1. 确定关键参数
产氢量:50标方每小时(Nm³/h)。
产氧量:约为产氢量的一半,即25标方每小时。
设计电流密度:一般选择3000 A/m²,这是一个常用的电流密度。
2. 计算电解槽电流
根据设计电流密度和电解槽有效活性区域直径计算电解槽电流:
I=i×S
其中,i为电流密度,SS为有效电解面积。
假设电解槽有效活性区域直径为200cm(即2m),
则: S=π×1=3.14 ㎡
I=3000 A/㎡×3.14 ㎡=9420 A
3. 计算电解小室数
根据电解槽电流和制氢量设计值计算电解小室数。首先需要计算制取1 Nm³氢气所需的电量:
Q=2 mol×96485 C/mol÷3600 s÷0.00224 m³/mol=2380A·h/Nm³H2
假设电解槽在9420 A的电流下运行1小时,那么单个小室的产氢量为: V=9420 A÷2380A·h/Nm³H2=3.95 Nm³/h
那么一台50 Nm³/h的碱性电解槽的小室数 N 为:
N=50÷3.95≈12.66
实际设计中,一般小室数会取10%的余量,因此小室数为:
N=12.66×1.1≈13.92
取整数,小室数为14个。
4. 计算电解槽总电压和总功率
在3000 A/m²的电流密度下,小室电压 E0取1.85V。电解槽采用“中间正,两边负”的接线方式,相当于7个小室串联,那么电解槽的总电压E为:
E总=7×1.85=12.95
电解槽总电流I总为:
I总=9420×2=18840
电解槽总功率P为:
P总=E总×I总=12.95 V×9420×2A=244.0 kW
5. 耗水量计算
根据反应式的质量守恒,生成1molH₂需要消耗1mol水,那么生成1Nm³ H₂需要消耗的反应水的体积为0.8L。整体电解槽的反应水消耗量为:
50 Nm³/h×0.8 L/Nm³=40L/h
6. 电解槽尺寸和结构设计
电解槽的尺寸和结构要综合考虑密封性,和流体的流动特性。选择合适的极框宽度,通过相关核算计算合适的流道尺寸等。
6. 其他参数(仅供参考)
氢气纯度:≥99.8%。
工作压力:1.5~2.0MPa。
工作温度:95±5℃。
冷却水流量:根据实际需要进行计算和设计,一般为110~150m³/h。
冷却水温度:≤32℃。
冷却水压力:0.4~0.6MPa。
冷却水水质:≤6德国度。
通过以上步骤和参数,可以设计出一台50标方每小时的制氢电解槽。