Синтез химических продуктов в электрохимических реакторах (стр. 1 )

Министерство образования и науки Российской Федерации

Саратовский государственный технический университет

имени

Энгельсский технологический институт

СИНТЕЗ ХИМИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ В ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРАХ

Методические указания

к лабораторным работам по курсу

«Химические реакторы»

для студентов направления 18.03.01 – Химическая технология

профиль «Технология электрохимических производств»

Энгельс 2015 г.

УДК 621.357

ББК 34.663

З 18

З 18 Автор-составитель: : «Синтез химических продуктов в электрохимических реакторах»: Методические указания к лабораторным работам по курсу «Химические реакторы» для студентов направления 18.03.01 – Химическая технология профиль «Технология электрохимических производств». - Энгельс: Изд-во ЭТИ (филиал) СГТУ им. , 2015. – 31 с.

Рецензенты: доц. кафедры «Химическая технология» ЭТИ (филиал) СГТУ имени , к. х.н. ;

доц. кафедры «Промышленная и техносферная безопасность» СГТУ имени , к. х.н.

В методических указаниях дано краткое описание лабораторных работ по дисциплине «Химические реакторы». Даны основные понятия из области химических и электрохимических реакторов, а также представлена классификация реакторов. Приводятся методические рекомендации по выполнению экспериментальной части лабораторных работ, обработке экспериментальных данных, оформлению лабораторных работ.

УДК 621.357

ББК 34.663

Печатается по решению редакционно-издательского совета ЭТИ (филиал) СГТУ

им.

Брошюра издается в авторской редакции

ВВЕДЕНИЕ

Химическими реакторами принято считать аппараты, в которых осуществляются химические процессы с целью получения определенного вещества в рамках одного технологического процесса. С использованием химических реакторов производят применяемые в электрохимическом производстве химические продукты: кислоты, спирты; оксиды, соли и гидроксиды металлов; металлы; газообразные продукты и др.

Наиболее часто химические реакторы классифицируют по сле­дующим критериям: непрерывность операции – реакторы периодического, непрерывного, полупериодического действия; тепловой режим – изотермические, адиабатические, автотермические реакторы; режим движения реакционной среды – реакторы идеального вытеснения, идеального смешения, неидеальный; фазовое состояние реагентов.

Электрохимические реакторы. Под электрохимическим синтезом понимают получение неорганических или органических веществ с помощью электролиза, т. е. процессы электролитического окисления и восстановления. Под это определение подходят все случаи электролиза (электролиз без выделения металлов, гидроэлектрометаллургия, электролитическое рафинирование металлов, электролиз расплавов и др.). Основу электрохимического синтеза составляют реакции окисления и восстановления, протекающие на аноде и на катоде. Толщина приэлектродного слоя, в котором происходит электрохимическая реакция, составляет примерно 10-6 см. Так, в результате электросинтеза получают в промышленности кислородные соединения хлора (гипохлориты, хлораты, перхлораты и хлорную кислоту); кислородные соединения марганца (активный диоксид марганца, перманганаты); пероксодвусерную (надсерную) кислоту и ее соли и из них пероксид водорода; при электролизе карбонатных растворов буры - пероксобораты, а при электроокислении гексацианоферрата (II) калия (желтой кровяной соли) – гексацианоферрат (III) калия (красную кровяную соль) и др. Электролизом водных растворов хлоридов щелочных металлов получают едкие щелочи, водород и хлор; электролизом щелочного раствора воды получают водород, кислород и тяжелую воду и т. д. Путем электросинтеза в промышленности осуществлено получение таких органических продуктов, как тетраэтилсвинец, окись пропилена, себациновая кислота и динитриладипиновая кислота (ДАК) и др.

К числу преимуществ электрохимических способов синтеза

органических и неорганических веществ можно отнести следующее:

- реакции окисления или восстановления можно проводить без участия окислителей или восстановителей, загрязняющих конечный продукт, а следовательно, приводящих к его потерям при очистке;

- путем электролиза можно осуществлять те процессы, которые практически неосуществимы химическими методами, кроме того, можно достигать более высоких значений выхода продукта;

- путем изменения условий электролиза можно управлять скоростью и направлением процесса, получая из одного и того же сырья ряд продуктов,

имеющих различную природу и состав, например, соли, в которых катионы имеют различные степени окисления или восстановления;

- возможность получения продуктов высокого качества из низкосортного сырья, получение химически чистых металлов из сравнительно бедных и сложных по составу руд и концентратов;

- электролиз является единственно экономически целесообразным способом для получения таких продуктов как алюминий, магний, щелочные и щелочноземельные металлы, перекись, хлор, гидроксид натрия, пероксидные соединения, дезинфицирующие растворы, неорганические окислители, различные неорганические и органические вещества высокой степени чистоты, обычно недостигаемой при химических методах их получения;

- электрохимические методы очистки природных и сточных вод, а также обессоливание воды более эффективны, по сравнению с химическими методами;

- процесс восстановления или окисления, т. е. процесс электросинтеза можно проводить непрерывно.

Для практической реализации электролиза или генерирования электроэнергии, применяются электрохимические реакторы ЭХР (ячейки, ванны, батареи, электрохимические станки и др.). Электрохимические реакторы классифицируют по следующим критериям:

1.  По характеру гидродинамического режима – реакторы идеального смешения непрерывного действия, идеального вытеснения, идеального смешения периодического действия, каскад ЭХР идеального смешения, реакторы с циркуляцией электролита;

2.  По динамическому состоянию электродов - ЭХР с твердыми стационарными или движущимися электродами, ЭХР с жидким электродом;

3.  По агрегатному состоянию электролита - ЭХР для систем с жидким, твердым и расплавленным электролитом;

4.  По способу разделения получаемых электролизом химических продуктов - бездиафрагменные, диафрагменные и мембранные ЭХР;

5.  По способу соединения электродов - монополярные ЭХР с параллельным соединением электродов, биполярные ЭХР с параллельным соединением электродов;

6.  По конструкции электродов – ЭХР с плоскопараллельными монополярными или биполярными электродами, ЭХР с электродами с системой теплообмена (охлаждаемые электроды), ЭХР с электродами с развитой поверхностью, ЭХР с электродами с диафрагмой или мембраной, ЭХР с электродами цилиндрической и формы, ЭХР с дисковыми электродами, ЭХР с насыпными электродами;

7.  По конструкции корпуса - ЭХР ящичные и фильтр-прессные; ЭХР работающие под давлением.

Целью лабораторного практикума является – ознакомить студентов с особенностями технологических процессов синтеза химических неорганических соединений методом электролиза растворов с использованием реакторов с разным способом разделения получаемых продуктов (бездиафрагменный, диафрагменный, мембранный), водоподготовки (очистки природных и сточных вод) методом электрокоагуляции.

Лабораторная работа №1

ПОЛУЧЕНИЕ ГИПОХЛОРИТА НАТРИЯ (ГПХН)

Цель работы: Изучить процесс получения ГПХН в бездиафрагменном электролизере.

Задание 1. Изучить зависимость выхода ГПХН по току от условий электролиза (концентрации раствора поваренной соли, плотности тока и времени электролиза).

Задание 2. Выяснить зависимость напряжения на электролизе и удельных затрат электроэнергии от времени электролиза.

Задание 3. Исследовать влияние добавки бихромата натрия на количество получаемого ГПХН, выход по току и удельной электроэнергии.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Одним из эффективных отбеливающих средств в производстве качественной бумаги и хлопчатобумажных тканей является, гипохлорит натрия (ГПХН). В настоящее время ГПХН все шире внедряется как дезинфицирующее, обеззараживающее средство для питьевой воды, воды плавательных бассейнов. Также применяется ГПХН для обезвреживания (разрушения) цианистых стоков, образующихся при извлечении золота из руд, при золочении ювелирных и технических изделий и нанесении других покрытий из цианидных электролитов. В промышленности используются большое число различных конструкций электролизеров, предназначенных для получения гипохлоритов: электролизеры с монополярными или биполярными электродами, электролизеры с плоскопараллельными или коаксиально выполненными (или расположенными) электродами, электролизеры непроточные или с протоком электролита, электролизеры с вертикальным (или под небольшим углом наклона к вертикали) и горизонтальным расположением электродов.

 Производство ГПХН прямым электролизом раствора поваренной соли (без мембранного разделения электродного пространства) является более простым и более распространенным методом. В этом случае электролизер выполняется в виде некоторой емкости (реактора), в которой размещаются электроды (катод и анод). Расстояние между электродами 5-7 мм обеспечивает хорошее перемешивание и циркуляцию в процессе электролиза. Материалом для корпуса электролизеров служат полипропилен, полихлорвинил (винипласт).

ГПХН может быть получен химически взаимодействием хлора со щелочью:

Cl2 + 2NaOH = NaClO + Н2O + NaCl (1.1)

В свою очередь, для получения хлора нужно провести электролиз раствора поваренной соли, при котором образование хлора будет происходить по реакции:

2NaCl + 2Н2O +2е = С12 + Н2 + 2NaOH (1.2)

при разделении анодного и катодного пространств.

В связи с этим целесообразным является одноступенчатое получение ГПХН электролизом раствора поваренной соли в бездиафрагменном электролизере, т. е. прямым электролизом.

При прямом электролизе раствора хлорида натрия происходят следующие основные реакции:

на катоде:

2Н2О+2е→ 2ОН-+Н2 (1.3)

2Na+ + ОН-→ 2NaOH (1.4)