Промышленным способом получения хлора является

Производство хлора — Chlorine production

Хлор газ может быть получен путем экстракции из природных материалов,том числе электролиза в виде хлорида натрия раствора ( рассола ) и другими способами.

СОДЕРЖАНИЕ

Добыча газа

Хлор может быть изготовлен с помощью электролиза в виде хлорида натрия раствора ( рассола ), который известен как процесс хлорщелочного . При производстве хлора образуются побочные продукты каустической соды ( гидроксид натрия , NaOH) и газообразный водород (H ₂ ). Эти два продукта, как и сам хлор, обладают высокой реакционной способностью. Хлор можно также получить электролизом раствора хлорида калия , в этом случае побочными продуктами являются водород и едкий калий ( гидроксид калия ). Существует три промышленных метода экстракции хлора электролизом хлоридных растворов, все они осуществляются в соответствии со следующими уравнениями:

Катод: 2 H + (водн.) + 2 e — → H ₂ (г) Анод: 2 Cl — (водн.) → Cl ₂ (г) + 2 e —

Общий процесс: 2 NaCl (или KCl) + 2 H ₂ O → Cl ₂ + H ₂ + 2 NaOH (или KOH).

Электролиз ртутных элементов

Ртуть клетки электролиза, также известный как процесс Кастне—Kellner , был первым методом , используемым в конце прошлого века для производства хлора в промышленном масштабе. Используемые «качающиеся» ячейки с годами совершенствовались. Сегодня в «первичном элементе» титановые аноды, плакированные платиной или проводящими оксидами металлов (ранее графитовые аноды), помещают в раствор хлорида натрия (или калия), протекающий над жидким ртутным катодом . Когда прикладывается разность потенциалов и протекает ток, хлор выделяется на титановом аноде, а натрий (или калий ) растворяется в ртутном катоде, образуя амальгаму . Это непрерывно течет в отдельный реактор ( « деньюдер » или „вторичная клетка“), где он, как правило , преобразуется обратно в ртути в результате реакции с водой , производя водород и натрий (или калий) гидроксид в коммерчески полезной концентрации (50% по весу ). Затем ртуть возвращается в первичный элемент с помощью насоса, расположенного внизу.

Ртутный процесс является наименее энергоэффективным из трех основных технологий (ртуть, диафрагма и мембрана ), и существуют также опасения по поводу выбросов ртути .

По оценкам, во всем мире все еще работает около 100 заводов по производству ртутных элементов. В Японии производство хлористо-щелочного металла на основе ртути было практически прекращено к 1987 году (за исключением двух последних установок по производству хлорида калия, остановленных в 2003 году). В Соединенных Штатах к концу 2008 года останется в эксплуатации только пять ртутных заводов. В Европе на долю ртутных элементов приходилось 43% мощности в 2006 году, и западноевропейские производители обязались закрыть или переоборудовать все оставшиеся хлорно-щелочные ртутные заводы путем 2020.

Электролиз мембранной ячейки (биполярный)

При электролизе диафрагменной ячейки диафрагма из асбеста (или полимерного волокна) разделяет катод и анод, предотвращая повторное смешивание хлора, образующегося на аноде, с гидроксидом натрия и водородом, образовавшимся на катоде. Эта технология также была разработана в конце девятнадцатого века. Существует несколько вариантов этого процесса: ячейка Ле Суэра (1893 г.), ячейка Харгривса-Берда (1901 г.), ячейка Гиббса (1908 г.) и ячейка Таунсенда (1904 г.). Ячейки различаются по конструкции и расположению диафрагмы, в некоторых из них диафрагма находится в прямом контакте с катодом.

Соли раствор непрерывно подают в анодное отделение и течет через диафрагму в катодный отсек, где каустической щелочи производится и рассол частично истощены. В результате диафрагменные методы производят щелочь, которая довольно разбавлена ​​(около 12%) и имеет более низкую чистоту, чем методы с использованием ртутных элементов.

Мембранные элементы не обременены проблемой предотвращения попадания ртути в окружающую среду; они также работают при более низком напряжении , что приводит к экономии энергии по сравнению с методом ртутного элемента, но требуется большое количество пара , если щелочь должна быть испарена до коммерческой концентрации 50%.

Электролиз мембранных ячеек

Разработка этой технологии началась в 1970-х годах. Электролизер разделен на две «секции» с помощью катионного проницаемой мембраны , действующей в качестве катионита . Насыщенный раствор хлорида натрия (или калия) пропускается через анодный отсек с более низкой концентрацией . Раствор гидроксида натрия (или калия) циркулирует через катодное отделение с более высокой концентрацией на выходе. Часть концентрированного раствора гидроксида натрия, покидающая ячейку, отводится как продукт, а оставшаяся часть разбавляется деионизированной водой и снова проходит через аппарат для электролиза.

Этот метод более эффективен, чем мембранная ячейка, и дает очень чистый гидроксид натрия (или калия) с концентрацией около 32%, но требует очень чистого рассола.

Другие электролитические процессы

Хотя речь идет о гораздо меньших масштабах производства, электролитические диафрагмы и мембранные технологии также используются в промышленности для извлечения хлора из растворов соляной кислоты , производя водород (но не едкую щелочь) в качестве побочного продукта.

Кроме того, электролиз плавленых хлоридных солей ( процесс Даунса ) также позволяет получать хлор, в данном случае как побочный продукт производства металлического натрия или магния .

Другие методы

Перед тем как электролитические методы были использованы для производства хлора, прямое окисление из хлористого водорода с кислородом (часто , хотя воздействие воздуха) было реализовано в процессе Deacon :

Эта реакция осуществляется с использованием хлорида меди (II) (CuCl ₂ ) в качестве катализатора и проводится при высокой температуре (около 400 ° C). Количество извлеченного хлора составляет примерно 80%. Из-за чрезвычайно агрессивной реакционной смеси промышленное использование этого метода затруднено, и несколько пилотных испытаний в прошлом потерпели неудачу. Тем не менее, последние события обнадеживают. Недавно Sumitomo запатентовала катализатор для процесса Дикона, в котором используется оксид рутения (IV) (RuO ₂ ).

Еще один более ранний способ получения хлора заключался в нагревании рассола с кислотой и диоксидом марганца .

Используя этот процесс, химик Карл Вильгельм Шееле первым выделил хлор в лаборатории. Марганца может быть восстановлен с помощью процесса Weldon .

Небольшие количества газообразного хлора можно получить в лаборатории, поместив концентрированную соляную кислоту в колбу с боковым рычагом и присоединенной резиновой трубкой. Затем добавляют диоксид марганца и колбу закрывают пробкой. Реакция не является сильно экзотермической. Поскольку хлор плотнее воздуха, его можно легко собрать, поместив трубку в колбу, где он вытеснит воздух. После заполнения колбу для сбора можно закрыть пробкой.

Другой метод получения небольших количеств газообразного хлора в лаборатории — это добавление концентрированной соляной кислоты (обычно около 5 М) к гипохлориту натрия или раствору хлората натрия.

Перманганат калия можно использовать для образования газообразного хлора при добавлении к соляной кислоте.

Мембраны промышленного производства

Крупномасштабное производство хлора включает несколько этапов и множество единиц оборудования. Приведенное ниже описание типично для мембранной установки. Завод также одновременно производит гидроксид натрия (едкий натр) и газообразный водород. Типичная установка состоит из производства / обработки рассола, операций с ячейками, охлаждения и сушки хлора, сжатия и сжижения хлора, хранения и загрузки жидкого хлора, обработки щелочи, испарения, хранения и загрузки и обработки водорода.

Рассол

Ключом к производству хлора является работа системы насыщения / очистки рассола. Поддержание должным образом насыщенного раствора с правильной чистотой жизненно важно, особенно для мембранных клеток. На многих заводах есть соляная куча, которую опрыскивают переработанным рассолом. В других есть цистерны для жидкого навоза, в которые подается сырая соль и переработанный рассол. Неочищенный рассол обрабатывают карбонатом натрия и гидроксидом натрия для осаждения кальция и магния. Реакции часто проводят в серии реакторов перед тем, как обработанный рассол направляют в большой осветлитель, где осаждаются карбонат кальция и гидроксид магния. Флокулирующий агент может быть добавлен непосредственно перед осветлителем для улучшения осаждения. Декантированный рассол затем механически фильтруется с использованием песочных или листовых фильтров перед поступлением в серию ионообменников для дальнейшего удаления примесей . На нескольких этапах этого процесса рассол проверяется на твердость и прочность.

После ионообменников рассол считается чистым и переносится в резервуары для хранения для перекачки в камеру. Чистый рассол нагревается до нужной температуры для регулирования температуры рассола на выходе в соответствии с электрической нагрузкой . Рассол, выходящий из камеры, необходимо обработать для удаления остаточного хлора и контроля уровня pH перед возвратом на стадию насыщения . Этого можно добиться с помощью колонн дехлорирования с добавлением кислоты и бисульфита натрия . Отсутствие удаления хлора может привести к повреждению ионообменных блоков. Следует контролировать накопление в рассоле как хлорат-анионов, так и сульфат-анионов , и либо иметь систему очистки, либо продувать контур рассола для поддержания безопасных уровней, поскольку хлорат-анионы могут диффундировать через мембраны и загрязнять щелочь, в то время как сульфат-анионы может повредить покрытие поверхности анода.

Комната камеры

Здание, в котором находится множество электролитических ячеек, обычно называют ячейкой или ячейкой, хотя некоторые заводы строятся на открытом воздухе. Это здание содержит опорные конструкции для ячеек, соединения для подачи электроэнергии к ячейкам и трубопроводы для жидкостей. Мониторинг и управление температурами каустической соды и рассола осуществляется для контроля температуры на выходе. Также контролируются напряжения каждой ячейки, которые меняются в зависимости от электрической нагрузки в помещении ячейки, которая используется для управления производительностью. Мониторинг и контроль давления в коллекторах хлора и водорода также осуществляется с помощью клапанов регулирования давления .

Постоянный ток подается через выпрямленный источник питания. Нагрузка на установку контролируется изменением тока в ячейках. По мере увеличения силы тока расход рассола, каустической и деионизированной воды увеличивается при одновременном снижении температуры подачи.

Охлаждение и сушка

Газообразный хлор, выходящий из линии ячейки, необходимо охладить и осушить, поскольку выходной газ может иметь температуру более 80 ° C и содержит влагу, которая позволяет газообразному хлору вызывать коррозию железных трубопроводов. Охлаждение газа позволяет большому количеству влаги из рассола конденсироваться из газового потока. Охлаждение также повышает эффективность как стадии сжатия, так и последующей стадии сжижения . Выход хлора в идеале составляет от 18 ° C до 25 ° C. После охлаждения поток газа проходит через ряд колонн с противоточной серной кислотой . Эти колонны постепенно удаляют оставшуюся влагу из газообразного хлора. После выхода из сушильных башен хлор фильтруют, чтобы удалить оставшуюся серную кислоту.

Сжатие и разжижение

Можно использовать несколько методов сжатия: жидкостное кольцо , возвратно-поступательное или центробежное . На этой стадии газообразный хлор сжимается и может дополнительно охлаждаться с помощью промежуточных и дополнительных охладителей. После сжатия он поступает в ожижители, где охлаждается до состояния разжижения. Неконденсирующиеся газы и остающийся газообразный хлор удаляются как часть контроля давления в системах сжижения. Эти газы направляются в газоочиститель, производящий гипохлорит натрия , или используются для производства соляной кислоты (сжиганием с водородом) или этилендихлоридом (путем реакции с этиленом ).

Хранение и загрузка

Жидкий хлор обычно самотеком подается в резервуары для хранения. Его можно загружать в железнодорожные или автомобильные цистерны с помощью насосов или заполнять сжатым сухим газом.

Обработка каустика, испарение, хранение и загрузка

Каустик, подаваемый в камеру для клеток, течет по петле, которая одновременно отводится в хранилище с частью, разбавленной деионизированной водой, и возвращается в линию клеток для усиления внутри клеток. Щелочь, выходящую из клеточной линии, необходимо контролировать на предмет прочности, чтобы поддерживать безопасные концентрации. Слишком сильный или слишком слабый раствор может повредить мембраны. Мембранные элементы обычно производят щелочь в диапазоне от 30% до 33% по весу. Поток исходной щелочи нагревается при низких электрических нагрузках для регулирования его температуры на выходе. Более высокие нагрузки требуют охлаждения каустика для поддержания правильной температуры на выходе. Каустик, поступающий в хранилище, отбирается из резервуара для хранения и может быть разбавлен для продажи клиентам, которым требуется слабый каустик, или для использования на месте. Другой поток может быть закачан в испарительную установку с несколькими эффектами для производства 50% -ного щелочного каустика. Погрузка железнодорожных вагонов и автоцистерн осуществляется на станциях погрузки с помощью насосов.

Обработка водорода

Водород, производимый в качестве побочного продукта, может быть сброшен в необработанном виде непосредственно в атмосферу или охлажден, сжат и высушен для использования в других процессах на месте или продан покупателю через трубопровод, баллоны или грузовики. Некоторые возможные применения включают производство соляной кислоты или перекись водорода , а также десульфурации из нефти , или использовать в качестве топлива в котлах или топливных элементах .

Потребление энергии

Производство хлора чрезвычайно энергоемко. Потребление энергии на единицу веса продукта не намного ниже, чем при производстве чугуна и стали, и больше, чем при производстве стекла или цемента.

Поскольку электричество является незаменимым сырьем для производства хлора, потребление энергии, соответствующее электрохимической реакции, не может быть уменьшено. Экономия энергии достигается в первую очередь за счет применения более эффективных технологий и сокращения использования вспомогательной энергии.

Источник

Производство хлора

Порядок, принципы проведения электролиза водного раствора хлорида натрия как основного метода промышленного производства хлора. Используемые методы, их преимущества и недостатки: амальгамный, диафрагменный, мембранный. Технологическая схема производства.

Рубрика	Химия
Вид	контрольная работа
Язык	русский
Дата добавления	29.02.2016
Размер файла	32,4 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

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% MgCl_2; 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 Mg 2+ ; 0,5% Са 2+ ; 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 — 1 мг/м 3 .

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 — 0,5 мг/м 3 .

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 2010 г. увеличилось на 20%

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

1. Теория процесса. Обоснование электрохимического способа

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

на аноде 2Cl? — 2e > Cl₂ (а)

на катоде 2Н + + 2e > 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.

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

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./дм 3 .

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.

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)

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

6СlО? + 3Н₂О — 6e > 2СlО? + 4Сl? + 1? О₂ + 6Н + (и)

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

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 + 2e > Сl + 2ОН? (л)

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.

электролиз хлор натрий водный

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;

— 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 Mg 2+ , Са 2+ , а в некоторых случаях и от ионов SО_, оказывающих вредное влияние на ход электролиза. Выделение Са 2+ из раствора производится в форме малорастворимого СаСО₃ путем добавления раствора кальцинированной соды. Осаждение Mg 2+ 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.

После очистки рассол направляется в зал электролиза. С целью уменьшения расхода постоянного тока при электролизе производится подогрев рассола до 75-90 0 С паром под давлением 0,6-0,9 МПа (6,0-9,0 кгс/см 2 ) в двухходовых титановых теплообменниках с площадью нагрева 249 м 2 , работающих поочередно. Расход поступающего пара, температура греющего пара, давление греющего пара измеряется и регистрируется на щите КИПиА. Температура рассола, выходящего из теплообменников измеряется и регистрируется на щите КИПиА. Конденсат из межтрубного пространства теплообменников отводится в другие корпуса на внутреннее потребление. После подогрева рассол поступает в напорные баки.

Уровень подогретого рассола в напорных баках контролируется на щите КИПиА и регулируется. Максимальный и минимальный уровни в напорных баках оповещаются на щите КИПиА световой и звуковой сигнализацией. Температура подогреваемого рассола после напорных баков измеряется термометром по месту, расход измеряется на щите КИПиА.

Подогретый рассол из титановых напорных баков вместимостью 16 м 3 каждый, самотеком подается в серийные и групповые рассольные коллектора, а из последних по шлангам через стеклянные питатели, установленные в крышках, в анодное пространство электролизеров. Рассол подается в электролизер из расчета 1,1*10 -3 -1,3*10 -3 м 3 /ч на каждый кА нагрузки, что обеспечивает при оптимальной температуре электролита 90-95 0 С получение электрощелочи с регламентной концентрацией.

Расход рассола по групповым коллекторам контролируется по мерным стеклам, установленным в конце каждого группового коллектора, чем достигается оптимальный расход рассола по электролизерам. Внутри стеклянного питателя находится титановый поплавок со стержнем, которым регулируется уровень в электролизере. При переполнении электролизера рассолом, поплавок всплывает и закрывает вход поступающему рассолу в электролизер. При необходимости уровень в электролизере регулируется вручную зажимом.

Электролиз раствора хлорида натрия ведется в электролизерах БГК-50/60М с осажденной диафрагмой.

Группы электролизеров разделены на три серии — по 3 группы в каждой. На групповых эстакадах между двумя рядами ванн располагается хлорный, водородный и рассольный коллектора, к которым подсоединены хлорные, водородные отводы и рассольные шланги от каждого электролизера. Вакуумметрическое давление в хлорном коллекторе поддерживается автоматически, контролируется на щите КИПиА в пределах минус 1000-минус 500 Па (минус 100-минус 50 кгс/м 2 ). Вакуумметрическое давление в водородном коллекторе поддерживается автоматически, контролируется на щите КИПиА в пределах минус 0,4 — минус 0,1 кПа (минус 40-минус 10 кгс/м 2 ). Вакуумметрическое давление в анодном пространстве электролизера должно быть минус 100-минус 50 Па (минус 10-минус 5 мм. вод. ст.). Вакуумметрическое давление в катодном пространстве электролизера должно быть минус 150-минус 100 Па (минус 15-минус 10 мм. вод. ст.).

Под действием постоянного тока в электролизере происходит разложение раствора хлорида натрия, и получаются продукты: газообразный хлор на аноде, газообразный водород на катоде и электролитическая щелочь. Получаемая электролитическая щелочь должна содержать: гидроксид натрия (NaOH) 105-140 г./дм 3 , гипохлорит натрия (NaCIO) не более 0,0005 г./дм 3 , хлорат натрия (NaCIO₃) не более 0,35 г./дм 3 , хлорид натрия (NaCI) 170-210 г./дм 3 . Состав анодного газа — хлоргаза, выходящего из электролизера, должен находиться в пределах [% (об.)]: хлор (CI₂) — 96,5-98,0; кислорода (O₂) не более 2,5; водород (H₂) не более 0,4; диоксид углерода (CO₂) не более 0,8. Диоксид углерода попадает в хлоргаз из анолита, так как сода, поступающая в него с рассолом, полностью разлагается. В хлоргазе содержится также 0,1-0,5% азота, попадающего с подсасываемым воздухом, так как электролизер работает с разряжением в анодном пространстве. Водород, выводимый из электролизера, должен содержать не менее 99,9% (об.) водорода, остальное — воздух. Хлор в водороде должен отсутствовать.

Хлор, выделившийся в анодном пространстве электролизера, отводится в групповой коллектор. Хлор из групповых коллекторов поступает в серийные коллектора, а затем в общий титановый коллектор диаметром 1000 мм, по которому подается на осушку и компримирование. При нарушении технологического процесса, в случае понижения вакуумметрического давления (разряжения) в системе отсоса хлора, срабатывает предохранительный гидрозатвор и влажный хлоргаз через гидрозатвор поступает на санитарную колонну, орошаемую раствором щелочи, а в случае повышения вакуумметрического давления (разряжения) через хлорный гидрозатвор происходит подсос воздуха из атмосферы для исключения попадания водорода из катодного пространства электролизера в хлор.

Водород из катодного пространства электролизеров по гибким, не проводящим электрический ток, шлангам отводится в групповой коллектор. Вакуумметрическое давление после группового коллектора водорода должно быть минус 300-минус 100 Па (минус 30-минус 10 мм вод. ст.). В групповые коллектора водорода предусмотрена подача азота по шлангам для их продувки перед пуском зала электролиза после остановки. Водород из групповых коллекторов поступает в общий коллектор, по которому идет в отделение охлаждения и перекачки водорода. Предусмотрен сброс водорода из общего коллектора через эжектор и огнепреградитель в атмосферу. На эжектор предусмотрена подача пара давлением 0,6-0,9 МПа (6,0-9,0 кгс/см 2 ).

Электрощелока из катодного пространства сливаются через капельницы в групповые коллектора, затем по серийным и общему коллекторам поступают в сборник электрощелоков вместимостью 125 м 3 . Уровень в сборнике электрощелоков поддерживается автоматически на щите КИПиА. Максимальный и минимальный уровни оповещаются световой и звуковой сигнализацией. Из сборника электрощелока откачиваются насосами по стальным коллекторам в емкость, на внутреннее потребление и на санитарную колонye. Электролитическая щелочь в трубопроводе на выходе из отделения должна содержать гидроксида натрия с массовой концентрацией 105-140 г./дм 3 . Массовая концентрация гидроксида натрия в электролитической щелочи зависит от фильтрующей способности диафрагмы.

В аварийных случаях работы цеха (при аварийной остановке хлорных компрессоров, поступлении некачественного рассола на электролизер, изменении токовой нагрузки и при пуске цеха после остановки в течение 102-х часов) допускается выход электрощелочи с массовой концентрацией гидроксида натрия (NaOH) 40-160 г./дм 3 , массовой концентрацией хлорноватокислого натрия (NaCIO₃) 0,35-0,60 г./дм 3 , массовой концентрацией хлорноватистокислого натрия (NaCIO) 0,5-200,0 мг/дм 3 .

Улавливание хлора и абгазов происходит путем поглощения электролитической щелочью с массовой концентрацией гидроксида натрия 105-140 г./дм 3 .

Щелочь подается насосом из бака для гипохлорит вместимостью 10 м 3 , через распределитель на насадку из колец «Рашига» санитарной колонны. Стекая по насадке вниз, щелочь поглощает поднимающийся хлор и абгазы, и поступает из куба санитарной колонны в бак для гипохлорита. Бак для гипохлорита соединен с кубом санитарной колонны (поз. 7) воздушной линией. Уровень в баках для гипохлорита контролируется на щите КИПиА. Максимальный уровень оповещается световой и звуковой сигнализацией. Циркуляция электролитической щелочи по схеме: бак для гипохлорита, насос, санитарная колонна, бак для гипохлорита — продолжается до снижения массовой концентрации гидроксида натрия не менее 5,0 г/дм 3 . После снижения массовой концентрации гидроксида натрия схема циркуляции переключается на другой бак для гипохлорита. В бак загружают тиосульфат натрия, через барботер подается по гибкому шлангу азот для перемешивания. При отсутствии активного хлора, обезвреженный раствор сбрасывается в кислотно-щелочную канализацию. Освобожденный бак для гипохлорита пропаривается от соли паром при необходимости. Затем из сборника электрощелоков в него принимается свежая электролитическая щелочь с массовой концентрацией гидроксида натрия 105-140 г./дм 3 , а очищенные абгазы в санитарной колонне выбрасываются вентилятором в атмосферу. На линии сброса абгазов установлен фотоклометрический газоанализатор, сигнализирующий на щите КИПиА при увеличении массовой концентрации хлора (CI₂) в выбросах более 1,0 мг/м 3 .

Для получения товарного жидкого едкого натра щелок подвергают выпарке. При концентрировании раствора щелочи, благодаря уменьшению растворимости хлорида натрия (NaCI), последняя выпадает в твердом виде. Выпавшая в осадок твердая соль отделяется на фильтрах и возвращается на приготовление рассола. Выпарка щелока ведется в 3- или 4-корпусных аппаратах до концентрации 46-49% (700-750 г./л) гидроксида натрия (NaOH). Выходя из каждого аппарата, упаренный щелок освобождается от выпавших кристаллов хлорида натрия (NaCI) в отстойниках, на центрифугах или на вакуум-фильтрах. Получение твердой щелочи осуществляют дальнейшей выпаркой воды в плавильных котлах. После этого охлажденный каустик центробежным насосом разливают в железные барабаны.

Охлаждение и компримирование водорода.

Водород из отделения электролиза по общему коллектору поступает на охлаждение в три параллельно работающие башни с насадкой из керамических колец «Рашига». В случае повышения вакуумметрического давления (разряжения) в общем коллекторе перед башнями водород сбрасывается в атмосферу через гидрозатвор и огнепреградитель. Создавшееся давление водорода в коллекторе передавливает рассчитанный столб жидкости в гидрозатворе в канализацию и водород сбрасывается на «свечу» в атмосферу. К линии сброса водорода перед огнепреградителем подведен азот. Повышение вакуумметрического давления (разряжения) может возникнуть в результате забивки насадок башен солями жесткости, «захлебывания» башен оборотной водой или плохой работы компрессоров.

Водород после охлаждения в башнях с температурой 10-30 0 С поступает на всасывающий компрессор типа НЭШ-ХЦ-8, служащий для транспортировки водорода потребителю. Потребителям водород поставляется либо по трубопроводам, либо в компримированном виде, в баллонах.

Охлаждение и осушка хлоргаза.

Влажный хлоргаз из зала электролиза поступает на охлаждение и осушку. Хлоргаз последовательно проходит кожухотрубные холодильники, отбойную башню, три абсорбционные башни, отбойную башню, после проходит три фильтра и поступает в общий коллектор всаса компрессоров.

Сконденсировавшаяся хлорная вода из отделения электролиза, из общего коллектора, из холодильников, из отбойных башен собирается в бак хлорной воды, откуда по переливной линии направляется в куб отпарной колонны.

Хлоргаз после охлаждения и абсорбции поступает в коллектор всасывающих трехступенчатых компрессоров марки WRZ-3. Сжатый хлор после первой, второй и третьей ступеней каждого компрессора направляется на охлаждение в холодильники хлоргаза.

Массовая доля воды в осушенном хлоре должна быть не более 0,01%. Объемная доля водорода в хлоре не должна превышать 0,4%. Жидкий хлор транспортируют в железнодорожных цистернах и железных баллонах.

Электролитическая щелочь в трубопроводе на выходе из отделения должна содержать гидроксида натрия с массовой концентрацией 105-140 г./дм 3 . Массовая концентрация гидроксида натрия в электролитической щелочи зависит от фильтрующей способности диафрагмы.

Электролизером называется аппарат, в котором осуществляется процесс электролиза. В электролизере протекают пространственно разделенные электродные реакции: электровосстановление на катоде и электроокисление на аноде.

Существует несколько конструкций электролизеров с твердым катодом:

1. Ванна с непроточным электролитом

Одной из первых конструкций ванн с твердым катодом, получивших в свое время значительное промышленное применение, была хлорная ванна «Грисгеймэлектрон».Ванна с проточным электролитом и горизонтальной диафрагмой. Наиболее распространенной конструкцией этого типа является ванна Сименс — Биллитера. Впоследствии горизонтальная ванна была усовершенствована. Плоская катодная сетка заменена зигзагообразной. Аноды, в связи с этим применяются не плоские, а трехгранного сечения, с острым ребром, обращенным вниз. Кроме того, ванны снабжаются приспособлениями, позволяющие опускать аноды по мере их износа, сохраняя таким путем постоянное межэлектродное расстояние;

2. Ванны с проточным электролитом и вертикальной диафрагмой

В свое время наибольшее распространение получили ванны с вертикальной диафрагмой: Гиббса; Ворса, Х-2, Х-3, К-3; БГК-12; БГК-13; БГК-17; БГК-50/60М и другие.

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% MgCl_2; 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 Mg 2+ ; 0,5% Са 2+ ; 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 — 1 мг/м 3 .

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 — 0,5 мг/м 3 .

Для выполнения курсового проекта выбираю монополярный электролизер с фильтрующей асбестовой диафрагмой, анодами ОРТА типа БГК 50/60.

Электролизер БГК 50/60 предназначен для получения хлора, каустической соды и водорода электролизом водных растворов хлорида натрия диафрагменным методом.

Источник