Получение хлора методом электролиза повареной соли (стр. 2 из 4)
Аноды электролизеров в обоих случаях изготавливают из одинаковых материалов: искусственного графита, пропитанного для уменьшения износа льняным маслом, или из титана, покрытого слоем оксидов рутения и титана. Аноды второго типа позволяют вести электролиз при высоких плотностях тока и более низком напряжении. Такие условия снижают расход электроэнергии на 10–12%. Поэтому оксидно-рутениевые аноды вытесняют графитовые: ими оснащено в настоящее время до 70% всех установок электролиза.
3. Современные промышленные способы получения хлора и едкого натра
Технический электролиз водных растворов может осуществляться без выделения металлов или с их выделением на катоде. Среди электрохимических процессов разложения водных растворов без выделения металлов наибольшее распространение получил электролиз водных растворов хлорида натрия.
Электролиз водных растворов хлорида натрия.При электролизе водных растворов хлорида натрия получают хлор, водород и едкий натр (каустическая сода).
Хлор – при атмосферном давлении и обычной температуре газ желто-зеленого цвета с удушливым запахом. при атмосферном давлении температура кипения хлора –33,6° С, температура замерзания -102° С. Хлор растворяется в воде, органических растворителях и обладает высокой химической активностью.
Хлор потребляется прежде всего химической промышленностью для производства различных органических хлорпроизводных, идущих для получения пластических масс, синтетических каучуков, химических волокон, растворителей, инсектицидов и т.п. В настоящее время более 60% мирового производства хлора используется для органического синтеза. Помимо этого хлор используют для производства соляной кислоты, хлорной извести, хлоратов и других продуктов. Значительные количества хлора идут в металлургию для хлорирования при переработке полиметаллических руд, извлечения золота из руд, а также его используют в нефтеперерабатывающей промышленности, в сельском хозяйстве, в медицине и санитарии, для обезвреживания питьевой и сточных вод, в пиротехнике и ряде других областей народного хозяйства. В результате развития сфер использования хлора, главным образом благодаря успехам органического синтеза, мировое производство хлора составляет более 20 млн. т/год.
Едкий натр, или каустическая сода, – кристаллическое непрозрачное вещество, хорошо растворимое в воде, имеющее при атмосферном давлении температуру плавления 328° С. В промышленности выпускается твердый едкий натр и его водные растворы. Едкий натр широко используется во многих отраслях промышленности – целлюлозно-бумажной, химических волокон, нефтеперерабатывающей, органического синтеза, мыловаренной, лакокрасочной и в ряде других.
Водород – газ, температура кипения которого при атмосферном давлении –252,8 °С. Водород используют для синтеза важнейших неорганических и органических продуктов: аммиака, метанола и других спиртов, для гидрогенизации жиров, твердых и жидких топлив, очистки нефтепродуктов и др.
Сырьем для производства хлора и щелочи служат, главным образом, растворы поваренной соли, получаемые растворением твердой соли, или же природные рассолы. Растворы поваренной соли независимо от пути их получения содержат примеси солей кальция и магния и до того, как они передаются в цеха электролиза, подвергаются очистке от этих солей. Очистка необходима потому, что в процессе электролиза могут образовываться плохо растворимые гидроокиси кальция и магния, которые нарушают нормальный ход электролиза. Очистка рассолов производится раствором соды и известковым молоком. Помимо химической очистки, растворы освобождаются от механических примесей отстаиванием и фильтрацией. Электролиз растворов поваренной соли производится в ваннах с твердым железным (стальным) катодом и с диафрагмами и в ваннах с жидким ртутным катодом. Промышленные электролизеры, применяемые для оборудования современных крупных хлорных цехов, должны иметь высокую производительность, простую конструкцию, быть компактными, работать надежно и устойчиво.
Электролиз растворов хлорида натрия в ваннах со стальным катодом и графитовым анодом позволяет получать едкий натр, хлор и водород в одном электролизере. При прохождении постоянного электрического тока через водный раствор хлорида натрия можно ожидать выделения хлора, а также кислорода:
2OH- – 2ē→1/2О2+Н2О
или
2Cl- – 2ē→Cl2
Нормальный электродный потенциал разряда OH – – ионов составляет +0,41 В, а нормальный электродный потенциал разряда ионов хлора равен +1,36 В. В нейтральном насыщенном растворе хлорида натрия концентрация гидроксильных ионов около 1·10-7 г-экв/л. При 25° С равновесный потенциал разряда гидроксильных ионов будет φар=0,82 В. Равновесный потенциал разряда ионов хлора при концентрации NaCl в растворе 4,6 г-экв/л равен φар=1,32 В. Следовательно, на аноде с малым перенапряжением должен в первую очередь разряжаться кислород. Однако на графитовых анодах перенапряжение кислорода много выше перенапряжения хлора и поэтому на них будет происходить в основном разряд ионов Cl- с выделением газообразного хлора по реакции (а). Выделение хлора облегчается при увеличении концентрации NaCl в растворе в следствии уменьшения при этом равновесного потенциала. Это является одной из причин использования при электролизе концентрированных растворов хлорида натрия, содержащих 310–315 г./л. На катоде в щелочном растворе происходит разряд молекул воды по уравнению
H2O + ē→H + OH-
Атомы водорода после рекомбинации выделяются в виде молекулярного водорода:
2H→H2
Разряд ионов натрия из водных растворов на твердом катоде невозможен в следствии более высокого потенциала их разряда по сравнению с водородом. Поэтому остающиеся в растворе гидроксильные ионы образуют с ионами натрия раствор щелочи. Процесс разложения NaCl можно выразить следующими реакциями:
2Cl- – 2ē→Cl2
Н2О + ē=2Н + ОН-
2H→H2
Просуммировав уравнения получим:
2Н2О + 2Cl-→ Cl2 + H2 + 2ОН-
или
2Н2О + 2NaCl→ Cl2 + H2 + 2NaOH
То есть на аноде идет образование хлора, а у катода – водорода и едкого натра. При электролизе наряду с основными описанными процессами могут протекать и побочные, один из которых описывается уравнением (б). Помимо этого, хлор, выделяющийся на аноде, частично растворяется в электролите и гидролизуется по реакции
Cl2 + Н2О↔НОCl + НCl
В случае диффузии щелочи (ионов ОН-) к аноду или смешения катодных и анодных продуктов хлорноватистая и соляная кислоты нейтрализуются щелочью с образованием гипохлорита и хлорида натрия:
НОC + NaOH=NaOC + Н2О
HCl + NaOH=NaCl + Н2О
Ионы ClO – на аноде легко окисляются в ClO3- Следовательно, из-за побочных процессов при электролизе будут образовываться гипохлорит, хлорид и хлорат натрия, что снижает выход по току и коэффициент использования энергии. В щелочной среде облегчается выделение кислорода на аноде, что также будет ухудшать показатели электролиза. Чтобы уменьшить протекание побочных реакций, следует создать условия, препятствующие смешению катодных и анодных продуктов. К ним относятся разделение катодного и анодного пространств диафрагмой и фильтрация электролита через диафрагму в направлении, противоположном движению ОН – – ионов к аноду. Такие диафрагмы называются фильтрующими диафрагмами и выполняются из асбеста.
4. Описание электролизера с твердым катодом
Электролизеры БГК-17 рассчитаны на номинальную нагрузку 25 кА. Она выпускается для работы при 750 и 900 А/м3, но могут работать и при более высокой плотности тока. Электролизеры этого типа предназначены в основном для цехов электролиза мощностью 25–100 тыс. т хлора в год.
В электролизерах типа БГК-17 применена конструкция разветвленного катода, состоящего из узких плоских катодных пальцев, выполненных из стальной сетки и расположенных в виде четырех или шести гребенок. Катоды электролизеров имеют стальной каркас, что обеспечивает ток по поверхности катода. При правильном соотношении объемов катодного и анодного пространства в этих электролизерах можно значительно увеличить рабочую высоту электродов без опасения снизить выход по току.
Конструкция катодного блока предусматривает повышенное газонаполнение в катодном пространстве и исключает возможность снижения давления фильтрации через диафрагму в нижней части. В электролизерах применен нижний подвод тока к анодам. Верхняя часть анодного пространства свободна от анодов и моет быть достаточно развита в высоту.
Электролизеры БГК-17 отличаются большой высотой, что обеспечивает компактность конструкции и высокие съемы продукции с единицы площади производственного здания при сравнительно невысокой плотности тока, пониженные удельные расход электроэнергии и затраты цветных металлов по сравнению с электролизерами других типов. Достигнута хорошая герметичность в местах соединений катодного блока с анодным комплексом и крышкой.
Схема устройства электролизера БГК-17 на нагрузку 25 кА показана на рис. 1.
1 – перфорированный катод, 2 – диафрагма, 3 – катодное пространство, 4 – анод, 5 – анодное пространство.
Рис. 1. – Электролизер вертикального типа
Катодный блок представляет собой стальной корпус, внутри которого в четыре ряда вмонтированы гребенки катодных пальцев представляющих собой сплющенные полые карманы, выполненные из металлических каркасов с натянутой на них стальной проволочной сеткой. Толщина катодных пальцев 20 мм. Крайние каркасы катодных гребенок приварены к продольным стенкам корпуса катода, два средних образуют двухстороннюю гребенку, приваренную к торцевым стенкам корпуса.