Выбор источника тока для электрохимического аппарата

Доливать ванну все время чистой водой нерационально: она не успеет разложиться под действием тока или испариться за 2—3 мин обезжиривания, в результате чего раствор будет разбавляться водой и переливаться в канализацию. Поэтому в наружной стенке кармана на уровне примерно ¼—1/3 высоты кармана от дна делают сливной кран для отбора раствора и доливки его вручную или, лучше, отвод к заборному отверстию небольшого ручного насоса укрепленного в удобном месте снаружи ванны, выходная труба которого выведена в ванну через верхний край в конце, противоположном карману.

По современным мировым тенденциям для очистки электролита от жировых загрязнения применяются специальные фильтровальные установки. В предлагаемых установках фильтровальный материал изготовлен из волокон полипропилена. Благодаря тому, что данный материал положительно заряжен (с напряжением 10'000 В), он может абсорбировать жидкие и твердые жировые загрязнения из жидкости ванны. Абсорбционная способность обезжиривающего «спагетти» в 5−12 раз больше его собственной массы.

Данный полипропиленовый материал улавливает только жировые загрязнения из жидкости ванны. Все остальные необходимые компоненты раствора в ванне останутся нетронутыми.

4. Исходные данные Состав электролита обезжиривания:

NaOH = 20 — 40 г/л;

Na3PO4 = 5 — 15 г/л;

Na2SiO3 = 10 — 30 г/л;

Обезжир. ДВ 301 = 1,4 — 1,9 г/л;

Режим работы ванны:

Температура электролита = 50 — 70 оС;

Плотность тока = 2 — 8 А/дм2;

длина детали = 60 мм;

ширина детали = 40 мм;

толщина = 2 мм.

Количество единовременно завешиваемых в ванну деталей — 104 штуки.

5. Расчет габаритных размеров ванны. [2].

В ванне одна катодная штанга, на которой расположены две подвески. Универсальное подвесочное приспособление рамного типа. Формы подвески: длина подвески — 500 мм; высота подвески — 750 мм. Площадь всех деталей составляет 1,04 м².. По длине ванны на подвеске располагается восемь деталей, по высоте — тринадцать.

В ванне размещены восемь анодов с габаритными размерами каждого: Ширина анода — 500 мм; высота — 850 мм; толщина — 10 мм, с площадью рабочей поверхности 3,2 м². Аноды, выполненные из никеля марки НПА 1, завешиваются на 2 анодные штанги.

Нормализованная ванна: 1 — подвеска; 2 — анод.

5.1 длина ванны определяется по формуле :

Lвн = n1L1 + (n1 — 1) L2 + 2L3 (5.1).

где L1

— размер подвески по длине ванны, мм;

L2

— расстояние между подвесками, мм;

L3

— расстояние между торцевой стенкой и краем подвески, мм;

n1

— число загружаемых на одну штангу подвесок.

Lвн = 2*500 + (2−1)*300 +2*100=1500 мм, где L1 = 500 мм, L2 = 300 мм, L3 = 100 мм, n1 = 2.

5.

2. Ширина ванны определяется по выражению:

Bвн = n2B1 + 2n2B2 + 2B3 + n3d, (5.2).

где B1 — максимальный размер подвески по ширине ванны, мм;

B2 — расстояние между анодом и ближайшим краем детали, мм;

B3 — расстояние между внутренней стенкой продольного борта ванны и анодом, мм.

n2 — число катодных штанг;

n3 — число анодных штанг;

d — толщина анода, мм.

Bвн =2*4+2*1*266+2*70+2*10=700 мм, где B1 = 4 мм, B2 = 266 мм, B3 = 70 мм, d = 10 мм, n2 =1, n3 = 2.

5.

3. Высота ванны:

Hвн = H1 + H2 + H3 + H4, (5.3).

где H1

— высота подвески (без подвесного крюка), мм;

H2

— расстояние от дна ванны до нижнего края детали, мм;

H3

— высота электролита над верхним краем подвески, мм;

H4

— расстояние от поверхности зеркала электролита до верхнего края бортов ванны, мм.

Hвн = 750+200+50+150 = 1100 мм, где H1 = 750 мм, H2 = 200 мм, H3 = 50 мм, H4 = 150 мм.

5.

4. По известным размерам ванны можно рассчитать объем электролита:

(5.4).

V=1500*700*(1100−150)=975 л.

В соответствии с ГОСТ 23 738–85 [4.2] выбираем нормализованную ванну с внутренними габаритными размерами 1600×700×1150 мм.

Полная вместимость ванны 1200 л.

Объем электролита с учетом его уровня в ванне составляет 975 л.

5.

5.Исходные данные для технологических расчетов и начальные приближения.

Таблица 5.1- Параметры технологического процесса Размеры элементов ванны Режим электролиза Показатели Площадь одной детали, м2 0,005 Плотность тока, А/м2.

Катодный выход по току, %.

100 Количество деталей, шт 208.

Температура К.

Анодный выход по току, %.

100 Площадь всех деталей, м2 1,04 Ток, А 832.

6. Расчет напряжения на ванне.

6.1 Слагаемые напряжения на электролизёре Общее уравнение электрического напряжения на электролизёре может быть представлено в виде:

(6.1).

где U — напряжение на элекролизёре, В;

— разность равновесных электродных потенциалов анодной и катодной реакций, В;

— перенапряжение для катодной и анодной реакций, В;

— падение напряжения в диафрагме, В;

— падение напряжения в теле электродов, В;

— падение напряжения в шламе, В;

— падение напряжения в контактах, а также токопроводящих шинах до источника питания постоянным током, В;

— падение напряжения в электролите, В.

Составляющие уравнения можно объединить в две относительно самостоятельные группы — электрохимические (,) и омические (,).

6.2 Расчёт электрохимических составляющих падения напряжения Электрохимические составляющие падения напряжения складываются из обратимого напряжения разложения, определяемого термоди-намическими характеристиками процесса, и суммы перенапряжений (), вычисляемых на основе закономерностей электрохимической кинетики.

6.

2.1 Расчёт обратимого напряжения разложения Выразим концентрацию компонентов в виде молярной:

См (NaOH)=С (NaOH)/M (NaOH)=40/30=1.333 моль/л=1333 моль/м3.

См (Na3PO4)=C (Na3PO4)/M (Na3PO4)=164/10=16.4 моль/л=16 400 моль/м3.

См (Na2SiO3)=C (Na2SiO3)/M (Na2SiO3)=122/20=6.1 моль/л=6100 моль/м3.

Оценку значения обратимого напряжения разложения Uoбр=Epa-Epk можно провести с помощью термодинамических характеристик (по изменению энергии Гиббса):

(6.2).

Так как в электродном процессе участвует несколько электрохимических реакций, то для расчета обратимого напряжения разложения необходимо составить общее уравнение процесса с учетом соответствующих выходов по току.

Реакции, происходящие на электродах:

Анод: 2H2O = O2 + 4H+ + 4e 1.

Катод: 2H2O + 2e = H2 + 2OHВт Вт∙2H2O + 2H2O = Вт∙H2 + Вт∙2OH- + O2 + 4H+.

После подведения подобных получим:

(1+Вт)∙2H2O = Вт∙H2 + Вт∙2OH- + O2 + 4H+.

Полученное уравнение позволяет подсчитать Uобр для данного процесса. Согласно выражению, стехиометрические коэффициенты продуктов реакции будут со знаком «+», а исходных веществ — со знаком «-». При этом конечными веществами (продуктами) принято считать те, которые получаются при самопроизвольном протекании процесса, когда ΔG реакции меньше нуля.

Значения энергии Гиббса образования компонентов электрохимической реакции приведены в таблице 6.

1.

Таблица 6.1 — Термодинамические свойства веществ [5.1].

Формула Н+ O2 H2 OH- ΔG, Дж/моль 0 0 0 0.

С учетом выхода по току 100%, получаем.

Uобр.=0 В.

6.

2.2 Определение величины катодного перенапряжения Перенапряжение электроосаждения цинка на катоде можно описать уравнением смешанной кинетики:

(6.3).

где i — катодная плотность тока, А/м2;

i0 — ток обмена, А/м2;

iпр — предельный диффузионный ток, А/м2.

Вычислим ток обмена по формуле:

(6.4).

Для расчета тока обмена необходимо сначала определить стандартный ток обмена по справочным данным. Из [5.1] известно, что при концентрации C (NaOH)=1моль/л и C (Na3PO4)=0.02 моль/л; ток обмена i0=2.5· 10−4 A/ cм2 = 2.5 A/ м2, α=0,5.

i0ст=i0/(С0(1-α)*St00.3) = 2.5/(10.5*10 000.

3)=0.315 A*м/моль При заданной концентрации NaOH ток обмена будет равен:

i0=0.315*10.5*1000*0.3=2.5 А/м2.

Предельный диффузионный ток может быть рассчитан по следующей формуле:

(6.5).

где D — коэффициент диффузии, принимаем равным 4,05∙10−10 м2/с [5.1];

δ - толщина диффузионного слоя, принимаем равным 1∙10−4 м.

iпр=2*96 500*4,05*10−10*510/10−4=406,46 А/м2.

Катодное перенапряжение равно:

ηк=8,31*293*ln (11.39/100)/0.3*2*96 500+8.31*293*ln (1−100/406.

46)/0.3*2*96 500= -0.103 B.

6.

2.3 Определение величины анодного перенапряжения Расчёт анодного перенапряжения производим по уравнению замедленного разряда для электродных реакций:

. (6.6).

Рассчитаем анодную плотность тока :

(6.7).

где Sa — площадь поверхности анодов, м2.

Принимаем, что с обратной стороны аноды работают на 50%. Тогда.

Sa=3,2 м².

ia=I/S=832/3,2=260 A/м2.

Анодное перенапряжение равно:

ηа=-8,31*293/(1−0.3)*2*96 500*ln (11.39)+8.31*293/(1−0.3)*2*96 500*ln (100)= =0.283 B.

6.3 Расчёт омических составляющих напряжения Омические составляющие напряжения на электролизёре рассчитывают по закону Ома.

6.

3.1 Расчёт падения напряжения в электролите.

Для плоскопараллельных электродов падение напряжения в электролите рассчитывается по закону Ома:

(6.8).

где — удельное сопротивление электролита, Ом∙м;

l — расстояние между электродами, м;

s — площадь рабочей поверхности электродов, м2;

— удельная электропроводность электролита, См∙м-1;

iср — средняя плотность тока, А/м2.

iср=√ia*iк=√260*800=456,07 А/м2.

Для расчета значения удельной электропроводности раствора, содержащего несколько компонентов, используют следующий принцип: удельная электропроводность смешанного раствора (χсм) принимается равной сумме рассчитанных удельных электропроводностей отдельных компонентов раствора χj.

Находим суммарную эквивалентную концентрацию компонентов в растворе:

Сzмоль-экв=См (NaOH)*1+CM (Na3PO4)*3+CM (Na2SiO3)*2= =1.333*2+16.4*1+6.1*2=31,266 моль-экв/л Значения эквивалентной электропроводности для каждого компонента электролита (NaOH, Na3PO4, Na2SiO3) при концентрации С∑моль-экв определены экстраполяцией справочных данных [5.1,5.2].

λ(NaOH)=52.09 См*см2*моль-экв-1.

λ(Na3PO4)=43.89 См*см2*моль-экв-1.

λ(Na2SiO3)=40.44 См*см2*моль-экв-1.

Удельную электропроводность отдельных компонентов в смешанном растворе определяем следующим образом:

χj=λj*Cjмоль-экв*103 (6.9).

χ(NaOH)=5.209*10−3*1.333*2*103=13,88 См*м-1.

χ(Na3PO4)=4.384*10−3*16.4*1*103=71,90 См*м-1.

χ(Na2SiO3)=4.044*10−3*6.1*2*103=49,34 См*м-1.

Удельная электропроводность электролита равна.

χ=13,88 +71,90 +49,34 =135,12 См∙м-1.

Расчет падения напряжения в электролите:

∆Uэл =456,07∙(0,17/135,12)=0,57 В Поскольку падение напряжения в контактах рассчитать довольно трудно, принимаем его равным 10% от общего падения напряжения в электролизере.

6.4 Суммарное напряжение на ванне.

U=(U0+│ηа│ +│ηк│+ΔUэл)*1,1=(0,401+0,283+0,103+0,57)*1,1=1,493 В.

6.5 Выбор источника питания Для питания выбран выпрямитель ТВР1−1600/12Т-0 с номинальным напряжением 12 В (номинальный ток 1600 А).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсового проекта были рассчитаны:

1.Внутренние размеры и рабочий объём ванны (1600*700*1150мм) полная вместимость ванны 1200л. Объём электролита с учётом его уровня в ванне составляет 975л.

2. Электрический баланс ванны, в результате которого была определена токовая нагрузка (832 А) и суммарное напряжение на ванне (1,493В). В соответствии полученными значениями, выбран выпрямитель тока ТВР1−1600/12Т-0.

Список литературы

1. Гальванотехника для мастеров: Справ. изд./ Вирбилис С. Пер. с польск./ Под ред.

А. Ф. Иванова. М.: Металлургия, 1990. 208 с.

2. Дасоян М. А., Пальмская И. Я., Сахарова Е. В. Технология электрохимических покрытий.

Л.: Машиностроение 1989.-391 с.

3. В. В. Окулов. Цинкование. Техника и тенология/ ред. Проф. В. И. Кудрявцева — М: Глобус, 2008 — с. 252;

4. ГОСТ 23 738–85. Ванны автооператорных линий для химической, электрохимической обработки поверхности и получения покрытий. Основные параметры и размеры.

5.

1. Справочник химика. Т.З. /Под ред. Б. П. Никольского: 2-е издание.

М.- Л.: Химия, 1964.-1000с.

5.

2. Технологические расчеты оборудования электрохимических производств: учебно-методическое пособие. /В.М.Рудой, Т. Н. Останина,.