百叶窗阴极设计及在制备三氟化氮电解槽中的应用

论文摘要

本文简要介绍了电解法制备三氟化氮气体工艺特点,及在电解工业生产中存在的电解电压、温度波动不易控制,电解液的酸度和氨含量呈下降趋势并超出浓度范围,三氟化氮气体平均产率不高及电解槽电流效率难以提高的实际问题。通过对电解槽结构的分析,提出了将电解槽中板式阴极结构设计成百叶窗阴极结构的设想,来改善电解液在阴极附近的循环,以促进电解液传热传质的过程,解决三氟化氮电解工业生产中实际问题。根据百叶窗阴极结构设计要求,分别从材料的选择、结构形式、叶片尺寸、横板改进及筋板数量确定等五方面进行了百叶窗阴极设计。通过对比、分析、计算,确定了百叶窗阴极的结构参数:阴极材料为碳素钢Q235B,叶片呈水平排布,向外倾斜角度为30°。每面阴极为10片叶片,叶片尺寸为6×30×1680mm,相邻叶片间距为29mm,每面阴极的筋板数量为2个,横板进行开孔设计。最后对原有的阴极柱进行受力分析,并采用安全系数法对阴极柱进行强度校核。为了验证百叶窗阴极结构的实用性和有效性,在不改变原有电解工艺和电解液配比的前提下,采用额定电流为3000安培的电解槽,进行了制备三氟化氮气体的电解试验。试验表明:在电解设备中,采用百叶窗阴极结构代替板式阴极结构后,电解电压攀升幅度较小,电压值相对升高由30%降至10%。电解液的酸度和氨含量未超出浓度范围,酸度始终保持在36%~37%范围内,而氨含量始终保持在3.2%～3.5%范围内。电解温度攀升幅度较小,温度相对升高由32%降至12%。三氟化氮气体的平均产率由56%提高到58%,产率最高可达到59%。可以提高阴极极限电流密度,降低发生浓度极化的几率。电解电流效率相对提高约12%。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 三氟化氮的主要理化性质
• 1.1.1 三氟化氮的主要物理性质
• 1.1.2 三氟化氮的主要化学性质
• 1.2 三氟化氮制备方法
• 1.2.1 直接化合法
• 1.2.2 熔融盐法
• 1.2.3 电解法
• 1.3 电解设备
• 1.4 电解槽阴极结构
• 1.4.1 实验室装置结构
• 1.4.2 工业化装置结构
• 1.5 本课题的主要研究工作
• 第二章 百叶窗阴极设计
• 2.1 引言
• 2.1.1 电解槽内部结构
• 2.1.2 工业生产常见问题
• 2.1.3 原因分析
• 2.2 百叶窗阴极结构设计
• 2.2.1 百叶窗阴极结构设计要求
• 2.2.2 百叶窗阴极结构设计总体思路
• 2.2.3 百叶窗阴极材料的选择
• 2.2.4 百叶窗阴极结构形式确定
• 2.2.5 叶片尺寸确定
• 2.2.6 叶片间距的确定
• 2.2.7 筋板数量的计算
• 2.2.8 横板的改进
• 2.3 阴极柱强度校核
• 2.3.1 受力分析
• 2.3.2 预紧力的计算
• 2.3.3 拉力的计算
• 2.3.4 强度校核
• 2.4 本章小结
• 第三章 百叶窗阴极在制备三氟化氮电解槽中的应用试验
• 3.1 引言
• 3.2 实验设备总体概况
• 3.2.1 换热系统
• 3.2.2 加料系统
• 3.2.3 供电系统
• 3.2.4 阳极气体净化系统
• 3.2.5 阴极气体净化系统
• 3.2.6 监控测量系统
• 3.3 实验原料及规格
• 3.4 实验过程
• 3.4.1 电解液的配制
• 3.4.2 电解液的除水
• 3.4.3 电解过程
• 3.4.4 加料过程
• 3.4.5 分析方法
• 3.5 试验结果与分析讨论
• 3.5.1 工作电压的对比
• 3.5.2 酸度和氨含量的对比
• 3.5.3 工作温度的对比
• 3.5.4 三氟化氮产率的对比
• 3.5.5 阴极极限电流密度
• 3.5.6 电流效率
• 3.6 本章小结
• 第四章 结论
• 参考文献
• 科研情况说明
• 致谢