化工过程安全工程6本文由chenqingg贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看 第六章 电解生产过程 本章大纲 隔膜法电解过程原理与运行条件 隔膜电解槽的结构 工艺流程 水银法电解 离子交换膜电解 食盐电解过程原理与平衡条件分析 过程危险分析与安全控制技术 水电解过程的安全原理 6.1 隔膜法电解过程机理与运行条件分析 6.1.1 过程机理分析 现在采用的是直立式隔膜电解槽，典型代表是虎克电解槽， 隔膜将电解槽隔成阳极区和阴极区阳极是石墨阳极或金属阳 极，电解时在阳极上析出氯气；阴极是粗铁丝网或多孔铁板， H+在阴极上放电并形成氢气释出，H2O离解生成的OH-在阴极 室积累，与阳极区渗透扩散来的Na+形成NaOH食盐水连续加 入阳极室，通过隔膜孔隙流入阴极室为避免阴极室OH-向阳 极区扩散，要调节电解液从阳极区透过隔膜向阴极区流动的流 速，使流速略大于OH-向阳极区的迁移速度 6.1.2 过程运行条件分析 为增大食盐水的电导和减少氯在食盐水中的溶解以抑制 （1）隔膜法的槽电压 副反应，电解时常采用接近于饱和的食盐水，含氯化钠约为 300～330kg·m-3。
按能斯特公式计算，此条件下食盐水的理 论分解电压为2.17V 石墨阳极对氯的过电位约为0.12V；金属阳极则小得多 ，约为0.03V铁板阴极对氢的过电位，在较高电流密度的 操作条件下约为0.27～0.3V，包括隔膜、盐水及导体联接间 因电阻而有一定的电压降因此石墨阳极电解槽的单槽槽电 压力为3.7～4.0V，用金属阳极时为3.4～3.8V （2）副反应 当阳极析出的氯有部分溶解在电解液中时，与水作用生成次氯 酸： Cl2 + H 2O = HCl + HClO 阴极室的OH-有少量向阳极区扩散和迁移，发生副反应： NaOH + HCl = NaClO + H 2O 3ClO ? = ClO3? + 2Cl ? NaOH + HCl = NaCl + H 2O ClO-积累后生成氯酸盐，也可能在阳极放电并与OH-作用： 12ClO ? + 12OH ? = 4ClO3? + 8Cl ? + 6 H 2O + 3O2 + 12e 4OH 阳极附近若OH-浓度增大，可能在阳极上放电： = 2 H 2O + O2 + 4e NaClO + H 2 = NaCl + H 2O ClO-渗透或扩散到阴极区时被还原： 6.2 隔膜电解槽 6.2.1 隔膜电解槽构造 电解槽由四部分组成：阴极箱体，阳极座，槽盖和槽底。
如图示) 图6-1 隔膜电解槽结构示意 (1) 阳极材料 以往多用人造石墨为阳极材料，因在过程中易损耗，每隔7～8月 后要定期更换，维修工作量大，并降低电解槽的工作能力现都 改为金属阳极 铂的性能最好，因昂贵而难于采用 金属阳极（简称DSA），是以金属钛为基体，在基体上涂上活化 层构成的金属阳极选择钛为阳极基体材料是因为钛表面容易形 成钝化膜，有良好的耐电化学腐蚀性能钛本身导电性好，有一 定的机械强度，且便于机械加工 氯碱工业对阳极材料的要求为： 氯碱工业对阳极材料的要求为： 1）阳极直接与活泼的湿氯气、新生态氧、盐酸、次氯酸等 接触，要求阳极材料有良好的耐蚀性 2) 阳极材料对氯的过电位应低，在阳极上让氯离子放电， 并有良好的导电性能 3) 有良好的机械强度，耐腐蚀，易于取得和加工 采用金属阳极在运行分析时注意以下特点： 采用金属阳极在运行分析时注意以下特点： 1) 对氯的过电位低，如在电流密度2kA·m-2左右时，比石 墨阳极约低90mV 2) 金属阳极耐氯和耐碱液的腐蚀，使用寿命长 3) 金属阳极耐腐蚀，阳极与阴极间可保持不变的极小的距 离，槽电压稳定，显著地减少了副反应的发生。
4) 金属阳极的电解槽不使用沥青和铅，减少了职业危害 但是，使用金属阳极时，由于对氯的过电位降低，使氯的析 出电位较接近于氧的析出电位，在条件不当时，氧易于释出 (2) 阴极材料 阴极材料要求能耐NaOH和NaCl的浸蚀，对氢的过电位低，导 电性好，有良好的机械性能并易于加工常用的阴极材料是 铁、用铁丝编成阴极网袋或用铁板冲孔焊成 (3) 隔膜材料 电解槽中的隔膜分为机械膜和化学膜石棉、改性石棉隔膜 、陶瓷、纤维织物、多孔塑料等，利用孔隙的物理作用限制 物质通过隔膜的扩散，对离子的通过没有选择性，属于机械 膜离子交换膜对离子的通过有选择性，称为化学膜 6.3 工艺流程 隔膜法电解过程包括：精盐水制备、电解、氯气干燥和氢气干燥 、稀碱液浓缩和固碱工序 图6-2 隔膜法盐水精制和电解工艺流程 6.3.1 电解过程 精盐水→高位槽→电解槽→氯气→氯气总管→氯处理工段 6.3.2 电解液蒸发 蒸发是在双效蒸发器或三效蒸发器中进行的我国多采用 的是三效顺流操作，也有不少工厂采用双效蒸发三次四体两 段顺流蒸发的流程如图3-49所示。
两段蒸发是指电解碱液经过 两次蒸浓，第一次从含NaOH约12%浓缩至25%～30%，第二 次从含NaOH为25%～30%浓缩至42%三效是指第一次蒸浓 是由1、2、3三级（即三效）蒸发串联的；四体是指三级蒸发 串联由四个蒸发器组成，其中一次为两个蒸发器并联 电解液的蒸发流程： 电解液的蒸发流程： 电解工段来的电解碱液用泵送往预热器预热后进入一效蒸发器 预热用一效蒸发器的加热蒸汽的冷凝水预热蒸发是连续操作的 碱液从第一效蒸发器出来后进入第二效，这时已有部分氯化钠析 出，悬浮在碱液中， 碱液出第二效后进入第三效，浓缩至含NaOH 23%～25%，此时 已析出大部分食盐 出第三效的碱液用泵输送至倾析器，使氯化钠沉降，溢流的澄清 碱液送到中间碱液贮槽，以备进一步浓缩 倾析器中增稠的晶浆送往离心机分离，分离出的母液也送往中间 碱液贮槽分出的氯化钠用水化成盐水，送往盐水精制工序 6.3.3 固碱生产 工艺流程： 工艺流程： （1）直接火加热生产固碱的方法 直接火加热生产固碱的方法是在敞口的容积为10～15m3 直接火加热生产固碱的方法 、直径约3m的厚铸铁锅中熬浓碱液，燃烧的火焰在梯台形炉灶与 顺序的多个铸铁锅直接接触加热，最后接触预热锅回收热量后排 走。
在铸铁锅中碱液被蒸发、熔融和澄清熬碱温度到500℃时 水分全部驱出，此时加少量硝酸钠，并在冷却至400℃时加入少 量硫磺使碱色洁白当熔融的碱液降至330℃后，用立式碱泵抽 送装桶，冷却后封桶为成品 （2）降膜蒸发生产固碱法是利用降膜蒸发器将浓碱浓缩 降膜蒸发生产固碱法 降膜蒸发生产固碱 熔融至脱水接近完全从蒸发出来的浓碱液进入中间贮槽后 用碱泵输送到高位槽，依靠位差流入预热器预热后送到预蒸 发器预蒸发器用0.5MPa蒸汽或用降膜蒸发器发生的二次 蒸汽加热，使碱液浓缩到60%左右之后碱液送入降膜蒸发 器，被加热和脱水后以熔融状态进入分离器分出水汽，熔碱 送往造粒机或片碱机片碱机的转鼓用冷水间接冷却，熔碱 在转鼓表面凝结成片状，随转鼓旋转、被铲切后定量包装 6.4 水银法电解 水银法电解室中的主要反应： 在阳极上的反应与隔膜法相同，是Cl-放电并析出Cl2在汞 + ? 阴极上的反应是Na+的放电： Na + nHg + e → NaHg n 水银法电解时的阳极可以是石墨阳极，也可以是金属阳极 采用石墨极时，当石墨电极的碳末掉到汞阴极时，会导致已 生成的钠汞部分分解：NaHgn + H 2O → NaOH + 1/ 2 H 2 + nHg 反应放出H2，并造成阳极附近盐水的碱度增加，使OH-有可 能在阳极放电： 4OH ? ? 4e ? → 2 H 2O + O2 解汞时的主反应和副反应： 解汞是在解汞室中往钠汞齐上加水使分解成NaOH和氢气，反 应为： NaHg n + H 2O → NaOH + 1/ 2 H 2 + nHg 为促进钠汞齐的分解，在解汞室中安放石墨解汞板。
由石墨 解汞板为阴极、NaOH液为电解质，钠汞齐为阳极，组成一组 原电池：（-）石墨|NaOH溶液|NaHgn（+）发生以下电极反 应： NaHg n → Na + + e? + nHg 溶液中的水在石墨阴极上分解得OH-和H2：H 2O + e? → OH ? + 1/ 2 H 2 ↑ OH-和Na+结合成NaOH，完成解汞过程 6.5 离子交换膜电解 在金属阳极和改性隔膜的第二代电解槽基础上，近年来开 发了离子交换膜电解槽，被称为第三代电解槽1966年该 方法实现了工业化，1975年后又发展了全氟羧酸型离子交 换膜 离子交换膜（简称IEM或IM）是对于溶液中离子有选择性 透过特性的高分子材料膜氯碱电解槽选用的是阳离子交 换膜，它能使Na+通过，而排斥Cl-离子因此该法可以使 我们在阴极室得到不含NaCl、纯度甚至超过水银法的烧碱 溶液 6.6 食盐电解过程机理与平衡条件分析 食盐电解是在电解装置内由阳极过程和阴极过程完成反应 的，分为隔膜法、水银法、离子膜法3种 阳极过程： 2Cl ? → Cl2 + 2e 阴极过程： 2 H 2O + 2e → H 2 + 2OH ? 6.7 过程危险与安全控制技术 过程危险性分析： 过程危险性分析：食盐电解中的安全问题，主要是氯气的中毒和 腐蚀、碱的灼伤、氢气的爆炸以及高温、潮湿和触电等。
在正常操 作中，应随时向电解槽的阳极室内添加盐水，使盐水始终维持在规 定液面，如盐水液面过低，氢气就可能通过阴极网而渗入到阳极室 内与氯气混合则存在爆炸危险；若解汞室的解汞清水温度过低，钠 汞齐来不及在解汞室还原完，就可能在电解槽继续解汞生成大量氢 气发生爆炸；由于突然停电或其他原因突然停车时，高压阀门不能 立即关闭为了避免电解槽中氯气倒流而发生爆炸，需要在电解槽 后安装放空管以及时减压但是，这样做会造成大量氯气外冒，严 重危害职工身体健康 安全控制技术： 安全控制技术：水银电解法突出的安全技术问题，是汞害的防 治其技术措施是对电解槽内和汞接触的封槽水、氯气和氢气的 洗涤水、电解槽维修时的洗槽水、冲洗地板水、水泵密封水等废 水的处理；电解槽及其附属设备产生汞蒸气的防止措施及通风措 施电解食盐厂房，应有足够的防爆泄压面积，良好的通风条件 ，安装防雷设施，氢气排空管的避雷针应高出管顶3m以上，输电 母线则应涂以油漆，电解槽的母线、电缆终端及分布线端的接触 表面应该很平坦在连接接点之前，须将其表面擦拭干净生产 过程中直接连接自由导管线以切断一个或几个电解槽时，用移动 式收电器（用轻便支撑固定），这种收电器在断开时不会产生火 花。
6.8 水电解过程安全技术 水电解可以制氢和氧生产工艺流程有低压和中压两种，两种 流程都经过电解、气液分离、气体洗涤等工序，最后将制得的气 体存入贮气装置中备用或作进一步加工 （1）电解槽 电解水制氢的主要设备电解槽如漏气、漏液或 者槽内电解液质量差、数量不足，会引起可燃物大量逸出电解 槽对地绝缘损坏，或电极板和电极框之间绝缘损坏，电解槽内落 入金属异物等易引起短路起火 （2）分离器 位于电解槽和洗涤器之间当分离器件失灵不能 调整氢、氧两侧的压力时，容易造成氢、氧爆炸性混合气体 （3）洗涤器 。