Производство щелочи хлора водорода

После очистки рассол направляется в зал электролиза. С целью уменьшения расхода постоянного тока при электролизе производится подогрев рассола до 75-90 ⁰С паром под давлением   0,6-0,9 МПа (6,0-9,0 кгс/см²) в двухходовых титановых теплообменниках с площадью нагрева 249 м², работающих поочередно. Расход поступающего пара, температура греющего пара, давление греющего пара измеряется и регистрируется на щите КИПиА. Температура рассола, выходящего из теплообменников измеряется и регистрируется на щите КИПиА. Конденсат из межтрубного пространства теплообменников отводится в другие корпуса на внутреннее потребление. После подогрева рассол поступает в напорные баки.

Уровень подогретого рассола в  напорных баках контролируется на щите КИПиА и регулируется. Максимальный и минимальный  уровни в напорных баках оповещаются на щите КИПиА  световой и звуковой сигнализацией. Температура подогреваемого рассола  после напорных баков измеряется термометром по месту, расход измеряется на щите КИПиА.

Подогретый рассол из титановых  напорных баков вместимостью 16 м³ каждый, самотеком подается в серийные и групповые рассольные коллектора, а из последних по шлангам через стеклянные питатели, установленные в крышках, в анодное пространство электролизеров. Рассол подается в электролизер из расчета 1,1∙10^-3–1,3∙10^-3 м³/ч на каждый кА нагрузки, что обеспечивает при оптимальной температуре электролита 90-95 ⁰С получение электрощелочи с регламентной концентрацией.

Расход рассола по групповым  коллекторам контролируется по мерным стеклам, установленным в конце каждого группового коллектора, чем достигается оптимальный расход рассола по электролизерам. Внутри стеклянного питателя находится титановый поплавок со стержнем, которым регулируется уровень в электролизере. При переполнении электролизера рассолом, поплавок всплывает и закрывает вход поступающему рассолу в электролизер. При необходимости уровень в электролизере регулируется вручную зажимом.

Электролиз раствора хлорида натрия ведется в электролизерах БГК-50/60М  с осажденной диафрагмой.

Группы электролизеров разделены  на три серии – по 3 группы в  каждой. На групповых эстакадах между  двумя рядами ванн располагается  хлорный, водородный и рассольный коллектора, к которым подсоединены хлорные, водородные отводы и рассольные шланги от каждого электролизера. Вакуумметрическое давление в хлорном коллекторе поддерживается автоматически, контролируется на щите КИПиА в пределах минус 1000-минус 500 Па (минус 100-минус 50 кгс/м²). Вакуумметрическое давление в водородном коллекторе поддерживается автоматически, контролируется на щите КИПиА в пределах минус 0,4-минус 0,1 кПа (минус 40-минус 10 кгс/м²). Вакуумметрическое давление в анодном пространстве электролизера должно быть минус 100-минус 50 Па (минус 10-минус 5 мм. вод. ст.). Вакуумметрическое давление в катодном пространстве электролизера должно быть минус 150-минус 100 Па (минус 15-минус 10 мм. вод. ст.).

Под действием постоянного тока в электролизере происходит разложение раствора хлорида натрия, и получаются продукты: газообразный хлор на аноде, газообразный водород на катоде и электролитическая щелочь. Получаемая электролитическая щелочь должна содержать: гидроксид натрия (NaOH) 105-140 г/дм³, гипохлорит натрия (NaCIO) не более 0,0005 г/дм³, хлорат натрия (NaCIO₃) не более 0,35 г/дм³, хлорид натрия (NaCI) 170-210 г/дм³. Состав анодного газа – хлоргаза, выходящего из электролизера, должен находиться в пределах  [% (об.)]: хлор (CI₂) – 96,5-98,0; кислорода (O₂) не более 2,5; водород (H₂) не более 0,4; диоксид углерода (CO₂) не более 0,8. Диоксид углерода попадает в хлоргаз из анолита, так как сода, поступающая в него с рассолом, полностью разлагается. В хлоргазе содержится также 0,1-0,5% азота, попадающего с подсасываемым воздухом, так как электролизер работает с разряжением в анодном пространстве. Водород, выводимый из электролизера, должен содержать не менее 99,9% (об.) водорода, остальное – воздух. Хлор в водороде должен отсутствовать.

Хлор, выделившийся в анодном пространстве электролизера, отводится в групповой  коллектор. Хлор из групповых коллекторов  поступает в серийные коллектора, а затем в общий титановый коллектор диаметром 1000 мм, по которому подается на осушку и компримирование. При нарушении технологического процесса, в случае понижения вакуумметрического давления (разряжения) в системе отсоса хлора, срабатывает предохранительный гидрозатвор и влажный хлоргаз через гидрозатвор поступает на санитарную колонну, орошаемую раствором щелочи, а в случае повышения вакуумметрического давления (разряжения) через хлорный гидрозатвор происходит подсос воздуха из атмосферы для исключения попадания водорода из катодного пространства электролизера в хлор.

Водород из катодного пространства электролизеров по гибким, не проводящим электрический ток, шлангам  отводится в групповой коллектор. Вакуумметрическое  давление после группового коллектора водорода должно быть минус 300-минус 100 Па (минус 30-минус 10 мм вод. ст.). В групповые коллектора водорода предусмотрена подача азота по шлангам для их продувки перед пуском зала электролиза после остановки. Водород из групповых коллекторов поступает в общий коллектор, по которому идет в отделение охлаждения и перекачки водорода. Предусмотрен сброс водорода из общего коллектора через эжектор и огнепреградитель в атмосферу. На эжектор предусмотрена подача пара давлением 0,6-0,9 МПа (6,0-9,0 кгс/см²).

Электрощелока из катодного пространства сливаются через капельницы в  групповые коллектора, затем по серийным и общему коллекторам поступают  в сборник электрощелоков вместимостью 125 м³. Уровень в сборнике электрощелоков поддерживается автоматически на щите КИПиА. Максимальный и минимальный уровни  оповещаются световой и звуковой сигнализацией. Из сборника электрощелока откачиваются насосами по стальным коллекторам в емкость, на внутреннее потребление и на санитарную колонye. Электролитическая щелочь в трубопроводе на выходе из отделения должна содержать гидроксида натрия с массовой концентрацией 105-140 г/дм³. Массовая концентрация гидроксида натрия в электролитической щелочи зависит от фильтрующей способности диафрагмы.

В аварийных случаях работы цеха (при аварийной остановке хлорных  компрессоров, поступлении некачественного рассола на электролизер, изменении токовой нагрузки и при пуске цеха после остановки в течение 102-х часов) допускается выход электрощелочи с массовой концентрацией гидроксида натрия (NaOH) 40-160 г/дм³, массовой концентрацией хлорноватокислого натрия (NaCIO₃) 0,35-0,60 г/дм³, массовой концентрацией хлорноватистокислого натрия (NaCIO) 0,5-200,0 мг/дм³.

Улавливание хлора и абгазов  происходит путем поглощения электролитической щелочью с массовой концентрацией гидроксида натрия 105-140 г/дм³.

Щелочь подается насосом из бака для гипохлорит вместимостью 10 м³, через распределитель на насадку из колец «Рашига» санитарной  колонны. Стекая по насадке вниз, щелочь поглощает поднимающийся хлор и абгазы, и поступает из куба санитарной колонны в бак для гипохлорита. Бак для гипохлорита соединен с кубом санитарной колонны (поз. 7)  воздушной линией. Уровень в баках для гипохлорита контролируется на щите КИПиА. Максимальный уровень оповещается световой и звуковой сигнализацией. Циркуляция электролитической щелочи по схеме: бак для гипохлорита, насос, санитарная колонна, бак для гипохлорита   – продолжается до снижения массовой концентрации гидроксида натрия не менее 5,0 г/дм³. После снижения массовой концентрации гидроксида натрия схема циркуляции переключается на другой бак для гипохлорита. В бак загружают тиосульфат натрия, через барботер подается по гибкому шлангу азот для перемешивания. При отсутствии активного хлора, обезвреженный раствор сбрасывается в кислотно-щелочную канализацию. Освобожденный бак для гипохлорита   пропаривается от соли паром при необходимости. Затем из сборника электрощелоков  в него принимается свежая электролитическая щелочь с массовой концентрацией гидроксида натрия 105-140 г/дм³, а очищенные абгазы в санитарной колонне выбрасываются вентилятором   в атмосферу. На линии сброса абгазов установлен фотоклометрический газоанализатор, сигнализирующий на щите КИПиА при увеличении массовой концентрации хлора (CI₂) в выбросах более 1,0 мг/м³.

Для получения товарного жидкого  едкого натра щелок подвергают выпарке. При концентрировании раствора щелочи, благодаря  уменьшению  растворимости  хлорида натрия (NaCI), последняя выпадает в твердом виде. Выпавшая в осадок твердая соль отделяется на фильтрах и возвращается на приготовление рассола. Выпарка щелока ведется в 3- или 4-корпусных аппаратах до концентрации 46-49% (700-750 г/л) гидроксида натрия (NaOH). Выходя из каждого аппарата, упаренный щелок освобождается от выпавших кристаллов хлорида натрия (NaCI) в отстойниках, на центрифугах или на вакуум-фильтрах. Получение твердой щелочи осуществляют дальнейшей выпаркой воды в плавильных котлах. После этого охлажденный каустик центробежным насосом разливают в железные барабаны.

Охлаждение и компримирование  водорода.

Водород из отделения электролиза  по общему коллектору поступает на охлаждение в три параллельно работающие башни с насадкой из керамических колец «Рашига». В случае повышения вакуумметрического давления (разряжения) в общем коллекторе перед башнями водород сбрасывается в атмосферу через гидрозатвор  и огнепреградитель. Создавшееся давление водорода в коллекторе передавливает рассчитанный столб жидкости в гидрозатворе в канализацию и водород сбрасывается на «свечу» в атмосферу. К линии сброса водорода перед огнепреградителем  подведен азот. Повышение вакуумметрического давления (разряжения) может возникнуть в результате забивки насадок башен солями жесткости, «захлебывания» башен оборотной водой или плохой работы компрессоров.

Водород после охлаждения в башнях с температурой 10-30 ⁰С поступает на всасывающий компрессор типа НЭШ-ХЦ-8, служащий для транспортировки водорода потребителю. Потребителям водород поставляется либо по трубопроводам, либо в компримированном виде, в баллонах.

Охлаждение и осушка хлоргаза.

Влажный хлоргаз из зала электролиза поступает  на охлаждение и осушку.  Хлоргаз  последовательно проходит кожухотрубные  холодильники, отбойную башню, три абсорбционные башни, отбойную башню, после проходит три фильтра и поступает в общий коллектор всаса компрессоров.

Сконденсировавшаяся хлорная вода из отделения электролиза, из общего коллектора, из холодильников, из отбойных башен собирается в бак хлорной  воды, откуда по переливной линии направляется в куб отпарной колонны.

Компримирование хлоргаза.

Хлоргаз после охлаждения и абсорбции  поступает в коллектор всасывающих  трехступенчатых компрессоров марки  WRZ-3. Сжатый хлор после первой, второй и третьей ступеней каждого компрессора направляется на охлаждение в холодильники хлоргаза.

Массовая доля воды в осушенном  хлоре должна быть не более 0,01%. Объемная  доля водорода в хлоре не должна превышать 0,4%. Жидкий хлор транспортируют в железнодорожных цистернах и железных баллонах.

Электролитическая щелочь в трубопроводе на выходе из отделения должна содержать  гидроксида натрия с массовой концентрацией 105-140 г/дм³. Массовая концентрация гидроксида натрия в электролитической щелочи зависит от фильтрующей способности диафрагмы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 Выбор электролизера 

Электролизером называется аппарат, в котором осуществляется процесс  электролиза. В электролизере протекают  пространственно разделенные электродные реакции: электровосстановление на катоде и электроокисление на аноде. 

Существует несколько конструкций  электролизеров с твердым катодом:

1. Ванна с непроточным электролитом

Одной из первых конструкций ванн с твердым катодом, получивших в  свое время значительное промышленное применение, была хлорная ванна «Грисгеймэлектрон».Ванна с проточным электролитом и горизонтальной диафрагмой.Наиболее распространенной конструкцией этого типа является ванна Сименс - Биллитера. Впоследствии горизонтальная ванна была усовершенствована. Плоская катодная сетка заменена  зигзагообразной. Аноды, в связи с этим применяются не плоские, а трехгранного сечения, с острым ребром, обращенным вниз. Кроме того, ванны снабжаются приспособлениями, позволяющие опускать аноды по мере их износа, сохраняя таким путем постоянное межэлектродное расстояние;

2. Ванны с проточным электролитом и вертикальной диафрагмой

 В свое время наибольшее  распространение получили  ванны  с вертикальной диафрагмой: Гиббса; Ворса, Х-2, Х-3, К-3; БГК-12; БГК-13; БГК-17; БГК-50/60М и другие.

Сырьем для производства хлора  и гидроксида натрия электролитическим  методом с твердым катодом является хлорид натрия. Чистый хлорид натрия содержит 39,4% натрия и 60,6% хлора. В природном хлориде натрия содержатся примеси – хлориды кальция и магния, сульфаты кальция и магния и другие.

Хлорид натрия встречается в  природе в виде залежей (каменная соль), самосадочной соли и рапы соляных озер, в виде естественных подземных рассолов и в морской воде.

В каменной соли содержится: 99,7-99,6% NaCl; 0,08% MgCl_2; 0,3-1,4% CaSO₄; до 1% Н₂О.

В самосадочной соли в среднем содержится: 97,2% NaCl; 0,5%MgCl₂; 0,4% CaSO₄; до1,4%Н₂О и 0,1-0,6% нерастворимых веществ.

Поваренная соль, полученная из морской  воды содержит: 87% NaCl; 1,0 Mg²⁺; 0,5% Са²⁺; 1,0% SO^2-₄; 8% Н₂О и 2,5% нерастворимый остаток.   

Хлор – газ желтовато-зеленого цвета с удушающем запахом, раздражающе  действует на дыхательные пути, может  вызвать отек легких. При средних  концентрациях возникают резкие грудные боли, жжение и резь в глазах, слезотечение, мучительный сухой кашель. Предельная допустимая концентрация – 1мг/м³.

Электролитическая щелочь – прозрачная, бесцветная жидкость, невзрывоопасная, негорючая. Щелочь легко растворима в воде в любых соотношениях. При попадании на кожу вызывает тяжелые химические ожоги. Предельная допустимая концентрация – 0,5мг/м³.  

Для выполнения курсового  проекта выбираю монополярный электролизер с фильтрующей асбестовой диафрагмой, анодами ОРТА типа БГК 50/60.