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第四章 电解工程 2013.10 4.1 电解过程的技术经济指标和经济优化 4.1.1 电解过程的技术经济指标 在第一章中曾经提到过对于工业的评价可以通过投资利润率判断，常见的电解过程技术经济指标如下： （1）产率 是指由1 mol反应剂实际获得的目的产品B的物质的量。 产率==（转化为目的产品的原料物质的量/原料消耗的物质的量）×100% 例如：电化学反应 A + ze0 ---nB 根据反应方程式的化学计量关系， （2）转化率 是指电化学反应中反应剂A消耗的百分数。 对于间歇反应过程而言，转化率定义为： 对于连续过程而言， 单程转化率：原料通过反应器一次，反应剂消耗的百分数。它取决于反应器单位体积中的总电极面积，与电解的流速有关。 （3）选择性 原料的回收率，定义为 S=（目的产品的物质的量）/(所有产物的物质的量之和)×100% 例如：假设反应剂A可能分别按照以下两条途径进行反应 这两条途径中目的产物P1的选择性是一样的。 但是这两条反应途径中产率与转化率之比不同。 （4）电流效率 表示电解时所用电量的回收率，电子是电极反应的反应剂，需要考虑电子的回收率。 电流效率的定义 （5）电能消耗 （6）能量效率和电压效率 是电解过程中最重要的经济指标之一，但是很难给严密的定义。 电解过程所需要的最小能量被定义为：电解槽在开路条件下操作、电流强度为I且电流效率为100%时的能耗。 消耗的总能量为W=Uit 定义能量效率为 （7）产品品质 产品品质没有统一的量化标准。对于化学品而言，最重要的品质指标 是产品的纯度 4.1.2 电解过程的经济优化 电解过程优化包括三个基本问题： 第一，确定优化目标。 第二，选择调节参数。 第三，明确过程优化与设备优化的关系。 4.2 电化学反应器设计概述 4.2.1 电化学反应器设计的一般原则与步骤 虽然电化学反应器的设计与一般化学反应器的设计存在某些共同之处，但也有其自身的特点。与气固催化反应器相比，电解槽有两个重要的差别： 第一，液相中的传质总比气相中的传质慢，电极反应容易受传质控制。 第二，这两类反应器都需要有最大的反应面积/体积比，电解槽的设计还需要考虑电流分布和电位分布。 电化学反应器的结构取决于不同的用途。在设计时需要满足以下要求： 第一，结构力求简单 第二，操作方便可靠 第三，一体化和多用途 第四，满足反应工程参数 第五，运行成本最小化 电化学反应器的工艺设计大致可以按照如下步骤进行： 第一，初步估算电解过程所需的总电流，这可由预定操作周期内的总物料衡算求得。 第二，初步选择反应器的类型，确定拟用的电极尺寸。 第三，根据步骤二得到两项数据，重新核算总电流、电流效率和能耗。 4.2.2 与反应器结构相关的若干电化学工程参数 4.2.2.1 单位反应器体积中的活性电极面积 单位反应器体积中的活性电极面积As也被称为“比电极面积”：反应器中有效的总电极面积A与反应器体积VR之比。 As = A/VR 反应器体系VR有三种不同的含义： 第一：反应器所占的空间体积，也就是反应器的总体积。 第二：反应器中电解液所占的体系； 第三：反应器中电极所占的体积； 因此，对应于不同的体积定义，比电极面积有相应的区别。 活性电极面积As过大，往往引起不均匀的电流、电位分布，所以增大比电极面积和提高反应选择性存在着矛盾。 4.2.2.2 体积传质系数 电化学反应器的性能与传质系数K和单位反应器体积中的活性电极面积As有关，而传质系数和活性电极面积的乘积称为体积传质系数。 4.2.3 空时和空速 空时：反应器体积与单位时间内流经反应器的电解液体积N之比 空速：电解液的体积流速N与反应器体积之比 空速的大小反映了反应器的处理能力，也就是说在单位时间内单位体积反应器所能处理的电解液体积。 4.2.2.4 空时收率 空时收率：单位时间内单位体积反应器的产量。 4.2.3 电化学反应器的典型结构 电化学反应器的基本特征： （1）构成：两个电极和电解质。 （2）类别：电解反应器、化学反应器。 （3）过程：电化学反应，电荷、质量、热量、动量的四种传递过程，服从电化学热力学、电极过程动力学及传递过程的基本规律。 （4）特殊的化学反应器： 电化学反应器的分类 一、按照反应器结构分类 考点 1、箱式电化学反应器：反应器一般为长方形，具有不同的三维尺寸，电极常为平板状。 2、压滤机式或板框式电化学反应器：由单元反应器重叠并加压密封组合，每一单元反应器都包括电极、板框和隔膜等部分。 3、结构特殊的电化学反应器：增大比电极面积、强化传质、提高反应器的时空产率。 作业 1、按照反应器结构可以将电化学反应器分为哪几类?简要介绍它们的结构特征和优缺点，画出结构简图。 2、按照