Диафрагменный электролиз

   Анодный процесс. Большое влияние на выход по току может оказать анодный процесс. В зависимости от материала электрода и условий электролиза – плотности тока, концентрации хлорид-иона в анолите и рН может меняться выход по току хлора, а также состав анодного газа и доля тока, расходуемого на выделение кислорода. Как уже говорилось выше, в электролизерах с фильтрующей диафрагмой используют графитовые или титановые с электрокаталитическим покрытием аноды. Графитовые аноды готовят из искусственного графита. Для этого из смеси нефтяного кокса, антрацита и каменноугольной смолы сначала спрессовывают аноды нужной формы, обычно в виде прямоугольных плит, обжигают их в печах при 1000-1200 и затем после пропитки маслопеком проводят графитацию при температурах 2500-2700 , переводя уголь в графит.

   Степень превращения соли при электролизе. Одним из факторов, влияющих на показатели электролиза, является степень превращения соли:

   

   где степень превращения соли; число моль гидроксида, образовавшегося в процессе электролиза; число моль соли, поступившей на электролиз; массовые количества полученного гидроксида металла и поступившей на разложение соли; молярные массы соли и гидроксида соответственно.

   Практический  расчет степени превращения можно  выполнить, используя формулы

   

   или

   

   где концентрация гидроксида металла в католите, кмоль/м концентрация соли в католите, кмоль/м концентрация ионов металла в католите, кмоль/м концентрация соли в исходном растворе хлорида металла, кмоль/м скорости вывода раствора из электролизера и подачи раствора соответственно, м /с.

   Чтобы рассчитать степень превращения, необходимо провести химический анализ католита.

   Могут оказаться полезными эмпирические зависимости (для работы электролизеров при высоких температурах), устанавливающие  зависимость между содержанием  соли в католите и анолите и  концентрацией гидроксида:

   

   где концентрация соли в католите, анолите и исходном растворе соответственно, кмоль/м ; концентрация гидроксида в католите, кмоль/м . 

                                                                                                          
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Технологическая  схема производства 

   Исходным  сырьем для электролиза является концентрированный раствор хлорида  натрия. Раствор соли готовят путем растворения соли под землей, подавая горячую воду в специально пробуренные скважины, либо в наземных условиях. Полученный сырой рассол содержит значительное количество взвешенных частиц, а также вредных для электролиза примесей – солей кальция, магния, железа и поэтому перед подачей на электролиз его очищают.

   Электролитические щелока, получаемые в диафрагменных  электролизерах, содержат обычно 120-140 гидроксида натрия и 180-200 соли. Для повышения концентрации раствора гидроксида натрия до товарного значения производят упарку электролитических щелоков. При этом происходит снижение растворимости соли в растворе и ее выпадение в осадок. Соль, которую называют обратной солью, отделяют от раствора гидроксида натрия  и используют для приготовления обратного рассола, возвращаемого на стадию очистки сырого рассола. Обычно в обратном рассоле содержится 2-3 гидроксида натрия, что оказывается достаточным для осаждения ионов магния, так что дополнительно щелочь не вводят.

   В четырехступенчатой выпарной установке электролитические  щелока через подогреватель подают на четвертую стадию выпарки, откуда упаренный раствор вместе с солью  направляют в сборник и далее  пульпа соли поступает на центрифугу. Осветленный раствор насосом перекачивают в аппарат третьей ступени. После упарки в аппарате третьей ступени раствор перекачивают в аппарат второй ступени и оттуда через холодильник (отделитель соли) раствор поступает на окончательное упаривание в аппарат первой ступени. Выводимый из аппарата первой ступени раствор гидроксида натрия после охлаждения и фильтрации от соли является готовым продуктом. 
 

                                                                                                                                                  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  4. Характеристика основного и вспомогательного  оборудования 

  Основным  оборудованием в производстве каустической соды, хлора и водорода диафрагменным  методом является диафрагменный хлорный электролизер монополярного типа конструктивно выполняют из трех основных элементов: токоподводящего днища, корпуса-катода и крышки. На токоподводящем днище размещают аноды, число которых зависит от мощности электролизера, т.е. токовой нагрузки, на которую электролизер рассчитан. Катод диафрагменного электролизера изготавливают из стальной сетки диаметром от 1,2 до 2,5 мм. Ток к сетке подводят от корпуса электролизера через токоподводящие стальные элементы.

  Графитовые  аноды, которые еще сохранились в старых конструкциях, представляют собой плиты длиной 1100 мм, шириной 250 мм и толщиной 45 мм. Для повышения химической стойкости плиты пропитаны заполимеризованным льняным маслом. Плиты монтируют на монтируют на стальном анодном днище в виде коробки с низкими стенками, служащем токоподводом к графитовым анодам.

  В современных  конструкциях хлорных диафрагменных  электролизеров используют титановые  с электрокаталиталитическим покрытием  анода (ОРТА) Анод имеет высоту 1000 мм, ширину 250 мм и толщину 22 мм.

  Диафрагма. Диафрагма на катоде хлорного электролизера должна обладать рядом характеристик: однородностью, определенной протекаемостью и электрическим сопротивлением, механической и химической стойкостью. Она должна обеспечить при электролизе низкое напряжение и высокий выход по току гидроксида щелочного металла, исключить смешивание электродных газов. Длительность работы диафрагмы должна быть большой, чтобы сократить затраты труда на разборку электролизеров, снятие старой и нанесение на катод новой диафрагмы.

  Для изготовления диафрагм хлорных электролизеров используют обычно хризотиловый асбест.

  Выпарной  аппарат с вынесенной греющей камерой. Аппарат состоит из греющей камеры, представляющей собой пучок труб, сепаратора с брызгоуловителем и циркуляционной трубы, присоединенной к нижней растворной камере.

  Выпариваемый  раствор, поднимаясь по трубкам, нагревается  и по мере подъема вскипает. Образовавшаяся парожидкостная смесь направляется в сепаратор, где происходит разделение жидкой и паровой фаз.

  Высота  парового пространства влияет на сепарацию из пара капелек жидкости, выбрасываемых из кипятильных труб и поднимающихся по инерции на определенную высоту.

  Вторичный пар, проходя сепаратор и брызгоотделитель, освобождается от капель, а раствор  возвращается по циркуляционной трубе в греющую камеру.

  В таких  аппаратах облегчается очистка  поверхности от отложений, так как  доступ к трубам легко осуществляется при открытой верхней крышке греющей  камеры.

  Поскольку циркуляционная труба не обогревается, создаются условия для интенсивной циркуляции раствора. При этом плотность раствора в выносной циркуляционной трубе больше, чем в циркуляционных трубках, что обеспечивает сравнительно высокую скорость циркуляции раствора и препятствует образованию отложений на поверхности нагрева.

  В многокорпусной выпарной установке греющий пар  поступает только на обогрев первого  корпуса, последующие корпуса обогреваются вторичным паром предыдущих. Таким  образом значительно снижается  потребление греющего пара.

  Для кипения  раствора в каждом корпусе необходимо обеспечить соответствующую разность между температурами вторичного пара предыдущего корпуса и кипящего раствора следующего за ним корпуса. Это разность температур создается благодаря снижению давления в каждом последующем корпусе по сравнению с предыдущим.

  Температура кипения раствора в многокорпусной установке понижается от первого  корпуса к последнему, и раствор  при переходе от первого корпуса  к последнему, и раствор при  переходе из какого-либо корпуса в  следующий за ним попадает в пространство, где давление и температура ниже, поэтому он охлаждается. За счет, выделившийся при этом теплоты, испаряется некоторое количество воды из раствора без участия теплоты греющего пара. Это явление происходит во всех корпусах МВУ, кроме первого, и носит название самоиспарения раствора.

  Барометрический конденсатор является наиболее распространенным и применяется для конденсации пара и создания вакуума в дистилляционных и выпарных установках большой производительности.

  В барометрическом  конденсаторе пар, поступающий в корпус через нижний штуцер навстречу воде, подающейся через верхний штуцер на сегментные или кольцевые дырчатые полки или тарелки, соприкасается со стекающей водой и конденсируется. 

                                                                                                                                                   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5.1 Материальный баланс 

Условные  обозначения 

количество поступающей соли, кг;

количество исходного рассола, л;

вес рассола, кг;

количество неразложившейся  соли, кг;

коэффициент разложения;

концентрация поступающего рассола, г/л;

концентрация неразложившейся  соли, г/л;

количество образовавшейся щелочи, г/л;

количество воды, идущее на побочные реакции, кг;

расход воды на образование гипохлорита, кг;

объем католита;

количество водяных паров, кг;

объем, ;

удельный вес водяного пара при 80°С;

давление, мм.рт.ст.;

 суммарный тепловой эффект, ккал;

 валентность;

площадь поверхности теплопередачи,

 теоретическое напряжение  разложения NaCl, В;

расход электроэнергии, кВт ч;

 выход по току,  %;

выход по энергии, %;

 сила тока, А;

 теплосодержание поступающего  рассола, ккал;

 тепло, выделяющееся за  счет работы тока, ккал;

 теплосодержание отходящих  газов, ккал;

 теплосодержание водяных  паров, ккал;

 теплосодержание электролитического  щелока, ккал; 
тепло, идущее на испарение воды, ккал;

 потери тепла в окружающую  среду, ккал;

 теплоемкость рассола,  ;

напряжение на ванне, В;

 температура ванны, °С;

 удельная теплоемкость, Дж/(кг

количество пара, кг;

удельная теплота парообразования, Дж/кг;

плотность,

 коэффициент теплоотдачи,