Расчет материального и энергетического балансов процесса получения водорода

Материальный баланс

По закону Фарадея в результате прохождения через электролит двух фарадеев электричества на катоде выделяется 2 г-экв водорода (1 моль занимающий при нормальном давлении и температуре 0,0224) и 1 г-экв кислорода (0,5 моля - объем 0,0112) и израсходован 1 моль воды.

Фактически водорода и кислорода выделяется меньше, так как выход по току в этом процессе ниже 100 % и составит 95-98%, а воды израсходуется больше из-за уноса ее паров с газами. [2]

Паров уносится тем больше, чем выше температура, при которой идет электролиз.

Материальный баланс ¾ это количество загружаемых реагентов и получаемых продуктов на каждой стадии технологического процесса с учетом промежуточных и побочных продуктов.

Материальный баланс составляется на основании закона сохранения массы вещества - количество веществ, вступивших в реакцию, равно количеству веществ, полученных в результате реакции.

Приходные статьи баланса

Расход воды на электролиз

 = ,

где , - электрохимический эквивалент воды, г/А ч;

 = 0,336∙1∙192∙1000∙0,95 =  61386,4 г/ч

или  = 61,38 кг/ч

Расходные статьи баланса

На катоде выделяется газообразного водорода за 1 час:

K:2   = ,

где I ¾ cила тока, проходящего через электролизер, а n ¾количество ячеек в электролизере, шт;

 ¾ электрохимический эквивалент водорода, г/А∙ ч;

 = 2/2∙ 26,8 = 0,037 г/А ∙ч

Или  = 22,4/2∙ 26,9 = 0,418 л/А ∙ ч

  ¾ выход по току, доли; ф ¾продолжительность электролиза, час.

 = 1000∙1∙0,037∙0,95∙192 = 6748,8 г/ч

или  = 6,7 кг/ч

На аноде выделится газообразный кислород за 1 час:

A: 2О+1/2

  = I∙ф ∙Bm∙ n

где  ¾ электрохимический эквивалент кислорода, г/А∙ч;

= 16/2∙26,8 = 0,298 г/А∙ч

или  = 11,2/2∙26,8 = 0,209 л/А∙ч

 =1000∙1∙192∙0,298∙0,95 = 55355,2 г/ч

Или  = 55,3 кг/ч

Расход воды на испарение.

Для расчета требуется найти объем газов в реальных условиях, то есть в условиях температуры и влажности атмосферы промышленного предприятия.

Объем выделившихся за 1 час газов - водорода и кислорода

 = ∙ Bm∙ I∙n∙ф = 0,418∙0,98∙1000∙192∙1 = 78650,88

= ∙ Bm∙  I ∙  n ∙  ф = 0,209 ∙  0,98 ∙ 1000 ∙  192 ∙ 1 = 39325,44

Объем влажного газа при реальной температуре:

где p - давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха, Па;

B- барометрическое давление, Па;

t - реальная температура в аппарате.

= 78650,88 ∙760∙ (273+80) / 273 ∙ (7502 - 17,5) ∙0,995 = 10378,8 л

= 39325,44 ∙760 ∙ (273+80) / 273 ∙ (7502 - 17,5) ∙0,995 = 5189,3

Суммарный объем влажных газов:

 =   +  = 10378,8 + 5198,3 = 15568,1 л

 = 15,6 м3

 = 15,6 * 20 *10-3 = 0,31 м/час

Приход