【正文】 90℃精鹽水Q1 90℃電解液Q4 90℃%濕氯氣Q5 電能Q2 90℃%濕氫氣Q6 熱量損失Q7 電解槽的熱量平衡圖(1) 90℃精鹽水帶入的熱量Q1 查《氯堿工業(yè)理化手冊》可知：90℃精鹽水的比熱容CP=(kg.℃)，則90℃精鹽水帶入的熱量為：Q1=F3CPt=90=（kJ）(2) 電能Q2由《氯堿工藝學(xué)》查得C30型系列的電解槽，每生產(chǎn)一噸100%燒堿消耗的電能為2328kwh。即：(4) 出氫鹽換熱器的冷凝水含量：。電流效率95%；食鹽分解率50%；%；%；%；%；%；則每小時(shí)生產(chǎn)的100%的氫氧化鈉的產(chǎn)量為：%的氫氧化鈉的產(chǎn)量為：因食鹽水的分解率為50%，則氯化鈉的量為：氯化鈉的質(zhì)量為：W==（kg/h）%，則精鹽水的流量為： 對電解槽做物料衡算電解槽 濕氫氣I1 濕氯氣I2 精鹽水F3 電解堿液F2 損失I3 電解槽的物料平衡(1) 濕氫氣的流量為：(2) 濕氯氣的流量為：(3) 出電解槽的電解液：(4) 進(jìn)入電解槽的精鹽水：(5) 電解槽中的損失：。④自動(dòng)分析 為及時(shí)、準(zhǔn)確觀測精鹽水、電解液、氫氣和氯氣的含量，保證連續(xù)生產(chǎn)的可靠性，設(shè)計(jì)上要求增設(shè)自動(dòng)分析器，如測量氯化鈉濃度的氯化鈉自動(dòng)分析器；測量氫氧化鈉濃度的氫氧化鈉自動(dòng)分析器；測量氫氣組成的氣動(dòng)式自動(dòng)分析器；測量氯氣組成的氣動(dòng)式自動(dòng)分析器。②壓力測量 對蒸汽和空氣管道的壓力均以彈簧壓力計(jì)測量；對氫氣、氯氣出口的壓力的觀測利用了浮標(biāo)式差壓計(jì)進(jìn)行測量；對電解液和精鹽水的管道的壓力用浮頭式差壓計(jì)測量；對真空箱的壓力是以單管壓力計(jì)測量的。 電解操作指標(biāo)與生產(chǎn)控制點(diǎn)分析（1）電解工藝指標(biāo)　 為了保證電解的順利進(jìn)行，對于隔膜法電解工藝有一定的工藝指標(biāo)。⑤保證電解槽絕緣性能良好，防止漏電。電流效率隨電流密度的增加而增加，電流密度每增加100A/dm2,%。其原因是NaOH濃度的增加，使OH向陽極遷移和擴(kuò)散的能力加強(qiáng)，NaOH質(zhì)量濃度每提高10 g/L，%。精鹽水中的NaCl含量高，可降低Cl2在鹽水中的溶解度，減少陽極室的副反應(yīng)。維持陽極液高于陰極液的液位差，使陽極液以合適的流速透過隔膜進(jìn)入陰極室，以阻止OH向陽極室的反向遷移。影響電流效率的因素有很多，如鹽水質(zhì)量（鹽水濃度、鹽水中Ca2+、Mg2+、SO42等雜質(zhì)的含量，鹽水的pH值等）、鹽水溫度、電解液濃度、隔膜吸附質(zhì)量、電流密度大小、電流波動(dòng)情況以及電解槽絕緣好壞等都會影響電流效率。電流效率是電解槽的一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，與電能消耗、產(chǎn)品質(zhì)量以及電解操作過程關(guān)系十分密切。為防止空氣與氫氣混合發(fā)生爆炸，一般電解槽氫氣系統(tǒng)都是保持微正壓49~98Pa下操作。 電解槽出來濕氯氣經(jīng)冷卻干燥后的干基氣體組成為：Cl2 ：%~98%，H2 ：%~%，O2 ：%~%。通常堿液成分控制在如下范圍：NaOH含量：130~145 g/LNaCl含量： 175~210 g/L(4) 氯氣的純度及壓力 氯氣是有毒氣體，不允許泄露，要保證電解槽、管道等連接處的密封，氯氣總管的壓力采用微負(fù)壓49~98Pa下操作。但鹽水流量大，NaOH濃度低，堿液中NaCl含量高，堿液蒸發(fā)的能耗高。(3) 鹽水的流量與堿液濃度 鹽水流量的大小會對電解過程帶來較大的影響。雖然升高溫度對NaCl的溶解度影響不大，但升高溫度可提高NaCl的溶解速度。在生產(chǎn)中，一般采用添加過量的Na2CO3和NaOH除去Ca2+、Mg2+雜質(zhì)；為了控制SO42的含量，采用加入氯化鋇的方法。普通工業(yè)食鹽中常含有鈣鹽、鎂鹽、硫酸鹽等其他雜質(zhì)，對電解操作極其有害。工業(yè)生產(chǎn)上電解液采用的是NaCl的飽和溶液，其質(zhì)量濃度為(315 177。 電解工段生產(chǎn)流程簡圖1高位槽；2預(yù)熱器；3電解槽；4堿液儲槽；5堿泵 隔膜法工藝流程方框圖 操作條件及主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(1) 鹽水的濃度 電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電是依靠溶液中正負(fù)離子的遷移并在電極上放電而引起的。電解生成的氯氣從電解槽頂部出口支管導(dǎo)入氯氣總管，送氯氣處理工序；氫氣從陰極箱上部出口支管導(dǎo)入氫氣總管，送氫氣處理工序。 中國金屬陽極電解槽主要部件槽型3ⅠA3ⅠB3Ⅱ3Ⅲ47ⅠB47ⅡB陽極片規(guī)格/mm224080032320800343308003640080028075037560750陽極片數(shù)/片8060664811256復(fù)合棒規(guī)格/mm□2424□2727□2929□3333□2727□3333復(fù)合棒質(zhì)量/Kg330366370365640436鐵網(wǎng)質(zhì)量/Kg133130130130208201鈦法蘭墊圈聚四氟天然膠天然膠δ=3φ50/24天然膠δ=4φ50/29天然膠聚四氟鐵絲網(wǎng)質(zhì)量/Kg90090010001000銅材質(zhì)量/Kg13001500陰陽極極距/mm910 C30III型金屬陽極隔膜電解槽的結(jié)構(gòu)示意圖1陽極組合件；2電解液出口：3陰極連接銅排；4陰極網(wǎng)袋；5陽極片；6陽極水位表接口；7鹽水噴嘴插口；8氯氣壓力表接口；9氯氣出口；10氫氣出口；11槽蓋；12橡皮墊床；13陰極箱組合件；14陽極連接銅排 隔膜法電解工藝流程及操作條件 工藝流程電解工段的主要任務(wù)是在直流電的作用下，完成電解食鹽水溶液制取NaOH、Cl2和H2的工藝過稱。目前國內(nèi)大、中型氯堿廠都普遍使用化工部第八設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的C30Ⅲ型金屬陽極隔膜電解槽。根據(jù)隔膜的安裝位置，隔膜電解槽分為立式和水平式兩種。石棉是一種硅酸鹽纖維狀礦物質(zhì)，具有耐酸耐堿的特性，能夠比較全面地滿足上述要求，所以自20世紀(jì)20年代以來一直使用石棉作為隔膜材料。它是隔膜電解槽中直接吸附在陰極上的多孔型材料層，用它將陽極室和陰極室隔開。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。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(diǎn)，是一種質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的陰極材料。 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(diǎn)。（5）環(huán)境污染小 金屬陽極不使用瀝青和鉛，因此改善了對環(huán)境的污染。（4）使用壽命長 金屬陽極耐堿和氯的腐蝕并可更換涂層，使用壽命可達(dá)10年以上。h）電。（2）產(chǎn)品質(zhì)量好 金屬陽極性能穩(wěn)定，堿液無色透明，濃度高，氯氣中無CO、CO2等雜質(zhì)，純度高。金屬陽極與石墨陽極相比較有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）生產(chǎn)能力高 金屬陽極能耐高電流密度，一般情況下可達(dá)15~17A/dm2，為石墨電解槽電流密度的2倍，國外的MDC型和Hooker型電解槽可達(dá)20 A/dm2。h)電能效率為：η=100%=% 電極和隔膜材料的選擇 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(qiáng)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(qiáng)的耐化學(xué)腐蝕性，同時(shí)具有對氯的過電壓低，導(dǎo)電性能良好，機(jī)械強(qiáng)度高而且易于加工，來源廣泛和使用壽命長等特點(diǎn)。h)本設(shè)計(jì)采用95%的電流效率，則耗電量為：Q== GC,則消耗的電能為:W==ηI也可以寫成:η=而理論上生產(chǎn)1t氫氧化鈉時(shí)消耗的電量為：Q0== GC，耗用的電能為：W0==氯化鈉的水溶液電解的總過程可以寫為：NaCl + H2O = NaOH + 1/2Cl2 + 1/2H2其熱效應(yīng)可以根據(jù)蓋斯定理計(jì)算，由元素生成的氯化鈉的生成熱為：Na +1/2Cl2 = NaCl +由鈉和水生成的氫氧化鈉溶液的熱效應(yīng)為：Na + H2O = NaOH + 1/2H2 +分解氯化鈉的水溶液所需要的熱量為：Q = + ()－=代入公式求得25℃時(shí)的氯化鈉的理論分壓為：E=－298=（2）槽電壓 電解槽兩極上所加的電壓稱為槽電壓，槽電壓Em包括:理論分壓E、過電位E0、電流通過電解液的電壓降?EL和通過電極、導(dǎo)線、接點(diǎn)、等的電壓降?ER，即E槽=E+E0+?EL+?ER理論分壓E對槽電壓EM之比，稱為電壓效率ηE,即：ηE=(E/E槽)100%隔膜法的電壓效率一般在60%左右。 電壓效率及槽電壓（1）理論分壓 為了增大食鹽水的電導(dǎo)和減少氯在食鹽水中的溶解以抑制副反應(yīng),電解時(shí)常常采用濃度高的接近于飽和的食鹽水，含氯化鈉約為300330㎏/,。(2) 保持隔膜的多孔型和良好的滲透率，使能陽極液正常均勻地透過隔膜，阻止兩極產(chǎn)物的混合和反應(yīng)。Cl2 + H2O === HClO + HClClO + 2[H] === Cl + H2O副反應(yīng)的發(fā)生，不但會降低堿和氯的產(chǎn)量，而且還會降低電流效率。得到產(chǎn)品氫氣、氯氣分別從陰極室和陽極室上方的導(dǎo)出管導(dǎo)出，氫氧化鈉則從陰極室下方導(dǎo)出。目前，工業(yè)上較多使用的是立式隔膜電解槽。40第二章 隔膜法電解制燒堿 隔膜法制燒堿的基本原理 基本原理NaCl水溶液中，主要存在四種離子：Na+、Cl、H+、OH。離子膜法師20世紀(jì)70年代發(fā)展的新技術(shù)，其電極反應(yīng)與隔膜法的完全相同，但用離子交換膜代替石棉隔膜，離子交換膜反應(yīng)器組裝靈活，單原料進(jìn)入和產(chǎn)物排放用的管道很多，此外因受到離子膜尺寸的限制，反應(yīng)器單元的生產(chǎn)能力較小。隔膜法是最早出現(xiàn)的食鹽水電解技術(shù)，已歷經(jīng)多次技術(shù)革新。電解法生產(chǎn)燒堿，根據(jù)電解槽結(jié)構(gòu)、電極材料和隔膜材料的不同可分為水銀法、隔膜法和離子交換膜法。總之，燒堿與氯氣的平衡問題始終是氯堿工業(yè)發(fā)展中的恒定矛盾。一般情況下，發(fā)展中國家工業(yè)發(fā)展的初期用氯量較少，由于氯氣又不宜長途運(yùn)輸，所以總是以氯氣需用量來決定燒堿產(chǎn)量，往往出現(xiàn)燒堿短缺。（Ⅱ） 氯與堿的平衡 電解食鹽水溶液時(shí)，按固定質(zhì)量比例(1:)同時(shí)產(chǎn)出燒堿（NaOH）和氯氣兩種聯(lián)產(chǎn)品。通過運(yùn)用先進(jìn)設(shè)備，提高電解槽的電能效率和堿液蒸發(fā)熱能的利用率，來降低燒堿的電耗和蒸汽消耗。在美國，氯堿工業(yè)用電量占總發(fā)電量的2%，%。電解法生產(chǎn)燒堿除原料易得、生產(chǎn)流程較短外，主要有以下三個(gè)特點(diǎn)。 氯堿工業(yè)的生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀電解法生產(chǎn)燒堿在制得燒堿的同時(shí)還生產(chǎn)氯氣和氫氣，所以工業(yè)上電解法生產(chǎn)燒堿也稱氯堿工業(yè)。美、日、歐大型氯堿企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向精細(xì)化工升級，其長遠(yuǎn)戰(zhàn)略就是發(fā)展精細(xì)化工，不斷提高產(chǎn)品精細(xì)化率。而我國燒堿企業(yè)有220多家，廠多規(guī)模小，布局分散，經(jīng)營條件差，前四大氯堿工業(yè)企業(yè)的產(chǎn)量僅占全國總產(chǎn)量的15%，因此，影響了我國氯堿工業(yè)企業(yè)在國際市場上的競爭力。第二，以聯(lián)合兼并等方式，向大型規(guī)模發(fā)展。（2）西方發(fā)達(dá)國家氯堿工業(yè)的發(fā)展趨勢：第一，以技術(shù)改造為手段，向節(jié)能降耗發(fā)展。美、日、歐三個(gè)地區(qū)大體上占世界總產(chǎn)量的73%，預(yù)計(jì)到2000年美國和歐洲的燒堿產(chǎn)量為2170萬噸，由原來占63%的比例降為48%。其中燒堿年產(chǎn)量約4000萬噸，美國和歐洲約2500萬噸/年，日本400萬噸/年。造成我國有機(jī)氯產(chǎn)品大量進(jìn)口的主要原因在于國內(nèi)原料路線及生產(chǎn)工藝落后，生產(chǎn)規(guī)模小，產(chǎn)品成本高和質(zhì)量差，競爭不過進(jìn)口產(chǎn)品。%，%；%，%；日本1995年有機(jī)氯產(chǎn)品耗氯量占整個(gè)氯產(chǎn)品耗氯量的55%，%。生產(chǎn)聚氯乙烯耗氯量約占氯總消耗量的22%。從耗氯結(jié)構(gòu)來看，我國的無機(jī)氯產(chǎn)品的耗氯量始終占據(jù)全部氯產(chǎn)品耗氯量的主導(dǎo)地位，雖然從1983年我國停止生產(chǎn)耗氯量占12%左右的“六六六”原粉商品后，聚氯乙烯樹脂的耗氯量有所增加，尤其20世紀(jì)90年代中期，我國開始大力推廣使用塑料建材，限制使用木材，使建筑行業(yè)以塑代木、以塑代鋼得到迅速發(fā)展，從而推動(dòng)了聚氯乙烯行業(yè)的發(fā)展。因此，如何合理開發(fā)生產(chǎn)氯產(chǎn)品，搞好氯堿平衡是當(dāng)前需深入研究和認(rèn)真探討的重要課題（3）氯產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)問題 目前我國的氯產(chǎn)品主要有無機(jī)氯產(chǎn)品和有機(jī)氯產(chǎn)品。我國的氯堿工業(yè)目前已開始由建國初期的以堿為主的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向以氯為主的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的新的發(fā)展時(shí)期。而且國內(nèi)市場上氯產(chǎn)品需求旺盛，而燒堿市場疲軟，目前我國成為世界上唯一有燒堿過剩需要出口，卻需要大量進(jìn)口氯產(chǎn)品的國家，估計(jì)今后這種氯與堿的供求不平衡還將會繼續(xù)進(jìn)一步擴(kuò)大。（2）氯與堿平衡問題 氯與堿的平衡是氯堿工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，在20世紀(jì)80 年代，是以堿定氯，通常把氯氣作為生產(chǎn)燒堿的副產(chǎn)品；而到了20 世紀(jì)90年代，由于氯產(chǎn)品的應(yīng)用越來越廣泛，氯堿工業(yè)逐步發(fā)展為以氯定堿，燒堿逐漸被一些業(yè)內(nèi)人士稱為副產(chǎn)品了。目前我國的燒堿生產(chǎn)中，%，%。只有24家企業(yè)達(dá)到了100 kt/a規(guī)模，布局分散，規(guī)模小，與國外大型燒堿企業(yè)差距大，國外氯堿企業(yè)的集中度相對較高，日本、歐盟的前5家企業(yè)分別集中了它們燒堿生產(chǎn)能力的50%，美國的5家大公