典型农药废水电化学反应器的设计与制造培训课件.docx
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典型农药废水电化学反应器的设计与制造培训课件
本科毕业论文
典型农药废水电化学
反应器的设计与制造
专业
应用化学
班级
B应化082
学号
0710302222
学生姓名
李星
指导教师
严金龙
完成日期
2012年6月9日
典型农药废水电化学反应器的设计与制造
摘要：
本设计采用的框板式电化学反应器适用于典型农药废水的电解氧化处理工艺，尤其是含苯酚废水的电解氧化处理工艺。
应用电极为IrO2-Sn/Ti电极，该电极具有很好的催化性，具有较高超电位，能较好的抑制氧气在阳极上析出，提高电流效率，具有良好的电化学性能和较长的使用寿命。
对苯酚废水的电催化降解研究结果表明，在控制要求为处理COD为1000mg/L的废水100L/h，COD去除率约为70%时所设定电化学反应器的电流密度应为30A/m2，电极的极间距为2cm，电流效率为70%，电解槽反应器电压为300V，设计出的电化学反应器的能耗为1.5KW·h/kg，阳极片为8片，阴极片为9片，电极面积为0.5×1m2,，尺寸：
长1m，宽0.36m，高0.5m。
关键词：
反应器；电极；苯酚废水；电解氧化
Designandmanufacturingofelectrochemicalreactorusedintheelectrochemicalcatalyticaldecompositionfortypicalpesticidewastewater
Abstract:
Frametypeelectrochemicalreactorofthisdesignisusedintheelectrochemicalcatalyticaldecompositionfortypicalpesticidewastewater,especiallyfortheelectrolyticoxidationofphenol-containingwastewater.TheapplicationofthedesignelectrodeofIrO2-Sn/Tielectrode,theelectrodehasgoodcatalytic,hassuperbpotential,canbebettertoinhibittheprecipitationofoxygenattheanodetoimprovethecurrentefficiency,withgoodelectrochemicalperformanceandlongerservicelife.Thisdesignusesthebox-platecellelectrolysiswastewater.
Onelectro-catalyticdegradationofphenolwastewaterresearchresultsindicatethatcontrollingrequirementstodealwithCODto1000mg/Lofwastewaterof100L/h,theCODremovalrateofabout70%,theelectrochemicalreactioncanbesetcurrentdensityof30A/m2,polespacingoftheelectrodes2cm,thecurrentefficiencyof70%andcellvoltageof300V.Intheelectrochemicalreactor,wecandesigntheenergyconsumptionoftheelectrochemicalreactorof1.5KW·h/kg,anodepieceofeight,cathodepieceofnine,eachpieceoftheelectrodeareaof0.5×1m2,size:
Length1m,0.34mwide,and0.5mhigh.
Keywords:
Reactorelectrodes；phenolwastewater；electrolyticoxidation
第一章文献综述
1.1研究背景
电化学反应器广泛应用于化工、能源、冶金、机械、电子、环保等各个部门。
电化学反应器中发生的主要过程是电化学反应，电化学反应包括两种电极过程（即阳极过程和阴极过程）和反应物在液相中的传递过程。
但不同的电化学反应器拥有不同的结构、功能及特点，在电解不同农药废水方面也有明显的差距。
目前电化学已发展成为一门比较成熟的科学。
同时，电化学工业的发展也对电化学理论的发展起到积极的推动作用，电化学理论又在实践中得到不断的补充和完善[1]。
其中，电化学氧化处理工艺就应用于废水处理，然而，现阶段处理废水所需要的电化学反应器的设计与制造这个领域涉及得还不多，需要进一步的摸索和探究。
1.2农药废水的种类与特点
农药品种繁多，农药废水水质复杂，主要可分为：
①含苯废水；②含有机磷废水；③高浓度含盐废水；④高浓度含酚废水；⑤含汞废水。
其主要特点是：
①污染物浓度较高,COD（化学需氧量）可达每升数万毫克；②毒性大,废水中除含有农药和中间体外,还含有酚、砷、汞等有毒物质以及许多生物难以降解的物质；③有恶臭，对人的呼吸道和粘膜有刺激性；④水质、水量不稳定。
因此，农药废水对环境的污染非常严重。
农药废水处理的目的是降低农药生产废水中污染物浓度，提高回收利用率，力求达到无害化[2]。
1.3电化学方法处理农药废水的研究热点
近20多年，电化学方法处理农药废水的研究工作主要集中在以下几个方面：
①在不同电极上氧化电解各种废水的效率；②如何提高电催化活性；③电极材料的电化学稳定性；④影响电解废水性能的因素；⑤探索废水电解的机理与动力学[3]。
1.4电化学反应器
1.4.1电化学反应器的特点
在电化学的三大领域（即工业电解、化学电源、电镀）中应用的电化学反应器，包括各种电解槽、电镀槽、一次电池、二次电池、燃料电池，它们结构与大小不同，功能与特点迥异，然而却具有如下一些共同的基本特征。
1.所有电化学反应器都由两个电极（第一类导体）和电解质（第二类导体）构成；
2.所有电化学反应器都可归入两个类别：
即有外部输入电能，在电极很电解液界面上促成电化学反应的电解反应器；以及在电极和电解质界面上自发地发生电化学反应产生能源的化学电源反应器；
3.电化学反应器中发生的主要过程是电化学反应，并包括电荷、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]。
1.4.2电化学反应器的分类
电化学反应器作为一种特殊的化学反应器，虽然可以仿照化学反应器的多种分类原则进行分类，但从电化学工程实际出发，根据反应器结构和反应器工作方式分类是比较合适的。
1.按照反应器的结构分类
1）箱式电化学反应器：
这类反应器是应用最广的电化学反应器，尽管大小不等、形式各异，但遍及工业电解、电镀、化学能源、科研等各个领域。
反应器一般为长方形，具有不同的三维尺寸（长、宽、高），电极常为平板状，大多为垂直平行地放置其中；
2）框板式或压滤机式电化学反应器：
这类电化学反应器由单元反应器重叠并加压密封组合，每一单元反应器均包括电极、板框和隔膜等部分，在工业电解和化学电源中应用广泛；
3）结构特殊的反应器：
为增大反应器中的比电极面积、强化传质、提高反应器的空间—时间产率而研制的多种结构特殊的电化学反应器[5]。
2.按反应器工作方式分类
1）间歇式电化学反应器：
简单的间歇式电化学反应器定时送入一定量的反应物（电解液）后，经过一定反应时间，放出反应产物。
显然，随着电化学反应和伴随的化学反应的进行，反应物不断消耗，其浓度不断降低，而产物则不断生成，浓度不断提高。
间歇式反应器运行中耗费的人工劳动量较大，一般适用于小规模生产或间断地提供产物的场合；
2）平推流电化学反应器：
这类反应器又可称为管式反应器，它是连续工作的。
反应物不断进入反应器，产物不断流出，达到定态。
理想情况下，这种反应器中的电解液由入至出，稳定地流向前方，不发生返混。
电解液的组成则随其在反应器中空间位置不断变化，对于每一个反应物具有相同的停留时间；
3）连续搅拌箱式反应器：
这种反应器的特点是在连续加入反应物并以同一速率放出产物的同时，还在反应器中不断的搅拌，因此反应器内的组成是恒定的[6]。
3.按反应器内工作电极的形状分类
1）二维电极反应器。
2）三维电极反应器[7]。
1.4.3常用结构的电化学反应器
箱式反应器和板框式反应器是两类应用最广泛的典型的电化学反应器，他们的电极可以是二维电极，也可以是三维电极，他们是最常用的组装成型电解槽的形式[8]。
1.箱式电化学反应器
在电化学工程中应用最广泛的箱式电化学反应器既可间歇工作，也可半间歇工作。
箱式反应器多采用单极式电联接，但是采用一定措施后也可实现复极式联接。
箱式反应器应用广泛的原因是结构简单、设计和制造较容易、维修方便。
其缺点是时空产率较低，难于适应大规模连续生产以及对传质过程要求严格控制的生产过程[9]。
2.板框式电化学反应器
这类电化学反应器由很多单元反应器组合而成，每一单元反应器都包括电极、板框、隔膜，电极大多为垂直放置，电解液从中流过，毋需另外制作反应器槽体。
板框式电化学反应器受到欢迎的原因有：
1）单元反应器的结构可以简化及标准化，便于大批量的生产，也便于在维修中更换；
2）可广泛地选用各种电极材料及膜材料满足不同的需要；
3）电极表面的电势及电流分布较为均匀；
4）可采用多种湍流促进器来强化传质及控制电解液流速；
5）可以通过改变单元反应器的电极面积及数量来较方便地改变生产能力，形成系列，适应不同用户的需要；
6）适于复极式联接（其优点为可减少极间电压降，节约材料，并使电流分布较均匀），也可按单极式联接[10]。
1.4.4电化学反应器设计的原则
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，但也具有自身的特点。
与气固催化反应器比较，电解槽有两个重要差别。
首先，液相中的传质总比气相中的慢，电极反应容易受传质控制。
事实上，电极/溶液界面区的传质是电化学反应工程中最重要的问题之一。
其次，这两类反应器都需要有最大的反应面积/体积比，但电解槽的设计尚需考虑电流分布和电位分布问题，只有当电极上各部分都保持合适的电位差，才能使目的反应高效的进行。
电化学反应器的结构取决于不同的用途，但设计时务必尽可能满足一下要求：
1）结构力求简单：
在满足生产过程需要的前提下，反应器结构尽量简单，这有利于降低投资成本和运行成本，使整个生产工艺更具竞争力。
2）操作方便可靠：
反应器必须能为生产过程中的常规操作提供方便，如方便产物的提取和设备的维护。
根据工作环境和劳力配备的要求，也许需要进行长时间的自动化生产，在这种情况下安全、可靠显得特别重要。
3）一体化和多用途：
反应器的设计应与整个过程设计结合起来，如总过程可能包含不同的反应，需要周期性地供给不同的进料，设计时不能忽略这些情况。
如果某些操作（如固体和气体产物的分离或溶剂萃取）可同时在电解槽中进行，将是最理想的。
反应器及其辅助设施的形状和尺寸最好能与车间的面积和净空高度匹配，此外，必须为生产规模的扩大预先做好准备。
4）满足反应工程参数：
为了实现预定的生产能力和反应选择性，不仅要求控制电极电位和电流密度，而且整个电极表面上的电流电位分布必须均匀，使用各种几何形状的辅助电极或者引导电流方向的绝缘屏蔽物肯呢个实现这一目标。
如果反应动力学缓慢，可达到的电流密度较小，需要提高单位体积反应器中的总电极面积，此时反应器必须采用紧密的结构。
为了控制反应温度，必须考虑反应器与环境的热交换问题。
5）运行成本最小化：
反应器设计与成本相关的因素有：
①使用价格低廉，但性能可靠的反应器部件和反应器壳体材料；②选用合适的电极材料和隔膜材料，以降低槽电压，减小电极间距，尽可能避免使用隔膜，采用导电性良好的电接触；③尽量避免使用电解液搅拌和电极转动，减少大功率的机械装置。
当需要使用搅拌或溶液流动时，应预先考虑传质方式，权衡使用挡板、颗粒床和其他湍流增强器的利弊。
上述各种要求不一定能同时得到满足，这就需要凭借设计人员的技巧和经验进行抉择，以或得合适的设计。
下表列出反应器设计时可供选择的若干因素，显而易见，当采用表中的方案B时设计将较为复杂，设备成本也教过，然而可能凸显出具体生产工艺上的优点[11-12]。
表1-1反应器的设计方案
设计因素
方案A
方案B
反应器的工作方式
间歇式
连续式
电极的数量
单个
多个
电极运动状态
静止
运动
电极结构
二维
三维
电极联结
单极性
双极性
电极间距
较大
较小
电解液流动
在反应器外
在反应器内
电极区间分隔
无隔膜
有隔膜
反应器的密封
开口
密封
1.5电化学方法的技术优势
电化学水处理技术因其独特的优越性引起了广大环保工作者的极大兴趣，电化学方法是高级氧化技术的一种。
作为一种清洁的处理工艺，电化学方法与其它水处理技术相比，具有无法比拟的优点：
1.具有多功能性。
电化学方法具有广泛的选择性，可以在污水、废气、有毒物处理等多方面发挥作用。
2.具有高度的灵活性。
电化学方法兼具气浮、絮凝、杀菌等多种功能，必要时，阴极、阳极可同时发挥作用。
它既可以作单独处理工艺使用，也可以与其他处理工艺相结合，如作为前处理，可将难降解的有机物或生物毒性污染物转化为可生物降解物质，从而提高污水的可生物降解性。
3.无污染或少污染性。
4.易于控制性。
电化学过程一般在常温常压下进行，其化学过程的主要运行参数是电和电势，易于控制和测试。
反应装置体积小，操作比较简单，排污量小。
因此，整个过程的可控程度乃至自动控制水平都较高，易于实现自动控制。
5.经济性。
电化学系统设备相对简单，只要设计合理，其能量效率也比较高，因此，操作与维护费用低。
当排污规模较小时，可进行就地处理。
同时，作为一种清洁的处理工艺，其设备占地面积较小。
电化学方法在多种农药废水处理方面显现出独特的优势，别称为“环境友好技术”，在绿色工艺方面极具潜力。
电化学方法在去除农药废水中的有机污染物方面显现出独特的优越性，传统的生物处理技术虽然对有机物处理应用广泛，但是本质上生物处理技术只能有效地去除水体中生物相容的有机物，对越来越多的非生物相容有机物却不适用。
随着电力工业的发展，特别是近代大力发展水力发电和核电，电能成本降低，为电化学方法在治理污水方面的应用开辟了很好的前景[13-18]。
1.6研究内容及目的
根据农药废水的种类以及各自的危害，选择某一种废水作为设计电化学反应器要处理的废水；根据电化学反应器的设计原则，选择某一类型的反应器作为要设计的电化学反应器；通过物料衡算，能量衡算和设定的废水处理量，根据某些参数值，设计出电化学反应器的电极面积，以及电化学反应器的尺寸，并且作出电解废水的流程图和电化学反应器结构图。
第2章电化学反应器的设计
2.1电化学反应器设计的步骤
电化学反应器的工艺大致按如下步骤进行：
1）选择一种典型农药废水作为本设计的处理废水；
2）设定电化学反应器的设计依据；
3）作出工艺流程图；
4）电化学过程的物料衡算和能量衡算的计算；
5）选择合适的电解槽；
6）选择理想的电极；
7）确定反应器的工作方式、组合和联结；
8）电化学反应器设计过程中的相关计算；
9）设计电解槽结构图。
2.2典型农药废水的选择
本实验使用苯酚废水作为典型农药废水的代表。
酚类化合物作为一种重要的有机化工基本原料，也是很多大分子有机物降解的中间产物，广泛应用于国民经济的各个方面。
由于其具有较强的毒性和刺激性，水体本身难以通过物理、化学和生物等综合作用将其自然降解，所以不经处理任意排放会对水环境带来严重危害。
因为以该类化合物的典型代表苯酚废水为研究对象很具有现实意义。
本设计选用100LCOD为1000mg/L的苯酚废水为研究对象。
2.3电化学反应器的设计依据
2.3.1反应器的生产能力
需要处理COD为1000mg/L的苯酚废水，每小时处理100L。
2.3.2反应器的技术指标
电解槽的的电流密度为30A/m²，电流效率为70%，COD去除率为70%，废水流量为100L/h，槽电压为300V。
2.4电解苯酚废水工艺流程图
首先，选取某地方的农药废水池或者污水池，取得COD大约为1000mg/L的苯酚废水100L。
然后，通过泵的输送，100L苯酚废水按照一定流速进入框板式电解槽，在220V恒电压下电解一段时间流出，得到含有苯酚电解中间产物的废水。
最后，进行后续的生物处理。
2.5电化学过程的物料衡算和能量衡算
2.5.1物料衡算
物料衡算与能量衡算式化学过程设计必不可少对的重要步骤。
物料衡算的基本原理和方法适用于电化学工艺和设备的设计以及过程的管理。
物料衡算是指对某一生产过程或某一设备系统内所有进入、离去、累积或耗损的物料进行质量和组成的精确计算。
物料衡算的大体步骤是：
①选择衡算体系；②规定衡算基准；③组成衡算方程；④数学运算、求得答案；⑤必要时尚需编制物料衡算清单。
物料衡算首先要选定衡算体系，就是要明确计算对象所包括的范围。
在工艺计算中衡算体系是一个过程，而在设备计算中衡算体系是一组或一个设备。
在电化学反应器进行计算时，依不同的目的，衡算体系可以是整个反应器，或者是某个电极室。
本设计的物料衡算式整个反应器。
为了便于分析问题和防止差错，衡算时常先绘制出体系的简图，如
图2-2反应器衡算体系简图
规定衡算基准就是要选择一个绝对的数量作为各种物料衡算的共同依据，一切物料的数量均应符合此基准规定的大小。
衡算基准应根据研究对象和衡算目的进行选取。
本设计的反应器是连续操作，以单位时间内的产量为基准，这样算出的物理量可直接为设备设计提供依据。
物料衡算的理论依据是质量守恒定律，当衡算体系和衡算基准确定之后，便可根据质量守恒定律来建立衡算方程。
物料衡算方程可表示为
/
（2-1）
等式左边的微商便是体系中物种B累积的质量
随时间的变化；
和
为单位时间内物种B进入和离开体系的质量，而
是物种B在体系中生成（正值）或消耗（负值）速率。
在稳态条件下
/
，于是
（2-2）
物料衡算时可根据上式对苯酚废水中的O原子列出衡算关系，得出
的量为2.2mol/h。
而
与总电流强度I有关。
根据法拉第定律，
可表示为
（2-3）
可以得到总电流I为61A，由于电流效率为70%，则实际总电流为87A。
而30%的电流26A用于电解水，则1h电解得到的氢气为50ml，得到的氧气为90ml。
2.5.2能量衡算
能量衡算的依据是能量守恒定律，衡算的步骤与物料衡算类似，即必须确定衡算体系和衡算基准，然后建立衡算方程。
能量衡算通常以物料衡算为前提，选择相同的衡算基准，然后建立衡算基准。
设定设计的反应器是恒温条件下进行工作的，则物流进出体系的静焓变（
H）net为
（2-4）
式中，（
H）in和（
H）our分别表示进入体系的物流的焓和离开体系的物流的焓；Cp，k是物种k的平均热容。
电解时输入体系的电能为
（2-5）
电解器的电压用绝对值
表示。
为维持等温操作条件必须移去的热为
（2-6）
反应过程的热效应是电解操作的主要影响因素。
通过以下分析可了解电解过程产生热的起因。
若假设阴极反应和阳极反应的过电位均为零，且电解液电阻为零，则反应器内生成1mol产物消耗的电能为
（2-7）
电化学反应引起的焓变△HR为
（2-8）
（2-9）
大多数电化学过程的
S为正值，可见即便在接近可逆的条件下操作，也必须向反应器补给数值等于T
S的附加能量。
实际的电解过程是在不可逆条件下进行的，|U|＞|Umin|，电解时产生的热增大了（|U|
|Umin|）It，这部分的热是由过电位和溶液等的欧姆电压降引起的。
电化学过程产生的热可借助反应器与环境的热交换，或溶剂蒸发消耗的潜热而移去，于是体系与外界交换的热Q可表示为
（2-10）
QV是水蒸发引起的热交换，Qh反应器与环境交换的热量。
，
w是水的蒸发速率，
V是水的蒸发热。
不同温度T下水蒸发进入20℃平静空气中的速率
依次为2.6×10-4kmol/（m·s）（90℃），1.8×10-4kmol/（m·s）（85℃）和1.5×10-4kmol/（m·s）（80℃）。
根据传热原理，反应器与环境的热交换有热传导、对流传热和热辐射三种方式。
热传导和对流传热的传热机理不同，为方便起见，通常用平均总传热系数
来计算这两部分的传热量Qh
（2-11）
式中，A和
T分别表示传热面积和反应器器壁与环境的温度差。
热辐射遵从斯蒂芬-波尔兹曼定律：
（2-12）
δＳＢ称斯蒂芬－波尔兹曼常数，A１、T１和ε１依次是高温物体的面积、温度和黑度。
热辐射一般只在熔盐电解或MCFC和SOFC等高温反应体系中才需要考虑。
电化学反应产生的热如果不能及时全部地移去，必将导致反应器温度上升，结果是提高溶液的导电率并降低动力粘度。
导电率的变化将影响恒电压操作的实际电极电位值，粘度的变化则影响传质和传热条件。
倘若温度上升过猛，甚至可能引发副反应。
这些问题对间歇操作或连续操作对的电化学反应器都很重要。
因此，必须根据热效应的大小，为电化学反应器设置相应的热交换设备，如采用外设的热交换器或者采取循环操作。
本设计为每个单元反应器旁边设置25℃的热交换器。
2.6电解槽的选型
本实验采用框板式电解槽作为本次设计电化学反应器的主体,并设计多个单元反应器。
板框式结构的优点是：
形状适合不同电极材料均可采用板框结构，且便于隔膜的密封和电极的连接；电流分布比较均匀；传质速率可通过调节电解液流速或设置湍流促进器进行控制；改变电解池单元的数目或电极面积即可调整反应器生产能力。
2.7电极的选型
电极是实现电化学反应及提高电流效率的关键。
电极在电化学水处理技术中处于“心脏”地位。
电解时电极不仅起着传送电流的作用，而且对有机物的氧化降解起着催化作用。
“电催化”特性就是是指电极对所期望处理的有机物表现出高的反应速率，具有好的选择性，而电极材料是实现电点催化过程极为重要的支配因素。
影响电催化性能的变化本质上不是电势、电流等外部条件，而是电极材料本身的影响。
本设计应用电极为IrO2-Sn/Ti电极，该电极具有很好的催化性，具有高超电位，能较好的抑制氧气在阳极上析出，提高电流效率，具有良好的电化学性能和较长的使用寿命。
2.8确定反应器的工作方式、组合和联结
本设计反应器的工作方式是连续式，且是单进单出的，电极联结是双极性的。
反应器由苯酚废水作为电解液，以IrO2-Sn/Ti电极为阳极，不锈钢为阴极组合而成。
2.9设计电化学反应器的相关计算
2.9.1计算电化学反应器的电极面积
已知1小时处理100L的COD为1000mg/L的苯酚废水，电解槽的电流密度为
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