ОБЩИЕ ПОДХОДЫ К МАСШТАБИРОВАНИЮ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

В лабораторных условиях электрохимический синтез веществ в потенциостатическом режиме или на переменном токе проводят в электролизерах с токовой нагрузкой до нескольких ампер. Это ограничение связано с имеющимися в распоряже­нии экспериментатора источниками электрического тока (П-5827, П-5848, ПИ-50, ЕР20А и др.), а также возможностью раз­мещения установки для электросинтеза внутри вытяжного шкафа.

При масштабном переходе следует учитывать необходимость сохранения экспериментально найденных плотностей то­ка для оптимального режима проведения процесса и минимально возможных с конструктивной точки зрения межэлектрод­ных расстояний (с целью уменьшения энергозатрат на получение целевого продукта). Существенным является и вопрос от­вода тепловой энергии выделяющейся в ходе электросинтеза. Для уменьшения количества тепловой энергии (Q = I²Rt) сле­дует применять растворы электролитов с высокой электропроводностью или использовать электролизеры с минимальным расстоянием между электродами.

При использовании электролизеров с большей токовой нагрузкой приходится переходить от потенциостатического к ступенчатому гальваностатическому методу и осуществлять процесс либо в ступенчатом режиме в одном электролизере, либо с применением каскада электролизеров, каждый из которых работает до определенной степени выработки исходного вещества, когда достигается максимально допустимое значение электродного потенциала.

В случае применения переменного тока для электросинтеза веществ при масштабировании процесса необходимо учиты - вать особенности прохождения переменного тока через раствор электролита и между электродами. Обязательным является со­хранение экспериментально найденного значения плотности тока и межэлектродного расстояния.

Переход от потенциостатического режима на лабораторной установке к гальваностатическому режиму на укрупненном электролизере можно осуществить, используя разработанную нами методику:

а) записывают кривую I - t при заданном электродном потенциале, необходимом для селективного получения целевого продукта (концентрация реагента выбирается исходя из возможностей имеющегося потенциостата с тем, чтобы в начальный момент ток не превысил предельно допустимого значения, например, 1,0 А);

Коэффициент пропорциональности можно рассчитать также с использованием уравнения:

где D - коэффициент диффузии реагента; S' - площадь катода; V ' - объем раствора электролита в электролизере; d - толщи­на диффузионного слоя; D/d = const при стационарном режиме массообмена.

Для стационарного режима массообена в укрупненном электролизере коэффициент пропорциональности (K) рассчиты­вают по формуле:

где S - площадь катодов укрупненного электролизера, V - объем электролита в укрупненном электролизере.

в) величину начального тока (1_н) рассчитывают, исходя из допустимой плотности тока (г_п) в электролизере, определяе­мой свойствами мембраны в диафрагменном электролизере и условиями тепло- и массообмена:

г) начальную концентрацию реагента (С_н) для большего электролизера определяют по уравнению:

Расчеты, проведенные по этой методике, дали хорошие результаты при осуществлении электрохимических процессов в электролизере с токовой нагрузкой 25 А.

Однако, в некоторых практических случаях возможны отклонения технологических параметров от заданных значений (например, тепло- или массообмена), влекущие за собой изменение выхода по току на данной ступени.

5.2. ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОДНОГО БЛОКА ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЬТАКСА НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

Электродный блок электролизера для синтеза альтакса на переменном токе представляет собой две металлические спи­рали 1, расположенные горизонтально и закрепленные в кольце 2, выполненным из политетрафторэтилена. Спирали скреп­лены между собой фторопластовыми изоляторами 3. На рис. 5.1 показан элемент мешалки 4, проходящей через электродный блок.

Рис. 5.1. Электродный блок электролизера для получения альтакса

Скорость анодного окисления вещества на основании законов электролиза М. Фарадея в дифференциальной форме можно записать в виде:

Разделив переменные уравнения (5,9) и проинтегрировав получившееся выражение, считая, что в начальный момент време­ни концентрация окислившегося вещества равна нулю, а в момент времени t- m, получим:

Величину тока рассчитывают по формуле:

где m₁ - масса окисленного 2-меркаптобензтиазола, кг; I - электрический ток, пропускаемый через электролизер, А; t - время электролиза объема раствора, находящегося между электродами, с; c - электрохимический эквивалент 2- меркаптобензтиазола, кг/(А-с); ту - выход по току целевого вещества, %.

Рабочую площадь поверхности электродов рассчитываем по формуле:

где S - рабочая площадь поверхности электродов, м²; I - электрический ток, А; i - рабочая плотность тока, А/м².

Диаметр проволоки для изготовления электродов (d₁) связан с величиной рабочего тока и допустимой плотностью тока через сечение металлического проводника уравнением:

где I - величина рабочего тока, А; i₁ - допустимая плотность тока через сечение металлического проводника, А/м².

Рабочая длина проволоки (l, м) для изготовления электрода связана с площадью поверхности электрода, определяемой по формуле (5.12), и диаметром проволоки, рассчитываемым по формуле (5.13), уравнением:

С учетом уравнения (5.13), получим выражение (5.15):

Скорость прокачки реакционного раствора рассчитываем по формуле

где C- концентрация реакционного раствора, кг/м³.

Внутренний диаметр корпуса электродной сборки (d2) рассчитываем по формуле: где h - расстояние между верхними границами электродов, м; V, и V_M - объемы части изолятора и мешалки, находящиеся в

3

зоне электродов, м .

Расчеты по этой методике позволяют производить масштабный переход при конструировании опытно-промышленных элек­тролизеров [87].