Получение хлора и щелочи путем электролиза водных растворов хлоридов щелочных металлов. Извлечение ртути
Основным сырьем для производства хлора и каустической соды служит поваренная соль, в небольших масштабах используется также хлорид калия.
Состав раствора характеризуется начальной концентрацией исходного хлорида, рН анолита, концентрацией щелочи и хлорида в электролите. Зависимость выхода по току от концентрации едкого натра в электролитической щелочи представлена на рис. 8.2.
Величина
рН прианодного слоя рассола определяет соотношение между выходами по току хлора и кислорода. Выход кислорода по току для ОРТА, представляющего практический интерес в качестве анода в производстве хлора, повышается при рН > 3,5. При понижении рН уменьшается износ графитовых анодов и падает растворимость хлора в анолите.
Примеси некоторых металлов, которые присутствуют в исходном электролите, влияют на процесс электролиза с фильтрующей диаграммой. В порах диафрагмы происходит взаимодействие растворимых солей кальция и магния со щелочью и карбонатами с образованием нерастворимых осадков.
Для очистки рассола от примесей кальция и магния при электролизе с диафрагмой применяют содово-каустический метод, основанный на образовании малорастворимых осадков СаСО3 и Мg(ОН)2.
В промышленных электролизерах разделение электродных пространств осуществляется с помощью фильтрующей диафрагмы. Диафрагма изготавливается из асбестового волокна, которое осаждается из пульпы, содержащей асбест хлорид натрия, и едкий натр, на катодную сетку.
В последнее время в производстве хлора широко применяют модифицированные полимерным веществом асбестовые осажденные диафрагмы, имеющие более длительный срок службы.
Соль растворяют в горячей воде и подают в нагреватель 2, где температура неочищенного рассола повышается до 50°С. Далее рассол поступает в аппарат непрерывной очистки — осветлитель 3.
Осветленный рассол собирается в баке 5, откуда подается на фильтры 6, где освобождается от механических примесей. Далее рассол поступает на нейтрализацию соляной кислотой в бак 7.
Рассол из напорного бака 9 подается в электролизер 10. Хлор, отводимый из электролизера при повышенной температуре, насыщен парами воды, и поступает на сушку, состоящую из двух стадий — охлаждение водой в колонне 11 и обработка серной кислотой в башне 12. После этого хлор поступает потребителю, либо на сжижение.
Глава 2. ЭЛЕКТРОЛИЗ С РТУТНЫМ КАТОДОМ
Хотя доля хлора, каустической соды и водорода, получаемая при электролизе с ртутным катодом за последнее время уменьшается, но она еще остается значительной.
В способе с ртутным катодом процесс разделен на две стадии. В собственно электролизере идет получение хлора и амальгамы. Последняя из электролизера поступает в другой аппарат разлагатель, где разлагается водой. При этом образуется щелочь, водород и регенерируется ртуть (рис. 8.1б). Катодом в ванне является ртуть — на ней идет разряд ионов натрия, аноды графитовые. Диафрагма не требуется, так как в электролизере выделяется только один газ — хлор.
Анодный процесс в ваннах с ртутным катодом ничем не отличается от анодного процесса в ваннах с твердым катодом.
На ртутном катоде протекает иная электрохимическая реакция, чем при электролизе с твердым катодом. На ртутном катоде происходит разряд ионов натрия с образованием сплава натрия с ртутью — амальгамы:
Na+ + nHg + → NaHgn
К побочным процессам, протекающим на ртутном катоде, следует отнести выделение водорода и разложегние амальгамы с образованием щелочи и водорода. На ртутном катоде также возможно восстановление молекулярного хлора:
Cl2 + 2 → 2Cl-
Процесс разложения амальгамы является второй стадией производства хлора, щелочей по методу электролиза с ртутным катодом. Процесс разложения амальгамы проводят в отдельном аппарате, называемом разлагателем. Электрохимическая реакция протекает в короткозамкнутом гальваническом элементе, в котором амальгама является отрицательным электродом.
Условия электролиза. В промышленности используют электролизеры с горизонтальным расположением ртутного катода. Соответственно горизонтально располагаются и аноды. В качестве материала для изготовления анодов используется графит, а также применяются ОРТА. Износ графитовых анодов составляет 4 кг/т хлора. В результате износа расстояние между электродами увеличивается, что приводит к возрастанию напряжения на электролизере. Для предотвращения этого нежелательного явления имеется устройство для опускания графитовых анодов по мере их срабатывания. В современных электролизерах применяют групповое автоматизированное опускание анодов. Графитовые аноды постепенно вытесняются малоизнашиваемыми ОРТА.
Плотность тока. Электролиз с ртутным катодом происходит при более высоких электродных плотностях тока, чем электролиз с фильтрующей диафрагмой и с твердым катодом. Повысить плотность тока при электролизе с графитовыми электродами до 10 кА/м2 (1 А/см2) удается путем создания и совершенствования системы регулирования межэлектродного расстояния и перфорации анодов, обеспечивающей эффективное удаление пузырьков газа. Электролизеры, оснащенные ОРТА могут работать при плотностях тока до 14 — 15 кА/м2.
Состав раствора. Концентрация исходного хлорида натрия, поступающего на электролиз с ртутным катодом, не отличается от концентрации электролита, подаваемого в электролит с твердым катодом и фильтрующей диафрагмой. Однако коэффициент разложения хлорида при электролизе с ртутным катодом значительно ниже и не превышает 0,17. Это обусловлено зависимостью потенциала разряда ионов натрия и хлора от их активности в растворе.
Для уменьшения гидролиза хлора и снижения его содержания в растворе рН электролита должен быть не менее 3. Содержание примесей кальция может быть не более 1 г/л, магния — 0,005 г/л.
Температура. Повышение температуры при электролизе с ртутным катодом целесообразно, с точки зрения снижения напряжения на электролизере за счет уменьшения перенапряжения выделения хлора, а значит падения напряжения в электролите.
Однако с повышением температуры понижается перенапряжение выделения водорода и увеличивается скорость разложения амальгамы в электролизере. Поэтому при повышении температуры необходимо увеличивать и катодную плотность тока.
2.1 Перспективы развития хлорной промышленности
До начала 70-х годов около 60% хлора и каустической соды производили электролизом с ртутным катодом, 40% - электролизом с твердым катодом и фильтрующей мембраной. По первому методу получают чистую каустическую соду, не содержащую хлоридов. Однако в связи с тем, что ртуть неизбежно попадает в окружающую среду, в ряде стран электролиз с ртутным катодом интенсивно сокращается. Перспективен метод электролиза с ионообменной мембраной, позволяющий получать щелочь, не отличающуюся по качеству от продукта, образующегося при разложении электролитической амальгамы натрия.
Особенностью современного этапа развития хлорной промышленности является широкое применение металлических анодов. Современные электролизеры оснащены ОРТА. В связи с заменой графитовых анодов на последние усиливается тенденция к повышению электродных плотностей тока до 2 — 3 кА/м2 в диафрагменных электролизерах и до 10 — 14 кА/м2 (1 — 1,4 А/см2) — в электролитах с ртутным катодом. Освоены в промышленности фильтр-прессные биполярные электролизеры большой мощности.
Скачать реферат