【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料 題 目 名 稱(chēng)： 年產(chǎn) 10 萬(wàn)噸隔膜燒堿工藝 設(shè)計(jì) —— 電解車(chē)間 學(xué) 院（部）： 包裝與材料工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 應(yīng)用化學(xué) 學(xué) 生 姓 名： 邵春林 班 級(jí)： 應(yīng)化 092 學(xué)號(hào) 09404600231 指導(dǎo)教師姓名： 陶炳 職稱(chēng) 高級(jí)工程師 最終評(píng)定成績(jī)： 湖南工業(yè)大學(xué)教務(wù)處 2020 屆 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料 第一部分 畢業(yè)論文 （ 2020 屆） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 名 稱(chēng)： 年產(chǎn) 10 萬(wàn)噸 隔膜燒 堿工藝設(shè)計(jì) —— 電解車(chē)間 學(xué) 院（部）： 包裝與材料工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 應(yīng)用化學(xué) 學(xué) 生 姓 名： 邵春林 班 級(jí)： 應(yīng)化 092 學(xué)號(hào) 09404600231 指導(dǎo)教師姓名： 陶炳 職稱(chēng) 高級(jí)工程師 最終評(píng)定成績(jī)： 2020年 6 月 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要 燒堿，作為一種基本的化工原料，在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域都有著廣泛的用途。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)離子膜法生產(chǎn)工藝存在連續(xù)運(yùn)行時(shí)間短、能耗偏高的問(wèn)題，鑒于此，根據(jù)我國(guó)燒堿消費(fèi)水平和氯堿生產(chǎn)裝置的現(xiàn)狀，金屬陽(yáng)極隔膜電解槽與離子膜電解槽將 較長(zhǎng)時(shí)間在我國(guó)共存。隔膜電解制堿技術(shù)生產(chǎn)設(shè)備容易制作，材料便于取得，在電源比較豐富或電價(jià)比較低廉，對(duì)于燒堿含鹽量的要求又不很苛刻的地區(qū)，特別是有地下鹽水或附近有聯(lián)合發(fā)電與供汽設(shè)施的地區(qū)，仍在普遍采用。本設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)包括：燒堿生產(chǎn)中電解原理與生產(chǎn)工藝流程的論證，物料與熱量衡算，主體設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型，以及車(chē)間人員布置原則，防腐安全等內(nèi)容。 Equipment all can use domestic equipment。 燒堿總體經(jīng)營(yíng)狀況較好 。 【 1】 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 國(guó)內(nèi)與國(guó)外的差距、 現(xiàn)狀與發(fā)展前景 國(guó)內(nèi) 金屬陽(yáng)極隔膜電解槽與國(guó)外先進(jìn)水平的差距 【 2】 目前我國(guó)金屬陽(yáng)極隔膜電解槽技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比還有一 定差距，主要表現(xiàn)在金屬陽(yáng)極使用壽命不夠長(zhǎng)，國(guó)外隔膜電解槽金屬陽(yáng)極的使用壽命可長(zhǎng)達(dá) 8~10 a，而我國(guó)一般只有 6 a；國(guó)外先進(jìn)金屬陽(yáng)極隔膜電解槽可生產(chǎn)氯氣 180～ 190 t/m，而我國(guó)金屬陽(yáng)極隔膜電解槽一般產(chǎn)氯 116 t/m左右；國(guó)外金屬陽(yáng)極隔膜電解槽特性參數(shù) K值只有 ~，而我國(guó)高達(dá) V/kA；國(guó)外 MDC55 型槽使用電流密度 A/dm2，槽壓約 ～ ，電耗 2380kW而我國(guó)除齊魯使用的是從國(guó)外引進(jìn)的 20 萬(wàn) t/a MDC55型世界先進(jìn)槽型外，其余都采用國(guó)產(chǎn)槽，大槽型有阜新化工設(shè)備有限責(zé)任公司生產(chǎn)的 KD55型擴(kuò)張陽(yáng)極電解槽，上海氯堿使用的 C47 型槽，其余多使用 30 型、 25 型 、 l6 型等，相當(dāng)一部分中小型氯堿廠(chǎng)使用 8 型、 4 型甚至還有使用 3 型、 2 型的小型槽。國(guó)外金屬陽(yáng)極隔膜電解槽電流密度約 20～ 24 A/dm ，直流電耗 2 300 kW 除 DSA 涂層質(zhì)量、性能差異等原因外，主要是由于多年來(lái) DSA 技術(shù)不配套，推廣應(yīng)用不力，僅有少數(shù)幾家企業(yè)采用擴(kuò)張陽(yáng)極、改性隔膜配活性陰極等配套技術(shù)。目前全國(guó)金屬陽(yáng)極隔膜電解槽生產(chǎn)能力已超過(guò) 500 萬(wàn) t/a，這些都是 1974 年及以后，尤其是 20 世紀(jì) 90 年代和 2l 世紀(jì)初期新上馬的 (占 60％ )，雖然部分金屬陽(yáng)極已經(jīng)過(guò)重涂，但仍處于最佳運(yùn)行時(shí)期，再經(jīng)不斷改造完善，目前仍處于較好的運(yùn)行水平，況且目前國(guó)內(nèi)已有 20余家與之配套的制造、修復(fù)專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)和科研單位，經(jīng)過(guò)多年不懈努力，金屬陽(yáng)極隔膜電解槽已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、系列化，產(chǎn)品質(zhì)量均通過(guò)達(dá)標(biāo)驗(yàn)收。 相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 [4] A． 隔 膜 為防止陰、陽(yáng)兩極產(chǎn)物混合，避免可能發(fā)生的有害反應(yīng)，在電解槽中，基本上都用隔膜將陰、陽(yáng)極室隔開(kāi)。更多見(jiàn)的比較復(fù)雜的情況是電解槽中陰、陽(yáng)極室的電解液組成不同。為此可以在石棉中加入樹(shù)脂作為增強(qiáng)材料，或以樹(shù)脂為主體做成微孔隔膜，在穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度方面都有很大改進(jìn)。 1．陽(yáng)極材料 由于電解槽的陽(yáng)極是直接地持續(xù)地與化學(xué)性質(zhì)十分活潑，且腐蝕性較強(qiáng)的濕氯氣、鹽酸和次氯酸等接觸，因此陽(yáng)極材料應(yīng)具有較強(qiáng)的耐化學(xué)腐蝕性，同時(shí)具有對(duì)氯的過(guò)電壓低，導(dǎo)電性能良好，機(jī)械強(qiáng)度高而且易于加工，來(lái)源廣泛和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。由于鐵的耐氯化鈉、氫氧化鈉等的腐蝕性好且具有導(dǎo)電性能好、氫的過(guò)電壓低的優(yōu)點(diǎn)，是一種質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的陰極材料。它是隔膜電解槽中直接吸附在陰極上的多孔型材料層，用它將陽(yáng)極室和 陰極室隔開(kāi)。與酸接觸能發(fā)生劇烈反應(yīng)，放出大量的熱，能腐蝕金屬，浸蝕某些塑 料、橡膠、和涂料。 30%氫氧化鈉溶液的操作與儲(chǔ)存操作注意事項(xiàng) : 密閉操作。避免產(chǎn)生粉塵。倒空的容器可能殘留 有害物。 表 12 淡鹽水規(guī)格表 單位 NaCl Na2SO4 NaClO3 H2O NaOH HClO g/L wt％ 210 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 技術(shù)指標(biāo) [9] （ 1）氯氣規(guī)格，見(jiàn)表 13。 （ 4） 受能源和原材料行業(yè)影響大。由于離子膜的高選擇透過(guò)性，使其可以得到高純度的電解液，其中氫氧化鈉與氯化鈉的含量 (‘ I，下同 )分別為 32％、 0． 004％，該電解液可直接作為產(chǎn)品出售，而隔膜電解液中氫氧化鈉與氯化鈉的含量分別為10． 8％、 16． 4％，需進(jìn)一步濃縮除鹽。而離子膜蒸發(fā)不需要分鹽及過(guò)濾設(shè)備，只用三效或二效蒸發(fā)即可。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)離子膜法生產(chǎn)工藝存在連續(xù)運(yùn) 行時(shí)間短、能耗偏高的問(wèn)題，鑒于此，根據(jù)我國(guó)燒堿消費(fèi)水平和氯堿生產(chǎn)裝置的現(xiàn)狀，金屬陽(yáng)極隔膜電解槽與離子膜電解槽將較長(zhǎng)時(shí)間在我國(guó)共存。 此法采用的主要設(shè)備電解槽是由電解室和解汞室組成，其特點(diǎn)是以汞為陰極，得電子生成液態(tài)的鈉和汞的合金。所以此法已逐漸減少使用 ， 生產(chǎn)過(guò)程中水銀的流失。 產(chǎn)生原理概述 隔膜工作原理 [10] 為防止陰、陽(yáng)兩極 產(chǎn)物混合，避免可能發(fā)生的有害反應(yīng)，在電解槽中，基本上都湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 用隔膜將陰、陽(yáng)極室隔開(kāi)。更多見(jiàn)的比較復(fù)雜的情況 是電解槽中陰、陽(yáng)極室的電解液組成不同。隔膜的微孔容許離子和液體通過(guò)，但能分開(kāi)陽(yáng)極上產(chǎn)生的氯氣和陰極上產(chǎn)生的氫氧化鈉溶液和氫氣，避免氯氣溶 解在氫氧化鈉溶液中生成次氯酸鈉，并最終成為氯酸鈉，還防止氯與氫混合而構(gòu)成爆炸性的混合物。由于 陰極 上有隔膜，而且陽(yáng)極室的液位比陰極室高，所以可以阻止 H 2 跟 Cl 2 混合，以免引起爆炸。 電解過(guò)程也會(huì)發(fā)生副反應(yīng) 陽(yáng)極副反應(yīng) 由于陽(yáng)極上產(chǎn)生的 Cl2可溶解在水中 ,并與水作用生成次氯酸 和鹽酸 : Cl2+H2O 243。生產(chǎn) 中采用湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 隔膜 (或離子膜 )將陰、陽(yáng)極隔開(kāi)阻止 Cl或 OH遷移及采用較高操作溫度降低 Cl2在 水中的溶解度 ,以減少氯氣與燒堿的作用等來(lái)提高電能的利用率和保證產(chǎn)品質(zhì)量。因此電解前應(yīng)對(duì)原料液作凈化處理 ,以滿(mǎn)足生產(chǎn)的需求。流量過(guò)大，則陰極液中氫氧化鈉的濃度太低，需要較多的蒸汽才能將其濃縮為成品。 工藝流程示意圖 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 第 3 章 工藝計(jì)算 電解車(chē)間物料衡算 [12] 化學(xué)反應(yīng)平衡 [13] 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2↑ + H2↑ 2 2 18 2 40 71 2 生成 1 噸可得： 氯氣： 71 ??? kg ? kmol % ? kmol 氫氣： 251000402 12 ???? kg ? kmol % ? kmol 耗鹽： 4 6 21 0 0 0402 ???? kg 耗水： 4501000402 182 ???? kg 設(shè)槽溫 90 oC， Cl2 在 90 oC 時(shí)水蒸氣分壓為 2 ?OHPmmHg，平均分子熱容 kcal/kg oC； 08 5OH 2 ???P Pa 查得 12,20,5 ???? ???A 陽(yáng)極液： % ?C 陰極液： %30oNaOH ?C 陰極液上方水蒸氣壓降： a O H ??????? ?? CP陰 mmHg= 查得 H2在 90 oC 時(shí)，水蒸氣分壓為 mmHg 60 59 6OH 2 ????P Pa 6 7 2 4 6 0 0 1 3H 2 ????P Pa 6 7 2 2/ 4 6 0 22222 HHOHOH ????? NPPN kmol 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 2 ???m kg 陽(yáng)極上方水蒸氣壓降： 0 a C l ?????? ?ACP陽(yáng) mmHg= Pa )(OH 2 ????P Pa= mmHg 5 3 7 3 3) 1 97 6 0(2Cl ????P Pa= mmHg ????? NPPN kmol 2 ???m kg 送入電解槽鹽水量 以生產(chǎn) 1 噸成品計(jì)，鹽耗考慮為 3kg，即 2％。 oC） 4 7 8901 0 0 0/ 1 8 8 82 5 0 ??? kJ/kg ③純水帶入熱量 0 0 0/1 0 0 ??? kJ/kg . 帶出電解槽熱量 ①電解堿液帶出熱量 電解堿液 比熱取 oC，氫氣在 90oC 時(shí)的平均熱容為 陰極與陽(yáng)極材料 的選擇 [9] 經(jīng)過(guò)多年工廠(chǎng)生產(chǎn)和研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的石墨電極、鉛基合金電極相比，鈦電極的優(yōu)點(diǎn)有： （ 1）陽(yáng)極尺寸穩(wěn)定，電解過(guò)程中電極間距離不變化，可保證電解操作在槽電壓穩(wěn)定情況下進(jìn)行 。其中 ,樹(shù)脂采用ＭＦＥ 3 型乙烯基酯不飽和聚酯樹(shù)脂 (華昌聚合物有限公司產(chǎn)品 ),增強(qiáng)材料采用 中堿玻璃纖維布、短切氈、表面氈、玻璃鱗片及適 當(dāng)?shù)妮o料 ,采用優(yōu)良的施工工藝將它們復(fù)合制作成整體玻璃鋼 (ＦＲＰ )防腐蝕構(gòu)造。乙烯基酯樹(shù)脂種類(lèi)較 多 ,根據(jù)乙烯基樹(shù)脂類(lèi) 型以及生產(chǎn)工藝條件 ,我們選擇對(duì)氯氣耐腐蝕性好、耐溫性高的ＭＦＥ 3 型乙烯基不飽和聚酯樹(shù)脂。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在 大多數(shù)手糊法玻璃鋼制作工藝中 ,采用的結(jié)構(gòu)為膠衣層、增強(qiáng)層及外表層。樹(shù)脂與纖維在材質(zhì)上存在剛性差異。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1所示。 增強(qiáng)層 :厚度隨設(shè)計(jì)而定 ,采用 — ,其含膠量可達(dá) 45%左右 (盡可能多采用 )。 制作工藝 1 膠料配制 首先稱(chēng)取定量的樹(shù)脂 ,準(zhǔn)確稱(chēng)取引發(fā)劑和促進(jìn)劑。 2 施工工藝 制模及裝模 :模具采用木制模具 ,同時(shí)襯貼 ,固化后進(jìn)行修整 ,然后刷清漆兩遍。 襯貼 :在底漆開(kāi)始凝膠時(shí) ,鋪貼表面氈 ,要求氈鋪貼平整 ,不得出現(xiàn)懸空、起皺和氣泡。每湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 一層均應(yīng)檢查 ,以防分層、泛白、氣泡、剝 離、纖維裸露、樹(shù)脂流掛結(jié)塊、異物夾雜和色澤不均等異?，F(xiàn)象。 精鹽水高位槽 根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)， 中小 型企業(yè)取 小時(shí)。 ：進(jìn)入預(yù)熱器的溫度為 40℃ ，最高為70℃ 。 電解堿液集中槽 電解液集中槽的貯液時(shí)間常以精鹽水高位槽貯液時(shí)間為依據(jù)，對(duì)于大型企業(yè)取