Развитие хлорной промышленности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Развитие хлорной промышленности

Введение

Быстрое развитие хлорной промышленности связано в основном с расширением производства хлорорганических продуктов - винилхлоридов, хлорорганических растворителей, инсектицидов и др. Хотя доля неорганиче6ских хлорпродуктов в общем потреблении хлора сравнительно невелика, их значение для промышленности и народного хозяйства трудно переоценить.

В России за последние десятилетие создано и продолжает развиваться производства многих неорганических хлорпродуктов.

Увеличивается производство жидкого хлора, хлоридов алюминия, кремния, титана, железа, цинка и хлоридов других металлов, применяемых в менее широких масштабах. Развивается производства хлоридов натрия, магния и калия, вырабатываются в значительных количествах хлораты кальция и перхлораты металлов и аммония.

Серьезные технические и экономические проблемы возникают в связи со значительным увеличением количества хлористого водорода, получающегося в качестве отходов в ряде производств органических и неорганических хлорпродуктов. Заслуживает большого внимания проблема рационального использования абгазного хлористого водорода, в части получения из концентрированных и разбавленных растворов соляной кислоты чистого 100%-го HCl для применения его в ряде процессов органического синтеза и оксихлорирования.

Литературы пот производству неорганических хлорпродуктов крайне мало. В последние годы издано несколько инженерных монографий, посвященных производству хлора, каустической соды и некоторых неорганических хлорпродуктов. Однако во многом производства - хлористого водорода и соляной кислоты, хлоратов натрия, калия, кальция, магния, перхлоратов и хлорной кислоты, водных растворов хлоридов железа, алюминия и некоторых других продуктов - нет литературы, в которых были бы систематизированы последние достижения в области их технологии. Кроме того, монография по отдельным видам технологии производства хлора, каустической соды и хлорпродуктов не могут заменить книгу, охватывающую весь комплекс этих производств.

1. Свойства хлора, едких щелочей и водорода

1.1 Хлор

Хлор входит в VII группу периодической системы элементов, атомный вес 35,453, молярный вес 70.906, атомный номер 17.

При нормальных условиях свободный хлор - зеленовато-желтый газ с характерным резким и раздражающим запахом. Он сжигается при -34,05 °С, образуя прозрачную жидкость янтарного цвета, затвердевающую при -101,6 °С и давлении 1 атм.

Ниже приведены основные физико-химические и термодинамические свойства хлора:

Температура, °С Плавления Кипения (сжижения) при 1 атм	-101,6 -34,05
Критические константы Температура, °С Давление, атм Плотность, г/см3	144 76,1 0,573
Удельный объем, см3/г	1,745
Плотность, г/л Сухого газа при 0°Си 1 атм. Насыщенного пара при 0 °С и 3,617 атм. Жидкого хлора при 0 °С и 3,617 атм	3,209 12,08 1470,6
Удельный объем, м3/кг Сухого газа при 0 °С и 1 атм. Насыщенного пара при 0 °С и 3,617 атм. Жидкого хлора при 0 °С и 3,617 атм	0,3116 0,0828 0,00068
Давление паров при 0 °С, атм.	3,617
Вязкость при 20 °С, сПа Газа Жидкого хлора	0,0140 0,35
Теплота, кал/г Плавления твердого хлора Парообразования	22,9 67,4
Теплопроводность, ккал/(м·ч·°С) Газа при 0 °С Газа при 55,5 °С Жидкого хлора при 30 °С	0,0208 0,0242 0,533
Энтальпия, ккал/кг Сухого газа Насыщенного пара Жидкого хлора	129,4 128,7 64,7
Энтропия, ккал/(кг·°С) Сухого газа Насыщенного пара Жидкого хлора	0,329 0,312 0,208
Показатель преломления при 14 °С	1,367

При ведении соли аммония в водный раствор хлора образуются треххлористый азот и . Треххлористый азот образуется при взаимодействии аммиака или молей аммония с хлором или хлорноватистой кислотой:

При взаимодействии хлористого аммония с хлорноватистой кислотой при рН = 9,5 образуется монохлорамин, при рН = 4,5 и температуре ниже 0°С не образуется.

Чистый хлор, получаемый электролизом водных растворов щелочных металлов, должен содержать не менее 96% хлора и не более 2% и 1% . Содержание влаги после осушки не должно превышать 0,04 вес.%.

В последнее время требования к качеству газообразного хлора, применяемого в синтезе ряда органических хлорпродуктов, сильно возросли. Содержание влаги в хлоргазе ограничивается 40-100 мг/м³, снижается допустимое содержание брома, соединений серы и других примесей.

1.2 Каустическая сода и едкие щелочи

Выпускаемые марки улучшенного едкого натра, получаемого по методу электролиза с ртутным катодом, должны удовлетворять приведенным ниже требованиям.

	Марка I	Марка II
Содержание , % не менее	45	42
Содержание примесей, % не более Железо в пересчете на Хлораты в пересчете на Алюминий в пересчете на	0,3 0,02 0,001 0,02 0,0014 0,008 0,01 0,003 0,00003 0,0002 0,00005 0,0001 0,0001 0,0002 0,03 0,0001	0,6 0,05 0,001 0,02 0,0014 0,008 0,01 0,01 0,00005 0,00002 0,00005 0,0001 0,0001 0,0002 0,1 0,0001
Коэффициент светопропускания, %, не ниже	90	80

Выпускаются также реактивные и особо чистые едкий натр и едкое кали.



1.3 Водород

Основные физико-химические свойства водорода приведены ниже.

Молекулярный вес	2,016
Мольный объем при 0 °С и 760 мм. рт. ст, л	22,43
Температура, °С Кипения Плавления	-252,8 -259,4
Критические константы Температура, °С Давление, атм Плотность, г/см3	-239,9 12,8 0,031
Плотность При 0 °С и 760 мм рт. ст., кг/м3 При температуре кипения, кг/л Относительная (по воздуху)	0,0899 0,0709 0,0695
Удельная газовая постоянная, ккал/(кг·°С)	986,96
Теплота, ккал/кг Плавления Парообразования при 760 мм рт. ст.	14,0 108,5
Объем жидкости, образующейся из 1 м3 газа при 15 °С и 760 мм рт. ст., л	1,166
Удельная теплоемкость при 20 °С и 760 мм рт. ст., ккал/(кг·°С)	3,408 2,42 1,407
Вязкость при 0 °С и 760 мм рт. ст., сП	0,0085
Теплопроводность при 0 °С и 760 мм рт. ст., ккал/(м·ч·°С)	0,140

2. Источники сырья для электрохимического получения хлора, едкого натра и водорода

Сырьем для электролиза служит хлорид натрия в виде каменной соли, самоосадочной соли или подземного рассола. Подготовка сырья к электролизу включает операции растворения (при использовании твердой соли), очистки рассола от механических примесей и удаления ионов кальция и магния.

Механические примеси удаляют отстаиванием рассола с последующим фильтрованием осадка, а ионы кальция и магния, которые отрицательно влияют на процесс электролиза, обработкой рассола раствором карбоната натрия или известковым молоком:

СаСl + Na₂CO₃ > СаСО₃ + 2NaCl

с последующей нейтрализацией избыточной щелочности соляной кислотой. Осадок карбонатов кальция и магния удаляют фильтрованием.

Полученный рассол должен иметь концентрацию соли 310-315 г./л, чтобы обеспечить, возможно, более низкий потенциал разряда ионов при электролизе. Также существуют допустимые пределы содержания ионов кальция и магния.

Рассол, поступающий на электролиз, представляет многокомпонентную систему, в которой содержатся ионы натрия, хлора, гидроксоний-катион и гидроксид-анион. Последовательность их разряда и образующиеся продукты определяются в соответствии с «правилом разряда» величиной их потенциалов разряда, которые зависят от условий электролиза и, весьма существенно, от материала катода. Различают два варианта технологического процесса электролиза водного раствора хлорида натрия: электролиз с твердым железным катодом (диафрагменный метод) и электролиз с жидким ртутным катодом.

Аноды электролизеров в обоих случаях изготавливают из одинаковых материалов: искусственного графита, пропитанного для уменьшения износа льняным маслом, или из титана, покрытого слоем оксидов рутения и титана. Аноды второго типа позволяют вести электролиз при высоких плотностях тока и более низком напряжении. Такие условия снижают расход электроэнергии на 10-12%. Поэтому оксидно-рутениевые аноды вытесняют графитовые: ими оснащено в настоящее время до 70% всех установок электролиза.

3. Современные промышленные способы получения хлора и едкого натра

Технический электролиз водных растворов может осуществляться без выделения металлов или с их выделением на катоде. Среди электрохимических процессов разложения водных растворов без выделения металлов наибольшее распространение получил электролиз водных растворов хлорида натрия.

Электролиз водных растворов хлорида натрия. При электролизе водных растворов хлорида натрия получают хлор, водород и едкий натр (каустическая сода).

Хлор - при атмосферном давлении и обычной температуре газ желто-зеленого цвета с удушливым запахом. при атмосферном давлении температура кипения хлора -33,6°С, температура замерзания -102°С. Хлор растворяется в воде, органических растворителях и обладает высокой химической активностью.

Хлор потребляется, прежде всего, химической промышленностью для производства различных органических хлорпроизводных, идущих для получения пластических масс, синтетических каучуков, химических волокон, растворителей, инсектицидов и т.п. В настоящее время более 60% мирового производства хлора используется для органического синтеза. Помимо этого хлор используют для производства соляной кислоты, хлорной извести, хлоратов и других продуктов. Значительные количества хлора идут в металлургию для хлорирования при переработке полиметаллических руд, извлечения золота из руд, а также его используют в нефтеперерабатывающей промышленности, в сельском хозяйстве, в медицине и санитарии, для обезвреживания питьевой и сточных вод, в пиротехнике и ряде других областей народного хозяйства. В результате развития сфер использования хлора, главным образом благодаря успехам органического синтеза, мировое производство хлора составляет более 20 млн. т/год.

Едкий натр, или каустическая сода, - кристаллическое непрозрачное вещество, хорошо растворимое в воде, имеющее при атмосферном давлении температуру плавления 328°С. В промышленности выпускается твердый едкий натр и его водные растворы. Едкий натр широко используется во многих отраслях промышленности - целлюлозно-бумажной, химических волокон, нефтеперерабатывающей, органического синтеза, мыловаренной, лакокрасочной и в ряде других.

Водород - газ, температура кипения которого при атмосферном давлении -252,8 °С. Водород используют для синтеза важнейших неорганических и органических продуктов: аммиака, метанола и других спиртов, для гидрогенизации жиров, твердых и жидких топлив, очистки нефтепродуктов и др.

Сырьем для производства хлора и щелочи служат, главным образом, растворы поваренной соли, получаемые растворением твердой соли, или же природные рассолы. Растворы поваренной соли независимо от пути их получения содержат примеси солей кальция и магния и до того, как они передаются в цеха электролиза, подвергаются очистке от этих солей. Очистка необходима потому, что в процессе электролиза могут образовываться плохо растворимые гидроокиси кальция и магния, которые нарушают нормальный ход электролиза. Очистка рассолов производится раствором соды и известковым молоком. Помимо химической очистки, растворы освобождаются от механических примесей отстаиванием и фильтрацией. Электролиз растворов поваренной соли производится в ваннах с твердым железным (стальным) катодом и с диафрагмами и в ваннах с жидким ртутным катодом. Промышленные электролизеры, применяемые для оборудования современных крупных хлорных цехов, должны иметь высокую производительность, простую конструкцию, быть компактными, работать надежно и устойчиво.

Электролиз растворов хлорида натрия в ваннах со стальным катодом и графитовым анодом позволяет получать едкий натр, хлор и водород в одном электролизере. При прохождении постоянного электрического тока через водный раствор хлорида натрия можно ожидать выделения хлора, а также кислорода:

2OH- - 2з > 0,5О₂ + Н₂О

или

2Cl- - 2з > Cl₂

Нормальный электродный потенциал разряда OH ^- - ионов составляет +0,41В, а нормальный электродный потенциал разряда ионов хлора равен +1,36 В. В нейтральном насыщенном растворе хлорида натрия концентрация гидроксильных ионов около 1·10^-7 г-экв/л. При 25°С равновесный потенциал разряда гидроксильных ионов будет ц_ар=0,82 В. Равновесный потенциал разряда ионов хлора при концентрации NaCl в растворе 4,6 г-экв/л равен ц_ар=1,32 В. Следовательно, на аноде с малым перенапряжением должен в первую очередь разряжаться кислород. Однако на графитовых анодах перенапряжение кислорода много выше перенапряжения хлора и поэтому на них будет происходить в основном разряд ионов Cl- с выделением газообразного хлора по реакции (а). Выделение хлора облегчается при увеличении концентрации NaCl в растворе в следствии уменьшения при этом равновесного потенциала. Это является одной из причин использования при электролизе концентрированных растворов хлорида натрия, содержащих 310-315 г./л. На катоде в щелочном растворе происходит разряд молекул воды по уравнению

H₂O + з > H + OH-

Атомы водорода после рекомбинации выделяются в виде молекулярного водорода:

2H > H₂

Разряд ионов натрия из водных растворов на твердом катоде невозможен вследствие более высокого потенциала их разряда по сравнению с водородом. Поэтому остающиеся в растворе гидроксильные ионы образуют с ионами натрия раствор щелочи. Процесс разложения NaCl можно выразить следующими реакциями:

2Cl- - 2з > Cl₂

Н₂О + з = 2Н + ОН-

2H > H₂

Просуммировав уравнения, получим:

2Н₂О + 2Cl- > Cl₂ + H₂ + 2ОН-

или

2Н₂О + 2NaCl> Cl₂ + H₂ + 2NaOH

То есть на аноде идет образование хлора, а у катода - водорода и едкого натра. При электролизе наряду с основными описанными процессами могут протекать и побочные, один из которых описывается уравнением (б). Помимо этого, хлор, выделяющийся на аноде, частично растворяется в электролите и гидролизуется по реакции

Cl₂ + Н₂О - НОCl + НCl

В случае диффузии щелочи (ионов ОН-) к аноду или смешения катодных и анодных продуктов хлорноватистая и соляная кислоты нейтрализуются щелочью с образованием гипохлорита и хлорида натрия:

НОCl + NaOH = NaOCl + Н₂О

HCl + NaOH = NaCl + Н₂О

Ионы ClO- на аноде легко окисляются в ClO₃-. Следовательно, из-за побочных процессов при электролизе будут образовываться гипохлорит, хлорид и хлорат натрия, что снижает выход по току и коэффициент использования энергии. В щелочной среде облегчается выделение кислорода на аноде, что также будет ухудшать показатели электролиза. Чтобы уменьшить протекание побочных реакций, следует создать условия, препятствующие смешению катодных и анодных продуктов. К ним относятся разделение катодного и анодного пространств диафрагмой и фильтрация электролита через диафрагму в направлении, противоположном движению ОН- - ионов к аноду. Такие диафрагмы называются фильтрующими диафрагмами и выполняются из асбеста.

хлор каустическая сода электролиз

4. Физико-химические основы процесса электролиза растворов хлорида натрия

Сырьем для производства Cl₂, NaOH и H₂ служат растворы поваренной соли. Под действием электрического тока на электродах может протекать ряд реакций.

Реакции на катоде:

Na⁺ + 1й = Na, E₀ = -2,736B (4.1)

H₂O + 2й = H₂^ + 2OH-, E₀ = -0,828B (4.2)

Реакции на аноде:

2Cl- - 2й = Cl₂, E₀ = 1,359B, (4.3)

2H₂O - 4й = O₂ + 4H⁺, E₀ = 1,226B (4.4)

В электролите продукты электролиза вступают во вторичные химические реакции. Хлор в растворе взаимодействует с водой:

Cl₂ + H₂O - HClO + HCl (4.5)

Хлорноватистая кислота (HClO) является слабодиссоциированным соединением. Равновесие этой реакции (4.5) устанавливается быстро, практически не изменяет ионный состав электролита и не влияет на процесс электролиза. При попадании в раствор гидроксил- ионов происходит нейтрализация HClO и образуется хорошо диссоциируемое соединение-гипохлорит натрия (NaClO):

HClO + NaOH - Na⁺ + ClO- +H₂O. (4.6)

В этом случае равновесие реакции (4.5) сдвигается вправо и способствует растворению новых порций хлора. Таким образом, электролиз может протекать не с выделением хлора, а с образованием гипохлорита.

Ионы ClO- разряжаются на аноде раньше, чем Cl-. Поэтому, на аноде происходит разряд ионов ClO- с образованием хлорат-ионов ClO₃-. Возможно и химическое образование хлоратов:

2HClO + NaClO = NaClO₃- + 2H⁺ +2Cl- (4.7)

или при растворении Cl₂ в горячей щелочи

3Cl₂ + 6NaOH = NaClO₃ + 5NaCl + 3H₂O. (4.8)

Таким образом, электролиз растворов NaCl - сложный процесс. На его селективность влияет ряд технологических параметров: величина электродного потенциала Е, плотность тока I, состав электролита, температура.

Возможность осуществления электрохимической реакции определяется значением нормального электродного потенциала Е₀, который характеризует минимальную энергию, необходимую для протекания процесса. Эта характеристика является термодинамической величиной, не зависит от материала электрода и приводится в справочной литературе.

Однако реально при значении потенциала, равном Е₀, часто скорость реакции оказывается очень низкой, неприемлемой для практического использования. Для увеличения скорости реакции к электродам прикладывают дополнительное напряжение ДЕ, которое называют перенапряжением. В этом случае реальный практический потенциал Е равен сумме нормального потенциала Е₀ и перенапряжения

ДЕ: Е = Е₀ + ДЕ.

Величина перенапряжение зависит от материала электрода, концентрации ионов в растворе и температуры. Если на электроде может осуществляться несколько реакций, то, изменяя условия электролиза и влияя тем самым на перенапряжение ДЕ и практический потенциал Е, можно облегчить или затруднить протекание одной из реакций. Таким образом, можно целенаправленно воздействовать на селективность процесса в сторону увеличения выхода целевого продукта.

На аноде могут выделяться Cl₂ (реакция 4.3 или 4.4). Нормальный потенциал образования О₂ меньше, чем образования Cl₂. Таким образом, кислород начнет выделаться раньше хлора. Чтобы направить анодный процесс в сторону образования Cl₂, нужны условия, при которых перенапряжение реакции (4.4) было бы значительно больше, чем реакции (4.3). Скорость электрохимической реакции характеризуется плотностью тока. На графите реакция образования Cl₂ протекает с очень малым перенапряжением, а для реакции образования О₂ оно равно 0,6В. В интервале потенциалов 1,23-1,36В с небольшой скоростью будет идти реакция выделения О₂. При потенциалах выше 1,36В скорость реакции выделения Cl₂ резко возрастает, т.к. перенапряжение реакции очень мало, а реакция образования О₂ замедлена. Следовательно, в интервале потенциалов 1,36-1,8В создаются условия, которые обеспечивают высокий выход по току Cl₂ (95-98%). При потенциалах, превышающих 1,8В, в анодном газе присутствуют значительные количества О₂.

Селективность катодных реакций определяется материалом катода. Нормальный потенциал реакции образования Н₂ (реакция 4.2) равен -0,828В и значительно меньше, чем нормальный потенциал разряда ионов Na⁺

(-2,736В). Поэтому на твердом железном катоде выделяется Н₂ с выходом по току, равным 100%, а в растворе образуется щелочь. Ртутный электрод известен тем, что Н₂ выделяется на нем с большим перенапряжением, равным 1,3В, и практический потенциал равен -2,1В. В то же время практический потенциал разряда ионов Na⁺ оказывается меньше (1,8-1,9В) нормального. Это явление называется деполяризацией и объясняется образованием химического соединения - амальгамы - при разряде Na⁺ на поверхности ртути. Натрий хорошо растворяется в ртути с образованием амальгамы в различных соотношениях: NaHg₄, NaHg₂, NaHg, Na₃Hg₂, Na₃Hg (в общем виде Na_хHg_у).

Таким образом, в интервале потенциалов -1,8… -2,0В можно вести процесс выделения натрия и образования амальгамы, а процесс выделения Н₂ будет подавлен. Амальгаму натрия выводят из электролизера и разлагают водой:

Na_хHg_у + xH₂O = xNaOH + 0,5xH₂^ + yHg_y, (4.9)

ртуть возвращается в электролизер.

В двух промышленных способах производства (с твердым и жидким катодами) анодный процесс однотипен, а катодные процессы различаются.

5. Описание электролизера с твердым катодом

Электролизеры БГК-17 рассчитаны на номинальную нагрузку 25 кА. Она выпускается для работы при 750 и 900А/м³, но могут работать и при более высокой плотности тока. Электролизеры этого типа предназначены в основном для цехов электролиза мощностью 25-100 тыс. т хлора в год.

В электролизерах типа БГК-17 применена конструкция разветвленного катода, состоящего из узких плоских катодных пальцев, выполненных из стальной сетки и расположенных в виде четырех или шести гребенок. Катоды электролизеров имеют стальной каркас, что обеспечивает ток по поверхности катода. При правильном соотношении объемов катодного и анодного пространства в этих электролизерах можно значительно увеличить рабочую высоту электродов без опасения снизить выход по току.

Конструкция катодного блока предусматривает повышенное газонаполнение в катодном пространстве и исключает возможность снижения давления фильтрации через диафрагму в нижней части. В электролизерах применен нижний подвод тока к анодам. Верхняя часть анодного пространства свободна от анодов и моет быть достаточно развита в высоту.

Электролизеры БГК-17 отличаются большой высотой, что обеспечивает компактность конструкции и высокие съемы продукции с единицы площади производственного здания при сравнительно невысокой плотности тока, пониженные удельные расход электроэнергии и затраты цветных металлов по сравнению с электролизерами других типов. Достигнута хорошая герметичность в местах соединений катодного блока с анодным комплексом и крышкой.

Схема устройства электролизера БГК-17 на нагрузку 25 кА показана на рис. 5.1.



Рис. 5.1 - Электролизер вертикального типа

1 - перфорированный катод, 2 - диафрагма, 3 - катодное пространство, 4 - анод, 5 - анодное пространство.

Катодный блок представляет собой стальной корпус, внутри которого в четыре ряда вмонтированы гребенки катодных пальцев представляющих собой сплющенные полые карманы, выполненные из металлических каркасов с натянутой на них стальной проволочной сеткой. Толщина катодных пальцев 20 мм. Крайние каркасы катодных гребенок приварены к продольным стенкам корпуса катода, два средних образуют двухстороннюю гребенку, приваренную к торцевым стенкам корпуса.

Внутреннее пространство катодных элементов в электролизере сообщается между собой, образуя общее катодное пространство, заполненное католитом, а в верхней части - водородом. Между двумя соседними катодными гребенками сохраняется циркуляционное пространство, свободное от электродов.

На сетчатую поверхность катода насасывается асбестовая диаграмма. В корпусе катода предусмотрен штуцер для присоединения к вакуумной линии при насасывании диафрагмы.

Анодный блок состоит из графитовых плит толщиной 50 мм и шириной 250 мм, монтируемых на стальном анодном днище, которое одновременно используется для подвода тока к анодным плитам с помощью специальных контактных устройств (без применения свинца).

Днище электролизера вместе с контактной частью анода для защиты от действия хлорсодержащего анолита заливают битумной массой специального состава, поверх которой наносят тонкий слой бетона. Битумная масса имеет температуру плавления, удобную для ее нанесения и удаления. При комнатной температуре масса достаточно хрупка и легко удаляется пневматическим инструментом. Во время работы электролизера масса размягчается и заполняет все пустоты, поры и возможные трещины. При этом повышается ее адгезия к графиту и металлу и увеличивается надежность защиты анодного контакта.

Ток к анодного днищу подводится с помощью контактных пластин, приваренных к днищу электролизера, а ток к катоду - через пластины, приваренные к катодному корпусу.

При установке катодного блока на анодный комплект графитовые плиты располагаются в промежутках между пальцами катодных гребенок. При новых анодах расстояние между электродами составляет около 12 м. щелочь из катодного пространства сливается по нижнему штуцеру, соединенному сифонной трубой с капельницей. Уровень жидкости в катодном пространстве можно регулировать, меняя положение подвижной трубы для слива щелочи. Водород отводится из электролизера по верхнему штуцеру катодного блока.

Стенки корпуса катода подняты несколько выше катодных карманов и образуют надкатодную камеру и раструб для устранения крышки. Для защиты от действия хлора внутренние стенки раструба покрывают слоем бетона.

Бетонная крышка электролизера типа БГК-17 изготавливается в металлических формах. Для предотвращения от разрушения при действии кислого анолита и влажного хлора крышку выполняют из кислотобетона, стойкого в условиях работы электролизера. При использовании таких крышек исключается загрязнение анолита солями кальция и магния, как это происходит в результате коррозионного разрушения крышки в случае применения обычного бетона на портланд-цементе.

Крышка электролизера снабжена отверстиями для отвода хлора, подачи свежего рассола, установки термометра, измерителя уровня рассола и отбора проб анолита. После установки в раструбе катода крышка уплотняется специальной замазкой.

В последнее время в электролизерах БГК-17 с успехом стали применяться стальные гуммированные крышки, что облегчает конструкцию электролизеров, их монтаж и обслуживание.

Уплотнение между анодным комплектом и катодным блоком достигается за счет собственной тяжести катода с крышкой и с помощью дополнительной болтовой стяжки. Особая конструкция уплотнительного устройства в электролизере позволяет легко и надежно герметизировать стык между анодной и катодной частями электролизера и обеспечивает точность расположения анодов между катодными пальцами при сборке. Устройство для уплотнения исключает возможность течи электролита, что позволяет поддерживать чистоту и опрятный вид серии электролизеров во время их работы.

При примени сдвоенного сварного катода достигается максимальное развитие активной катодной поверхности и интенсивная естественная циркуляция электролита. Графитовые аноды с трех сторон окружены катодами, что также увеличивает рабочую анодную поверхность.

Надежный токопровод к анодам без применения свинца, подвод тока к катодной сетке через корпус катода и приваренный к нему каркас обеспечивают в электролизерах БГК назначенный перепад напряжения в контактах и подводе тока к электродам. Возможность при монтаже точного регулирования и фиксации положения анодов позволяет точно установить расстояние между электродами и снизить напряжение на электролизере.

Конструкция электролизера дает возможность работать при высокой температуре анолита - до 95-100°С, что в свою очередь способствует снижению рабочего напряжения на электролизере и увеличению выходов по оку. Для уменьшении потерь тепла и улучшения санитарных условий работы в цехе электролиза наружные поверхности катода электролизера покрываются слоем тепловой изоляции. Электролизер компактен и полностью герметичен, что устраняет утечки электролитов и газов.

За счет большой высоты крышки электролизера обеспечивается возможность изменения уровня анолита в пределах от 50 до 300-400 мм над верхним краем катода. Поэтому электролизеры работают с подачей постоянного количества рассола, необходимого для получения щелочи концентрацией 130-140 г./л . Контроль питания электролизера осуществляется обычно с помощью ротаметра. На некоторых заводах подача рассола в каждый электролизер регулируется по уровню анолита, который устанавливается в зависимости от состояния диафрагмы и изменяется по мере ее старения. Для установления требуемого уровня анализируют католит, вытекающий из электролизера.

Питание электролизера рассолом может осуществляться через калибровочные отверстия диафрагмы. Работа электролизера с подачей постоянного количества рассола и при одинаковой нагрузке по току создает условия для получения максимально возможного выхода по току при высокой концентрации щелочи.

6. Материальный баланс электролизера

ЗАДАНИЕ: Составьте материальный баланс стадии электролиза за 1 час. Рассчитайте основные показатели эффективности процесса электролиза - выход по току Cl₂ и NaOH, степень конверсии раствора хлорида натрия.

Общие данные для расчета:

1. Процесс электролиза проводят в электролизере БГК 17/50, Сила тока 50кА.

2. В электролизер поступает насыщенный раствор NaCl концентрацией 5,45 моль/л, плотность раствора 1170 кг/м³. Объем поступающего раствора равен 1,1 объема католита.

3. Выход по току Cl₂ рассчитывают по формуле:

з_Cl2 = 97,8--0 - 7,14 • (С - 3,07), где

С - концентрация щелочи в католите, выраженная в моль/л.

Выход по току щелочи равен выходу по току хлора.

Выход по току Н₂ равен 100%.

Выходящие из электролизера газы содержат в своем составе пары воды в количестве 15% от веса Cl₂ и H₂.

4. В процессе электролиза протекают побочные реакции:

а) на аноде происходит электрохимическое разложение воды:

2H₂O = O₂ + 2H₂ /I/

б) часть образовавшегося на аноде Cl₂ в объеме раствора подвергается гидролизу:

Cl₂ + H₂O = HCl + HClO /II/



Индивидуальные данные для расчета:

Вариант	Концентрация щелочи в католите, кг/м3	Распределение расхода электричества на побочные реакции, % на реакцию /I/	На образование Cl2, участвовавшего в реакции /II/
10	142	50	50

Расчет:

В процессе электролиза происходят изменения концентрации электролита, которые обусловлены участием ионов в переносе тока, химическими процессами, протекающими на электродах и в объеме электролита, испарением влаги и уносом ее с газообразными продуктами электролиза - хлором и водородом.

С (NaOH _{в католите}) = 142кг/м³ = 142г/л = (142г/л) / (40г/моль) = 3,55моль/л

М (NaOH) = 40г/моль, где

М (NaOH) - молярная масса NaOH.

Расчитываем выходы по току:

а) Выход по току Cl₂:

з_Cl2 = 97,8--0 - 7,14 • (3,55 - 3,07) = 97,3728%

б) Из задания видно, что выход по току Cl₂ равен выходу по току NaOH:

з_NaOH = з_Cl2 = 97,3728%

в) В задании также указано, что выход по току Н₂ равен 100%:

з_Н2 = 100%

1. Рассчитаем количество электричества, которое расходуется за 1 час:

2.

Q = I • ф = 50кА • 1ч = 50000А • 1ч = 50000А • 3600с = 180 • 10⁶Кл

Q _Cl2 = Q • з_Cl2 = 180 • 10⁶Кл • 0,973728 = 175,27 • 10⁶Кл

Q _побоч. = Q - Q_Cl2 = (180 - 175,27) • 10⁶ = 4,73 • 10⁶Кл

Определяем расход количества электричества:

а) На реакцию /I/:

Q_/I/ = 4,73 • 10⁶ • 0,50 = 2,3650 • 10⁶Кл

б) На реакцию /II/:

Q_/II/ = 4,73 • 10⁶ • 0,50 = 2,3650 • 10⁶Кл

3. По закону Фарадея находим массы Cl₂, H₂ и NaOH, образующихся по целевой реакции, а также массы О₂ (реакция /I/:) и Cl₂, реагирующего по реакции /II/.

Закон Фарадея:

m = (M • I • Дф) / (n • F) или m = (M • Q) / (n • F), где

М - молярная масса вещества, кг;

n - число электронов, участвующих в процессе;

F - число Фарадея, F = 96485,34Кл/моль.

а) Определяем массу Cl₂ по целевой реакции:

m _{Cl2 по цел. реак.} = (71 • 175,27 • 10⁶) / (2 • 96485,35) = 64,49 • 10³г = 64,49кг

б) Определяем массу Н₂ по целевой реакции:

m _{Н2 по цел. реак.} = (2 • 175,27 • 10⁶) / (2 • 96485,35) = 1,82 • 10³г = 1,82кг

в) Определяем массу NaOH по целевой реакции:

m _{NaOH по цел. реак.} = (40 • 175,27 • 10⁶) / (2 • 96485,35) = 72,66 • 10³г = 72,66кг

г) Определяем массу О₂ по реакции /I/:

m _{O2 по реак. /I/} = (32 • 175,27 • 10⁶) / (2 • 96485,35) = 0,3922 • 10³г = 0,392кг

д) Определяем массу Cl₂ по целевой реакции:

m _{Cl2 по реак. /II/} = (71 • 175,27 • 10⁶) / (2 • 96485,35) = 0,870 • 10³г = 0,870кг

_+2й

Cl₂^o > 2Cl-¹

-_2й

Cl₂^o > 2Cl⁺¹

4. Определяем объем католита:

m _{NaOH по цел. реак.} = 72,66кг

C_{NaOH в католите} = 142кг/м³ (берем из задания)

V_{католита} = m _{NaOH по цел. реак.} / C_{NaOH в католите} = 72,66 / 125 = 0,512м³ = 512л

5. Определяем массу NaCl и H₂O, поступающих на реакцию:

V_{р-ра NaCl} = 1,1 • V_{католита} = 1,1 • 512 = 563,2л = 0,5632м³

m_{р-ра NaCl} = с_р-ра • V_р-ра = 1170 • 0,5632 = 658,944кг

В исходных данных насыщенный раствор NaCl поступает в электролизер с концентрацией 5,45моль/л:

х_NaCl = m_{р-ра NaCl} • V_{р-ра NaCl} = 5,45 • 563,2 = 3069,44моль

Находим массу NaCl и H₂O, поступающих на реакцию:

m_NaCl = 3069,44 • 58,5 = 179,56кг

m_Н2О = m_{р-ра NaCl} - m_NaCl = 658,944 - 179,56 = 479,384кг

6. Определяем степень конверсии раствора NaCl:

х_NaCl =3069,44моль

х_NaОН = m _{NaOH по цел. реак.} / М = 72,66 / 0,040 = 1816,50моль

Х = (х_NaCl - х_NaОН) / х_NaCl = (3069,44 - 1816,50) / 3069,44 = 0,4082 = 40,82%

Определяем остаточную массу NaCl:

m_{ост NaCl} = (х_NaCl - х_NaОН) • C_{NaСl в р-ре} = (3069,44 - 1816,5) • 58,5 = 73297г = 73,297кг

7. По побочной реакции /II/ определяем НСl (X) и HClO (Y):

_{0,870кг Х Y}

Cl₂ + H₂O = HCl + HClO

^{1•71 1•36,5 50,5}

X _HCl = (36,5 • 0,870) / 71 = 0,4470кг

Y_HClO = (50,5 • 0,870) / 71 = 0,6188кг

Определяем H₂O_ж по побочной реакции /I/:

_{Х 0,3922 1,82}

2H₂O_ж = О₂ + 2Н₂

^{2•18 2•16}

X _H2О = (0,3922 • 2• 18) / (2 • 16) = 0,4412кг

Определяем пары воды:

H₂O_пар = (m_Cl2 + m_H2) • 0,15 = (64,49 + 1,82) • 0,15 = 9,946кг

Определяем H₂O по побочной реакции /II/:

_{0,870кг Х}

Cl₂ + H₂O = HCl + HClO

^{1•71 1•18}



X _H2О = (0,870 • 18) / 71 = 0,2206кг

По реакции определяем количество NaCl прореагировавшего и не прореагировавшего по реакции:

_{X 72,66}

2H₂O + 2HCl > Cl₂ + Н₂ + 2NaOH

^{2•18 2•58,5 71 2 2•40}

X _{NaCl на р-ию (прореагир)} = (72,66 • 2• 58,5) / (2 • 40) = 106,265кг

X _{NaCl на р-ию (остат)} = 179,56 - 106,265 = 73,295кг

Н₂О _{на р-ию} = (106,265 • 2• 18) / (2 • 58,5) = 32,70кг

Определяем остаток воды:

H₂O_{остаток} = 479,384 - (0,4412 + 0,2206) - 32,70 = 446,06кг

Таблица материального баланса:

Приход	Расход
№	Наименование	m, кг	№	Наименование	m, кг
1.	NaCl	179,56	1.	NaOH	72,66
2.	H2O	479,38	2.	Cl2	63,62
				2.1. Cl2 (по целевой р-ии)	64,49
				2.2. Cl2 (по р-ии 2)	0,87
			3.	Н2	1,82
			4.	О2	0,39
			5.	NaCl	73,30
			6.	HCl	0,45
			7.	HClO	0,62
			8.	H2O	446,06
Итого:	658,94	Итого:	658,94

Заключение

В настоящее время едкая щёлочь и хлор вырабатываются тремя электрохимическими методами. Два из них - электролиз с твёрдым асбестовым или полимерным катодом (диафрагменный и мембранный методы производства), третий - электролиз с жидким ртутным катодом (ртутный метод производства). В ряду электрохимических методов производства самым лёгким и удобным способом является электролиз с ртутным катодом, но этот метод наносит значительный вред окружающей среде в результате испарения и утечек металлической ртути. Мембранный метод производства самый эффективный, наименее энергоемкий и наиболее экологичный, но и самый капризный, в частности, требует сырье более высокой чистоты.

Едкие щёлочи, полученные при электролизе с жидким ртутным катодом, значительно чище полученных диафрагменным способом. Для некоторых производств это важно. Так, в производстве искусственных волокон можно применять только каустик, полученный при электролизе с жидким ртутным катодом. В мировой практике используются все три метода получения хлора и каустика, при явной тенденции в сторону увеличения доли мембранного электролиза. В России приблизительно 35% от всего выпускаемого каустика вырабатывается электролизом с ртутным катодом и 65% - электролизом с твёрдым катодом (диафрагменный и мембранный методы).

Список литературы

1. Аблонин Б.Е. Основы химических производств. - М.: Химия, 2001.

2. Бесков В.С. Общая химическая технология и основы промышленной экологии. - М.: Химия, 1999.

3. Бесков В.С. Моделирование каталитических процессов и реакторов. - М.: Химия, 1991.

4. Кутепов А.М. Общая химическая технология. - М.: Высшая школа, 1990.

5. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. - М.: Химия, 1981.

6. Позин М.Е. Технология минеральных удобрений. - Л.: Химия, 1983.

7. Расчеты химико-технологических процессов. / под ред. Мухленова И.П. - Л.: Химия, 1982.

8. Степанов В.С. Анализ энергетического совершенствования технологических процессов. - Новосибирск: Наука, 1984.

9. Фролов Ю.Г. Физическая химия. - М.: Химия, 1993.

10. Химико-технологические системы. / под ред. Мухленова И.П. - М.: Химия, 1986.

11. Ксензенко В.И. Общая химическая технология и основы промышленной экологии - М.: Химия, 2001.

12. Фурмер И.Э., Зайцев В.Н. Общая химическая технология - М.: Высшая школа, 1974.

13. Бесков С.Д. Технохимические расчеты - М.: Высшая школа,1966.

Размещено на Allbest.ru