项目十五-电解法生产烧碱

化学工业出版社无机化工生产技术与操作化学工业出版社项目十五电解法生产烧碱化学工业出版社电解法生产烧碱在制得烧碱的同时还生产氯气和氢气，所以工业上电解法生产烧碱也称氯碱工业。它是基础化学工业之一，它的产品烧碱和氯气在国民经济中占有重要地位，广泛用于纺织工业、轻工业、冶金和有色冶金工业、化学工业和石油化学工业等部门。电解法生产烧碱，根据电解槽结构、电极材料和隔膜材料的不同可分为水银法、隔膜法和离子交换膜法。化学工业出版社电解法生产烧碱除原料易得、生产流程较短外，主要有以下三个特点。①能耗高电解法生产烧碱的主要能耗是电能，其耗电量仅次于电解法生产铝。②氯与碱的平衡电解法制烧碱所得到的烧碱与氯气的产品的质量比恒定为1:0.88，但一个国家或地区对烧碱和氯气的需求量，是随着化工产品生产的变化而变化的。③腐蚀和污染严重化学工业出版社任务一隔膜法电解制烧碱一、隔膜法制烧碱的基本原理二、隔膜法制烧碱的工艺条件分析与选择三、隔膜法制烧碱工艺流程组织四、隔膜法制烧碱操作控制要点五、隔膜法制烧碱生产过程常见故障及排除化学工业出版社一、隔膜法制烧碱的基本原理食盐水溶液中，主要存在四种离子：Na+、Cl-、H+、OH-。电解槽的阳极通常使用石墨电极或金属涂层电极；阴极用铁丝网或冲孔铁板；中间的隔膜由一种多孔渗透件材料做成，多采用石棉，将电解槽分隔成阴极室和阳极室两部分，使阳极产物与阴极产物分离隔开，可使电解液通过，并以一定的速度流向阴极。目前，工业上较多使用的是立式隔膜电解槽，工作原理如图12-1所示。化学工业出版社图12-1立式隔膜电解槽示意图饱和食盐水由阳极室注入，使阳极室的液面高于阴极室的液面，阳极液以一定流速通过隔膜流入阴极室以阻止OH-的返迁移。得到产品氢气、氯气分别从阴极室和阳极室上方的导出管导出，氢氧化钠则从阴极室下方导出。化学工业出版社副反应的发生，不但会降低碱和氯的产量，而且还会降低电流效率。为了减少副反应的发生，在生产中采取的主要措施如下。(1)采用精制的饱和食盐水溶液并控制在较高的温度下进行电解，以减少氯气在阳极液中的溶解度。(2)保持隔膜的多孔型和良好的渗透率，使能阳极液正常均匀地透过隔膜，阻止两极产物的混合和反应。(3)保持阳极室的液面高于阴极室的液面，用一定的液位差促进盐水的定向流动而阻止OH-由阴极室向阳极室的扩散。化学工业出版社1．阳极材料由于电解槽的阳极是直接地持续地与化学性质十分活泼，且腐蚀性较强的湿氯气、盐酸和次氯酸等接触，因此阳极材料应具有较强的耐化学腐蚀性，同时具有对氯的过电压低，导电性能良好，机械强度高而且易于加工，来源广泛和使用寿命长等特点。目前氯碱工业上使用最广泛的是钌钛金属阳极。二、隔膜法制烧碱的工艺条件分析与选择化学工业出版社2．阴极材料阴极材料要具有耐氯化钠、氢氧化钠的腐蚀，导电性能良好，且氢在电极上的过电位要低等特点。隔膜电解槽常见的阴极材料有铁、铜、镍等。由于铁的耐氯化钠、氢氧化钠等的腐蚀性好且具有导电性能好、氢的过电压低的优点，是一种质优价廉的阴极材料。使用寿命可长达40年。为了便于吸附隔膜及易于使氢气和电解液流出，立式隔膜电解槽的阴极一般采用铁丝编成网状，也有用冲孔铁板。化学工业出版社3．隔膜材料隔膜是整个电解槽中最重要的组成部分。它是隔膜电解槽中直接吸附在阴极上的多孔型材料层，用它将阳极室和阴极室隔开。对隔膜材料的要求是：(1)应具有较强的化学稳定件，既耐酸又耐碱的腐蚀，并应具有相当的机械强度，长期使用不宜损坏；(2)必须保持多孔及良好的渗透性，能使阳极液维持一定的流速且均匀地透过隔膜，并防止阳极液与阴极液的机械混合；化学工业出版社(3)应具有较小的电阻，以降低电压损失；(4)材料易得，制造成本低。石棉是一种硅酸盐纤维状矿物质，具有耐酸耐碱的特性，能够比较全面地满足上述要求，所以自20世纪20年代以来一直使用石棉作为隔膜材料。化学工业出版社4．隔膜电解槽隔膜电解槽是隔膜电解法生产的主要设备。早期的隔膜电解槽是水平安装的，但电流密度小，占地面积大，相对成本高，后来逐渐被立式隔膜电解槽取代。各种隔膜电解槽的结构虽然不尽相同，但基本构件中都包括槽盖、阳极组合件和阴极组合件。如图12-2为C30-III型金属阳极隔膜电解槽的结构示意图。我国金属阳极电解槽的常用槽型及主要部件的规格见表12-1。化学工业出版社图12-2C30-III型金属阳极隔膜电解槽化学工业出版社表12-1我国金属阳极电解槽常用槽型及主要部件一览表3-Ⅰ47槽型项目AB30-Ⅱ30-Ⅲ-ⅠB-ⅡB阳极片规格，mm2×240×80032×320×80034×330×80036×400×80933.4×280×75037×560×750阳极片数量，片8060664811256复合棒规格，mm□24×24□27×27□29×29□32×33□27×27□33×33复合棒重量，kg330366370365640436铁网重量，kg133130130130208201阴阳极间距，mm10.59.598.5107.5钛法兰垫圈聚四氟天然胶天然胶天然胶天然胶聚四氟化学工业出版社5．操作条件(1)盐水的浓度电解质溶液的导电是依靠溶液中正负离子的迁移并在电极上放电而引起的。所以，电导率随电解质溶液浓度的升高而升高，一直到溶液饱和为止。工业生产上电解液采用的是NaCl的饱和溶液，其质量浓度为(315±5)g/L。普通工业食盐中常含有钙盐、镁盐、硫酸盐等其他杂质，对电解操作极其有害。故工业用原盐制备的粗盐水，必须加以精制。化学工业出版社在生产中，一般采用添加过量的Na2CO3和NaOH除去Ca2+、Mg2+杂质；为了控制SO42-的含量，采用加入氯化钡的方法。精盐水的质量应达到以下指标：NaCl含量Ca2+、Mg2+总量SO42-含量NaOH过碱量Na2CO3过碱量≥315g/L10mg/L5g/L0.07~0.6g/L0.25~0.6g/L化学工业出版社(2)盐水的温度提高温度，可提高电解质的电导率，降低氯气在阳极液中的溶解度，提高阳极电流效率，同时还可降低阳极上析出氯气和阴极上析出氢气的过电位。虽然升高温度对NaCl的溶解度影响不大，但升高温度可提高NaCl的溶解速度。一般入电解槽前的盐水温度在70℃左右，电解槽温度控制在95℃左右。化学工业出版社(3)盐水的流量与碱液浓度盐水流量的大小会对电解过程带来较大的影响。盐水流量小，NaCl分解率高、NaOH浓度高，但OH-的反迁移严重，副反应多，电流效率低。但盐水流量大，NaOH浓度低，碱液中NaCl含量高，碱液蒸发的能耗高。为此，各厂应根据具体的条件确定碱液成分。通常碱液成分控制在如下范围：NaOH含量：130~145g/LNaCl含量：175~210g/L化学工业出版社(4)氯气的纯度及压力氯气是有毒气体，不允许泄露，要保证电解槽、管道等连接处的密封，氯气总管的压力采用微负压-49~-98Pa下操作。为避免在电解槽内Cl2和H2混合爆炸，必须防止H2漏到Cl2中，应控制阳极室液面高于隔膜顶端，同时密切注意隔膜的完好情况。电解槽出来湿氯气经冷却干燥后的干基气体组成为Cl296.5%~98%，H20.1%~0.4%，O21.0%~3.0%。化学工业出版社(5)氢气的纯度及压力电解槽产生的氢气纯度是很高的，其体积分数一般在99%（干基）以上。为防止空气与氢气混合发生爆炸，一般电解槽氢气系统都是保持微正压49~98Pa下操作。(6)电流效率电流效率为实际产量与理论产量的比值。电流效率是电解槽的一项重要的技术经济指标，与电能消耗、产品质量以及电解操作过程关系十分密切。较先进的隔膜电解槽的电流效率为95%~97%。化学工业出版社1．盐水精制工艺流程盐水的精制主要包括以下步骤。溶化原盐原盐的溶解在溶盐桶中进行，化盐用水来自于清洗盐泥的淡盐水和蒸发工段的含碱盐水。粗盐水的精制在反应桶内加入精制剂除去盐水中的Ca2+、Mg2+和SO42-。浑盐水的澄清和过滤在反应桶精制后出来的盐水含有碳酸钙、氢氧化镁等悬浮物，经过加入凝聚剂预处理后，在重力沉降槽或浮上澄清器中分离大部分悬浮物，最后经过过滤成为电解用的精盐水。三、隔膜法制烧碱工艺流程组织化学工业出版社图12-3隔膜法盐水精制的工艺流程示意图化学工业出版社2．隔膜法制碱工艺流程化学工业出版社电解工段是电解食盐水生产氯气、氢气、烧碱的主要工序，其岗位主要有金属阳极电解槽看槽岗位、送碱岗位、干燥岗位、氯气泵岗位、氢气泵岗位。金属阳极电解槽看槽岗位又是这几个岗位中反应核心部分，故主要介绍一下该岗位的操作控制要点。四、隔膜法制烧碱操作控制要点化学工业出版社1．岗位任务及工作范围(1)岗位任务确保电解槽安全运行，生产出合格的氯气、氢气和电解液。(2)工作范围所属的金属阳极电解槽及附属的盐水分配台，氯气、氢气、电解液、盐水、生产水的管道、阀门，仪表等均由本岗位操作工负责开停、维护、检查、处理事故及保持清洁。并按时、准确、整洁地认真填写所测的槽温，电压等记录。化学工业出版社2．开、停车的操作(1)开车前的准备工作①送电前与厂总调度室联系，确认盐水供应及其他公用系统没有问题，方可进行下一步操作。②仔细检查电解槽槽尾、氯气压力计、氢气压力计、氯气取样管、氢气取样管是否齐全好用，检查氯、氢水封等处是否处于正确状态，检查单槽氯、氢压力计是否齐全好用。化学工业出版社③检查槽间铜导板是否连接好，检查电解槽周围是否有金属棒或其他物件搭接。④检查盐水总阀门、支管阀门、充氮阀门及盐水卡子是否齐全好用。⑤检查检测仪表是否齐全、好用。⑥检查管道、设备有无泄漏或其他故障。⑦检查断槽开关是否准备就绪。⑧送电前2h，通知盐水工段送饱和盐水，注满高位槽保持溢流。化学工业出版社⑨送电前1.5h，打开盐水总阀门、支管阀门、单槽盐水卡子，往电解槽注盐水，当液面升至阴极箱上法兰以上工艺设定值以后，关闭盐水支管阀门。⑩送电前0.5h，通知氢气泵岗位启动氢气泵，同时开始充氮。⑪通知氯气泵岗位开启氯气泵，维持槽尾氯气管压力在工艺控制指标内。⑫一切检查完毕，向班长汇报具备开车条件。化学工业出版社(2)开车及开车后的检查工作①接到送电指令后，立即打开盐水支管阀门。继续往电解槽注盐水，关闭充氮阀门，迅速拔掉封槽胶塞，在全部电解槽列充满液体且碱液管都有阴极液流出后，立即报告厂总调度室可以送电。②根据阴极液流量调节入槽盐水量，维持电解槽液面正常。③送电后，迅速检查电槽情况，检查电槽液面、碱液流量、盐水注入情况，总槽电压及对地电压等是否正常，铜导板温升是否正常。化学工业出版社④送电后，通知分析工分析各支管、总管氯气纯度、氯气中含氢量及氢气纯度，并随时掌握变化情况。⑤控制室内必须设专人负责仪表监视，与氯氢处理岗位密切联系，调节氯氢压力。⑥刚通电时，必须关闭氢气总管至氢气冷却塔的入口阀门，氢气管道的压力通过氢气水封槽维持，亦即氢气水封槽上放空管放空同时必须保证槽尾氢气管压力符合工艺控制指标。化学工业出版社⑦分析槽列氢气纯度大于96%时，氢气水封槽加水封，打开氢气总管至冷却塔的入口阀门，通知氢气泵抽送氢气至用户。⑧当总口氯气内含氢量小于0.5%时可继续升电流，当总口氯气内含氢量大于0.5%时，应立即分析槽列含氢量并进行处理。处理后含氢量继续高于1.5%或第一次分析高达4%的槽即除槽。⑨如第一次送电不成功，必须待所有条件具备送电要求时，方可进行第二次送电。化学工业出版社(3)正常运行操作①严格控制电槽液面。液位严格按红线控制，随时保持液面距标线误差不大于10mm。②随时掌握单槽运行情况，注意槽电压、氯气纯度、氢气纯度，氯气中含氢、氯气中含氧量及总槽碱液浓度等是否控制在工艺指标范围内。化学工业出版社③巡回检查时，注意槽体零部件是否结盐结碱，特别注意上下压口处不可有结盐结碱；同时注意铜导板是否变暗发热，联结螺栓、氢系统是否有虚连短路打火；还应注意检查氯、氢水封是否有水，各仪器、仪表运转是否良好，出现问题应及时联系解决。④巡回检查时，注意“四断”情况（即断盐水、断碱液、断氢气、断氯气）及槽体对地绝缘良好，发现故障及时处理