بخشی از مقاله
چکیده
الکترولایزر واحد کلرآلکالی از طریق الکترولیز آبنمک خالص محصول کلر، هیدروژن و کاستیک تولید مینماید. الکترولایزر از لحاظ انرژی مصرفی یکی از پرمصرفترین تجهیزات در صنعت میباشد که پرداختن به عوامل موثر در کاهش مصرف انرژی ضروری مینماید. سه پارامتر موثر در ولتاژ مصرفی الکترولایزر، دما، ضخامت غشا و دانسیته جریان میباشد که در این مطالعه به بررسی اثرات آنها بر روی ولتاژ پرداخته شده است. به این گونه که از طریق مدل سازی الکترولایزر به عنوان یک حجم کنترل و با استفاده از نتایج حاصل ازآن میتوان در خصوص تاثیر این پارامترها به عنوان پارامترهای موثر بر مصرف ولتاژ و انرژی الکترولایزر اظهار نظر نمود. در این پژوهش حل معادلات عددی به وسیله نرم افزار متلب انجام شده است. ابتدا معادلات را در یک گستره دمایی و ضخامتهای مختلف حل کرده و تاثیر این پارامترها بر ولتاژ و انرژی بررسی شده است.
-1 مقدمه
الکترولایزر غشایی نوعی از الکترولایزر هست که در مقایسه با الکترولایزرهای سلول جیوهای و سلول دیافرگمی مصرف انرژی کمتر و راندمان بالاتری دارد. کاهش ولتاژ سل، از طریق تمرکز بر روی غشا و الکترود میسر گردیده است. اثربخشی غشاء به عنوان یک تجهیز جدا کننده در بین محفظههای آند و کاتد در جریان فعلی، راندمان یک سل را تعریف میکند. در ضخامتهای بالا اثر افزایش دما در کاهش ولتاژ کل سل الکترولایزر غشایی بهدلیل مکانیسم های نفوذ در غشا و لایه نفوذ اطراف الکترودها فعالتر و مشهودتر است. غشاهای استفاده شده از نوع دوقطبی با گردش طبیعی میباشد. ترکیب شیمیایی غشا بر اساس ماتریس لایه-های فلورید است.
خواص فیزیکی و الکتروشیمیایی و قابلیت تبادل یونی ممبرینها به طور گستردهای میتواند متفاوت باشد. در فرآیند الکترولیز، محلول کلرید سدیم در آب بهوسیله عبور جریان مستقیم تجزیهشده و به کلر، هیدروژن و محلول سود تبدیل میگردد. در این نوع الکترولایزرها یون سدیم با عبور از غشاء تبادل کاتیونی به سمت کاتد حرکت می کند . در سل غشایی، آنولایت و کاتولایت توسط غشا از یکدیگر جدا گشته و با ورود آبنمک اشباع، گاز کلر در طرف آند آزاد میشود. واکنش کلی فرآیند بهصورت زیر است که در دو طرف آند و کاتد روی میدهد.
-2 پژوهش های پیشین
تاهیر و همکاران الکترولیز سیکل مس-کلر را بررسی کردهاند. نتایج بهدستآمده از آنالیز نشان میدهد که افت ولتاژ در ممبرین از 0.06 به 0.19 ولت با افزایش چگالی جریان از 0.5 به 1.5 آمپر بر سانتی مترمربع افزایشیافته است. میزان تولید هیدروژن و هزینه تولید هیدروژن به ترتیب از 1.28 به 1.47 لیتر بر ثانیه و از 3.28 به 3.36 سنت بر کیلوگرم با افزایش دمای رآکتور از 290 به 340 درجه کلوین افزایش مییابد.
شن در این تحقیق سعی در بهبود عملکرد الکترولایزر از دو جنبهی افزایش فعالیت الکتروشیمیایی الکترودها و کاهش مقاومت کل سلول الکترولیتی دارد. با این مدل، ویژگیهای یک سلول الکترولیتی همچون مقاومت سلول و اثرات جنبشی را میتوان بهطور مستقیم از منحنی عملکرد سلول به دست آورد که برای آنالیز جریان بالا و پایین و همچنین ارزیابی سلول الکترولیتی سودمند است. در این مقاله، یک مدل جدید برای شبیهسازی مشخصات ولتاژ جاری الکترولایزر آب ارائهشده است.
الحسن سلام با استفاده از برنامه متلب اضافه ولتاژ در آند، کاتد و اضافه ولتاژ اهمیک را بهصورت جداگانه موردبررسی قرار داده است. مشاهدهها نشان میدهد با افزایش تبادل چگالیجریان ولتاژ سلول کاهش مییابد، اما واکنش کاتد در مقایسه با واکنش آند سریعتر است و به همین دلیل برای فعالیت الکترود و واکنش نیاز به اضافه ولتاژ است که این مقدار در آند بسیار بالاتر از کاتد است. همچنین مشاهده میشود در چگالی جریان پایین در حدود 0.1 آمپر بر سانتیمتر مربع، مقاومت بیشتری در آند ایجاد میشود و تمام مقاومتهای دیگر همچون مقاومت ممبرین در مقایسه با مقاومت آند بهطور متوسط پایین است.
استوت و همکاران [4] بهمنظور بررسی پتانسیل عملکرد تولید هیدروژن در مقیاس بزرگ به مدل سازی یکبعدی الکترولایزر پرداخته است. این مدل الکترولایزر اجازه میدهد تا ولتاژ عامل، دمای خروجی گاز و بهرهوری الکترولایزر را برای هر نرخ جریان گاز ورودی مشخص، چگالی یا شدتجریان، مساحت سلول فعال، تلفات حرارت خارجی و راندمان را به دست آورد.
با بررسی مقالات فوق میتوان به این نتیجه رسید که با مدلسازی و برنامهنویسی عددی مناسب میتوان عملکرد الکترولایزر غشایی برای محلول آبنمک و عوامل مؤثر بر آن را بررسی نمود.
-3 مشخصات الکترولایزر
اتاقک سل برای تولید تن متریک در روز NaOH صد درصد از 12 الکترولایزر غشایی نوع BM2.7 استفاده میکند که هر کدام دارای 163 سلول دوقطبی میباشد. برای کاهش محاسبات، تنها یک سلول دو قطبی از الکترولایزر مدلسازی شده است. یک سلول دوقطبی الکترولایزر در شکل 1 نشان داده شده است. جنس الکترود آند مورد استفاده تیتیانوم و از نوع لوور است همچنین الکترود کاتد از جنس نیکل و از نوع مش است.
شکل-1 شماتیکی از الکترولایزر و نحوه جداسازی کلر
در جدول شماره 1 برخی پارامترها و ثوابت مورد نیاز آورده شده است و برای بررسی روند تغیرات، یک گستره دمایی از 25 تا 125 درجه سانتیگراد و یک بازه از دانسیته جریان از 2000 تا 6000 آمپر بر مترمربع در نظر گرفته شده است.
جدول -1 پارامترهای ثابت مورد استفاده جهت مدلسازی انرژی و اکسرژی سیستم الکترولایزر غشا پلیمری
