Получение хлора,водорода едкого натра

При примени сдвоенного сварного катода достигается максимальное развитие активной катодной поверхности и интенсивная естественная циркуляция электролита. Графитовые аноды с трех сторон окружены катодами, что также увеличивает рабочую анодную поверхность.

Надежный  токопровод к анодам без применения свинца, подвод тока к катодной сетке через корпус катода и приваренный к нему каркас обеспечивают в электролизерах БГК назначенный перепад напряжения в контактах и подводе тока к электродам. Возможность при монтаже точного регулирования и фиксации положения анодов позволяет точно установить расстояние между электродами и снизить напряжение на электролизере.

Конструкция электролизера дает возможность  работать при высокой температуре  анолита – до 95–100°С, что в свою очередь способствует снижению рабочего напряжения на электролизере и увеличению выходов по оку. Для уменьшении потерь тепла и улучшения санитарных условий работы в цехе электролиза наружные поверхности катода электролизера покрываются слоем тепловой изоляции. Электролизер компактен и полностью герметичен, что устраняет утечки электролитов и газов.

За счет большой высоты крышки электролизера  обеспечивается возможность изменения  уровня анолита в пределах от 50 до 300–400 мм над верхним краем катода. Поэтому электролизеры работают с подачей постоянного количества рассола, необходимого для получения щелочи концентрацией 130–140 г./л . Контроль питания электролизера осуществляется обычно с помощью ротаметра. На некоторых заводах подача рассола в каждый электролизер регулируется по уровню анолита, который устанавливается в зависимости от состояния диафрагмы и изменяется по мере ее старения. Для установления требуемого уровня анализируют католит, вытекающий из электролизера.

Питание электролизера рассолом может осуществляться через калибровочные отверстия  диафрагмы. Работа электролизера с  подачей постоянного количества рассола и при одинаковой нагрузке по току создает условия для получения  максимально возможного выхода по току при высокой концентрации щелочи.

 

 

6. Материальный баланс электролизера

 

ЗАДАНИЕ: Составьте материальный баланс стадии электролиза за 1 час. Рассчитайте  основные показатели эффективности  процесса электролиза – выход  по току Cl₂ и NaOH, степень конверсии раствора хлорида натрия.

Общие данные для расчета:

1. Процесс электролиза проводят в электролизере БГК 17/50, Сила тока 50кА.
2. В электролизер поступает насыщенный раствор NaCl концентрацией 5,45 моль/л, плотность раствора 1170 кг/м³. Объем поступающего раствора равен 1,1 объема католита.
3. Выход по току Cl₂ рассчитывают по формуле:

η_Cl2 = 97,80 – 7,14 ∙ (С – 3,07), где

С – концентрация щелочи в католите, выраженная в моль/л.

Выход по току щелочи равен выходу по току хлора.

Выход по току Н₂ равен 100%.

Выходящие из электролизера газы содержат в  своем составе пары воды в количестве 15% от веса Cl₂ и H₂.

4. В процессе электролиза протекают побочные реакции:

а) на аноде  происходит электрохимическое разложение воды:

 

2H₂O = O₂ + 2H₂   /I/

 

б) часть  образовавшегося на аноде Cl₂ в объеме раствора подвергается гидролизу:

 

Cl₂ + H₂O = HCl + HClO     /II/

 

 

Индивидуальные  данные для расчета:

Вариант	Концентрация щелочи в  католите, кг/м3	Распределение расхода  электричества на побочные реакции, % на реакцию /I/	На образование Cl2, участвовавшего в реакции /II/
10	134	60	40

 

Расчет:

В процессе электролиза происходят изменения  концентрации электролита, которые  обусловлены участием ионов в  переносе тока, химическими процессами, протекающими на электродах и в объеме электролита, испарением влаги и  уносом ее с газообразными продуктами электролиза – хлором и водородом.

 

С (NaOH _{в католите}) = 134кг/м³ = 134г/л = (134г/л) / (40г/моль) = 3,35моль/л

М (NaOH) = 40г/моль, где

М (NaOH) – молярная масса NaOH.

Расчитываем выходы по току:

 

а) Выход  по току Cl₂:

η_Cl2 = 97,80 – 7,14 ∙ (3,55 – 3,07) = 95,9%

б) Из задания  видно, что выход по току Cl₂ равен выходу по току NaOH:

η_NaOH = η_Cl2 = 95,9%

в) В задании  также указано, что выход по току Н₂ равен 100%:

η_Н2 = 100%

1. Рассчитаем количество электричества, которое расходуется за 1 час:

 

Q = I ∙ τ = 50кА ∙ 1ч = 50000А ∙ 1ч = 50000А ∙ 3600с = 180 ∙ 10⁶Кл

Q _Cl2 = Q ∙ η_Cl2 = 180 ∙ 10⁶Кл ∙ 0,959 = 172,62 ∙ 10⁶Кл

Q _побоч. = Q – Q_Cl2 = (180 – 172,62) ∙ 10⁶ = 7,38 ∙ 10⁶Кл

 

2. Определяем расход количества электричества:

а) На реакцию /I/:

Q_/I/ = 7,38 ∙ 10⁶ ∙ 0,60 = 4,428 ∙ 10⁶Кл

б) На реакцию /II/:

Q_/II/ = 7,38∙ 10⁶ ∙ 0,40 = 2,952 ∙ 10⁶Кл

3. По закону Фарадея находим массы Cl₂, H₂ и NaOH, образующихся по целевой реакции, а также массы О₂ (реакция /I/:) и Cl₂, реагирующего по реакции /II/.

Закон Фарадея:

 

m = (M ∙ I ∙ Δτ) / (n ∙ F) или m = (M ∙ Q) / (n ∙ F), где

 

М – молярная масса вещества, кг;

n – число электронов, участвующих в процессе;

F – число Фарадея, F = 96485,35Кл/моль.

а) Определяем массу Cl₂ по целевой реакции:

m _{Cl2 по цел. реак.} = (71 ∙ 172,62∙ 10⁶) / (2 ∙ 96485,35) = 63,512∙ 10³г = 63,512кг

б) Определяем массу Н₂ по целевой реакции:

m _{Н2 по цел. реак.} = (2 ∙ 172,62∙ 10⁶) / (2 ∙ 96485,35) = 1,78 ∙ 10³г = 1,78кг

в) Определяем массу NaOH по целевой реакции:

m _{NaOH по цел. реак.} = (40 ∙ 172,62 ∙ 10⁶) / ( 96485,35) = 71,56 ∙ 10³г = 71,56кг

г) Определяем массу О₂ по реакции /I/:

m _{O2 по реак. /I/} = (32 ∙ 4,428 ∙ 10⁶) / (2 ∙ 96485,35) = 0,734 ∙ 10³г = 0,734кг

д) Определяем массу Cl₂ по целевой реакции:

m _{Cl2 по реак. /II/} = (71 ∙ 2,952 ∙ 10⁶) / (2 ∙ 96485,35) = 1,086 ∙ 10³г = 1,086кг

  _+2é

Cl₂^o → 2Cl^–1

 

  _–2é

Cl₂^o → 2Cl⁺¹

 

4. Определяем  объем католита:

m _{NaOH по цел. реак.} = 71,56кг

C_{NaOH в католите} = 134кг/м³   (берем из задания)

 

V_{католита} = m _{NaOH по цел. реак.} / C_{NaOH в католите} = 71,56 / 134 = 0,534м³ = 534л

 

5. Определяем  массу NaCl и H₂O, поступающих на реакцию:

 

V_{р-ра NaCl} = 1,1 ∙ V_{католита} = 1,1 ∙ 534 = 592,74л = 0,59274м³

m_{р-ра NaCl} = ρ_р-ра ∙ V_р-ра = 1170 ∙ 0,59274 = 693,506кг

 

В исходных данных насыщенный раствор NaCl поступает в электролизер с концентрацией 5,45моль/л:

 

υ_NaCl = m_{р-ра NaCl} ∙ V_{р-ра NaCl} = 5,45 ∙ 592,74 = 3230,433моль

 

Находим массу NaCl и H₂O, поступающих на реакцию:

m_NaCl = 3230,433 ∙ 58,5 = 188,98кг

 

m_Н2О = m_{р-ра NaCl} – m_NaCl = 693,506 – 188,98 = 504,526кг

 

6. Определяем  степень конверсии раствора NaCl:

υ_NaCl =3230,433моль

 

υ_NaОН = m _{NaOH по цел. реак.} / М = 71,56 / 0,040 = 1789моль

Х = (υ_NaCl – υ_NaОН) / υ_NaCl = (3230,433 – 1789) / 3230,433 = 0,4462 =    44,62%

 

Определяем  остаточную массу NaCl:

 

m_{ост NaCl} = (υ_NaCl – υ_NaОН) ∙ C_{NaСl в р-ре} = (3230,433 – 1789) ∙ 58,5 = 84324г = 84,324кг

7. По  побочной реакции /II/ определяем НСl (X) и HClO (Y):

_{1,086кг                             Х        Y}

 

Cl₂ + H₂O = HCl + HClO

 

^{1∙71                              1∙36,5     50,5}

X _HCl = (36,5 ∙ 1,086) / 71 = 0,558кг

Y_HClO = (50,5 ∙ 1,086) / 71 = 0,772кг

Определяем  H₂O_ж по побочной реакции /I/:

 

 _{Х                      0,734    1,78}

2H₂O_ж =  О₂ + 2Н₂

^{2∙18                  2∙16} 

 

X _H2О = (0,734 ∙ 2∙ 18) / (2 ∙ 16) = 0,826кг

Определяем  пары воды:

H₂O_пар = (m_Cl2 + m_H2) ∙ 0,15 = (63,512 + 1,78) ∙ 0,15 = 9,794кг

Определяем  H₂O по побочной реакции /II/:

 

_{1,086кг    Х}     

Cl₂ + H₂O = HCl + HClO

^{1∙71        1∙18}   

 

X _H2О = (1,086 ∙ 18) / 71 = 0,275кг

По реакции  определяем количество NaCl прореагировавшего и не прореагировавшего по реакции:

 

                           _{X                                           71,56}

2H₂O + 2HCl → Cl₂ + Н₂ + 2NaOH

^{2∙18                 2∙58,5          71            2       2∙40}

 

X _{NaCl на р-ию (прореагир)} = (71,56 ∙ 2∙ 58,5) / (2 ∙ 40) = 104,66кг

X _{NaCl на р-ию (остат)} = 188,98 – 104,66 = 84,32кг

Н₂О _{на р-ию} = (104,66 ∙ 2∙ 18) / (2 ∙ 58,5) = 32,20кг

Определяем  остаток воды:

H₂O_{остаток} = 504,526 – (0,826 + 0,275) – 32,20 = 471,225кг

 

Таблица материального баланса:

Приход				Расход
№	Наименование	m, кг		№	Наименование	m, кг
1.	NaCl	188,98		1.	NaOH	71,56
2.	H2O	504,526		2.	Cl2	62,426
					2.1. Cl2 (по целевой р-ии)	63,512
					2.2. Cl2 (по р-ии 2)	1,086
				3.	Н2	1,78
				4.	О2	0,734
				5.	NaCl	84,32
				6.	HCl	0,558
				7.	HClO	0,772
				8.	H2O	471,225
Итого:		693,506		Итого:		693,506

 

 

Заключение

 

В настоящее  время едкая щёлочь и хлор вырабатываются тремя электрохимическими методами. Два из них – электролиз с твёрдым  асбестовым или полимерным катодом (диафрагменный и мембранный методы производства), третий – электролиз с жидким ртутным катодом (ртутный  метод производства). В ряду электрохимических  методов производства самым лёгким и удобным способом является электролиз с ртутным катодом, но этот метод  наносит значительный вред окружающей среде в результате испарения  и утечек металлической ртути. Мембранный метод производства самый эффективный, наименее энергоемкий и наиболее экологичный, но и самый капризный, в частности, требует сырье более высокой чистоты.

Едкие щёлочи, полученные при электролизе с  жидким ртутным катодом, значительно  чище полученных диафрагменным способом. Для некоторых производств это важно. Так, в производстве искусственных волокон можно применять только каустик, полученный при электролизе с жидким ртутным катодом. В мировой практике используются все три метода получения хлора и каустика, при явной тенденции в сторону увеличения доли мембранного электролиза. В России приблизительно 35% от всего выпускаемого каустика вырабатывается электролизом с ртутным катодом и 65% – электролизом с твёрдым катодом (диафрагменный и мембранный методы).

 

 

Список литературы

 

1. Аблонин Б.Е. Основы химических производств. – М.: Химия, 2001.
2. Бесков В.С. Общая химическая технология и основы промышленной экологии. – М.: Химия, 1999.
3. Бесков В.С. Моделирование каталитических процессов и реакторов. – М.: Химия, 1991.
4. Кутепов А.М. Общая химическая технология. – М.: Высшая школа, 1990.
5. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. – М.: Химия, 1981.
6. Позин М.Е. Технология минеральных удобрений. – Л.: Химия, 1983.
7. Расчеты химико-технологических процессов. / под ред. Мухленова И.П. – Л.: Химия, 1982.
8. Степанов В.С. Анализ энергетического совершенствования технологических процессов. – Новосибирск: Наука, 1984.
9. Фролов Ю.Г. Физическая химия. – М.: Химия, 1993.
10. Химико-технологические системы. / под ред. Мухленова И.П. – М.: Химия, 1986.
11. Ксензенко В.И. Общая химическая технология и основы промышленной экологии – М.: Химия, 2001.
12. Фурмер И.Э., Зайцев В.Н. Общая химическая технология – М.: Высшая школа, 1974.
13. Бесков С.Д. Технохимические расчеты – М.: Высшая школа,1966.