Parametrii Procesului de Electroliză

1. Introducere

Randamentul global şi performanţa unei celule de electroliză este determinată de interacţiunea complexă dintre anumite variabile ale procesului de electroliză de aceea stabilirea parametrilor de operare ai procesului de electroliză reprezintă o etapă importantă în faza de concepere a unei linii tehnologice. De cele mai multe ori se face apel la metoda de optimizare, urmărind ca, în condiţiile concrete, să se obţină maximum de avantaje.

Orice optimizare se bazează pe două condiţii:

- problema aflată în discuţie prezintă soluţii multiple din care oricare să se poată aplica;

- fiecare soluţie tehnică poate fi descrisă cantitativ.

În optimizarea parametrilor pot fi luate în considerare mai multe obiective, ca:

- profit maxim;

- cost de fabricaţie minim;

- grad maxim de recuperare a investiţiei;

- consum de energie minim;

- siguranţă maximă în exploatare / risc minim;

- poluare minimă;

- puritate maximă a produsului;

Pentru obţinerea unei valori optime a parametrilor se parcurg o serie de etape:

1. Elaborarea modelului matematic – analitic sau statistic – al sistemului ;

2. Definirea obiectivului de optimizat;

3. Expunerea funcţiei scop în funcţie de parametrii procesului;

4. Determinarea extremelor funcţiei scop utilizând una din metodele matematice de optimizare;

5. Definirea valorii optime a parametrului;

Elaborarea unor modele analitice care descriu dependenţa dintre indicatorii de performanţă şi parametrii procesului nefiind întotdeauna posibilă, se recurge la modele statistice, care se obţin prin investigări experimentale în instalaţii pilot. De puţine ori datele din laborator pot fi folosite la stabilirea modelelor, iar deoarece experimentările la scara de pilot sunt deosebit de costisitoare se recurge şi la metode de programare şi simulare a acestora.

2. Densitatea de curent

În majoritatea cazurilor, parametrul cheie al procesului este densitatea de curent. Productivitatea creşte cu creşterea acesteia însă, datorită creşterii supratensiunii, deci şi a tensiunii la borne, creşte şi consumul energetic şi, implicit, costul fabricaţiei. În procesul de electroliză cu membrană, costul procesului electrochimic este predominant în costul total. Ca urmare, dacă se face abstracţie de costurile în procesele de prelucrare ale fazelor produse, se poate scrie:

CPE=CW+C1+CH 2.1

CPE – costul energiei, lei;

C1 – costul investiţiei, lei;

CH – costul vehiculării soluţiei, lei;

Costul procesului propriu-zis de electroliză se poate exprima prin relaţia:

2.2

Unde: PU – preţul unitar al energiei, lei/kWh; Q – cantitatea de curent, Ah; - tensiunea reală la borne, V;

Această ultimă mărime, obţinută din bilanţul de materiale, depinde de densitatea de curent, conform relaţiei:

2.3

Primul termen din paranteză este o mărime termodinamică şi nu depinde de densitatea de curent, iar cel de-al doilea termen include atât suprapotenţialele cât şi căderile de tensiune prin celulă şi depind de densitatea de curent

Costul investiţiei specifice C1, care este invers proporţional cu densitatea de curent, se poate exprima prin relaţia:

C1=PEAE 2.4

Unde: PE – preţul unui m² din aria electrodului, lei/m²; AE – aria suprafeţei electrozilor, m². Costul unui m² de electrod nu depinde de densitatea de curent;

Costul vehiculării soluţiei se calculează conform relaţiei:

2.5

Unde: PU – costul unitar al energiei, lei/kWh; PP – puterea pompei,W; τ – durata procesului, h.

Înlocuind în relaţia (2.1) se obţine:

2.6

Notând =Rtotal*i şi Q=i τ se pot scrie expresiile:

2.7

Sau 2.8

Considerând intensitatea ca produsul dintre aria suprafeţei electrozilor şi densitatea de curent rezultă:

2.9

Variaţia costului procesului de electroliză şi a termenilor expresiei (2.9), în funcţie de densitatea de curent este redată în figura 2.1. Valoarea optimă a densităţii de curent se obţine anulând diferenţiala de ordinul 1 a funcţiei în raport cu i: