发布时间 : 星期日 文章年产20万吨烧碱电解工段的初步工艺设计更新完毕开始阅读
湖南科技大学本科生毕业设计（论文）
生产成本影响极大，各国始终的把降低能耗作为电解法的核心问题。通过运用先进设备，提高电解槽的电能效率和碱液蒸发热能的利用率，来降低烧碱的电耗和蒸汽消耗。因此，开辟节约能源新途径，具有重要意义。
（Ⅱ） 氯与碱的平衡 电解食盐水溶液时，按固定质量比例(1:0.85)同时产出烧碱（NaOH）和氯气两种联产品。在一个国家和地区，对烧碱和氯气的需求结构不一定符合烧碱和氯气的供给结构，因此出现了烧碱和氯气的供需平衡问题。一般情况下，发展中国家工业发展的初期用氯量较少，由于氯气又不宜长途运输，所以总是以氯气需用量来决定烧碱产量，往往出现烧碱短缺。在石油化工和基本有机原料发展较快的国家和地区用氯量较大，因此出现烧碱过剩。总之，烧碱与氯气的平衡问题始终是氯碱工业发展中的恒定矛盾。
（Ⅲ） 腐蚀和污染 氯碱产品如烧碱、盐酸等具有强腐蚀性，在生产过程中使用的原材料如石棉、汞、含氯废气等都可能对环境造成污染，因此防止腐蚀和环境污染也一直是氯碱工业努力革新的方向。
电解法生产烧碱，根据电解槽结构、电极材料和隔膜材料的不同可分为水银法、隔膜法和离子交换膜法。20世纪70年代中期水银法在发达国家的氯碱工业中占有相当重要的地位，但因汞有毒性，70年代末该法开始被逐渐淘汰。隔膜法是最早出现的食盐水电解技术，已历经多次技术革新。隔膜法电解槽中采用的石棉隔膜有一定的局限性。离子膜法师20世纪70年代发展的新技术，其电极反应与隔膜法的完全相同，但用离子交换膜代替石棉隔膜，离子交换膜反应器组装灵活，单原料进入和产物排放用的管道很多，此外因受到离子膜尺寸的限制，反应器单元的生产能力较小。
本设计参照中盐株洲化工集团的氯碱生产工艺，选择隔膜法电解生产烧碱。
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第二章 隔膜法电解制烧碱
2.1 隔膜法制烧碱的基本原理
2.1.1 基本原理
NaCl水溶液中，主要存在四种离子：Na+、Cl-、H+、OH-。电解槽的阳极通常使用石墨电极或金属涂层电极；阴极用铁丝网或冲孔铁板；中间的隔膜由一种多孔渗透件材料做成，多采用石棉，将电解槽分隔成阴极室和阳极室两部分，使阳极产物与阴极产物分离隔开，可使电解液通过，并以一定的速度流向阴极。目前，工业上较多使用的是立式隔膜电解槽，工作原理如图3.1所示。
图3.1 立式隔膜电解槽示意图
饱和食盐水由阳极室注入，使阳极室的液面高于阴极室的液面，阳极液以一定流速通过隔膜流入阴极室以阻止OH-的返迁移。得到产品氢气、氯气分别从阴极室和阳极室上方的导出管导出，氢氧化钠则从阴极室下方导出。
此过程中发生的电极反应如下： 阴极反应：2H+ + 2e === H2↑ 阳极反应：2Cl- - 2e === Cl2↑
电解总反应：2NaCl + 2H2O === H2↑+ Cl2↑+ 2NaOH
在电解过程中，由于阳极产物的溶解，以及通电时阴阳极产物的迁移扩散等原因，在电解槽内还会有一系列的副反应发生。
Cl2 + H2O === HClO + HCl
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ClO- + 2[H] === Cl- + H2O
副反应的发生，不但会降低碱和氯的产量，而且还会降低电流效率。为了减少副反应的发生，在生产中采取的主要措施如下：
(1) 采用精制的饱和食盐水溶液并控制在较高的温度下进行电解，以减少氯气在阳极液中的溶解度。
(2) 保持隔膜的多孔型和良好的渗透率，使能阳极液正常均匀地透过隔膜，阻止两极产物的混合和反应。
(3) 保持阳极室的液面高于阴极室的液面，用一定的液位差促进盐水的定向流动而阻止OH-由阴极室向阳极室的扩散。 2.1.2 电压效率及槽电压
（1）理论分压 为了增大食盐水的电导和减少氯在食盐水中的溶解以抑制副反应,电解时常常采用浓度高的接近于饱和的食盐水，含氯化钠约为300-330㎏/m3.按吉布斯-亥姆霍兹公式计算,此条件下的食盐水的理论分压为2.17V。计算如下：
E=
QdE + T nFdT对于从食盐水生成的氯、氢和氢氧化钠的电解过程来说,式中： Q—由氯化钠和水生成氯、氢和氢氧化钠的热反应的，J
dE/dT—分解电压的浓度系数,对氯化钠的水溶液的电解来说,浓度系数等于-0.0004V/K。
氯化钠的水溶液电解的总过程可以写为：
NaCl + H2O = NaOH + 1/2Cl2 + 1/2H2
其热效应可以根据盖斯定理计算，由元素生成的氯化钠的生成热为：
Na +1/2Cl2 = NaCl +409.0KJ
氯化钠在水中的溶解热为-1.9KJ/mol 由钠和水生成的氢氧化钠溶液的热效应为：
Na + H2O = NaOH + 1/2H2 +185.8kJ/mol
分解氯化钠的水溶液所需要的热量为：
Q = 409.0 + (-1.9)－185.8=221.75kJ/mol
代入公式求得25℃时的氯化钠的理论分压为：
E=
221.5?1000－0.0004×298=2.17V
1?96500（2）槽电压 电解槽两极上所加的电压称为槽电压，槽电压Em包括:理论分压E、过电位E0、电流通过电解液的电压降?EL和通过电极、导线、接点、等的电压降?ER，即
E槽=E+E0+?EL+?ER
理论分压E对槽电压EM之比，称为电压效率ηE,即：
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ηE=(E/E槽)×100%
隔膜法的电压效率一般在60%左右。隔膜电解槽的槽电压一般为3.2-3.8V，本设计采用的槽电压为3.34V，则理论分压2.17V可知：
ηE=
2.17×100%=64.98% 3.34电能效率η为电压效率与电流效率的乘积，即
η= ηE ·ηI
也可以写成:
η=
生产1t烧碱理论电能消耗
生产1t烧碱实际电能消耗而理论上生产1t氢氧化钠时消耗的电量为：
Q0=
1?1000000?96500=2.413 GC
40按理论分压为2.17V计算，耗用的电能为：
W0=2.17×2.413=5.24GW·s (1460KW·h)
本设计采用95%的电流效率，则耗电量为：
Q=
2.413=2.54 GC 0.95而采用槽电压为3.34V,则消耗的电能为:
W=3.34×2.54=8.48GW·s(2400KW·h)
电能效率为：
η=
5.24×100%=61.72% 8.482.2 电极和隔膜材料的选择
2.2.1 阳极材料
由于电解槽的阳极是直接地持续地与化学性质十分活泼，且腐蚀性较强的湿氯气、盐酸和次氯酸等接触，因此阳极材料应具有较强的耐化学腐蚀性，同时具有对氯的过电压低，导电性能良好，机械强度高而且易于加工，来源广泛和使用寿命长等特点。目前国内外氯碱工业中普遍采用的电极是石墨阳极和金属阳极。
金属阳极与石墨阳极相比较有如下优点：
（1）生产能力高 金属阳极能耐高电流密度，一般情况下可达15~17A/dm2，为石墨电解槽电流密度的2倍，国外的MDC型和Hooker型电解槽可达20 A/dm2。这就大大提高了单槽生产能力。
（2）产品质量好 金属阳极性能稳定，碱液无色透明，浓度高，氯气中无CO、CO2等杂质，纯度高。
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