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1、氯碱事业部 电解工段基础知识,何为电解，概念，原理，要素。何为氯碱工业。化学实验与工业生产的区别，需解决的问题。离子膜的概念电解中控，氯处理，氢处理三岗位基础知识。电解工段危化品。,电解（ electrolysis ）定义：在电解槽中，直流电通过电极和电解质，在两者接触的界面上发生电化学反应，以制备所需产品的过程。原理：电解质中的离子常处于无秩序的运动中，通直流电后,离子作定向运动。阳离子向阴极移动，在阴极得到电子，被还原；阴离子向阳极移动，在阳极失去电子，被氧化。,+,+,+,A+,_,_,_,B-,氯碱工业：指使用饱和食盐水制氯气氢气烧碱的方法。工业上用电解饱和NaCl溶液的方法来制取Na
2、OH、Cl2和H2，并以它们为原料生产一系列化工产品，称为氯碱工业。氯碱工业是最基本的化学工业之一，它的产品除应用于化学工业本身外，还广泛应用于轻工业、纺织工业、冶金工业、石油化学工业以及公用事业。,氯气主要下游产品结构,NaCl溶液电解原理： NaCl是强电解质，在溶液里完全电离，水是弱电解质，也微弱电离，因此在溶液中存在Na+、H+、Cl-、OH-四种离子。当接通直流电源后，带电离子做定向移动，带负电的OH-和Cl-向阳极移动，带正电的Na+和H+向阴极移动。在这样的电解条件下，Cl-比OH-更易失去电子，在阳极被氧化成氯原子，氯原子结合成氯分子放出。 （cloh; nah）阳极反应：2C
3、l-2e=Cl2（氧化反应） H+比Na+容易得到电子，因而H+不断地从阴极获得电子被还原为氢原子，并结合成氢分子从阴极放出。 阴极反应：2H2O + 2e = 2OH- + H2（还原反应）,电解食盐水实验室制法：,生成产物Cl2,H2，NaOH加酚酞 阴极溶液变红阳极生成气体有刺激性气味阴极有气体生成,所得产物特点：1.烧碱和盐的混合物2.氢气、氯气相互串通,工业上的需要：高纯度的氢气、氯气、烧碱能耗低，投资省污染小,后期：离子膜法采用离子交换膜作为电解槽内的隔层，只能通过阳离子。于1975年首先在日本和美国实现工业化。此法用阳离子膜隔离阴、阳极室，可直接制得氯化钠含量极低的浓碱液。但阴极
4、附近的氢氧根离子，具有很高的迁移速率，在电场作用下，仍不可避免地会有一部分透过离子膜进入阳极室，导致电流效率下降，因此对离子膜的要求比较苛刻。,氯碱工业生产法：初期：隔膜法利用多孔渗透性的材料作为电解槽内的隔层，以分隔阳极产物和阴极产物的电解方法。最初采用水泥微孔隔膜，后改用石棉滤过性隔膜。但是隔膜法制得的碱液，浓度较低,而且含有氯化钠,需要进行蒸发浓缩和脱盐等后加工处理。氢氧化钠产品（固体）含有3左右的氯化钠,不能用于人造丝与合成纤维的生产。,离子膜电解工艺(碱在阴极产生),阳极反应： 2Cl- - 2e Cl2 阴极反应： 2H2O + 2e 2OH- + H2总反应： 2H2O + Na
5、Cl 2NaOH + Cl2 + H2,原理：,离子膜,离子交换膜的主体材料为全氟聚合物，膜体中有功能基团，如SO3-和COO-，同一个带正电荷的对离子Na+形成静电键。由于功能基团具有亲水性能，而使膜在溶液中溶胀膜体结构变松，从而造成许多微细弯曲的通道，使其活性基团中对离子Na+可以与水溶液中的同电荷的Na+进行交换。与此同时膜中的活性基团中固定阴离子基团具有排斥Cl-和OH-的能力，从而获得高纯度的氢氧化钠溶液。水化钠离子从阳极室穿过离子膜迁移到阴极室时，水分子也伴随迁移。目前工业化的离子膜一般为复合膜，靠阳极侧的活性基团为磺酸基，靠阴极侧的活性基团为羧酸基。,关卡,离子膜结构:,四氟纤维
6、增强网布,磺酸层,羧酸层,阳极面涂覆,阴极面涂覆,四氟纤维增强网布：保证离子膜的机械强度，具有很强的抗拉性。磺酸层：高机械强度，低电阻，亲水性好。羧酸层：高电阻，对氢氧根阻碍能力强（靠近阴极一侧）。阳极面涂覆：促进氯气气泡剥离。阴极面涂覆：促进氢气气泡剥离。,所用离子膜化学结构：,磺酸层：,羧（suo）酸层：,杂质的氢氧化物的溶解度和膜中pH的分布决定了杂质沉积的位置和大小,离子膜电解制碱优点,投资省出槽碱浓度高能耗低碱质量好，含盐量低氯气纯度高，氯中含氧、含氢低氢气纯度高污染小生产成本低,离子膜电解制碱缺点,对盐水质量要求高，要增加盐水的二次精制离子膜价格昂贵，国内尚不能制造，需要精心维护,
7、本部氯碱生产装置相关情况：二期共10万吨规模离子膜法烧碱装置。每期5万吨。6列12台电解槽，均采用日本氯工程BITAC850电解槽“BITAC”是电解槽的结构型号，“8”代表电解槽的宽是8英尺，“50”是代表单台电解槽的单元槽数目。采用日本旭硝子F8020,杜邦N2010两种型号离子膜。,电解岗位,电解中控：将一次盐水岗位送来的经过初步精制的盐水进行二次精制合格后，送往电解槽电解生成我们所需要的NaOH，Cl2，H2。然后将H2，Cl2送往本工段氢处理，氯处理两个岗位进行后续处理， NaOH送往后工段蒸发岗位。,140系统：通过碳素管过滤器对一次盐水进行除杂，固体悬浮物（SS）。（物理过程）1
8、50系统：利用螯合树脂塔吸收盐水中的钙镁等金属离子，二次精制。200系统：电解槽反应生成产物。160系统：对循环淡盐水脱氯处理后送往一次盐水。,中控四大系统,一次盐水工艺原理,原盐中除了含有大量的NaCl之外,还含有Ca2+、Mg2+、SO42-等化学杂质和机械杂质。这些杂质在化盐过程中，也被带进盐水中，用含有杂质的盐水进行电解，直接影响电流效率及离子膜的使用寿命，影响氯碱生产的经济效益。因而除掉这些杂质，生产合格的精制盐水在氯碱生产中显得尤为重要。用BaCl2除SO42- ： Ba2+SO42- = BaSO4用Na2CO3和NaOH溶液除Ca2+、Mg2+：Ca2+ + CO32-=CaC
9、O3Mg2+ + 2OH-=Mg(OH)2CaCO3、Mg(OH)2为沉淀物，加入TXY（絮凝剂）溶液后可胶溶，携同沉淀，且沉淀速度加快。,一次盐水工艺指标,溶盐温度（出口）：6065盐水含铵：1mg/l（无机铵）4mg/l（总铵）精、粗盐水NaCl浓度：300315g/l精盐水SS：5ppm游离氯：0精盐水含Ca2+、Mg2+ ： 5mg/l精、粗盐水含NaOH：0.10.4g/l精、粗盐水含Na2CO3 ： 0.30.5g/l精、粗盐水中SO42- ： 6g/l,140系统：将化盐岗位送来的一次盐水通过过滤器的过滤，将一次盐水中的固体悬浮物含量降低到1PPM以下，以除去盐水中的大部分固体颗
10、粒，同时调节盐水的PH值和温度，以保证下工序螯合树脂塔的正常运转。过滤器盐水最低流量 20m3/h 过滤器盐水最高流量 59.6m3/h过滤器过滤压差 0.2Mpa 过滤器过滤时间 96小时过滤盐水质量 SS1PPm 过滤盐水温度 602过滤盐水PH值 8.59.5 AV-Cl2 游离氯 测不出,碳素管过滤器内部简图(55*3 共31m2),FICA1408,助滤剂： -纤维素,日常操作：预涂 返洗,为什么需要使用助滤剂-纤维素？起骨架、支撑、分散作用 工艺指标为什么有流量的要求？使助虑剂贴在碳素管上不脱落,经过过滤后的盐水，其钙、镁离子含量指标为10mg/l，一般为3mg/l左右，远远未达到
11、离子膜电解对盐水中钙镁含量20ppb的要求。,150系统（本系统处理量比较小，当PH值过高时，不能处理很干净）：将PH值为8.59.5之间、温度为5862的过滤盐水通过螯合树脂塔吸附盐水中的杂质金属离子，制取合格的精制盐水。通过螯合树脂塔的再生恢复树脂的性能使树脂循环使用，保证盐水质量合格。二次精盐水质量 Ca2+Mg2+20PPb 其它金属离子 AL 100 PPb Ba500 PPb Fe100 PPb Mn10 PPb Ni10 PPb Si5000 PPb Sr50 PPb,树脂吸附钙镁原理本部使用进口CR11，国产上海华申D403两种树脂.结构为在苯乙烯-二乙烯基的共聚球体的苯环上接
12、亚胺二乙酸基团，形成螯合交换树脂，其结构式为：,树脂吸附钙镁原理该结构对二价金属离子有很强的选择吸附性，并通过酸碱再生使树脂恢复活性。 CH2-COONa CH2-COO 吸附：R-N + M2+ R-N M +2Na + CH2-COONa CH2-COO CH2-COO CH2-COOH 酸洗：R-N M+2HCl R-N + M2+ CH2-COO CH2-COOH CH2-COOH 再生： R-N +2NaOH CH2-COOH,树脂层,FICA1508,去V1501,来自V1402,进入树脂塔之前为什么要控制盐水的pH值,200系统：将合格的二次精盐水送倒电解槽进行电解，阳极生产出符
13、合要求的氯气，阴极生产出合格的液碱和氢气，湿氯气和氢气送氯处理岗位和氢处理岗位，阳极淡盐水送淡盐水脱氯岗位,阴极产生的32%碱液送蒸发岗位。氯气压力: -500500Pa 氢气压力: 2500500Pa阳极液出口淡盐水NaCl浓度 : 190220g/l进阳极精制盐水PH : 2-2.5电槽阴极出液NaOH浓度 : 31.532. 5%(m/m)电解氯气纯度: Cl297%(V/V) O2/Cl23%(V/V) H2/Cl20.3%(V/V)氢气纯度: H299%(V/V)电解槽温度: 8090,盐水中杂质对电解的影响,进入电解槽的盐水质量是离子膜烧碱的关键控制指标，否则将造成电流效率下降和消耗的上升。各种金属杂质离子对离子膜均有较大的危害，其中钙离子和镁离子对膜的影响更为明显。它们微量存在时就会使电流效率下降，槽电压上升。工艺指标控制精制盐水中Ca2+Mg2+含量必须20ppb,电流效率：电解实际产量与理论产量之比（一般以烧碱产量进行计算）。,消耗：指吨折百碱直流电耗，与电流效率和槽电压相关。槽电压是表征离子膜使用状况的重要指标。,电解的关键控制点,目标是离子膜长周期在较低电耗下稳定运行，最关键的是盐水的质量！监控：精盐水中各种杂质含量 各项工艺指标（流量、温度、pH、压力等） 槽电压 碱中NaCl含量 氯气纯度及氢气纯度,
