RUSSIAN, SARATOV, SARATOV STATE TECHNICAL UNIVERSITY

E-MAIL: TKI@SARATOV.SSTU.RU

ABSTRACT

The process of electrochemical treatment of moving suspension of a layer of carbon materials in electrochemical reactor of synthesis of graphite intercalation compounds is simulated. For simulation of the process the equation of a convective diffusion is used, and formation of controlling action is carried out according to values of a potential in currentless zone.

РОССИЯ, САРАТОВ. САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

E-MAIL:TKI@SARATOV.SSTU.RU

Аннотация

Моделируется процесс электрохимической обработки перемещающегося суспензионного слоя углеродных материалов в электрохимическом реакторе синтеза соединений внедрения графита. Для моделирования процесса используется уравнение конвективной диффузии, а формирование управляющего воздействия осуществляется по значениям потенциала в бестоковой зоне.

Наряду с гальваностатическим способом (ГС) синтеза соединений внедрения графита (СВГ), при котором стабилизируется ток, протекающий через электро-химический реактор, а фронт реакции перемещается по объему графитового электрода от границы с электролитом к металлическому аноду, в настоящее время разрабатывается потенциостатический метод (ПМ) [1], позволяющий при контроле потенциала в определенной точке суспензионного анода, обеспечить более однородный по составу гидросульфат графита.

Однако, получаемые анодным окислением на потенциостатируемых опытно-промышленных установках барабанного или реакторного типов СВГ, содержат наряду с желаемой ступенью внедрения как продукты меньшей ступени внедрения так и продукты переокисления.

В данной работе описывается способ моделирования и управления процессом в перемещающемся суспензионном аноде электрохимического реактора синтеза СВГ.

Схема процесса приведена на рисунке 1.

Рис.1. Схема электрохимического процесса с перемещающимся суспензионным слоем углеродных материалов

Следует отметить, анодная часть реактора выполнена из металлических элементов, разделенных между собой непроводящими электрический ток вставками, с элементами изменения направления потока транспортируемого вещества, обеспечивающими эффективное перемешивание синтезируемого вещества, и измерительными электродами. Катодная часть реактора включает в себя сепаратор, электролит и металлический катод. При этом зазор между анодом и катодом медленно увеличивается от зоны загрузки к выходу. Схемой процесса предусмотрена возможность изменения угла наклона катодной части реактора.

В процессе синтеза исходное вещество (графит + кислота {Н₂SO₄ или HNO₃}) загрузочным устройством подается в первую зону реактора и далее последовательно проходя через зоны-ступени внедрения подвергается нормированному электрохимическому и механическому воздействиям. Контроль за качеством на выходе из k-той зоны осуществляется измерением потенциала суспензии в бестоковой зоне. В этой же зоне установлены и разрыхляющие элементы.

В целом схема процесса направлена на увеличение градиентов концентраций в приграничных анодным вставкам областях и тем самым увеличению скорости процессов массопереноса.

Известный подход к исследованию массопереноса в электрохимических системах [2] базируется на анализе комбинированных математических моделей с распределенными параметрами, описывающих сопряженные диффузионные, электрические, тепловые, гидродинамические явления, включающие математически обработанные транспортные характеристики рабочих сред. Одним из приближений полного описания процесса является модель пограничного слоя.

Предположим, что при реализуемых в процессе низких скоростях сдвига, когда превуалирует действие дезориентирующих частицы материала сил и не наблюдается их ориентации в потоке, перемещающийся суспензированный анод (СА) ведет себя как ньютоновская жидкость с высокой вязкостью, что соответствует малой толщине диффузионного слоя.

Примем следующие допущения. В уравнении баланса массы диффузионная составляющая действует только в направлении перпендикулярном движению. Вязкость и теплопроводность учитывается в этом же направлении. Решение задачи в объеме СА и в пограничном слое сопрягаются через граничные условия. Распределением давления перпендикулярно пограничному слою пренебрегаем. Распределение давления по оси движения задается полиномом. Рассматривается система при постоянном потенциале в условиях замедленного разряда. Граничные и начальные условия в нулевой момент времени определяют концентрации компонентов на поверхности анода и сепаратора, скорости, температуру, парциальные плотности электрических токов.

Структура получаемых дифференциальных уравнений аналогична структуре приведенной в [3]. Для решения системы использовалась неявная разностная схема.

В качестве датчиков концентрации интеркалата СА в схеме применяются платиновые электроды, расположенные в бестоковой зоне. Вследствие невозможности исключения влияния на них электрических полей, создаваемых расположенными рядом анодами, схемой управления процессом предусмотрено формирование синусоидальных испытательных сигналов с последующей фильтрацией и коррекцией измеренного значения.

Управляющими воздействиями, в рассматриваемом процессе, являются скорость перемещения СА и напряжения, подводимые к анодам, расположенным перед датчиком концентрации.

На начальном этапе проектирования системы управления в алгоритм синтеза параметров регулятора закладывалась линейная динамическая модель с сосредоточенными параметрами. При этом процедура синтеза предполагала определение частотных параметров системы по заданному каналу регулирования, моделируемой полной системой процесса внедрения.

В сформированном таким образом режиме синтеза СВГ поддерживались достаточно стабильные условия, позволяющие проводить более тонкие исследования процесса перемещения суспензионного анода, оценки кинетических параметров процесса внедрения.

В настоящей работе в недостаточной степени уделено внимание процессам выделения газообразных продуктов реакции, шунтирующим участки анода и сепаратора, а также тепловым эффектам реакции внедрения.

В целом, разрабатываемая математическая модель электрохимического процесса перемещаемого суспензионного анода с учетом особенностей схемы управления позволяет корректно подойти к выбору скорости его перемещения, интенсивности перемешивания, степени электрохимического воздействия с целью обеспечения заданной производительности и качества СВГ.

Литература

1. Апостолов С.П., Краснов В.В., Финаенов А.И. Электрохимический синтез гидросульфата графита в потенциостатическом режиме //Прикладная электрохимия. 1997,Т. 70. С.602-607.
2. Ньюмен Дж. Электрохимические системы. М.: Мир, 1977. 352 с.
3. Демидова Н.С. Математическая модель нестационарного пограничного слоя в электрохимической системе// Электрохимия. 1989. Т.25. С. 160-166.