《化工生产技术与操作张学花项目七 氯碱生产技术与操作》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工生产技术与操作张学花项目七 氯碱生产技术与操作（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、学习目标,知识目标 1了解氯碱工业及产品用途、腐蚀性物料的运输与防护； 2了解氯碱的生产方法； 3理解理论分解电压、槽电压、电压效率和电流效率； 4掌握电解的基本原理、隔膜法电解的操作条件； 5掌握离子膜电解的原理和工艺过程； 6掌握氯碱生产离子膜工段生产操作。,学习目标,能力目标 1能够进行烧碱生产工艺条件的分析、判断和选择； 2能够进行离子膜工段生产操作； 3能够分析判断影响化工生产过程的各种因素。,任务一 生产方法的选择,氯碱工业是基本化学工业之一，它的产品烧碱和氯气在国民经济中占有重要地位，广泛用于造纸、纺织、肥皂、炼铅、石油、合成纤维、橡胶等工业部门。,氯碱工业的核心是电解，电解方法
2、有隔膜法、水银法、离子交换膜法。隔膜法是在电解槽阳极室与阴极室之间设有多孔渗透性的隔层，它能阻止阳极产物与阴极产物混合，但不妨碍阴、阳离子的自由迁移。隔膜法所采用的阳极是石墨阳极或金属阳极，阴极材料为铁，隔膜常用石棉掺入氟树脂的改良性石棉。在阳极室引出氯气，阴极室引出氢气和含食盐的烧碱溶液。,任务一 生产方法的选择,氯碱工业的特点除原料易得、生产流程较短外，主要还有三个突出问题。,1能源消耗大,2氯与碱的平衡,3腐蚀和污染,任务二 食盐水溶液电解的工艺准备,电解过程为电化学过程，是指当直流电通过电解质水溶液或熔融态电解质时，产生离子的迁移和放电现象，并在电极上析出物质的过程。电解过程中，两电极
3、上究竟有哪种离子放电及其放电的数量，理论上存在着严格的定量关系，即法拉第定律。法拉第第一定律是电解过程中，电极上析出的物质的量与通过电解质的电荷量成正比，即与电流及通电时间成正比。由此可知，要提高电解产量，则要增大电流，或延长电解时间。,任务二 食盐水溶液电解的工艺准备,1理论分解电压 要使某一电解质进行电解，必须使电极间的电压达到一定数值，这个数值是使电解过程能够进行的最小电压，称为理论分解电压。理论分解电压是阳离子的理论放电电位和阴离子的理论放电电位之差。计算理论分解电压时，首先要知道阴、阳离子的理论放电电位。其数值可用能斯特方程式计算。 2过电位 过电位（又称超电压E超）是离子在电极上的
4、实际放电电位与理论放电电位的差值。金属离子在电极上放电的过电位不大，可忽略不计。但如果在电极上放出气体物质如Cl2、H2、O2等时，过电位则较大。,任务二 食盐水溶液电解的工艺准备,3实际分解电压和电压效率 电解生产过程中，由于电解溶液浓度不均匀和阳极表面的钝化、导线和接点、电解液和隔膜、局部电阻等因素，也消耗外加电压，故实际分解电压大于理论分解电压（E理）。实际分解电压也称槽电压（E槽），数学表达式为 E槽=E理+E超+E液+E降 式中E液电解液中的电压降；E降电极、接点、电线等电压降之和。实际分解电压可通过实测的方法获得。工业上隔膜法电解的实际分解电压一般在3.54.5 V；离子交换膜法电
5、解的实际分解电压一般低于3 V。,任务二 食盐水溶液电解的工艺准备,实际生产中，由于部分电能消耗于电极上、副反应的产生和漏电，电能不可能100被利用，实际产量总比理论产量低。实际产量与理论产量之比称为电流效率。 电解食盐水溶液时，根据Cl2计算的电流效率称为阳极效率，根据NaOH计算的电流效率称为阴极效率。电流效率是电解生产中很重要的技术经济指标，电流效率高，意味着电荷量损失小，说明相同的电荷量可获得较高的产量。现代氯碱工厂的电流效率一般为95%97。,任务二 食盐水溶液电解的工艺准备,电解理论所需的电能值（W理）与实际消耗电能值（W实）的比值称为电能效率。 由于电能是电荷量和电压的乘积，故电
6、能效率是电流效率和电压效率的乘积。 电能效率=电流效率电压效率 由上式可见，降低电能消耗，必须提高电流效率或电压效率。,任务二 食盐水溶液电解的工艺准备,食盐水溶液中主要有四种离子，即Na+、Cl-、OH-和H+。当直流电通过食盐水溶液时，阴离子Cl-和OH-向阳极移动，阳离子Na+和H+向阴极移动。当阴离子到达阳极时，在阳极放电，失去电子变成不带电的原子；同理，阳离子到达阴极时，在阴极放电，获得电子也变成不带电的原子。离子在电极上放电的难易不同，易放电的离子先放电，难放电的离子不放电。 在阴极上，由于H+比Na+容易放电，所以阴极上是H+放电，电极反应为 2H+2e H2,任务二 食盐水溶液
7、电解的工艺准备,在阳极上，由于Cl-实际的放电电位比OH-的低，所以，Cl-先放电生成Cl2，其放电反应为 2Cl-2e Cl2 不放电的Na+和OH-则生成NaOH。 电解食盐水溶液的总反应式为 2NaCl+2H2O 2NaOH+H2+Cl2,任务三 隔膜法电解的工艺组织,隔膜法是以石墨(或金属)为阳极，铁为阴极，采用石棉隔膜的一种电解方法。隔膜由一种多孔渗透性材料做成，能将阳极产物与阴极产物隔开，可使电解液通过并以一定的速度流向阴极，而且能阻止OH-向阳极扩散。,图7-1 立式隔膜电解槽示意图,任务三 隔膜法电解的工艺组织,（一）电解工艺流程,图7-2 电解食盐水溶液工艺流程示意图,任务三
8、 隔膜法电解的工艺组织,（二）电解液的蒸发 由隔膜电解槽阴极室流出的电解液含有NaOH 1012、NaCl 1618、SO2-4 0.10.6。为得到符合商品规格的烧碱（NaOH30，NaCl4.7），还必须将电解液进行蒸发。 1电解液蒸发目的 （1）将含NaOH 1012的电解液浓缩，得到符合一定规格的商品液碱。 （2）通过电解液浓缩，将其中氯化钠结晶分离出来，以提高碱液的纯度。并将分离得到的盐制成盐水，返回盐水精制工序使用。,任务三 隔膜法电解的工艺组织,2电解液蒸发原理 本工序是借助于蒸汽，使电解液中的水分部分蒸发，以浓缩氢氧化钠。工业上该过程都是在沸腾状态下进行的。由于电解液中含有Na
9、OH、NaCl、NaClO3等多种物质，所以溶液的沸点是随着蒸发过程中溶液浓度的提高而升高，同时也与蒸发的操作压力有关。,任务三 隔膜法电解的工艺组织,3电解液蒸发工艺流程,图7-3 三效四体两段顺流政法流程,任务三 隔膜法电解的工艺组织,（三）固碱的制造 从蒸发工序来的液碱浓度一般不大于50，其用途有限，且不便作长途运输和贮存，故常将一部分液碱制成固体烧碱。生产方法有间歇锅式蒸煮法和连续膜式蒸发法。 1间歇锅式蒸煮法制固碱 间歇锅式蒸煮法采用熬碱锅（铸铁锅）以直接明火加热，生产过程分为蒸发、熔融和澄清，整个生产过程都在熬碱锅中进行。 液碱被加热至沸腾时水分不断蒸发，随着碱液纯度的提高，沸点也
10、相应升高。碱液在蒸煮过程中，由于熬碱锅受高温浓碱的侵蚀，使碱液带有多种颜色。在开始阶段，铸铁锅被腐蚀生成棕黄色的FeO，再继续氧化生成棕红色的Fe2O3，与空气中氧反应，生成易溶于碱的物质Na2FeO4，颜色为蓝绿色。,任务三 隔膜法电解的工艺组织,（三）固碱的制造 从蒸发工序来的液碱浓度一般不大于50，其用途有限，且不便作长途运输和贮存，故常将一部分液碱制成固体烧碱。生产方法有间歇锅式蒸煮法和连续膜式蒸发法。 1间歇锅式蒸煮法制固碱 间歇锅式蒸煮法采用熬碱锅（铸铁锅）以直接明火加热，生产过程分为蒸发、熔融和澄清，整个生产过程都在熬碱锅中进行。 液碱被加热至沸腾时水分不断蒸发，随着碱液纯度的提
11、高，沸点也相应升高。碱液在蒸煮过程中，由于熬碱锅受高温浓碱的侵蚀，使碱液带有多种颜色。在开始阶段，铸铁锅被腐蚀生成棕黄色的FeO，再继续氧化生成棕红色的Fe2O3，与空气中氧反应，生成易溶于碱的物质Na2FeO4，颜色为蓝绿色。,任务三 隔膜法电解的工艺组织,2连续膜式蒸发法制固碱 连续膜式蒸发法是根据薄膜蒸发的原理，采用升、降膜蒸发器，分别用蒸汽和熔融盐加热，将45的液碱浓缩为熔融碱，经冷却制得固碱。,图7-4 连续模式蒸发法制固碱生产流程,任务三 隔膜法电解的工艺组织,隔膜电解槽是隔膜法电解生产中的主要设备，根据隔膜的安装方式不同，可分为水平式和立式两种。水平式隔膜电解槽在氯碱工业发展初期
12、被采用，最初采用石墨阳极、铁阴极和石棉隔膜，后来为了延长隔膜的使用寿命，又采用改性石棉隔膜。自20世纪60年代后期，逐步以金属阳极代替石墨阳极，降低了氯的过电位，同时也解决了炭末堵塞隔膜而缩短隔膜使用寿命的问题，也为隔膜电解槽的大型化、提高电流密度、延长运转周期创造了条件。,任务三 隔膜法电解的工艺组织,图7-5 立式吸附隔膜金属阳极电解槽,1阳极组合件； 2电解口出口； 3阴极连接钢排； 4阴极网袋； 5阳极片； 6阴极水位表接口； 7盐水喷嘴插口； 8氯气压力表接口； 9氯气出口； 10氢气出口； 11槽盖； 12橡皮垫床； 13阴极箱组合件； 14阳极连接钢排,任务三 隔膜法电解的工艺组
13、织,（一）槽盖隔膜电解槽使用金属阳极代替石墨阳极以后，将过去笨重的混凝土槽盖改为钢衬胶或玻璃纤维增强塑料（FRP）槽盖。盖顶有氯气出口、氯气压力表接口及防爆膜，侧部有盐水进口、阳极液位计接口。 （二）阴极组件由箱体、阴极网袋及导电铜板组成。阴极箱体是用钢板焊成的无底无盖的长方形框，在箱体上有氢气和电解液出口管，外侧有导电铜板，使电流均匀分布在阴极网袋上。阴极网袋一般由镀锌铁丝编织而成，铁丝网应有足够的导电面积，并且表面力求平整，以使石棉纤维均匀沉积在铁丝网袋表面上。 （三）阳极组件由阳极片和钛-铜复合棒焊接而成。阳极片采用1.01.5 mm钛板冲压扩张成菱形网片，经处理后涂上钌钛涂层。钛-铜复
14、合棒是在铜棒上包裹上一层钛皮的复合体，在棒的一端有螺纹，可与阳极底板紧固。菱形阳极网片焊在钛-铜复合棒上，阳极片通过钛-铜复合棒一端的螺栓紧固在铜导电板上。,任务四 离子交换膜法电解的工艺组织,在离子交换膜法电解槽中，由一种具有选择透过性能的阳离子交换膜（简称离子膜）将电解槽分成阳极室和阴极室两部分，该膜只允许阳离子（Na+）通过离子膜进入阴极室，而阴离子（Cl-）则不能通过，如图7-6所示。 从阳极室加入饱和食盐水，Na+通过离子膜进入阴极室。导入直流电时，阳极室中的氯离子在阳极放电，生成氯气逸出。在阴极室加入一定的去离子水，在阴极上H+放电生成H2，而水不断被电离为H+和OH-，OH-无法
15、透过离子膜留在阴极室，与Na+结合生成NaOH溶液并从阴极室流出，通过调节加入阴极室的去离子水量，可得到一定浓度的烧碱溶液。,图7-6 离子交换膜法电解的基本原理,任务四 离子交换膜法电解的工艺组织,图7-7 离子膜选择透过性,任务四 离子交换膜法电解的工艺组织,1盐水质量 2电解槽的操作温度 3阴极液中NaOH的浓度 4阳极液中NaCl的浓度 5阳极液的pH,任务四 离子交换膜法电解的工艺组织,1盐水一次精制,图7-8 盐水一次精制流程图,任务四 离子交换膜法电解的工艺组织,2盐水二次精制,图7-9 盐水二次精制流程图,任务四 离子交换膜法电解的工艺组织,3离子膜电解工艺流程,图7-10 离
16、子膜电解工艺流程,任务四 离子交换膜法电解的工艺组织,1电解槽 目前，世界上的离子膜电解槽有多种类型。无论何种类型，电解槽均由若干电解单元组成，每个电解单元是由阳极、离子交换膜与阴极组成。,图7-11 单极槽和复极槽的直流电接线方式,任务四 离子交换膜法电解的工艺组织,1电解槽,图7-12 离子膜电解槽结构示意图,任务四 离子交换膜法电解的工艺组织,2电极材料 电极材料分为阳极材料和阴极材料。 （1）阳极材料 由于阳极直接、经常地与氯气、氧气及其他酸性物质接触，要求阳极材料具有较强的耐化学腐蚀、对氯的超电压低、导电性能良好、机械强度高、易于加工及便宜等特点，此外还要考虑电极的寿命。阳极材料有金属阳极和石墨阳极两类，离子膜电解均采用金属阳极。金属阳极以金属钛为基体，在表面涂有其他金属氧化物的活性层。金属钛的耐腐蚀性好，具有良好的导电性和机械强度，便于加工。基体涂的阳极
