年产10万吨隔膜烧碱工艺设计——电解车间毕业设计(编辑修改稿)

年产10万吨隔膜烧碱工艺设计——电解车间毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

，在电解槽中，基本上都用隔膜将阴、阳极室隔开。 隔膜需有一定的孔隙率，能使离子通过，而不使分子或气泡通过，当有电流流过时，隔膜的 欧姆 电 压降要低。 这些性能要求在使用过程中基本不变，并且要求在阴、阳极室电解液的作用下，有良好的化学稳定性和机械强度。 电解水时，阴、阳极室的电解液相同， 电解槽的隔膜只需将阴、阳极室隔开，以保证氢、氧纯度，并防止氢氧混合发生爆炸。 更多见的比较复杂的情况是电解槽中阴、阳极室的电解液组成不同。 这时隔膜 还需要阻止阴、阳极室电解液中电解产物的相互扩散和作用，如氯碱生产中隔膜法电解槽中的隔膜，可以增大阴极室氢氧离子向阳极室扩散和迁移的阻力。 隔膜由惰性材料制作，如氯碱工业中长期使用的 石棉 隔膜。 但石棉隔膜性能不稳湖南工业大学本科毕业设计（论文） 4 定，当盐水中含有钙、镁杂质时，容易在隔膜中生成氢氧化物沉淀，降低透过率；在比较高的温度和在电解液作用下，还会发生膨胀、松脱。 为此可以在石棉中加入树脂作为增强材料，或以树脂为主体做成微孔隔膜，在稳定性和机械强度方面都有很大改进。 B． 电解槽 由装有阳极的槽底、吸附隔膜的阴极箱和槽盖三部分组装而成。 隔膜是一种由石棉纤维制成的多孔渗透性隔 层，将电解槽分隔为阴极室（阴极网袋内）与阳极室 （隔膜与阳极之间的空隙）。 隔膜的微孔容许离子和液体通过，但能分开阳极上产生的氯气和阴极上产生的氢氧化钠溶液和氢气，避免氯气溶解在氢氧化钠 溶液中生成次氯酸钠，并最终成为氯酸钠，还防止氯与氢混合而构成爆炸性的混合物。 1．阳极材料 由于电解槽的阳极是直接地持续地与化学性质十分活泼，且腐蚀性较强的湿氯气、盐酸和次氯酸等接触，因此阳极材料应具有较强的耐化学腐蚀性，同时具有对氯的过电压低，导电性能良好，机械强度高而且易于加工，来源广泛和使用寿命长等特点。 目前氯碱工业 上使用最广泛的是钌钛金属阳极。 2．阴极材料 阴极材料要具有耐氯化钠、氢氧化钠的腐蚀，导电性能良好，且氢在电极上的过电位要低等特点。 隔膜电解槽常见的阴极材料有铁、铜、镍等。 由于铁的耐氯化钠、氢氧化钠等的腐蚀性好且具有导电性能好、氢的过电压低的优点，是一种质优价廉的阴极材料。 使用寿命可长达 40年。 为了便于吸附隔膜及易于使氢气和电解液流出，立式隔膜电解槽的阴极一般采用铁丝编成网状，也有用冲孔铁板。 3．隔膜材料 隔膜是整个电解槽中最重要的组成部分。 它是隔膜电解槽中直接吸附在阴极上的多孔型材料层，用它将阳极室和 阴极室隔开。 对隔膜材料的要求是： (1) 应具有较强的化学稳定件，既耐酸又耐碱的腐蚀，并应具有相当的机械强度，长期使用不宜损坏； (2) 必须保持多孔及良好的渗透性，能使阳极液维持一定的流速且均匀地透过隔膜，并防止阳极液与阴极液的机械混合； (3) 应具有较小的电阻，以降低电压损失； (4) 材料易得，制造成本低。 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 5 产品性质及用途 烧碱的有效成分是； NaOH,分子量：。 属强碱，具有强烈的腐蚀性，常温下30%的烧碱为液体。 与酸接触能发生剧烈反应，放出大量的热，能腐蚀金属，浸蚀某些塑 料、橡胶、和涂料。 烧碱广泛应用于洗涤剂、肥皂、造纸、印染、纺织、医药、染料、金属制品、基本化工及有机化工工业。 由于烧碱作为强碱具有腐蚀性，应避免与身体接触或吸入。 操作时必须配戴好防护眼镜和橡皮手套。 30%氢氧化钠溶液的操作与储存操作注意事项 : 密闭操作。 操作人员必须经过专门培训，严格遵守操作规程。 建议操作人员佩戴头罩型电动送风过滤式防尘呼吸器，穿橡胶耐酸碱服，戴橡胶耐酸碱手套。 远离易燃、可燃物。 避免产生粉尘。 避免与酸类接触。 搬运时要轻装轻卸，防止包装及容器损坏。 配备泄漏应急处理设备。 倒空的容器可能残留 有害物。 稀释或制备溶液时，应把碱加入水中，避免沸腾和飞溅。 原材料规格及技术指标 原材料规格 [5] （ 1）精盐水规格，见表 11。 表 11 精盐水规格表 单位 NaCl Na2SO4 NaClO3 H2O NaOH Na2CO3 g/L wt％ 300 （ 2）淡盐水规格，见表 12。 表 12 淡盐水规格表 单位 NaCl Na2SO4 NaClO3 H2O NaOH HClO g/L wt％ 210 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 6 技术指标 [9] （ 1）氯气规格，见表 13。 表 13 氯气规格表（体积百分比） Cl2 O2 CO2 ％ ％ ％ （ 2）氢气规格，见表 14。 表 14 氢气规格表（体积百分比） H2 O2 N2 98％ ％ ％ （ 3）出槽碱液，见表 15。 表 15 出槽碱液规格 NaOH H2O （ g/L） 30％（ wt） （ g/L） 70％（ wt） 我国烧碱工业存在的问 题和隔膜法与离子膜法 的比较 [6] 中国烧碱工业存在的问题 （ 1）缺乏有限调控，产能扩展过快， 20202020 年增速为 16%； （ 2）安全管理水平跟不上行业发展，新企业更容易出事故； （ 3）行业集中度低，布局不合理， 2020 年烧碱企业 176 家，产能 3021 万吨，平均产能 17 万吨。 （ 4） 受能源和原材料行业影响大。 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 7 隔膜法与离子膜法 的比较 【 7】 隔膜法与离子膜法主要工艺路线基本相同，均包含盐水精制、盐水电解、电解液蒸发、氯气处理、氢气处理及废气吸收工序，主要区别有如下几点： 盐水工序 离子膜电解槽对盐水质量要求较高，所需盐水需在隔膜法上槽盐水基础上进行二次精制，精制设备为碳素烧结管过滤器和螯合树脂塔，使固体悬浮物和 ca2++Mg2+阳离子含量分别达到 lmg/L、 20L 以下，相应增加了设备投资和运行费用。 电解工序 隔膜电解槽加入的只有一种物料，即精盐水从电解槽盖进入阳极室，经改性隔膜流入阴极室，经电解后在阴极室得到电解液和氢气，在阳极室得到氯气。 而离子膜电廨槽则是由阳极侧加入精制盐水，阴极侧加入高纯水，经电解后在阳极侧得到淡盐水和氯气，在阴极侧得到电 解液和氢气。 由于离子膜的高选择透过性，使其可以得到高纯度的电解液，其中氢氧化钠与氯化钠的含量 (‘ I，下同 )分别为 32％、 0． 004％，该电解液可直接作为产品出售，而隔膜电解液中氢氧化钠与氯化钠的含量分别为10． 8％、 16． 4％，需进一步浓缩除盐。 氯气、氢气处理工序 隔膜法与离子膜法氯气、氢气处理工序流程相似，氯气处理工序均包括氯气洗涤、冷却除雾、干燥、压缩；氢气处理均包括氢气洗涤、压缩、脱氧、干燥。 只是离子膜法氯气、氢气处理设计紧凑，只用 3个塔即可达到隔膜法 6个塔所达到的效果。 电解液蒸发工序 隔膜电解液氢氧化钠含量低而氯化钠含量高达 16． 4％，因此隔膜蒸发采用流程复杂的四效逆流蒸发技术，且带有离心分盐设备及碱液析盐冷却器及过滤器，能耗高，操作难度大；隔膜装置一效蒸发器采用强制循环式，其内部碱液温度高达 162． 5℃，氢氧化钠含量为 43． 5％，并且由于蒸发过程中产生约 10％的固体结晶盐，对加热室腐蚀、磨损严重 (材质为纯镍 )，加热室平均寿命只有 3 a 左右，由于其造价昂贵，大大增加了隔膜烧碱成本。 而离子膜蒸发不需要分盐及过滤设备，只用三效或二效蒸发即可。 隔膜电解槽 具良好化 学稳 定性、 机 械强度够 ，且 仅使离子 之一定孔隙率的隔膜 将阴、阳极 室隔 开 以防止 两极产物 混合而 发生有害。 离子膜法工艺是烧碱生产的发展方向，但由于我国离子膜法烧碱“使用超前、研发滞后”的特点非常明显，国内没有掌湖南工业大学本科毕业设计（论文） 8 握离子膜法烧碱的核心要素 —— 离子膜。 目前我国离子膜法烧碱装置所用离子树脂交换膜全部依赖进口， 1 万 t/a 离子膜法装置需 100m2 计，目前我国大约需 56000m2 离子树脂交换膜，仅购膜费用折合人民币为 亿元，高额的购膜费用增加了离子膜法烧碱的生产成本，生产 1t烧碱增加 100 元。 与发达国家相比，我国离子膜法生产工艺存在连续运 行时间短、能耗偏高的问题，鉴于此，根据我国烧碱消费水平和氯碱生产装置的现状，金属阳极隔膜电解槽与离子膜电解槽将较长时间在我国共存。 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 9 第 2 章 工艺流程 电解工序的生产原理和工艺概述 工业上应用电解原理制烧碱的几种方法的比较 [8] 隔膜法 隔膜法采用的主要设备是隔膜电解槽，其特点是用多孔渗透性的隔膜将阳极室和阴极室隔开，隔膜阻止气体通过，而只让水和离子通过。 这样既能防止阴极产生的氢气与阳极产生的氯气混合而引起爆炸，又 能避免氯气与氢氧化钠反应生成次氯酸钠而影响烧碱的质量。 隔膜法的缺点主要是投资和能耗较高，产品烧碱中会含有杂质食盐。 此法采用的主要设备电解槽是由电解室和解汞室组成，其特点是以汞为阴极，得电子生成液态的钠和汞的合金。 在解汞室中，钠汞合金与水作用生成氢氧化钠和氢气，析出的汞又回到电解室循环使用。 此法的优点是制得的碱液浓度高、质量好、成本低。 水银法的最大的缺点是会带来汞对环境的污染。 所以此法已逐渐减少使用 ， 生产过程中水银的流失。 在此法的主要设备 —— 电解槽中， 采用具有选择性的离子交换膜将阳极室和阴极室隔开，阳离子交换膜只允许 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氢气与阳极产生的氯气混合而引起爆炸，又能避免氯气与氢氧化钠反应生成次氯酸钠而影响烧碱的质量。 离子交换膜法在建设费用、电能损耗、产品质量和解决环境污染等方面都比隔膜法、水银法优越，被公认是现代氯碱工业的发展方向。 在这次设计中我们选择离子膜法制烧碱 ， 缺点：投资大、技术要求高，短期尚难取代原有的两种工艺。 产生原理概述 隔膜工作原理 [10] 为防止阴、阳两极 产物混合，避免可能发生的有害反应，在电解槽中，基本上都湖南工业大学本科毕业设计（论文） 10 用隔膜将阴、阳极室隔开。 隔膜需有一定的孔隙率，能使离子通过，而不使分子或气泡通过，当有电流流过时，隔膜的 欧姆 电 压降要低。 这些性能要求在使用过程中基本不变，并且要求在阴、阳极室电解液的作用下，有良好的化学稳定性和机械强度。 电解水时，阴、阳极室的电解液相同， 电解槽的隔膜只需将阴、阳极室隔开，以保证氢、氧纯度，并防止氢氧混合发生爆炸。 更多见的比较复杂的情况 是电解槽中阴、阳极室的电解液组成不同。 这时隔膜 还需要阻止阴、阳极室电解液中电解产物的相互扩散和作用，如氯碱生产中隔膜法电解槽中的隔膜，可以增大阴极室氢氧离子向阳极室扩散和迁移的阻力。 电解工作原理 【 11】 图 2 隔膜电解槽电解原理图 隔膜电解槽 由装有阳极的槽底、吸附隔膜的阴极箱和槽盖三部分组装而成。 隔膜是一种由石棉纤维制成的多孔渗透性隔层，将电解槽分隔为阴极室（阴极网袋内）与阳极室（隔膜与阳极之间的空隙）（图 1）。 隔膜的微孔容许离子和液体通过，但能分开阳极上产生的氯气和阴极上产生的氢氧化钠溶液和氢气，避免氯气溶 解在氢氧化钠溶液中生成次氯酸钠，并最终成为氯酸钠，还防止氯与氢混合而构成爆炸性的混合物。 电解在立式隔膜 电解槽 中进行，电解槽的 阳极 用涂有 TiO 2－ RuO 2 涂层的钛或 石墨 制成， 阴极 由铁丝网制成，网上附着一层石棉绒做隔膜，这层隔膜把电解槽分隔成阳极室和阴极室。 将已除去 Ca2+ 、 Mg 2+ 、 下两种 电离 方程： NaCl =Na + + Cl H2O= （可逆） H + + OH 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 11 所以，食盐水中含有 Na + 、 H + 、 Cl 和 OH 四种离子。 当接通电源后，在 电场 的作用下，带负电的 Cl 和 OH 移向 阳极 ，带正电的 Na + 和 H + 移向 阴极 ，在这种条件下，电极上发生如下反应： 在阳极 2Cl － 2e= Cl 2 ↑ 在阴极 2H + + 2e=H 2 ↑ 即在阳极室放出 Cl 2 ，阴极室放出 H 2。 由于 阴极 上有隔膜，而且阳极室的液位比阴极室高，所以可以阻止 H 2 跟 Cl 2 混合，以免引起爆炸。 由于 H + 不断放电，破坏了水的 电离平衡 ，促使水不断电离，造成溶液中 OH 的富集。 这样在 阴极 室就形成了NaOH 溶液，它从阴极室底部流出。