166632 (625067), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

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 Natig_n, 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:

V_T = E^k + E^a = +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:

NaHg_n + H₂O- NaOH + 0,5H₂ + nHg_n

- 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 NaHg_n

NaHg_n + H₂O NaOH + 0,5H₂ + nHg

N aCl + H₂O NaOH + 0,5H₂ + 0,5Cl₂

в 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 310^-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

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.

Поэтому при упаривании щелока из него выпадает растворенный в нем хлорид натрия. Упаривание до концентрации выше 50% масс. практически нецелесообразно, так как за этим пределом растворимость хлорида натрия почти не изменяется. Выделившийся хлорид натрия после охлаждения раствора отделяют на фильтре, промывают и вновь используют для электролиза (обратная соль).

В некоторых отраслях промышленности используют твердый едкий натр. Для его получения очищенный от хлорида натрия и упаренный щелок обезвоживают (плавят) в котлах, обогреваемых топочными газами, или в вакуум-выпарных установках непрерывного действия, обогреваемых высококипящим органическим теплоносителем - даутермом (смесь дифенила и диоксида).

Технический гидроксид натрия (едкий натр) выпускают в твердом виде (плавленный и в виде чешуек) с содержанием NaOH не менее 95% (ГОСТ 2263-71) и в виде водного раствора с содержанием NaOH не менее 610 г/л (ГОСТ 11078-71).

2. Технологическая часть

2.1. Характеристика исходного сырья

Исходным компонентом при производстве едкого натрия является хлорид натрия. При производстве применяют также карбонат натрия и соляная кислота.

Натрия хлорид (поваренная соль, каменная соль) NaCl, бесцветные мало гигроскопичные кристаллы с кубической гранецентрирированной решеткой (а = 0,56402 нм, пространственная группа Fm3m, z = 4); Т_ПЛ = 801°С, Т_кип. = 1413°С; плотность - 2,161 г/см³ (20°С); С_р° - 50,50 Дж/(мольК); АН°_ПЛ -28,20 кДж/моль, Н°_обр - 411,26 кДж/моль; S⁰₂₉₈ = 72,15 Дж/(мольК).

В равновесном паре содержится 83 молекулярных % NaCl и 17% Na₂Cl₂. Растворимость в воде (г в 100 г): 35,68 (10°С), 35,87 (20°С), 36,80 (50°С), 38,12 (80°С). Растворимость в жидком NH₃, спиртах, этиленгликоле, муравьиной кислоте, не растворим в соляной кислоте. В интервале от -21,2 до 0,15°С кристаллизуется дигидрат NaCl-2H₂O; плотность 1,6 г/см³; давление водяного пара над ним изменяется от 91,77 (-21,2°С) до 462,84 Па (0,15°С). Насыщеннный водный раствор (28,41% по массе NaCl) кипит при 108,7°С.

В природе хлорид натрия встречается в виде минерала галита (каменная соль), в воде океанов и морей, рапе соляных озер и подземных рассолах.

Хлорид натрия производят из природного сырья. Добыча каменной соли осуществляется закрытым способом (реже - открытым) с применением подземного выщелачивания. Добыча самосадочной соли из соляных озер производится механическим способом, озерную соль промывают рапой, центрифугируют и сушат. Садочную (бассейновую) соль получают естественным испарением морских и озерных рассолов в системе специально устроенных бассейнов, в местностях с холодным климатом используют вымораживание. Выварочную соль (наиболее чистая) производят упариванием естественных или искусственно полученных и очищенных рассолов в вакуум-выпарных аппаратах. Для технических целей применяют каменную и самосадочную соль, для пищевых - выварочную, самосадочную и садочную. Производят специальные сорта хлористого натрия: йодированную, брикетированную и исслеживающуюся, чистую с содержанием хлористого натрия выше 99,9% по массе. Хлорид натрия - пищевой продукт, консервирующее средство, сырье для получения Na₂CO₃, Cl₂, NaOH, хлорной извести и др.; его применяют более чем в 1500 производств различных веществ и материалов. Мировое производство около 175 млн. т/год (1980). ПДК в воздухе 1,0 мг/м³.

Натрия карбонат (кальцинированная сода) Na₂CO₃, бесцветные кристаллы; до 350 °С существует -модификация (см. табл. 5), в интервале 350-479 °С - с моноклинной кристаллической решеткой, а выше 479°С -гексагональная модификация (а = 0,5215 нм, с = 0,6584 нм, z = 2, пространственная группа Р6₃тс); Н⁰ переходов и соответственно 0,80 и 2,1 кДж/моль; Т_пл. = 858°С; Н°_ПЛ = 28 кДж/моль.

Гигроскопичен. Растворимость в воде = 17,69% по массе (20 °С); Н⁰ растворения для бесконечно разбавленного раствора - 26,65 кДж/моль; растворы имеют сильнощелочную реакцию. Ниже 32°С из водных растворов кристаллизуется декагидрат, в интервале 32-35°С - гексагидрат, выше 35°С - моногидрат, а выше 112,5 °С - безводная соль. В природе карбонат натрия встречается в виде грунтовых рассолов, рапы в озерах и минералов-натрона Na₂CO3·10H₂O, термонатрита Na₂CO₃·H₂O, троны Na₂CO3·NaHCO₃·2H₂O. В России мощность месторождений природного карбонат натрия около 4 млн. т. Крупные запасы карбонат натрия сосредоточены в США, Канаде, Кении, Мексике, ЮАР и др.

Характеристики

Список файлов курсовой работы