氯碱工业氢气处理工段初步设计.docVIP

摘 要 氯碱工业是最基本的化学工业之一氢气H2）分子量2．016，在常温下为无色，无味，无臭的可燃气体；密度在0℃；760mmHg时为0．08987g/l，沸点为-252．7℃；结晶温度是-259．1℃；对空气之比重是0．0695；在水中溶解度很小，标准状态下溶于水中之氢气体积为0．0215。而在镍、钯和铂内的溶解度很大，一体积能解几百体积氢。 氢气除用于合成氯化氢制取盐酸和聚氯乙烯外，另一大用途时植物油加氢生产硬化油。此外还用于生产多晶硅以及有机化合物的加氢用于氢氧焰、氢氧电池、充填气球、冶炼钨和钼等重要金属，制造氨和盐酸，液态氢可以做火箭或导弹的高能燃料，氢气也是未来的新型高能燃料，在有机合成中，氢用于合成甲醇、合成人造石油和不饱合烃的加成等。氢气具有广泛的用途。例如，用它来充灌气球；氢气在氧气中燃烧放出大量的热，其火焰——氢氧焰的温度达3000，可用来焊接或切割金属。液态氢可作火箭或导弹的高能燃料。氢气作为燃料具有资源丰富、燃烧发热量高和污染少的特点。今后如能在利用太阳能和水制取氢气的技术上有重大突破，氢气将成为一种重要的新型燃料。氢气还在冶金、化学工业等方面有着广泛的应用工业上用电解饱和NaCl溶液的方法来制取NaOH、Cl2和H2，并以它们为原料生产一系列化工产品，称为氯碱工业。氯碱工业是最基本的化学工业之一，它的产品除应用于化学工业本身外，还广泛应用于轻工业、纺织工业、冶金工业、石油化学工业以及公用事业。　　电解饱和食盐水的原理与电解CuCl2 溶液的原理是相类似的。在U型管里装入饱和食盐水，用一根碳棒作阳极，一根铁棒作阴极（如图）。同时在两边管中各滴入几滴酚酞试液，并把湿润的碘化钾淀粉试纸放在阳极附近。接通直流电源后，注意观察管内发生的现象及试纸颜色的变化。　　从实验可以看到，在U型管的两个电极上都有气体放出。阳极放出的气体有刺激性气味，并且能使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝，说明放出的是Cl2；阴极放出的气体是H2，同时发现阴极附近溶液变红，这说明溶液里有碱性物质生成。 图1 　电解饱和食盐水实验装置 为什么会出现这些实验现象呢？这是因为NaCl是强电解质，在溶液里完全电离，水是弱电解质，也微弱电离，因此在溶液中存在Na+、H+、Cl-、OH-四种离子。当接通直流电源后，带负电的OH-和Cl-向阳极移动，带正电的Na+和H+向阴极移动。在这样的电解条件下，Cl-比OH-更易失去电子，在阳极被氧化成氯原子，氯原子结合成氯分子出，使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝。 阳极反应：2Cl-－2e-=Cl2↑（氧化反应） H+比Na+容易得到电子，因而H+不断地从阴极获得电子被还原为氢原子，并结合成氢分子从阴极放出。 阴极反应：2H+＋2e-＝H2↑（还原反应） 在上述反应中，H+是由水的电离生成的，由于H+在阴极上不断得到电子而生成H2放出，破坏了附近的水的电离平衡，水分子继续电离出H+和OH-，H+又不断得到电子变成H2，结果在阴极区溶液里OH-的浓度相对地增大，使酚酞试液变红。因此，电解饱和食盐水的总反应可以表示为： ↑+Cl2↑ 工利用这一反应原理，制取烧碱、氯气和氢气。在上面的电解饱和食盐水的实验中，电解产物之间能够发生化学反应，如NaOH溶液和Cl2能反应生成NaClO、H2和Cl2混合遇火能发生爆炸。在工业生产中，要避免这几种产物混合，常使反应在特殊的电解槽中进行。 目前世界上比较先进的电解制碱技术是离子交换膜法。这一技术在20世纪50年代开始研究，80年代开始工业化生产。离子交换膜电解槽主要由阳极、阴极、离子交换膜、电解槽框和导电铜棒等组成，每台电解槽由若干个单元槽串联或并联组成。图表示的是一个单元槽的示意图。电解槽的阳极用金属钛网制成，为了延长电极使用寿命和提高电解效率，钛阳极网上涂有钛、钌等氧化物涂层；阴极由碳钢网制成，上面涂有镍涂层；阳离子交换膜把电解槽隔成阴极室和阳极室。阳离子交换膜有一种特殊的性质，即它只允许阳离子通过，而阻止阴离子和气体通过，也就是说只允许Na+通过，而Cl-、OH-和气体则不能通过。这样既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO而影响烧碱的质量。　　精制的饱和食盐水进入阳极室；纯水（加入一定量的NaOH溶液）加入阴极室。通电时，H2O在阴极表面放电生成H2，Na+穿过离子膜由阳极室进入阴极室，导出的阴极液中含有NaOH；Cl-则在阳极表面放电生成Cl2。电解后的淡盐水从阳极导出，可重新用于配制食盐水。　　离子交换膜法电解制碱的主要生产流程可以简单表示如下图所示：电解法制碱的主要原料是饱和食盐水，由于粗盐水中含有泥沙、、、、 精制食盐水时经常加入Na2CO3、NaOH、BaCl2等，使杂质成为沉淀过滤除去，然后加入盐酸调节盐水