年产10万吨隔膜烧碱工艺设计-电解车间毕业设计

〔2021届〕本科毕业设计〔论文〕资料题目名称：年产10万吨隔膜烧碱工艺设计——电解车间学院〔部〕：包装与材料工程学院专业：应用化学学生姓名：邵春林班级：应化092学号09404600231指导教师姓名：陶炳职称高级工程师最终评定成绩：湖南工业大学教务处2021届本科毕业设计〔论文〕资料第一局部毕业论文〔2021届〕本科毕业设计〔论文〕题目名称：年产10万吨隔膜烧碱工艺设计——电解车间学院〔部〕：包装与材料工程学院专业：应用化学学生姓名：邵春林班级：应化092学号09404600231指导教师姓名：陶炳职称高级工程师最终评定成绩：2021年6月摘要烧碱，作为一种根本的化工原料，在工业生产的很多领域都有着广泛的用途。过程包括盐水精制、电解和产品精制等工序，其中主要工序是电解．工业上采用隔膜电解法、水银电解法和离子膜电解法．离子膜法工艺是烧碱生产的开展方向，但由于我国离子膜法烧碱“使用超前、研发滞后〞的特点非常明显，国内没有掌握离子膜法烧碱的核心要素——离子膜。目前我国离子膜法烧碱装置所用离子树脂交换膜全部依赖进口，1万t/a离子膜法装置需100m2计，目前我国大约需56000m2离子树脂交换膜，仅购膜费用折合人民币为3.4亿元，高额的购膜费用增加了离子膜法烧碱的生产本钱，生产1t烧碱增加100元。与兴旺国家相比，我国离子膜法生产工艺存在连续运行时间短、能耗偏高的问题，鉴于此，根据我国烧碱消费水平和氯碱生产装置的现状，金属阳极隔膜电解槽与离子膜电解槽将较长时间在我国共存。尽管离子膜法制碱技术开展迅猛,但隔膜法制碱技术要退出历史舞台还需较长的时间。隔膜电解法制碱的最大优点是装置投资少、建设期短、见效快,管理相对容易,技术成熟;设备均可采用国产设备；在相同的产能条件下,具有设备数量少、投资少、见效快的优势。隔膜电解制碱技术生产设备容易制作，材料便于取得，在电源比拟丰富或电价比拟低廉，对于烧碱含盐量的要求又不很苛刻的地区，特别是有地下盐水或附近有联合发电与供汽设施的地区，仍在普遍采用。因此，进行隔膜烧碱厂的设计就很有必要了。本设计采用了新的电解制碱技术——隔膜电解制碱技术，在此设计中，对隔膜、电解槽进行选择，烧碱生产包括以下工序：盐水精制、蒸发碱液、固碱生产，氯气枯燥。本次设计是针对该工艺的核心局部电解工艺进行设计思考。本设计说明书包括：烧碱生产中电解原理与生产工艺流程的论证，物料与热量衡算，主体设备的设计与选型，以及车间人员布置原那么，防腐平安等内容。通过设计我们完成了10万吨级别的烧碱的产生工艺设计。关键词：烧碱，隔膜，电解ABSTRACTCausticsoda,asakindofbasicchemicalrawmaterials,inmanyareasofindustrialproductionhasawiderangeofUSES.Includingbrinerefiningprocess,productsrefinedandelectrolyticprocess,themainprocessistheelectrolytic.Industrybydiaphragmelectrolysismethod,mercuryelectrolysisandionicmembraneelectrolysismethod.Ionmembraneprocessisthedevelopmentdirectionofcausticsodaproduction,butduetoionicmembranecausticsodainChina"useadvanced,researchanddevelopmentlagsbehind"isveryobvious,thecharacteristicsofdomesticdidn'tgraspthecoreelementsofionicmembranecausticsoda-ionicmembrane.Atpresent,theionexchangeresinmembraneusedinionicmembranecausticsodaunitallrelyonimports,10000t/aionicmembranedeviceneedstobe100m2,atpresentourcountryabout56000m2ionexchangeresinmembrane,onlyforfilmfeeis340millionyuan,highpurchasefilmfeesincreasethecostofionicmembranecausticsodaproduction,causticsodaproduction1tanincreaseof100yuan.Comparedwiththedevelopedcountries,theproductionmethodofionicmembranelawcontinuousoperationtimeisshort,theproblemofhighenergyconsumption,inviewofthis,accordingtothecausticsodaconsumptionlevelandthecurrentsituationofchlor-alkaliproductionplant,metalanodediaphragmelectrolyserandionicmembraneelectrolyserwillco-existinChinaforalongtime.Althoughalkaliionicmembranelawtechnologydevelopingrapidly,butthediaphragmalkalitechnologylegalsystemstillneedlongertimetoquitthehistoricalstage.Diaphragmelectrolysisalkalilegalsystemthebiggestadvantageislessinvestment,shortconstructionperiod,quickeffect,managementisrelativelyeasy,maturetechnology;Equipmentallcanusedomesticequipment;Undertheconditionofthesamecapacity,withlessequipment,lessinvestment,quickeffectofadvantage.Diaphragmelectrolysisalkaliproductiontechnology,productionequipmentiseasytomake,materialiseasytoobtain,isrichinpowerorelectricitypriceischeap,butnotverystricttotherequirementofcausticsodasalinityarea,especiallyneartheundergroundbrineorhavejointpowerandsteamsupplyfacilitiesarea,arestillincommonuse.Therefore,forthedesignofdiaphragmcausticsodaplantisverynecessary.Thisdesignadoptedanewelectrolyticalkaliproductiontechnology,thediaphragmelectrolysisalkaliproductiontechnology,inthisdesign,tochooseofdiaphragm,electrolyser,causticsodaproductionincludesthefollowingprocesses:brinerefining,evaporationalkali,solidalkali,chlorinegasdrying.Thisdesignisaimedatthecoreoftheprocesspartoftheelectrolyticprocessfordesignthinking.Thisdesigninstructionincludes:principleandproductionprocessofcausticsodaintheproductionofelectrolytic,materialandheatbalance,mainequipmentdesignandselection,andworkshoppersonnelarrangementprinciple,anti-corrosionsafety,etc.Throughthedesignwefinished-othercausticsodaproductionprocessKeywords:causticsoda，diaphragm，electrolysis目录第1章总论………………11.1概述…………………11.1.1意义与作用……………………11.1.2国内外的差距、现状与开展前景………………2.1国内金属阳极隔膜电解槽与国外先进水平的差距…2.2国内金属阳极隔膜电解槽的现状…………2.3隔膜电解法的开展………3.4相关技术的开展…………31.2产品性质与用途……………………51.3原材料规格及技术指标……………51.3.1原材料规格……………………51.3.2技术指标………………………61.4我国烧碱工业存在的问题和隔膜法与离子膜法的比拟…………61.4.1我国烧碱工业存在的问题……………71.4.2隔膜法与离子膜法的比拟…………7第2章工艺流程……………92.1电解工序的生产原理及工艺概述…………………92.1.1工业上应用电解原理制烧碱的几种方法的比拟……………隔膜法…………………….水银法………………离子交换膜法……………102.1.2生产原理概述…………………隔膜工作原理………….电解工作原理…………102.2工艺流程……………122.2.1具体工艺路线………………122.2.2工艺流程示意图……………13第3章工艺计算……………143.1电解车间物料衡算…………………143.1.1化学反响平衡………………143.1.2溶液上方蒸汽压计算………133.1.3送入电解槽盐水量…………143.1.4副反响……………………163.2电解车间热量衡算………………193.2.1带入电解槽热量……………193.2.2带出电解槽热量……………20第4章主要设备选型和计算………………224.1隔膜电解槽的选择……………224.1.1阴极与阳极材料的选择……………………224.1.2电解槽防腐蚀玻璃钢的设计与制作………234.2精盐水高位槽………………………264.3精盐水预热器………………………274.4电解碱液集中槽…………………274.5电解液贮槽…………28第5章非工艺局部…………295.1人员配备…………295.2车间布置…………295.3平安生产…………305.3.1平安产生考前须知…………305.3.2平安措施……………………305.4电解系统设备的防腐……………305.4.1阳极液系统的防腐…………305.4.2阴极液系统的防腐…………315.4.3隔膜电解槽的防腐………315.5环保与三废处理…………………315.6隔膜法烧碱节能减排措施………………325.6.1提高入槽盐水质量…………325.6.2除槽时阴阳极液的回收……………………325.6.3降低蒸发工序动力电耗……………………33第6章技术经济指标分析……………………346.1主要工艺参数…………………346.1.1成品固碱的组成……………346.1.2各主要物料的实际消耗量…………………346.1.3主要产品及副产品…………356.1.4工资及各项物料、能量价格表……………356.1.5建设期每年资金投入………366.2投资估算…………366.2.1各种费用投资估算…………366.3本钱估算………………………376.3.1各种本钱费用估算………376.4收入、税金和利润……………386.4.1收入、税金和利润的计算…………………386.4.2投资回收期………………39结论…………41参考文献……………………42致谢…………44附录…………45第1章总论1.1概述1.1.1意义与作用隔膜电解法与水银电解法、离子膜电解法、比拟总能耗(包括电、蒸气)最高；氢氧化钠产品〔固体〕含有3％左右的氯化钠,不能用于人造丝与合成纤维的生产；隔膜所用的细微石棉纤维，吸入肺内有损健康。但因生产设备容易制作，材料便于取得，在电源比拟丰富或电价比拟低廉，对于烧碱含盐量的要求又不很苛刻的地区，特别是有地下盐水或附近有联合发电与供汽设施的地区，仍在普遍采用。20世纪80年代初期，隔膜电解法在世界氯碱工业总的生产能力中约占55％,由于经济原因,采用此法的大多数氯碱厂经过技术改造,仍将继续生产,近年来我国的氯碱行业开展前景较好，主要表现为:烧碱，聚氯乙烯主要氯碱产品产量保持较高速度的增长;烧碱总体经营状况较好;产品出口势头很猛,企业参与国际市场竞争的能力越来越强。隔膜法制得的50%的氢氧化钠通常含有1.0～1.2%氯化钠，可利用水合法或采用液氨萃取法，均可使盐的含量降低到500ppm以下。水银法和隔膜法主要不同之处．水银法可制得氯化钠含量极低的高纯度、高浓度的氢氧化钠溶液．水银法的电解槽中以汞为阴极，石墨或金属为阳极．解汞槽中以钠汞齐为阳极，石墨为阴极，在碱液中阴阳两极相互接触，组成短路电池以加速汞齐分解．这时钠汞齐中的金属钠作为阳极而溶解，水那么在石墨阴极外表复原而析出氢．解汞反响中释放出来的化学能尚难加以利用，因而水银法的电耗比隔膜法高．水银电解槽的槽电压约比隔膜电解槽高1V左右，它相当于解汞反响的分解电压．盐水中钙、镁、铁以及钒、钼、钛、锰等重金属离子含量过高时，也会在汞阴极上复原，生成不稳定的汞齐和汞渣，降低析氢过电位，导致析出氢气并阻碍汞的正常流动．因此水银法电解对盐水的质量要求较高。【1】国内与国外的差距、现状与开展前景国内金属阳极隔膜电解槽与国外先进水平的差距【2】目前我国金属阳极隔膜电解槽技术与国外先进技术相比还有一定差距，主要表现在金属阳极使用寿命不够长，国外隔膜电解槽金属阳极的使用寿命可长达8~10a，而我国一般只有6a；国外先进金属阳极隔膜电解槽可生产氯气180～190t/m，而我国金属阳极隔膜电解槽一般产氯116t/m左右；国外金属阳极隔膜电解槽特性参数K值只有0.4~0.5V/kA，而我国高达0.6V/kA；国外MDC-55型槽使用电流密度21.5A/dm2，槽压约3.30～3.40V，电耗2380kW·h/t，而我国电流密度一般在15A/din2，电压3．2V以上，假设电流密度升到21．5A/dm2，那么槽电压约为3.59V，电耗将在2513kW·h/t以上；大容量电解槽的出现既节省了能耗和投资，又便于自控管理。大容量现代电解槽是金属阳极隔膜电解槽的开展方向，国外氯碱厂使用的槽型较大，有MDC-55型(55m)、H-4型(64In2)、LCDH-4型(72m)等大容量电解槽。而我国除齐鲁使用的是从国外引进的20万t/aMDC-55型世界先进槽型外，其余都采用国产槽，大槽型有阜新化工设备有限责任公司生产的KD-55型扩张阳极电解槽，上海氯碱使用的C47型槽，其余多使用30型、25型、l6型等，相当一局部中小型氯碱厂使用8型、4型甚至还有使用3型、2型的小型槽。国外先进氯碱厂大多采用先进的电解槽制作技术，即三元或四元扩张式金属阳极、活性阴极和改进型的非石棉类隔膜以及采用小极距等降低电解电压降的措施，降低了能耗，如美国钻石公司使用改性隔膜、扩张阳极与活性阴极电解槽，吨碱电耗2100kW·h，改进型的可以低达2050kW·h，而我国目前大多数为固定盒式金属阳极隔膜电解槽配普通石棉隔膜。国外金属阳极隔膜电解槽电流密度约20～24A/dm，直流电耗2300kW·h/t，而国内金属阳极隔膜电解槽电流密度l4～18A/dm，直流电耗2374/kW·h，假设折合成相同电流密度，那么国内电耗比国外先进水平高200～300kW·h/t。除DSA涂层质量、性能差异等原因外，主要是由于多年来DSA技术不配套，推广应用不力，仅有少数几家企业采用扩张阳极、改性隔膜配活性阴极等配套技术。国内金属阳极隔膜电解槽的现状【3】目前我国电解法氯碱厂有230余家，其中隔膜法200家左右。截至1996年全国金属阳极隔膜法生产能力440．3万t，占总能力638万t的69％，实际烧碱产量385．04万t，占全国电解法烧碱总产量532．54万t的72．3％；2000年全国隔膜法烧碱产量475．76万t，以石墨阳极隔膜法烧碱产量为35万t计，那么金属阳极隔膜法烧碱产量约为40万t，占全国烧碱总产量667．88万t的65．9％左右；2001年全国隔膜法烧碱产量5l2．98万t，其中石墨阳极隔膜法烧碱产量按33万t计，那么金属阳极隔膜法烧碱产量约为480万t，占全国烧碱总产量7l3．52万t的67．3％左右。由于金属阳极隔膜法产量的增加使我国烧碱产量由1988年的297．84万t居世界第5位，一跃而至1995年的496万t居世界第2位。目前全国金属阳极隔膜电解槽生产能力已超过500万t/a，这些都是1974年及以后，尤其是20世纪90年代和2l世纪初期新上马的(占60％)，虽然局部金属阳极已经过重涂，但仍处于最正确运行时期，再经不断改造完善，目前仍处于较好的运行水平，况且目前国内已有20余家与之配套的制造、修复专业厂和科研单位，经过多年不懈努力，金属阳极隔膜电解槽已经形成标准化、标准化、系列化，产品质量均通过达标验收。隔膜电解法的开展20世纪80年代初期，隔膜电解法在世界氯碱工业总的生产能力中约占55％,由于经济原因,采用此法的大多数氯碱厂经过技术改造,仍将继续生产,近年来我国的氯碱行业开展前景较好，主要表现为:烧碱，聚氯乙烯主要氯碱产品产量保持较高速度的增长;烧碱总体经营状况较好;产品出口势头很猛,企业参与国际市场竞争的能力越来越强。相关技术的开展[4]A．隔膜为防止阴、阳两极产物混合，防止可能发生的有害反响，在电解槽中，根本上都用隔膜将阴、阳极室隔开。隔膜需有一定的孔隙率，能使离子通过，而不使分子或气泡通过，当有电流流过时，隔膜的欧姆电压降要低。这些性能要求在使用过程中根本不变，并且要求在阴、阳极室电解液的作用下，有良好的化学稳定性和机械强度。电解水时，阴、阳极室的电解液相同，电解槽的隔膜只需将阴、阳极室隔开，以保证氢、氧纯度，并防止氢氧混合发生爆炸。更多见的比拟复杂的情况是电解槽中阴、阳极室的电解液组成不同。这时隔膜还需要阻止阴、阳极室电解液中电解产物的相互扩散和作用，如氯碱生产中隔膜法电解槽中的隔膜，可以增大阴极室氢氧离子向阳极室扩散和迁移的阻力。隔膜由惰性材料制作，如氯碱工业中长期使用的石棉隔膜。但石棉隔膜性能不稳定，当盐水中含有钙、镁杂质时，容易在隔膜中生成氢氧化物沉淀，降低透过率；在比拟高的温度和在电解液作用下，还会发生膨胀、松脱。为此可以在石棉中参加树脂作为增强材料，或以树脂为主体做成微孔隔膜，在稳定性和机械强度方面都有很大改进。B．电解槽

由装有阳极的槽底、吸附隔膜的阴极箱和槽盖三局部组装而成。隔膜是一种由石棉纤维制成的多孔渗透性隔层，将电解槽分隔为阴极室〔阴极网袋内〕与阳极室〔隔膜与阳极之间的空隙〕。隔膜的微孔容许离子和液体通过，但能分开阳极上产生的氯气和阴极上产生的氢氧化钠溶液和氢气，防止氯气溶解在氢氧化钠溶液中生成次氯酸钠，并最终成为氯酸钠，还防止氯与氢混合而构成爆炸性的混合物。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。目前氯碱工业上使用最广泛的是钌钛金属阳极。2．阴极材料阴极材料要具有耐氯化钠、氢氧化钠的腐蚀，导电性能良好，且氢在电极上的过电位要低等特点。隔膜电解槽常见的阴极材料有铁、铜、镍等。由于铁的耐氯化钠、氢氧化钠等的腐蚀性好且具有导电性能好、氢的过电压低的优点，是一种质优价廉的阴极材料。使用寿命可长达40年。为了便于吸附隔膜及易于使氢气和电解液流出，立式隔膜电解槽的阴极一般采用铁丝编成网状，也有用冲孔铁板。3．隔膜材料隔膜是整个电解槽中最重要的组成局部。它是隔膜电解槽中直接吸附在阴极上的多孔型材料层，用它将阳极室和阴极室隔开。对隔膜材料的要求是：(1)应具有较强的化学稳定件，既耐酸又耐碱的腐蚀，并应具有相当的机械强度，长期使用不宜损坏；(2)必须保持多孔及良好的渗透性，能使阳极液维持一定的流速且均匀地透过隔膜，并防止阳极液与阴极液的机械混合；(3)应具有较小的电阻，以降低电压损失；(4)材料易得，制造本钱低。1.2产品性质及用途烧碱的有效成分是；NaOH,分子量：39.997。属强碱，具有强烈的腐蚀性，常温下30%的烧碱为液体。与酸接触能发生剧烈反响，放出大量的热，能腐蚀金属，浸蚀某些塑料、橡胶、和涂料。烧碱广泛应用于洗涤剂、肥皂、造纸、印染、纺织、医药、染料、金属制品、根本化工及有机化工工业。由于烧碱作为强碱具有腐蚀性，应防止与身体接触或吸入。操作时必须配戴好防护眼镜和橡皮手套。30%氢氧化钠溶液的操作与储存操作考前须知:密闭操作。操作人员必须经过专门培训，严格遵守操作规程。建议操作人员佩戴头罩型电动送风过滤式防尘呼吸器，穿橡胶耐酸碱服，戴橡胶耐酸碱手套。远离易燃、可燃物。防止产生粉尘。防止与酸类接触。搬运时要轻装轻卸，防止包装及容器损坏。配备泄漏应急处理设备。倒空的容器可能残留有害物。稀释或制备溶液时，应把碱参加水中，防止沸腾和飞溅。1.3原材料规格及技术指标1.3.1原材料规格[5]〔1〕精盐水规格，见表1-1。表1-1精盐水规格表单位NaClNa2SO4NaClO3H2ONaOHNa2CO3g/Lwt％300892.1074.730.40.5〔2〕淡盐水规格，见表1-2。表1-2淡盐水规格表单位NaClNa2SO4NaClO3H2ONaOHHClOg/Lwt％21018.526.07.5926.4381.4.2技术指标[9]〔1〕氯气规格，见表1-3。表1-3氯气规格表〔体积百分比〕Cl2O2CO296.5％1.5％0.5％〔2〕氢气规格，见表1-4。表1-4氢气规格表〔体积百分比〕H2O2N298％0.3％1.7％〔3〕出槽碱液，见表1-5。表1-5出槽碱液规格NaOHH2O399.5〔g/L〕30％〔wt〕932.5〔g/L〕70％〔wt〕1.4我国烧碱工业存在的问题和隔膜法与离子膜法的比拟[6]1.4.1中国烧碱工业存在的问题〔1〕缺乏有限调控，产能扩展过快，2005-2021年增速为16%；〔2〕平安管理水平跟不上行业开展，新企业更容易出事故；〔3〕行业集中度低，布局不合理，2021年烧碱企业176家，产能3021万吨，平均产能17万吨。〔4〕受能源和原材料行业影响大。1.4.2隔膜法与离子膜法的比拟【7】隔膜法与离子膜法主要工艺路线根本相同，均包含盐水精制、盐水电解、电解液蒸发、氯气处理、氢气处理及废气吸收工序，主要区别有如下几点：盐水工序离子膜电解槽对盐水质量要求较高，所需盐水需在隔膜法上槽盐水根底上进行二次精制，精制设备为碳素烧结管过滤器和螯合树脂塔，使固体悬浮物和ca2++Mg2+阳离子含量分别到达lmg/L、20L以下，相应增加了设备投资和运行费用。电解工序隔膜电解槽参加的只有一种物料，即精盐水从电解槽盖进入阳极室，经改性隔膜流入阴极室，经电解后在阴极室得到电解液和氢气，在阳极室得到氯气。而离子膜电廨槽那么是由阳极侧参加精制盐水，阴极侧参加高纯水，经电解后在阳极侧得到淡盐水和氯气，在阴极侧得到电解液和氢气。由于离子膜的高选择透过性，使其可以得到高纯度的电解液，其中氢氧化钠与氯化钠的含量(‘I，下同)分别为32％、0．004％，该电解液可直接作为产品出售，而隔膜电解液中氢氧化钠与氯化钠的含量分别为10．8％、16．4％，需进一步浓缩除盐。氯气、氢气处理工序隔膜法与离子膜法氯气、氢气处理工序流程相似，氯气处理工序均包括氯气洗涤、冷却除雾、枯燥、压缩；氢气处理均包括氢气洗涤、压缩、脱氧、枯燥。只是离子膜法氯气、氢气处理设计紧凑，只用3个塔即可到达隔膜法6个塔所到达的效果。电解液蒸发工序隔膜电解液氢氧化钠含量低而氯化钠含量高达16．4％，因此隔膜蒸发采用流程复杂的四效逆流蒸发技术，且带有离心分盐设备及碱液析盐冷却器及过滤器，能耗高，操作难度大；隔膜装置一效蒸发器采用强制循环式，其内部碱液温度高达162．5℃，氢氧化钠含量为43．5％，并且由于蒸发过程中产生约10％的固体结晶盐，对加热室腐蚀、磨损严重(材质为纯镍)，加热室平均寿命只有3a左右，由于其造价昂贵，大大增加了隔膜烧碱本钱。而离子膜蒸发不需要分盐及过滤设备，只用三效或二效蒸发即可。隔膜电解槽具良好化学稳定性、机械强度够，且仅使离子之一定孔隙率的隔膜将阴、阳极室隔开以防止两极产物混合而发生有害。离子膜法工艺是烧碱生产的开展方向，但由于我国离子膜法烧碱“使用超前、研发滞后〞的特点非常明显，国内没有掌握离子膜法烧碱的核心要素——离子膜。目前我国离子膜法烧碱装置所用离子树脂交换膜全部依赖进口，1万t/a离子膜法装置需100m2计，目前我国大约需56000m2离子树脂交换膜，仅购膜费用折合人民币为3.4亿元，高额的购膜费用增加了离子膜法烧碱的生产本钱，生产1t烧碱增加100元。与兴旺国家相比，我国离子膜法生产工艺存在连续运行时间短、能耗偏高的问题，鉴于此，根据我国烧碱消费水平和氯碱生产装置的现状，金属阳极隔膜电解槽与离子膜电解槽将较长时间在我国共存。第2章工艺流程2.1电解工序的生产原理和工艺概述2.1.1工业上应用电解原理制烧碱的几种方法的比拟[8]隔膜法隔膜法采用的主要设备是隔膜电解槽，其特点是用多孔渗透性的隔膜将阳极室和阴极室隔开，隔膜阻止气体通过，而只让水和离子通过。这样既能防止阴极产生的氢气与阳极产生的氯气混合而引起爆炸，又能防止氯气与氢氧化钠反响生成次氯酸钠而影响烧碱的质量。隔膜法的缺点主要是投资和能耗较高，产品烧碱中会含有杂质食盐。.水银法此法采用的主要设备电解槽是由电解室和解汞室组成，其特点是以汞为阴极，得电子生成液态的钠和汞的合金。在解汞室中，钠汞合金与水作用生成氢氧化钠和氢气，析出的汞又回到电解室循环使用。此法的优点是制得的碱液浓度高、质量好、本钱低。水银法的最大的缺点是会带来汞对环境的污染。所以此法已逐渐减少使用，生产过程中水银的流失。.离子交换膜法在此法的主要设备——电解槽中，采用具有选择性的离子交换膜将阳极室和阴极室隔开，阳离子交换膜只允许Na+通过，而Cl-、OH-和气体那么不能通过，这样既能防止阴极产生的氢气与阳极产生的氯气混合而引起爆炸，又能防止氯气与氢氧化钠反响生成次氯酸钠而影响烧碱的质量。离子交换膜法在建设费用、电能损耗、产品质量和解决环境污染等方面都比隔膜法、水银法优越，被公认是现代氯碱工业的开展方向。在这次设计中我们选择离子膜法制烧碱，缺点：投资大、技术要求高，短期尚难取代原有的两种工艺。2.1.2产生原理概述隔膜工作原理[10]为防止阴、阳两极产物混合，防止可能发生的有害反响，在电解槽中，根本上都用隔膜将阴、阳极室隔开。隔膜需有一定的孔隙率，能使离子通过，而不使分子或气泡通过，当有电流流过时，隔膜的欧姆电压降要低。这些性能要求在使用过程中根本不变，并且要求在阴、阳极室电解液的作用下，有良好的化学稳定性和机械强度。电解水时，阴、阳极室的电解液相同，电解槽的隔膜只需将阴、阳极室隔开，以保证氢、氧纯度，并防止氢氧混合发生爆炸。更多见的比拟复杂的情况是电解槽中阴、阳极室的电解液组成不同。这时隔膜还需要阻止阴、阳极室电解液中电解产物的相互扩散和作用，如氯碱生产中隔膜法电解槽中的隔膜，可以增大阴极室氢氧离子向阳极室扩散和迁移的阻力。电解工作原理【11】图2隔膜电解槽电解原理图隔膜电解槽

由装有阳极的槽底、吸附隔膜的阴极箱和槽盖三局部组装而成。隔膜是一种由石棉纤维制成的多孔渗透性隔层，将电解槽分隔为阴极室〔阴极网袋内〕与阳极室〔隔膜与阳极之间的空隙〕〔图1〕。隔膜的微孔容许离子和液体通过，但能分开阳极上产生的氯气和阴极上产生的氢氧化钠溶液和氢气，防止氯气溶解在氢氧化钠溶液中生成次氯酸钠，并最终成为氯酸钠，还防止氯与氢混合而构成爆炸性的混合物。电解在立式隔膜电解槽中进行，电解槽的阳极用涂有TiO2－RuO2涂层的钛或石墨制成，阴极由铁丝网制成，网上附着一层石棉绒做隔膜，这层隔膜把电解槽分隔成阳极室和阴极室。将已除去Ca2+、Mg2+、下两种电离方程：NaCl=Na++Cl-H2O=〔可逆〕H++OH-所以，食盐水中含有Na+、H+、Cl-和OH-四种离子。当接通电源后，在电场的作用下，带负电的Cl-和OH-移向阳极，带正电的Na+和H+移向阴极，在这种条件下，电极上发生如下反响：在阳极2Cl-－2e=Cl2↑在阴极2H++2e=H2↑即在阳极室放出Cl2，阴极室放出H2。由于阴极上有隔膜，而且阳极室的液位比阴极室高，所以可以阻止H2跟Cl2混合，以免引起爆炸。由于H+不断放电，破坏了水的电离平衡，促使水不断电离，造成溶液中OH-的富集。这样在阴极室就形成了NaOH溶液，它从阴极室底部流出。电解食盐水的总反响可以表示如下：2NaCl+2H2O=2NaOH+H2↑+Cl2↑用这种方法生产的碱液比拟稀，其中含有多量未电解的NaCl，需要经过别离、浓缩，才能得到固态NaOH。电解过程也会发生副反响阳极副反响由于阳极上产生的Cl2可溶解在水中,并与水作用生成次氯酸和盐酸:Cl2+H2OóH++Cl-+HClO当阴极生成的碱,由于扩散或电迁移等原因进入阳极溶液时,HClO被中和,生成易解离的次氯酸盐:HClO+OH－→ClO-+H2O这时ClO-将在阳极上氧化,生成ClO3-并析出O2此外,在阳极溶液中生成的HClO还会进行化学反响生成氯酸盐:上述反响使阳极生成的氯,阴极生成的碱,都由于副反响而白白消耗掉,这不仅降低了电流效率,而且降低了产品的纯度,特别当阳极溶液中OH-含量增高时,这些副反响更为严重。副反响中产生的O2会将石墨电极氧化,缩短石墨电极的使用寿命。(2)阴极副反响由于阳极处含有少量的次氯酸钠和氯酸钠,它们会迁移到阴极附近,并和由阴极上产生的新生态［H］发生如下反响:阴极上的这些副反响,都要增加电能消耗,降低产量和影响产品质量。生产中采用隔膜(或离子膜)将阴、阳极隔开阻止Cl-或OH-迁移及采用较高操作温度降低Cl2在水中的溶解度,以减少氯气与烧碱的作用等来提高电能的利用率和保证产品质量。此外,原料液的净化也相当重要。原料液中的杂质在电极上也会发生电化学反响,影响产品的质量。例如,上例食盐水中假设混入一定量的硫酸盐,虽然浓度比氯化钠小得多,但在石墨电极的孔隙中氯离子因放电而浓度下降,给硫酸根放电创造了条件,其放电反响可表示为:反响中放出的O2将石墨电极氧化成CO2,加速了电极的消耗并污染了氯气。因此电解前应对原料液作净化处理,以满足生产的需求。2.2工艺流程路线2.2.1具体工艺路线电解时〔图2〕,精制的饱和食盐水溶液连续地进入阳极室，氯离子在阳极失去电子生成氯气，未解离的食盐水溶液和钠离子经过隔膜渗流到阴极室,水在阴极上解离为氢氧离子和氢气,氢氧离子与钠离子结合形成氢氧化钠。渗流量由阳极室与阴极室的液面差来维持。流量过小时，阴极液(电解液)所含的氢氧化钠浓度高，但有少量氢氧离子从阴极室向阳极室反向移动,以致产生副反响,而降低电流效率。流量过大，那么阴极液中氢氧化钠的浓度太低，需要较多的蒸汽才能将其浓缩为成品。一般控制阴极液的氢氧化钠浓度为135～145g/l，氯化钠浓度为175～210g/l，电流效率保持在95.5％～96.5％,在800～1000A/m2(石墨阳极)或1500～2500A／m2〔金属阳极〕之间的电流密度下运转。槽温一般为90～99℃，电解的气态产物为90～95℃饱和水蒸气的氯气和氢气，分别经过冷却，枯燥后作为化工原料。阴极室流出的电解液经多效蒸发器浓缩并别离出结晶盐后，得到含50％的氢氧化钠液体烧碱，并可进一步加热浓缩制成固体烧碱商品。2.2.2工艺流程示意图第3章工艺计算3.1电解车间物料衡算[12]3.1.1化学反响平衡[13]2NaCl+2H2O→2NaOH+Cl2↑+H2↑2×58.52×182×40712生成1吨可得：氯气：kgkmolkmol氢气：kgkmolkmol耗盐：kg耗水：kg3.1.2.溶液上方蒸汽压计算设槽温oC，Cl2在oC时水蒸气分压为mmHg，平均分子热容kcal/kg·mol·oC；H2在oC时平均分子热容为kcal/kg·mol·oC；Pa查得阳极液：阴极液：阴极液上方水蒸气压降：mmHg=25593.6Pa查得H2在oC时，水蒸气分压为526.6mmHgPaPakmolkg阳极上方水蒸气压降：mmHg=14156.5PaPa=419.6mmHgPa=340.4mmHgkmolkg3.1.3送入电解槽盐水量以生产1吨成品计，盐耗考虑为3kg，即2％。送入电解槽盐量=已转化NaOH盐量＋未转化盐＋盐损失送入电解槽水量=已转化NaOH水量＋未转化水量设送入电解槽的盐水量为，送出电解槽的盐水量为，生产1吨折合为30％NaOH溶液为3333.33kg，其中2333.33kgH2O；那么以NaCl为衡算基准，可得衡算式：〔3-14〕以H2O为衡算基准可得衡算式：＝〔3-15〕联立〔3-14〕、〔3-15〕可得kgkg那么送入电解槽盐水中含盐：kg送出电解槽盐水中含盐：kg那么送入盐水体积为：m3送出盐水体积为：m3损失盐水量：kg精盐水带入杂质：Na2SO4：kgNaOH：kgNa2CO3：kgNaClO3：kg精盐水带入水量：kg阳极液带出杂质：NaClO3：kgNa2SO4：kgHClO：kgCl2：kgH2O：kg阴极液：kg其中H2O：kg3.1.4副反响a．3NaCO3＋3Cl2→NaClO3＋5NaCl＋3CO2↑106×371×3106.5×158.5×544×3消耗Cl2：kg生成NaClO3：kg生成NaCl：kg生成CO2：kgb．3Cl2＋6NaOH→NaClO3＋5NaCl＋3H2O71×340×6106.558.5×518×3消耗Cl2：kg生成NaClO3：kg生成NaCl：kg生成H2O：kgc．Cl2＋H2O→HCl＋HClO711836.554.5生成HCl：kg消耗Cl2：kg消耗H2O：kgd．HCl＋NaOH→NaCl＋H2O36.54058.518消耗NaOH：kg生成NaCl：kg生成H2O：kge．NaClO＋2H2O→NaClO3＋2H2↑74.536106.54阳极液中NaClO3含量为：进入电解槽的为50kg，流出电解槽的为54.83kg，由上述副反响生成的分别为1.67kg和1.87kg，那么由NaClO滋生氧化而成的有54.83－501.67－1.87＝1.29kg；消耗NaClO：kg消耗H2O：kg生成H2：kgf．Cl2＋2NaOH→NaClO＋H2O718074.518消耗Cl2：kg消耗NaOH：kg生成NaCl：kg生成H2O：kgg．H2O→2H2↑＋O2↑18432生成氯气总量：kg氯气纯度98％，生成氯气总量：kgkmol其中含氧：kg空气带来氧：kmolkg反响生成氧：kg消耗H2O：kg生成H2：kg氢气组成H2：25kg，12.6kmol；含氧气：kmolkg含氮气：kmolkg将各有关数据列成表见表3-1。表3-1电解工段物料平衡表输入(kg)输出(kg)精盐水NaClNa2SO4NaOHNa2CO3H2ONaClO补充纯水合计11888.673000.74545878450100012988.67阳解液NaClNaClO3H2ONa2SO4HClOCl2阴极液湿氯气Cl2H2O湿氢气H2H2O损耗盐水合计8289.41535.254.836635.644.0418.271.463333.331169.93886.97282.96204.5325.6178.7611.3212999.593.2电解车间热量衡算3.2.1．带入电解槽热量①电能带入热量设槽电压为3.00V，电流效率为0.96，每kg耗电度其中1.492——NaOH的电化当量，g/〔A·h〕1度=3.6×106Jk=0.24cal/JkcalkJ/kg②盐水带入热量盐水预热到90oC,盐水比热取3.2505kJ/〔kg·oC〕kJ/kg③纯水带入热量kJ/kg3.2.2.带出电解槽热量①电解碱液带出热量电解碱液比热取3.6498kJ/kg·oCkJ/kg②电解盐水带出热量电解盐水比热取3.598kJ/kg·oCkJ/kg③电解液带出的热量为：kJ/kg④氯化钠的分解热氯化钠溶液的理论分解电压为2.3V，考虑副反响，故取1kgNaOH要多耗180.6kJ热量〔经验数据〕氯化钠溶液的分解消耗热量：kJ/kg⑤水蒸发带走热量湿氯气、湿氢气中总带水量：kg在槽温下，水蒸汽热焓为2267.84kJ/kgkJ/kg⑥氯气氢气带走热量氯气在90oC时的平均分子热容为36.456kJ/kg·mol·oC，氢气在90oC时的平均热容为29.232kJ/kg·mol·oC氯气带走热量：kJ/t氢气带走热量：kJ/t氯气、氢气带走总热量：kJ/kg⑦损耗盐水带走热量：kJ/kg⑧电解槽损失热〔平均室温取15oC〕根据电解槽的损失热的经验公式为：〔3-16〕其中——电流强度，取10800A；——电流密度，取4000A/m2；——电流效率，取0.96；电解槽热损失：kJ/kg电解工段热量平衡表列表如表3-2。表3-2电解工段热量平衡表 输入热量〔kJ〕 支出热量〔kJ〕电能带入热量盐水带入热量纯水带入热量合计7600.63478.0125.4911204.09电解液带出热量NaCl分解消耗热量水蒸汽带出热量H2，Cl2带出热量损耗盐水带出热量电解槽热损失合计3779.25961.431047.1073.53.51337.711202.44主要设备选型和计算4.1隔膜电解槽选择现在市场上使用的电解槽种类繁多，隔膜电解槽又可分为均向膜(石棉绒〕及固体电解质膜〔如β-Al2O3、RuO2-TiO2涂层〕等形式，它们在设计方面各有千秋，下面将根据以下几个方面选择出适宜的电解槽。4.1.1阴极与阳极材料的选择[9]经过多年工厂生产和研究发现，与传统的石墨电极、铅基合金电极相比，钛电极的优点有：/