- — 4?► О2 2Н2О

Решение

Общее количество электричества, затраченное на оксидирование детали

20Q = [- — 1,24= 0,413 а-ч.

60

Количество электричества, пошедшее на выделение кислорода

УО,5,2

=— = —— = 0,0249 а • ч.

d 4о2209

Изменение массы оксидируемой детали обусловливается параллельным протеканием двух процессов:

образование оксидной пленки по реакции Си—>• СиО, при котором на каждый затраченный 1 а*ч наблюдается приращение массы, равное электрохимическому эквиваленту кислорода

анодное растворение меди, которому сопутствует убыль массы детали, равная электрохимическому эквиваленту меди

4си= !'185 г1а‘ч-

Для нахождения количества электричества Qi, пошедшего на образование оксидной пленки и количества электричества Q2, затра-

ценного на растворение меди, составим систему из двух уравнений:

QiQo, — Q2 9cu = д£

Ql • 0,298 —Q2 . 1,185 = 0,0312;

Qi + Q2 = Q — Q3 = 0,413 — 0,0249 =0,3881 а-ч.

Решая эту систему уравнений, находим:

Qx = 0,331 а-ч.

Q2 = 0,0571 а-ч.

Распределение анодного тока:

на выделение кислорода

080,0249

100 = —100 = 6,03о/о;

на образование оксидной пленки О, 0,331 В"т= 100 =100 = 80,1%;

на растворение меди

Q2 0,0571

|Ю _13,8М.

При электрополировке стальной детали в смешанном растворе ортофосфорной и серной кислот и хромового ангидрида выделилось v =14,1 мл кислорода (объем приведен к нормальным условиям). Сила тока при электрополировке /=1,30 а, анодная плотность тока Da = 40 а^дм1, продолжительность процесса т=6 мин.

Какая доля анодного тока израсходована на процесс электрохимического растворения стали, если на анодно- полируемой детали протекают только два процесса — выделение О2 и растворение металла? Какова глубина съема металла за время процесса (пренебречь углеродистой составляющей стали), если железо в этих условиях растворяется в трехвалентной форме (</ста 1И = 7,8 г'см?р

Решение

Электрохимические эквиваленты железа и кислорода:

22 400

= 209 мл!а-ч%

°24-26,8

Общее количество протекшего электричества

6

Q = H = 1,30=0,13 а-ч.

60

Количество электричества, затраченное на выделение кислорода и14,1

Qi = —— = —— = 0,0675 а-ч.

Чо2209

Доля анодного тока, идущая на растворение железа

Q — Q.0,13 — 0,0675

В =100 = _!— 100 = 48о/

Q0,13

Глубина съема металла при электрополировке

Оа^ QpeBT 0,40-0,1.0,695-0,48

5 = = —^ 10 000 = 17,1 мк.

Изготовление матриц для прессования патефонных пластинок осуществляется гальванопластическими методами. Первичная затяжка никелем исходной формы продолжается в течение V = 1 ч при катодной плотности тока Ок = 0,15 а!дм? и выходе по току В'т = 95%; последующее подращивание медью проводится в сернокислой ванне при Ок = 2,5 а!дм? в течение V7 = 50 мин; окончательное наращивание меди осуществляется в сернокислом электролите при Ок = 8 а!дм? до получения суммарной толщины матрицы Вм = 0,80 мм (оба последних процесса идут со 100%-ным выходом потоку).

Какова продолжительность изготовления матрицы (длйтельность процесса собственно электролиза)?

Решение

Толщина первичного никелевого слоя

10 = 0,00175 мм.10 = 0,00175 мм.^KT'^N1BT 0,0015-1,0.1,095.0,95

10 = 0,00175 мм.

10 = 0,00175 мм.

Толщина медного слоя, полученного при подращивании

' _ О”-с"9сиВ” _’сиз“Си' _ О”-с"9сиВ” _’сиз“Си0,025 1,185-1,0

' _ О”-с"9сиВ” _

’сиз

“Си

' _ О”-с"9сиВ” _

’сиз

“Си

9910 = 0,0277 мм.

8,9

Необходимая толщина медного слоя, которая должна быть получена в процессе наращивания

о^ = dM—pNi + ьси)= 0,80 — (0,00175 + 0,0277) = 0,77 мм.

Продолжительность процесса наращивания меди

^к^СиВг 0,08.1,185.1,0’

Суммарное время электролиза при гальванопластическом изготовлении матрицы

50

/" = 1,0 + — + 7,225 = 9,06 ч.

183. В электролитической ячейке с соотношением расстояний от анода до дальнего и ближнего катодов К= -^- = 5, использованной для определения рассеивающей способности медно-цианистого электролита (без перемешивания) по методу Херинга и Блюма [14], перераспределение токов на ближний и дальний катоды -~- составило 4,18 (при плотности тока на ближнем катоде

Од =0,403 а/дм^.

При этом выход по току на ближнем катоде В? =61,4%, на дальнем В? = 80,2?о.

Электродный потенциал на ближнем катоде <рб = = —1,547 в по нормальному водородному электроду (н. в. э.), потенциал дальнего катода фд = — 1,397 в и падение напряжения в электролите до дальнего катода Ед = 0,860 в.

Рассчитать рассеивающую способность (PC) электролита по двум вариантам, пользуясь: а) перераспределением тока на разноудаленные катоды; б) «потенциальными» характеристиками электродов [13].

Решение

Для варианта (а) расчета пользуемся соотношением

К-А..Д5-4,18^-

РСТ= ^100 =-°’.2 100 = 36,0%.

К5

Для варианта (б) расчета применяем расчетную формулу

РСП = 100РСП = 100

РСП = 100

РСП = 100

= 100= 100= 36,7%.= 36,7%.61,4 /—1,397 -I- 1,547

= 100

= 100

= 36,7%.

= 36,7%.

80,2 \0,860

По электропроводности отдельных компонентов рассчитать электропроводность смешанного раствора, содержащего 210 г!л ZnSO4-7H2O, 30 г!л A12(SO4)3- 18Н2О, 100 г/л Na2SO4 • ЮН2О и 10 г л декстрина (пренебречь влиянием последнего на величину электропроводности).

Решение

Для расчета приближенного значения электропроводности ра« створа, содержащего несколько компонентов, воспользуемся следующим искусственным приемом.

Удельную электропроводность смешанного раствора хсм будем считать равной сумме расчетных удельных электропроводностей х; отдельных компонентов раствора

ХСМ = S

Величины х/ рассчитываем по значениям эквивалентных электропроводностей X/ однокомпонентных растворов, взятым из справочных таблиц. Для учета влияния всех компонентов раствора на величину коэффициента электропроводности f значения X/ берем для концентрации, равной сумме концентрации всех компонентов раствора. При переходе же от значения X/ к удельной электропроводности х/ в переводную формулу подставляется уже концентрация данного компонента

^МС/xz = —-.

1000

Находим концентрации компонентов раствора в грамм-эквивалентах на 1 л:

CZnso = 1 > 44 г-экв!л\

CA12(SO4)3 = °,27 г-жв[л\

^Na2SO4 = 0,62 г-экв/л,

Суммарная концентрация всех компонентов раствора

Ссум = CZnSo4 + CA12(SO4)o + ^Na2SO4 =

= 1,44 4-0,27 + 0,62 = 2,33 г-экв1л*

По справочнику [15] находим эквивалентную электропроводность для каждого из компонентов раствора при концентрации С = — 2,33 г-жв/л:

^nSO1 = 28,|;

7a’l<SO4>, = 20.2;

^Na,SO4 ~ 37 ’

Удельная электропроводность отдельных компонентов в смешанном растворе:

>2,зз с_ ZnS°4 -nSO4*ZnSO4“ lol О>2,зз с_ ZnS°4 -nSO4*ZnSO4“ lol О28,1 • 1,44

>2,зз с

_ ZnS°4 -nSO4

*ZnSO4“ lol О

>2,зз с

_ ZnS°4 -nSO4

*ZnSO4“ lol О

XA13(SO4)3XA13(SO4)3‘A12(SO4)3 LAI2(SO4)3‘A12(SO4)3 LAI2(SO4)31000100020,2 • 0,27100020,2 • 0,271000Iqqq "— = 0,0405 олг1 • саг1;

XA13(SO4)3

XA13(SO4)3

‘A12(SO4)3 LAI2(SO4)3

‘A12(SO4)3 LAI2(SO4)3

1000

1000

20,2 • 0,27

1000

20,2 • 0,27

1000

= 0,00545 оаг1 • см-1;

XNa2SO,XNa2SO,>2.зз гANa2SO4 GNa2SO,>2.зз гANa2SO4 GNa2SO,1000100037,6 • 0,6237,6 • 0,62100010000,0233 олг1 • саг1.0,0233 олг1 • саг1.

XNa2SO,

XNa2SO,

>2.зз г

ANa2SO4 GNa2SO,

>2.зз г

ANa2SO4 GNa2SO,

1000

1000

37,6 • 0,62

37,6 • 0,62

1000

1000

0,0233 олг1 • саг1.

0,0233 олг1 • саг1.

Удельная электропроводность смешанного раствора:

*см = ^ о +ХА1= 0,0405+ 0,00545 + 0,0233 =

ZnbU4 А12(8О4)з1\<128О1

= 0,06925 олг1 • саг1.

Рассчитать теоретическое значение напряжения разложения для электролита процесса хромирования (сернокислый раствор хромового ангидрида СгО3), пользуясь термодинамическими функциями компонентов электрохимической реакции (не учитывать побочный процесс электролитического разложения воды).

Решение

Реакция суммарного электрохимического процесса

СгО3 • Н2О-> Cr + 1,5Оо + Н2О

(берем уравнение реакции с гидратом СгО3, так как это позволяет учесть, хотя бы частично, изменение термодинамического потенциала Гиббса при гидратировании СгО3 в растворе).

Изменение термодинамического потенциала Гиббса при реакции:

ДФ = ДФДф 1 5 Дф _ Дф

CrOj • Н2О СгО_, ILO

= — 178,5 — 0 — 0 + 56,69 = —121,81 ккал.

Напряжение разложения электролита

£раз1=_^ = _^_ = 0,88(1.

разл г Ft 6-23,06

Рассчитать величину равновесного потенциала цинкового электрода при -j- 20сС в сернокислом электролите для цинкования. Компоненты электролита имеют следующие концентрации: ZnSOi—1,5н.; A12(SO4)3— 0,Зн.; Na2SO4— 0,6н. с добавкой декстрина.

Решение

Для расчета воспользуемся уравнением Нернста

RT0,058

у = ¥о + ^ In aZu2+ = - 0,762 + -^- 1g ЧС^.

Находим коэффициент активности у_ для раствора ZnSOj с ионной силой, равной ионной силе электролита цинкования [1]. В данном случае общий коэффициент активности у ь будет равен коэффициенту активности ионов цинка:

у =-.ч=0,04;

*± Zn2+ *’

С_ .,—0,75 г-ион!» Zn2+

Тогда

0,058

(?zn= — 0,762 + —1g 0,04 . 0,75 = — 0,806 в.

Удельная электропроводность сернокислого электролита цинкования уч --= 0,05353 ом-1 • см-1 (при + 20°С); цианистого электролита цинкования */2 = 0,245 олг1 • олг1 (при + 35°С). В ваннах нагрузкой 700 а, работающих при катодной плотности тока DK — 1,5 а дм-, установлено 3 анодных штанги (две крайних и одна средняя), на каждую из которых завешено по 3 анода габаритами 500 X 700 мм. Среднее межэлектродное расстояние в ваннах 7=15 см.

Какова величина падения напряжения в электролите сернокислой и цианистой ванн цинкования при указанных температурах процесса?

Решение

Определяем рабочую анодную поверхность. Аноды на средней штанге работают двухсторонне; крайние аноды растворяются в основном с одной стороны. Отсюда

Sa = S ' 2/гср + S' /zKp = (5 • 7) 2 • 3 + (5 • 7) 6 = 420 дл2,

где /гСр и /гкр — количество средних и крайних анодов; Sa—поверхность одной стороны анода.

Анодная плотность тока,

/700

Dа = ^ ~ 420 = К67 а/дм2.

Среднюю проходную плотность тока в электролите находим как среднюю геометрическую от катодной и анодной плотностей тока

Dcp = V DK Da = /1 ,5 • 1,67 = 1,58 а/дм2.

Падение напряжения в электролите: а) сернокислой ванны

цианистой ванны

Катодная плотность тока в ванне никелирования DK= 1,5 а дм1, анодная плотность тока Da = 1,0 а, дм2. Рабочий потенциал катода фк — —0,69 в, потенциал анода фа = + 0,29 в. Удельное сопротивление электролита р = 14,3 ом • см; межэлектродное расстояние / = 15 см.

Потери напряжения в катодах, анодах и контактах равны примерно 15% от суммы омических потерь напряжения и поляризации; падение напряжения в шинопроводах составляет около 10% от напряжения на штангах ванны.

Рассчитать минимально необходимое значение выходного напряжения на генераторе тока, питающем ванну никелирования.

Решение

Необходимое напряжение на генераторе

Е^ = <р+ — ?- 4~ IR' ~Ь IR" + IR"',

где R'— омическое сопротивление электролита; R"— электродов и контактов; Rm — шинопроводов.

Электродная поляризация в ванне равна алгебраической разности катодной и анодной поляризаций

= ^ — ^ = + 0,29-(—0,69) =0,98 в

(равновесные потециалы для катодного и анодного процессов в данном случае одинаковы).

Проходная плотность тока в электролите

аср = /15751 = У 1,5 • 1 ,0 == 1,225 а/дмй.

Падение напряжения в электролите

дуэл = [Rf^-—9l = Dcp р/ = 0,01225 • 14,3 • 15,2 = 2,63 в.

Потери напряжения в электродах и контактах ванны

IR" = 0,15 (S-q + АИэл) = 0,15 (0,98 + 2,63) = 0,542 в.

Падение напряжения в шинопроводе

А1/шии = 0,10 (0,98 + 2,63+ 0,542) = 0,415 в.

Необходимое напряжение на генераторе

VreH = 0,98 + 2,63 + 0,542 + 0,415 = 4,57 в.

При электролитическом никелировании из раствора NiSO4, подкисленного серной кислотой, потенциал катода q при Ок = 20 а дм2 и -|- 60еС составлял 0,82 в. При выделении водорода на никелевом катоде при таком же знач-нии потенциала из раствора MgSO4 с концентрацией, эквивалентной содержанию NiSO4 в электролите никелирования, и с аналогичным значением pH раств?ра катодная плотность тока составляла 3,8 а!дм2.

Каково значение выхода по току для катодного выделения никеля в процессе никелирования?

Решение

При эквипотенциальном режиме плотность тока, затрачиваемая на выделение Н2 при никелировании, должна быть равна DK в подкисленном растворе MgSO4. Поэтому

Dk — Dk 20 — 3,8

Вт =^100 =2СГ~ 100 = 81 %

Разность напряжений между катодными и анодными штангами ванны сернокислого цинкования нагрузкой / = 800 а составляет 3,2 в. Электродные выходы по току (катодный и анодный) для цинка почти равны 100%.

Какое количество тепла выделяется за 1 ч непрерывной работы ванны?

Решение

Вся затрачиваемая при процессе цинкования электрическая энергия должна переходить в тепловую, так как в таких ваннах устанавливаются растворимые (цинковые) аноды. Поэтому процессы на катоде и аноде взаимно обратимы (напряжение разложения равно нулю).

Отсюда количество выделяемого за 1 ч джоулева тепла

QT = 0 860 /1/т = 0,860 • 800 • 3,2 • 1,0 = 2200 ккал]ч.

Напряжение V на штангах ванны электрохимического обезжиривания деталей нагрузкой / = 500 а рав-

но 5,1 в. Температура процесса + 80°G. Рабочее время т ванны за 1 ч равно 42 мин.

Рассчитать количество джоулева тепла, выделяющегося за 1 ч в ванне.

Решение

Суммарный электрохимический процесс в ванне

Н2О —► Ы2 + “2“ О2

В тепловую энергию в такой ванне переходит вся затрачиваемая электрическая энергия за вычетом энергии разложения воды.

Изменение энтальпии при реакции разложения воды

=—дн —4-я •

IЬО Н2 2 о2

По справочным таблицам находим значения \Н при + 25°С (298°К) и пересчитываем их для + 80°С (353°К) по формуле

где с — теплоемкость вещества в ккал]г\ М — молекулярный вес вещества; ДТ — разность температур.

Например, ДТ/353 для Н2О равна

Д^з° = — 68,32 + -|qqo" 18 (80 — 25) = — 67,33 ккалIмоль.

Находим значение энтальпии при + 80°С для Н2 и О2:

^^ззз = 4" 0,374 ккал] моль*,

kH^ = + 0,405 ккал]моль.

Тогда

/0,405\

Д/7353 = — 67,33 — (0,374 +—2—1 = — 67,91 ккал] моль.

Тепловое напряжение разложения воды

ЬН 67,91,

£T-~ zFl — 9 . 23,06 ~ 1 ,47

Количество тепла выделенного за 1 ч работы виты

42

QT = 0,860/т (V — Ет) = 0,860 • 500 • -^ • (5,1 — 1,471) == 1090 ккал/час.

Ванна хромирования нагрузкой I = 1500 а, имеющая в качестве электролита сернокислый раствор хромового ангидрида СгО3, работает при среднем напряжении на штангах 1% = 10,5 в и выходе по току для хрома 13%. Доля тока, затрачиваемая на катодно-анодный процесс

Сг6+ + 3^ Сг3+

(неполное восстановление Сгб+ на катоде и обратное окисление Cr3h на аноде) составляет 10% от общего тока. Кроме указанных выше процессов, на электродах ванны происходит выделение водорода и кислорода. Рабочее время ванны за 1 ч составляет 45 мин.

Какое количество тепла выделяется в ванне за 1 ч ее работы?

Решение

Суммарные электрохимические процессы, протекающие в ванне, и доли тока, затрачиваемые на них:

СгО3-> Сг + 1,50о

(В?= 13%);

Сг^ + 37^Сг3+;

(В? = 10%);

Н.О->-Н2 4 -у О2

(В” = 100 — (13 + 10) = 77%).

Изменение энтальпии при реакциях

ДНа Дн п -|- Д/Г - ДН - 1 МН. = Cl U3СГL/2

= — 136,0 —2,46 — 0 — 0 = — 138,46 ккал(моль,

где ^Н'— изменение энтальпии при растворении СгО8;

Реакция не приводит к изменениям в состоянии системы, поэтому ДНб = 0.

ЬНй = ЬН-ЬН=2 — 68,32 — 0 — 0 =

II^Oо2

= —68,32 ккал (моль.

Тепловые напряжения разложения для протекающих электрохимических процессов:

. ДНа 138,46 t

Et zFT ~ 6 • 23,06 ~ 1 ’°° в;

, £т = 0;

£т= г^бб =1’48 в-

Часовое количество выделяющегося джоулевого тепла

QT = 0,860 • Л (VB — £® • В® —Е® • В®—Е® • В®) = 45

= 0,860- 1500- -эд (10,5— 1,00 • 0,13 — 0— 1,48.0,77) =

= 8930 ккал(час.

Ванна нагрузкой / = 800 а расположена на расстоянии L = 5 jh от генератора тока.

Каково должно быть минимальное сечение токоподводящих медных шин, если максимально допустимое падение напряжения ДУ в шинах примем равным 0,5 в? Какова будет при этом проходная плотность тока в шинопроводе?

Удельное сопротивление меди при 18°G pfs = = 0,0178 ом • мм?!м. Температурный коэффициент сопро- 186

тивления меди а = 0,00445. Средняя температура шин + 40°С.

Решение

Удельное сопротивление меди при + 40°С

р4о = Pie [1 + « G — 18)1 = 0,0178 [1 + 0,00445 (40 — 18)] == 0,01955 ом • mm^Jm.

Необходимое сечение шинопроводов находим из уравнения закона Ома:

n 2L Д1/ о l^L 800*0,01955.(5.2),

Р = г, —— — ——- : с =— = _ -=414 ММ2

(коэффициент 2 при L учитывает наличие прямого и обратного шинопроводов).

Выбираем двойной шинопровод сечением (40x4)2; по таблицам справочника [16] проверяем выбранное сечение на допустимую нагрузку, .которая равна 1500а. Сечение приемлемо.

Проходная плотность тока

800о

Dnp — 220 — $,5 а1^м •

ЗАДАЧИ

Электролитическое осаждение на деталях цинкового покрытия толщиной 18 мк производится в сульфатном электролите при катодной плотности тока DK = = 2,0 а! дм2 и Вт — 98%.

Какова необходимая продолжительность процесса цинкования?

Электролитическое цинкование деталей осуществлялось в течение 22 мин в цианистом электролите при плотности тока DK = 3,0 а^дм- со средним выходом по току для цинка, равным 85?6.

Сколько цинка осаждается на детали поверхностью 2,7 дл12 за время процесса? Какова при этом средняя толщина цинкового покрытия?

При электролитическом кадмировании детали поверхностью 1,4 дм2 за 32 мин процесса полечено кадмиевое покрытие толщиной 18 мк. При этом на катоде выделилось 37,8 мл Н2 (обьем приведен к нормальным условиям).

Какова величина выхода ио току для кадмия? Какой силы ток был использован при кадмировании детали?

Какова продолжительность электролитического осаждения слоя меди толщиной 25 мк: а) из медно-циа- нистых ванн при плотности тока DK = 3,0 а дм2 и выходе по току Вг = 75% н б) из сернокислых медных электролитов при DK ^ 3,0 а дм2 и Вт = 99%?

Для осаждения меди из цианистого электролита использован гок переменной полярности при длительности катодного периода 15 сек, анодного периода 3 сек и плотности тока катодного и анодного периодов 6,0 аЮм2. Выход по току катодных периодов составляет при таком режиме примерно 60?6. Среднее напряжение па ванне VB = 5 (3.

Рассчитать: а) продолжительность осаждения слоя меди толщиной 20 мк; б) удельный расход электроэнергии на 1 Л12 покрытия; в) выход по току в расчете на все количество затраченного электричества.

Процесс пористого хромирования проводится из сернокислого раствора хромового ангидрида СгО3 при следующем режиме: катодная плотность тока Ок = 70о/длт2, продолжительность катодного периода 200 мин, средний выход по току В* = 16?6; плотность тока анодного периода Da = 40 а,дм1; продолжительность 5 мин; выход по току при анодном периоде в расчете па изменение валентности хрома, равное шести, В‘ ^ 100%.

Какова масса полеченного слоя пористого хрома на 1 м2 поверхности деталей? Какова средняя Аолщипа хромового покрытия (без учета пор)?

Какова продолжительность электролитического осаждения слоя олова толщиной 15 мк в стационарных ваннах: а) из стаппатных электролитов при катодной плотности тока DK — 3,0 а дм1 и выходе по току Вт « 65%; б) из сернокислых электролитов при DK = 4,0 а, дм2 и Вт^90%?

После 1 ч 10 мин катодного осаждения свинца из борфтористовидородного электролита (соль свинца вида Pb(BF4)2) при плотности тока DK = 3,0 а'дм2 на детали поверхностью 1,2 дм2 ссадилось 14,7 г свинца.

Рассчитать: а) выход по току; б) объем выделившегося на детали водорода, приведенный к нормальным условиям; в) среднюю толщину свинцового покрытия.

Одним из способов контроля окончания процесса электролитического серебрения является последовательное включение в цепь электролиза медного кулометра, катод которого завешен на коромысло чашечных весов. После достижения рассчитанного привеса медный катод кулометра опускается, разрывая электрическую цепь ванны серебрения.

Рассчитать необходимый привес катода медного кулометра за период серебрения, если в ванне серебрения, последовательно установленной с кулометром, завешены детали общей поверхностью 21,6 дм2, которые должны быть покрыты слоем серебра толщиной 30 мк. Какова продолжительность процесса серебрения при катодной плотности тока DK = 0,20 а!дм2 и выходе по току около 1ОО?о? Каков удельный расход серебра на 1 м2 покрытия (без учета расхода серебра при механических потеря' электролита)?

Нанесение на детали слоя золота толщиной 3 мк производится в цианистом электролите на основе KAu(CN)2 при катодной плотности тока £)к = 0,3 а длх2 с выходом по току Вт 70 ?о.

Рассчитайте продолжительность процесса золочения и удельный расход золота на 1 дм2 покрытия (без учета его потерь).

При индированни детали поверхностью 32 см2 в борфтористоводородном электролите, содержащим индий в виде In(BF4)3 за 35,5 мин процесса при DK = 2,0 а!дм2 получено индиевое покрытие общей массой 0,165 г.

Каковы выход по току для индия и его средняя толщина на детали?

Отделение гальванического цинкования, имеющее 5 стационарных ванн с сернокислым электролитом, работает в 2 смены по 7 ч при прерывной неделе. В ванну одновременно завешивается 6 катодных подвесок, на каждую из которых помещаются детали с сбщсй цинкуемой поверхностью в 20 дм2. Необходимая толщина цинкового покрытия 15 мк; катодная плотность тока DK = 2,0 а!дм2, выход по току Вт = 98?6. Обратимый брак составлет 1% от общей продукции.

Время на загрузку и выгрузку из ванны подвесок с деталями 1,6 мин. Общие годовые потери времени на простои ванн 3?о. Время на подготовительно-заключительные операции 40 мин в сутки.

Рассчитать годовую производительность отделения.

Производительность отделения никелирования составляет по мелким деталям 42 т!год. Для никелирования используются колокольные ванны нагрузкой 80 а, рассчитанные на одновременную загрузку 10 кг деталей. Средняя удельная поверхность деталей 16,3 дм21кг. Отделение работает в 2 смены по 7 ч при прерывной неделе. Простои оборудования в ремонте 4,5% от номинального годового времени его работы. Время на загрузку и выгрузку деталей в колоколах 5 мин. Подготовительнозаключительное время 0,5 ч в сутки. Необходимая толщина никелевого покрытия 15 мк. Выход по току для

стационарных ванн в данном электролите 96%. Увеличение времени процесса для колокольных ванн с учетом механического истирания покрытия и недостаточной равномерности пересыпания деталей 1596. Покрываемая поверхность катодных контактов составляет около 3% от поверхности деталей.

Сколько колокольных ванн необходимо установить в отделении? Какова величина коэффициента загрузки установленных ванн?

Для получения гальванических покрытий на деталях использован прямолинейный автомат. Толщина никелевого покрытия на деталях должна составлять 18 мк. Ванна никелирования в автомате работает при катодной плотности тока DK = 4,0 адм1 и выходе по току 96?6; примерный шаг подвески в ванне / — 0,45 м, скорость продвижения подвески и = 0,2 м'мин. Ванна им^ет 3 катодных и 4 анодных ряда; поверхность деталей на одной подвеске составляет в среднем 16 дм?; неизолированная (никелируемая) часть поверхности подвески составляет 5% от поверхности завешенных на ней деталей; обратимый брак составляет 1% от всей продукции. -

Рассчитать: а) длину рабочей части (расстояние между центрами крайних подвесок) ванньГ никелирования; б) темп выхода подвесок; в) максимальную суточную производительность автомата по площади покрытий при условии его круглосуточной работы; г) необходимую силу тока на ванну никелирования.

Ванна сернокислого меднения в овальном автомате с прерывно движущейся транспортерной цепью имеет 2 катодных и 3 анодных ряда. Ванна работает при плотности тока DK = 4,0 а! дм? и выходе по току Вт » 99%. Необходимая толщина получаемого медного покрытия о = 23 мк. Автомат должен иметь темп выхода подвесок около 3 мин; минимальный шаг подвесок 0,60 м; поверх-

иость деталей на одной подвеске Sn = 16 дм-, обратимый брак составляет около 1 °п от всей загрузки; неизолированная (омедняющаяся) часть поверхности подвески равна 5% от поверхности завешенных на ней деталей.

Рассчитать: а) необходимое расстояние между центрами крайних подвесок в ванне меднения; б) темп выхода подвесок; в) силу тока на ванну меднения; г) максимальную суточную производительность автомата (при его непрерывной круглосуточной работе).

В автомате никелирования стальной ленты, имеющей ширину 25 мм и толщину 0,1 мм, последовательно установлены две ванны никелирования длиной по 7,0 м каждая. При никелировании лента на рабочих участках проходит по прямой горизонтальной линии. На участке, равном примерно 15% длины каждой ванны, лента не никелируется (на участках вывода ленты к контактным цилиндрам, а также вследствие экранирования ленты направляющими валиками). Через автомат одновременно проходит 13 потоков ленты. Необходимая толщина никелевого покрытия на ленте 2,0 мк. Катодная плотность тока Z)K = 2,5 а; дм-; выход по току Вт = 95%.

Работа автомата трехсменная, без выходных дней (в праздничные дни не работает). Неизбежные простои автомата составляют 1О?о от номинального годового фонда времени его работы.

Рассчитать: а) необходимую скорость движения ленты в автомате; б) годовую производительность автомата в погонных метрах ленты; в) силу тока на каждую из двух ванн никелирования в автомате (не учитывать ток, затрачиваемый на никелирование торцов ленты).

Конвейерный автомат электролитического лужения холоднокатаной стальной ленты работает с хлористокислым (на основе SnCl2) электролитом при плотности

тока DK = 40 а!дм? и выходе по току Вт = 90%. Лента, проходящая через автомат со скоростью 8,0 м’сек, покрывается слоем олова толщиной 1,0 мк.

Какова должна быть длина рабочей части ванны лужения (равная длине одновременно покрываемой части ленты)?

В ванне хромирования нагрузкой 2500 а использован электролит, содержащий 350 г!л СгО3 и 3,5 г! л H2SO4. Ванна работает при катодной плотности тока DK = 20 а1дм? и выходе по току около 16%. Толщина получаемого слоя хрома 1,5 мк. Время загрузки и выгрузки подвесок с деталями 2,0 мин. Удельные потери электролита составляют 117 мл на 1 м? покрытия.

Рассчитать удельный расход СгО3 (на собственно электролиз и механические потери) на 1 м? покрытия, а также часовой расход СгО3 на ванну.

Электролит стационарной ванны цианистого меднения содержит 33 г!л общего цианида (свободного и связанного) в пересчете на NaCN. Ванна работает при +60°С с выходом по току Вт = 75%; толщина медного покрытия 22 мк. Расход цианида на разложение равен 0,9 г!а-ч. Потери электролита составляют около 95 см? на 1 м? поверхности деталей [13] (имеется сборник- уловитель раствора).

Каков удельный расход цианида на 1 м2 покрытия? Какую роль в общем расходе цианида составляют его потери при разложении?

Рассчитать удельный расход цианида на 1 м- медного покрытия толщиной 2 мк и долю потерь цианида на разложение в его общем расходе при электролитическом меднении деталей в стационарной цианистой ванне.

Параметры электролиза и расходные коэффициенты— см. условие задачи 212.

Колокольная ванна цинкования заливается цианистым электролитом с концентрацией общего цианида 85 г!л (в расчете на NaCN). Необходимая толщина цинкового покрытия 10 мк. Для цинк-цианистого электролита данного состава выход по току в стационарных ваннах составляет около 80 ?о. В колоколах общая расчетная продолжительность процесса должна быть увеличена на 15% с учетом механического истирания покрытий и неравномерности пересыпания деталей. Удельные потери раствора при процессе около 115 ся3 на 1 Л12 поверхности деталей. Расход цианидов на электрохимическое разложение 0,8 г а-ч [13].

Каков удельный расход цианидов на 1 м? получаемого цинкового покрытия?

В стационарную ванну цинкования нагрузкой 1200 а, имеющую 2 катодных и 3 анодных штанги, завешено 9 цинковых анодов габаритами 500x700/ 12 лш (по три анода на каждую штангу). В ванне использован сернокислый электролит с катодным выходом по току Вт = 9996; толщина получаемого цинкового покрытия на деталях 15 мк. Открытая (цинкуемая) поверхность катодных подвесок составляет примерно 5?6 от поверхности завешенных на них деталей.

Какое количество деталей (без учета брака) возможно оцинковать в ванне за период работы: а) анодов, установленных на средней штанге, и б) анодов на крайних штангах (не учитывать ток, идущий на обратную сторону таких анодов)? Анодные остатки (скрап) составляют 18% от начального веса анодов. Анодный выход по току 1О2?6.

Кадмиевые аноды, имеющие толщину 10 мм» эксплуатируются в ванне кадмирования при плотности тока Da = 1,5 а/дм- (аноды полностью погружены в электролит). Анодный выход по току В^ = 101%; анод- 194

ные остатки (скрап) составляют 15% от первоначальной массы анодов.

Какова продолжительность эксплуатации двусторонне работающего анода?

В цианистую ванну исправления брака нагрузкой 500 а в качестве анодов завешены бракованные омедненные стальные детали с общей поверхностью 522 дм* и средней толщиной медного покрытия 17 мк.

' Сколько времени необходимо для полного снятия медного слоя с деталей, если анодный выход по току В“ = 95?6 (с учетом выделения О2 в конце про* цесса)?

Для электролитического получения покрытия из высокомедистого медно-цинкового сплава — томпака (90% меди и 10?6 цинка) использован цианистый электролит. Катодная плотность тока при процессе DK = = 3,0 а/дм2, выход по току для сплава Вт = 80%. Плотность получаемого сплава d = 8,6 г!см\

Какова продолжительность осаждения на деталях слоя томпака толщиной 150 мк?

Электролизом борфтористоводородного электролита, содержащего Pb(BF4)2, Sn(BF4)2 и некоторые другие компоненты, на деталях получено покрытие толщиной 8 мк из свинцово-оловянистого сплава (50?6 РЬ, 50% Sn). Катодная плотность тока при осаждении DK» «1,0 а!дм-\ выход по току для сплава близок к 100%.

Какова продолжительность процесса электролиза (плотность катодного сплава d = 8,7 г-см?)?

При электролизе станнатно-цианистого раствора, содержащего Na2SnO3, Na2Zn(CN)4 и свободные цианид и щелочь, на детали осадилось 0,570 г оловянно- цинкового сплава (71% Sn и 29?6 Zn). Ток во время процесса равнялся 1,30 а, время электролиза 31 мин.

Каков выход по току для сплава?

За 45 мин процесса при использовании аммо- нийно-хлоридного электролита на детали получено металлопокрытие массой 1,22 г из сплава, содержащего 19% никеля и 81% цинка. Сила тока / = 1,45 а.

Рассчитать выход по току для полученного цинк-никелевого сплава.

Покрытие деталей свинцово-оловянным сплавом, содержащим 20 ?6 олова и 80% свинца, проводится в борфтористоводородном электролите, в состав которого входят Pb(BF4)2, Sn(BF4)2, HBF4 и столярный клей. При процессе используются раздельные аноды — свинцовые и оловянные, выходы по току на которых равны 100% (катодный выход по току также близок к 100%).

Какая доля от общей токовой нагрузки должна приходиться на те и другие аноды, чтобы сохранить неизменность состава электролита в ходе процесса?

Катодный выход по току при электролитическом получении покрытий из цинк-оловянного сплава состава 80% Sn и 20% Zn при использовании станнатно-цианистого электролита (с четырехвалентным оловом) равен 82%. Сила тока на ванне 600 а. Аноды раздельные-т- оловянные и цинковые. Анодные выходы по току у цинка 100%, у олова 78%.

Какова должна быть токовая нагрузка на цинковые и оловянные аноды, чтобы поддерживать постоянство в составе электролита в ходе электролиза?

При анодном оксидировании алюминиевой детали плотностью тока Da = 1,2 aldM^ за 30 мин процесса получена оксидная пленка (А12О3) толщиной 6 мк с пористостью около 14%. Рассчитать выход по току при оксидировании.

Плотность А12О3 (беспористого) d = 3,85 г/см3.

Объемная плотность тока в ванне анодного оксидирования алюминиевых деталей составляет 0,52 а(л

электролита. Продолжительность процесса оксидирования равна 25 мин.

Какое количество загрузок деталей можно получить с ванны оксидирования до достижения максимально допустимой в электролите концентрации сульфата алюминия (30 г!л в пересчете на металлический алюминий), если 34% тока затрачивается на образование той части оксидной пленки, которая растворяется в электролите?

За 18 мин процесса анодного оксидирования медного изделия в щелочном электролите при плотности тока Da = 1,0 а! дм? сформирована окисная (СиО) пленка средней толщиной 5,5 мк.

Рассчитать выход по току для полученной оксидной пленки, если ее плотность равна 6,4 г!см\

В ходе электрохимического оксидирования алюминиевой детали током 1,80 а выделилось за 28 мин процесса 12,3 мл кислорода (объем приведен к нормальным условиям). При этом масса детали увеличилась на 61,3 мг.

Какая доля анодного тока затрачена: а) на образование оксидной пленки; б) на растворение алюминия и в) на выделение кислорода?

Анодная полировка медных и омедненных деталей осуществляется в растворе ортофосфорной кислоты при плотности тока Da= 1,6 а! дм?, продолжительности процесса 12 мин и среднем выходе по току для растворения меди Вт = 95%.

На какую глубину подрастворится медное покрытие детали за время ее анодной полировки?

Никелированные детали, имеющие среднюю толщину никелевого покрытия 20 мк, подвергаются анодной электрополировке. Электрополировка осуществляется в смешанном растворе ортофосфорной и серной кислот с добавкой небольшого количества лимонной кисло-

ты при анодной плотности тока Da = 40 а^м2 и продолжительности процесса 30 сек.

Какова средняя толщина отполированного никелевого покрытия, если анодный выход по току для растворения никеля равен —38% ?

Анодное электрохимическое обезжиривание стальных деталей проводится при плотности тока 5,0 адм-, продолжительности процесса К) лит и среднем напряжении на ванне VB = 8 в.

Рассчитать: а) удельный расход электроэнергии на 1 м2 обезжириваемых деталей; б) объем гремучей смеси (приведенный к нормальным условиям), образующейся за 1 мин в ванне нагрузкой 600 а (Вт ^ 100%).

За 10 лшн анодного травления стальных деталей плотностью тока 2,0 а дм- (перед покрытием толстым слоем никеля) с поверхности деталей снят слой стали толщиной 6 лис.

Какая доля анодного тока израсходована на электрохимическое растворение стали (расчет вести на образование трехвалентного железа; пренебречь химическим растворением стали и наличием в ней углеродистой компоненты)?

Одной из практических областей применения гальванопластики является изготовление тонких металлических листов и лент. По одному из гальванопластических способов медную ленту получают на непрерывно вращающемся барабане из нержавеющей стали, который служит катодом ванны.

Диаметр барабана равен 1,5 м, длина его рабочей поверхности равна 2/3 всей длины окружности барабана. Электролит сернокислый. Катодная плотность тока DK — 10 а/дм\ выход по току Вт « 100?6.

Какова должна быть скорость вращения катодного барабана, чтобы получить медную ленту толщиной 0,20 лш?

Какова продолжительность процесса электролиза при гальванопластическом изготовлении бесшовных медных труб с толщиной стенки 3,2 лш?

Катодная плотность тока DK = 1,4 а дл^; электролит сернокислый, выход по току близок к 1ОО?о.

При определении рассеивающей способности сернокислого медного электролита по методу Херинга и Блюма [14] была использована электролитическая ячейка с соотношением расстояний от анода до дальнего и ближнего катодов К = -^ = 5. Во время опыта на дальнем катоде осадилось 0,273 г меди, на ближнем катоде 1,178 г.

Какова рассеивающая способность электролита?

В электролитической ячейке с соотношением расстояний от анода до дальнего и ближнего катодов К = у = 5 исследовалась рассеивающая способность электролита для хромирования по методу Херинга и Блюма [14]. В процессе исследования на ближнем катоде осадилось 1,027 г хрома, на дальнем катоде 0,179 г.

Рассчитать рассеивающую способность электролита.

Рассчитать величину равновесного потенциала цинкового электрода в цианистом электролите для цинкования.

Состав электролита: [Zn(CN)4]2" — 0,8 н, [CN']cbo6 —0,3 н., а также некоторое количество щелочи и цинката. Температура + 20°С. Напишите потенци- алопределяющую реакцию для цинка в таком электролите. Нормальный потенциал для цинка в цианистых растворах ?0 = — 1,26 в.

(При расчете воспользоваться величинами концентраций вместо активностей.)

Каково расчетное значение электропроводности сернокислого раствора сульфата меди, содержащего 210 г!л CuSO4-5H2O и 50 г!л H2SO4 (методика расчета— см. задачу 184).

Эквивалентные электропроводности при концентрации 2,7 г-экв’л: ^CllS04 = 17,6; ^H2SO4 = 171,5.

Катодная плотность тока при электролитическом меднении DK — 1,5 а/дм2; анодная плотность тока Da = 1,2 а/дм2. Удельная электропроводность электролитов ванн меднения при температуре соответствующего процесса:

сернокислого х1 = 0,23 ом"1-см"1;

медно-цианистого х2 —0,153 ом"1-см"1. Среднее межэлектродное расстояние в ванне 7=15 см.

Рассчитать падение напряжения в электролите сернокислой и цианистой ванн меднения.

Ванна декоративного хрдмирования работает при катодной плотности тока DK = 40 а’дм? и анодной плотности тока Da = 30 а!дм? со средним межэлектродным расстоянием / = 12 см. Удельная электропроводность электролита хромирования хэ = 0,615 ом^-см"1, увеличение его сопротивления за счет газонаполнения составляет 20%.

Каково падение напряжения в электролите ванны?

При катодной плотности тока Z)K = L5 а!дм2 и анодной Z)a = 2,0 а дм2 электродные потенциалы в стан- натной ванне лужения составляют: у катода ?к = =—1,52 в и у анода сра = + 1,76 в (по нормальному водородному электроду). Среднее межэлектродное расстояние 1=\бсм, удельная электропроводность электролита хэ = 0,32 ом"1-см"1. Падение напряжения в контактах, катодах и анодах составляет около 15?6 от суммарного напряжения катод — анод. Потери иапряже- 200

ния в шинопроводах равны 10% от напряжения на* ванне.

Каково должно быть минимальное напряжение у генератора тока, питающего ванну?

Потенциал катода в ванне хромирования срк = — 100 в, анодный потенциал фа = + 2,20 в (по нормальному водородному электроду). Электродные плот* ,ности тока: катодная Ок = 30 адм-, анодная Da = ,= 25 адм-. Удельная электропроводность электролита х9 = 0,615 ом"1-см"1, увеличение сопротивления электролита за счет его газонаполнения равно 20?6; среднее межэлектродное расстояние / = 12 см. Падение напряжения в электродах и контактах равно 10/6 от разности потенциалов катод— анод. Потери напряжения во внешних шинах составляют около 10?6 от напряжения на ванне.

Каким минимальным напряжением должен обладать генератор тока, питающий ванну?

Напряжение между катодными и анодными штангами ванны никелирования нагрузкой 600 а составляет 4,3 в.

Какое количество джоулевого тепла выделяется за 1 ч в ванне?

Для упрощения расчета принять катодный и анодный выходы по току равными 100?6.

Ванна анодного оксидирования алюминиевых деталей работает при нагрузке 600 а и напряжении 12 в. За 1 ч ванна находится в работе в среднем 57 мин. Температура при процессе + 25°С. На анодное выделение кислорода расходуется около 10 ?6 тока; остальной анодный ток идет на образование А12О3 (для простоты расчета пренебречь теплом, выделяющимся при растворении части А12О3 в электролите).

Какое количество джоулевого тепла выделяется за 1 ч в ванне?

Рассчитать количество джоулевого тепла, выделяющегося за 1 ч в станпатиой ванне лужения нагрузкой 800 а при напряжении на штангах ванны VB =-- 4,2в.

Катодный и анодный выходы по току при процессе равны 60% (40% электричества расходуется на электролиз воды). Температура при процессе 70°С. Рабочее время ванны за 1 ч равно 56 лшн. Тепловое напряжение разложения воды при 343 К

£г*3 = 1.474 в. .

Вайна гальванопокрытий нагрузкой 1200 а установлена на расстоянии 3,5 м от генератора тока.

Каково должно быть минимальное сечение токоподводящих алюминиевых шин при максимально допустимом падении в них напряжения 0,5 в? Подберите по каталогу [16] шинопроводы и рассчитайте для них проходную плотность тока.

Температуру шин принять + 45°С. Удельное сопротивление алюминия при % 18°С р18 = 0,0294 ом-лш2'л1. Температурный коэффициент сопротивления а — 0,00423.

ГЛАВА V

ГИДРОЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ

Медерафпнировочный цех имеет годовую производительность 150 тыс. т катодной меди (включая медь, полеченную в ваннах регенерации). Машинное время работы ванн равно 0,95. Катодный выход по току для меди Вг==94%. Среднее напряжение на одну ванну Кв = 0,30 в. Цеховые источники постоянного тока имеют выходное напряжение Уц = 280 в.

Какое количество ванн рафинирования меди и ванн регенерации электролита нагрузкой /= 10 000 а должно быть установлено в цехе? В какое количество последовательных цепей должны быть соединены все ванны цеха?

Решение

Суточная производительность цеха

150 000

gu = —365411 т1сУтки-

Суточная производительность одной ванны

^Сп8*10 000-24-1 ,185-0,94,

5в = “ООО =1000"“268 кг*

где т—время, ч;

q— электрохимический эквивалент меди;

ЛСи 63,55

^Cu — zF 2-26,8~ 1,18° ^а'4-

Необходимо? количество ванн в цехе

Kv 411-10001,01

~~268■ 0,95 “ 1631

где /— машинное время ванны; К^ — коэффициент для расчета количества электролизеров в цехе с учетом необходимости регулярно! замены части ванн при выходе их из строя.

Вайны собираются в блоки по 12 ванн. Блоки в свою очередь соединяются в серии по 2 блока (цс = 24 ванны).

Находим количество серий

1631п

/2 2 — 24

Напряжение на серию

Vcep = VBnc = 0,30-24 = 7,2 в.

Возможное количество серий ванн в последовательной цепи

280

п3 =-= ^-0,90 = 35,

*сер 1

где 7<2 — 0,90—коэффициент учета потерь напряжения в главном шинопроводе и соединительных шинах.

Количество последовательных цепей в цехе

п^п^ПоПо68 -^=1,94^2.68 -^=1,94^2.

п^

п^

По

По

68 -^=1,94^2.

68 -^=1,94^2.

Катодное выделение рафинированной меди производится на так называемых маточных листах, получаемых электролитическим осаждением меди на матричных основах в специальных ваннах.

Каковы будут масса и толщина маточного листа (без ушков) габаритами 860x860 мм, если длительность его наращивания составляет одни сутки при катодной плотности тока 0 = 200 а1м- и выходе по току Вт = 96%?

Решение

Масса получаемого маточного листа (одностороннее наращивание металла)

д = I-q BT = DSxq Вт = 200-(0,86-0,86) 24-1,185-0,96 =

° СиСи

= 4040 г = 4,04 кг.

Толщина маточного листа

g4040

= 8,9(86-86) 10613 где d— плотность меди.

Для устранения избытка меди, переходящей в электролит ванн рафинирования меди вследствие некоторого превышения анодного выхода по току над катодным, в медерафинировочном цехе устанавливают ванны регенерации электролита с нерастворимыми свинцово-сурьмянистыми анодами. В таких ваннах раствор обедняется медью и обогащается серной кислотой.

Рассчитать количество меди, которое необходимо извлечь за сутки в ваннах регенерации, чтобы поддержать постоянство состава циркулирующего электролита в цехе с /z — 925 одновременно работающими ваннами рафинирования меди нагрузкой / — 10 ка. Катодный выход по току для ванн обоих типов В'гх 95?о. Количество меди, переходящей в раствор из анодов ванн рафинирования, на 2?6 превышает количество катодио- осаждениой меди. Сколько необходимо установить в цехе ванн регенерации нагрузкой / — 10 ка?

Решение

Суммарный процесс в ванне регенерации

CuSOj -р НоО —► Си -р H2SO4 -р “2“ О2

Количество избыточной меди, переходящей'! в электролит ванн рафинирования за сутки

к 10 000 • 24 • 1,185 • 0,95-925 • 0,02

gi hq Cu В, nS =ГбОО = 5000 кг,

где А — превышение анодного выхода по току над катодным.

Количество меди, извлекаемое за сутки в одной ванне регенерации:

^^сЛ =^^сЛ == 270 кг.= 270 кг.10 000 - 24 - 1,185 • 0,95

^^сЛ =

^^сЛ =

= 270 кг.

= 270 кг.

1000

Необходимое количество ванн рл операции gx5000

щ = — — —- = 18,519 ванн.

1 g>2/0’

Доля ванн регенерации от общего числа ванн в цехе обычно составляет меньшую величину, так как часть электролита полностью выводят из циркуляции для гкачушния медного купороса, а также для удаления некоюрых примесей.

Ванна рафинирования меди работает при плотности тока 200 а м\ межэлектродном расстоянии 4,5 см и температуре процесса + 55еС. Состав электролита 35 г-л СигЦ 170 г/л H.,SO4 ; 2 г/л Ее2 Г; 11 г л NE .

Каково падение напряжения в электролите ваппьР

Проводим расчет по формуле Скавронского 117], которая для +55°С и Cn^so 170 г/л имеет вид

р = 1,240 -Р 0 009 42 ССпЧ. ом • см

По влиянию на удельное сопротивление р электролита содержание 1 г! л Fe2r эквивалент; о 1,145 г!л Си2 ; содержание 1 г!л Ni2r эквпвалснию 1,055 г/л Си2" 117].

Решение

Удельное сопрл ивление элек i рлп га

р = 1,240 + 0,00942 (35 + 2 • 1,14 5 4-11-1 .065) - 1 701 ом • см

Увеличиваем полученное значение на З^о в расчете на пе>ч1енны< примеси

Рэя ~ 1,701 • 1,03 — 1,75 ол1 • см.

Падение напряжения

/200

W = IR = /рэл • ~у — D-p^l = ПлГоОсГ * ^ 75 • 4.5 = 0,1575 в

Электролитические ванны рафинирования меди нагрузкой / = 10 ка эксплуатируются при электродной плотности тока D = 200 а/м-, t3 — b^C и катодном выходе по току Вт = 95%. Зеркало поверхности раствора в ванне S = 4,2 az2; скорость циркуляции электролита гэ = 20 л;мин на одну ванну; межэлектродное расстояние I = 5,0 см. Электродная поляризация и падение напряжения в электродах AV\ — 80 мв. Удельное сопротив-

.пение электролита р50 = 1,815 ом-см; е:о теплоемкость с = 0,855 ккал!кг0 С; плотность d = 1,23 г: см?.

Количество воды, испаряющейся с 1 м2 поверхности электролита, mIIO=l,90 кг’ч (теплота парообразования in = 568 ккад!кг\ Доля потерь тепла за счет испарения составляет 60% от общих потерь тепла ванной (без учета тепла, уносимого циркулирующим электролитом). Для подогрева электролита (осуществляемого вне ванны) применяется сухой пар с полным теплосодержанием Чг ~ 645 ккал,'кг; образующийся конденсат обладает теплосодержанием i = 70 ккал кг.

Рассчитать расходные коэффициенты на 1 т катодной меди- а) электроэнергии постоянного тока; б) пара на подогрев циркулирующею электролита; в) воды на компенсацию испарения из ванны.

Решение

Количество катодной меди, получаемой в ванне за 1 ч

51 = z^cubt =51 = z^cubt =10 000 ■ 1 • 1,185 • 0,96

51 = z^cubt =

51 = z^cubt =

1000— 11,37 кг[ч.

Напряжение на электродах ванны рафинирования

V = IRom + ^! = -^?1 + A V, = D^l + М\ = 200

= -10Q0Q • • 1,815 • 5,0 + 0,08^0,262 в.

Удельный расход электроэнергии на 1 т меди

IV~K 10 000 • 0,252 • 1 • 1,20

Wg = —— =Щ37= 277 кет • ч/т.

где /( = 1,20— коэффициент, учитывающий потери напряжения в контактах, шинопроводах и повышенное напряженке в ваннах регенерации электролита.

Удельные потери воды за счет испарения из ванны

mH,os 1,90-4,2

а „ = —^= "11 07 ' = 0, /02 м3/т меди.

1I2U£11,0/

Кол шество джоулева тепла, выделяющегося за 1 ч в ванне

Q'= 0,860 IV- = 0,860 • 10 000 • 0,262 • 1 = 2255 ккал/ч

Часовая погори тепла из ванны в окружающую среду (по условию 60% потерь 1спла составляют ого потери за счет испарения воды)

„ mXA>oSin 1,9?. 1,2-568

QT == —оДю—" = 7560 ккал1'и

Потери тепла из ванны компенсируются джоулевых! теплом и повышенной температурой электролита, поступающего в ванну при циркуляции. Потери тепла, которые необходимо скомпенсировать повышенной температурой подаваемого электролита

QT = QT — QT ~ '560 — 2255 = 5305 ккал/ч

Количество электролита, поступающего в ванну

иэ = 20 • 60 = 1200 л/ч,

£э = -оД = 1200 • 1,23 = 1475 кг/ч.

Необходимая разница температур между поступающим раствором и электролитом ванны

. Qt 5305„

g,c ~ 1475- 0,855 ” 4-2°С-

Температура поступающего электролита

^ = /э + А/= 50 4-4,2 = 54,2 ° С.

Расход пара па нагрев электролита

Q*5305

£п = 7-Kv = 645-70 '10J5 кг/ч'

1П — <к

где Ki — коэффициент, учитывающий потери ппла в циркуляционной системе электролита.

Удельный расход пара

#п 10,15 л

тп = — — || ^у = 0,892 т/т меди

251 Анодная медь, подвергающаяся электролитическому рафинированию, содержит 99,35% меди, 0,16% никеля, 0,017% мышьяка и некоторые другие примеси. При анодном растворении такой меди в электролит переходит /<1 = 75% примеси никеля и /<2 = 65% мышьяка. Объемная плотность тока в ваннах Оу = 2,8 а'л\ объем электролита вне ванн равен 15% от объема электролита в ваннах (АГ = 1,15). Анодный выход по току Вт = 96 % (снижение в основном за счет появления межэлектродных шунтирующих замыканий).

После какой продолжительности электролиза будет достигнуто предельное содержание примесей в электролите, равное [Ni2+]npeA = 18 г!л и lAs3+]npcl = 3 г!л (пренебречь осаждением этих примесей на катоде)? Какую минимальную долю электролита необходимо выводить из оборота, чтобы не допустить превышения предельного содержания примесей в ходе процесса электролиза?

Решение

Объемная плотность тока в расчете па весь объем циркулирующего электролита

• Dy 2,8

Dv = ^ = 115 — 2,43 п/л.

Количество меди, анодно растворяющейся за 1 ч в расчете на 1 л циркулирующего электролита

Рси^ * т ' ^Си * вт = 2,43 • 1 • L185 • 0,96 = 2,76 г]ч • л.

Количество никеля, растворяющегося за 1 ч в расчете на 1 л электролита

PNi0,0016

о =.— ./<1=2,76.— • 0,75 = 3,33- 10-3 г[ч-л.

“Ni sCu рСи м ’0,9935

Предельная концентрация никеля в растворе будет достигнута через

[М12+]пред18

т = —= = 225 соток.

Ni gNj 3,33-10-3-24J

Количество мышьяка, переходящего за 1 ч в раствор в расчете на 1 л электролита

РЛз0,00017

0=о. . К. = 2,76 • • 0,65 = 3,07 • 10-4 г/л-ч.

° AsРСи -’0,9935

Предельная конценграция мышьяка в растворе будет достигнута через

3

TAs = 3,07.10-4-24 = 407 сУток-

Примесью, определяющей период накопления и вывода примесей в электролите, является никель (т^. < т^)

Минимум объема электролита, выводимого для удаления примесей, будет достигнут при постоянном предельном содержании основной примеси (в данном случае — никеля) в растворе.

Поэтому минимальная доля объема электролита, выводимая за сутки из оборота

Рм ' т3,33 • IO-*3 . 24

Д^э = 7^2+1 • 100 = . 100 = 0,444%

1пред18

Провести расчет процесса аффинажа серебряного сплава состава: 87,5% Ag, 12,5% Си. Анодно растворяются оба компонента сплава; на катоде осаждается только серебро с выходом по току около 100%. Для аффинажа использованы ванны нагрузкой / = 1000 а; емкость электролита иэ = 550 л. Ванны работают периодически до обеднения азотнокислого электролита серебром или обогащения его медью. Нижний предел содержания серебра в растворе [Ag’]K0II = 8 г/Л, верхний предел [Ag+ ]пач — 50 г{л. Максимально допустимое содержание меди [Си2+]кон = 55 г!л. После обеднения раствора серебром часть электролита сменяют и заменяют его новым, полученным растворением лигатуры в азотной кислоте. Состав этого раствора: [Ag+]4 = 452 г!л, [Си2^]л = 64,4 г!л, концентрация свободной HNO3 20 г/л. Обогащенный медью раствор удаляется из ванны для контактного осаждения серебра металлической медью.

Рассчитать: а) часовую производительность ванны по катодному серебру; б) расход анодов на электролиз в расчете на 1 ч процесса; в) периодичность замены части электролита (время достижения допустимого минимума концентрации серебра); г) сменяемый объем электролита; д) время достижения максимального содержания меди в электролите.

Решение

Электрохимические эквиваленты компонентов сплава:

а = 4,025 г/а • ч; q =1,185 г (а • ч.

AgСи

Часовая производительность ванны по серебру

= Вт = 1000 • 1 • 4,025 • 1,0 = 4025 г = 4,025 кг.

Ag 1

Удельный расход электричества для анодного сплава

= 77)25 ’ °’875+ТЛ85 * 0 7 25 = 0,322 а^г.

Расход анодов за 1 ч

ga = /т -^— = 1000 • 1 Q 22'7 = 3110г = 3,11 кг.

Доля электричества, затрачиваемая на анодное растворение (равная анодному выходу по току) серебряного компонента сплава

0,8750,875100 = 67,5?6;100 = 67,5?6;Ag _ ?Ag % _

0,875

0,875

100 = 67,5?6;

100 = 67,5?6;

т “ 5Спл “ 4,025 - 0,322

медного компонента

B^" = 100 —67,5 = 32,5%.

Количество серебра, извлекаемое из раствора ванны до достижения минимума его концентрации

(lAeJb^JAjJJ. 850(50-8)

6A= _ „.675 ~

где B£ и В'] —выходы по току для серебра для катодного и анодного процессов.

Длительность одного периода электроэкстракции серебра

§Ag 71 100

Т1“ Iq, ~ 1000 • 4,025 “ 17,7 ч*

Ag

Максимум концентрации меди в растворе при непрерывном электролизе будет достигнут через

уэ [Си2+]кон550 • 55

4 - Л^вС" ~ 1000 • 1,185 • 0,325 = ZS’5 ч'

Следовательно, периодичность смены электролита в начальной стадии процесса будет определяться скоростью обеднения раствора серебром. Необходимо через каждые 17,7 ч заменять часть электролита на раствор, обогащенный серебром.

Определяя сменяемый объем электролита иэ, расчет проводим, исходя из необходимости достижения после смены части раствора максимально допустимой концентрации серебра. Этому условию соответствует равенство

([Ag+ ]Нач - [Ag+ ],<Ои) (Уэ - <)= ^ ([ Ag+b - [Аб+]кон)

(равенство справедливо при отсутствии изменения объема растворов в ходе их смешения),

(50 — 8) (550 — и') = и' (452 - 8),

отсюда г>э ^ 47 л.

А [Си2Ч =А [Си2Ч =^С..Вт"^С..Вт"Повышение концентрации меди в электролите ванны за период ее работы (за 17,7 ч)

А [Си2Ч =

А [Си2Ч =

^С..Вт"

^С..Вт"

1000 • 17,7 • 1,185 • 0,325

550~ 12,4 С*Л

Концентрация меди в растворе после первой замены части электролита

Д[Си2Н (y.-y^ + tc^+hv;

1^4 =- =

= 16,85 г/л.= 16,85 г/л.12,4 (550 — 47) + 64,4-47

= 16,85 г/л.

= 16,85 г/л.

550

Концентрация меди:,

после второго периода работы ванны

[Си2-]" = [Си2*]' + А [Си2+] = 16,85 + 12,4 = 29,23 г/л;

после второй замены части электролита [Си^г^э-Уэтс^ЧтУэ

29,25 (550-47)+ 64,4-47 оп п ,.

=- dz.z г,л.

Продолжая расчет, находим, что при таком технологическом режиме максимальная концентрация меди в растворе (55 г/л) будет достигну га после 65,2 ч рабош ванны, включающих три замены части электролита

На аффинажной переработке по извлечению серебра используются аноды из серебряно-медного сплава, содержащие 87,5% Ag и 12,5% Си. Анодио растворяются оба компонента сплава; полезное использование анодного тока 100%. Толщина анодов о =15 мм; плотность сплава rf= 10,1 г 1см?. Анодная плотность тока Оа = = 200 а м\ аноды работают двухсторонне. Скрап (анодный остаток) составляет 15% от первоначальной массы анодов.

Какова продолжительность переработки одной загрузки анодов?

Решение

Удельный расход электричества для сплава

оС(и = 0,322 а • ч/г (см. задачу 252).

Электрохимический эквивалент сплава

11

^.1 = "ои = 0,322 = 3'И Ца-ч.

Масса растворяющейся части анода

g = S1dp,

где р = 0,85 — доля растворяющейся части анодов.

Количество растворенного металла связано с электрохимическими характеристиками процесса соотношением

g = /чсплВт.

Sb'dp = /т^салВт.

1,5-у • Ю.1-0,851,5-у • Ю.1-0,85Время растворения анодов

1,5

-у • Ю.1-0,85

1,5

-у • Ю.1-0,85

f/dpDa (fcn i Вf/dpDa (fcn i В0,02-3 11-1,0 = 103,5 ч*0,02-3 11-1,0 = 103,5 ч*Udp

f/dpDa (fcn i В

f/dpDa (fcn i В

0,02-3 11-1,0 = 103,5 ч*

0,02-3 11-1,0 = 103,5 ч*

S ^СПЛ

Глубина растворения анодов о' принимается равном половине их толщин >i вследствие двухсторонней работы анодов.

Вредными примесями, растворяющимися из анода, при рафинировании никеля являются ионы Си2+, Fe2+ и Со2+. Для уменьшения опасности попадания этих примесей к катоду применяется разделение католита и анолита ванны диафрагмой и протекание электролита из катодного пространства в анодное навстречу мигрирующим катионам. Фильтрующая поверхность диафрагмы катодного ящика ванны (примерно равная поверхности одного катода) составляет S ^ 1,2 м2. Электродная плотность тока D = 200 а 'м2.

Какова должна быть скорость подачи раствора в катодный ящик ванны, чтобы предотвратить миграцию катионов вышеуказанных примесей в католит?

Абсолютные скорости движения ионов и, при бесконечном разбавлении, температуре процесса +55°С и градиенте напряжения 1 в! см равны для Си2+ — — 0,00106 см сек; Fe2b — 0,00101 см сек; Со2+ — — 0,00097 см сек. Удельная электропроводность электролита х = 0,105 олГ1 • слг1.

Решение

V

Градиент напряжения в электролите— рассчитываем исходя из равепс1ва

Преобразовывая равенство, получаем

V11 D 0,02 Л .

/ ~ /.S “ 7. “ 0,105 — °' 9 в^см"

Скорость движения ионов меди при данном градиенте напряжения

, V

иа^ = z/Cu2+—=0,00106-0,19 = 0,000201 см)сек.

Минимальная скорость подачи раствора в каждый катодный ящик ванны, рассчитанная исходя из противодействия миграции ионов

Ур=Ыси2+ tS = 0,000201-3600-12 000 = 8680 лы/ч = 8,68 л/ч.

Скорость подачи раствора определяется скоростью миграции ионов Си2ь, которая выше, чем у ионов Fe2+ и Со2+. Поэтому расчет для последних двух ионов не проводим.

Рассчитанный объем подаваемого раствора несколько завышен, так как в реальных электролитах подвижность ионов Си2+ ниже принятой нами величины для условий бесконечного разбавления.

На рафинирование никеля поступили аноды, содержащие: 9O?6 Ni; 4% Си; 3?и Fe; 1% Со и другие примеси. Анодные примеси железа и кобальта растворяются полностью, медь— на 3/4 (К = 3/4) своего состава (считать, что при анодном процессе образуется только двухвалентная медь).

Каков состав анолита, выходящего из электролизера, если в ванне рафинирования никеля нагрузкой / = = 9000 а скорость циркуляции электролита составляет иэ = 0,65 м?/ч> Подаваемый католит содержит [Ni2+]Ha4 = = 70 г!л Ni2+ (пренебречь наличием в нем примесей). Катодный выход по току В* = 96% (остальной катодный ток тратится на выделение водорода). Использование тока на растворение анодного металла принять равным 100?6 (не учитывать расход тока на окисление сульфидов и других неметаллических примесей). Каково

содержание никеля в католите при протекании его в анодное пространство?

Решение

Электрохимические эквиваленты: qNl = 1,095 г]а-ч\qCo = 1 ,099 г^а-ч;

<7Cu— 1,185 г,а-ч\qFe — 1 ,042 г,а-ч.

Удельный расход электричества на 1 г анодов 1111

°а = q РКх q РСи ^ ^ q PFe q РСо = NiСиЕеСо

1,095 °'90+ 1,185 0,04 Т+ 1,042 °’03 + 1,099 0,01 == 0,885 а*ч?г,

й том числе на никелевый компонент

я PNi Ni "П095" °’W

В? =-=0 885■ 100 = 92,86»/»,

на растворение Си — 2,86?о, Fe —3,25%, Со — 1,03% (р/— содержание в долях соответствующих металлов, растворяющихся анодно).

Осадится на катоде никеля за 1 ч

g N. =/TpNj В“ = 9000* 1 -1,095-0,96 = 9460 г/ч.

Конечная концентрация никеля в католите

[Ni2+bT=[Ni2+|,ia4- ^ = 70-_& = 55,5 г/лиэ650

(в расчете условно принято равенство миграции ионов никеля и скорости протекания электролита через диафрагму).

За 1 ч растворится из анодов:

никеля

5№=/тВ» gNi = 9000-1-0,9286.1,095 = 9150 г;

меди

gCu = 9000 -1.0,0286 • 1,185 = 305 г;

железа

^Fe = 9000.1.0,0325-1 ,042 = 305 г;

кобальта

gCo = 9000-1-0,0103.1,099 = 102 г.

Состав выходящего анолита

£кч9150

[№^]ап = [№^1кат + -^= 55,5+ "650- = 69,6 г/л;

[Си2+] == еду = 0,47 г/л;

305

[Fe^] = 650 = °’47 г/л;

102

[Со2+] = 650 = 0,158 г/л.

Нейтральный сернокислый электролит, поступающий в ванну получения цинка нагрузкой / = 12 ка, содержит [Zn2+]na4 = 120 г/л. Какова должна быть скорость однокаскадной циркуляции раствора на одну ванну, чтобы вытекающий электролит содержал [Zn2+]K0H = = 45 г/л? Какова концентрация H2SO4 в отработанном электролите? Катодный выход по току Вт = 92?-6. Считать, что анодный ток полностью расходуется на выделение О2.

Каковы нормальные объемы газов, выделяющихся при электролизе (Н2 и О2)? Рассчитать часовой расход воды на ванну (без учета расхода охлаждающей воды), если зеркало раствора в ванне S= 1,8 лс2, скорость испарения воды ^ = 0,7 кгЛи2, уходящие газы

содержат m = 40 г воды/мл8. Принять, что объем растворов при электрохимическом превращении ZnSO4->H2SO4 не меняется.

Решение

Основные электрохимические процессы в ванне:

ZnSO4 +H2O->Zn + 4" O2 + H2SO4

Н2О->Н2 + 4" °2

На реакцию (а) расходуется, согласно условию задачи, 92% тока и на реакцию (б)—8%.

Электрохимические эквиваленты отдельных компонентов реакций:

q7n = 1,22 г]а*ч; q„ о ==0,336 г/а-ч;

чгн ’'’ чн2о г#р 2-26,8

^HZSO, ^H3SO4 — гР^HZSO, ^H3SO4 — гР98,1 А

^HZSO, ^H3SO4 — гР

^HZSO, ^H3SO4 — гР

— 2-26,8 ~ »83 г'а,ч,>

^Нз = ~2^8" = °»418 л!а*4'

22 4

4-26,8 = °'209 л1а1Ч‘

Нормальный объем кислорода, выделяющийся за 1 ч в ванне и =/т q Bl = 12 000-1.0,209-1,0 = 2510 л/ч.

О3 ЧО2 т

Нормальный объем водорода, образующегося за 1 ч в ванне v = I т q В”»= 12 000.1.0,418.0,08 = 401 л]ч.

н2 н2

Часовой расход воды:

на собственно электролиз

g^O ^^^но Вт = 12 000-1.0,336.1,0 = 4030 г/ч = 4,03 кг]ч\

на испарение

^н2о = ^i S = 0,7-1,8 = 1,26 кг\

с уходящими газами

£н2О = (уо2 + М m = (2,51 + 0,40) 0,04 = 0,12 кг.

Полный расход воды

^0 = 4,03+ 1,26-1-0,12 = 5.41 кг(ч.

Расход цинка из раствора при электролизе за 1 ч MIn=hqln Вт= 12 000-1-1,22.0,92 = 13 450 г.

При расчете изменения концентрации компонентов раствора в ходе электролиза для упрощения примем во внимание уменьшение его объема только за счет расхода воды.

Обозначим объем подаваемого электролита цнач.

Тогда

унач [2п^]нач-Д§7п

у= (Zn^]K0H;

”нач бн2О

Унач 120 — 13450= 45.

Унач 5,41

Отсюда

Унач ~ I77 Л1Ч-

Конечный объем электролита

икон= 177 —5,41 « 171 ,6 л^ч.

Количество H2SO4, образующейся за 1 ч

=Вт= 12 000-1-1,83-0,92 = 20 200^.

112^^4П2^^4

Концентрация H2SO4 в выходящем электролите

, _ ^h2so4 20 200

[H2SO4]-^- 1716 = 117,5 г/л.

Рассчитать теоретическое значение напряжения разложения сернокислого раствора ZnSO4 (с учетом выделения на катоде только цинка) при 32°С. Раствор содержит 2,0 г-иона/л Zn2+; 2,0 моль/л H2SO4; pH раствора близко к нулю. Парциальное давление кислорода Ро принять равным единице.

Решение

К. Расчет через равновесные потенциалы электродов

Катодная реакция

Zn2+ + 2е ^ Zn

Анодная реакция

Н2О— 27^-^- О2 +2Н+

£ = ?э — ?юп 0,00027+2 5

. , 0,00027 . Ро2 «н+.

Та = 9а +2 8а’

н2о

5 = ( ?а - Фк) +0,00017 1g +..,Н.

aZnH ан2о

Величины нормальных потенциалов, активности воды и среднего коэффициента активности раствора ZnSO4 находим по справочникам

?о = + 1,229 в; 7znSO4 = 0.04;

—0,76в; Он2О = 0.92;

pH = 0 = — lgaH+ .

Отсюда

°н+ = 1*

Без большой погрешности можем принять 7Zn2+ = TznSO (0$а нона в ZnSO4 имеют одинаковую валентность). Тогда

a7s2* = ^Zn2+ Tzn2+ = Czn2+ TznSOr

Подставляем в вышеприведенное уравнение для э. д. с. соответствующие значения компонентов

Ы2

^разл = + 1,989+0,0001(273+32) 1g (2 7б704Тб79 2 = 2’024 б*

Б. Расчет по термодинамическим данным. Уравнение электрохимической реакции запишем в виде

ZnSO4-7H2O + H2O->Zn + H2SO4 + -^- О2+7Н2О

(величина термодинамического потенциала кристаллогидрата сравнительно мало отличается от его значения для растворенного соединения).

ДФ = ДФ2п5О4.7Н3О + АФН3О — ДФгп “" АФН25О4 ~ _-^-ДФ02 —7ДФНаО = — 611,9 — 56,69 — 0+ 177,34 +

+ -у- • 0+7*56,69 = — 94,42 к,к,ал]м,олЬ\

АФ 94,42

^разл —— г.р,т — 2*23,06 — 2>046 в-

Электролитическое получение металлического марганца проводится в ваннах нагрузкой / = 2000 а с разделенными катодным и анодным пространствами; катодными плотностью тока DK = 400 а/м2 и выходом по токуВт = 60%. Исходный электролит, подаваемый в катодное пространство, содержит [Мп2+]11ач = 35 г/л (в виде MnSO4), pH электролита 6—7. Католит, перетека-

ющий через диафрагму в анодное пространство, содержит [Мп2+]кои = 12 г/л. На нерастворимом аноде наряду с выделением кислорода протекает реакция образования МпО2. Участие Мп2+ в реакции его анодного окисления до МпО2 составляет К = 20% от количества катоды о-осаждающегося марганца. Напряжение на электролизере равно 5,0 в.

Рассчитать: а) суточную производительность ванны по металлическому марганцу; б) толщину осажденного за сутки катодного марганца; в) удельный расход электроэнергии на 1 т получаемого металла; г) количество МпО2, образующегося в ванне за месяц (30 суток); д) долю анодного тока, расходующуюся на образование МпО2; е) необходимую скорость подачи питающего раствора в ванну; ж) состав вытекающего анолита по марганцу.

Для простоты расчета пренебречь переносом тока ионами марганца.

Реакции в электролизере:

катодное образование марганца

MnSO4 + 2ё-* Мп+8ОГ

анодное образование МпО2

MnSO4 + 2Н2О — 2е-*МпО2 + H2SO4 + 2Н+

Решение

Электрохимические эквиваленты отдельных компонентов электродных реакций

ДМп 54,93_

?Мп — ZF — 2-26,8 — ^ОЗэ г/а-ч;

^MHSO. 151.0999 ,

9мп5О4 — гр — 2-26,8~ 2,82 с1а‘ч-

Суточная производительность ванны по марганцу 2000-24-1,025-0,60„

5мп = /т<?мпвт =[ООО= 29,5 кг1сутки

Толщина марганцевого осадка, получаемого за сутки на ка- годе

£>кЧМпВт 0,04-24-1,025-0,60

& =з = • 10^0,80 мм.

“Мп

Удельный расход электроэнергии при получении марганца (без учета потерь напряжения в шинопроводах) на 1 пг Мп

VB5,0-1000

Wg = 9МпВт - 1,025-0,60 = 8130 квт-ч/т-

Количество анодного МпО2, образующегося в ванне за месяц £мпо, =-^= = 29,5-0,20-30= 280 кг.

Необходимую скорость подачи питающего раствора в ванну рассчитываем, исходя из заданных концентраций марганца в католите

/ т^пВт2000-1-1,025-0,60

° ==35—12= 53'5 л!ч

Убыль концентрации марганца в анолите (по условию задачи в пять раз меньше, чем в католите)

Д [Мп2+]ан = 0,2 (35—12) = 4,6 г/л.

Концентрация марганца в вытекающем анолите [Мп2+]ан = 12—4,6 = 7,4 г,л.

Доля анодного тока, расходующаяся на образование МпО2.

RMnO._ М^МRMnO._ М^М4,6-53,51,025-2000-14,6-53,51,025-2000-1100 = 12,0 %.100 = 12,0 %.

RMnO._ М^М

RMnO._ М^М

4,6-53,5

1,025-2000-1

4,6-53,5

1,025-2000-1

100 = 12,0 %.

100 = 12,0 %.

Для гидрометаллургического получения металлического хрома использованы ванны нагрузкой / = 5000 а с раствором хромовой кислоты в качестве электролита. Среднее напряжение на ванне VB = 4,5 в. При электролизе 15% катодного тока расходуется на процесс перехода Сг6+->Сг, 15% на процесс Сг6+->Сг3+, 70 % на выделение водорода 2Н+Ц-2е -> Н2. 15% анодного тока идет на реакцию окисления Сг3+->Сг6+, остальное расходуется на выделение кислорода.

Какое количество джоулева тепла выделяется за I ч в ванне?

Решение

Суммарные реакции в ванне:

выделение металлического хрома

СгО3->Сг + 1,5О2

на эту реакцию затрачивается 15% общего тока (В^. = 15 %):

реакция взаимного перехода ( Вт = 15%)

Сг6++37^Сг3+

реакция разложения воды ( В* = 70 %)

Н2О—>Н2 + ~2~ О2

Изменение энтальпии при этих реакциях:

= ДЯСгОз + АЯ' — АЯСг — К5АНО2 =

= — 136,0 — 2,46 — 0— 0 = — 138,46 ккал/моль.

где А//' — изменение энтальпии при растворении СгО3;

Д//2 = 0, так как реакция не сопровождается какими-либ< химическими превращениями;

ДЯ3 = ДЯщо - ДЯН - -у АЯО2 = - 68,32 - 0 - 0 =

= — 68,32 ккал]моль.

Тепловое напряжение разложения при реакциях: х , Д^ 138,46

£Т - zFt - 6-23,06 ~ 1,00 8;

Ет = 0;

„68,32

°) Ет = 2-23,06 = 1,48 8‘

Количество тепла, выделяемое за 1 ч в ванне

Qr = 0,860 I- [(V, - е'^ в’г + (FB- Е^ в; + (Ув - Е^ Вт”] == 0,860-5000.1 [(4,5—1,0).0,15 + (4,5—0).0,15+(4,5—1,48).0,70]== 14250 ккал/ч.

При электролитическом получении железного порошка на катоде лабораторной ванны нагрузкой / = 1,60 л выделилось за 40 мин процесса ^=110 мл водорода, насыщенного парами воды (сбор газа над водой; температура /=+20сС, давление В = 740 мм pm. cm.).

Рассчитать выход по току для выделившегося порошка железа (на катоде протекают только два процесса — выделение железа и водорода).

Решение

Абсолютная влажность воздуха, насыщенного парами воды при +20°Спу= 17,5 мм pm. cm. [8].

Выделившийся водород приводим к нормальному объему пользуясь уравнением Менделеева—Клапейрона

_ и/ 273 (В-ии) 110.273.(740—17,5)

760(273+/) “760 (273+20)-97,3 лмН2

Количество электричества, затраченное на выделение водорода

с 97 3

Q, = —— = -т^- = 0,233 а-ч.

Общее количество про1екшего электричества

40

Q =г Л = 1,60 • -^у = 1,066 а-ч.

Выход по току для железного порошка Q—Qx 1,066 — 0,233,

В, = ^100 = ^100 = /8,1 %.

В цехе электролиза установлены /2С = 6 последовательных серии ванн, каждая нагрузкой 7=10 ка. Длина главного шинопровода (прямого и обратного) к каждой серии составляет в среднем Л 50 м.

Рассчитать количество медных шин, необходимое для монтажа главных шинопроводов цеха, если проходная плотность тока в шинах DL = 2,5 а мм-. Сечение шины 100x10 мм, масса 1 л шины тСи = 8,9 кг. Каковы при этом будут годовые потери электроэнергии в шинопроводах? Какое количество алюминиевых шин того же сечения необходимо для замены медных шинопроводов цеха, чтобы сохранить неизменность потерь электроэнергии (масса 1 м шины тд1 = 2,7 кг)?

Принять температуру медных шинопроводов 60°С, алюминиевых 55сС (температура алюминиегых шинопроводов ниже из-за большей удельной поверхности охлаждения). Удельное сопротивление для меди р^ = = 0,0178 ом• мm-Im, для алюминия р]^ = 0,0294 ом-ммЧм. Температурный коэффициент сопротивления для меди аСц = 0,00445, для алюминия аД1 = 0,00423.

Решение

Сечение медных шин в шинопроводе одной серии

/10 000 Л „

5Си~ ^ ~2,5 — 4000►

Количество медных шин, параллельно смонтированных в одном шинопроводе

SCl| 4000"1 = “+“ = 10-100 = 4.

Удельное сопротивление металлов при температуре шинопроводов рассчитываем по формуле

Р/ = Р18 [1 + « (/—18)].

Тогда

рбо = 0,0178 [1+0,00445(60—18)] = 0,0212 ольямЧм;

р^ = 0,0294 [1+0,00423(55—18)] =0,0340 ом-ям^м

Падение напряжения в медном шинопроводе одной серии

= /R = / Реи -57 = ^- PcU= D^ l =

= 2,5.0,0212-50 = 2,65 в.

Проходная плотность тока в алюминиевых шинопроводах при условии неизменности AVj

Д^2,65,о

°2- р“ L 0,0340-50 ~ 1 *56 о/л/л1-.

Необходимое сечение алюминиевого шинопровода /10 000„

Sai-D2 “ 1,56 — 6410 лм» .

Количество алюминиевых шин в шинопроводе

5Л16410

= КПоб = 6,41«7-

Фактическая проходная плотность тока в них

/10 000

°3 = п2«ш = 7-1000 = 1’43 а/л‘Л12'

Потери напряжения в шинопроводе

ДГ2 = D^ L= 1,43.0,0340.50 = 2,43 в.

Годовые потери электроэнергии в главных шинопроводах всего цеха:

при медных шинах

10 000.2,65 (21.365)6

Д№Си = /Izithc =^gg = 1390 тыс. квт-ч;

при алюминиевых шинах

10 000-2,43 (24-365)6

А№Л1 =Гбоб= ^^ тыс* квт*4*

Масса шинопроводов:

медных

,50.4-6-8,9

gCu = LnincmCu =ГббО= 10 ’7 т;

алюминиевых

50-7-6-2,7 г£ai —Ю00— 5,67 m.

ЗАДАЧИ

Последовательная цепь из 968 непрерывно работавших ванн рафинирования меди нагрузкой 9000 а выдала за месяц (30 суток) 7030 т катодной меди. Среднее напряжение в цепи равнялось 282 в.

Рассчитать выход по току и удельный расход электроэнергии для рафинированной меди.

Цикл наращивания металла на катодах ванн рафинирования меди продолжается 10 суток при силе тока на ванну 9000 а и катодном выходе по току около 95 °6.

Какова масса готового одиночного катода (среднего), если масса исходного маточного листа равна 5 кг ив ванне установлено 29 катодов и 28 анодов?

Ванна рафинирования меди нагрузкой 9000 а имеет 28 анодов и 29 катодов. Аноды должны быть рассчитаны на 30 суток непрерывной работы (3 смены катодов). Рабочая плотность тока Da = 180 сим\ Анодный скрап (не используемый при электролизе остаток) равен 14% от начальной массы анодов. Доля неработающей поверхности анодов (ушки) составляет около 5% от всей их площади.

Расход анодов (с учетом шламообразования и побочных процессов) принять равным 1,031 т на 1 т катодной меди. Катодный выход по току составляет 95%.

Каковы должны быть начальные масса и толщина анода ванн рафинирования?

Скорость подачи электролита в ванну рафинирования меди нагрузкой 9000 а составляет 20 л/мин. Состав электролита: 130 г!л CuSO4-5H2O, 175г/лН25О4.

Каково изменение состава электролита по CuSO4 и H2SO4 при прохождении его через ванну, если количество анодной меди, переходящей в раствор, на 2 % превышает количество катодно осажденной меди? Катодный выход по току 95 %.

При расчете принимать во внимание только один побочный процесс, вызывающий избыточный переход меди в раствор

Си -|—у О2 4" H2SO4 —> CuSO4 4- Н2О

Скорость циркуляции электролита рафинирования меди через ванну регенерации раствора нагрузкой 10 ка равна 20 л!мин\ концентрация поступающего раствора: 86,6 г!л CuSO4, 160 г!л H2SO4.

Рассчитать концентрацию компонентов в электролите, выходящем из ванны регенерации. Какой объем кислорода (приведенный к нормальным условиям) выделя-

ется из ванны за 1 ч (аноды нерастворимые)? Катодный (по меди) н анодный (по кислороду) выходы по току равны 97%.

Напишите уравнение основного электрохимического процесса, протекающего в электролизере.

В ванне типа «серий» для рафинирования меди (последовательное соединение электродов) нагрузкой 100 а установлено 102 медных анода толщиной 11 мм, работающих биполярно. Электродная плотность тока составляет 200 а лР, катодный выход по току равен примерно 65%.

Рассчитать длительность цикла работы ванны (равную продолжительности растворения анодов), приняв величину скрапа (остатка) анодов равной 8% от их начальной массы. Какова производительность ванны по меди в расчете на сутки?

Массу катодной меди принять равной 97,3% от массы растворенной анодной меди.

При экстракционном методе электролитического получения меди (выщелачиванием ее соединений из руд и последующим электролизом с нерастворимыми анодами) поступающий в ванны одного из заводов раствор имеет следующий состав: [Си2т] = 36,6 г! л, [H2SO4] = = 18,6 г!л. Через каскад из восьми последовательно расположенных ванн, каждая нагрузкой 36 000 а, раствор циркулирует со скоростью 380 л/мин. Катодный выход по току 8О?о. Среднее напряжение на отдельную ванну 2,3 в.

Рассчитать: а) состав электролита, выходящего из последней ванны каскада (объем раствора принять неизменным в ходе процесса); б) удельный расход электроэнергии на 1 tn катодной меди.

Напишите основную электрохимическую реакцию в ванне.

Электролизер для получения медного порошка работает при нагрузке 10 на, электродной плотности тока 250Э а м- и катодном выходе по току В1^ 8О?о. Анодный выход по току В, ^95% (5 % —потери па утечки тока, шунтирующие замыкания и т. п.). Среднее напряжение на ванне 1,5 в. Машинное время работы ванны 0,90.

Рассчитать: а) количество ванн, необходимое для цеха годовой производительностью 2000 т медного порошка (принять отход при операциях обработки порошка на сушку, отсев и т. п. равным 15 % от готового продукта); б) удельный расход электроэнергии на 1 т готового порошка; в) срок службы двухсторонне работающих медных анодов толщиной 20 мм, если анодный скрап равен 13% от первоначальной массы анодов; г) состав выходящего электролита, если состав поступающего электролита: [Си2+] = 12 г/л\ [H2SO4]= 130 г. л, а скорость циркуляции электролита равна 20 л!мин (объем выходящего электролита считать равным объему подаваемого раствора).

Ванна рафинирования свинца с кремнефтористым электролитом, основой которого является PbSiFG, работает при катодной плотности тока DK -= 150 qJm1, выходе по току Вт = 96 ?6 и среднем рабочем напряжении 0,42 в. Наращивание рафинированного металла проводят на свинцовых маточных листах толщиной 1,0 мм и габаритами 800x600 мм. Цикл наращивания катодов длится 6 суток.

Каковы масса и средняя толщина катодов в конце процесса наращивания? Какова величина удельного расхода электроэнергии па 1 т катодного свинца?

Электролитическое снятие олова с луженого железа производится в щелочных ваннах, работающих пе-

риодически. Отходы луженой жести после предварительного отжига прессуют в неплотные пакеты весом примерно 50 кг каждый. На анодные штанги ванны нагрузкой 1200 а завешивается одновременно 6 таких пакетов, помещенных в железные сетчатые корзины. Исходная жесть содержит около 1,8 ?6 олова (после отжига). После процесса электролиза в анодном скрапе остается примерно 0,1 % олова.

Условный катодный выход по току за время процесса В* ^ 90 % (считая на переход Sn1+-> Sn). Среднее напряжение на ванне 0,95 в.

Рассчитать: а) количество получаемой катодной губки олова с одной загрузки ванны анодными пакетами (одного цикла работы ванны); б) длительность одного цикла работы ванны; в) удельный расход электроэнергии на 1 т катодного олова (при расчете принять одинаковым состав электролита в начале и конце цикла работы ванны).

Ванна рафинирования никеля нагрузкой 9000 а имеет 31 катод; работает при катодной плотности тока 200 а!м- и выходе по току около 96?6. Исходный электролит, подаваемый в катодные пространства ванны, содержит 70 г!л Ni2+.

Какова должна быть минимальная скорость подачи электролита в каждый катодный ящик ванны, исходя: а) из допустимого минимума концентрации никеля в выходящем католите, равного 30 г!л Ni2+, и б) из равенства скоростей протекания электролита через диафрагму и миграции через нее ионов меди (принять для данных условий электролиза скорость миграции иоиов меди 0,00020 см* сек. поверхность диафрагмы считать равной поверхности электрода)?

Скорость циркуляции электролита в ванне рафинирования никеля нагрузкой 9000 а составляет 0,6 лА^.

Какова концентрация никеля в католите при переходе последнего в анодное пространство, если в катодные ящики ванны подается раствор, содержащий 65г/.? Ni2+? Катодный выход по току равен 96%.

Катодными основами в ваннах рафинирования никеля служат маточные никелевые листы, получаемые электролитически на специальных матрицах.

Какова должна быть длительность процесса катодного наращивания маточных листов толщиной 0,45 мм, если катодная плотность тока равна 200 а1м?, а выход по току для никеля составляет 96 %?

Исходный маточный (никелевый) лист — катодная основа при рафинировании никеля — имеет толщину 0,5 мм; процесс катодного наращивания никеля при рафинировании продолжается 5 суток при плотности тока 200 а:м- и выходе по току 96%.

Какова масса одиночного никелевого катода габаритами 0,90x0,80 м после окончания процесса рафинирования?

Продолжительность работы никелевых анодов габаритами 0,85x0,75 м, используемых в ванне рафинирования никеля, должна составлять 25 суток. Анодная плотность тока Da = 220 а! м\ анодный скрап равен 17/6 и шлам — 5% от первоначальной массы анодов. Анодное использование тока на растворение металла равно 100 % (для простоты расчета пренебречь различием в электрохимических коэффициентах у никеля и анодно растворяющихся примесей).

Какова должна быть масса и толщина одиночного никелевого анода?

Ванна рафинирования никеля работает при катодной плотности тока DK = 200 а/м2 и анодной плот-

ности тока Da = 220 а/мг. Межэлектродное расстояние вместе с диафрагмой 75 мм. Диафрагма толщиной 4 мм имеет коэффициент пористости и нелинейности пор а — = 0,32 (а получается делением открытой пористости диафрагмы на степень извилистости пор). Удельная электропроводность электролита у—0,115 ом^-слг1.

Рассчитать омические потери напряжения в электролите и диафрагме ванны.

Нагрузка на ванну рафинирования никеля составляет 10 ка; температура электролиза +60°С. Среднее напряжение на ванне 2,82 в, в том числе электродная поляризация 0,786 в, потери напряжения в электролите и диафрагме А^ = 1,483 в, в электродах ДУ2 = 0,069 в, во внешних контактах ДУ3 = 0,119 в, в катодной и анодной штангах ДУ4 = 0,343 в.

Скорость циркуляции электролита на одну ванну равна 0,65 м^ч, теплоемкость электролита 0,82 ккал-кг, плотность раствора d = 1,2 г!см3. Открытое зеркало электролита в ванне 6,2 Л!2, скорость испарения воды 4,18 кг!м2-ч. Теплота парообразования при температуре электролиза 562,5 ккал кг. Теплопэтери с ванны за счет испарения воды принять равными 7О?6 от общего расхода тепла ванной (при составлении теплового баланса учитывать только разницу в температурах поступающего и уходящего электролита).

Какую температуру должен иметь электролит, поступающий в ванну рафинирования никеля, чтобы поддержать постоянство ее температурного режима?

Расчет для простоты провести на 100?6-ный выход по току для никеля, так как на выделение водорода расходуется очень малая доля тока; к тому же равновесные потенциалы никелевого и водородного электродов в данных условиях мало отличаются друг от друга.

Среднее напряжение на одиночную ванну рафинирования никеля равно 2,7 в; потери напряжения в соединительных и главном шинопроводах цеха составляют примерно 3% от напряжения ванн, выход по току для никеля Вт = 96?о.

Каков удельный расход электроэнергии на 1 т рафинированного никеля?

Технологически и экономически интересным является электролитический способ получения металлического никеля непосредственно из его сульфидного полуфабриката — файнштейна, состоящего в основном из Ni3S2. Это позволило бы устранить трудоемкие операции термического обжига сульфида никеля и восстановительной плавки полученного окисла, а также дало бы возможность получить ценные побочные продукты — элементарную серу и селен. Аноды для таких ванн отливают из файнштейна. При анодном окислении файнштейна протекает реакция

Ni3S2 — бё> 3 Ni2+ + 2S

На катоде выделяется металлический никель сравнительно высокой чистоты.

Составить материальный баланс часовой работы ванны нагрузкой 6000 а с анодами, отлитыми из файнштейна.

Рассчитать: а) часовой расход анодов (с учетом шлама); б) массу катодно осаждающегося никеля; в) количество образующейся элементарной серы. Катодный выход по току 99?6; анодный выход по току для никеля и серы 94%. Образовавшаяся элементарная сера полностью переходит в шлам, который кроме того содержит 5% сульфида, механически выкрошившегося из анодов.

Каково время работы сульфидных анодов толщиной 45 aim, если анодная плотность тока равна 150 а!м-^ Анодный скрап составляет 10% от первоначального веса

анодов, плотность анодов (Ni3S2)— 5,8 г!см\ Каков удельный расход электроэнергии на 1 пг катодного никеля, если среднее напряжение на ванну равно 3,7 в?

В цехе электролитического получения цинка установлены ванны нагрузкой 17 ка. Среднее напряжение на одиночной ванне 3,7 в. Катодный выход по току для цинка равен 9О?о; машинное время работы ванн 0,95. Потери напряжения в шинопроводах цеха составляют около 3?6 от падения напряжения на ваннах. Цеховой источник тока имеет выходное напряжение 500 в.

Сколько электролизеров необходимо установить в цехе? В какое количество последовательных серий должны быть соединены ванны? Каков удельный расход электроэнергии на 1 пг катодного цинка?

Рабочая поверхность одной стороны алюминиевой основы катода электролизера для получения цинка составляет 666x980 мм. Продолжительность осаждения цинка на катоде 24 ч.

Каковы масса и средняя толщина полученного цинкового катодного листа, если рабочая плотность тока равна 500 а/м^, а катодный выход по току Вт = 90%?

В опытных образцах барабанного цинкового электролизера готовая цинковая лента, получающаяся на вращающемся катоде, непрерывно сдирается с него и наматывается на бобины.

Рассчитать необходимую скорость вращения катодного барабана диаметром 1000 мм, чтобы снимаемая цинковая лента имела толщину 0,45 мм. Длина рабочей поверхности катодного барабана составляет 55?о от длины его окружности. Катодная плотность тока DK --= = 4000 а;м-, средний выход по току составляет 91%.

В ванну получения цинка нагрузкой 10 ка подается нейтральный раствор в количестве 148 л/'ч, содержав

жащнй 6 г/л Мп2+; 6О?6 поступающей соли марганца участвует в анодном процессе, образуя МпО2.

Рассчитать: а) долю анодного тока, расходуемого на окисление марганца; б) количество МпО2, образующегося за месяц (30 суток) в ванне; в) нормальный объем кислорода, выделяющегося за 1 ч на анодах ванны (считать, что анодный ток расходуется только на выделение О2 и образование МпО2; кроме того, 2?6 тока теряется за счет появления шунтирующих замыканий между электродами).

Напишите уравнения анодных реакций в ванне.

Электролит ванны для получения цинка содержит 94 г/л H2SO4 и 65 г/л Zn2\ Температура процесса 4- 35е С. Рабочая плотность тока 450 а м1. Межэлектродное расстояние 25 лын Увеличение сопротивления раствора за счет газонаполнення равно 5%.

Каковы омические потери напряжения вэлектролше ванны?

Расчет удельного сопротивления электролита провести по методу Скавронского [17], используя уравнение

Рраств = p3°H2SO4 +0,01 14 Czn2+ ,

где С7п2+ — концентрация Zn2+ в г/л.

Удельное сопротивление раствора 94 г/л H2SO4 при 18° С, pH.so4" 2,56 ом-сли Зависимость удельной электропроводности раствора H2SO4 от температуры выражается формулой

zh>so4 = zh2so4 + 0,014 (/ — 18).

Напряжение на ванне получения цинка нагрузкой 9000 а равно 3,40 в (за вычетом потерь напряжения в шинах и внешних контактах). Выход по току для цинка составляет 91% (9?6 расходуется на электролиз воды).

Рассчитать, исходя из термодинамических данных, количество джоулева тепла, выделяемого за 1 ч в ванне.

Ванна получения цинка нагрузкой 12 ка имеет напряжение (за вычетом его потерь в шинах и внешних контактах) — 3,35 в и катодный выход по току 90% (10% тока расходуется на электролиз воды). Ежечасно в ванну подается 180 л «нейтрального» раствора (плотность d = 1,26 г!см\ теплоемкость = 0,815 ккал'кг°С^ имеющего температуру +28° С. Из ванны выходит 208 кг!ч «кислого» электролита с температурой +36° С, теплоемкостью с2 = 0,875 ккал!кг°С. В суммарном расходе тепла 5% составляют его потерн от конвекции, излечения и испарения воды (тепловой баланс по растворам составить по отношению к 0°С).

Какое количество тепла необходимо выводить ежечасно из ванны? Каков расход охлаждающей воды, имеющей начальную температуру 4- 18"С и конечную + 29 С, в расчете: а) на 1 ч работы ванны и б) на 1 т катодного цинка?

Рассчитать, пользуясь уравнением Нернста, величины теоретического напряжения разложения при 4- 25 С для: а) сернокислого раствора ZnSO4 ^н = 0,08; pH = 0); б) солянокислого раствора ZnCl2 (aznci2 = 0,6); в) щелочного цинкатного раствора (аон- = 3; aZn(OH)^ = = 0,5). 4

Суммарные электрохимические реакции:

Zn2' -'г Н2О Zn -Г Л- О2 -|- 2Н+

ZnCl2 Zn % С12

Zn (ОН)Г Zn |- Л_ о2 + Н2О + 2ОН"

Каковы величины теоретического удельного расхода электроэнергии на получение цинка из этих электролитов?

Для получения цинкового порошка был использован электролиз натрий-цинкатного раствора с нерастворимыми анодами при катодной плотности тока DK = 2500 а'м2. Электролит в ванне содержит 15 г! л цинка; катодный выход по току равен 85%; среднее напряжение на ванне 3,5 в.

Какова должна быть скорость подачи свежего цинкатного раствора с [Zn]Haq = 30 г!л (взамен удаляемого частично раствора с [Zn]K0H = 15 г! л) в ванну нагрузкой 8000 а, чтобы поддерживать постоянство концентрации цинката в электролизере (пренебречь изменением объема электролита и расходом воды на электролиз и испарение)? Каков удельный расход электроэнергии на 1 т цинкового порошка?

Запишите реакцию основного электрохимического процесса в ванне.

При периодическом процессе электроэкстракции кадмия в ванну с нерастворимыми анодами заливается сернокислый раствор сульфата кадмия с высокой концентрацией последнего. Процесс прекращается после достижения некоторого минимума концентрации кадмия в электролите.

Какова длительность цикла работы кадмиевой ванны нагрузкой 1000 (7, если объем ее электролита равен 2,2 Л13: исходный раствор содержит 120 г! л Cd2^ и 80 г!л H2SO4, а конечная концентрация кадмия составляет 20 г!л (принять неизменным объем раствора на протяжении процесса)? Катодный выход по току Вт^89%.

Рассчитать концентрацию H2SO4 в отработанном электролите. Напишите уравнение основного электрохимического процесса в ванне.

Катодная плотность тока в ванне электроэкстракции кадмия с неподвижными алюминиевыми катодами равна 45 а'м-. Продолжительность процесса наращивания кадмия па катодном листе 1 сутки. Рабочая поверхность одной стороны катода равна 670x980 лш; выход по току 88?6; среднее напряжение на ванне 2,6 в.

Рассчитать: а) толщину осажденного на катоде кадмия; б) массу одиночного кадмиевого листа; в) удельный расход электроэнергии на 1 т катодного металла.

В электролизере для получения металлического хрома в качестве электролита применен раствор хромовой кислоты с добавкой серной кислоты. Нагрузка на ванну 5000 а; аноды нерастворимые; катодный выход по току 15?6; среднее напряжение на ванне 4,5 в.

Рассчитать: а) количество хрома, получаемого в сутки с ванны; б) удельный расход электроэнергии на 1 кг катодного хрома; в) суточный расход СгО3 на процесс собственно электролиза (без потерь). Напишите суммарную реакцию выделения хрома в ванне.

При электролитическом получении металлического хрома из раствора хромово-аммонийных квасцов [(NH4)2SO4-Cr2(SO4)3] выход по току для хрома составляет около 40%.

Рассчитать: а) суточную производительность по хрому электролизера нагрузкой 5000 а; б) удельный расход электроэнергии на 1 кг катодного хрома, если напряжение на ванне равно 4,5 в.

В лабораторном электролизере нагрузкой 2,80 я, использованном для получения порошка железа, за 10 мин процесса выделилось на катоде 340 мл водорода (газ собран над водой при + 20°С и давлении 750 лш рт. ст.\

Рассчитать выход по току для железа (затратами катодного тока на другие процессы, кроме выделения железа и водорода, пренебречь).

За 35 мин процесса на катоде лабораторного электролизера нагрузкой 2,4 а, залитого цинкатным электролитом, выделилось одновременно с цинковым порошком 60,5 ли водорода, собранного над водой при + 24СС и давлении 740 мм рт. ст.

Каков выход по току для полученного порошка цинка?

Суммарная длина медных шинопроводов (входного и выходного) электролизной серии равна 50 м. Проходная плотность тока в шинах 1,7 а,мл\,-, температура шинопроводов + 45°С. Каково падение напряжения в шинопроводах? Удельное сопротивление для меди при -|- 18 С р18 = 0,0178 ом-мм1 м; температурный коэффициент сопротивления а = 0,00445.

В гидрометаллургическом цехе установлены 4 последовательных серии электролизеров нагрузкой 9 ка. Длина главного шинопровода (прямого и обратного) у каждой серии составляет в среднем 50 м.

Рассчитать: а) необходимое количество медных шин сечением 100X10 лш для шинопроводов всего цеха при проходной плотности тока 1,5 а мм- (масса 1 м шины 8,9 кг); б) годовые потери электроэнергии в медных шинопроводах цеха, если средняя температура шин + 40°С; в) необходимое для цеха количество алюминиевых шин сечения 100x10 (масса 1 м—2,7 кг) для замены медных шинопроводов при условии равной величины потерь напряжения в тех и других шинопроводах (среднюю температуру алюминиевых шин принять +38?С); г) проходную плотность тока в алюминиевых шинопроводах.

Удельное сопротивление при 18 С меди рси =• = 0,0178 ом-мм-!м, алюминия рй = 0,0294 om-mm^Im Температурный коэффициент сопротивления меди «си = 0,00445, алюминия aAi = 0,00423.

ГЛАВА VI

ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСПЛАВЛЕННЫХ СРЕД

Серия из п = 150 непрерывно работавших алюминиевых электролизеров нагрузкой I = 65 ка выдала за месяц (т = 30 суток) работы £факт = 2090 т металла, содержащего Pai = 99,5% А1. Среднее напряжение на серии (с учетом периодических «анодных вспышек») составило К= 718 в.

Каковы выход по току и удельный расход электроэнергии для полученного алюминия (в расчете на 100%-ный металл)?

Решение

Суммарный электрохимический процесс в ванне

2А12О3 + ЗС► 4 А1 + ЗСО2 (частично образуется и СО).

Электрохимический эквивалент алюминия

26,97„

9Д1= -3.26.S ~ °’33°5 г!а'4"

Количество алюминия которое можно получить теоретически с серии за месяц

65.24.30.0,3355.150

£теор = l'-Ч х\п =Ц)0б = 2355 т‘

Выход по току на серии

100 = 88,3% .100 = 88,3% .R ^<ракт/^л1 мл 2090*0,995

100 = 88,3% .

100 = 88,3% .

23552355Dy — - 1UU — ■■■ — - । —

2355

2355

Sicop

Удельный расход электроэнергии

«7 =(Е1_ = . 65-718.24.30 =16 150квт.ч1т д,

£А|>актРл1 2090.0,995'

В цехе электролитического получения алюминия годовой производительностью ^=90 тыс. т металла установлены электролизеры нагрузкой / = 70 ка. Ванны работают с выходом по току для алюминия Вт = 89% при среднесерийном напряжении на электролизер VB = =4,7 в. Машинное время работы электролизеров составляет / = 0,96; потери алюминия при его переплавке равны 2% (К = 0,98).

Сколько электролизеров и электролизных серий должно быть в цехе для обеспечения сто годовой производительности?

Решение

Годовая производительность одного электролизера (с учетом потерь при переплавке металла)

g = hqMBJK = . 70 (24-365)-0,3355-0,89-0,96-0,98 =П2

Необходимое количество электролизеров в цехе

= ^^ = ^^ ^^^ =523

g 172*

Суммарное напряжение па всех электролизерах уп = увп3 = 4,7-523 = 2460 в

Количество последовательных серий в цехе рассчитываем исходя из юго. ч.о напряжение на каждой серии должно составлять 600-? 800 в. Отсюда количество серий

пс =пс =2460 "6О(Г2460 "6О(Г

пс =

пс =

2460 "6О(Г

2460 "6О(Г

Количество ванн в каждой серии 523 ,z 1 q 1 И, — lol.

4

Напряжение на серии

Vc = 4,7.131 = 616 в.

При электрохимическом сгорании анодов алюминиевого электролизера нагрузкой / — 65 ка образуется по 50 объемн. % СО2 и СО.

Анодная плотность тока в электролизере Da = 0,9 а'см2\ выход по току Вт—89% (примем равным для катодного и анодного процессов); кажущаяся плотность анода da = 1,5 г!см\ механические потери анодного вещества составляют около 15?о (Д'—1,15) от его расхода на электрохимическое сгорание.

Какое количество анодного вещества (в расчете на чистый углерод) израсходуется за 3 суток в алюминиевом электролизере на собственно электрохимический процесс? На какую высоту при этом «сгорят» аноды?

Решение

Реакции суммарных электрохимических процессов в ванне: а) А1оО3 + ЗС>-2А1 + ЗСО

б) 2А1о03 + ЗС>4А1 + ЗСО2

Электрохимические эквиваленты для углерода: для реакции (а)

Лс 12.0

91= гр — 2-26,8 — 0,224 г/<1-'<;

для реакции (б)

q2 =L2’0 - = 0,112 г/а-ч.

44-26,8

В анодном газе на 1 моль СО2 приходится 1 моль СО. На электрохимическое образование каждого моля СО2 затрачивается вдвое больше электричества, чем на 1 моль СО. Отсюда вытекает, что 66,7% электричества ( Вт), расходуемого на сгорание анодов, идет на образование СО2, а 33,3% ( в” )— на образование СО.

Трехсуточный расход анодного вещества в ванне на собственно электрохимический процесс

^ = /тВт( ат‘71+Вт^) =

= 65-(24-3)-0,89- (0,667.0,112 4-0,333-0,224) = 622 кг.

Расход анодов с учетом механического разрушения

ga = gaK = 622.1,15 = 715 кг.

Объем «сгоревших» анодов

da

Рабочая поверхность анодов

8= — = ,65 °00. = 72 200 смг = 7,22 м». Da 0,9

Высота сгорания анодов за 3 суток h == 0,477 - 1000 = 66,0 мм .

S 7,22

Магниевый электролизер нагрузкой / = 70 ка работает со средним выходом по току Вт^90% (принять равным для катодного и анодного процессов); содержание Mg в получаемом металле-сырце составляет Pnv = 99,0%.

Какое количество магния-сырца и хлора может быть получено за месяц (30 суток) с такого электролизера при его непрерывной работе?

Каков удельный расход электроэнергии: а) на 1 tn Mg; б) на 1 т С12, если напряжение на ванне К = 6,4 в?

Решение

Основной электрохимический процесс в ванне MgCl2->Mg + Cl2

Электрохимические эквиваленты для компонентов процесса: q = 0,454 г/а • ч; q — 1,325 г]а • ч.

Месячная производительность ванны но магнию-сырцу

VT 70 (24 • 30) . 0,454 • 0,90

Р^0,99-1000’

Месячное количество хлора, производимое одной ванной

Удельный расход электроэнергии:

на 1 т h\g

V6,4-1000

на 1 т С12

V6,4-1000

= '1,325.0,90" = 5370 квт • ч?,п-

Магниевые электролизеры работают по так называемой «карналлитовсй» схеме (один из технологических вариантов) при питании их карналлитом, содержащим PMgCI, = 49,5% MgCl, Электролизеры имеют нагрузку / = 70 ка и объем расплава у—5,0 ль3.

Какова периодичность частичной замены электролита в ванне для восполнения расхода MgCL, если после заливки свежего расплава электролит должен содержать ^Mgcia = 14% MgCl2 (плотность d= 1,75 г1см^\ к отбору

электролита из ванны приступают после снижения в нем концентрации MgCl2 до p7Mgci3 = 5%. Какое количество отработанного электролита должно удаляться из ванны перед введением в нее расплава карналлита? Каков удельный расход карналлита на 1 т магния-сырца?

Параметры процесса электролиза: выход по току Вт = 80%; магний-сырец содержит pMg = 99,0% Mg. Отходы при электролизе в расчете на 1 т, магния-сырца: шлам (содержащий p'~20%MgO, остальное — хлориды щелочных металлов) m1 = 0,3 т; возгон (с содержанием р" = 30% MgCl2, остальное другие компоненты электролита) — т2 =0,05 пг.

Решение

Часовая производительность ванны по магнию-сырцу

^Mg6170 . 1 . 0,454 • 0,80

g, = —=^99= 25,7 кг 1ч.

Mg

Затраты MgCl2 на собственно электролиз в расчете на 1 кг магния-сырца

0,99 = 3,88 кг.0,99 = 3,88 кг.^MgCl295,23

0,99 = 3,88 кг.

0,99 = 3,88 кг.

82 ~ А„ " рме~ 24,32Mg

Расход MgCl2 на образование AigO в шламе (на 1 кг магния- сырца)

Л1меа,95,23

gs = mtn' -rj: = 0,3 • 0,2 ^q 2, =0,142 кг.

MgO’

Расход MgCl2 при возгоне (на 1 кг магния-сырца) g4 = т>р" = 0,05 • 0,30 = 0,015 кг.

Суммарный удельный расход MgCl2 на 1 кг магния-сырца

& = g2 + £з + gt = 3,88 + 0,142 + 0,015 « 4,04 кг.

Часовой расход MgCl2 в ванне

8в = ёь§1 = 4,04 ' 25,7 = 103,7 кг.

Удельный расход электролита в ванне в процессе электролиза (с учетом разложения, шламообразования и возгона) на 1 кг магния-сырца

gl =g5+"!l(l — Р') +«2(1 — Р") =

= 4,04 + 0,3- 0,8 + 0,05-0,70 = 4,32 кг.

Часовой расход электролита

gs = £?£i = 4.32 • 25,7 = 111 кг^ч.

Содержание MgCl2 в свежем электролите ванны

g0 = u^/^gcio = 5,0 • 1,75 • 0,14 = 122 5 кг.

Периодичность частичной смены электролита т ч. Для расчета значения т составим уравнение характеризующее содержание MgCL. в «исющешюм» электролите

£о £бх _ *

yd — £e^ “ PMgCl3,

1225— 103,7т

= 0,05.

5000-1,75- 111 т *

Отсюда т = 8,028 ч.

Масса «истощенного» электролита ванны перед отбором расплава

g10 = yd — g8T = 5000 • 1,75 — 111 • 8,0 = 7862 кг.

Обозначим количество выводимого из ванны отработанного электролита gn, количество вводимого карналлита gi2. Для нахождения этих величин составим систему из двух уравнений:

после отбора части отработанного электролита и введения расплава карналлита в ванну объем полученного электролита должен соответствовать своему первоначальному состоянию (до электролиза). Тогда

gio — £п + £12 = vd;

7862 — gu 4* £12 = 5000 • 1,75; g^ = g^2888.

Содержание MgCl2 в полученном расплаве должно удовлетворять уравнению

(gio — gn) PMgCl2 + guPMgCU _ (7862 —gH)0,05+ g120,495 =vd5000-1,75

= PMgCi2 = 0,14.

Отсюда

O.OSgu = 0,495^12 — 832.

Решая совместно полученные уравнения, получим g12 =- 1770 кг карналлита; gn = 882 кг отработанного электролита.

Количество магния-сырца, полученное с ванны за 8-часовой период

gi3 = £ит — 25,7 • 8,0 = 205,6 кг.

Удельный расход карналлита на 1 т магния-сырца £121770

т> = Т7=Жб =8'61

Количество отводимого отработанного электролита в расчете на 1 tn магния-сырца

£п 882

ш2 = —- ==4,29 пг.

£1з

В цехе металлического натрия годовой производительностью 8000 т Na установлены ванны, работающие на хлористом электролите.

Какова годовая потребность цеха в технической поваренной соли (pNaC) = 99,7% NaCl), если потери соли составляют 5% (/< = 1,05) от ее расхода на собственно электролиз?

Решение

Годовая потребность в NaCl

Л^аС1 К ПААА 58.51,05

^NaCl — ^Na Л р “ 8000 "23,0 ' 0,997 ” 21 500 т/' °9'

Na NaCl’

Выделение металлического натрия на жидком свинцовом катоде возможно осуществить путем электролиза расплавленного NaCl при 810-?830°С. По одному из таких способов жидкий свинец, служащий катодом, непрерывно протекает по дну ванны, обогащаясь металлическим натрием. На графитовых анодах ванны выделяется газообразный хлор. В электролизер подается сплав свинца с pv^ 4% натрия (после отгонки в дистилляционной печи части металлического натрия из конечного продукта); выходящий из ванны сплав содержит р2 = б% Na. Плотность сплава (с 5% Na) при температуре процесса 9,64 г, см3.

Ванна нагрузкой 1= 18 ка и длиной Л = 4,0 м работает при катодной плотности тока 0^0,80 а см2, выходе по току Вт = 80?6, при уровне катодного сплава в ванне о^50 мм. Рабочее напряжение на ванне VD=6,0 в.

Рассчитать: а) часовую производительность ванны по металлическому натрию и хлору (принять одинаковыми выходы по току для обоих продуктов); б) удельный расход электроэнергии на 1 т полученного натрия; в) необходимую скорость движения сплава РЬ — Na в ванне; г) количество обогащенного сплава, получаемого за 1 ч в ванне; д) необходимую скорость подачи исходного катодного сплава в ванну.

Решение

Суммарный электрохимический процесс в ванне

NaCl-> Na -|- 4~С12

Электрохимические эквиваленты для продуктов реакции: q = 0,858 г/а • ч; q = 1,325 г/а • ч.

Часовая производительность ванны:

по металлическому натрию

о = l-q Вт = 18 • 1 • 0,858 • 0,80 = 12,36 кгрц Na Na

по хлору

g = kqm BT= 18. 1 . 1,325 • 0,80= 19,1 кг1ч.

CI2

Определим количество свинца, циркулирующего в ванне. Обозначим gNa — количество металлического натрия, вводимого каждый час в ванну в исходном катодном сплаве, gpb— количество свинца, ежечасно проходящее через ванну.

Для нахождения этих двух неизвестных составим систему из двух уравнений:

состав подаваемого катодного сплава удовлетворяет уравнению

—^ = Pi =0,04,gPb+ ^Na

откуда gpb=24^a;

^Na + ^Na^Na + ^Na= P2 = 0,06;= P2 = 0,06;состав конечного сплава отвечает уравнению

^Na + ^Na

^Na + ^Na

= P2 = 0,06;

= P2 = 0,06;

^Pb *" ^Na + ^Na

SNa + 12.36 —;= 0,06,^Pb + SNa + 12,36’ •

откуда

0.06gpb = 0,945Na + 11,62.

Решая систему уравнений (а) и (б), получаем: gNa = 23,24 кг; gPb = 558 кг.

Скорость подачи исходного катодного сплава в ванну gcna = gpb + gNa = 558 + 23,24 = 581,24 кг/ч.

Количество обогащенного катодного сплава, получаемого в ванне за 1 ч

^пл = +пл + gNa = 581,24 + 12,36 = 593,6 кг/ч.

Площадь поверхности жидкого металла в ванне/18 000

5 = -^- = - 0-8 -- = 22 500 см\

Масса сплава, одновременно находящегося в ванне

я”пл = SM = 225 • 0,5 • 9,64 = 1085 кг.

Необходимое время нахождения катодного сплава в ванне

^спл §спл^1085 -2

== я' +е” = 581,24 + 593,6 = 1185

6спл 6спл

^СПЛ + §спл

где gCp =2—средняя масса катодного сплава, прохо

дящего за 1 ч через ванну.

Скорость протекания сплава РЬ— Na через ванну

L 4,0

и = — = -у-= 2,16 м[ч, или 3,6 см 1 мин.

Удельный расход электроэнергии на 1 т металлического Na 1%6,0 • 1000„

7—п— = \= 8730 кет • ч[т.

8 ?Na Вт 0,858-0,804

Литиево-кальциевый сплав состава 60% Са(рСа) и 40% Li (pLj) может быть получен электролизом расплавленного электролита, содержащего 70% L1C1 и 30% СаС12.

Рассчитать выход по току, если на ванне нагрузкой / = 3000 а получено за сутки £фаКт = 27,0 кг сплава. Какая доля катодного тока расходуется на выделение

отдельных компонентов полученного сплава? Каков удельный расход электроэнергии в расчете на 1 т катодного сплава, если напряжение на ванне VB^9,0 в? Сколько солевого расплава и при каком весовом соотношении LiCl и СаС12 нужно ежесуточно вводить в ванну для восполнения расхода солей на собственно электролиз?

Решение

Теоретический удельный расход электричества на единицу массы катодного сплава

°С"Л = ^Са Рса + ^Li ~

= 0J47 °-60 + oir0’40 = 2'35 а • ч1г-

Электрохимический эквивалент сплава

^спл == с ^ 3 2 35 = 0,425 г/а • ч.

Теоретическая суточная производительность ванны по сплаву gTCOp = I~qcnA = 3,0 • 24 • 0,425 = 30,6 кг.

Выход по току для сплава

спл£факт27,0

В — ЮО = -^- 100 = 88,2%. Т^теор30,6’

1^СаССП I1^СаССП I88,2 —4— 0,600,7472,35= 30,2%;88,2 —4— 0,600,7472,35= 30,2%;Доля катодного тока, расходуемого на выделение: а) кальция

1

^Са

ССП I

1

^Са

ССП I

88,2 —4— 0,60

0,747

2,35= 30,2%;

88,2 —4— 0,60

0,747

2,35= 30,2%;

В^ = вспл б) лития

BLi = В=,1л_ВСа = 88|2_3012 = 58()%

Удельный расход электроэнергии на 1 пг сплава

IV»'^фактIV»'^факт3000 -9-2427,03000 -9-2427,0= 24 000 кет • ч J пг.= 24 000 кет • ч J пг.

IV»'

^факт

IV»'

^факт

3000 -9-24

27,0

3000 -9-24

27,0

= 24 000 кет • ч J пг.

= 24 000 кет • ч J пг.

/) В полученном за сутки сплаве содержится кальция и лития йСа = 2фактРСа = 27,0 • 0,60 = 16,2 кг;

£и=5факт—£Са = 27 — 16,2 = 10,8 кг.

Для их получения затрачено:

^СаС1,111,0

gca —д— = 16,2 • 40 Qg- = 44,9 кг СаС12;

Iici42 4

£ГИ —д= 10,8 .= 66 кг LiCl.

Li’

Следовательно, для восполнения расхода на собственно электролиз необходимо ежесуточно вводить в ванну солевого расплава

Яраспл = 44,9 + 66 = 110,9 кг.

44,9

Расплав должен содержать цу у • Ю0 = 40,5%СаС12 и 59,5% LiCL*

При получении металлического кальция электролизом расплавленного СаС12 с использованием принципа «катода касания» применена катодная плотность тока 0 = 40 а” см2. Электролизер имеет нагрузку /= 1200 а и работает с выходом по току Вт порядка 50% при среднем напряжении V = 27 в.

Рассчитать: а) суточную производительность ванны при ее непрерывной работе; б) удельный расход электроэнергии на 1 т получаемого металла; в) продолжительность наращивания кальциевого катода длиной 1=500 мм (при +20° С).

Решение

Суточная производительность ванны

а = f-q Вт = 1,2 • 24 • 0,747 • 0,50 = 10,75 кг.

“Са 'Са т

Удельный расход электроэнергии на 1 пг кальция

V 27 • 1000

W» =б™ == 72 300 кет • 4]m.

8 qc^°-747 • °'50

Определяем продолжительность наращивания кальциевой «штанги». Количества осажденного кальция за цикл наращивания

а = I-q Вт = Sid .

6Са vCa т Са

Отсюда

IdId50-1,55

т=__ =5,2 ч.

IDq^ Вт 40 - 0,747 - 0,50

— вт Са

S Са т

Одним из споссбов получения металлического кальция является электролитическое изготовление медно- кальциевого сплава, из которого кальций отгоняется затем в специальной дистилляционной печи. Электролиз осуществляется в ваннах, залитых расплавом, содержащим 80—85 ?о СаС12 и 20—15?6 KCL Ванны работают периодически. Загрузка электролизера проводится обедненным катодным сплавом (после дистилляции), содержащим 30% Са(рСа) и 70% Cu(pCiJ; извлекается из ванны обогащенный кальцием сплав, содержащий 63% Са(рса) и 37 ?о меди (рСп).

Рассчитать: а) длительность рабочего периода ванны нагрузкой / = 12 ка, если в ванну одновременно загружается ^епд = 60 кг обедненного медно-кальциевого сплава, средний выход по току Вг составляет 72%; б) величину единовременной выгрузки обогащенного катодного

сплава; в) количество металлического кальция (в сплаве), получаемое за рабочий период ванны; г) среднесуточную загрузку СаС12 в ванну, если его потери составляют 5% от расхода СаС12 на собственно электролиз (/(=1,05); д) удельный расход электроэнергии на 1 т металлического кальция и обогащенного медно-кальциевого сплава, если среднее напряжение на ванне У = 9,0 в.

Решение

В исходном катодном сплаве ванны содержится следующее количество кальция и меди:

£са — gcn.i Pea — 60 • 0 30 — 18 кг Са;

S"cu = ^спл — ^Са = 60 — 18 = 42 кг Си.

Масса меди в сплаве в ходе электролиза не изменяется. Основываясь на этом, определяем массу полученного обогащенного сплава

П ^CU 42 1 |q Ц

ХзТ ’

Си

Масса кальция, выделившегося за рабочий период ванны ^Са = ^спл — ^спл = 113,5 — 60 = 53,5 кг.

Продолжительность рабочего цикла ванны gCa53,5=

lq Вт ~ 12 ■ 0,747 • 0,72'

Удельный расход электроэнергии на 1 т: а) металлического кальция

WWСаСаIV- 12 000 • 9,0 • 8,35315IV- 12 000 • 9,0 • 8,35315= 16 770 кет • ч/т= 16 770 кет • ч/т

W

W

Са

Са

IV- 12 000 • 9,0 • 8,3

5315

IV- 12 000 • 9,0 • 8,3

5315

= 16 770 кет • ч/т

= 16 770 кет • ч/т

б) медно-кальциевого сплава

^спл —^спл —/Ут^спл/Ут^спл12 000 • 9,0 • 8,3113,512 000 • 9,0 • 8,3113,5= 7890 кет • ч]т.= 7890 кет • ч]т.

^спл —

^спл —

/Ут

^спл

/Ут

^спл

12 000 • 9,0 • 8,3

113,5

12 000 • 9,0 • 8,3

113,5

= 7890 кет • ч]т.

= 7890 кет • ч]т.

Электрохимический эквивалент для СаС12

^СаС1^СаС1^СаС1zF^СаС1zF111,02 • 26,8111,02 • 26,8= 2,07 г/а • ч.= 2,07 г/а • ч.

^СаС1

^СаС1

^СаС1zF

^СаС1zF

111,0

2 • 26,8

111,0

2 • 26,8

= 2,07 г/а • ч.

= 2,07 г/а • ч.

Суточный расход СаС12 (при непрерывной работе ванны)

g = [xq вт К = 12 • 24 • 2,07 • 0,72 • 1,05 = 450 кг.

При электролизе с соответствующими электродами расплавленной смеси KF и HF на аноде идет образование элементарного фтора (на катоде выделяется водород). Расходуемый при процессе HF восполняется подачей в электролит расчетных количеств фтористого водорода.

Рассчитать суточную производительность по фтору серии из и =10 последовательно включенных электролизеров нагрузкой I = 3000 6Z. если выход по току для фтора Вт = 80%. Каков удельный расход электроэнергии на 1 т фтора (рабочее напряжение V на серию составляет НО Gp С какой скоростью должен подаваться в каждую ванну фтористый водород для восполнения его расхода на электролиз и улетучивание, если отходящие анодные газы содержат 90 сбъемн. % F2h8% HF? Унос HF с катодными газами принять равным уносу с анодным газом. Анодный и катодный выходы по току считать одинаковыми.

Решение

Реакция суммарного электрохимического процесса в ванне

11

HF^-TH24--FF2

Электрохимические эквиваленты компонентов реакции:

q_ = 0,709 г[а • ч\

F 2

^HF 20,0 п ,

q = —= —’= 0,746 г^а • ч.

zf1-26,8

Суточная производительность серии по фтору

g = I ^q Втп = 3,0 • 24 • 0,709 • 0,80 • 10 = 408,5 кг,сутки.

Удельный расход электроэнергии на 1 т фтора

V110 - 1000

WR~ nqF Вт — 10-0,709.0,809 400 квт ' ‘^т-

Часовой расход HF на собственно электролиз в одной ванне gHF '-= ^н? Вт = 3000 - 1 - 0,746 - 0,80 = 1790 г,ч.

Определим расход HF на унос с анодными газами. Часовая производительность одной ванны по фтору

. 408 500„ = 1700 гМ = -1Z2L = 44,75 моль.

Fz10-2438,0

Составляем пропорцию:

в анодных газах на 90 моль F2 приходится 8 моль HF

»»»» 44,75 моль F2 » х » HF

44,75 • 8

х =gjj= 3,98 моль = 3,98 • 20 = 79,6 г/ч.

Такое же количество HF будет уноситься и с катодными газами (по условию).

Нужно подавать фтористого водорода в 1 ч в каждую ванну gHF = 1790+ 79.6 • 2^ 1949 г}ч.

Рассчитать падение напряжения в электролите алюминиевого электролизера нагрузкой 70 ка, имеющего рабочую площадь (сечение) анода 180 х 430 см, межполюсное расстояние I = 4,0 см. Удельное сопротивление

расплавленного электролита при температуре электролиза о = 0,48 ом • см.

Решение

Расчет проводим по формуле Форсблома и Машовца [10]

ДЕ = 8 + (2,5 4-0 Р ’

где S — анодная поверхность (сечение анода); Р— периметр анода, S = 180 • 430 = 77300 см2;

р = (180 4- 430) • 2 = 1220 см.

Отсюда

0,4 8 • 4,0 • 70 000_

77 3 00+(2,5 4- 4,0) • 1220 ~ 1|58

Как повышается удельный расход электроэнергии на 1 гп получаемого алюминия за счет появления «анодных вспышек» в алюминиевом электролизере при частоте «вспышек»: а) 1 раз в 2 суток; б) 1 раз в сутки; в) 2 раза в сутки. Продолжительность «анодной вспышки» 6 мин, среднее повышение напряжения при этом против обычного 30 в; катодный выход по току В1 равен 89%.

Решение

Повышение среднего напряжения па ванне за счет времен* ного повышения напряжения при «анодных вспышках»

(^эф Ураб)

Д1/ =24 • 60'

где Еэф — напряжение на ванне в период «анодной вспышки» («анодного эффекта»); Ураб— напряжение на ванне при ее нормальной работе; п— число «вспышек» в сутки; т— продолжительность «вспышки», мин.

Повышение удельного расхода электроэнергии за счет появления анодных вспышек

Д^ =Д^ =ДУ^А1 ВтДУ^А1 Вт

Д^ =

Д^ =

ДУ

^А1 Вт

ДУ

^А1 Вт

Изменение параметров электролиза при заданной частоте анодных «вспышек»:

д 30-0,5.6

Д Vj —24 • 60— 0,0625 в.

0,0625-1000_.

^1 = ~0,3355 . 0,89" ~ 210 квт • ч1т А1>

.30-1-6

Д1/2 — 24-60 — 0,125 в;

Д№2 = 420 квт • ч^т А1;

ж 30-2-6 Л Л

ДУ3 — 24-60 — 0,250 в;

Д№3 = 840 квт • ч]т А1

Рабочее напряжение на магниевом электролизере /в = 7,0 в; ванна работает с выходом по току для магния Вт = 85?6. Напряжение разложения Еразл расплава MgCl2 (в смеси с другими хлоридами) составляет 2,6 в.

Каково значение теоретического удельного расхода электроэнергии для магния и выход по энергии для магниевого электролизера?

Решение

Значение теоретического удельного расхода электроэнергии на 1 т магния

£разл ^теор = V—

2,6 - 10000,454

= 5725 квпг • ч/т.

Выход по энергии £разл 2,6 вэ = В, = ™ . 85 = 31 .6%.

В магниевом электролизере с верхним вводом анодов нагрузкой I = 70 ка установлено 5 анодных блоков шириной по 1600 мм, каждый из которых состоит из восьми графитированных электродов сечением 200Х150 мм и общей длиной £ = 1950 мп (длина указана от середины верхнего зажимного контакта). Рабочая длина анодов U = 890 мм. Аноды работают двусторонне. Удельное сопротивление графитированных электродов при + 20сС р20 = 9,0 ом • мм2/м. Температурный коэффициент сопротивления графита а = 0,000 346. Средняя температура анодов /500°С.

Рассчитать падение напряжения в неработавших графитовых анодах электролизера.

Решение

Проходное сечение анодов в ванне

S= 1600* 150 * 5= 1,2* 106 ммЧ

У дельнее сопротивление графита при 500°С

Рвоо = р20 [1 + «(* — 20)1 = 9,0 [1 + 0,000346 • 480] = 10,5 ом-ммЧм,

Падение напряжения в нерабочей части анодов

., L—L' 7.104.10,5.(1,95-0,89) п

А^ = IR = Ip^=Г2ТТо«" 0,650 в.

При расчете падения напряжения в рабочей части анодов учитываем, что сила тока по длине рабочей части анодов уменьшается от полного тока / до нуля. Поэтому для расчеюв можно принять проходную плотность тока в рабочей части анода равной половине плотности тока в нерабочей части анодов

IL' 7-1040,89

Al/о ~ 2S ~22* ^,5 1 2 10® =9,273в.

Суммарное падение напряжения в анодах

ДГ = Alzt -|- ДГ2 = 0,650 -I- 0,273 = 0,923 в.

Рассчитать значение теоретического напряжения разложения глиноземио-криолитового расплава (для случая платиновых анодов), если изменение энтальпии ДН при 950сС для реакции

2А1 + 1,5О2 -> А12О3

равно —392,64 ккал, а изменение энтропии Д5Э^ = —83,6 кал’моль • СК.

Решение

Термодинамический потенциал Гиббса

...(273 + 930) • 83,6

ДФ = Mi — ТД5Э= — 392,64 + -/—— = —290,3 ккал.

ДФ 290,3ДФ 290,3Теоретическое напряжение разложения

ДФ 290,3

ДФ 290,3

^рал- грт =- 6-23,06 -2»10д-

Э.д.с. системы №(ж) | расплав С12(С) равна

I NaCl

3,43 в (при 650°С); температурный коэффициент э.д.с.

составляет = — 0,00078 в)°С. at

Какова величина теплового эффекта реакции

Na (ж) + -^ С12 -> NaCl (ж)

при температуре процесса + 600°С?

Решение

Для расчета используем уравнение Гиббса—Гельмгольца

отсюда

Q.-zF^E-T-^

Э.д с. системы при 600 С dE .

Е00и- Ef)5u-V-^p АТ =3,43 —0,78 . 10'4600 - 650) = 3,47 в.

Тепловой эффект реакции

QT = 1 . 23,06 [3,47 + (600+ 273) • 0,00078] = 95,7 ккал^люпЬ.

Рабочее напряжение на внешних шинах магниевого электролизера равно 6,57 в, в том числе потери напряжения во внешних шинопроводах и контактах ванны 0,32 в. Изменение энтальпии при реакции

«SO ,»,-*м8ю + с|=

равно 142,56 ккал Моль. Какое количество джоулевого тепла выделяется в электролизере нагрузкой / =70 ка, если выход по току Вт составляет 85% (при расчете пренебречь выделением на электродах всех продуктов, кроме Mg и С12)?

Решение

Перепад напряжения между катодом и анодом электролизера ДУ = 6,57 — 0,32 = 6,25 в.

Тепловое напряжение разложения расплава ДН 142,56

Ет- грт _ 2 . 23 06 _ 3,09 6.

Количества джоулева тепла, выделяемого за 1 ч в ванне

QT = 0,860/ (ДТВ — Ет BJ = 0,860 • 70 000(6.25 — 3,09 • 0,85) =

= 218 000 кка 1[ч.

Средний выход потоку Вт в алюминиевом электролизере нагрузкой I = 70 ка равен 88%; рабочее напряжение на ванне 4,60 в, в том числе во внешних, «негрею- ших», шинопроводах и контактах — 0,40 в; состав газа, полученного при сгорании анодов, 55 объемн. % СО2 и 45% СО.

Теплоты реакций при 950°С:

А12О3 + ЗС->2А1+ ЗСО —312 ккал;

2А12О3 + ЗС -> 4А1 + ЗСО2 — 492,5 ккал.

Какое количество джоулева тепла выделяется за 1 ч в электролизере?

Решение

Тепловое напряжение разложения для электрохимических процессов:

для реакции (а)

QT 312

£т = —6 • 23,06 =2,255 в;

для реакции (б)

492,5

12 • 23,06 ™ 1’78s*

Доля полезпог > тока, идущая на реакцию (а) р

Ва = —=45= О 29.

Т Рсо?+Рсо 55.2 + 45

Доля полезного юкт, затрачиваемая на реакцию (б)

В$ = 1 --0,29 = 0,71.

В расчете принято во внимание, что на образование 1 моль СО., затрачивается в 2 раза больше электричества, чем на образование 1 моль СО.

Внутреннее падение напряжения в ванне

ДУ = 4,60 — 0,40 = 4,20 в.

Часовое количество джоулева тепла, выделяемое в ванне

QT = 0,860/ [ДУ-Вт(е' В” + Ет ВЭД = 0,860- 70 000 [4,20 —

— 0,88 (2,255 • 0,29 + 1,78- 0,71) = 151 000 ккал[ч.

ЗАДАЧИ

Алюминиевый электролизер нагрузкой 65 ка работает с выходом по току 89?о при среднерасчетном напряжении на ванне Кср = 4,8 в (с учетом повышения напряжения за счет периодических «анодных вспышек»). Машинное время работы электролизера 0,96.

Каковы годовая производительность по алюминию одного электролизера и удельный расход электроэнергии на 1 пг получаемого металла?

В алюминиевом электролизере нагрузкой 30 ki установлено 14 анодов обожженного типа габаритами 40x40x55 см. Продукты сгорания анодов содержат по 50 объемн. % СО2 и СО. Выход по току Вг = 85% (принять равным для катодного и анодного процессов). Механическое разрушение анодов при работе равно 15?6 от расхода анодов на собственно электрохимический процесс (на образование СО и СО2). Анодные огарки составляют 25% от первоначального веса анодов. Кажущаяся плотность анодов d= 1,6 г! см3.

Рассчитать срок службы анодов и их удельный расход на 1 т алюминия, получаемого в ванне.

Падение напряжения между катодной и анодной шинами алюминиевого электролизера нагрузкой 65 ка равно 4,70 в, в том числе во внешних шинах и контактах 0,46 в. Выход потоку для алюминия составляет 89%. Анодный

газ, выходящий из электролизера, содержит примерно равные объемы СО и СО2.

Теплоты реакций протекающих в электролизере (для 950 С):

А12О3 Т ЗС-> 2А1 4 ЗСО — 312 ккал

2А12О3 + ЗС -> 4А1 + ЗСО2 — 492,5 ккал

Какое количество джоулева тепла выделяется в электролизере за 1 ч?

Какое количество джоулева тепла выделится в алюминиевом электролизере нагрузкой 70 ка за период «анодной вспышки» длительностью 6 мая при среднем напряжении на ванне в этот период 35 6?

Сумма теплового напряжения разложения электролита и внешних потерь напряжения в ванне равна 2,0 в.

321 Выход по току при электролитическом рафинировании алюминия (с применением трехслойного метода) равш 96%, а напряжение на ванне Vu = 6,5 в.

Какова величина удельных затрат электроэнергии на 1 пг рафинированного алюминия?

За сутки работы магниевого электролизера нагрузкой 50 ка получено 475 кг металла, содержащего 98,5% Mg. Среднее рабочее напряжение на ванне равно 7,0 в.

Рассчитать выход по току и удельный расход электроэнергии для 100%-ного магния.

В цехе электролиза хлорида магния годовой производительностью 10 тыс. т рафинированного магния установлены электролизеры, работающие при нагрузке 50 ка со средним напряжением на ванне 6,4 в. Катодный выход по току для магния при электролизе 86%. «Угар» магния в процессе его рафинирования 3%. Машинное время работы электролизеров 0,95. Какое коли-

чество магниевых электролизеров необходимо установить в цехе? Какое напряжение будет на электролизной серии, если все магниевые ванны цеха, в том числе и резервные, будут соединены последовательно? Принять потерн напряжения в главном и соединительных шинопроводах равными 3% от суммарного напряжения всех работающих ванн цеха.

Магниевый электролизер работает при катодной плотности тока DK = 0,70 а'см2 и анодной плотности тока Da = 0,50 а!смг; межэлектродное расстояние в ванне равно 7 см; удельное сопротивление электролита при температуре процесса р = 0,46 ом • см (проходную плотность тока в электролите рассчитать, как среднюю геометрическую от DK и Da).

Каково будет падение напряжения в электролите ванны?

Анодные газы, получаемые с магниевого электролизера, содержат 82 объемн. % С12 и 1,5объемн. % СО. Анодный (для С12) и катодный (для Mg) выходы по току равны 85%.

Каков удельный расход (на 1 т N^ графитированных анодов на процесс их электрохимического окисления (без учета механического разрушения электродов и наличия анодного скрапа), протекающего по реакции

С + О2- —2^СО?

С натриевого электролизера нагрузкой 8000 а, залитого расплавом едкого натра, за сутки получено 85 кг металлического натрия при среднем напряжении на ванне 5,0 в.

Рассчитать выход по току и удельный расход электроэнергии для полученного металла.

Напряжение разложения для расплава едкого натра, используемого в качестве электролита при производстве металлического натрия, равно 2,25 в.

Чему равен теоретический расход электроэнергии при получении металлического натрия в ваннах с таким электролитом? С каким выходом по энергии работает натриевый электролизер, имеющий рабочее напряжение Ув = 5,0в и выход по току Вт = 52%?

Цех металлического натрия имеет 50 работающих электролизеров, каждый нагрузкой 8000 а; выход по току для получаемого натрия Вт = 5296; потери электролита—едкого натра—составляют на всех операциях 5% от его расхода на собственно электролиз.

Какова суточная потребность цеха в едком натре?

В цехе металлического натрия годовой производительностью 7,0 тыс. т металла установлены электролизеры нагрузкой 18 ка. Ванны, залитые хлоридным расплавом, работают при выходе по току Вт = 75% и среднем рабочем напряжении Кв = 7,0 в. Машинное время работы электролизеров равно 0,94.

Сколько натриевых электролизеров необходимо установить в цехе? Каксе напряжение будет на последовательной серии, в которую соединены все ванны цеха, в том числе и резервные, если потери напряжения в главном и соединительных шинопроводах составляют 2?6 от падения напряжения в ваннах?

Электролитом в натриевом электролизере на- грузкой 30 ка служит расплав хлоридов натрия и кальция. Выходы по току для получаемых натрия и хлора равны 75%; напряжение на ванне Кв = 7,0 в; машинное время работы электролизера / = 0,95.

Рассчитать годовую производительность электролизера по металлическому натрию и хлору. Чему равен удельный расход электроэнергии для получаемого натрия?

Натриевый электролизер с хлоридным электролитом эксплуатируется при катодной плотности тока DK = 0,8 а км- и анодной плотности тока Оа = 1,0 акмЧ Межэлектродное расстояние равно 40 мм; удельное сопротивление электролита о = 1,52 олг1 • см"\

Какова величина падения напряжения в электролите ванны (проходную плотность тока в электролите рассчитать как среднюю геометрическую от катодной и анодной плотностей тока)?

Натриевый электролизер с хлоридно-натриевым электролитом работает под нагрузкой 18 ка при среднем напряжении Кв = 6,5в и выходе по току равном 75%.

Какое количество джоулева тепла выделяется за I ч в ванне?

Теплота реакции Na/M. + -4- CL NaCL . равна

95,6 ккал!моль (при расчете принять, что Na и С12 являются единственными конечными продуктами процесса).

При электролизе содово-хлоридного расплава с жидким свинцовым катодом образуется тройной сплав следующего состава: 9О?оРЬ; 9,25%Na и 0,75% калия.

Какова суточная производительность по тройному катодному сплаву (в расчете на непрерывную работу) электролизера нагрузкой 18 ка, если выход по току равен 90%? Каков удельный расход электроэнергии на 1 т тройного сплава при среднем напряжении на ванну 5,5 6?

В ванне нагрузкой 3000 а с электролитом—расплавленным LiCI (с добавками)—за сутки получено 16,8 кг металлического лития при среднем напряжении на ванне 7,1 в. Рассчитать выход по току и удельный расход электроэнергии для полученного лития. Каков удельный расход LiCI на 1 кг металла, если потери соли составляют 5% от ее расхода на собственно электролиз?

При электролизе расплавленной смеси из равных количеств LiCl и СаС12 на катоде выделяется сплав, содержащий 75% металлического кальция и 25% лития.

Рассчитать: а) суточную производительность по катодному сплаву ванны нагрузкой 3000 а, если выход по току для сплава равен 90%; б) выход по току для каждого компонента полученного сплава; в) удельный расход электроэнергии на 1 т литий-кальциевого сплава (среднее напряжение на ванне равняется 9,1 в); г) количество солевого расплава, которое нужно вводить ежесуточно в ванну для восполнения расхода электролита на процесс (потери электролита принять равными 5% от его расхода на собственно электролиз); д) соотношение LiCl и СаС12 во вводимом солевом расплаве (рассчитывать по расходу только на собственно электролиз).

Для получения свинцово-кальциевой лигатуры может быть использован электролиз расплава хлоридов кальция и натрия с жидким свинцовым катодом.

Какова суточная производительность электролизера нагрузкой 2000 а: а) по кальцию и б) по полученной лигатуре, содержащей 3,4% кальция, если выход по току для кальция равен 75%?

В электролизер периодического действия нагрузкой 2000 а, залитый расплавом ВаС12 и КС1, загружено 608 кг расплавленного свинца, являющегося жидким катодом. После 48 ч электролиза на катоде получен сплав свинца с 26% бария.

Рассчитать: а) выход по току для бария; б) количество ВаС12, которое необходимо ежесуточно вводить в ванну для восполнения его расхода (принять потери ВаС12 равными 5% от его расхода на электрохимическое разложение).

В серии из пяти последовательно соединенных электролизеров нагрузкой 500 а, залитых расплавом смеси

равных весовых количеств ВеС12 и NaCl, за сутки получено 6,5 кг металлического бериллия. Среднее напряжение на серии 44 в.

Рассчитать: а) выход по току для бериллия; б) удельный расход электроэнергии; в) количество ВеС12, которое необходимо ежесуточно вводить в каждую ванну серии для восполнения его расхода (потери ВеС12 принять равными 5% от его расхода на собственно электролиз).

Одним из способов получения металлического титана является электролиз с твердым катодом расплава смесей NaCl — КО — MgCl2 или NaCl — СаС12— ВаС12, в ходе которого в расплав вводится в оптимальных количествах парообразный четыреххлористый титан TiCl4.

Какое количество титана может быть получено за сутки с электролизера нагрузкой 10 ка, работающего с выходом по току, равным 75%? С какой скоростью необходимо подавать TiCl4 в работающую ванну, если коэффициент его использования составляет 90%?

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

Н. А. Измайлов. Электрохимия растворов. Изд-во Харьковского ун-та, 1959.

Э. А. Менджерицкий, В. С. Ба тонкий. Научноисследовательские работы ВНИИТ, № 1, 94 (1960), М.

R. С. Kirk, А. В. Fry. Trans. Electrochem. Soc., 97, 277 (1948).

D. M. Smyth. G. Electrochem. Soc., 106, 635 (1959).

S. Hills. G. Electrochem. Soc., 108, № 8, 810 (1961).

В. H. Флёров. Ж. физ. хим., 37, № 8, 1733 (1963).

В. Н. Флёров, Ш. С. Щеголь, Л. В. Армейская, Л. Г. Галкин. Ж- прикл. хим., 33, 2746 (1960).

В. И. Перельман. Краткий справочник химика. Госхимиздат, 1963.

Прикладная электрохимия. Под ред. Н. П. Федотьева. Госхимиздат, М.—Л., 1962.

В. В. Стендер. Прикладная электрохимия. Изд-во Харьковского ун-та, 1961.

Л. С. Генин. Электролиз растворов поваренной соли. Госхимиздат, М., 1960.

Ж. Биллитер. Промышленный электролиз водных растворов. Госхимиздат, М., 1959.

В. И. Лайнер. Н. Т. Кудрявцев. Основы гальваностегии. Ч. II. Металлу ргиздат, М., 1957.

А. Т. Баграмян, 3. А. Соловьева. Методы исследования процессов электроосаждения металлов. Изд-во АН СССР М., 1955.

«Справочник химика». Т. 111. Изд-во «Химия», М.—Л., 1964.

Г. Т. Бахвалов, Л. Н. Биркган, В. П. Лабутин. Справочник гальваностега. Металлургиздат, М., 1954.

10. В. Ба йм а ков, А. И. Ж У р и н. Электролиз в гидрометаллургии. Металлургиздат, М., 1963,

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Общая

И. П. Федотьев, А. Ф. Алабышев, А. Л. Роти и ян, П. М. В я ч е с л а в о в, П. Б. Ж и в о т и и с к и и, А А. Г а л ь- ибек. Прикладная электрохимия. Госхимиздат, Л., 1962.

В. Стендер. Прикладная электрохимия. Изд-во Харьковского ун-та, 1961.

Г. Хомяков, В. П. М а ш о в е ц, Л. Л. К У з ь м и н. Технология электрохимических производств. Госхимиздат, М.—Л., 1949.

Л И. Антропов. Теоретическая электрохимия Изд-во «Высшая школа», М., 1965.

И. Левин. Теоретические основы электрохимии. Металлургиздат, М., 1963.

В. Скорчеллетти. Теоретическая электрохимия. Госхимиздат, Л., 1963.

Н. А. И з г а р ы ш е в, С. В. Горбачев. Курс теоретической электрохимии. Госхимиздат, М.—Л., 1961.

Г лесс тон. Введение в электрохимию. ИЛ., 1951.

Н. Фрумкин, В. С. Багоцкий, 3. А. И оф а, Б. Н. Кабанов. Кинетика электродных процессов. Изд-во МГУ 1952.

Л. М. Б а тун ер, М. Е. Поз н. Математические методы в химической технике. Госхимиздат, Л., 1960.

Д. Бесков. Технохимические расчеты. Изд-во «Высшая школа», М., 1962.

«Справочник химика». Под ред. Б. П. Никольского. Госхимиздат, М.—Л., т. I, 1963 г.; т. II, 1963; т. III, 1964.

Perry. Chemical Engineerings Handbook, III ed., Me. Grow- Hill, N.-Y., 1950.

«Handbook of Chemistry and Physics». 37 ed. pt. II. Ch. D. Hodgman, Cleveland, 1955.

«Справочник физических, химических и технологических величии». Советская технологическая энциклопедия 1931 —1936

И. Перельман. Краткий справочник химика. Госхимиздат, 1963.

К гл. II

М. А. Дасоян. Химические источники тока. Госэнергоиздат, М.—Л., 1961.

В. С. Багоцкий, В. Н. Флёров. Новейшие достижения в области химических источников тока. Госэнергоиздат, М.—Л., 1963.

И. В. Боровков. Химические источники тока. Л., 1958.

П. Окатов. Химические источники тока. Госхимиздат, М.—Л., 1948.

Г. Г. Морозов, С. А. Гантман. Химические источники тока для питания средств связи. Воениздат, 1949.

Г. Сочеванов. Гальванические элементы. Госэнергоиздат, 1951.

И. Г. Куликов. Аккумуляторы. Воениздат, 1958.

Дж. В айн ел. Аккумуляторные батареи. Госэнергоиздат, 1960.

К. Я. Грачев. Щелочные аккумуляторы. Госэнергоиздат, 1951.

Ф. Ф. Томашевский, А. Г. Гершман, Е. А. Шварцман. Производство свинцовых аккумуляторов. Госэнергоиздат, 1956.

М. М. Константинов, Б. А. Герчиков, И. А. Се- лиц кий. Производство свинцовых аккумуляторов. Госэнергоиздат, 1947.

М. Ф. Скалозубов. Активные массы электрических аккумуляторов. Изд-во Новочеркасского политехнического ин-та, 1962.' «Топливные элементы». Под ред. Г. Д. Янга. ИЛ, М., 1963.

К гл. Ill

В. Стендер. Электролитическое производство хлора и щелочей. Госхимиздат, 1935.

Л. С. Генин. Электролиз растворов поваренной соли. Госхимиздат, 1960.

Ж- Биллитер. Промышленный электролиз водных растворов. Пер. с нем., Госхимиздат, 1959.

М. Е. Поз ин. Перекись водорода и перекисные соединения. Госхимиздат, 1951.

У. Шамб, И. Сеттерфильд, Р. Вент вор с. Перекись водорода. ИЛ., 1963.

Я. Ф а й н ш т е й н. Производство хлора методом диафрагменного электролиза. Госхимиздат, 1964.

JI. AL Якименко. Электролизеры с твердым катодом для производства хлора и каустической щелочи. Изд-во «Химия», 1965.

Е. Шумахер. Перхлораты. Госхимиздат, 1963.

К гл. IV

И. Лайнер, Н. Т. Кудрявцев. Основы гальваностегии. Металлургиздат. Ч. I, 1953; Ч. II, 1957.

Д. Бартл, О. Мудрох. Технология химической и электрохимической обработки поверхностей металлов. Машгиз, 1961.

Я. В. Вайнер, М. А. Да со ян, Оборудование, автоматизация и механизация цехов электрохимических покрытий. Машгиз, 1961.

Т е г а р т. Электролитическое и химическое полирование металлов. ИЛ., 1957.

И. Лайнер. Гальванические покрытия легких сплавов. Металлургиздат, 1959.

Н. П. Федотьев, Н. Н. Бибиков, П. М. Вячеславов, С. Я. Грилихес. Электролитические сплавы. Машгиз, 1962.

«Электролитическое осаждение сплавов». Машгиз, 1961.

Н. Бибиков. Осаждение металлов на токе переменной полярности. Машгиз, 1961.

Л. Я. Поп ило в. Гальванопластика. Машгиз, 1961.

Б. Я. Казначей. Гальванопластика в промышленности. Рос- гизместпром, М., 1955.

Г. Т. Бахвалов, Л. Н. Биркган, В. П. Лабутин. Справочник гальвансстега. Металлургиздат, 1954.

Я. В. Вайнер, М. А. Дасоян, Д. Я. Дринберг, А. А. Тарасенко И. И. Хайн. Справочник по защитно-декоративным покрытиям. Машгиз 1951.

К гл. V

Ю. В. Баймаков, А. И. Ж у р и н. Электролиз в гидрометаллургии. Металлургиздат, 1963.

И. Смирнов. Металлургия меди и никеля. Металлургиздат, 1950.

А. Цейдлер. Металлургия никеля. Металлургиздат, 1947.

Ф. М. Лоскутов. Металлургия свинца и цинка. Металлургиздат, 1956.

О. Е. Звягинцев. Аффинаж золота, серебра и металлов платиновой группы, Металлургиздат, 1945.

Д. AL 10 х т а и о в. Производство селена и теллура. Акталлург- издат, 1955.

И. II. Плаксин, Д. AL 10 х т а и о в. Гидрометаллургия. Металлургиздат, 1949

Г. А г сен ков, И. А. Каковский. Электрометаллургия водных растворов (расчеты). Акталлургиздат, 1947.

О. Кудра, Е. Ритм а и. Электролитическое получение металлических порошков. Изд-во АН УССР, Киев, 1952.

К гл. VI

А. И. Беляев. Металлургия легких металлов. Металлургиздат, 1954.

И. Беляев, М. Б. Р а п п о п о р т, Л. А. Ф и р с а но в а. Электрометаллургия алюминия. Акталлургиздат, 1953.

С. И. Кузнецов, А. М. Эпштейн. Электролитическое производство алюминия. Металлургиздат, 1953.

В П. М а шов ей, Г В. Форс б л ом. Электролитическое производство алюминия. Металлу ргиздат, 1951.

AL Г у с ь к о в. Электролитическое рафинирование алюминия. Акталлургиздат, 1945.

X. А. Стрелец, А. К). Тайц, Б. С. Г у л я ни ц к и й. Акталлургия магния. Металлургиздат, 1950.

Н. А. Доронин. Металлургия кальция. Атомиздат, 1959.

Ф. И. Шам рай. Литий и его сплавы. Изд-во АН СССР, 1952.

В. В. К р и в о р у ч е н к о, AL А. Коробов. Тепловые и энергетические балансы алюминиевых и магниевых электролизеров. Акталлу ргиздат, 1963.

ОТВЕТЫ НА ЗАДАЧИ

Глава II

ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА

12,0г. 30. 2,2 а • ч. 31. 25,2%. 32. 19,0 г. 33. 3,49 а • ч. 34. 62,7 а • ч. 35. 10,7 г. 36. 4,37 а ■ ч. 37. Д = 82,9%; Дре = = 17,1%; Q = 4,72 а • ч. 38. gn = 97,6 кг; tn = 6,79 г/а • ч 39. g= 1073 г. 40. 26,8 г. 41. 1,28 а • ч. 42. К,*,сп = 127,0%; ^исп = 63>5%- 43- 67'7%- 44- gZn= 1.98 кг; gZnO = 5,93 кг; g^ = = 1,59 ^г. 45. Кнсп = 66,5 9 6; пкм = 8,4 г (а • ч. 46. 69,1%. 47. gM = = 500 г; иэ = 2,66 л. 48. 75%. 49. 152 ли. 50. 166,5 г. 51. Кнсп = = 84,5%; Дд Г = 24,9%; Д =75,1%. 52. 77,2%. 53. А. 155г.. Б. 88,7 г. 54. 32,9 л в сутки. 55. gv = 105,8 кг; g_ = 134,5 кг; К^‘п=54,5%; <ссп = 13,35%. 56. VHa„ = 0,754 e; VKOH = 0,439 e 57.58,5 а • ч. 58. uQ = 1,045 л; и^ =11,5 л; иОбщий = 12,545 л. 59. Для батареи: (% = 6,1 а-ч/л; Qg = 3,64 а-ч/кг; W^ = 36,6 впг-ч/л;

= 21,84 впг-ч/кг; в расчете наодиночный аккумулятор:Qy=

= 18,3 а • ч/л; Qg = 10,93а • ч/кг.60. Qv = 33,1 а • ч/л;Qg=

= 16,35 а • ч/кг; Wy = 39,1впг • ч/л; Wg= 19,3 вт-ч/кг. 61.Qu=

= 64,5 а • ч/л; Qa = 33,6а-ч/кг;W\> = 71,0 вт-ч/л;Wg=

= 39,2 вт-ч/кг. 62.&Для батарей: (% = 0,933а-ч/л; <2^ = 0,612 а-ч/кг; Wy = 72,8 впг • ч/л; №^ = 47,7 вт • ч/кг; в расчете на одиночный элемент: Qv = 65,2 а-ч/л, (% = 42,8 а-ч/кг. 63. В начале разряда: Nl, = 553 вт/л; Ng = 257 вт/кг; в середине разряда: Ny = 467 вт/л; Ng = 217 вт/кг; в конце: Nv = 162 впг/л; Ng = 75,2 впг jкг. 64. 13,12 ч

7т = 69,7%; ?э = 52,3%. 66. ь = 69,2%; ь = 50,0%. 67. 7т = = 99,5%; 7Э tx 83,7%. 68. 7Э = 78,8%. 69,— 1,32в. 70. Еа = 1,379в; Еб=1,153в. 71. Еа = 1,188в; Еб= 1,094 в; Ев = 1 ,039 в; Ег = = 1,002 в; Ед = 0,901 в; равновесный потенциал реального электрода определяет реакция (д). 72. 9,1 мв. 73. При 18°С: ДГ8 = 74,3^в, ДУ4 = 37,2 мв; при —5°С: Д|/8=154лм, Д174 = 77 мв. 74. /?а = = 0,010 ом; Rq ~ 0,018 ом. 75. ПндЧ = 8,27 в; 1/'ыона2,33 в. 76. Изменение термодинамических функций, рассчитанное: а) по эк-

„ dE.

спериментальным величинам Е и -^р : для реакции (1) ДФХ = = — 73,3 ккал/моль; Д//1 = — 75,6 ккал/моль; Д^ = =— 7,75кал/град-моль; для реакции (2): ДФ2 =—84,4ккал/моль; АН 2 =—83,6 ккал/моль; Д52 = 2,63 кал/град-моль; б) по табличным данным: для реакции (1): ДФ1 = — 73,46 ккал/моль; АН*Х = =— 75,87 ккал/моль; ASt =—8,08 кал/град-моль; для реакции (2): ДФ2 =— 83,84 ккал/моль; АН2 =— 87,32 ккал/моль; Д52 = =— 11,7 кал/град-моль. Значительное несовпадение величии АН и Д5Э, рассчитанных для реакции (2) из электрохимических характеристик аккумулятора и из табличных данных, свидетельствует о более сложном протекании процесса на этой электрохимической стадии, чем это выражается реакцией (2). 77. Изменение термодинамических функций, рассчитанное: а) по экспериментальным величинам Е и -^ : ДФ1 = — 94,1 ккал/моль; АНх = — 75,4 ккал/моль; Д51 = 62,7 кал/град-моль; б) по табличным данным: ДФ2 = = — 94,14 ккал/моль; АН^ = — 75,7 ккал/моль, Д52 = = 61 ,84 кал/град-модь. 78. Еа = 1 ,17 в; Еб=1,Н5в, Ев = 0,891в; Ег=1,415в; Ед=1,42в. Э.д.с. - определяющими реакциями могут быть реакции (г) и (д). 79. 32,4°С. 80. Q* = 7,17 кал; Q^ = 40.2 кал. 81. Q^ — 54,2 кал; Q^ = 111 ,5кал. 82.= 49,1 ккал; Q^=81,4 кхал.

Q^ = 5,03 ккал; ^ = L59 ккал; Q® = 0,945 ккал.

Глава ill

ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ БЕЗ ВЫДЕЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

68,8 г/л. 114. ин =8,27 нм^/ч; £н = 0,744 кг/ч; ис1 = = 7,95 нм3/ч; g = 2 5,2 кг/ч; g = 28,З* кг/ч; ищсл = 202 л/ч.

iMclUrl

CNaC1 = 166 г/л; Kp = 55,2%; До = 0,85. 116. 107 л/ч- 117 ^N10H =2400 К8'»-''М «7С| =2700 квт-ч]т. 118. 258 г/«- 119. 0,359 в. 120. ^^ = 42,9 кг/ч; g = 1,082 кг/ч; g^ = = 38,2 кг/ч; ищс1 = 65 л/ч; §шсл = 95,8 кг/ч; §но = 52,9 кг1'с' Урассола = 26,2 л/мин. 121. gpT = 317 кг/мин или 23,5 л/мин. 122. Вт = 95,8%; №№ОН = 323Й квт-ч/т; 1F = 3630 кет ■ ч/т. 123. 121 ч. 124. 0,487 в. 125. IF _ = 2160 ‘кет • ч/т; W„ = NaOHCI 2

= 2430 кет • ч/т. 126. 33 600 ккал/ч. 127. 401 л/ч • ai2. 128. Вт = = 91,8%; Wg = 1890 кет • ч/т. 129. иэ = 765 л/ч; ия = 15,3 л/ч. 130. 33 400 ккал/ч. 131. Вт = 99,2%; №н =5,43 квт-ч/нм3 Н2; gQ =13,65 т или 9550 нм3. 132. 525 кг/ч.2133. 1,01 млн. ккал/ч. 134. 400 ванн. 135. 84%. 136. [H2SO4] = 260 г/л; [(NH4)2SO4] = = 213,5 г/л. 137. иэ = 782 л/ч; [H2SO4] = 192,5 г/л; [(NH4)2SO4] = = 55,5г/л. 138. 135,5нм3/ч. 139. 12 500квт-ч/т. 140. иэ= 1085л/ц; [H2SO4]=31,3 г/л; [(NH4)2SO4] = 227,9 г/л. 141. иэ = 52,1 л/ч; Wg = ^,12 квт-ч/кг; т = 5,35 кг NaCl. 142. т = 273 ч; [NaC103] = = 408 г/л; gNaCIO = 251 кг; Wg^^,13 квт-ч/кг; ^NaC1 = 0,757кг. 143. Вт = 84,8%; Wg = 7,3 квт-ч/кг; [NaCl] = 186 г/л. 144. и„ач = = 371 л/ч; vKo» = 324 л/ц; U7^ = 7,12 квт-ч/кг; [NaCl] = 175 г/л. 145. Вт = 82,2%; Wg = 3470 квт-ч/т. 146. т = 148 ч; [NaClO4] = = 823 г/л; 1^^ = 3000 квт-ч/т. 147. ^перборат — 3030 кг в месяц; £бура — 41,5/сг; 1^=3610 квт-ч/т. 148. т = 27,1 ч; [K4Fe(CN)6] = = 45,2 г/л; 117^ = 271 квт-ч/т. 149. т = 48,4 ц; Wg = 948 квт-ч/т; [КОН] = 195,5" г/л. 150. Вт = 53,6%; £КМп0 = 163 кг; Wg = = 980 квт-ч/т; [КОН] = 196,7 г/л; Вв = 91,2%. *151. ^ Q = 76,2 кг в сутки; ^<,= 1515 квт-ч/т; т = 84,5 ц. 152. инач = 10,75 л/ч; £Сг0 =1,27 кг/ч; 117^ = 3,31 квт-ч/кг; [Cr2(SO4)3] = 26,4 г/л; [СгО3] = 127 г/л; [H2SO4] = 455,5 г/л. 153. Вт = 87,6%; Wg = = 1930 квт-ч/т. 154. 45,7 квт-ч/т. 155. gf = 28,3 кг в сутки; 117^= 1760 квт-ч/т; v^ =33,5 л/ч. 156. Вт = 62,1%; Wg = = 15 200 квт-ч/т. 157. Вт = 52,8%; 117^ = 17 500 квт-ч/т. 158. 26 ванн.

Глава IV

ГАЛЬВАНОТЕХНИКА

32,2 мин. 195. ^ = 3,08 г; о = 16 мк. 196 Вт = 92%; / = — 2,11 а. 197. та = 37,9 мин; т$ = 25 мин. 198 т = 18,8 мин; Ws = 0,940 квт-ч/м2; Вт = 40% 199 g = 1097 г/м2; 6 = 157 мк. 200. та=-30,5 мин; тб = 8,25 мин. 201. Вт = 90,5%; v^ = 167 мл; 6=108 мк. 202. g =20,0 г; т = 235 мин; tn =315 г/м2.

6 Си Ag

т = 22,5 мин; т = 0,579 г/дм2. 2 04. Вт = 30,6%; 6 = 7,07 мк. 205. 47 600 м2 в год. 206. п = 4; К3 = 0,847. 207. L = 4,58 м; тп = 2,3 мин; SH = 298 м2 в сутки; / = 2220 а. 208. L = 4,8vii; tn = 2,9 мин; Sn = 157 м2; /= 1510а. 209. и = 2,90 м/мин; Р = = 1,745-107 Л! в год; / = 965 а. 210. 26,4 м. 211 т = 6\Лг/м2 покрытия; gCr0 =566 г/ч. 212. т = 102,1 г/м2; Рразл = 97,0%. 213. т = 12,14г3/-^2; Рразл = 74,2%. 214. 77,1 г/м2. 215. Sa = 1280м2; S6 = 2560 ^2.216. 115,5 ч. 217. 42,1 мин. 218. 2,48 ч. 219. 15 мин. 220. 74,7%. 221. 93,8%. 222. Д/^ = 30,4%; Д/Рв =69,6%. 223. /Zn~90 а; Цп~5\0а. 224« 52,3%. 225. 1215 загрузок. 226. 79%. 227. В® = 60,7%; В® = 32,3%; В° = 7,0%. 228. 4,05мк. 229. 18,44мк. 230. 1F = 667 квт-ч/м2; исм = 6,27 л]мин. 231. 89,7%. 232. 0,445 об/ч.

233.172 ч. 234. 13,7%. 235,—14,8%. 236.— 1,24 в. 237. 0,2046 олт* X Хсм"^. 238. AVa =0,875 в; AV6= 1,315 в. 239. 8,11 в. 240. 5,17в. 241. 11,6 в. 242. 2220 ккал/ч. 243. 6430 ккал/ч. 244. 2320 ккал/ч. 245. SMHH = 550 мм2.

Глава V

ГИДРОЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ

Вт = 94,6%; Wg = 260 квт-ч/т. 263. 91,8 кг. 264. g^ = 313 кг; 6 = 37,4 мм. 265. Д [CuSO4 • 5НоО] = + 0,665 г/л; Д [H2SO4] =—0,261 г/л. 266. [CuSO4] = 62,5 г/л; [H2SO4] = = 174,8 г/л; и =2,03 нм?/ч. 267. т^25,6 суток; g= 188,5 кг. 268. [Си2+] = 242,6 г/л; [H2SO4] = 37,1 г/л; Wg = 2430 квт-ч/т. 269. п = 32 ванны; 1^я= 1860 квт-ч/т; тан = 27,5 ч; [Си2+]кон = = 13,5 г/л; [H2SO4]KOh = 127,7 г/л. 270. ^ = 82,5 кг; 6= 15,2 мм; ^=113 квт-ч/т. 271. ^ = 5,1 кг; т = 4,27 ч; Wg = 956 квт-ч/т.

272 L-a = 7,62 л,'ч; г6= 10,45 а/ч. 273. 49,2 г/л. 274. ~ 19 ч. 275. 39,6 кг. 276. g = 236 кг; 6 = 41,6 лиг. 277. 1,52 в. 278. ~ 61,2 С. 279. 2650 квт-ч,т. 280. ^ан — 8,56 кг/ч; g^. -"6,5 кг/ч; g^ = = 2,26 кг/ч; т 550 ч; \V^Ar = 3410 квт-ч/т. 281 пх = 645 ванн; /z2 = 5 серий; U7,r - 3470 квт-ч/т. 282. £^8,6 кг; 6=1,84 лми 283. 0,76 об/ч 2 84. Д = 5,2%; g = 607 кг; у =1,94 нм^/ч.

МпО2 О2

285. 0,275 в 286. 8600 ккал/ч. 287. QT = 8840 ккал/ч; тио = = 0,803 мА/ч; т^0 = 60,8 м2/т Zn. 288. £а = 2,022 в; Eg = 2,132 в; Ев — 1,654 в; 117 а = 1655 квт-ч/т; U76 = 1745 квт-ч/т; WB = = 1355 квт-ч/т. 289. иэ = 553 л/ч; \Vg = 3370 квт-ч/т. 290. т = = 118 ч; [Н.,ЗО41 = 167,3 г/л. 291. 6 = 0,23 лиц ^=1,31 кг; U7^= 1410 квт-ч/т. 292. ^ = 5,82 кг; g^ =11,2 кг; Wg = = 92,8 квт-ч/кг хрома. 293. ^ = 31,0 кг; Wg— 17,4 квт-ч/кг 294. 77,5%. 295. 91,0% 296. 1,81 в. 297. ^=10,7 т; № = = 512 тыс. квт-ч; g =5,4 т; D =0,9 аЕммЧ

Al Al

Глава VI

ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСПЛАВЛЕННЫХ СРЕД

317. ^=163 т; Wg = 16 100 квт-ч/т. 318. т = 338 ч; т = = 0,683 т/т AL 319 141 000 ккал/ч. 320. 199 тыс. ккал. 321. 20 200 квт-ч/т 322. Вт = 85,8%; Wg~\^ тыс. квт-ч/т 323. /г = 64 ванны; V = 422 в. 324. 1,91 в. 325. 9,04 кг/т b\g. 326. Вт = 51,5?о. Wg « 11 300 кет - ч/т Na. 327. U7TCOp = = 2620 кет-ч/т Na; Вэ = 23,4% 328. 7,8 т. 329. п = 74 ванны; V = 528 в. 330. ^ = 161 т; g^ = 248 т; Wg = 10 850 кет-ч/т Na. 331. 2,36 в. 332. 52 500 ккал/ч. 333. ^ = 3,45 т в сутки; Wg = = 690 кет -ч/т 334. ВТ = 9О,О?6; Wg = 30 450 квт-ч/т Li; т = = 6,41 кг/кг Li. 335. ^спл = 32,9 кг в сутки; В^1 = 44,1%; В^а = = 45,9^о; 117^= 19 900 квт-ч/т сплава; £Распл = 124,5 кг; pL = = 42,3%; PCaC12 = 57,7?G 336. ^ = 26,9 кг; ^ЛИГ = 791* кг 337 Вг = 87%;2 ^с1 =170,5 кг". 338. Вт = 64,5%; Wg = = 81,2 квт-ч/кг; g^cJ = 12,1 кг. 339. ^т. =80,3 кг; gT{C1 = 14,75 кг/ч

ПРИЛОЖЕНИЯ

Прил ожение 1

Атомные веса некоторых элементов

Элсмен!

Химический символ

Атомный вес

Элемент

Химический символ

Атомный вес

Азот . . .

N

14,0067

Медь . . . .

Си

63,54

Алюминий

А1

26,9815

Молибден . .

Мо

95,94

Барий . . .

Ва

137,34

Мышьяк . .

As

74,9216

Бериллии

Be

9,0122

Натрий . . .

Na

22,9898

Бор . . . .

В

10,811

Никель . . .

Ni

58,71

Бром . . .

Вг

79,909

Олово . . . .

Sn

118,69

Висмут . .

Bi

208,980

Палладий . .

Pd

106,4

Водород . .

Н

1,00797

Платина . . .

Pt

195,09

Вольфрам

W

183,85

Ртуть . . . .

Hg

200,59

Галлий . .

Ga

69,72

Свинец • . .

Pb

207,19

Германий

Ge

72,59

Селен . . • .

Se

78,96

Железо . .

Fe

55,847

Сера . . , .

S

32,064

Золото . .

Au

196,967

Серебро . . .

Ag

107,870

Индий . . .

In

114,82

Стронций . .

Sr

87,62

Иод . . .

I

126,9044

Сурьма . , .

Sb

121,75

Кадмий . .

Cd

112,40

Таллий . . .

T1

204,37

Калий . .

К

39,102

Теллур . , .

Те

127,60

Кальций . .

Ca

40,08

Титан . . . .

Ti

47,90

Кислород

0

15,9994

Углерод . . .

C

12,01115

Кобальт . .

Co

58,9332

Фосфор . . .

P

30,9738

Кремний

Si

28,086

Фтор . . . .

F

18,9984

Литий . . .

Li

6,939

Хлор . • . .

Cl

35,453

Магний . .

Mg

24,312

Хром , . . .

Cr

51,996

Марганец

Mn

54,9381

Цинк . . . .

Zn

65,37

Приложение 2

Электрохимические эквиваленты простых веществ

Элемент

б

q

г (a • ч '

племенi

б

- 2

ч x S

q

г/a • ч

Алюминий

AI

3

0,3355

Мышьяк

As

3

0,932

Барий

Ва

2

2,56

Иатрий

Na

1

0,858

Бериллий

Be

2

0,168

Никель

Ni

1

2,19

Бром

Вг

1

2,98

2

1,035

Водород

И

1

0,0376

Олово

Sn

2

2,21

Вольфрам

W

6

1,143

4

1,105

Железо

Fe

2

1,042 '

Палладии

Pd

2

1,985

3

0,695

Платина

Pt

4

1,82

Золото

Au

1

7,35

Ртуть

Hg

1

7,70

3

2,45

2

3,35

Индий

In

3

1,427

Свинец

Pb

2

3,87

Иод

1

1

4,73

Сера

S

4

1,935

5

0,946

2

0,600

Кадмий

Cd

2

2,10

Серебро

Ag

1

4,025

Калий

К

1

1,459

2

2,012

Кальций

Ca

2

0,747

Сурьма

Sb

3

1,515

Кислород

О

2

0,298

Титан

Ti

5

0,909

Кобальт

Co

2

1,099

4

0,446

Литий

Li

1

0,259

Фтор

F

1

0,709

Магний

Mg

2

0,454

Хлор

Cl

1

1,325

Марганец

Mn

1

2,05

2

0,662

2

1,025

6

0,2207

4

0,512

Хром

Cr

3

0,647

7

0,293

6

0,323

Медь

Cu

1

2,37

Цинк

Zn

2

1,22

2

1,185

Нормальные электродные потенциалы в водных растворах при + 25 С

(по отношению к нормальному водородному электроду)

Потен циалопрсдсляющая

реакции

«Ро, в

Ag+ +7^ Ag

AgCl ^Ag + Cl- 2AgO-i H2O + 27^ Ag.O + 2OH- Ag.,0 + H2O + 27?* 2Ag -1 2OH-

Al:!+ + 37ч*Л1

HAsO2 + 3H+ + 37чЬ As + 21I..0

Au(CN)^" + e ч± Au + 2CN- Ba2F + 27ч* Ba

Ca2 * + 2e 7* Ca

Cd2+ + 27ч* Cd

Cd(CN)2~ + 27 ч* Cd + 4CN~

+0,799 +0,222

+ 0,57

4 0,314

-1,67 +0,2475

-0,60

—2,90

—2,87

—0,402

-0,90

Cd(OH)2 + 27чк Cd + 2OH- CdO + H2O + 27ч± Cd + 2OH- ’

—0,809

С13 + 27ч±2С1-

C1O- + H2O + 27ч* Cl- + 2OH- HCIO + H+ + 2e ч* Cl" + H2O сю^-+бн+ + б?^с1- + зн2о

+ 1,359

+ 0,94

+ 1,49

+ 1,45

Погенциалолределяющая реакция

?о» в

С107 + Н20 + 275* С107 + 20Н-

4-0,17

Со2+ 7 2Гц±Со

-0,277

Сг3^ + ЗГ^Сг

-0,71

Cr2O|~ + 14Н+ + б7^2Сг3+ + 7Н2О

+ 1,36

Си2+ + 2<Г^ Си

4-0,345

Си4 + е ^ Си

+ 0,522

Си2 + 4* ^ ^ Си+

+0,167

СиС1 + 7^ Си 7 С1~

+0,124

Си21 + СГ + 7^ СиС1

+0,566

2Си(ОН)2 727^ Си2О + 20Н- 7 Н2О

-0,080

2СиО + Н.0 7 27 5* Си2О 7 20И~

-0,165

Си(ОН), + 27^t Си + 2ОН-

-0,224

СиО 7 Н2О + 2е7ьСи + 2ЭН*

—0,257

Си2О + Н2О +27ч± 2Си +2ОН-

-0,358

F2 + 2e5*2F-

+2,85

Fe2+ + 27^ Fe

—0,44

Fe3+ + 37^Fe

-0,036

Fe(CN)|- +7^ Fe(CN)^-

+0,36

Fe(OH), +_27^t Fe + 2011'

-0,877

Fe(OII)3 +e ^ Fe(OH)2+ OH"

-0,56

2H+ +27^:H2

0,0

2H2O + 27^> H2 + 2OH-

—0,828

Потенциалопределяющая реакция

?o< в

HgO + Н2О + 27^ Hg + 2ОН-

In3+ + Зе^ In l2 4-27^21- 2107 + 12н+ + 10^ Ь +6Н2О

К+ + 7г* К

Li+ + е 5* Li

Mg2+ + 27^ Mg

Mn07 4- e<t MnO4"~

MnO2 4- 4H+ 4- 27^Mn2+ 4- 2H«O

Na+ 4- e^ Na

Ni2+ 4- 2e^Ni

NiO2 4- 2H2O 4- 27^ Ni(OH)2 4- 2ОН"

O24-4H+ 4-47^2Н2О

O2 4- 2H2O 4- 47^ 4OH-

Pb2+ 4- 27^ Pb

PbO2 4- 4H+ 4- 27th Pb2+ 4- 2H2O

PbO2 4- SO^_4- 4H+ 4-27^ PbSO4 4- 2H2O

PbSO4 4- 27^: Pb 4- SO42-

S2O82- 4-27^2SO2“

2HSO7 4- 2H+4- 27^ S2O2- 4- 2H2O

+0,098 +0,342

+0,5345 + 1,195 —2,92

-2,96

-2,34 +0,54

+ 1,28

—2,71

-0,25 +0,49

+1,229 +0,401

—0,126 + 1,46 +1,67

-0,35 +2, Oo

0,0

Потен циалоп реде ляющаяреакция

Sn2+ + 2<? 5* Sn

HSnO^ 4- Н.,0 + 2"ё ♦► Sn 4- ЗОН"Sn(OH)*- + 27^ HSnO2"+3OH- + Н2О

Zn2+ + 27^ Zn

Zn(CN)^- 4- 7e^* Zn 4- 4CN”

Zn(OH)2- 4- 2?5> Zn 4- 4OH”

Zn(NH3)2+ + 27 ^ Zn + 4NH3(b)

^о, в^о, в—0,136-0,79—0,96—0,76 — 1,26— 1,216 — 1,03—0,136-0,79—0,96—0,76 — 1,26— 1,216 — 1,03Приложение 4

^о, в

^о, в

—0,136

-0,79

—0,96

—0,76 — 1,26

— 1,216 — 1,03

—0,136

-0,79

—0,96

—0,76 — 1,26

— 1,216 — 1,03

Плотность некоторых металлов

Металл

d, г(смх

Металл

d, гслО

Алюминии . . .

^Л

Магний . . . .

1,74

Барий

Марганец . . .

7,42

Бериллий . . . .

1,84

Медь

8,9

Ванад ш

5,69

Натрий . . . .

0,971

Висмут

9,75

Никель . . . .

8,9

Вольфрам . . . .

19,0

Олово

7,3

Железо

7,8

Палладий . . .

12,16

Золого

19,3

Платина . . . .

21,37

Индий

7,3

Ртуть

13,5

Кадмий

8,65

Свинец

11,3

Кал in

0,87

Серебро . . . .

10,5

Кальций . . . .

1,55

Титан

4,5

Кобальт

8,71

Хром

7,0

Литий

0,531

Цинк

7,14

Термодинамические функции

Вещество

АФ ккал/моль

АН ккал/моль

S

кал /граи х Хлюлб

АНР при растворении и разбавлении, ккал/моль

Ag (тв)

0

0

10,2

—

AgCl (тв)

—26,22

—30,36

22,97

—

Ag2O (тв)

-2,59

-7,3

29,09

—

AgO (тв)

4-2,6

-3,15

—

—

А12О3 (тв)

-376,8

—399,1

12,19

—

Cd (тв)

0

0

12,3

—

Cd(OH)2 (тв)

-112,46

-133,26

22,8

—

СгО3 (тв)

—

—136,0

—

-2,45

СгОд-НоО (тв)

-178,5

—213,3

17,5

—

Си (тв)

0

0

7,96

—

Си2О (тв)

-34,98

—39,84

24,1

—

СиО (тв)

-30,4

-37,1

10,4

—

Си(ОН)2 (тв)

-85,3

— 107,2

—

—

Н2(г)

0

0

31,21

—

НС1 (г)

-22,77

—22,06

44,64

-17,0

Hg (ж)

0

0

18,5

—

HgO (красн.)

-13,99

—21,68

17,2

—

Н2О (ж)

-56,69

—68,32

16,72

—

H2SO4 (ж)

-177,31

—193,91

4,1

-17,0

Mg (тв)

0

0

7,77

—

MgCl2 (тв)

-141,57

-153,4

21,4

-34,0

MgO (тв)

— 136,13

—143,84

6,4

—

Примечание. Величины изменения энтальпии при растворении приводятся

Приложение 5

растворов, которыерастворов, которыенекоторых веществ (при 25° С, 760 мм ptn. ст )

растворов, которые

растворов, которые

Вещество

ДФ ккал!моль

Ml ккал моль

S ккал граду У МОЛ'-

при растворении и раз- бам^ыии, ккал моль

МпО (тв)

-86,8

—92,0

14,4

Мп(ОН)2 (тв)

-145,9

—165,8

21,1

—

Мн2О3 (тв)

—212,3

—232,1

22,1

—

Мп(ОН)3 (тв)

-179

— 189

22,2

—

МпО2 (тв)

—111,4

— 124,5

12,7

—

MnSO4 (тв)

—228,48

—254,24

26,8

-13,7

NaCl (тв)

—91,78

—98,2

17,3

+0,46

(NH4)2SO4 (тв)

—215,19

-281,9

52,65

+ 1,5

(NH4)2S2O8 (ТВ)

—

—396,4

—

+ 8,6

Ni(OH)2 (тв)

-108,3

— 128,6

19

—

Ni(OH)3 (гв)

-129,5

— 162,1

19,5

—

О2 (г)

0

0

49,0

—

РЬ (тв)

0

0

15,5

РЬО2 (тв)

—52,34

—66,12

18,3

—

PbSO4 (тв)

— 193,89

—219,5

35,2

—

Zn (тв)

0

0

9,95

—

ZnO (тв)

—76,05

—83,17

10,5

—

Zn(OH)2 (тв)

— 132,6

— 153,5

19,9

—

ZnSO4 (тв)

—208,31

—233,88

29,8

-18.0

ZnSO4-7H2O (тв)

—611,9

1

1

—735,1

92,4

и разбавлении взягы для тех

концентраций

в задачах.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие 3

Основные условные обозначения 5

Глава I. Электрохимическая терминология, используемая в расчетах 9

Г лава II. Химические источники тока 25

Глава III. Электролиз водных растворов без выделения металлов 89

Глава IV. Гальванотехника 144

Глава V. Гидроэлектромет<*лл\ргня 203

Г лава VI Электролиз расплавленных сред 244

Использованная литература 274

Рекомендуемая литература 275

Приложения 284

* Парахинондиоксим.

f1 = DKS = 5400-0,01 = 54 а.

б) Время протекания ртути через ванну

Q 0,852

т = -у- = ~с7~ = 0,0158 ч = 56,8 сек.

2,82-0,80== 0,672-0,80 + 0,336-0,20 ;

£н2О ~ ЮЗ/сг.

5) Длнгелыюсгь рабочего цикла ванны

5m,,so4380100

т =— =— 169 ч.

5) Часовая производительность ванны

5U ~ S^n = 80- И, 6 = 928 йч2 = 9,28 л/2.

6) Количество электричества, проходящее через ванну за 1 ч3,46

Q = Л = 1-хп = 4000—^— 11,6 = 2680 а-ч.оО

7) Нормальный объем водорода, выделяющийся в ванне за 1 чун, == <7h2Q(1 - B?r - ВГл) =

=0,418-2680(1 —0,15—0,05) = 897 л,где ^н —электрохимический эквивалент Н2, л/а-ч,