【文章內(nèi)容簡介】 ，在電解槽中，基本上都用隔膜將陰、陽極室隔開。隔膜需有一定的孔隙率，能使離子通過，而不使分子或氣泡通過，當(dāng)有電流流過時，隔膜的 歐姆 電 壓降要低。這些性能要求在使用過程中基本不變，并且要求在陰、陽極室電解液的作用下，有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機械強度。電解水時，陰、陽極室的電解液相同， 電解槽的隔膜只需將陰、陽極室隔開，以保證氫、氧純度，并防止氫氧混合發(fā)生爆炸。更多見的比較復(fù)雜的情況是電解槽中陰、陽極室的電解液組成不同。這時隔膜 還需要阻止陰、陽極室電解液中電解產(chǎn)物的相互擴散和作用，如氯堿生產(chǎn)中隔膜法電解槽中的隔膜，可以增大陰極室氫氧離子向陽極室擴散和遷移的阻力 。 隔膜由惰性材料制作，如氯堿工業(yè)中長期使用的 石棉 隔膜。但石棉隔膜性能不穩(wěn)湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 定，當(dāng)鹽水中含有鈣、鎂雜質(zhì)時，容易在隔膜中生成氫氧化物沉淀，降低透過率；在比較高的溫度和在電解液作用下，還會發(fā)生膨脹、松脫。為此可以在石棉中加入樹脂作為增強材料，或以樹脂為主體做成微孔隔膜，在穩(wěn)定性和機械強度方面都有很大改進。 B． 電解槽 由裝有陽極的槽底、吸附隔膜的陰極箱和槽蓋三部分組裝而成。隔膜是一種由石棉纖維制成的多孔滲透性隔 層，將電解槽分隔為陰極室（陰極網(wǎng)袋內(nèi)）與陽極室 （隔膜與陽極之間的空隙）。隔膜的微孔容許離子和液體通過，但能分開陽極上產(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。 1．陽極材料 由于電解槽的陽極是直接地持續(xù)地與化學(xué)性質(zhì)十分活潑，且腐蝕性較強的濕氯氣、鹽酸和次氯酸等接觸，因此陽極材料應(yīng)具有較強的耐化學(xué)腐蝕性，同時具有對氯的過電壓低，導(dǎo)電性能良好，機械強度高而且易于加工，來源廣泛和使用壽命長等特點。目前氯堿工業(yè) 上使用最廣泛的是釕鈦金屬陽極。 2．陰極材料 陰極材料要具有耐氯化鈉、氫氧化鈉的腐蝕，導(dǎo)電性能良好，且氫在電極上的過電位要低等特點。隔膜電解槽常見的陰極材料有鐵、銅、鎳等。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、氫的過電壓低的優(yōu)點，是一種質(zhì)優(yōu)價廉的陰極材料。使用壽命可長達 40年。為了便于吸附隔膜及易于使氫氣和電解液流出，立式隔膜電解槽的陰極一般采用鐵絲編成網(wǎng)狀，也有用沖孔鐵板。 3．隔膜材料 隔膜是整個電解槽中最重要的組成部分。它是隔膜電解槽中直接吸附在陰極上的多孔型材料層，用它將陽極室和 陰極室隔開。對隔膜材料的要求是： (1) 應(yīng)具有較強的化學(xué)穩(wěn)定件，既耐酸又耐堿的腐蝕，并應(yīng)具有相當(dāng)?shù)臋C械強度，長期使用不宜損壞； (2) 必須保持多孔及良好的滲透性，能使陽極液維持一定的流速且均勻地透過隔膜，并防止陽極液與陰極液的機械混合； (3) 應(yīng)具有較小的電阻，以降低電壓損失； (4) 材料易得，制造成本低。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 產(chǎn)品性質(zhì)及用途 燒堿的有效成分是； NaOH,分子量： 。屬強堿，具有強烈的腐蝕性，常溫下30%的燒堿為液體。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。燒堿廣泛應(yīng)用于洗滌劑、肥皂、造紙、印染、紡織、醫(yī)藥、染料、金屬制品、基本化工及有機化工工業(yè)。 由于燒堿作為強堿具有腐蝕性，應(yīng)避免與身體接觸或吸入。操作時必須配戴好防護眼鏡和橡皮手套。 30%氫氧化鈉溶液的操作與儲存操作注意事項 : 密閉操作。操作人員必須經(jīng)過專門培訓(xùn)，嚴格遵守操作規(guī)程。建議操作人員佩戴頭罩型電動送風(fēng)過濾式防塵呼吸器，穿橡膠耐酸堿服，戴橡膠耐酸堿手套。遠離易燃、可燃物。避免產(chǎn)生粉塵。避免與酸類接觸。搬運時要輕裝輕卸，防止包裝及容器損壞。配備泄漏應(yīng)急處理設(shè)備。倒空的容器可能殘留 有害物。稀釋或制備溶液時，應(yīng)把堿加入水中，避免沸騰和飛濺。 原材料規(guī)格及技術(shù)指標 原材料規(guī)格 [5] （ 1）精鹽水規(guī)格，見表 11。 表 11 精鹽水規(guī)格表 單位 NaCl Na2SO4 NaClO3 H2O NaOH Na2CO3 g/L wt％ 300 （ 2）淡鹽水規(guī)格，見表 12。 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（論文） 6 技術(shù)指標 [9] （ 1）氯氣規(guī)格，見表 13。 表 13 氯氣規(guī)格表（體積百分比） Cl2 O2 CO2 ％ ％ ％ （ 2）氫氣規(guī)格，見表 14。 表 14 氫氣規(guī)格表（體積百分比） H2 O2 N2 98％ ％ ％ （ 3）出槽堿液，見表 15。 表 15 出槽堿液規(guī)格 NaOH H2O （ g/L） 30％（ wt） （ g/L） 70％（ wt） 我國燒堿工業(yè)存在的問 題和隔膜法與離子膜法 的比較 [6] 中國燒堿工業(yè)存在的問題 （ 1）缺乏有限調(diào)控，產(chǎn)能擴展過快， 20202020 年增速為 16%； （ 2）安全管理水平跟不上行業(yè)發(fā)展，新企業(yè)更容易出事故； （ 3）行業(yè)集中度低，布局不合理， 2020 年燒堿企業(yè) 176 家，產(chǎn)能 3021 萬噸，平均產(chǎn)能 17 萬噸。 （ 4） 受能源和原材料行業(yè)影響大。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 隔膜法與離子膜法 的比較 【 7】 隔膜法與離子膜法主要工藝路線基本相同，均包含鹽水精制、鹽水電解、電解液蒸發(fā)、氯氣處理、氫氣處理及廢氣吸收工序，主要區(qū)別有如下幾點： 鹽水工序 離子膜電解槽對鹽水質(zhì)量要求較高，所需鹽水需在隔膜法上槽鹽水基礎(chǔ)上進行二次精制，精制設(shè)備為碳素?zé)Y(jié)管過濾器和螯合樹脂塔，使固體懸浮物和 ca2++Mg2+陽離子含量分別達到 lmg/L、 20L 以下，相應(yīng)增加了設(shè)備投資和運行費用。 電解工序 隔膜電解槽加入的只有一種物料，即精鹽水從電解槽蓋進入陽極室，經(jīng)改性隔膜流入陰極室，經(jīng)電解后在陰極室得到電解液和氫氣，在陽極室得到氯氣。而離子膜電廨槽則是由陽極側(cè)加入精制鹽水，陰極側(cè)加入高純水，經(jīng)電解后在陽極側(cè)得到淡鹽水和氯氣，在陰極側(cè)得到電 解液和氫氣。由于離子膜的高選擇透過性，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％，需進一步濃縮除鹽。 氯氣、氫氣處理工序 隔膜法與離子膜法氯氣、氫氣處理工序流程相似，氯氣處理工序均包括氯氣洗滌、冷卻除霧、干燥、壓縮；氫氣處理均包括氫氣洗滌、壓縮、脫氧、干燥。只是離子膜法氯氣、氫氣處理設(shè)計緊湊，只用 3個塔即可達到隔膜法 6個塔所達到的效果。 電解液蒸發(fā)工序 隔膜電解液氫氧化鈉含量低而氯化鈉含量高達 16． 4％，因此隔膜蒸發(fā)采用流程復(fù)雜的四效逆流蒸發(fā)技術(shù)，且?guī)в须x心分鹽設(shè)備及堿液析鹽冷卻器及過濾器，能耗高，操作難度大；隔膜裝置一效蒸發(fā)器采用強制循環(huán)式，其內(nèi)部堿液溫度高達 162． 5℃，氫氧化鈉含量為 43． 5％，并且由于蒸發(fā)過程中產(chǎn)生約 10％的固體結(jié)晶鹽，對加熱室腐蝕、磨損嚴重 (材質(zhì)為純鎳 )，加熱室平均壽命只有 3 a 左右，由于其造價昂貴，大大增加了隔膜燒堿成本。而離子膜蒸發(fā)不需要分鹽及過濾設(shè)備，只用三效或二效蒸發(fā)即可。 隔膜電解槽 具良好化 學(xué)穩(wěn) 定性、 機 械強度夠 ，且 僅使離子 之一定孔隙率的隔膜 將陰、陽極 室隔 開 以防止 兩極產(chǎn)物 混合而 發(fā)生有害 。離子膜法工藝是燒堿生產(chǎn)的發(fā)展方向，但由于我國離子膜法燒堿“使用超前、研發(fā)滯后”的特點非常明顯，國內(nèi)沒有掌湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 握離子膜法燒堿的核心要素 —— 離子膜。目前我國離子膜法燒堿裝置所用離子樹脂交換膜全部依賴進口， 1 萬 t/a 離子膜法裝置需 100m2 計，目前我國大約需 56000m2 離子樹脂交換膜，僅購膜費用折合人民幣為 億元，高額的購膜費用增加了離子膜法燒堿的生產(chǎn)成本，生產(chǎn) 1t燒堿增加 100 元。與發(fā)達國家相比，我國離子膜法生產(chǎn)工藝存在連續(xù)運 行時間短、能耗偏高的問題，鑒于此，根據(jù)我國燒堿消費水平和氯堿生產(chǎn)裝置的現(xiàn)狀，金屬陽極隔膜電解槽與離子膜電解槽將較長時間在我國共存。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 第 2 章 工藝流程 電解工序的生產(chǎn)原理和工藝概述 工業(yè)上應(yīng)用電解原理制燒堿的幾種方法的比較 [8] 隔膜法 隔膜法采用的主要設(shè)備是隔膜電解槽，其特點是用多孔滲透性的隔膜將陽極室和陰極室隔開，隔膜阻止氣體通過，而只讓水和離子通過。這樣既能防止陰極產(chǎn)生的氫氣與陽極產(chǎn)生的氯氣混合而引起爆炸，又 能避免氯氣與氫氧化鈉反應(yīng)生成次氯酸鈉而影響燒堿的質(zhì)量。隔膜法的缺點主要是投資和能耗較高，產(chǎn)品燒堿中會含有雜質(zhì)食鹽。 此法采用的主要設(shè)備電解槽是由電解室和解汞室組成，其特點是以汞為陰極，得電子生成液態(tài)的鈉和汞的合金。在解汞室中，鈉汞合金與水作用生成氫氧化鈉和氫氣，析出的汞又回到電解室循環(huán)使用。此法的優(yōu)點是制得的堿液濃度高、質(zhì)量好、成本低。水銀法的最大的缺點是會帶來汞對環(huán)境的污染。所以此法已逐漸減少使用 ， 生產(chǎn)過程中水銀的流失。 在此法的主要設(shè)備 —— 電解槽中， 采用具有選擇性的離子交換膜將陽極室和陰極室隔開，陽離子交換膜只允許 Na+通過，而 Cl、 OH和氣體則不能通過，這樣既能防止陰極產(chǎn)生的氫氣與陽極產(chǎn)生的氯氣混合而引起爆炸，又能避免氯氣與氫氧化鈉反應(yīng)生成次氯酸鈉而影響燒堿的質(zhì)量。離子交換膜法在建設(shè)費用、電能損耗、產(chǎn)品質(zhì)量和解決環(huán)境污染等方面都比隔膜法、水銀法優(yōu)越，被公認是現(xiàn)代氯堿工業(yè)的發(fā)展方向。在這次設(shè)計中我們選擇離子膜法制燒堿 ， 缺點：投資大、技術(shù)要求高，短期尚難取代原有的兩種工藝。 產(chǎn)生原理概述 隔膜工作原理 [10] 為防止陰、陽兩極 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（論文） 10 用隔膜將陰、陽極室隔開。隔膜需有一定的孔隙率，能使離子通過，而不使分子或氣泡通過，當(dāng)有電流流過時，隔膜的 歐姆 電 壓降要低。這些性能要求在使用過程中基本不變，并且要求在陰、陽極室電解液的作用下，有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機械強度。電解水時，陰、陽極室的電解液相同， 電解槽的隔膜只需將陰、陽極室隔開，以保證氫、氧純度，并防止氫氧混合發(fā)生爆炸。更多見的比較復(fù)雜的情況 是電解槽中陰、陽極室的電解液組成不同。這時隔膜 還需要阻止陰、陽極室電解液中電解產(chǎn)物的相互擴散和作用，如氯堿生產(chǎn)中隔膜法電解槽中的隔膜，可以增大陰極室氫氧離子向陽極室擴散和遷移的阻力。 電解工作原理 【 11】 圖 2 隔膜電解槽電解原理圖 隔膜電解槽 由裝有陽極的槽底、吸附隔膜的陰極箱和槽蓋三部分組裝而成。隔膜是一種由石棉纖維制成的多孔滲透性隔層，將電解槽分隔為陰極室（陰極網(wǎng)袋內(nèi)）與陽極室（隔膜與陽極之間的空隙）（圖 1）。隔膜的微孔容許離子和液體通過，但能分開陽極上產(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。 電解在立式隔膜 電解槽 中進行，電解槽的 陽極 用涂有 TiO 2－ RuO 2 涂層的鈦或 石墨 制成， 陰極 由鐵絲網(wǎng)制成，網(wǎng)上附著一層石棉絨做隔膜，這層隔膜把電解槽分隔成陽極室和陰極室。將已除去 Ca2+ 、 Mg 2+ 、 下兩種 電離 方程： NaCl =Na + + Cl H2O= （可逆） H + + OH 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 所以，食鹽水中含有 Na + 、 H + 、 Cl 和 OH 四種離子。當(dāng)接通電源后，在 電場 的作用下，帶負電的 Cl 和 OH 移向 陽極 ，帶正電的 Na + 和 H + 移向 陰極 ，在這種條件下，電極上發(fā)生如下反應(yīng)： 在陽極 2Cl － 2e= Cl 2 ↑ 在陰極 2H + + 2e=H 2 ↑ 即在陽極室放出 Cl 2 ，陰極室放出 H 2 。由于 陰極 上有隔膜，而且陽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。由于 H + 不斷放電，破壞了水的 電離平衡 ，促使水不斷電離，造成溶液中 OH 的富集。這樣在 陰極 室就形成了NaOH 溶液，它從陰極室底部流出。