Производство щелочи хлора водорода

Электролизер БГК 50/60  предназначен для получения хлора, каустической соды и водорода электролизом водных растворов хлорида натрия диафрагменным  методом.

Таблица 1-Технические данные электролизера  БГК 50/60  

Наименование параметров	Значение
Нагрузка, А	60000
Плотность электрического тока, А/м2: анодная катодная	1464 1300
Электрическое напряжение, В	3,4…3,5
Температура электролита, 0С	не выше 95 0С
Вакуумметрическое давление в водородном пространстве	минус 100 Па (минус 10 мм  вод. ст.)
Габаритные размеры, мм	2375×2134×2200
Масса электролизера, кг, не более	4500

   

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1- схема электролизера БГК-50/60 
1-анод; 2-днище; 3-рама днища; 4-катодный комплект; 5-устройство для слива щелочи; 6-шины катодного комплекта; 7-крышка; 8-трубопровод для рассола; 9-трубопровод для хлора; 10-трубопровод для водорода; 11 - перегородка катодного комплекта.

Электролизер БГК 50/60  прямоугольного сечения с нижним токопроводом, состоит  из следующих основных комплектов: анодного комплекта, катодного комплекта,  крышки, комплекта шин межванной ошиновки и устройства для слива щелочи.

Анодный комплект электролизера состоит  из токоведущего, защищенного титановым  листом днища и анодов (ОРТА –  оксидно-рутениевый анод на титановой основе). Аноды скреплены с токопроводами посредством болтового соединения. Отдельный анод представляет собой титановый лист с просечкой, покрытый окислами титана и рутения в определенном соотношении. Анод имеет высоту - 1000 мм, ширину - 250 мм и толщину - 22 мм. Анод состоит из рабочей части и токоподвода. Рабочая часть анода выполнена из перфорированных листов, соединенных для жесткости поперечными планками. Токоподвод к рабочей части анода выполнен из двух титановых пластин. Для снижения потерь напряжения в аноде токоподводящие пластины проходят внутри анода, их приваривают к поперечным планкам. В анодный комплект электролизера БГК 50/25 входит 76 анодов, а у  электролизера БГК 50/60М – 94 анода. ОРТА служат 4-6 лет, за это время они практически не меняют габаритов и обеспечивают постоянное напряжение электролиза и температурный режим.

Катодным комплектом электролизера  является кожух, изготовленный из листовой стали толщиной 20 мм. Корпус-катод состоит из корпуса в виде стального короба прямоугольного сечения без дна и крышки. К стенкам катода с внутренней стороны приварены каркасы в виде плоских катодных карманов, образующих гребенки, на которые натянута стальная сетка  диаметром 1,2-2,5 мм, образующая катодную поверхность. В корпусе катода образуются зона, боковая поверхность которой ограничена, катодной сеткой, и зона, ограниченная сеткой и стенками корпуса катода. Первая зона служит для размещения анодов и анолита при работе электролизера . В другой зоне образуются при электролизе электрощелочь и водород, которые из нее выводятся. Эти зоны разделяют диафрагмой. Диафрагму наносят с наружной стороны катодной сетки. Чаще всего используют осажденную асбестовую диафрагму. Сначала готовят пульпу из асбестовых волокон. Она должна содержать 6-8 кг/м³ асбестового волокна, 200-240 кг/м³ хлорида натрия (NaCl) и 50-60 кг/м³ гидроксида натрия (NaOH). Пульпу фильтруют через катодную сетку электролизера в течение 13-15 минут при переменном давлении. После осаждения диафрагму сушат при 100-120 ⁰С, прокачивая через нее воздух. Диафрагма покрывает без швов всю поверхность катода, ее толщина 2,5-3 мм. В работе диафрагмы отмечается два периода: формирование и старение. При формировании (с момента включения тока в результате физико-химических изменений асбеста происходит набухание диафрагмы) толщина диафрагмы увеличивается до 6-7 мм. Период длится до 7 дней в зависимости от плотности тока. В начале этого периода протекаемость диафрагмы велика и каустик имеет низкую концентрацию. Период старения или нормальной работы диафрагмы продолжается 3-4 месяца. Протекаемость диафрагмы постепенно падает, одновременно растет и концентрация щелочи в католите. Для увеличения срока службы диафрагмы в состав асбеста рекомендовано вводить некоторые синтетические материалы в качестве покрытия или связи.

Ток к днищу электролизера подводят с помощью анодной шины, а к катоду с помощью закрепленной на корпусе шины. Корпус и днище стягивают между собой через резиновую подкладку с помощью стяжных болтов. Крышка (из гуммированной стали, титана или стеклопластика) крепится к фланцу корпуса через резиновую прокладку стяжными болтами и имеет разрывную мембрану. На корпусе крепится сливное приспособление, регулирующее уровень католита в электролизере, для уменьшения потерь электроэнергии за счёт утечек тока имеется капельница, которая служит для разрыва струи электрощелочи из электролизера, и вакуумметр, показывающий давление водорода в электролизере. На крышке имеются штуцера для отвода анодного газа, для ввода в электролизер рассола, для закрепления поплавкового показателя уровня анолита, для термометра и вакуумметра. Хлор из электролизера отводят в рядовой коллектор хлора, водород через выводной штуцер в корпусе и патрубок — в рядовой коллектор водорода. Электрощелока через сливное устройство выводят в рядовой коллектор электрощелоков, затем в сборник электрощелоков. Далее электрощелока откачиваются центробежными насосами  в отделение выпарки электрощелоков  в емкости для щелочи, на внутреннее потребление и на санитарную колонну. Рассол в электролизер подают из рядового коллектора рассола через ротаметр.

 Материалы, применяемые для  изготовления электролизера: ВСт.3сп2 ГОСТ 380, сплав ВТ1-0    

 ГОСТ 19807, медь М1 ГОСТ 859, алюминий  АДО ГОСТ 4784, АД317 ГОСТ 15176.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

         2.1 Материальный расчет

  Материальный  баланс  электролизера  можно  рассчитать,  исходя  из заданной  токовой нагрузки I  60 кА, Вт = 93 %.

Прежде всего, необходимо определить количество выделившегося  хлора за один час, количество выделившегося за час водорода и количество выделившейся за час 100% щелочи. Расчет можно произвести, используя закон Фарадея.

 

где - количество выделившегося за час хлора, кг; - электрохимический эквивалент хлора, кг/А^.ч; I- сила тока, А; В_Т- выход по току, доли единицы.

В_Т- принимаем 0,98; I-60000 А, исходя из задания на проектирование.

где - количество выделившегося за час водорода, кг; - электрохимический эквивалент водорода, кг/А^.ч; I- сила тока, А; В_Т- выход по току, доли единицы.

 

Определяем 

где - количество выделившегося за час 100% щелочи, кг; - электрохимический эквивалент едкого натра, кг/А^.ч; I- сила тока, А; В_Т- выход по току, доли единицы.

   В интервале  щелочи от 75г/л до 155г/л выход по току можно принять 0,98.

 где  -количество католита, л\ч; С - концентрация щелочи в католите, принимаем 120 г\л.

Исходя из концентрации щелочи в католите и состава рассола  после очистки, определяем объем  питающего рассола:

где  - количество католита, кг; Vs - объем питающего рассола, л; M₁ - концентрация хлорида натрия в католите, моль/л; М₂ - концентрация щелочи в католите, моль/л; М₃ - концентрация примесей в католите, моль/л; Ms -  концентрация хлорида натрия в питающем рассоле, моль/л.

Поскольку концентрация примесей незначительна, ею можно пренебречь, тогда:

где М₁=М_S-0,796М₂

Тогда

Чтобы от С перейти к мольной концентрации, нужно

где С - концентрация, г/л; М_м- молекулярная масса, г/моль, М_NaOH = 40,0 г/моль.

Принимаем концентрацию рассола C_NaCl = 310 г\л. M_NaCl, = 58,45 г/моль.

М₁=5,3-0,796^.3,12=2,82 моль/л

Определим степень разложения:

При нормальной работе электролизера  степень разложения соли находится в пределах 45%.

 Объем выделившегося хлор - газа  определяется по формуле:

      где Т = 273 + t, M -молекулярная масса хлора, г /моль. 
t электролиза примем 90 °С 
                                                Т = 273+90==363К

- парциальное давление хлора, Па;

где - парциальное давление паров воды над раствором хлорида натрия при температуре электролита. Па.

Р=101330Па

=48000

Количество  воды, уносимое хлор - газом определяют по формуле:

где - влагосодержание хлора при температуре отходящего газа. 
Приняв депрессию над анолитом 7 °С, при t = 83 °С равно 0,329 кг/м.

Объем водорода, выделившегося при электролизе, определяется как: 

где молекулярная масса водорода.

Количество воды, уносимое с водородом, определяется как: 

влагосодержание водорода при температуре  отходящего газа.

Приняв депрессию над католитом 9 °С, при t = 81 °С равно 0,305 кг/м.

          2.1 Приходные статьи баланса

2.1.1 Приход по натрию.

Количество  натрия в питающем рассоле, кг/ч:

где С₁ - концентрация хлорида натрия в питающем рассоле. г/л;

Vs - объем питающего  рассола. л,

М_Na - молекулярная масса натрия.

Количество  натрия с карбонатом натрия в питающем рассоле, кг/ч:

где С₂ -концентрация карбоната натрия в питающем рассоле г/л; 

-молекулярная масса карбоната  натрия.

Принимаем С₂ =0,4 г/л, исходя из требований к очищенному рассолу.

Количество  натрия с едким натром питающего рассола, кг/ч:

где С₃ - концентрация едкого натра в питающем рассоле;

МNa0H - молекулярная масса гидроксида натрия, она равна 40 моль;

С₃ = 0,1 г/л, исходя из требований к очищенному рассолу.

2.1.2 Приход по хлору.

Количество хлора, пришедшее  с хлоридом натрия питающего раствора, кг/ч:

где   С₁ - концентрация хлорида натрия в питающем рассоле, г/л;

-атомная масса хлора.

 Принимаем С₁ = 310г/л .

2.1.3 Приход по водороду.

Количество  воды в питающем рассоле, кг/ч:

где  d₁ — плотность питающего рассола, г/смЗ;

∑С- сумма концентраций компонентов в рассоле (NaCl, NaOH, Na₂СО₃), г/л. 
d₁ =1,194 г/см

∑С =310+0,4+0.1 =310,5 г/л

g₁ = 1,194^. 1000-310,5 = 883,5кг/ч.

Количество  водорода с водой питающего рассола, кг/ч:

-молекулярная масса воды;

А_Н-атомная масса водорода.

Количество водорода, пришедшее  со щелочью питающего рассола

где С₁- концентрация щелочи в питающем рассоле, г/л, она равна 0,1 г/л.

2.2 Расходные статьи баланса.

2.2.1 Расход по натрию. 
Количество натрия, ушедшее со щелочью электролита, кг/ч:

где С₁- концентрация едкого натра в католите, г/л;

V_к -количество католита, кг.

Количество  натрия, ушедшее с хлоридом натрия католита кг/ч:

где С₂ -   концентрация хлорида натрия в католите, примем 170 г/л исходя из оптимального режима электролиза.

Количество  натрия, ушедшее с хлоратом натрия католита, кг/ч.

где С₃ - концентрация хлората натрия в католите, г/л;

М_NaClO3 -молекулярная масса хлората натрия.

Примем С₃ =0,6г/л.

Количество  натрия, ушедшее с карбонатом натрия католита, кг/ч:

где С₄ -концентрация карбоната натрия в католите, г/л.

Примем С₄ =0,7 г/л.

2.2.2 Расход по хлору.

Количество  хлора, ушедшее с хлоридом натрия католита, кг/ч:

где С₁-  концентрация хлорида натрия в католите, г/л;

А_Cl -атомная масса хлора.

Количество  хлора, ушедшее с хлоратом натрия католита, кг/ч:

где С₂ - концентрация хлората натрия в католите, г/л.

Примем С₂ =0,6.

Количество  хлора, ушедшее с хлор - газом, кг/ч: