Синтез и анализ ХТС в производстве гидроксида натрия и хлора из водного раствора хлорида натрия (стр. 2 из 3)
Диафрагменные электролизеры могут быть двух типов: с вертикально расположенными катодами с верхним или нижним токоподводом, или с горизонтально расположенными катодами. В настоящее время повсеместно используются электролизеры первого тпа (рис 2).
Рис. 2. Электролизер вертикального типа: 1 – перфорированный катод, 2 – диафрагма, 3 – катодное пространство, 4 – анод, 5 – анодное пространство.
Электролизер состоит из герметически закрытого корпуса, что исключает подсос воздуха и загрязнение им газообразных продуктов электролиза, анода, катода и диафрагмы. Он снабжен устройствами для подвода рассола и отвода щелока, хлора и водорода. Катод
электролизера изготовлен из перфорированной листовой стали или стальной сетки, натянутой на каркас. Катод может иметь различную конфигурацию. Диафрагму электролизеров изготавливают из асбеста, устойчивого к слабокислой, щелочной среде и действию хлора. Диафрагмы могут быть двух типов: листовые и осажденные. Листовые диафрагмы изготавливают из тонких листов асбестового картона, плотно прилегающих к катоду, осажденные - из специально подготовленного асбестового волокна, наносимого в виде пульпы на поверхность катода и насасываемого на него. В табл. 2. приведены характеристики наиболее распространенных современных электролизеров с металлооксидными анодами БГК-50/25 и БГК-100, различающиеся производительностью.Таблица 2
Характеристики электролизеров с железным катодом и металлооксидными анодами
| Показатели | Тип электролизера | |
| БГК-50/25 | БГК-100 | |
Сила тока (нагрузка на ячейку), кА | 50 | 100 |
| Число ячеек (электролизеров) | 1 | 1 |
| Напряжение, В | 3,40 | 3,45 |
| Выход по току, дол. ед. | 0,96 | 0,96 |
| Срок службы электродов, лет | 4 | 4 |
| Концентрация NaOH в щелоке, г/л | 120-140 | 120-140 |
| Концентрация хлора, не менее об. дол. | 0,965 | 0,975 |
| Концентрация водорода, не менее об, дол. | 0,995 | 0,995 |
| Производительность по 100% NaOH, т/сутки | 1,72 | 3,44 |
В цехе электролиза, отдельные ячейки (электролизеры) объединены в группы до 150 штук. Тогда суммарное напряжение электролиза составит 3,4·150 = 510 В.
Разновидность диафрагменного способа - более совершенный процесс электролиза в электролизерах с ионообменной мембраной. В таких электролизерах анодное и катодное пространства разделены полимерной мембраной, которая предотвращает попадание хлорида натрия из анодного пространства в которое подается рассол, в катодное и препятствует переносу ионов ОН- к аноду электролизера. Хлор выделяется на аноде и выводится из анодного пространства вместе с обедненным рассолом. Ионы натрия и частично молекулы воды проходят через мембрану к катоду, куда подается вода в количестве, необходимом для образования щелока заданной концентрации. Электролизеры мембранного типа различаются числом ячеек (от 40 до 80) и имеют мощность до 80 тысяч тонн в год по гидроксиду натрия. В отличие от электролизеров с асбестовой диафрагмой нагрузка на ячейку (сила тока) значительно ниже и не превышает 7,5 кА. Поэтому электролизеры с ионообменной мембраной значительно экономичнее диафрагменных.
1.3. Электролиз раствора хлорида натрия с ртутным катодом
На ртутном катоде разряд ионов гидроксония Н3О может происходить только при малых, менее 50 А/м, плотностях тока. В условиях промышленного электролиза водных растворов хлорида натрия в электролизерах с ртутным катодом плотность тока составляет 5-10 кА/м2. При такой плотности тока, вследствие перенапряжения потенциал разряда ионов Н3О составляет +2,0 В. В то же время, за счет растворения выделившегося металлического натрия в ртути, образуется амальгама Natign, представляющая качественно новый электрод, потенциал разряда натрия на котором составляет +1,2 В. Поэтому, на катоде будут разряжаться ионы натрия.
Первичные процессы разряда на аноде при электролизе с ртутным катодом те же, что и при электролизе с железным катодом. В табл. 3. приведены потенциалы разряда ионов и уравнения первичных процессов при электролизе с ртутным катодом.
Таблица 3
Электролиз с ртутным катодом
| Электрод | Потенциал разряда, В | Первичная реакция | ||
| Ер | Епер | Е | ||
| Катод | +2,71 0,84 | - 0,26 | +2,71 +1,10 | Na+ + ē® Na H3O+ |
| Анод | -0,83 -1,33 | -1,07 -0,27 | -1,90 -1,60 | OH- Cl- - ē = 0,5 Cl2 |
Теоретическое напряжение разложения равно:
VT = Ek + Ea = +1,2-(-1,6) = 2,8 В
Практически, при проведении электролиза с ртутным катодом на токоподводах электролизера поддерживается напряжение, равное 4,5 В.
Вторичные процессы при электролизе водного раствора хлорида натрия с ртутным катодом сводятся к реакци:
- разложение амальгамы натрия водой вне электролизера в разлагателе:
NaHgn + H2O®- NaOH + 0,5H2 + nHgn
- растворение натрия в ртути и образование жидкой амальгамы натрия в катодном пространстве.
Так как в электролизе с ртутным катодом не происходит разряда ионов НзО+, то концентрация ионов гидроксила в катодном пространстве электролизера не увеличивается и вторичные процессы в анодном пространстве отсутствуют.
Суммируя уравнения реакций первичных процессов и вторичных процессов образования и разложения амальгамы натрия, получаем уравнение процесса электролиза, идентичное ранее полученному:
NaCI ® Na + 0,5Cl
Na + nHg ® NaHgn
NaHgn + H2O ® NaOH + 0,5H2 + nHg
NaCl + H2O ® NaOH + 0,5H2 + 0,5Cl2в разлагателе у анода
Электролизер, используемый в процессе электролиза с ртутным катодом, состоит из собственно электролизера (ванны) и разлагателя. Конструктивно разлагатель может быть объединен в одно целое с электролизером или вынесен отдельно. По дну ванны, имеющему небольшой уклон, непрерывно движется тонкий (толщиной 5 мм) слой ртути, являющийся катодом. Образующаяся в процессе электролиза жидкая амальгама натрия концентрацией не более 3×10-4 масс. дол., самотеком поступает в разлагатель, куда подается вода. Из разлагателя, выделяющийся водород поступает в общий коллектор, а раствор гидроксида натрия концентрацией 0,5 масс. дол. направляется в сборник щелока. На рис. 3. приведена принципиальная схема электролиза с ртутным катодом.
В табл. 4. даны характеристики наиболее распространенных электролизеров с ртутным катодом.
Таблица 4
Характеристики электролизеров с ртутным катодом
| Показатель | Тип электролизера | |
| Р-101 | Р-300 | |
| Сипа тока (нагрузка), кА | 150 | 300 |
| Напряжение, В | 4,6 | 4,7 |
| Выход по току, дол. ед. | 0,95 | 0,95 |
| Расход энергии на 1 т Cl2, кВт×ч | 3620 | 3680 |
| Производительность по Сl2, т /сутки | 4,5 | 9,04 |
Сопоставление диафрагменного и ртутного методов производства едкого натра и хлора позволяет заключить, что:
- электролизеры с ртутным катодом потребляют больше энергии вследствие высокого напряжения разложения, эксплуатация их сложнее, капитальные затраты выше, а условия труда из-за токсичности ртути тяжелее. Однако в них можно получать более концентрированные и свободные от хлорида натрия щелока, что об легчает последующее выделение гидроксида натрия,
- электролизеры с железным катодом позволяют использовать в качестве сырья подземные рассолы, тогда как в ваннах с ртутным катодом применяется только чистая соль. Их недостаток - высокое (до 0,04 масс. дол. против 0,0005 масс. дол. в ртутных ваннах) содержание в щелоке хлорида натрия, затрудняющее его переработку.
Себестоимость гидроксида натрия полученного электролизом с ртутным катодом на 10-15% выше, чем себестоимость полученного диафрагменным методом.
Дальнейшее совершенствование процесса производства гидроксида натрия и хлора электрохимическим методом заключается в:
- разработке процесса, сочетающего диафрагменный и ртутный методы, в котором твердый хлорид натрия, полученный выпариванием обратного щелока из диафрагменного электролизера, поступает на донасыщение анолита из ванн с ртутным катодом,
- внедрение электролизеров диафрагменного типа с ионообменной мембраной.
1.4. Переработка продуктов электролиза
Электролиз водного раствора хлорида натрия используется для промышленного производства гидроксида натрия. В качестве побочного продукта при этом получается водород.
Переработка щелока в гидроксид натрия. Электролитический щелок, получаемый электролизом с ртутным катодом, не содержит хлорида натрия. Для получения из него гидроксида натрия щелок упаривают до заданной концентрации и затем обезвоживают. Щелок, получаемый электролизом с железным катодом, содержит 170—200 г/л хлорида натрия. Процесс переработки этого щелока заключается в выделении из него хлорида натрия, возвращаемого в технологический процесс, упаривании раствора и обезвоживании полученного плава едкого натра для получения твердого продукта. Выделение хлорида натрия из щелока основано на его изотермической кристаллизации. Растворимость хлорида натрия в водных растворах гидроксида натрия понижается с увеличением концентрации последнего.