Применение прямого электрического нагрева для концентрирования серной кислоты. Сообщение I Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВЕСТИЯ

Том 259

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

.1975

ПРИМЕНЕНИЕ ПРЯМОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВА ДЛЯ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ. СООБЩЕНИЕ 1

В. П. ПИЩУЛИН

(Представлена научно-методическим семинаром кафедры ПМАХП ХТФ)

Концентрирование серной кислоты в промышленности в настоящее время производится в основном в барботажных концентраторах [1]. Необходимое количествео тепла подводится топочными газами. Огромный перерасход топочных газов, большая разность температур между топочными газами и концентрируемым раствором, приводящая к разложению серной кислоты, невозможность получения -серлой кислоты концентрацией более 94—95%, значительный унос серной кислоты, значительное давление топочных газов, громоздкость малопроизводительного оборудования при большой коррозы; послужили причиной .многих исследований в этой области. Для устранения этих недостатков нами предложен прямой электрический напрев в аппарате дефлегмационного типа.

Применение прямого электрического нагрева позволяет быстро и с высоким коэффициентом полезного использования энергии (96—98%) подводить необходимое количество тепла путем пропускания переменного электрического тока промышленной частоты (50 герц) через раствор серной кислоты с помощью плоскопараллельных электродов из угля или графита, практически устранить коррозию оборудования применением неметаллических коррозионностойких материалов, резко увеличить объемную производительность концентратора, устранить разложение и унос серной кислоты.

При прохождении электрического тока .¡выделяется тепло прямо пропорционально его сопротивлению согласно закону Джоуля — Ленца. В нашем случае электрическое сопротивление системы вкладывается из сопротивления электродов, обладающих электронной проводимостью, сопротивления раствора с ионной проводимостью и сопротивления па границе электрод — раствор, обусловленного сопротивлением двойного электрического слоя и химическими реакциями на ¡поверхности электродов [2]. Сопротивление электрода — величина относительно малая, поэтому выделяющееся тепло будет определяться сопротивлением раствора и граничным сопротивлением, причем сопротивление раствора зависит от удельной электропроводности раствора, формы, поверхности и расположения электродов; величина граничного сопротивления определяется удельным граничным сопротивлением и рабочей поверхностью электродов. Удельное граничное сопротивление зависит от материала электрода, состава и концентраций раствора, температуры и плотности тока и определяется экспериментально.

В данном сообщении приведены экспериментальные данные исследования удельного граничного сопротивления в зависимости от ¡концентрации раствора серной 'кислоты, температуры, плотности тока для

электродов и электродного угля, электродного лрафита, сталей XI8 Н10Т и ЭИ943.

В измерительную ячейку с плоскопараллельными электродами заливался определенный объем исследуемого ¡раствора, к раствору с помощью электродов через амперметр, вольтметр и автотрансформатор подводился переменный электрический ток. При установившихся определенной .плотности тока и температуре раствора замерялось общее падение (напряжения на ячейке, а также с помощью щупа и высокоомного измерителя напряжения определялось падение напряжения электрического тока ¡в растворе между электродами. Разность между значениями общего падения напряжения на ячейке и падением напряжения на растворе, деленная пополам, представляет граничное падение напряжения у одного электрода. Удельное граничное сопротивление рассчитывалось как частное от деления граничного падения напряжения на плотность тока.

Результаты исследования приведены в табл. 1.

Как показали (исследования, удельное граничное сопротивление в большой степени зависит от материала электродов. Для угля и графита оно наименьшее и его величина не превышает 1,1 ом-см2 в исследованном интервале температур, концентрации и плотности тока, причем зна-

Таблица 1

Влияние плотности тока на удельное граничное сопротивление

для электродов из графита и стали ЭИ943 при температуре 100° С в серной кислоте концентрацией 94%

Графитовые электроды Электроды из стали ЭИ943

с с Плотность тока, а; см- падение напряжения на ячейке, вольт граничное падение напряжения, вольт удельное граничное сопротивление, ОМ'СМ2 падение напряжения на ячейке, вольт граничное падение напряжении, волып удельное граничное сопротивление, ом-см'2

1 0,50 6,75 0,55 1,10 28,6 13,0 26

2 0,75 10,20 0,75 1,00 32,8 14,0 18,7

3 1,00 13,10 0,96 0,96 36,00 14,6 14,6

4 1,50 18,00 1,30 0,87 41,2 16,0 10,7

5 2,00 23,40 1,50 0,75 48,4 16,4 8,2

6 2,50 27,40 1,65 0,60 56,0 20,4 8,16

чения удельного граничного сопротивления для угля и графита одинаковы при равных условиях. Для электродов из стали Х18 ШОТ и ЭИ943 величина удельного граничного сопротивления примерно на порядок больше. 1

Увеличение плотности тока до 3—5 а/ом2 со всеми материалами электродов приводит ,к значительному уменьшению удельного граничного сопротивления, гори дальнейшем увеличении плотности така значения-удельного граничного сопротивления практически не изменяются.

С увеличением 'концентрации серной ¡кислоты примерно до 83% для электродов из электродного графита наблюдается сначала возрастание удельного граничного сопротивления, .а затем ¡при дальнейшем увеличении ¡концентрации до —93 % значения удельного граничного сопротивления снижаются до минимального значения с 'последующим ростам. Кривая изменения удельного граничного сопротивления в зависимости от концентрации серной кислоты аналогична таковой для величины, обратной удельной электропроводности, то есть удельному электросопротивлению.

С увеличением температуры раствора серной кислоты для угля и графита характерно плавное уменьшение удельного граничного сопротивления, что объясняется 'большей подвижностью ионов с ростом температуры. Для стали Х18 НЮТ с увеличением температуры до 150оС

Таблица 2

Зависимость удельного граничного сопротивления от температуры серной кислоты концентрацией 94% при плотности тока 1,5 а/см2 для электродов из графита, угля сталей Х18 Н10Т и ЭИ943

Удельное граничное сопротивление в ом-см- для электродов из

№ п п Температура, °С графита угля стали Х18 Н10Т стали ЭЙ943

1 75 0,93 0,93 12,90 11,94

2 100 0,87 0,75 14,35 10,70

3 150 0,56 0,55 19,50 10,70

4 200 0,50 0,51 6,27 8,34

5 298 0,47 0,49 3,40 2,54

Таблица 3

Влияние концентрации серной кислоты на удельное граничное сопротивление для электродов из*графита при температуре 100° С и плотности тока 1,5 а/см2

Концентрация серной кислоты, %

65

73,2 78

83,3

93

97,5

Удельное граничное сопротивление, ом-см2

0,72 0,83 0,87

0,87

1.2

наблюдается увеличение удельного граничного сопротивления до величины 19,5 ом-см2 при плотности тока 1,5 а/см2. При дальнейшем росте температуры происходит резкое уменьшение удельного граничного сопротивления до величины 6,27 ом-см2 при 200°С. Такая зависимость удельного граничного сопротивления от температуры объясняется образованием сульфатной пленки на электроде при температуре ниже 160°С, обладающей высоким электрическим сопротивлением, которая при дальнейшем увеличении температуры переходит в растворимое состояние, в результате чего удельное граничное сопротивление уменьшается.

Аналогичный, но ¡более сглаженный характер имеет 'зависимость удельного граничного сопротивления от температуры для (стали ЭИ943, растворимость которой в виде электродов в сери ой кислоте значительно больше, чем стали XI8 Н10Т.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. Г. Амелин. Производство серной кислоты. «Химия», 1967.

2. Исследования в области промышленного электронагрева. Труды ' ВНИИЭТО. Вып. 2. Под ред. А. П. Альтгаузена и А. Е. Никольского. «Энергия», 1967.