Электролиз – это явление выделения вещества на электродах при прохождении через электролит тока, процессы окисления и восстановления на электродах, сопровождающиеся приобретением или потерей частицами вещества электронов.
Электролизёр – это ванна, в которой процесс идёт с поглощением электрической энергии.
Принцип действия:
Рис. 1.1.
Основными элементами установки являются: электролит 1, электроды 2 и источник питания 3.
Напряжение на электролизной ванне (U) состоит из трёх составляющих:
U = U1 + Uак + Uэ, (1.1)
Uак – приэлектродное напряжение;
Uэ – напряжение в электролите.
Мощность, выделяющаяся в электролизной ванне (Рэв), определяется выражением:
Рэв = I(U1 + Uа + Uк + Il/σ), (1.2)
где I – ток в ванне, А;
Uа,Uк – падение напряжения на аноде и катоде, В;
l – расстояние между электродами, м;
σ – удельная проводимость электролита, 1/(Ом·м).
Только часть этой мощности расходуется на разложение вещества. Остальная мощность идёт на нагрев электролита и транспортировку ионов через раствор. Эффективность электролизного процесса оценивается выходом по энергии (Аэ, %).
Аэ=α·(Ат/U)·10 2 , (1.3)
где α – электрохимический эквивалент вещества;
Ат – выход металла по току, г/Дж;
U – напряжение на электролизёре, В.
Выход металла по току – это количество металла (г), выделяемое на единицу затраченной энергии (Дж).
Интенсивность процесса определяется электродной плотностью тока
jэ = I/S, (1.4)
где I – ток, А;
S – площадь погружённой в электролит части электрода, м2.
Около поверхности электродов образуется двойной электрический слой, который противодействует подходу и выходу ионов. Для ослабления противодействия применяются:
Циркуляция электролита, для выравнивания температуры;
Вибрация электродов;
Импульсный источник питания.
Электролиз является одним из видов технологических процессов. Сущность его заключается в выделении из электролита при протекании по нему постоянного тока частиц вещества и в осаждении их на погружённых в электролит электродах (электроэкстракция) или переносе вещества с одного электрода через электролит на другой (электролитическое рафинирование).
Электролиз применяется:
В цветной металлургии для получения лёгких металлов (алюминия, магния, кадмия и др.) и рафинирования тяжёлых металлов (меди, серебра, золота, никеля, свинца и др.);
В электрохимии для получения хлора, водорода, тяжёлой воды,
кислорода, фтора, калия, натрия и др.;
В машиностроении для нанесения защитных и декоративных покрытий металлических и неметаллических изделий (цинкование, никелирование, кадмирование, свинцевание, меднение, хромирование, серебрение, оксидирование и др.);
В чёрной металлургии для лужения жести и электролитической очистки.
В металлургии используется две разновидности электролиза: электролиз водных растворов и электролиз расплавленных солей. Первый применяется для получения и электролитического рафинирования металлов с низким нормальным потенциалом (цинк, хром, олово, никель, свинец, серебро) и осуществляется при температуре не выше 100 С, второй – для получения металлов с высоким нормальным потенциалом (магний, алюминий, щелочноземельные металлы) при температуре около 1000 С.
Электролиз проводится в специально оборудованных ваннах - электролизёрах. Напряжение на ванне составляет несколько вольт, а токи достигают десятков и сотен тысяч ампер. В целях экономичной канализации больших токов одинаковые ванны соединяются в серии последовательно, соответственно напряжению преобразовательной установки.
Изменение электрического сопротивления ванн из-за нагрева электролита, изменения его химического состава, утечек тока, нарушений нормального режима эксплуатации, вывода из работы отдельных ванн серии, а также изменений напряжения питающей сети вызывает необходимость регулирования электрических параметров. Для обеспечения заданной производительности электролизной установки применяют автоматическое регулирование напряжения, мощности и силы тока серии. Наиболее распространённым способом регулирования является поддержание постоянства силы тока серии.
В цветной металлургии к наиболее мощным установкам электролиза относятся серии ванн для получения алюминия и магния. Для получения алюминия используют электролизёры напряжением 4–5 В и токами 100–150 кА, напряжения серий составляет 450–850 В. Режимы работы электролизных установок продолжительные и непрерывные. При выводе отдельных ванн в ремонт они шунтируются специальными шинами. По категории надёжности установки относятся к первой категории. Некоторые из них, например установки электролиза алюминия, благодаря большой теплоёмкости ванн, допускают кратковременные (на несколько минут) перерывы, но длительная остановка может привести к застыванию электролита и значительному расстройству технологического процесса, на восстановление которого может понадобиться до 10 суток.
В электрохимии используются электролизёры с напряжениями от 2 до 10–12 В, а в некоторых случаях до 10–220 В (установки для разложения воды, выполненные по принципу фильтр-пресса, в которых все электроды соединяют последовательно). Напряжения серий ванн принимаются 150–850 В. При электролизе хлора ток ванн составляет 100–190 кА. Режим работы установок электрохимии непрерывный. Установки электрохимии относятся к первой категории надёжности. Для установок хлора особенно опасны перерывы в электроснабжении в периоды пуска.
В установках металлопокрытий напряжение ванн колеблется от 3,5 до 9–10 В и максимально 25 В. Токи ванн меняются в пределах 0,1–5 кА и выше. В большинстве случаев требуется регулирование величины тока в широких пределах. Различие в режимах работы отдельных ванн не допускает последовательного их включения. Ванны чаще всего питаются от общих магистралей напряжением 6–12 В через индивидуальные регулировочные реостаты. Установки металлопокрытий, используемые в поточных автоматических линиях, относятся к приёмникам первой категории, отдельные ванны – ко второй категории. Суммарная мощность преобразовательных установок в цехах металлопокрытий составляет 50–200 кВт. Источником питания их являются цеховые сети напряжением 380 В. Режимы работы установок циклические, связанные с загрузкой изделий в ванны и их разгрузкой.
Для промышленного электролиза применяют постоянный ток. Наряду с традиционными методами ведения электролиза на постоянном токе, применяют режимы, связанные с использованием токов сложной формы, периодическими изменениями постоянного тока. Питание установок электролиза постоянным током производится от генераторов постоянного тока, в том числе и униполярных, и от статических полупроводниковых преобразовательных агрегатов.
Преобразовательный агрегат состоит из силового трансформатора, одного, двух или четырех выпрямительных блоков, а также коммутационной, управляющей и вспомогательной аппаратуры (защита, сигнализация). Агрегаты с выпрямленным током до 6,25 кА имеют вентильный трансформатор с одной вторичной обмоткой, при токе 12,5 кА – с двумя, при токе 25 кА – с четырьмя обмотками и соответственно с одним, двумя и четырьмя выпрямительными блоками (рис. 1.1).
Рис. 1.1.
Для преобразовательных агрегатов применяются шестифазная нулевая схема с соединением вторичных обмоток трансформатора по схеме «две обратные звезды с уравнительным реактором» (рис. 1.2 а) и трёхфазная мостовая схема (рис. 1.2 б). Преобразовательные агрегаты малой мощности собираются по трёхфазной нулевой схеме (рис. 1.2 в).
Рис. 1.2.
Большинство электролизных установок требуют регулирования напряжения выпрямленного тока. Необходимость изменения напряжения на зажимах электролизной серии в нормальном режиме ее работы определяется следующими причинами:
а) изменением напряжения в питающей сети переменного тока;
б) изменением количества ванн в электролизной серии вследствие вывода некоторого количества ванн в ремонт либо шунтирования по технологическим причинам;
в) изменением режима работы ванн, в частности, при изменении силы тока или межэлектродного пространства.
В пусковых режимах электролизных установок обычно требуется регулирование напряжения в широких пределах. Причинами этого являются, во-первых, то обстоятельство, что серия электролиза, как правило, пускается не целиком, а частями или даже отдельными ваннами. Во-вторых, пусковой режим работы ванны может существенно отличаться от нормального рабочего. Так, например, алюминиевые ванны перед пуском обжигаются (без электролита) и на них бывает пониженное напряжение, зато в первый период после пуска напряжение на ваннах держится более высоким, чем в нормальном режиме.
Поэтому регулирование напряжения осуществляется двумя способами:
1. ступенчато преобразовательным трансформатором (ТДНПВ – трёхфазный, Д – дутьевое охлаждение, Н – с РПН, ПВ – преобразователь вентильный; ТМНПУ-У – с уравнительным реактором);
2. плавное регулирование осуществляется дросселем насыщения (ДН–6300, предел регулирования 49 В).
В преобразовательных подстанциях каждый вентиль защищается быстродействующим предохранителем.
Быстродействующий предохранитель обладает токоограничивающей способностью, т. е. время плавления FU значительно меньше, чем время нарастания тока к. з. до максимального значения.
В составе преобразовательной подстанции имеются: РУ переменного тока, преобразовательные агрегаты и РУ выпрямленного тока. От РУ переменного тока, помимо агрегатов и трансформаторов собственных нужд преобразовательных подстанций, в ряде случаев питаются и другие потребители электроэнергии предприятия.
Для компенсации реактивной мощности, генерируемой преобразовательными установками, используются продольная емкостная компенсация, резонансные фильтры, многофазные схемы выпрямления и компенсационные выпрямительные агрегаты.
Преобразовательные подстанции, питающие электролизные установки по производству алюминия, магния и хлора характеризуются значительным количеством параллельно работающих выпрямительных агрегатов и большой мощностью.
Выпрямительный агрегат является источником высших гармоник тока и напряжения, вызывающих ухудшение коэффициентов мощности и дополнительные потери электроэнергии, а также помехи в каналах связи и телевидения. Степень влияния высших гармоник обратно пропорциональна числу фаз выпрямления. С ростом мощности агрегата влияние увеличивается.
Увеличение числа фаз выпрямления приводит к исчезновению гармонических составляющих порядка ниже – 1.
Увеличение числа фаз выпрямления достигается специальным выполнением обмоток либо созданием эквивалентного многофазного режима для групп агрегатов, каждый из которых работает в шестифазном режиме выпрямления. В качестве оптимальной принята двенадцатифазная схема выпрямления.
Для других производств, имеющих электролизеры на меньший ток, характерна работа одиночных агрегатов на каждую электролизную серию.
При небольшом количестве (2–4) агрегатов РУ переменного тока подстанции обычно имеет одиночную секционированную систему шин (рис. 1.3).
Рис. 1.3.
При большом числе преобразовательных агрегатов предпочтение отдается РУ с двойной системой шин (рис. 1.4).
Рис. 1.4.
Двойная система шин предпочтительна так же по условиям обеспечения пусковых режимов. Для большинства электролизных установок в пусковом режиме требуется регулирование выпрямленного напряжения в значительных пределах. Если выпрямительные агрегаты не могут обеспечить необходимого диапазона, то для дополнительного снижения напряжения временно, на пусковой период, устанавливают понижающий трансформатор. При двух системах сборных шин на одну из них через автотрансформатор подается пониженное напряжение, необходимое для преобразовательных агрегатов, а на другой системе шин поддерживается нормальное напряжение, необходимое для других потребителей электроэнергии.
Преобразовательные подстанции большой мощности обычно получают питание от понижающих трансформаторов 220/10 кВ мощностью 180–200 МВА, имеющих на стороне низшего напряжения расщепленные обмотки. Для уменьшения токов к. з. на шинах 10 кВ применяют раздельную работу расщепленных обмоток.
Высокие требования к бесперебойности питания электролизных установок вынуждают применять в системах их питания повышенное резервирование, которое достигается за счет секционирования всех звеньев системы электроснабжения, применения двойной системы сборных шин, установки секционных выключателей с устройством АВР.
Преобразовательные агрегаты мощных электролизных установок присоединяют к серии непосредственно без коммутационной аппаратуры. Установки сравнительно небольшой мощности подключают с использованием автоматических выключателей, являющихся одновременно и защитной аппаратурой агрегата. Сильноточная коммутационная аппаратура применяется так же при подпитке током серий или отдельных электролизеров, шунтировании ванн при гашении анодных вспышек, выводе их в ремонт и т. п.
Быстродействующие автоматические выключатели серии ВАБ и ВАТ используются для оперативных отключений без нагрузок и редких отключений под нагрузкой. Они состоят из унифицированных узлов-блоков, укомплектованы однотипными реле и блоками управления. Выключатели серии ВАТ отличаются от серии ВАБ наличием индукционно-динамического привода. Быстродействие привода обеспечивается тем, что удерживающий магнитный поток вытесняется в параллельный участок магнитной цепи.
К электролизным ваннам ток от источников питания подводится по специальным шинопроводам, состоящим из собранных в пакеты отдельных прямоугольных шин. Обычно шинопроводы выполняются из алюминиевых шин, медь применяется только там, где алюминий непригоден вследствие его малой антикоррозионной стойкости.
Сечения шинопроводов определяют, исходя из экономической плотности тока. Рассчитанное сечение шинопровода затем проверяют на допустимое значение потерь напряжения (не более 3 %), допустимый нагрев в установившемся режиме (не выше 343 К) и на механическую прочность.
Поскольку рабочие токи электролизных ванн достигают десятков и сотен килоампер, сечение шинопровода также получается большим – до 15 дм2.
Шинопроводы, подводящие электроэнергию от выпрямительной подстанций к электролизному цеху, монтируются на специальных эстакадах. Между отдельными электролизными ваннами внутри цеха шинопроводы прокладывают в специальных шинных каналах, закрытых железобетонными плитами.
Особенности преобразовательных подстанций:
1. Все преобразовательные агрегаты на подстанции работают параллельно на одну систему выпрямленных шин;
2. Количество трансформаторов на мощных преобразовательных подстанциях может достигать 10–11 штук;
3. Преобразовательные подстанции, располагаются в непосредственной близости от корпуса электролиза и выполняются в виде пристроенных или отдельностоящих.
Пристроенные подстанции:
«+» – малая длина токопровода со стороны выпрямленного тока (снижение потерь);
«–» – ухудшение условий охлаждения.
Отдельностоящие подстанции: всё наоборот.
Выводы: электролиз - физико-химический процесс, который возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита. Электролиз применяется в цветной и черной металлургии, в электрохимии и машиностроении
ЭЛЕКТРОСПЕЦ
ЭЛЕКТРОСПЕЦ
Электрохимические и электрофизические установки,электролизные установки
Электролиз
- это явление выделения вещества на электродах
при прохождении через электролит тока, процессы окисления и восстановления на
электродах, сопровождающиеся приобретением или потерей частицами вещества
электронов.
Электролизер
- это ванна, в которой процесс идет с поглощением
электрической энергии.
Принцип действия можно рассмотреть на схеме электролизера с анодным растворением
и катодным осаждением (рис. 1.3-1)
.
Основными элементами установки являются: электролит (1), электроды (2) и
источник питания (3).
Напряжение на электролизной ванне (U) состоит из трех состааляющих:
Около поверхности электродов образуется двойной электрический слой, который
противодействует подходу и выходу ионов. Для ослабления противодействия
применяются:
- циркуляция электролита, для выравнивания температуры;
- вибрация электродов;
- импульсный источник питания.
В промышленности электролиз металлов и исходная среда определяются электрическим
потенциалом выделяемого металла.
Металлы с положительным потенциалом выделяют из твердой черновой основы путем ее
растворения (например, медь с потенциалом «+0,34 В»).
Металлы с отрицательным потенциалом больше выделяют из растворов их солей
(например, цинк с потенциалом «-0,76 В»).
Металлы с отрицательным потенциалом меньше выделяют из расплавов их солей
(например, алюминий с потенциалом «-1,43»).
Примечание - Потенциалы металлов определены по отношению к «водороду», у
которого электрический потенциал равен «нулю».
Электролиз меди
применяется для получения чистой
электролитической меди из черновой (полученной после плавки в печах) и дли
извлечения ценных металлов, находящихся в ней.
Процесс ведется в электролизных ваннах.
Анодом является литая черновая медь в виде плит толщиной 35...45 мм и массой
около 300 кг.
Катодом является электролитическая (чистая) медь в виде пластин толщиной
0,6...0,7 мм, подвешенных на ушках между анодами. Расстояние междусоседними
анодами и катодами 35...40 мм.
Электролитом, которым заполняется ванна, является водный раствор медного
купороса (CuSO 4), подкисленный серной кислотой (H 2 S0 4)
для уменьшения сопротивления.
В целях выравнивания концентрации ионов меди у электродов и обеспечения
необходимой температуры применяется прямая циркуляция электролита, который
подается снизу и сливается сверху ванны.
Электролиз цинка
применяется для получения высококачественного
цинка (Zn) из водных растворов его солей.
Катодом являются алюминиевые пластины толщиной 4 мм. Анодом являются свинцовые
пластины толщиной 5... 8 мм, с добавкой 1 % серебра для снижения коррозии.
Электролитом является 5...6% водный раствор сернокислого цинка (ZnS0 4)
и серной кислоты (H 2 S0 4). Во время электролиза на катоде
осаждается металлический цинк (Zn), который периодически снимают.
На аноде выделяется газообразный водород (Н), а в растворе образуется серная
кислота (H 2 S0 4).
Снятие цинка с катодов производится до 2 раз в сутки, затем его промывают,
формуют в пакеты и переплавляют в печах.
В процессе электролиза износ катодов составляет около 1,5 кг/т цинка, а анодов -
0,8... 1,5 кг/т цинка.
Резкое повышение падения напряжения на ванне (до 3,3...3,6 В) указывает на
необходимость очистки анодов от шлама.
Такая необходимость очистки анодов - один раз в 20.. .25 дней, а катодов - один
раз в 10 дней.
Шлам удаляется через отверстие в дне ванны.
В электролизном цехе ванны устанавливают рядом длинными бортами по 20...30 штук
и соединяют в один блок.
Для поддержания заданной температуры ванны охлаждаются водой, подаваемой по
алюминиевым или углеродистым змеевикам.
Для снижения выделения водорода на катоде в раствор добавляют
поверхностно-активные вещества.
Электролиз алюминия
применяется для получения качественного
алюминия (Аl
) из расплавленных солей путем
электролиза.
Анодом является угольный электрод, который расходуется в процессе электролиза,
так как находится в сильно агрессивной среде.
Анод подвешивается на подвижной раме, которая автоматически перемещается по
металлоконструкциям печи. Управляющим сигналом является потеря напряжения в
электролите.
Электролитом является раствор оксида алюминия (AI 2 O 3) в
расплавленном криолите (Na 3 АlF 6). Присутствие фтора (F 6)
придает среде высокую агрессивность.
Катодом являются подовые блоки печи.
Ток к ванне подводится с двух сторон.
К аноду - по пакетам алюминиевых шин, по гибким медным токопроводам, по стальным
штырам.
К катоду - по специальным токопроводам (блюмсам).
Размеры анода определяются заданной мощностью ванны и допустимой плотностью
тока.
Электролизеры объединяют в серию из 160... 170 шт., причем 4...5 из них
являются резервными.
Выливают металл из ванны вакуум-ковшами
Вылитый из ванн алюминий поступает в миксеры литейного корпуса, где он после
усреднения и отстаивания разливается в слитки.
5.13.1. При эксплуатации электролизных установок должны контролироваться: напряжение и ток на электролизерах, давление водорода и кислорода, уровни жидкости в аппаратах, разность давлений между системами водорода и кислорода, температура электролита в циркуляционном контуре и температура газов в установках осушки, влажность водорода после установок осушки, чистота водорода и кислорода в аппаратах и содержание водорода в помещениях установки.
Нормальные и предельные значения контролируемых параметров должны быть установлены на основе инструкции завода-изготовителя и проведенных испытаний и строго соблюдаться при эксплуатации.
5.13.2. Технологические защиты электролизных установок должны действовать на отключение преобразовательных агрегатов (двигателей-генераторов) при следующих отклонениях от установленного режима:
разности давлений в регуляторах давления водорода и кислорода более 200 кгс/м 2 (2 кПа);
давлении в системах выше номинального;
межполюсных коротких замыканиях;
однополюсных коротких замыканиях на землю (для электролизеров с центральным отводом газов);
исчезновении напряжения на преобразовательных агрегатах (двигателях-генераторах) со стороны переменного тока.
При автоматическом отключении электролизной установки, а также повышении температуры электролита в циркуляционном контуре до 70°С, при увеличении содержания водорода в воздухе помещений электролизеров и датчиков газоанализаторов до 1% на щит управления должен подаваться сигнал.
После получения сигнала оперативный персонал должен прибыть на установку не позднее чем через 15 мин.
Повторный пуск установки после отключения ее технологической защитой должен осуществляться оперативным персоналом только после выявления и устранения причины отключения.
5.13.3. Электролизная установка, работающая без постоянного дежурства персонала, должна осматриваться не реже 1 раза в смену. Обнаруженные дефекты и неполадки должны регистрироваться в журнале (картотеке) и устраняться в кратчайшие сроки.
При осмотре установки оперативный персонал должен проверять:
соответствие показаний дифференциального манометра-уровнемера уровням воды в регуляторах давления работающего электролизера;
положение уровней воды в регуляторах давления отключенного электролизера;
открытие клапанов выпуска газов в атмосферу из регуляторов давления отключенного электролизера;
наличие воды в гидрозатворах;
расход газов в датчиках газоанализаторов (по ротаметрам);
нагрузку и напряжение на электролизере;
температуру газов на выходе из электролизера;
давление водорода и кислорода в системе и ресиверах;
давление инертного газа в ресиверах.
5.13.4. Для проверки исправности автоматических газоанализаторов 1 раз в сутки должен проводиться химический анализ содержания кислорода в водороде и водорода в кислороде. При неисправности одного из автоматических газоанализаторов соответствующий химический анализ должен проводиться каждые 2 ч.
5.13.5. На регуляторах давления водорода и кислорода и на ресиверах предохранительные клапаны должны быть отрегулированы на давление, равное 1,15 номинального. Предохранительные клапаны на регуляторах давления должны проверяться не реже 1 раза в 6 мес., а предохранительные клапаны на ресиверах - не реже 1 раза в 2 года. Предохранительные клапаны должны испытываться на стенде азотом или чистым воздухом.
5.13.6. На трубопроводах подачи водорода и кислорода в ресиверах, а также на трубопроводе подачи обессоленной воды (конденсата) в питательные баки должны быть установлены газоплотные обратные клапаны.
5.13.7. Для питания электролиза должна применяться вода, по качеству соответствующая дистилляту (обессоленная вода, конденсат). При этом удельная электрическая проводимость воды должна быть не более 5 мкСм/см (или удельное сопротивление - не менее 200 кОм/см).
Для приготовления электролита в соответствии с действующими государственными стандартами должен применяться гидрат окиси калия (КОН): технический высшего сорта, поставляемый в виде чешуек, или марок ЧДА, Ч.
5.13.8. Чистота водорода, вырабатываемого электролизными установками, должна быть не ниже 99,5% (в электролизных установках типа СЭУ-4м и СЭУ-8м - не ниже 99%), а кислорода - не ниже 98,5%.
5.13.9. Температура электролита в электролизере должна быть не выше 80, а разность температур наиболее горячих и холодных ячеек электролизера не более 20°С.
5.13.10. При использовании кислорода для нужд электростанции давление в ресиверах кислорода должно автоматически поддерживаться ниже давления водорода в них.
5.13.11. Перед включением электролизера в работу все аппараты и трубопроводы должны быть продуты азотом. Чистота азота для продувки должна быть не ниже 97,5%. Продувка считается законченной, если содержание азота в выдуваемом газе достигает 97%.
Продувка аппаратуры электролизеров углекислым газом не допускается.
5.13.12. Подключение электролизера к ресиверам, находящимся под давлением водорода, должно осуществляться при превышении давления в системе электролизера по отношению к давлению в ресиверах не менее чем на 0,5 кгс/см 2 (50 кПа).
5.13.13. Для вытеснения воздуха или водорода из ресиверов должен применяться углекислый газ или азот. Воздух должен вытесняться углекислым газом до тех пор, пока содержание углекислого газа в верхней части ресиверов не достигнет 85%, а при вытеснении водорода - 95%.
Вытеснение воздуха или водорода азотом должно производиться, пока содержание азота в выдуваемом газе не достигнет 97%.
При необходимости внутреннего осмотра ресиверов они должны предварительно продуваться воздухом до тех пор, пока содержание кислорода в выдуваемом газе не достигнет 20%.
Азот или углекислый газ должен вытесняться водородом из ресиверов, пока в их нижней части содержание водорода не достигнет 99%.
5.13.14. В процессе эксплуатации электролизной установки должны проверяться:
плотность электролита - не реже 1 раза в месяц;
напряжение на ячейках электролизеров - не реже 1 раза в 6 мес.;
действие технологических защит, предупредительной и аварийной сигнализации и состояние обратных клапанов - не реже 1 раза в 3 мес.;
влажность водорода - не реже 1 раза в сутки.
5.13.15. При работе установки сорбционной осушки водорода или кислорода переключение адсорберов-осушителей должно выполняться по графику. Температура точки росы водорода после установки осушки должна быть не выше минус 5°С.
При осушке водорода методом охлаждения температура водорода на выходе из испарителя должна быть не выше минус 5°С.
Для оттаивания испаритель должен периодически по графику отключаться.
5.13.16. При отключении электролизной установки на срок до 1 ч разрешается оставлять аппаратуру под номинальным давлением газа, при этом сигнализация повышения разности давлений в регуляторах давления кислорода должна быть включена.
При отключении электролизной установки на срок до 4 ч давление газов в аппаратах должно быть понижено до 0,1 - 0,2 кгс/см 2 (10 - 20 кПа), а при отключении на срок более 4 ч аппараты и трубопроводы должны быть продуты азотом. Продувка должна выполняться также во всех случаях вывода электролизера из работы при обнаружении неисправности.
5.13.17. При работе на электролизной установке одного электролизера и нахождении другого в резерве вентили выпуска водорода и кислорода в атмосферу на резервном электролизере должны быть открыты.
5.13.18. Промывка электролизеров, проверка усилия затяжки их ячеек и ревизия арматуры должны производиться 1 раз в 6 мес.
Текущий ремонт, включающий вышеупомянутые работы, а также разборку электролизеров с заменой прокладок, промывку и очистку диафрагм и электродов и замену дефектных деталей, должен осуществляться 1 раз в 3 года.
Капитальный ремонт с заменой асбестовой ткани на диафрагменных рамах должен производиться 1 раз в 6 лет.
При отсутствии утечек электролита из электролизеров и сохранении нормальных параметров технологического режима допускается удлинение срока работы электролизной установки между текущими и капитальными ремонтами по решению технического руководителя энергообъекта.
5.13.19. Трубопроводы электролизной установки должны окрашиваться в соответствии с действующими государственными стандартами; окраска аппаратов должна выполняться по цвету окраски трубопроводов соответствующего газа; окраска ресиверов - светлой краской с кольцами по цвету окраски трубопроводов соответствующего газа.
это окислительно-восстановительная реакция, которая протекает только под действием электричества. В для получения водорода и кислорода проводят электролиз воды. Для протекания реакции необходимо поместить в электролит два электрода, подключенных к источнику питания постоянного тока:- Анод - электрод к которому подключен положительный проводник;
- Катод - электрод к которому подключен отрицательный проводник.
Под действием электрического тока вода разделяется на составляющие ее молекулы: водород и кислород. Отрицательно заряженный катод притягивает катионы водорода а положительно заряженный анод - анионы ОН - .
Деминерализованная вода, используемая в промышленных электролизных установках сама по себе является слабым электролитом, поэтому в нее добавляют сильные электролиты для увеличения проводимости электрического тока. Зачастую выбирают электролиты с меньшим катионным потенциалом, чтобы исключить конкуренцию с катионами водорода: KOH или NaOH. Электрохимическая реакция протекающая на электродах выглядит следующим образом:
- Реакция на аноде: 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e − - выделение кислорода;
- Реакция на катоде: 2H 2 O + 2e − → H 2 + 2OH − - выделение водорода.
Далее, чтобы получить чистый водород и кислород, требуется разделить газы образующиеся на электродах, и для этого применяют разделительные ионно-обменные мембраны (см. рисунок). Количество получаемого водорода в два раза больше получаемого кислорода и поэтому давление в водородной полости поднимается в два раза быстрее. Для уравнивания давления в полостях применяют уравнивающую давление мембрану на выходе из электролизера, которая предотвращает передавливание водорода в полость кислорода через каналы предназначенные для циркуляции электролита.
Данный метод является наиболее применяемым методом в промышленности и позволяет получать газообразный водород с КПД от 50 до 70% производительностью до 500 м 3 /час при удельных энергозатратах 4,5-5,5 Н 2 м 3 /кВт-ч.
ЭЛЕКТРОЛИЗ НА ТПЭ
В настоящий момент к наиболее эффективным методом разделения можно отнести электролиз с применением твердо-полимерных электролитов на основе перфторированной ионно обменной мембраны.Данный тип электролизеров позволяет получать водород с КПД до 90% и является наиболее экологичным. Электролизеры с ТПЭ дороже щелочных в 6-7 раз и поэтому пока не получили свое распространение в промышленности.
В свое время с помощью электролиза из расплавов солей удалось впервые выделить чистые калий, натрий и многие другие металлы.
Сегодня этот процесс применяют и в быту – для «добычи» водорода из воды. Технология более чем доступна, ведь прибор для электролиза воды представляет собой всего лишь контейнер с раствором соды, в который погружены электроды.
Электродами служат небольшие квадратные листы, вырезанные из оцинкованной стали или, лучше, из нержавейки марки 03Х16Н15М3 (AISI 316L). Обычная сталь будет очень быстро «съедена» электрохимической коррозией.
Прорезав ножом отверстие в стенке контейнера, нужно установить на нем два фильтра грубой очистки – подойдут «грязевики» (второе название – косой фильтр) или фильтры от стиральных машин.
Следом устанавливаются плата толщиной 2,3 мм и барботажная трубка.
Завершается создание электролизера установкой форсунки с затвором, расположенным со стороны платы.
Устройство с верхним расположением контейнера
Электроды выполняются из нержавеющего листа размером 50х50 см, который нужно разрезать болгаркой на 16 равных квадратов. Один угол каждой пластины подрезается, а в противоположном выполняется отверстие под болт М6.
Один за другим электроды одеваются на болт, а изоляторы для них нарезаются из резиновой или силиконовой трубки. Как вариант, можно воспользоваться трубкой от водяного уровня.
Контейнер фиксируется при помощи штуцеров и только после этого устанавливаются барботажная трубка и электроды с клеммами.
Модель с нижним расположением контейнера
В этом варианте сборку прибора начинают с нержавеющего основания, размеры которого должны соответствовать размерам контейнера. Далее устанавливают плату и трубку. Монтаж фильтров в данной модификации не требуется.
Затем к нижней плате нужно прикрепить 6-миллиметровыми винтами затвор.
Установка форсунки осуществляется посредством штуцера. Если все же принято решение установить фильтры, то для их крепления следует использовать пластиковые зажимы на резиновых прокладках.
Готовое устройство
Толщина изоляторов между пластинами-электродами должна составлять 1 мм. При таком зазоре сила тока будет достаточной для качественного электролиза, в то же время пузырьки газа смогут легко оторваться от электродов.
К полюсам источника питания пластины подключаются поочередно, например, первая пластина – к «плюсу», вторая – к «минусу» и т.д.
Устройство с двумя клапанами
Процесс изготовления 2-клапанной модели электролизера не отличается особой сложностью. Как и в предыдущем варианте, сборку следует начинать с подготовки основания. Выполняется оно из стальной листовой заготовки, которую нужно подрезать в соответствии с размерами контейнера.
К основанию прочно крепится плата (применяем винты М6), после чего можно устанавливать трубку для барботажа диаметром не менее 33 мм. Подобрав к устройству затвор, можно приступать к монтажу клапанов.
Пластиковый контейнер
Первый устанавливается на основании трубы, для чего в этом месте необходимо закрепить штуцер. Соединение уплотняется зажимным кольцом, после чего устанавливается еще одна пластина – она понадобится для фиксации затвора.
Второй клапан следует монтировать на трубе с отступом от края в 20 мм.
С появлением водяной системы отопления, воздушная система незаслуженно потеряла свою популярность, но сейчас снова набирает обороты. – рекомендации по проектированию и монтажу.
Все об изготовлении и использовании чудо-печи о солярке вы узнаете .
А в этой теме разберем разновидности счетчиков тепла для квартиры. Классификация, конструктивные особенности, цены на приборы.
Модели на три клапана
Эта модификация отличается не только количеством клапанов, но также и тем, что основание для нее должно быть особенно прочным. Применяется все та же нержавеющая сталь, но большей толщины.
Место для установки клапана №1 нужно выбирать на входной трубе (она подсоединяется прямо к контейнеру). После этого следует закрепить верхнюю пластину и вторую трубку барботажного типа. Клапан №2 устанавливают на конце этой трубки.
Штуцер при установке второго клапана нужно крепить с достаточной жесткостью. Также потребуется зажимное кольцо.
Готовый вариант водородной горелки
Следующий этап – изготовление и установка затвора, после чего к трубе прикручивают клапан №3. При помощи шпилек он должен соединяться с форсункой, при этом посредством прокладок из резины должна быть обеспечена изоляция.
Вода в чистом виде (дистиллированная) является диэлектриком и чтобы электролизер работал с достаточной производительностью, ее следует превратить в раствор.
Наилучшие показатели демонстрируют не солевые, а щелочные растворы. Для их приготовления в воду можно добавить пищевую или каустическую соду. Также подойдут некоторые средства бытовой химии, например, «Мистер Мускул» или «Крот».
Устройство с оцинкованной платой
Очень распространенная версия электролизера, применяющаяся, главным образом, в системах отопления.
Подобрав основание и контейнер, соединяют винтами (их понадобится 4 шт.) платы. Затем сверху на приборе устанавливают изолирующую прокладку.
Стенки контейнера не должны обладать электропроводимостью, то есть быть изготовленными из металла. Если есть необходимость сделать емкость высокопрочной, нужно взять пластиковый контейнер, и поместить его в того же размера металлическую оболочку.
Остается прикрутить контейнер шпильками к основанию, и установить затвор с клеммами.
Модель с оргстеклом
Сборку электролизера с применением заготовок из органического стекла назвать простой задачей нельзя – данный материал достаточно сложен в обработке.
Трудности могут подстерегать и на этапе поиска контейнера подходящего размера.
В углах платы высверливают по одному отверстию, после чего приступают к монтажу пластин. Шаг между ними должен составлять 15 мм.
На следующем этапе переходят к установке затвора. Как и в других модификациях, следует применять прокладки из резины. Только нужно учесть, что в данной конструкции их толщина должна составлять не более 2-х мм.
Модель на электродах
Несмотря на слегка настораживающее название, эта модификация электролизера также вполне доступна для самостоятельного изготовления. В этот раз сборку прибора начинают снизу, укрепляя на прочном стальном основании затвор. Контейнер с электролитом, как и в одном из вышеописанных вариантов, расположим сверху.
После затвора приступают к монтажу трубки. Если размеры контейнера позволяют, ее можно оснастить двумя фильтрами.
- лист не касается контейнера;
- расстояние между ним (листом) и зажимными винтами должно составлять 20 мм.
При таком исполнении генератора водорода электроды следует крепить к затвору, размещая по другую сторону от него клеммы.
Применение пластиковых прокладок
Вариант изготовления электролизера с прокладками из полимеров позволяет применить алюминиевый контейнер вместо пластикового. Благодаря прокладкам, он будет надежно изолирован.
Вырезая прокладки из пластика (понадобится 4 шт.), необходимо придать им форму прямоугольников. Они укладываются по углам основания, обеспечивая зазор в 2 мм.
Теперь можно приступать к установке контейнера. Для этого понадобится еще один лист, в котором просверливают 4 отверстия. Их диаметр должен соответствовать наружному диаметру резьбы М6 – именно такими винтами будет прикручиваться контейнер.
Стенки у алюминиевого контейнера жестче, чем у пластикового, поэтому для более надежного крепления под головки винтов следует подложить шайбы из резины.
Остается заключительный этап – установка затвора и клемм.
Модель на две контактные клеммы
К основанию, выполненному из стального или алюминиевого листа, прикрепите при помощи цилиндров или винтов пластиковый контейнер. После этого нужно установить затвор.
В этой модификации применяется игольчатая форсунка диаметром в 3 мм или чуть больше. Ее нужно установить на свое место, подсоединив к контейнеру.
Теперь при помощи проводников нужно присоединить клеммы прямо к нижней плате.
Последним элементом монтируется трубка, причем место, в котором она присоединяется к контейнеру, должно быть уплотнено зажимным кольцом.
Фильтры можно позаимствовать в поломанных стиральных машинах либо установить обычные «грязевики».
Еще на шпинделе нужно будет закрепить два клапана.
Электрификация дома – важный этап в обустройстве нового здания. – рекомендации профессиональных электриков.
Как изготовить простой теплоаккумулятор своими руками, вы узнаете . А также обвязка и настройка системы.
Схематическое представление
Схематичное описание реакции электролиза займет не более двух строк: положительно заряженные ионы водорода устремляются к отрицательно заряженному электроду, а отрицательно заряженные ионы кислорода – к положительному. Для чего вместо чистой воды приходится применять электролитический раствор? Дело в том, что для разрыва молекулы воды требуется достаточно мощное электрическое поле.
Соль или щелочь выполняет значительную часть этой работы химическим путем: атом металла, имеющий положительный заряд, притягивает к себе отрицательно заряженные гидроксогруппы ОН, а щелочной или кислотный остаток, имеющий отрицательный заряд – положительные ионы водорода Н. Таким образом, электрическому полю остается только растащить ионы к электродам.
Схема электролизера
Наилучшим образом электролиз проходит в растворе соды, одна часть которой разбавляется в сорока частях воды.
Наилучшим материалом для электродов, как уже говорилось, является нержавеющая сталь, а вот для изготовления пластин лучше всего подходит золото. Чем большей будет их площадь и чем выше сила тока – тем в большем объеме будет выделяться газ.
Прокладки можно делать из различных токонепроводящих материалов, но лучше всего для этой роли подходит поливинилхлорид (ПВХ).
Заключение
Электролизер может эффективно применяться не только в промышленности, но и в обиходе.Вырабатываемый им водород можно превратить в топливо для приготовления пищи, или обогащать им бензо-воздушную смесь, повышая мощность автомобильных двигателей.
Несмотря на простоту принципиального устройства прибора, умельцы научились изготавливать целый ряд его разновидностей: любую из них читатель сможет изготовить собственноручно.
Видео на тему
