Производство хлора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

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 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 - 1 мг/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 - 0,5 мг/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 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.

Н₂О - 2е >? О₂ + 2Н⁺ (д)

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

4ОН? - 4e > 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 - 6e > 2СlО? + 4Сl? + 1? О₂ + 6Н⁺ (и)

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

2НСlО + СlО? > СlО₃? + 2e + 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 + 2e > Сl + 2ОН? (л)

СlО₃? + 3Н₂О + 6e > 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.

электролиз хлор натрий водный

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.

После очистки рассол направляется в зал электролиза. С целью уменьшения расхода постоянного тока при электролизе производится подогрев рассола до 75-90 ⁰С паром под давлением 0,6-0,9 МПа (6,0-9,0 кгс/см²) в двухходовых титановых теплообменниках с площадью нагрева 249 м², 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 м³ 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 м³/ч на каждый кА нагрузки, что обеспечивает при оптимальной температуре электролита 90-95 ⁰С 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/м²). 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/м²). 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./дм³, гипохлорит натрия (NaCIO) не более 0,0005 г./дм³, хлорат натрия (NaCIO₃) не более 0,35 г./дм³, хлорид натрия (NaCI) 170-210 г./дм³. 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/см²).

Электрощелока из катодного пространства сливаются через капельницы в групповые коллектора, затем по серийным и общему коллекторам поступают в сборник электрощелоков вместимостью 125 м³. 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./дм³. 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./дм³, массовой концентрацией хлорноватокислого натрия (NaCIO₃) 0,35-0,60 г./дм³, массовой концентрацией хлорноватистокислого натрия (NaCIO) 0,5-200,0 мг/дм³.

Улавливание хлора и абгазов происходит путем поглощения электролитической щелочью с массовой концентрацией гидроксида натрия 105-140 г./дм³.

Щелочь подается насосом из бака для гипохлорит вместимостью 10 м³, 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/дм³. 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./дм³, 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/м³.

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 ⁰С 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.

Компримирование хлоргаза.

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./дм³. Массовая концентрация гидроксида натрия в электролитической щелочи зависит от фильтрующей способности диафрагмы.

3. Выбор электролизера

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 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 - 1 мг/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 - 0,5 мг/м³.

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.

Технические данные электролизера БГК 50/60

Электролизер БГК 50/60 прямоугольного сечения с нижним токопроводом, состоит из следующих основных комплектов: анодного комплекта, катодного комплекта, крышки, комплекта шин межванной ошиновки и устройства для слива щелочи.

Анодный комплект электролизера состоит из токоведущего, защищенного титановым листом днища и анодов (ОРТА - оксидно-рутениевый анод на титановой основе). Аноды скреплены с токопроводами посредством болтового соединения. Отдельный анод представляет собой титановый лист с просечкой, покрытый окислами титана и рутения в определенном соотношении. Анод имеет высоту - 1000 мм, ширину - 250 мм и толщину - 22 мм. Анод состоит из рабочей части и токоподвода. Рабочая часть анода выполнена из перфорированных листов, соединенных для жесткости поперечными планками. Токоподвод к рабочей части анода выполнен из двух титановых пластин. Для снижения потерь напряжения в аноде токоподводящие пластины проходят внутри анода, их приваривают к поперечным планкам. В анодный комплект электролизера БГК 50/25 входит 76 анодов, а у электролизера БГК 50/60М - 94 анода. ОРТА служат 4-6 лет, за это время они практически не меняют габаритов и обеспечивают постоянное напряжение электролиза и температурный режим.

Катодным комплектом электролизера является кожух, изготовленный из листовой стали толщиной 20 мм. Корпус-катод состоит из корпуса в виде стального короба прямоугольного сечения без дна и крышки. К стенкам катода с внутренней стороны приварены каркасы в виде плоских катодных карманов, образующих гребенки, на которые натянута стальная сетка диаметром 1,2-2,5 мм, образующая катодную поверхность. В корпусе катода образуются зона, боковая поверхность которой ограничена, катодной сеткой, и зона, ограниченная сеткой и стенками корпуса катода. Первая зона служит для размещения анодов и анолита при работе электролизера. В другой зоне образуются при электролизе электрощелочь и водород, которые из нее выводятся. Эти зоны разделяют диафрагмой. Диафрагму наносят с наружной стороны катодной сетки. Чаще всего используют осажденную асбестовую диафрагму. Сначала готовят пульпу из асбестовых волокон. Она должна содержать 6-8 кг/м³ асбестового волокна, 200-240 кг/м³ хлорида натрия (NaCl) и 50-60 кг/м³ гидроксида натрия (NaOH). Пульпу фильтруют через катодную сетку электролизера в течение 13-15 минут при переменном давлении. После осаждения диафрагму сушат при 100-120 ⁰С, прокачивая через нее воздух. Диафрагма покрывает без швов всю поверхность катода, ее толщина 2,5-3 мм. В работе диафрагмы отмечается два периода: формирование и старение. При формировании (с момента включения тока в результате физико-химических изменений асбеста происходит набухание диафрагмы) толщина диафрагмы увеличивается до 6-7 мм. Период длится до 7 дней в зависимости от плотности тока. В начале этого периода протекаемость диафрагмы велика и каустик имеет низкую концентрацию. Период старения или нормальной работы диафрагмы продолжается 3-4 месяца. Протекаемость диафрагмы постепенно падает, одновременно растет и концентрация щелочи в католите. Для увеличения срока службы диафрагмы в состав асбеста рекомендовано вводить некоторые синтетические материалы в качестве покрытия или связи.

Ток к днищу электролизера подводят с помощью анодной шины, а к катоду с помощью закрепленной на корпусе шины. Корпус и днище стягивают между собой через резиновую подкладку с помощью стяжных болтов. Крышка (из гуммированной стали, титана или стеклопластика) крепится к фланцу корпуса через резиновую прокладку стяжными болтами и имеет разрывную мембрану. На корпусе крепится сливное приспособление, регулирующее уровень католита в электролизере, для уменьшения потерь электроэнергии за счёт утечек тока имеется капельница, которая служит для разрыва струи электрощелочи из электролизера, и вакуумметр, показывающий давление водорода в электролизере. На крышке имеются штуцера для отвода анодного газа, для ввода в электролизер рассола, для закрепления поплавкового показателя уровня анолита, для термометра и вакуумметра. Хлор из электролизера отводят в рядовой коллектор хлора, водород через выводной штуцер в корпусе и патрубок - в рядовой коллектор водорода. Электрощелока через сливное устройство выводят в рядовой коллектор электрощелоков, затем в сборник электрощелоков. Далее электрощелока откачиваются центробежными насосами в отделение выпарки электрощелоков в емкости для щелочи, на внутреннее потребление и на санитарную колонну. Рассол в электролизер подают из рядового коллектора рассола через ротаметр.

Материалы, применяемые для изготовления электролизера: ВСт.3сп2 ГОСТ 380, сплав ВТ1-0

ГОСТ 19807, медь М1 ГОСТ 859, алюминий АДО ГОСТ 4784, АД317 ГОСТ 15176.

Список литературы

1. Флеров В.Н. - Сборник задач по прикладной электрохимии;

2. Круглый С.М. - Производство хлора, каустической соды и водорода;

3. Зарецкий С.А., Сучков В.Н., Шляпников В.А. - Технология электрохимических производств;

4. Антропов Л.Н. - Теоретическая электрохимия;

5. Михайлов Б.Н. - Оборудование электрохимических производств и основы проектирования.

Размещено на Allbest.ru