Виробництво хлору, каустичної соди та водню

Cl₂ +2OH - = ClO- + Cl- + H₂O

6ClO- +6OH- - 6e = 2ClO₃- + 4Cl- +1,5 O₂+3H₂O

У відповідності з рівновагою можливо їхнє відновлення на катоді:

Сl- + H₂O+2e = Cl- +2OH-

ClO₃- +3H₂O + 6e = Cl- + 6OH-

Побічні процеси знижують вихід за струмом цільових продуктів та збільшують витрати електроенергії.

Основні процеси в ртутному електролізері: виділення хлору на аноді та утворення амальгами натрію Процес електролізу описується сумарною реакцією:

2NaCl+2nHg 2NaHg_n + Cl₂

При розкладі амальгами натрію у розкладнику виникає та працює гальванічний елемент, в якому анодом працює амальгама натрію та на ній проходить процес:

2NaHg_n - 2e=2Na⁺; .

Для ефективного проходження катодного процесу в розкладник необхідно ввести катод з матеріалу з порівняно низькою перенапругою по водню та таких, що не зазнають амальгування.

Між анодом (NaHg_n) та катодом, наприклад з графіту, виникає ЕРС амальгамного гальванічного елементу:

Е = Е^р_к - Е^р_а =-0, 828 - (-1.80)=0.972 В.

ЕРС, що виникає, є рушійною силою процесу розкладу амальгами натрію.

Використати енергію розкладу амальгами натрію для зниження витрат електроенергії поки не вдається. Для компенсації частини напруги на електролізері напругою амальгамного елементу за струмом електролізер та розкладник з'єднували послідовно. Однак вихід за струмом амальгами натрію в електролізері менший 100% (приблизно 96%), тому її недостатньо для проходження анодного процесу амальгамного елементу. Анодний потенціал зростає і починає проходити процес окислення ртуті. Все це призводить до втрат дорогої та дефіцитної ртуті і, отже, - до порушення технологічного процесу. Тому амальгамний елемент слід замкнути, опустивши графітовий катод (насадку) на амальгаму натрію. В цьому випадку енергія розкладу амальгами натрію перетворюється в теплову.

В результаті роботи коротко замкнутого гальванічного елементу у розкладнику відбувається реакція

2NaHg_n + 2Н₂О=2NaOH+H₂ +2nHg.

З розкладника витікає розчин гидроксиду натрію (600...700 гдм-³) та видаляється водень. Ртуть, що утворилася при розкладі амальгами натрію, ртутним насосом повертається в електролізер. Таким чином відбувається безперервна циркуляція ртуті в системі електролізер - розкладник - ртутний насос - електролізер.

Згідно з основними реакціями ртуть не повинна витрачатися в процесі електролізу. Вона тільки переносить натрій у вигляді амальгами з електролізера в розкладник. Однак в промисловому електролізі мають місце втрати ртуті за рахунок випаровування, окислення та розливу.

Основна перевага методу електролізу з ртутним катодом - можливість отримання гідроксидів лужних металів високої чистоти, аж до реактивної. Це зумовлено тим, що процес одержання хлору проходить в електролізері, а утворення гідроксидів лужних металів в іншому апараті - в розкладнику.

Друга перевага методу полягає в тому, що відновні властивості отриманої при ртутному електролізі амальгами лужних металів можна використати для виробництва різноманітних органічних речовин, а також металів у амальгамної металургії.

Однак метод електролізу з ртутним катодом має ряд недоліків:

o використання дорогої та дефіцитної ртуті;

o шкідливі умови праці через отруйність парів ртуті;

o шкідливі стоки, що містять сполучення ртуті, що забруднюють навколишнє середовище;

o більші капітальні вкладення в організацію виробництва;

o використання для електролізу твердої солі;

o великі витрати електроенергії, зумовлені особливістю катодного процесу на ртуті.

Напруга на ртутному електролізері складається з тих же складових, що і в діафрагмовому електролізі, окрім падіння напруги на діафрагмі, і має іншу величину теоретичного розкладу хлориду натрію.

Дійсно, рівноважні потенціали процесів:

анодного:

катодного:

Порівнюючи його з теоретичною напругою розкладу водного розчину хлориду натрію діафрагмовим методом :

бачимо, що ця величина приблизно на 0,97 B більше для ртутного способу електролізу. Тому, незважаючи на відсутність складової падіння напруги на діафрагмі, на ртутному електролізері напруга на 0,8...0,9 В вище, а отже, і питомі витрати електроенергії більше на 700... 800 кВт^.год на 1 т хлору.

2.2.3 Електроліз водних розчинів хлориду натрію мембранним методом з твердим катодом

В останні роки широке застосування в промисловості одержав мембранний метод електролізу водних розчинів хлоридів лужних металів. В мембранних електролізерах для поділу анодних і катодних продуктів застосовуються перфторовані катіонообмінні мембрани МФ-4СК, типу “Нафіон” (США), “Флеміон” (Японія) та ін.

Так само, як у діафрагмовому методі електролізу, вихід за струмом хлору і кисню на аноді залежить від ходу парціальних поляризаційних кривих (рис. 1.1). Тому основними умовами високого виходу за струмом хлору на аноді є:

o використання матеріалу анода з високою перенапругою для виділення кисню і низькою для виділення хлору;

o підтримування в анодному просторі низького рН розчину;

o використання для електролізу концентрованих розчинів хлориду натрію.

o На твердому катоді виділяється водень з води, і в католіті накопичується гідроксид натрію. В процесі мембранного електролізу відбуваються ті ж самі побічні процеси, що й в діафрагмових електролізерах.

Виходи за струмом гідроксиду натрію оцінюють за формулою :

,

де U_Na⁺, U_OH- - рухливість іонів відповідно Na⁺ і ОН- в фазі мембрани; С_е - об'ємна ємкість полімеру, моль; W - вологоємкість мембрани, гг-¹; С - концентрація лугу, мольдм-³.

Наведені дані свідчать про те, що вихід за струмом лугу, в основному, залежить від властивостей полімерної мембрани і концентрації лугу. Вихід за струмом лугу, в залежності від властивостей мембрани, може змінюватися в межах 90...96 %.

Порівнюючи мембранний метод електролізу з діафрагмовим, можна відзначити такі його переваги:

o більш висока чистота одержуваного лугу;

o більш висока концентрація гідроксиду натрію в католіті, а, отже, менша витрата пари на випарювання;

o більш низькі питомі витрати електроенергіі при однакових робочих густинах струму;

o більш високі робочі густини струму і можливість створення високопродуктивних біполярних електролізерів.

2.3 Проблемні стадії виробництва

При діаграфмовому методі можуть виникати певні технологічні проблеми зумовлені особливістю будови діафрагмового електролізера. Якщо величина протитоку недостатня, тоді в анодному просторі у великих кількостях починає утворюватися гіпохлорит-іон (ClO^-), який, потім, може окислюватися на аноді до хлорат-іона ClO^3-. Утворення хлорат-іона серйозно знижує вихід по струму хлору і є основним побічним процесом в цьому методі отримання каустичної соди. Так само шкодить і виділення кисню, яке до того ж, веде до руйнування анодів і, якщо вони з вуглецевих матеріалів, попаданню в хлор домішок фосгену.При мембранному методі необхідна складніша система очистки кінцевого продукту. Однак вихідний розчин солі (як свіжий так і оборотний) і вода попередньо максимально очищуються від будь-яких домішок. Таке ретельне очищення визначається високою вартістю полімерних катіонообмінних мембран та їх вразливістю до домішок в живильному розчині.

Крім того, обмежена геометрична форма а так само низька механічна міцність і термічна стійкість іонообмінних мембран багато в чому визначають порівняно складні конструкції установок мембранного електролізу. З тієї ж причини мембранні установки вимагають найбільш складних систем автоматичного контролю та управління

При ртутному методі з рідким катодом можуть виникати проблеми з повним очищенням розчину лугу, який відділити від залишків ртуті практично неможливе, тому цей метод поєднаний з витоками металевої ртуті та її парів. Сааме тому існують зростаючі вимоги до екологічної безпеки виробництв, а дорожнеча металевої ртуті ведуть до поступового витіснення ртутного методу методами отримання каустичної соди з твердим катодом, особливо мембранним методом.

2.4 Порівняльна характеристика технологічних схем виробництва

При проведенні порівняльної характеристики технологічних схем виробництва каустичної солі видно, що основа для технологій виробництва є практично однакова. Відмінності в методах виклакані розбіжностями в технічних можливостях минулого та сьогодення.

Сьогодні є можливим не лише виробництво каустичної солі та утилізація його відходів, а і використання відходів у інших виробництвах.

Наприклад у діафрагмовому методі виробництва каустичної солі утворюється хлор. Отриманий хлор відділяється від парів води, компримується і подається або на виробництво хлорвмісних продуктів, або на зріджування.

Також діафрагмовий метод є відносно дешевим, завдяки відносній простоті. Саме тому він широко використовується у промисловогості.

Також Україна може пишатися наявністю мембранного електролізу в місті Калуш. Це виробництво введене в експлуатацію в 2010 році і поки є лідером за якістю отриманої каустичної соди. Хлор, який неодмінно отримується як супутній продукт, в Калуші використовується для хлорування етилену, за допомогою чого отримують вінілхлорид, який потім полімеризують і отримують високоякісну полівінілхлоридну смолу. Так у наших домівках з'являються надійні та довговічні металопластикові вікна та двері.

Висновки

1.Електроліз - розклад речовин постійним електричним струмом. Електроліз полягає в електрохімічних процесах окиснення та відновлення на електродах.

2 Сировиною для електролітичного виробництва лугу і хлору є водні розчини NаСl. Вапняне молоко, використовуване содових заводах, на хлорних заводах замінюють розчином каустичної соди ( католіт ), тому метод очищення носить назву содово - каустичний.

3. Для отримання каустичної соди діафрагмовим методом із залізним катодом і електро осмос з ртутним катодом застосовуються розсоли з вмістом NaCl більше 310 г / л, Ca менш 1,27 г / л, Mg менше 0,16 г / л, SО42-менш 2,68 г / л, К менше 0,2 г / л.

4. В залежності від виду роздільного елемента в промисловості застосовують три методи електролізу водних розчинів хлориду натрію: діафрагмовий з твердим катодом, мембранний з твердим катодом, бездіафрагмовий з ртутним катодом.

5.Найбільш ефективніший метод - діафрагмовий. Він є відносно дешевим, завдяки відносній простоті. Саме тому він широко використовується у промисловогості.

Список літератури

1. Аблонін Б.Є. Основи хімічних виробництв. - М.: Хімія, 2001.

2. Бєсков В.С. Загальна хімічна технологія та основи промислової екології. - М.: Хімія, 1999.

3. Бєсков В.С. Моделювання каталітичних процесів і реакторів. - М.: Хімія, 1991.

4. Кутєпов А.М. Загальна хімічна технологія. - М.: Вища школа, 1990.

5. Лебедєв М.М. Хімія і технологія основного органічного і нафтохімічного синтезу. - М.: Хімія, 1981.

6. Позін М.Є. Технологія мінеральних добрив. - Л.: Хімія, 1983.

7. Розрахунки хіміко-технологічних процесів. / Під ред. Мухленова І.П. - Л.: Хімія, 1982.

8. Степанов В.С. Аналіз енергетичного вдосконалення технологічних процесів. - К.: Наука, 1984.

9. Фролов Ю.Г. Фізична хімія. - М.: Хімія, 1993.

10. Хіміко-технологічні системи. / Під ред. Мухленова І.П. - М.: Хімія, 1986.

Додаток А

Технологічна схема відділення двохступеневої каустифікації

Размещено на Allbest.ru