Производство щелочи хлора водорода

Содержание

Введение…………………………………………………………………..…4

1 Технологическая  часть……………………………………………………7

1.2 Описание  технологической схемы производства………………….....10

1.3 Выбор  электролизера………….…………………………………….....17

2 Расчетная  часть…………………………………………………………...22

Список  литературы…………………………….………….……….…….…31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 Настоящий курсовой проект  посвящен теме: «Получение хлора,  щелочи и водорода диафрагменным  методом». Основным методом промышленного производства хлора является электролиз водного раствора хлорида натрия:

2NaCl + 2H2O →  Cl2↑ + 2NaOH + H2↑

или, гораздо  реже, хлорида калия:

2KCl + 2H2O →  Cl2↑ + 2KOH + H2↑

Как видно из формул, совместно  с хлором при этом образуются газообразный водород и гидроксид натрия (каустическая сода). В среднем на 1т  вырабатываемого хлора приходится 1,12–1,26 т каустика. Производство энергоемкое – на 1 т хлора расходуется в среднем 3000 кВт-ч электроэнергии.

Сырьем для производства хлора  и гидроксида натрия электролитическим  методом с твердым катодом является хлорид натрия. Чистый хлорид натрия содержит 39,4% натрия и 60,6% хлора. В природном хлориде натрия содержатся примеси – хлориды кальция и магния, сульфаты кальция и магния и другие.

Хлорид натрия встречается в  природе в виде залежей (каменная соль), самосадочной соли и рапы соляных озер, в виде естественных подземных рассолов и в морской воде.

 В каменной соли содержится: 99,7-99,6% NaCl; 0,08% MgCl₂ ; 0,3-1,4% CaSO₄ ; до 1% Н₂О.

 В самосадочной соли в  среднем содержится: 97,2% NaCl; 0,5%MgCl₂ ; 0,4% CaSO₄ ; до1,4%Н₂О и 0,1-0,6% нерастворимых веществ.

 Поваренная соль, полученная  из морской воды содержит: 87% NaCl; 1,0 Mg²⁺ ; 0,5% Са²⁺ ; 1,0% SO^2-₄ ; 8% Н₂О и 2,5% нерастворимый остаток.   

 Хлор – газ желтовато-зеленого  цвета с удушающем запахом,  раздражающе действует на дыхательные  пути, может вызвать отек легких. При средних концентрациях возникают резкие грудные боли, жжение и резь в глазах, слезотечение, мучительный сухой кашель. Предельная допустимая концентрация– 1мг/м³.

 Электролитическая щелочь –  прозрачная, бесцветная жидкость, невзрывоопасная, негорючая. Щелочь легко растворима в воде в любых соотношениях. При попадании на кожу вызывает тяжелые химические ожоги. Предельная допустимая концентрация – 0,5мг/м³.

В промышленности используется три  метода электролиза растворов хлоридов:

          1. Амальгамный (ртутный) метод – электролиз с жидким ртутным катодом. В процессе выработки хлора данным методом через закрытый, периодически наклоняемый электролизер со скоростью 15 см/с проходит ртуть, слой которой на дне агрегата служит катодом. Титановые аноды, покрытые слоем оксидов платиновых металлов, погружены в горячий (60-80.C) раствор NaCl. При этом на аноде выделяется газообразный хлор, в то время как на ртутном катоде разряжаются катионы натрия, чему способствует также образование амальгамы NaHgx. Амальгамированная ртуть при очередном наклоне электролизера перетекает в разлагатель, где в присутствии катализатора реагирует с горячей водой, а освобождающаяся ртуть возвращается в электролизер.

          2. Диафрагменный метод, при котором анодное и катодное пространства электролизера отделены друг от друга пористой асбестовой перегородкой – диафрагмой. Такая конструкция позволяет предотвратить взаимодействие щелочи с газообразным хлором, в результате которого может образовываться гипохлорит натрия. При этом хлор выделяется на аноде, тогда как на железном катоде образуется водород, а ионы OH– остаются в растворе. Чтобы выделяющийся при электролизе хлор не разрушал аноды, их делают либо из графита, либо из титановых сплавов и покрывают оксидами титана и рутения.

           3. Мембранный метод, являющийся на сегодняшний день наиболее прогрессивным способом получения хлора и каустика, был разработан в 70-е годы XX века. Он предусматривает отделение катода электролиза от анода синтетической мембраной, пропускающей только ионы натрия. В мембранном электролизере водород получается при избыточном давлении до 0,5 атм, что в большинстве случаев исключает стадию его сжатия (компримирования). Получаемая в электролизере щелочь, содержащая до 35% гидроксида натрия и 30 поваренной соли, требует доупарки, процесс которой значительно проще по сравнению с диафрагменным методом и требует меньших затрат энергии. В настоящее время на предприятиях СНГ наиболее широко применяются ртутный и диафрагменный способы получения хлора и каустической соды. Давно известно, что мембранные электролизеры значительно экономичней по расходу энергии ртутных (на 25%) и диафрагменных (на 15%), и только за счет энергосбережения полностью окупают себя за два года. Проблема перехода на мембранную технологию отечественных предприятий состоит в том, что мембраны в электролизерах нужно менять через каждые 3-4 года, а в России их производство пока не налажено.

Данная тема, несмотря на закрытие в г. Усолье-Сибирском цеха по производству хлора, является актуальной. Так как мировое потребление хлора по сравнению с 2010г. увеличилось на 20%

В настоящем курсовом проекте рассмотрены  вопросы теории диафрагменного электролиза, дана технологическая схема, сделаны необходимые материальные расчеты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Технологическая часть

1.1 Теория процесса. Обоснование  электрохимического способа 

В процессе электролиза раствора хлорида  натрия образуется хлор, водород и  гидроксид натрия по электрохимической  реакции.

на аноде   2Cl¯ – 2ē →  Cl₂ (а)

на катоде  2Н⁺ + 2ē → Н₂      (б)

Na⁺ + OH^- → NaOH            (в)

Суммарная реакция   2NaCl + 2Н₂О → 2NaOH + Cl₂ + H₂ (г)

Продукты электролиза разделяются  осажденной диафрагмой. Диафрагма может  быть асбестовая, асбополимерная и  другая. Одновременно с основными                             процессами могут протекать и  побочные реакции, которые снижают  коэффициент использования тока. Так, на аноде, одновременно с разрядом иона хлора и выделением газообразного хлора может выделяться кислород.

 Н₂О – 2е → ½ О₂ + 2Н⁺     (д)

На платинированных титановых  анодах и ОРТА перенапряжение выхода кислорода высокое, поэтому выход кислорода по току невелик.

4ОН¯- 4ē → 2Н₂О + О₂      (е)

 Степень протекания этой  реакции зависит от количества  ионов ОН¯, проникающих под действием электрического тока из катодного пространства в анодное.

При электролизе с фильтрующей  диафрагмой проникновение ионов  ОН¯ в анодное пространство значительно  снижает протекаемость диафрагмы  с повышением массовой концентрации щелочи в католите более 140 г/дм³.

Для уменьшения миграции ионов ОН¯  в анодное пространстве применяют  противоток анолита от анода через  диафрагму к катоду, поддерживают повышенную концентрацию хлорида натрия в растворе, повышенную температуру электролита. Выделившийся на аноде хлор частично растворяется в анолите, подвергаясь гидролизу с образованием соляной и хлорноватистой кислот.

Сl₂ + Н₂О → НСl + НСlО    (ё)                                           

 В процессе гидролиза хлор  в концентрированных растворах  хлоридов щелочных металлов концентрация ионов СlО¯ настолько низка, что заметно не влияет на ход анодного процесса. Однако при попадании в анодное пространство ионов ОН¯ образуется хорошо диссоциируемый гипохлорит натрия.

Сl₂ + ОН¯ → НСlО + Сl¯  (ж)

Сl₂ + 2ОН¯ → СlО¯  + Сl¯ + Н₂О  (з)

На аноде ион СlО¯ разряжается с образованием хлорноватистой кислоты и кислорода.

         6СlО¯ + 3Н₂О - 6ē → 2СlО¯ + 4Сl¯ + 1½ О₂ + 6Н⁺  (и)

         Помимо  этого в объеме раствора могут  протекать реакции окисления  хлорноватистой кислоты, ионов  СlО¯ до СlО₃¯.

2НСlО + СlО¯ → СlО₃¯ + 2ē + 2Н₂  (й)

или

НСlО + 2СlО¯ → СlО₃¯ + 2Сl¯ + Н₂  (к)

При поступлении анолита в катодное пространство через диафрагму продукты гидролиза хлора нейтрализуются щелочью с образованием раствора хлорида, гипохлорита и хлората натрия, которые загрязняют  электролит, снижают выход хлора и щелочи по току. Помимо выделения водорода на катоде протекают процессы восстановления  анионов СlО^- и СlО₃^-, поступающих в катодное пространство вместе с анолитом  через диафрагму.

СlО¯ + Н₂О + 2ē → Сl + 2ОН¯    (л)

СlО₃¯ + 3Н₂О + 6ē → Сl + 6ОН¯ (м)

Ионы гипохлорита восстанавливаются  на  катоде легче ионов хлората, поэтому восстановление ионов  СlО¯ обычно протекает достаточно полно и достигается практически полная очистка электролитических щелоков от активного хлора.

 Восстановление ионов СlО₃¯ на катоде происходит лишь частично и электрощелочь в этой или иной степени загрязнены примесью хлоратов. Степень загрязнения зависит от применяемого анодного материала, режима работы электролизера и состояния диафрагмы.

Хлор, выделившийся в анодном пространстве, отсасывается из электролизеров с помощью компрессоров и поступает для охлаждения, осушки и компримивания. На общем коллекторе хлора установлены гидролизеры, предохраняющие асбестовые диафрагмы от разрушения при колебаниях вакуумметрического давления в системе отсоса хлора.

Хлорная вода из гидролизеров и конденсат  из общего коллектора хлора в зоне электролиза сливается в сборник, откуда поступает на обесхлорирование.

Водород из катодного пространства электролизеров по хлорвиниловым шлангам  поступает в групповые коллекторы, которые соединены с одним  общим коллектором. По общему коллектору водород поступает на охлаждение и компримирование в водородное отделение. Избыток водорода с помощью эжектора выбрасывается с общего коллектора в атмосферу.

Электрощелочь из катодного пространства электролизеров сливается в групповые коллекторы, из которых поступает в общий коллектор и далее в приемный бак. Из приемного бака электрощелоков откачивается насосами в отделение выпаривания.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Описание  технологической схемы производства

Технологическая схема  получения хлора, водорода и каустической соды состоит из следующих стадий:

- получение  сырого рассола;

- очистка рассола, производимая  в корпусе очистки и подготовки  рассола для диафрагменного электролиза;            

- электролиз, осуществляемый в зале электролиза;

- охлаждение  и осушка хлоргаза;

- компримирование  хлоргаза;

- охлаждение  и компримирование водорода;

- выпарка  электрощелоков с целью получения  каустической соды.

Усольское месторождение каменной соли представлено десятью промышленными пластами, приуроченными к Усольской свите нижнекембрийских отложений. Пласты каменной соли на всю мощность вскрыты буровыми скважинами, глубиной – 1400 метров и отрабатываются методом заглубленной водоподачи снизу вверх. В качестве растворителя применяется производственная вода или рассол с низкой массовой концентрацией, поступающие в скважины. В камере выщелачивания вода растворяет каменную соль, образующийся соляной рассол, вследствие возрастания его плотности, занимает в камере более низкое положение соответствующее более высокой концентрации хлорида натрия (NaCl) и по внутренней колонне за счет избыточного давления воды выжимается на поверхность.

Соляной рассол, полученный в камерах  выщелачивания скважин, избыточным давлением воды в камере вытесняется на поверхность и по трубопроводам поступает на распределительный пункт. На распределительном пункте в зависимости от массовой концентрации натрия хлористого в рассоле с каждой скважины, последний с низкой массовой концентрацией соли может быть направлен на донасыщение на всас центробежных  насосов для возврата в скважины, а кондиционный рассол направляется в корпус очистки и подготовки  рассола.

Очистка сырого рассола производится в корпусе очистки и подготовки рассола для  электролиза с использованием соляной кислоты и карбоната натрия. Перед подачей в электролизер рассол очищают от Mg²⁺, Са²⁺, а в некоторых случаях и от ионов SО , оказывающих вредное влияние на ход электролиза. Выделение Са²⁺ из раствора производится в форме малорастворимого СаСО₃ путем добавления раствора кальцинированной соды. Осаждение Mg²⁺ ведут раствором NaOH.  При этом образуется малорастворимый гидроксид магния Mg(OH)₂. Образующиеся гидроксид магния и карбонат кальция отфильтровывают и затем раствор подкисляют соляной кислотой для нейтрализации избыточной щелочности. Ионы SО выводят при выпарке щелоков из оборотной соли. Нерастворимые загрязнения отделяют отстаиванием и фильтрованием на фильтрпрессах. Отфильтрованный рассол перед поступлением на электролиз нейтрализуют соляной кислотой. Шлам отработанной целлюлозы и сгущенную суспензию из отстойника Дорра отжимают, маточник направляют на очистку рассола, а отжатый шлам с влажностью 30-40% вывозят на складирование или захоронение. Очистку рассола проводят в корпусе подготовки рассола.