第七章氯堿工藝學(xué)

第七章氯堿工藝學(xué)第三篇化學(xué)工藝學(xué)第一節(jié)概述一、氯堿工業(yè)簡介氯堿工業(yè)是化學(xué)工業(yè)中大型工業(yè)之一。它為眾多的化工產(chǎn)品提供原料。氯主要是作氯乙烯的原料，其次是紙、紙漿工業(yè)，有機(jī)氯溶劑，水處理也消耗相當(dāng)多的氯。燒堿主要用于紙、紙漿工業(yè)、其次是化纖工業(yè)、鋁工業(yè)，氯堿工業(yè)所副產(chǎn)的氫，可用于合成鹽酸，氯綸纖維、硬化油等。

二、氯堿工業(yè)的基本原理電解食鹽水生產(chǎn)氯和燒堿的方法有三種：隔膜法，汞陰極法，離子交換膜法。

離子交換膜法簡稱膜法，應(yīng)用于氯堿工業(yè)開始于60年代，成熟于70年代，80年代有了迅速發(fā)展。膜法的基本構(gòu)造與隔膜法相似，陰極用鐵(或在鐵表面上涂活性物質(zhì))，陽極為鈦釕。陰陽極間用陽離子交換膜隔開。

精制的NaCl濃溶液和純水分別由下而上進(jìn)入電解糟的陽極室和陰極室。在陽極室，C1-1在電極上發(fā)生放電反應(yīng)生成C12。與此同時(shí)，在陰極發(fā)生H+的放電反應(yīng)生成H2，促使H20解離生成的OH-1與Na+形成成NaOH溶液。第二節(jié)氯堿工業(yè)工藝條件的優(yōu)化及工藝設(shè)備一、析出電壓

將食鹽水放電解槽中，通直流電，就有可能在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。電極上是否發(fā)生反應(yīng)取決于所施加的電壓是否超過析出電壓。析出電壓包括電極電位和過電壓兩部分。在陰極，有Na+和H+兩種陽離子，而Na+

比H+析出電位要負(fù)得多，所以H+比Na+先放電，在H+未消耗完以前，Na+不會(huì)放電。在陽極，有Cl-和OH-兩種陰離子，而OH-比Cl-析出電位要正得多，Cl-比OH-先放電，而由于氧的析出電壓與C1-相比相差不大，所以當(dāng)C1-的濃度很低，或者電流密度過大，C1-在陽極發(fā)生極化時(shí)，OH-進(jìn)行放電也是可能的。

二、主要優(yōu)化目標(biāo)

食鹽水電解工業(yè)以食鹽為原料，電力為能源，根據(jù)目前的水平每生產(chǎn)lt氯和1.1t燒堿，需要1.76t食鹽，耗電2500Kw/h。后者的費(fèi)用為前者的好幾倍。另外，實(shí)際消耗量與理論消耗量相比，前者已經(jīng)相當(dāng)接近，而后者還相差很多，能夠改進(jìn)的余地很大。所以生產(chǎn)的主要優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)該是節(jié)省電力。電能效率＝電流效率×電壓效率1、電流效率電流效率為用于生產(chǎn)目的產(chǎn)物的電流占消耗電流的百分率。由于其它電流是消耗于發(fā)生副反應(yīng)，所以提高電流效率的途徑是減少電極反應(yīng)時(shí)的副反應(yīng)。電解食鹽水時(shí)電流效率一般可達(dá)到95％以上。2、電壓效率電壓效率為用于生產(chǎn)目的產(chǎn)物的電極電位占總電壓即槽電壓的百分率。槽電壓包括四個(gè)部分：電極電位，過電壓，電流通過電解質(zhì)時(shí)的電壓降，金屬流過金屬導(dǎo)體時(shí)的電壓降。提高電壓效率的途徑是降低后面三部分的電壓降。電解食鹽水時(shí)，電壓效率約60～80％，所以還有相當(dāng)大的改進(jìn)余地。近20年來，電解食鹽水的技術(shù)進(jìn)步，主要是在提高電壓效率這方面。三、工藝設(shè)備1.復(fù)極式單元電解槽的結(jié)構(gòu)

復(fù)極式是指在電解槽中串聯(lián)了100多對(duì)電極，槽內(nèi)按陰極—陽極—陰極—陽極……的順序串聯(lián)排列。槽兩端分別接通電源的正極和負(fù)極。離子交換膜被夾在兩個(gè)金屬框之間。金屬框?yàn)樘间?，每一金屬框又被?fù)合鋼板分割成二室，一側(cè)襯鈦，為陽極室；一側(cè)不襯鈦，為陰極室。二室內(nèi)的溶液雖不相通，但金屬和溶液是導(dǎo)電的。所以電流可以通過，這樣，電解槽就按膜、陰極、陽極、膜、陰極、陽極、膜……的方式串聯(lián)起來，左端與電源的負(fù)極相連，右端與電源的正極相連。由于這種依靠托架安放在導(dǎo)軌上的組裝方式與板框壓濾機(jī)相似，所以又稱板框壓濾機(jī)型電解槽。

2、陽極

膜法的陽極為鈦釕，在隔膜法中已作介紹。近年來發(fā)現(xiàn)，離子通過膜時(shí)，分布不均勻，主要集中在陽極在膜上投影的那一部分。因此，新型的陽極采用多孔板代替曾經(jīng)廣泛使用過的擴(kuò)張金屬網(wǎng)(見電解槽構(gòu)造)。

3、陰極膜法的陰極為低碳鋼。由于H2在鐵陰極析出時(shí)，有相當(dāng)高的過電壓。因此，改善陰極以降低槽電壓是可取的。降低槽電壓的途徑有二：一是加大陰極表面積，以降低陰極電流密度。目前認(rèn)為采用多孔板代替網(wǎng)比較有利。另一途徑是改善陰極表面，例如用高溫水蒸氣處理，使電極表面上生成2μm厚的密致的導(dǎo)電的Fe3O4，有的在Fe3O4層上再鍍一層含RuO2的鎳層。實(shí)驗(yàn)表明，這樣的鍍層可降低槽電壓0.24V。

4、離子交換膜經(jīng)過幾代更新，目前認(rèn)為由全氟羧酸和全氟磺酸的復(fù)合膜比較優(yōu)越。結(jié)構(gòu)見圖。四、工藝條件的優(yōu)化

1．食鹽水的濃度和純度食鹽水是電解的原料，在高電流密度的條件下，食鹽水的濃度越大，濃差極化的可能性越少，槽電壓越低，副反應(yīng)越少。因此，不論用哪一種方法電解，都要采用盡可能濃的鹽水。食鹽水的純度至關(guān)重要。比氫、氯易放電的雜質(zhì)，會(huì)在電極上放電而降低電流效率，比氫、氯難放電的雜質(zhì)，如鈣、鎂等，也會(huì)在堿性條件下生成氫氧化物而堵塞隔膜或離子交換膜，或使產(chǎn)品質(zhì)量降低。2．電解溫度溫度高一些，有利于降低槽電壓，三種方法采用的溫度差不多，都是80～90℃。3、電流密度

電流密度越大，生產(chǎn)強(qiáng)度越大，但槽電壓也略有上升，因此生產(chǎn)強(qiáng)度與節(jié)電有矛盾。生產(chǎn)上可根據(jù)市場的需求和電費(fèi)的高低，在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電流密度。產(chǎn)品需求量較少時(shí)(氯產(chǎn)品不易儲(chǔ)運(yùn)，一般都是就地及時(shí)消費(fèi))，電價(jià)較高時(shí)，采用較低的電流密度，反之則采用較高的電流密度。第三節(jié)氯堿生產(chǎn)工藝流程

第四節(jié)后處理

食