年產(chǎn)20萬噸燒堿電解工段的初步工藝設計

1、湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）目 錄前 言- 1 -第一章 綜 述- 2 -1.1 燒堿的性質(zhì)- 2 -1.2 其他副產(chǎn)物的性質(zhì)- 3 -1.3 氯堿工業(yè)的發(fā)展狀況- 3 -1.3.1 我國氯堿工業(yè)的發(fā)展狀況- 3 -1.3.2 世界氯堿工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀- 5 -1.4 氯堿工業(yè)的生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀- 5 -第二章 隔膜法電解制燒堿- 7 -2.1 隔膜法制燒堿的基本原理- 7 -2.1.1 基本原理- 7 -2.1.2 電壓效率及槽電壓- 8 -2.2 電極和隔膜材料的選擇- 9 -2.2.1 陽極材料- 9 -2.2.2 陰極材料- 10 -2.2.3 隔膜材料- 10 -2.3 隔膜電解槽的

2、選擇- 10 -2.4 隔膜法電解工藝流程及操作條件- 11 -2.4.1 工藝流程- 11 -2.4.2 操作條件及主要技術(shù)經(jīng)濟指標- 13 -2.4.3 電解操作指標與生產(chǎn)控制點分析- 14 -第三章 工藝計算- 16 -3.1 物料衡算- 16 -3.1.1 對電解槽做物料衡算- 16 -3.1.2 對氫鹽換熱器進行物料衡算- 17 -3.2 能量衡算- 18 -3.2.1 對氫鹽換熱器進行熱量衡算- 18 -3.2.2 對電解槽進行熱量衡算- 20 -第四章 主要設備的工藝計算與選型- 22 -4.1 電解槽數(shù)量的估算- 22 -4.2 氫鹽換熱器的選型- 22 -4.3 鹽水預熱器的

3、選型- 23 -4.4 其他設備的選型- 24 -第五章 主要工藝管道的計算與選擇- 26 -5.1 主要工藝管道的計算與選擇- 26 -5.1.1 水蒸氣管道的選型- 26 -5.1.2 電解槽氫氣出口總管道的選型- 26 -5.1.3 電解槽氯氣出口總管道的選型- 26 -5.1.4 氫鹽換熱器排水管道的選型- 26 -5.1.5 鹽水預熱器排水管道的選型- 27 -5.1.6 精鹽水管道的選型- 27 -5.1.7 電解堿液出口總管道的選型- 27 -5.2 主要管道選擇結(jié)果匯總- 27 -第六章 經(jīng)濟核算- 28 -6.1 經(jīng)濟核算- 28 -6.1.1 生產(chǎn)消耗核算- 28 -6.1

4、.2 生產(chǎn)成果核算- 28 -6.1.2核算結(jié)果分析- 29 -第七章 廠址選擇和車間布置- 30 -7.1 化工廠選址的重要性- 30 -7.1.1化工廠廠址選擇的影響因素- 30 -7.1.2廠址的選擇- 31 -7.2 車間設備布置- 31 -7.2.1化工廠總平面布置的原則- 31 -7.2.2車間布置的具體要求- 32 -第八章 氯堿生產(chǎn)中的防腐及三廢處理- 34 -8.1 氯氣的腐蝕原因和防護措施- 34 -8.2 鹽酸的腐蝕成因與防護措施- 34 -8.3 燒堿產(chǎn)生的腐蝕及防護措施- 35 -8.4 氯堿生產(chǎn)中三廢的處理- 36 -8.4.1 “廢渣”治理與綜合利用- 36 -8

5、.4.2 “廢氣”治理及綜合利用- 36 -8.4.3 “廢水”的治理- 37 -第九章 設計小結(jié)- 38 -參 考 文 獻- 39 -致 謝- 40 -1-湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）前 言氯堿，即氯堿工業(yè)，也指使用飽和NaCl溶液制氯氣氫氣燒堿的方法。工業(yè)上用電解飽和NaCl溶液的方法來制取NaOH、Cl2和H2，并以它們?yōu)樵仙a(chǎn)一系列化工產(chǎn)品，稱為氯堿工業(yè)，即工業(yè)上電解法生產(chǎn)燒堿也稱氯堿工業(yè)。氯堿工業(yè)是最基本的化學工業(yè)之一，它的產(chǎn)品除應用于化學工業(yè)本身外，還廣泛應用于輕工業(yè)、紡織工業(yè)、冶金工業(yè)、石油化學工業(yè)以及公用事業(yè)。電解法生產(chǎn)燒堿，根據(jù)電解槽結(jié)構(gòu)、電極材料和隔膜材料的不同可分

6、為水銀法、隔膜法和離子交換膜法。電解法生產(chǎn)燒堿除原料易得、生產(chǎn)流程較短外，主要有以下三個特點：第一、能耗高，電解法生產(chǎn)燒堿的主要能耗是電能，其耗電量僅次于電解法生產(chǎn)鋁；第二、氯與堿的平衡，電解法制燒堿所得到的燒堿與氯氣的產(chǎn)品的質(zhì)量比恒定為1:0.88，但一個國家或地區(qū)對燒堿和氯氣的需求量，是隨著化工產(chǎn)品生產(chǎn)的變化而變化的；第三、腐蝕和污染嚴重。目前國內(nèi)主要采用隔膜電解法制燒堿，而電解工段是電解食鹽水生產(chǎn)氯氣、氫氣、燒堿的主要工段，因此電解工段的工藝設計至關(guān)重要。第一章 綜 述燒堿（NaOH）即氫氧化鈉，俗稱火堿、苛性鈉。是一種常見的重要強堿，在國民經(jīng)濟中占有重要地位，廣泛用于紡織工業(yè)、輕工業(yè)、

7、冶金和有色冶金工業(yè)、化學工業(yè)和石油化學工業(yè)等部門。工業(yè)上常見的燒堿生產(chǎn)方法有苛化法和電解法兩種?？粱ㄊ怯眉儔A（Na2CO3）和石灰乳（Ca(OH)2）通過苛化反應生成燒堿而得名，也叫石灰苛化法。電解法是采用電解食鹽（NaCl）水的方法生產(chǎn)燒堿，在制得燒堿的同時還生產(chǎn)氯氣(Cl2)和氫氣(H2)，所以工業(yè)上電解法生產(chǎn)燒堿也稱氯堿工業(yè)。1.1 燒堿的性質(zhì)（1）物理性質(zhì) 純的無水氫氧化鈉為白色半透明，結(jié)晶狀固體。氫氧化鈉極易溶于水，溶解度隨溫度的升高而增大，溶解時能放出大量的熱。其溶液呈強堿性，腐蝕性極強。純氫氧化鈉的物理性質(zhì)如下：分子式 NaOH分子量 39.998熔點 318 .4沸點 139

8、9折射率 1.3576熔融熱 164.7J/g溶解度 109比熱容 1.477J/（g）（2）化學性質(zhì) 氫氧化鈉是強堿，具有堿的一切通性，另外還具有其他堿沒有的特性。a.放在空氣中易潮解，并吸收空氣中的CO2而變質(zhì)。故應放置在干燥的環(huán)境中，也可用于干燥氣體。b.在水溶液中能電離出大量的OH-離子。 NaOH = Na + OH-c.能和酸和一些酸性氧化物反應 NaOH + HCl = NaCl + H2O2NaOH + SO2(不足)= Na2SO3 + H2Od.能和一些金屬鹽反應。 2NaOH + CuSO4= Cu(OH)2+ Na2SO4f.氫氧化鈉溶液和鋁反應 2Al + 2NaOH

9、 + 2H2O = 2Na(Al（OH)4）+3H2在NaOH不足量時發(fā)生的反應為2Al+6H2O + NaOH= 2Al(OH)3+ 3H21.2 其他副產(chǎn)物的性質(zhì)（1）氫氣 氫氣是一種無色、無味、無嗅易燃的氣體。在各種液體中溶解甚微，難于液化，液態(tài)時為無色透明液體，有超導性質(zhì)。主要化學性質(zhì)為高燃燒性和還原性。常用作還原劑。（2）氯氣 氯在常溫常壓下為黃綠色氣體，有強烈的刺激性氣味，吸入少量就能使人中毒。經(jīng)壓縮可液化為金黃色液態(tài)氯。常用作為強氧化劑與氯化劑。氯混合 5%（體積）以上氫氣時有爆炸危險。氯能與有機物和無機物進行取代或加成反應生成多種氯化物。氯在早期作為造紙、紡織工業(yè)的漂白劑。氯氣

10、易液化，可溶于水，易溶于有機溶液。1.3 氯堿工業(yè)的發(fā)展狀況1.3.1 我國氯堿工業(yè)的發(fā)展狀況.生產(chǎn)能力 氯堿工業(yè)，在我國國民經(jīng)濟中占有重要的地位。我國各氯堿企業(yè)為了提高自身的競爭力，紛紛擴大燒堿裝置規(guī)模，從2021年開始，掀起了一輪燒堿擴建高潮，到2021 年其生產(chǎn)能力已從2021年的6 860 kt/a增至8 000 kt/a，目前我國燒堿的總生產(chǎn)能力已經(jīng)達到8 620 kt/a，居世界第2位。如此快速的增長，使國內(nèi)燒堿市場趨于飽和狀態(tài)，而且這種擴建熱潮目前還在繼續(xù)，齊魯石化公司氯堿廠正在擴建的200 kt/a的離子膜裝置，上海氯堿化工股份計劃再建400 kt/a的裝置，其他的一些廠家的計

11、劃項目估計還有700 kt/a, 如果這些計劃項目得以實施，我國的燒堿生產(chǎn)能力將達到近10 000 kt/a。目前我國的燒堿企業(yè)有200多家，裝置規(guī)模普遍較小，生產(chǎn)能力超過100 kt/a的生產(chǎn)企業(yè)只有24家。.產(chǎn)量 隨著生產(chǎn)能力的不斷增加，近年來燒堿的產(chǎn)量也不斷增加，2021 年全國燒堿產(chǎn)量達8089 kt，為歷史最高紀錄，與2021 年的7 135.2 kt相比，增長幅度為13.4%。目前燒堿的生產(chǎn)方法幾乎全部采用電解食鹽水的方法，這樣，每生產(chǎn)1 t燒堿則聯(lián)產(chǎn)0.88 t氯氣。2021 年在生產(chǎn)燒堿的同時，產(chǎn)出氯氣6 280 kt；2021 年則同時產(chǎn)出氯氣7 120 kt。隨著離子膜法新

12、裝置的建成，造成嚴重環(huán)境污染的水銀法已停止生產(chǎn)，苛化法的產(chǎn)量也相當少，我國目前燒堿的主要生產(chǎn)方法是隔膜法和離子膜法。.我國氯堿工業(yè)存在的問題（1）規(guī)模、技術(shù)問題 目前我國燒堿每套裝置的平均規(guī)模在40 kt/a左右。只有24家企業(yè)達到了100 kt/a規(guī)模，布局分散，規(guī)模小，與國外大型燒堿企業(yè)差距大，國外氯堿企業(yè)的集中度相對較高，日本、歐盟的前5家企業(yè)分別集中了它們燒堿生產(chǎn)能力的50%，美國的5家大公司集中了美國燒堿生產(chǎn)能力的80%，而我國前5家企業(yè)的生產(chǎn)能力不到全國總生產(chǎn)能力的16%，裝置規(guī)模小，效益自然差距很大。近幾年，我國的氯堿生產(chǎn)工藝雖然有了較大變化，采用先進生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)裝置逐年增加，

13、但是，總的來說，生產(chǎn)工藝與國外相比相對落后，再加上其他的一些因素，生產(chǎn)成本普遍偏高。目前我國的燒堿生產(chǎn)中，電解法產(chǎn)量已占總產(chǎn)量的99.3%，苛化法僅占0.7%。在電解法燒堿中，隔膜法燒堿產(chǎn)量占74.0%，離子膜法燒堿所占比例占到25.9%，水銀法燒堿下降僅為0.1%。（2）氯與堿平衡問題 氯與堿的平衡是氯堿工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，在20世紀80 年代，是以堿定氯，通常把氯氣作為生產(chǎn)燒堿的副產(chǎn)品；而到了20 世紀90年代，由于氯產(chǎn)品的應用越來越廣泛，氯堿工業(yè)逐步發(fā)展為以氯定堿，燒堿逐漸被一些業(yè)內(nèi)人士稱為副產(chǎn)品了。近十幾年來由于我國氯堿工業(yè)的盲目擴建，使燒堿產(chǎn)能增長過快，而下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后，氯與堿的需

14、求不平衡問題越來越突顯。而且國內(nèi)市場上氯產(chǎn)品需求旺盛，而燒堿市場疲軟，目前我國成為世界上唯一有燒堿過剩需要出口，卻需要大量進口氯產(chǎn)品的國家，估計今后這種氯與堿的供求不平衡還將會繼續(xù)進一步擴大。顯然，氯產(chǎn)品的發(fā)展是今后氯堿工業(yè)所必須關(guān)注的一個重要問題，氯產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)成為企業(yè)今后主要的效益增長點，也是氯堿生產(chǎn)中決定企業(yè)經(jīng)濟效益和技術(shù)水平的最關(guān)鍵的因素之一，氯產(chǎn)品的生產(chǎn)與發(fā)展對氯堿行業(yè)的氯堿平衡起著決定性的作用。我國的氯堿工業(yè)目前已開始由建國初期的以堿為主的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向以氯為主的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的新的發(fā)展時期。目前國內(nèi)氯產(chǎn)品市場呈現(xiàn)出需求旺盛而國內(nèi)生產(chǎn)供應不足的現(xiàn)象，為數(shù)不少的氯產(chǎn)品全部或大量從國外進口

15、。因此，如何合理開發(fā)生產(chǎn)氯產(chǎn)品，搞好氯堿平衡是當前需深入研究和認真探討的重要課題（3）氯產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)問題 目前我國的氯產(chǎn)品主要有無機氯產(chǎn)品和有機氯產(chǎn)品。我國氯產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)最近幾年有了很大發(fā)展，但是，與國外發(fā)達國家相比，我們的差距還相當大。從耗氯結(jié)構(gòu)來看，我國的無機氯產(chǎn)品的耗氯量始終占據(jù)全部氯產(chǎn)品耗氯量的主導地位，雖然從1983年我國停止生產(chǎn)耗氯量占12%左右的“六六六”原粉商品后，聚氯乙烯樹脂的耗氯量有所增加，尤其20世紀90年代中期，我國開始大力推廣使用塑料建材，限制使用木材，使建筑行業(yè)以塑代木、以塑代鋼得到迅速發(fā)展，從而推動了聚氯乙烯行業(yè)的發(fā)展。盡管如此，我國的無機氯產(chǎn)品的耗氯量依然占據(jù)我

16、國氯產(chǎn)品耗氯總量的54%（包括鹽酸和其他無機氯化物），其余46%用于生產(chǎn)有機氯化物（包括聚氯乙烯、氯乙酸和氯丁橡膠等）。生產(chǎn)聚氯乙烯耗氯量約占氯總消耗量的22%。在耗氯結(jié)構(gòu)這一點上，國外一些發(fā)達國家與我國完全不同。美國1995年有機化學品的耗氯量占其整個氯產(chǎn)品耗氯量的76.6%，而無機氯產(chǎn)品僅占12.8%；西歐1995年有機氯產(chǎn)品的耗氯量占其整個氯產(chǎn)品耗氯量的84.1%，無機氯產(chǎn)品耗氯量占氯產(chǎn)品耗氯總量的9.6%；日本1995年有機氯產(chǎn)品耗氯量占整個氯產(chǎn)品耗氯量的55%，無機氯產(chǎn)品耗氯量占整個氯產(chǎn)品耗氯量的9.6%。和國外發(fā)達國家相比，我國的有機氯產(chǎn)品所占比例小，但這并不說明我國有機氯產(chǎn)品需求

17、少，事實上，我國這幾年進口的有機氯產(chǎn)品占國內(nèi)總用氯量的20%以上。造成我國有機氯產(chǎn)品大量進口的主要原因在于國內(nèi)原料路線及生產(chǎn)工藝落后，生產(chǎn)規(guī)模小，產(chǎn)品成本高和質(zhì)量差，競爭不過進口產(chǎn)品。1.3.2 世界氯堿工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀（1）世界氯堿工業(yè)生產(chǎn)能力及其分布 世界氯堿工業(yè)中燒堿、氯氣的生產(chǎn)能力1993年至1996年穩(wěn)定在年產(chǎn)4800萬噸左右。其中燒堿年產(chǎn)量約4000萬噸，美國和歐洲約2500萬噸/年，日本400萬噸/年。2021年世界燒堿生產(chǎn)能力有所增長，約為5075萬噸，產(chǎn)量約為4340萬噸，2021 年預測生產(chǎn)能力約為5189萬噸，產(chǎn)量約為4548萬噸，一些老裝置將被關(guān)閉。美、日、歐三個地區(qū)大體

18、上占世界總產(chǎn)量的73%，預計到2021 年美國和歐洲的燒堿產(chǎn)量為2170萬噸，由原來占63%的比例降為48%。日、美、西歐作為全球氯堿工業(yè)的基礎，形成三足鼎立之勢，引導世界氯堿行業(yè)發(fā)展的潮流，主宰著氯堿產(chǎn)業(yè)的價格動向，平衡動向，是氯堿生產(chǎn)的原動力，這種狀況將持續(xù)到2021 年。（2）西方發(fā)達國家氯堿工業(yè)的發(fā)展趨勢：第一，以技術(shù)改造為手段，向節(jié)能降耗發(fā)展。世界先進國家大多數(shù)彩用離子膜法生產(chǎn)燒堿，日本離子膜法工藝占88%，而我國僅占15%不到。第二，以聯(lián)合兼并等方式，向大型規(guī)模發(fā)展。美國麥道化學、OXY Chemical、PPG三公司燒堿產(chǎn)量所占全國比例高達65%；前四大氯堿工業(yè)企業(yè)的產(chǎn)量占全國總

19、產(chǎn)量的80%。而我國燒堿企業(yè)有220多家，廠多規(guī)模小，布局分散，經(jīng)營條件差，前四大氯堿工業(yè)企業(yè)的產(chǎn)量僅占全國總產(chǎn)量的15%，因此，影響了我國氯堿工業(yè)企業(yè)在國際市場上的競爭力。第三，發(fā)展以氯堿為原料的項目，確定精細化工發(fā)展戰(zhàn)略。美、日、歐大型氯堿企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向精細化工升級，其長遠戰(zhàn)略就是發(fā)展精細化工，不斷提高產(chǎn)品精細化率。英國ICI公司、德國拜耳公司、美國麥道化學公司、日本旭化成公司，轉(zhuǎn)向生產(chǎn)化工、生命科學、電子化工材料、信息化學品、功能高分子等高科技精細化工領(lǐng)域，這些公司2021 年產(chǎn)品的精細化率將超過50%。1.4 氯堿工業(yè)的生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀電解法生產(chǎn)燒堿在制得燒堿的同時還生產(chǎn)氯氣和氫氣，所以工

20、業(yè)上電解法生產(chǎn)燒堿也稱氯堿工業(yè)。它是基礎化學工業(yè)之一，它的產(chǎn)品燒堿和氯氣在國民經(jīng)濟中占有重要地位，廣泛用于紡織工業(yè)、輕工業(yè)、冶金和有色冶金工業(yè)、化學工業(yè)和石油化學工業(yè)等部門。電解法生產(chǎn)燒堿除原料易得、生產(chǎn)流程較短外，主要有以下三個特點。（） 能源消耗大，主要是用電量大 氯堿生產(chǎn)的耗電量僅次于電解法生產(chǎn)鋁，電能是氯堿工業(yè)的重要原料之一。在美國，氯堿工業(yè)用電量占總發(fā)電量的2%，中國氯堿工業(yè)生產(chǎn)的耗電量占年總發(fā)電量的1.5%。因此，電力供應狀況和電價對氯堿產(chǎn)品的生產(chǎn)成本影響極大，各國始終的把降低能耗作為電解法的核心問題。通過運用先進設備，提高電解槽的電能效率和堿液蒸發(fā)熱能的利用率，來降低燒堿的電耗和

21、蒸汽消耗。因此，開辟節(jié)約能源新途徑，具有重要意義。（） 氯與堿的平衡 電解食鹽水溶液時，按固定質(zhì)量比例(1:0.85)同時產(chǎn)出燒堿（NaOH）和氯氣兩種聯(lián)產(chǎn)品。在一個國家和地區(qū)，對燒堿和氯氣的需求結(jié)構(gòu)不一定符合燒堿和氯氣的供給結(jié)構(gòu)，因此出現(xiàn)了燒堿和氯氣的供需平衡問題。一般情況下，發(fā)展中國家工業(yè)發(fā)展的初期用氯量較少，由于氯氣又不宜長途運輸，所以總是以氯氣需用量來決定燒堿產(chǎn)量，往往出現(xiàn)燒堿短缺。在石油化工和基本有機原料發(fā)展較快的國家和地區(qū)用氯量較大，因此出現(xiàn)燒堿過剩?？傊?，燒堿與氯氣的平衡問題始終是氯堿工業(yè)發(fā)展中的恒定矛盾。（） 腐蝕和污染 氯堿產(chǎn)品如燒堿、鹽酸等具有強腐蝕性，在生產(chǎn)過程中使用的原

22、材料如石棉、汞、含氯廢氣等都可能對環(huán)境造成污染，因此防止腐蝕和環(huán)境污染也一直是氯堿工業(yè)努力革新的方向。電解法生產(chǎn)燒堿，根據(jù)電解槽結(jié)構(gòu)、電極材料和隔膜材料的不同可分為水銀法、隔膜法和離子交換膜法。20世紀70年代中期水銀法在發(fā)達國家的氯堿工業(yè)中占有相當重要的地位，但因汞有毒性，70年代末該法開始被逐漸淘汰。隔膜法是最早出現(xiàn)的食鹽水電解技術(shù)，已歷經(jīng)多次技術(shù)革新。隔膜法電解槽中采用的石棉隔膜有一定的局限性。離子膜法師20世紀70年代發(fā)展的新技術(shù)，其電極反應與隔膜法的完全相同，但用離子交換膜代替石棉隔膜，離子交換膜反應器組裝靈活，單原料進入和產(chǎn)物排放用的管道很多，此外因受到離子膜尺寸的限制，反應器單元

23、的生產(chǎn)能力較小。本設計參照中鹽株洲化工集團的氯堿生產(chǎn)工藝，選擇隔膜法電解生產(chǎn)燒堿。-46-第二章 隔膜法電解制燒堿2.1 隔膜法制燒堿的基本原理2.1.1 基本原理NaCl水溶液中，主要存在四種離子：Na+、Cl-、H+、OH-。電解槽的陽極通常使用石墨電極或金屬涂層電極；陰極用鐵絲網(wǎng)或沖孔鐵板；中間的隔膜由一種多孔滲透件材料做成，多采用石棉，將電解槽分隔成陰極室和陽極室兩部分，使陽極產(chǎn)物與陰極產(chǎn)物分離隔開，可使電解液通過，并以一定的速度流向陰極。目前，工業(yè)上較多使用的是立式隔膜電解槽，工作原理如圖3.1所示。圖3.1 立式隔膜電解槽示意圖飽和食鹽水由陽極室注入，使陽極室的液面高于陰極室的液面

24、，陽極液以一定流速通過隔膜流入陰極室以阻止OH-的返遷移。得到產(chǎn)品氫氣、氯氣分別從陰極室和陽極室上方的導出管導出，氫氧化鈉則從陰極室下方導出。此過程中發(fā)生的電極反應如下：陰極反應：2H+ + 2e = H2陽極反應：2Cl- - 2e = Cl2電解總反應：2NaCl + 2H2O = H2+ Cl2+ 2NaOH在電解過程中，由于陽極產(chǎn)物的溶解，以及通電時陰陽極產(chǎn)物的遷移擴散等原因，在電解槽內(nèi)還會有一系列的副反應發(fā)生。Cl2 + H2O = HClO + HClClO- + 2H = Cl- + H2O副反應的發(fā)生，不但會降低堿和氯的產(chǎn)量，而且還會降低電流效率。為了減少副反應的發(fā)生，在生產(chǎn)中

25、采取的主要措施如下：(1) 采用精制的飽和食鹽水溶液并控制在較高的溫度下進行電解，以減少氯氣在陽極液中的溶解度。(2) 保持隔膜的多孔型和良好的滲透率，使能陽極液正常均勻地透過隔膜，阻止兩極產(chǎn)物的混合和反應。(3) 保持陽極室的液面高于陰極室的液面，用一定的液位差促進鹽水的定向流動而阻止OH-由陰極室向陽極室的擴散。2.1.2 電壓效率及槽電壓（1）理論分壓 為了增大食鹽水的電導和減少氯在食鹽水中的溶解以抑制副反應,電解時常常采用濃度高的接近于飽和的食鹽水，含氯化鈉約為300-330/m3.按吉布斯-亥姆霍茲公式計算,此條件下的食鹽水的理論分壓為2.17V。計算如下：E= + T對于從食鹽水生

26、成的氯、氫和氫氧化鈉的電解過程來說,式中：Q由氯化鈉和水生成氯、氫和氫氧化鈉的熱反應的，JdE/dT分解電壓的濃度系數(shù),對氯化鈉的水溶液的電解來說,濃度系數(shù)等于-0.0004V/K。氯化鈉的水溶液電解的總過程可以寫為：NaCl + H2O = NaOH + 1/2Cl2 + 1/2H2其熱效應可以根據(jù)蓋斯定理計算，由元素生成的氯化鈉的生成熱為：Na +1/2Cl2 = NaCl +409.0kJ氯化鈉在水中的溶解熱為-1.9KJ/mol由鈉和水生成的氫氧化鈉溶液的熱效應為：Na + H2O = NaOH + 1/2H2 +185.8kJ/mol分解氯化鈉的水溶液所需要的熱量為：Q = 409.

27、0 + (-1.9)185.8=221.75kJ/mol代入公式求得25時的氯化鈉的理論分壓為：E=0.0004298=2.17V（2）槽電壓 電解槽兩極上所加的電壓稱為槽電壓，槽電壓Em包括:理論分壓E、過電位E0、電流通過電解液的電壓降EL和通過電極、導線、接點、等的電壓降ER，即E槽=E+E0+EL+ER理論分壓E對槽電壓EM之比，稱為電壓效率E,即：E=(E/E槽)100%隔膜法的電壓效率一般在60%左右。隔膜電解槽的槽電壓一般為3.2-3.8V，本設計采用的槽電壓為3.34V，則理論分壓2.17V可知：E=100%=64.98%電能效率為電壓效率與電流效率的乘積，即= E I也可以寫

28、成:=而理論上生產(chǎn)1t氫氧化鈉時消耗的電量為：Q0=2.413 GC按理論分壓為2.17V計算，耗用的電能為：W0=2.172.413=5.24GWs (1460KWh)本設計采用95%的電流效率，則耗電量為：Q=2.54 GC而采用槽電壓為3.34V,則消耗的電能為:W=3.342.54=8.48GWs(2400KWh)電能效率為：=100%=61.72%2.2 電極和隔膜材料的選擇2.2.1 陽極材料由于電解槽的陽極是直接地持續(xù)地與化學性質(zhì)十分活潑，且腐蝕性較強的濕氯氣、鹽酸和次氯酸等接觸，因此陽極材料應具有較強的耐化學腐蝕性，同時具有對氯的過電壓低，導電性能良好，機械強度高而且易于加工，

29、來源廣泛和使用壽命長等特點。目前國內(nèi)外氯堿工業(yè)中普遍采用的電極是石墨陽極和金屬陽極。金屬陽極與石墨陽極相比較有如下優(yōu)點：（1）生產(chǎn)能力高 金屬陽極能耐高電流密度，一般情況下可達1517A/dm2，為石墨電解槽電流密度的2倍，國外的MDC型和Hooker型電解槽可達20 A/dm2。這就大大提高了單槽生產(chǎn)能力。（2）產(chǎn)品質(zhì)量好 金屬陽極性能穩(wěn)定，堿液無色透明，濃度高，氯氣中無CO、CO2等雜質(zhì)，純度高。（3）電能損耗小 在金屬陽極上氯的放電電位逼在相同條件下的石墨電極上約低200mV，每生產(chǎn)1t100% NaOH可以節(jié)電140150度（kWh）電。另外，因堿液濃度比石墨陽極電解槽高，還可節(jié)約蒸發(fā)

30、堿液的蒸汽用量。（4）使用壽命長 金屬陽極耐堿和氯的腐蝕并可更換涂層，使用壽命可達10年以上。另外，電解槽和隔膜的壽命長，使檢修和材料費用大大降低。（5）環(huán)境污染小 金屬陽極不使用瀝青和鉛，因此改善了對環(huán)境的污染。因此，采用金屬陽極比較好，目前氯堿工業(yè)上使用最廣泛的是釕鈦金屬陽極。2.2.2 陰極材料陰極材料要具有耐氯化鈉、氫氧化鈉的腐蝕，導電性能良好，且氫在電極上的過電位要低等特點。隔膜電解槽常見的陰極材料有鐵、銅、鎳等。由于鐵的耐氯化鈉、氫氧化鈉等的腐蝕性好且具有導電性能好、氫的過電壓低的優(yōu)點，是一種質(zhì)優(yōu)價廉的陰極材料。使用壽命可長達40年。為了便于吸附隔膜及易于使氫氣和電解液流出，立式隔

31、膜電解槽的陰極一般采用鐵絲編成網(wǎng)狀，也有用沖孔鐵板。2.2.3 隔膜材料隔膜是整個電解槽中最重要的組成部分。它是隔膜電解槽中直接吸附在陰極上的多孔型材料層，用它將陽極室和陰極室隔開。對隔膜材料的要求大致有以下幾點： 應具有較強的化學穩(wěn)定件，既耐酸又耐堿的腐蝕，并應具有相當?shù)臋C械強度，長期使用不宜損壞；必須保持多孔及良好的滲透性，能使陽極液維持一定的流速且均勻地透過隔膜，并防止陽極液與陰極液的機械混合；應具有較小的電阻，以降低電壓損失； 材料易得，制造成本低。石棉是一種硅酸鹽纖維狀礦物質(zhì)，具有耐酸耐堿的特性，能夠比較全面地滿足上述要求，所以自20世紀20年代以來一直使用石棉作為隔膜材料。2.3

32、隔膜電解槽的選擇隔膜電解槽是隔膜電解法生產(chǎn)的主要設備。根據(jù)隔膜的安裝位置，隔膜電解槽分為立式和水平式兩種。早期的隔膜電解槽是水平安裝的，但電流密度小，占地面積大，相對成本高，后來逐漸被立式隔膜電解槽取代。目前國內(nèi)大、中型氯堿廠都普遍使用化工部第八設計院設計的C30-型金屬陽極隔膜電解槽。如圖2.2為C30-III型金屬陽極隔膜電解槽的結(jié)構(gòu)示意圖。各種隔膜電解槽的結(jié)構(gòu)雖然不盡相同，但基本構(gòu)件中都包括槽蓋、陽極組合件和陰極組合件。中國金屬陽極電解槽主要部件見下表2.1。表2.1 中國金屬陽極電解槽主要部件槽型3-A3-B3-3-47-B47-B陽極片規(guī)格/mm2240800323208003433

33、08003640080033.428075037560750陽極片數(shù)/片8060664811256復合棒規(guī)格/mm242427272929333327273333復合棒質(zhì)量/Kg330366370365640436鐵網(wǎng)質(zhì)量/Kg133130130130208201鈦法蘭墊圈聚四氟天然膠天然膠=350/24天然膠=450/29天然膠聚四氟鐵絲網(wǎng)質(zhì)量/Kg90090010001000銅材質(zhì)量/Kg13001500陰陽極極距/mm10.59.598.5107.5圖2.2 C30-III型金屬陽極隔膜電解槽的結(jié)構(gòu)示意圖1陽極組合件；2-電解液出口：3-陰極連接銅排；4-陰極網(wǎng)袋；5-陽極片；6-陽極水

34、位表接口；7-鹽水噴嘴插口；8-氯氣壓力表接口；9-氯氣出口；10-氫氣出口；11-槽蓋；12-橡皮墊床；13-陰極箱組合件；14-陽極連接銅排2.4 隔膜法電解工藝流程及操作條件2.4.1 工藝流程電解工段的主要任務是在直流電的作用下，完成電解食鹽水溶液制取NaOH、Cl2和H2的工藝過稱。由鹽水精制工段送來的精制鹽水進入高位槽（1），液面維持恒定，以便利用高位槽的液位壓差，使鹽水平穩(wěn)地經(jīng)鹽水預熱器（2）加熱到7080,由總管均勻分流到各電解槽（3），進行電解。電解生成的氯氣從電解槽頂部出口支管導入氯氣總管，送氯氣處理工序；氫氣從陰極箱上部出口支管導入氫氣總管，送氫氣處理工序。生成的電解液，

35、從電解槽陰極箱出口流出，導入總管，匯集到堿液貯槽（4），用泵（5）送往蒸發(fā)工段，蒸發(fā)濃縮。流程見示意圖2.3。圖2.3 電解工段生產(chǎn)流程簡圖1-高位槽；2-預熱器；3-電解槽；4-堿液儲槽；5-堿泵 具體流程圖如下圖2.4所示圖2.4 隔膜法工藝流程方框圖2.4.2 操作條件及主要技術(shù)經(jīng)濟指標(1) 鹽水的濃度 電解質(zhì)溶液的導電是依靠溶液中正負離子的遷移并在電極上放電而引起的。所以，電導率隨電解質(zhì)溶液濃度的升高而升高，一直到溶液飽和為止。工業(yè)生產(chǎn)上電解液采用的是NaCl的飽和溶液，其質(zhì)量濃度為(315 5)g/L。普通工業(yè)食鹽中常含有鈣鹽、鎂鹽、硫酸鹽等其他雜質(zhì)，對電解操作極其有害。故工業(yè)用原

36、鹽制備的粗鹽水，必須加以精制。在生產(chǎn)中，一般采用添加過量的Na2CO3和NaOH除去Ca2+、Mg2+雜質(zhì)；為了控制SO42-的含量，采用加入氯化鋇的方法。精鹽水的質(zhì)量見表2.2。表2.2 精鹽水的質(zhì)量指標 (g/L)NaCl含量Ca2+、Mg2+總量SO42-含量NaOH過堿量Na2CO3過堿量3151050.07-0.60.25-0.6(2) 鹽水的溫度 提高溫度，可提高電解質(zhì)的電導率，降低氯氣在陽極液中的溶解度，提高陽極電流效率，同時還可降低陽極上析出氯氣和陰極上析出氫氣的過電位。雖然升高溫度對NaCl的溶解度影響不大，但升高溫度可提高NaCl的溶解速度。一般入電解槽前的鹽水溫度在80左

37、右，電解槽溫度控制在95左右。(3) 鹽水的流量與堿液濃度 鹽水流量的大小會對電解過程帶來較大的影響。鹽水流量小，NaCl分解率高、NaOH濃度高，但OH-的反遷移嚴重，副反應多，電流效率低。但鹽水流量大，NaOH濃度低，堿液中NaCl含量高，堿液蒸發(fā)的能耗高。為此，各廠應根據(jù)具體的條件確定堿液成分。通常堿液成分控制在如下范圍：NaOH含量：130145 g/LNaCl含量： 175210 g/L(4) 氯氣的純度及壓力 氯氣是有毒氣體，不允許泄露，要保證電解槽、管道等連接處的密封，氯氣總管的壓力采用微負壓-49-98Pa下操作。為避免在電解槽內(nèi)Cl2和H2混合爆炸，必須防止H2漏到Cl2中，

38、應控制陽極室液面高于隔膜頂端，同時密切注意隔膜的完好情況。 電解槽出來濕氯氣經(jīng)冷卻干燥后的干基氣體組成為：Cl2 ：96.5%98%，H2 ：0.1%0.4%，O2 ：1.0%3.0%。(5) 氫氣的純度及壓力 電解槽產(chǎn)生的氫氣純度是很高的，其體積分數(shù)一般在99%（干基）以上。為防止空氣與氫氣混合發(fā)生爆炸，一般電解槽氫氣系統(tǒng)都是保持微正壓4998Pa下操作。(6) 電流效率 電流效率為實際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量的比值。電流效率是電解槽的一項重要的技術(shù)經(jīng)濟指標，與電能消耗、產(chǎn)品質(zhì)量以及電解操作過程關(guān)系十分密切。較先進的隔膜電解槽的電流效率為95%97%。影響電流效率的因素有很多，如鹽水質(zhì)量（鹽水濃度、鹽

39、水中Ca2+、Mg2+、SO42-等雜質(zhì)的含量，鹽水的pH值等）、鹽水溫度、電解液濃度、隔膜吸附質(zhì)量、電流密度大小、電流波動情況以及電解槽絕緣好壞等都會影響電流效率。提高電流效率的途徑主要有以下幾個方面：保證隔膜滲透率，控制隔膜的吸附質(zhì)量。維持陽極液高于陰極液的液位差，使陽極液以合適的流速透過隔膜進入陰極室，以阻止OH-向陽極室的反向遷移。提高精制鹽水中的NaCl的質(zhì)量濃度，使之接近飽和，即含NaCl315g/L。精鹽水中的NaCl含量高，可降低Cl2在鹽水中的溶解度，減少陽極室的副反應?？刂齐娊庖褐械腘aOH質(zhì)量濃度不超過140 g/L。其原因是NaOH濃度的增加，使OH-向陽極遷移和擴散的

40、能力加強，NaOH質(zhì)量濃度每提高10 g/L，電流效率將下降1.3%。適當提高電流密度。電流效率隨電流密度的增加而增加，電流密度每增加100A/dm2,電流效率可提高0.1%。這是因為當電解液中的NaOH濃度一定時，提高電流密度必然相應加大通過隔膜的鹽水質(zhì)量，這樣就相應減少了OH-向陽極遷移和擴散的量，因而提高了電流效率。保證電解槽絕緣性能良好，防止漏電。保證供電和生產(chǎn)穩(wěn)定，防止電流波動。2.4.3 電解操作指標與生產(chǎn)控制點分析（1）電解工藝指標 為了保證電解的順利進行，對于隔膜法電解工藝有一定的工藝指標。主要有：精鹽水進入電解槽的溫度：90精鹽水進入電解槽的濃度：310g/電解堿液出電解槽溫

41、度：90電解堿液出電解槽濃度（NaOH）：115-130g/電解槽電流效率：95%電解槽單槽電壓：3.3-3.4V電流密度：51000kA氫氣出口溫度：90氯氣出口溫度：90氯中含氧：2.5%氯中含氫：0.5%（2）生產(chǎn)控制措施 生產(chǎn)過程中主要的控制措施如下：溫度測量 在精鹽水進入精鹽水貯槽時，對精鹽水的溫度用現(xiàn)場設置的儀表測量；精鹽水進入氫鹽換熱器的溫度用帶自動顯示式電子電位計的熱電偶測量；對散熱片的溫度用現(xiàn)場儀表進行測量；對精鹽水進鹽水預熱器的溫度用帶自動顯示式電子電位計的熱電偶測量；對精鹽水出鹽水預熱器的溫度用帶調(diào)節(jié)閥的熱電偶測量。壓力測量 對蒸汽和空氣管道的壓力均以彈簧壓力計測量；對氫

42、氣、氯氣出口的壓力的觀測利用了浮標式差壓計進行測量；對電解液和精鹽水的管道的壓力用浮頭式差壓計測量；對真空箱的壓力是以單管壓力計測量的。流量和物位的測量 對精鹽水貯槽、電解液貯槽和堿液槽是以帶報警器的單管式液位計測量的；對精鹽水、電解液流量采用帶電傳至自動記錄儀表的浮標式差壓流量計來計量的。自動分析 為及時、準確觀測精鹽水、電解液、氫氣和氯氣的含量，保證連續(xù)生產(chǎn)的可靠性，設計上要求增設自動分析器，如測量氯化鈉濃度的氯化鈉自動分析器；測量氫氧化鈉濃度的氫氧化鈉自動分析器；測量氫氣組成的氣動式自動分析器；測量氯氣組成的氣動式自動分析器。第三章 工藝計算3.1 物料衡算已知：年產(chǎn)100%的燒堿20萬

43、噸，年工作320天，24小時連續(xù)生產(chǎn)。電流效率95%；食鹽分解率50%；電解槽產(chǎn)出的氫氧化鈉的濃度為10.7%；精鹽中氯化鈉的濃度為26.72%；出電解槽濕氫氣中的氫氣的質(zhì)量百分含量為8.3%；出電解槽濕氯氣中的氯氣的質(zhì)量百分含量為72.97%；出氫鹽換熱器濕氫氣的質(zhì)量百分含量為18.63%；則每小時生產(chǎn)的100%的氫氧化鈉的產(chǎn)量為：每小時生產(chǎn)的10.7%的氫氧化鈉的產(chǎn)量為：因食鹽水的分解率為50%，則氯化鈉的量為：氯化鈉的質(zhì)量為：W=1302.0858.5=76171.88（kg/h）因精鹽水中氯化鈉的濃度為26.72%，則精鹽水的流量為：3.1.1 對電解槽做物料衡算電解槽 濕氫氣I1 濕

44、氯氣I2 精鹽水F3 電解堿液F2 損失I3 圖3.1 電解槽的物料平衡(1) 濕氫氣的流量為：(2) 濕氯氣的流量為：(3) 出電解槽的電解液：(4) 進入電解槽的精鹽水：(5) 電解槽中的損失：計算結(jié)果見下表3.1所示。表3.1 電解槽的物料衡算表進電解槽（Kg/h）出電解槽（Kg/h）精鹽水F3285074.42濕氫氣I17843.88濕氯氣I231673.27損失I32177.21電解堿液F2243380.06合計285074.42合計285074.423.1.2 對氫鹽換熱器進行物料衡算氫鹽換熱器 精鹽水F3 濕氫氣I5 冷凝水I6 濕氫氣I1 精鹽水I4圖3.2 氫鹽換熱器物料流程

45、圖(1) 進入氫鹽換熱器的濕氫氣量：(2) 出氫鹽換熱器的濕氫氣的量：(3) 出氫鹽換熱器的精鹽水與進氫鹽換熱器的精鹽水的量相等。即：(4) 出氫鹽換熱器的冷凝水含量：則電解車間物料平衡如表3.2。表3.2 氫鹽換熱器物料平衡表進入換熱器物料（Kg/h）出換熱器物料（Kg/h）精鹽水F3285074.42精鹽水F3285074.428.3%濕氫氣I17843.8818.63%濕氫氣I53494.59冷凝水I64349.29合計292918.3合計292918.33.2 能量衡算已知條件：來自鹽水工段精鹽水溫度 45精鹽水出氫鹽換熱器溫度 55 精鹽水出鹽水預熱器溫度 90出電解槽電解堿液溫度

46、90 濕氫氣溫度 90 出氫鹽換熱器冷凝水溫度 70 出氫鹽換熱器濕氫氣溫度 70 出電解槽濕氯氣溫度 903.2.1 對氫鹽換熱器進行熱量衡算氫鹽換熱器 45精鹽水Q1 55精鹽水Q3 90濕氫氣Q2 70濕氫氣Q4 70水汽汽化潛熱Q6 70水液化熱Q5 熱量損失Q7圖3.3 氫鹽換熱器熱量平衡圖(1) 45精鹽水帶入熱量Q1 精鹽水45時的比熱容為CP=0.820kcal/(kg.),則精鹽水帶入氫鹽換熱器的熱量為：(2) 908.3%濕氫氣帶入熱量Q2氫氣90時的比熱容為CP=3.53 kcal/(kg.)，水汽90的比熱容為CP=1.005 kcal/(kg.)，則8.3%濕氫氣帶入

47、熱量為：=3589880.6（kJ）(3) 55精鹽水出氫鹽換熱器帶走熱量Q3精鹽水55時的比熱容為CP=0.822 kcal/(kg.)，則精鹽水帶走的熱量為：(4) 7018.63%濕氫氣帶走熱量Q4氫氣70時的比熱容為CP=3.51 kcal/(kg.)，70時水汽的比熱容為：CP=1.002kcal/(kg.)，則濕氫氣帶走的熱量為：=1025847.21（kJ）(5)70液態(tài)水帶出的熱量Q5 由氯堿工業(yè)理化常數(shù)手冊查得：70時水的比熱容為1.002 kcal/(kg.)，則70液態(tài)水帶出的熱量為：(6)70水汽的汽化潛熱Q670時水汽的液化熱為569kcal/(kg.)，則水汽液化所

48、放的熱量為：(7)系統(tǒng)熱量損失Q7根據(jù)熱量平衡可知：Q1+Q2+Q6=Q3+Q4+Q5+Q7 因此，系統(tǒng)的熱量損失為：Q7= (Q1+Q2+Q6)-( Q3+Q4+Q5)=(44041979.56+3589880.6+10361266.59)-(53980376.59+1025847.21+1277221.86)=1709681.09kJ氫鹽換熱器熱量平衡如表3.3所示。表3.3 氫鹽換熱器熱量平衡表進氫鹽換熱器的熱量（kJ）出氫鹽換熱器的熱量（kJ）45精鹽水Q144041979.5655精鹽水Q353980376.59908.3%濕氫氣Q23589880.67018.63%濕氫氣Q4102

49、5847.2170水汽汽化潛熱Q610361266.5970液態(tài)水Q51277221.86系統(tǒng)損失熱量Q71709681.09合計57993126.75合計57993126.75電解槽3.2.2 對電解槽進行熱量衡算 分解NaCl消耗的電能Q3 90精鹽水Q1 90電解液Q4 9072.9%濕氯氣Q5 電能Q2 908.3%濕氫氣Q6 熱量損失Q7圖3.4 電解槽的熱量平衡圖(1) 90精鹽水帶入的熱量Q1 查氯堿工業(yè)理化手冊可知：90精鹽水的比熱容CP=0.831kcal/(kg.)，則90精鹽水帶入的熱量為：Q1=F3CPt=285074.420.8314.186890=89265573.

50、21（kJ）(2) 電能Q2由氯堿工藝學查得C30型系列的電解槽，每生產(chǎn)一噸100%燒堿消耗的電能為2328kwh。所以消耗的電能為：W=26041.67/100023283600=218250027.9（kJ）由前面所知：電解效率為61.72%，因此：Q2=W/電能效率=62424000/61.72%=353613136.6（kJ）(3) 氯化鈉分解消耗的電能Q3Q3=26041.67100040221.75=144368508.1（kJ）(4) 陰極90堿液帶走熱量Q4由氯堿工業(yè)理化手冊查得，90電解堿液的比熱容為：CP=0.923kcal/(kg.)，則：Q4=243380.060.93

51、24.186890=85472347.32（kJ）(5) 90，72.97%濕氯氣帶走的熱量Q590水的比熱容為：CP=1.005kcal/(kg.)，90氯氣的比熱容為：CP=0.119kcal/（kg.），則濕氯氣帶走的熱量為：Q5=31673.2772.97%0.1194.186890+31673.2727.03%1.0054.186890=4278480.78（kJ）(6) 90,8.3%濕氫氣帶走的熱量Q690水的比熱容為：CP=1.005kcal/(kg.)，90氫氣的比熱容為：CP=3.53kcal/（kg.），則濕氫氣帶走的熱量為：Q6=7843.888.3%3.534.186890+7843.8891.7%1.0054.186890=3589880.6（kJ）(7)水蒸汽帶走熱量Q790水的蒸發(fā)熱為：579 kcal/kg，水蒸氣的量包括濕氫氣和濕氯氣中水汽的量，則水蒸氣的潛熱為：Q7= I1(1-8.3%)+I2(1-72.97%)5794.1868= 7843.8891.7%+31673.2727.03%5794.1868=3819