第3章-氯碱工业课件

第三章氯碱工业第三章氯碱工业1本章主要内容：1、概述2、食盐水溶液电解的理论基础3、隔膜电解法4、离子膜电解法5、水银电解法本章主要内容：1、概述23-1概述一、氯碱工业：以电解食盐(NaCl)水溶液的方法制取氯气、氢气和烧碱并以它们为原料生产一系列化工产品的工业。氯碱工业的产品：氢气、氯气和烧碱，均为基本化工原料，广泛用于化工、石油化工、冶金、轻工、纺织及民用各部门。3-1概述一、氯碱工业：以电解食盐(NaCl)水溶液的3以氯碱工业为基础的化工生产以氯碱工业为基础的化工生产4电解装置氯乙烯（VCM）单体的制备VCM聚合成PVCCl2VCM电解装置利用电解食盐生产：烧碱、氯气、氢气，为下游生产提供原料。VCM装置利用Cl2和乙烯/乙炔生产VCM单体。PVC装置利用VCM进行聚合。电解装置氯乙烯（VCM）单体的制备VCM聚合成PVCCl5第3章--氯碱工业课件61.氯碱工业的发展历史：1851：Watt提出电解食盐水溶液制取氯气的专利；1867：直流发电机发明后工业电解得以实现；1890：首家电解KCl的工厂在德国建立；1893：美国建立第一家电解食盐水制取Cl2的工厂；此后，因工业需要及技术改进，氯碱工业迅速发展。二、氯碱的发展历程1.氯碱工业的发展历史：1851：Watt提出电解食盐水溶液72.我国氯碱工业的发展历程：1929年：著名爱国实业家吴蕴初先生在上海创办了国内第一家氯碱企业--天原电化厂，从此揭开了国内氯碱工业从无到有的篇章。1949年：全国年产烧碱总量只有1.5万吨。1957年：全国年产烧碱总量达到19.8万吨。1978年：全国年产烧碱总量达到251.8万吨。20世纪90年代：离子膜生产技术引入我国，至2008年离子膜烧碱产能接近1600万吨。2.我国氯碱工业的发展历程：1929年：著名爱国实业家吴蕴初8近年来我国的氯碱行业发展前景较好，主要表现为:烧碱，聚氯乙烯主要氯碱产品产量保持较高速度的增长;烧碱总体经营状况较好;产品出口势头很猛,企业参与国际市场竞争的能力越来越强。三、氯碱工业的现状近年来我国的氯碱行业发展前景较好，主要表现为:三、氯碱9

中国约有近200家烧碱生产企业，现平均产量近5万吨。规模占全国总产量比例%家数≥20万吨17.7710-2032.9275-1032.643＜516.8近13010万吨以上企业34家，占全国产量比例50.6%。烧碱规模状况规模占全国总产量比例%家数≥20万吨17.7710-20102004年10万吨以上生产企业烧碱(折100%)产量单位：万吨、±%企业名称累计产量占全国产量比例同比合计1613.2上海氯碱化工股份有限公司4.14.0天津大沽化工有限责任公司3.112.5锦化化工集团有限责任公司2.95.5中国石化齐鲁股份有限公司1.9-22.5巨化集团公司2.15.9山东恒通1.941以上6家合计产量占全国总产量16%2004年10万吨以上生产企业烧碱(折100%)产量单位：万112004年10万吨以上生产企业聚氯乙烯树脂产量单位：万吨、±%企业名称累计产是占全国产量比例同比全国36.917.9天津乐金大沽化学有限公司7.124.5上海氯碱化工股份有限公司7.022.1天津大沽化工有限责任公司6.35.5河北沧州化工实业集团有限公司5.52.4中国石化齐鲁股份有限公司3.6-27.8宜宾天原股份有限公司4.014.1江苏华苏3.49.02004年10万吨以上生产企业聚氯乙烯树脂产量单位：万吨、±12中国正成为全球最大的氯碱生产国万吨％3029231918161414141401000200030004000500060007000989900010203040506E07E05101520253035全球烧碱产能中国烧碱产能产能占世界比例中国正成为全球最大的氯碱生产国万吨％30292319181613中国正成为全球最大的氯碱生产国万吨％35342619151311100100020003000400050002000200120022003200420052006E2007E010203040全球PVC产能（万吨）中国PVC产能产能占全球比例中国占世界PVC比重超过三分之一中国正成为全球最大的氯碱生产国万吨％35342619151314中国正成为全球最大的氯碱生产国04008001200烧碱PVC美国中国西欧日本中东万吨1600烧碱排名第二PVC排名第一中国正成为全球最大的氯碱生产国04008001200烧碱PV15中国正成为全球最大的氯碱生产国从进口国变为出口国

万吨0204060801008990919293949596979899000102030405出口进口

世界第二大烧碱出口国中国正成为全球最大的氯碱生产国从进口国变为出口国万吨02016中国正成为全球最大的氯碱生产国15万吨200万吨万吨0100200300989900010203040506E07E08E一般贸易量（进口纯PVC）进口量出口量PVC由最大进口国转为最大出口国中国正成为全球最大的氯碱生产国15万吨200万吨万吨010017中国正成为全球最大的氯碱生产国原料全球采购多样化、国际化盐：澳大利亚、印度、墨西哥/日本EDC：美国、中东地区VCM：日本、韩国、台湾地区万吨

最大的原料进口国中国正成为全球最大的氯碱生产国原料全球采购多样化、国际化盐：18四、氯碱主要生产工艺实验步骤：1、按装置图安装好仪器。2、向U型管中注入饱和食盐水。3、向阴阳两极滴加几滴酚酞溶液，把湿润的淀粉碘化钾试纸分别放在阴阳两极试管口上方。4、接通电源。四、氯碱主要生产工艺实验步骤：1、按装置图安装好仪器。191．两极均产生气体。2．阴极区附近溶液出现红色，有碱生成。3．阳极淀粉碘化钾试纸变蓝，有刺激性气味的气体，分析应是Cl2。电解的总化学反应方程式：实验现象及结论：2NaCl＋2H2O===H2↑＋Cl2↑＋2NaOH电解电解饱和食盐水反应原理1．两极均产生气体。电解的总化学反应方程式：实验现象及结论：20上述装置的弱点：1.H2和Cl2混合不安全2.Cl2会和NaOH反应，使得到的NaOH不纯3-1概述上述装置的弱点：1.H2和Cl2混合不安全3-1概述21氯气和碱的反应Cl2+2NaOH=NaCl+NaClO+H2O2Ca(OH)2+Cl2=CaCl2+Ca(ClO)2+2H2O说明：次氯酸盐比次氯酸稳定，它极易与酸性较强的酸反应而转化为次氯酸。Ca(ClO)2+2HCl=CaCl2+2HClOCa(ClO)2+CO2+H2O=CaCO3+2HClO工业上常用氯气和消石灰反应来制漂白粉。氯气和碱的反应Cl2+2NaOH=NaCl+NaClO+H222食盐水溶液电解制取氯气和烧碱的技术关键：电化学反应器中两极产物的分隔。否则将发生各种副反应和次级反应，使产率大减、产品质量下降，并可能发生爆炸。据产物分隔的方法，生产工艺分为如下三种：隔膜电解法；水银电解法；离子膜电解法。3-1概述食盐水溶液电解制取氯气和烧碱的技术关键：3-1概述231、隔膜电解法隔膜电解法：以多孔隔膜将阳极室和阴极室分隔，避免了两级产物的混合。阳极：碳，人造石墨，金属阳极隔膜材料：石棉水泥，石棉纸，真空吸附石棉纤维隔膜，改性隔膜。典型的隔膜电解槽：HookerH-4电槽，MDC型电槽3-1概述1、隔膜电解法隔膜电解法：以多孔隔膜将阳极室和阴极室分隔，避242、水银电解法水银电解法：在氯碱电解槽中不采用隔膜，而改用水银作阴极材料，使析氯反应和生成NaCl的反应分别在电极槽和解汞槽中进行，从根本上避免了两种产物的混合，直接获得高浓度、高纯度的烧碱。缺点：生产过程中水银的流失。世界：水银法工厂始建于1897年。中国：1952年锦西化工厂建成了国内第一套水银电解装置，目前产量最大的为天津化工厂。3-1概述2、水银电解法水银电解法：在氯碱电解槽中不采用隔膜，而改用水253、离子膜电解法离子膜电解法：使用对离子具有选择透过性的离子交换膜，如全氟阳离子交换膜，只允许钠离子由阳极区进入阴极区，不允许OH-,Cl-和水分子通过，不仅使两极产物隔离，避免了导致电流效率下降的各种副反应，且从阴极区直接获得高纯度的烧碱。优点：产品质量高、能耗低，可免除石棉和水银产生的公害。缺点：投资大、技术要求高。3-1概述3、离子膜电解法离子膜电解法：使用对离子具有选择透过性的离子263－2食盐水溶液电解的理论基础一、电极过程二、溶液中的均相反应三、理论分解电压四、理论耗电量和直流电耗五、析氯反应的动力学机理3－2食盐水溶液电解的理论基础一、电极过程27一、电极过程阳极过程：析氯反应、析氧反应。析氯反应：析氧反应：酸性、碱性溶液PＨ值增加，析氧的平衡电极电位变负，反应将更易发生。热力学：如比较析氧和析氯的标准电极电位，析氧比析氯更容易发生。动力学：析氯反应的极化率较低，当阳极极化增加时，用于析氯的电流密度迅速增加，而消耗于析氧的电流就相对减小。在工业中为了提高阳极析氯的电流效率，要增大“氧氯差”。一、电极过程阳极过程：析氯反应、析氧反应。PＨ值增加，析氧28增大氯氧差的措施：

为了提高阳极析氯的电流效率，要增大“氯氧差”。尽力减小析氯反应的过电位，增大析氧反应的过电位。常采取以下措施：（1）提高电极材料的电催化选择性。如：电流密度为1000一5000A／m2时，

DSA阳极：析氧电位比析氯电位高250一300mv，

石墨阳极：高100mv。3－2食盐水溶液电解的理论基础增大氯氧差的措施：为了提高阳极析氯的电流效率，要29（2）提高电解液中Cl-的浓度，降低电解液中的OH-浓度。如：采用饱和盐水、酸性盐水，以降低析氯电位，提高析氧电位。（3）提高电流密度。利用两个电极反应可逆性的差异，扩大反应速率的差距。3－2食盐水溶液电解的理论基础增大氯氧差的措施：（2）提高电解液中Cl-的浓度，降低电解液中的OH-浓度。如30阴极过程（1）隔膜法和离子膜法（铁阴极或活性阴极）：（2）水银法（液汞阴极）：Na+放电，生成钠-汞齐解汞槽：3－2食盐水溶液电解的理论基础阴极过程（1）隔膜法和离子膜法（铁阴极或活性阴极）：3－2食31液汞阴极表面不发生析氢反应的原因：（1）汞是析氢过电位最高的电极材料；（2）产物为钠－汞齐（－1.868v)。（3）Na+放电后生成的Na不断向液汞内部扩散，液汞表面的Na浓度不应过高。3－2食盐水溶液电解的理论基础液汞阴极表面不发生析氢反应的原因：（1）汞是析氢过电位最高的32二、溶液中的均相反应电解食盐水溶液时阳极析出的氯气，可部分溶于电解液中，发生均相次级反应。3－2食盐水溶液电解的理论基础HClO的离解度很低，平衡常数：3.7×10-8

二、溶液中的均相反应电解食盐水溶液时阳极析出的氯气，可33食盐水溶液电解制取氯气和烧碱的技术关键：电化学反应器中两极产物的分隔。否则将发生各种副反应和次级反应，使产率大减、产品质量下降，并可能发生爆炸。食盐水溶液电解制取氯气和烧碱的技术关键：34三、理论分解电压（1），（2）3－2食盐水溶液电解的理论基础三、理论分解电压（1），（2）3－2食盐水溶液电解的理论基础351、阳极平衡电极电位的计算，3－2食盐水溶液电解的理论基础1、阳极平衡电极电位的计算，3－2食盐水溶液电解的理论基础36（1）确定氯的分压（2）计算Cl-的活度,通常用浓度代替活度。1、阳极平衡电极电位的计算(计算φe需解决的问题)3－2食盐水溶液电解的理论基础（1）确定氯的分压1、阳极平衡电极电位的计算(计算φe需解决372、阴极平衡电极电位的计算∵φ0＝－0.828V，不随温度变化，aH2O=12、阴极平衡电极电位的计算∵φ0＝－0.828V，不随温度变38例题：阳极用石墨，阴极用铁丝网，氯化钠水溶液中NaCl为315g/L

，Cl2、H2的压力等于1atm，槽温90℃。（1）计算阳极理论析出电位。（2）若阴极区含NaOH130g/L，求阴极析出电位。例题：阳极用石墨，阴极用铁丝网，氯化钠水溶液中NaCl为339（1）阳极附近盐水浓度浓度增加后，φe,+减小，导致理论分解电压降低（2）电解温度提高电解温度，φe,+减小，而φe,－也变得更负但后者变化较小，理论分解电压仍降低。（3）阴极区溶液中碱液含量阴极区溶液中碱液的含量提高后，φe,－更负，理论分解电压将提高。三、理论分解电压（影响理论分解电压的因素）（1）阳极附近盐水浓度三、理论分解电压（影响理论分解电压的因40四、理论耗电量和直流电耗1、理论耗电量根据电解总反应式可以计算生成单位质量产物所需的理论耗电量(k)，它是电化当量(K)的倒数。

每通过2F电量（53.6Ah），可产生2molNaOH、1molCl2、1molH2。四、理论耗电量和直流电耗1、理论耗电量41三种产物的电化当量及理论耗电量四、理论耗电量和直流电耗三种产物的电化当量及理论耗电量四、理论耗电量和直流电耗422、电流效率

电流效率是指一个电极反应而言，讨论、研究、测量电化学反应器中的电流效率需明确指出哪个电极反应的电流效率。

对于氯碱工业，有两种主反应及主产物。若按阴极液中NaOH的收率计算，为阴极电流效率，若按阳极氯气的生成量计算则为阳极电流效率。

日本和中国习用阴极电流效率，而美国等国习用阳极电流效率。2、电流效率电流效率是指一个电极反应而言，讨论、433、直流电耗3、直流电耗44例题：对于某氯碱厂，当槽压是3.5V，电流效率为92%时，生产一吨烧碱的直流能耗是多少？已知烧碱的电化当量为1.492g/(Ah).例题：对于某氯碱厂，当槽压是3.5V，电流效率为92%时，生45五、析氯反应的动力学及机理析氯电极过程的复杂性：①电极在阳极极化时，其表面状态、组成、结构都可能不断变化，如形成各种氧化膜，而Cl-强烈吸附，甚至进入生长的氧化膜。②阳极材料的溶解或钝化，均使电极的催化性能随时间及电位变化。③电极材料的制备工艺复杂，难以得到完全相同的阳极。④析气电极的电位测量难以精确，使实验数据不易重现。五、析氯反应的动力学及机理析氯电极过程的复杂性：46析氯反应机理（1）由电化学步骤和化学脱附步骤构成：（2）由电化学步骤和电化学脱附步骤构成：（3）由两个电化学步骤和一个化学反应构成：，析氯反应机理（1）由电化学步骤和化学脱附步骤构成：，47金属氧化物电极析氯反应的机理：（1）由于影响析氯反应机理的因素甚多，因而不能简单地由Tafel斜率判定析氯反应的机理；（2）对于各种金属氧化物电极，相对Cl-的反应级数在pH恒定时皆为1。（3）在具有催化活性的氧化物电极表面，析氯反应的Tafel斜率一般约为40mv。金属氧化物电极析氯反应的机理：（1）由于影响析氯反应机理的因48五、析氯反应的动力学及机理五、析氯反应的动力学及机理49五、析氯反应的动力学及机理五、析氯反应的动力学及机理503-3隔膜电解法一、原理二、生产流程三、电解工序的生产控制四、技术经济指标五、隔膜法电解槽3-3隔膜电解法一、原理51一、原理3-3隔膜电解法隔膜电解法的原理饱和盐水阳极阴极NaOH+NaCl石棉隔膜一、原理3-3隔膜电解法隔膜电解法的原理饱和盐水阳极阴极N523-3隔膜电解法铁网阴极石棉膜层3-3隔膜电解法铁网阴极石棉膜层53工业制碱的简单生产流程3-3隔膜电解法工业制碱的简单生产流程3-3隔膜电解法543-3隔膜电解法二、生产流程3-3隔膜电解法二、生产流程55二、生产流程生产工艺流程：盐水工序、电解工序、蒸发工序、氯和氢的处理等1、盐水工序（1）化盐(原盐溶解)每生产1吨烧碱(100％NaoH)和0.88吨氯约需1.5一1.6吨原盐(理论值为1.462吨)。盐水工序的投资占氯碱厂总投资的5-10％，而原盐的费用在生产成本中占20一30％。3-3隔膜电解法二、生产流程生产工艺流程：盐水工序、电解工序、蒸发工序、氯和56（2）盐水的精制粗盐水主要的杂质及其危害：①钙、镁、铁离子，可在阴极区的碱性介质中生成沉淀，堵塞隔膜，使其渗透率降低，减小电解液流量，降低电流效率，缩短隔膜寿命，消耗NaOH。②SO42-，可加速OH-在阳极放电，并降低NaCl的溶解度。③NH4+或有机氮化物，可能在电解槽中转化为NCl3，易爆炸。3-3隔膜电解法（2）盐水的精制粗盐水主要的杂质及其危害：3-3隔膜电解法57粗盐水（Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO42-）Ca2+、Mg2+、Fe3+、Ba2+BaSO4Ca2++CO32-=CaCO3Ba2++CO32-=BaCO3CaCO3BaCO3过量Na2CO3Mg2+、Fe3+、CO32-Mg2++2OH-=Mg(OH)2Fe3++3OH-=Fe(OH)3过量NaOHFe(OH)3Mg(OH)2OH-、CO32-精制食盐水Ba2++SO42-=BaSO4过量BaCl2粗盐水（Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO42-）Ca2+、58（3）盐水的澄清和过滤。澄清：重力沉降法或浮上澄清法。过滤：虹吸式过滤器及重力式过滤器。（4）盐水的重饱和、预热、中和。经过上述处理的盐水必须再次饱和，即重饱和，并在入槽前加热到80℃左右，可降低氯在盐水中的溶解度、析氯的过电位，并提高溶液电导率，减小欧姆压降。并加入盐酸，使pH降低。3-3隔膜电解法二、生产流程（盐水工序）（3）盐水的澄清和过滤。3-3隔膜电解法二、生产流程（盐水59（4）盐水的重饱和、预热、中和。在盐水精制过程中，由于加入碱，盐水呈碱性，将促进阳极区的副反应，须加入盐酸，使pH降低。如使用酸性盐水，pH=3~53-3隔膜电解法二、生产流程（盐水工序）精制盐水NaCl达到315g/L，Ca2+,Mg2+则在10ppm以下。（4）盐水的重饱和、预热、中和。3-3隔膜电解法二、生产流60二、生产流程（电解工序）精制的盐水由阳极区进入隔膜法电解槽电解，从阳极区得到氯气，从阴极区得到氢气、烧碱和氯化钠混合的阴极液。3-3隔膜电解法二、生产流程（电解工序）精制的盐水由阳极区进61生产流程（蒸发工序）（1）浓缩NaOH溶液，使之达到液碱产品的浓度（2）分离其中的NaCl，回收后送入盐水工序重复使用。3-3隔膜电解法烧碱10~12%和氯化钠16~18%混合的阴极液:生产流程（蒸发工序）（1）浓缩NaOH溶液，使之达到液碱产品62生产流程（固碱工序）固碱工序：采用熬碱锅间歇蒸煮或升(降)膜式蒸发器连续蒸发，液碱去除水分后呈熔融态，NaOH含量达95％以上，再经冷却成型，分别制成桶碱、片碱或粒碱等产品。我国烧碱生产中固碱产量约为10％－12％，世界烧碱主要生产国的固碱产量约为5％。5-3隔膜电解法生产流程（固碱工序）固碱工序：采用熬碱锅间歇蒸煮或升(降)膜63生产流程（气体产物的处理）氯气：从电解槽直接获得的高温高湿、并带有盐雾等杂质的氯气，不能作为产品使用，必须经过冷却、干燥、加压、液化等处理，以液氯产品形式提供给用户。氢气：电解槽出来的氢气，温度达80℃，亦需冷却洗涤，经压缩后灌装入钢瓶，供用户使用。为了保持电解槽阴极室压力恒定，还需设置氢气压力调节装置及自动放空装置。3-3隔膜电解法生产流程（气体产物的处理）氯气：从电解槽直接获得的高温高湿、64三、电解工序的生产控制1、盐水浓度和pH值为抑制阳极析氧反应，需控制进入电解槽的盐水浓度和pH值。3-3隔膜电解法为了提高析氯电流效率，应尽可能提高进槽液中的NaCl浓度。一般要求达到：320～326g/L盐水浓度对析氯电流效率的影响三、电解工序的生产控制1、盐水浓度和pH值3-3隔膜电解法65提高NaCl浓度的意义：（1）可提高析氯电流效率。（2）可降低氯的溶解量，从而减少氯的损失及氯溶解产生的副反应，有利于提高效率。（3）可使溶液电导率明显提高，从而减小溶液的欧姆压降和槽压，降低能耗。3-3隔膜电解法三、电解工序的生产控制提高NaCl浓度的意义：（1）可提高析氯电流效率。3-3隔66pH值升高，氯溶解度增加，有利于氧的析出，降低析氯电流效率。

pH值过低，将加剧阳极材料及隔膜的腐蚀。pH值对析氯电流效率的影响pH值升高，氯溶解度增加，有利于氧的析出，降低析氯电流效率。67在饱和NaCl溶液中各种电极的pH值与氧气发生量的关系A：金属阳极B：石墨电极C：Pt电极D：Pt-Ir电极3-3隔膜电解法三、电解工序的生产控制在饱和NaCl溶液中各种电极的pH值与氧气发生量的关系A：金68A：运行初期的新阳极B：运行30天后的阳极C：其它电解槽X：未处理电极Y：处理过电极Z：Pt电极阳极液pH值和电流效率的关系3-3隔膜电解法三、电解工序的生产控制A：运行初期的新阳极阳极液pH值和电流效率的关系3-3隔膜692、盐水流量和阴极区碱液的浓度滤过式隔膜电解法的原理：阳极区不断加入盐水，阴极区不断放出碱液，并维持两极区液面差产生的静压，使盐水通过透过式隔膜不停地渗入阴极区，从而阻止OH-向阳极区的扩散与电迁。

盐水的流量(流速)既关系能否阻止OH-的迁移和电流效率，又影响阴极区碱液的浓度及食盐的分解率。3-3隔膜电解法（电解工序的生产控制）2、盐水流量和阴极区碱液的浓度滤过式隔膜电解法的原理：阳极区70决定盐水流量(流速)的因素：盐水加入速率、隔膜的渗透率、两室液面差如果盐水加入速率太大，两室液面差过大，盐水流速太高，虽然可阻止OH-的反渗，提高电流效率，但却使阴极区碱液浓度降低，盐水分解率下降。如果盐水加入速率太低，阴极碱液浓度过高，OH-反渗速度加快，则将使电流效率下降。3-3隔膜电解法（电解工序的生产控制）2、盐水流量和阴极区碱液的浓度决定盐水流量(流速)的因素：3-3隔膜电解法（电解工序的生71碱液浓度与电流效率的关系：当碱液浓度>120g/L后，电流效率急剧下降。为了维持高的电流效率，阴极碱液浓度为：120－140g/L。3-3隔膜电解法（电解工序的生产控制）2、盐水流量和阴极区碱液的浓度碱液浓度与电流效率的关系：当碱液浓度>120g/L后，电流效723、电解温度（85℃~95℃）温度升高的优点：①可提高电解液的电导率，降低溶液的欧姆压降和槽压。②降低电化学极化和浓度极化，从而降低电解的能耗。③氯在盐水中的溶解度下降，可提高电流效率。温度升高的缺点：氢和氯中水蒸气含量增加，增加了后处理工序(干燥）的负担，同时可能加剧各种材料的腐蚀。3-3隔膜电解法（电解工序的生产控制）3、电解温度（85℃~95℃）温度升高的优点：3-3隔膜电734、电流密度电流密度升高，可提高电流效率，缩短电极寿命。①电流密度增大后要加大阳极液通过膜的流量，从而减少OH-反迁，使电流效率提高。②电流密度增大还使生产强度及设备的生产能力提高，但也使槽压升高，能耗增加。因此，应选择较合理的电流密：一般石墨阳极选择1000~1500A/m2，DSA阳极选择1500~2500A/m2。3-3隔膜电解法（电解工序的生产控制）4、电流密度电流密度升高，可提高电流效率，缩短电极寿命。3-744、电流密度3-3隔膜电解法（电解工序的生产控制）电流密度对槽电压及能耗的影响4、电流密度3-3隔膜电解法（电解工序的生产控制）电流密度75四、技术经济指标隔膜电解法的主要技术经济指标：

槽电压、电流效率、直流电耗四、技术经济指标隔膜电解法的主要技术经济指标：76Hooker隔膜电槽的槽电压衡算Hooker隔膜电槽的槽电压衡算77五、隔膜法电解槽水平式电解槽立式纸隔膜电解槽立式吸附隔膜电解槽，生产强度因反应器的比电极面积加大而明显提高。典型：虎克电槽，它将石棉纤维吸附于阴极铁丝网上形成隔膜。隔膜电解槽由槽盖、阴极箱、阳极组和槽底组成。容量小，能耗大五、隔膜法电解槽水平式电解槽容量小，能耗大78a.阳极组合件主要由导电铜板、支撑钢板、防腐钛板和阳极片组成。阳极片为钛铜复合棒和表面涂钌的钛网焊接件，用螺母固定在上述三板上。b.阴极组合件阴极组合件主要由阴极箱外壳、吸附隔膜后的阴极网袋和导电铜板组成。c.槽盖槽盖采用钢板焊接制成，内衬3mm厚耐酸橡胶两层制成。a.阳极组合件主要由导电铜板、支撑钢板、防腐钛板和阳极79C30-Ⅲ型金属阳极隔膜电解槽C30-Ⅲ型金属阳极隔膜电解槽80第3章--氯碱工业课件81隔膜电解槽阳极支持结构（a）石墨阳极与混凝土底板（板状结构）（b）金属阳极与钢底板（拉网电极，制作成中空的盒装结构，开孔率：30％～40％）隔膜电解槽阳极支持结构82阴极：低碳钢材质的钢丝网或多孔钢板阴极：低碳钢材质的钢丝网或多孔钢板833-4离子膜电解法离子膜法制碱是当今氯碱工业中崛起的新技术，离子膜烧碱不仅质量好，能耗低，而且从根本上解决了由石棉隔膜法制碱造成的石棉绒对水质的污染和对操作人员健康的影响。离子膜法制碱技术具有国际先进水平，被国家确定为化工重点发展的七大工程之一。同时符合国家提倡的企业“做大、做强、做优”及“高新技术产业化、传统产业高新技术化、优化企业产品结构”的产业政策，通过采用新技术、新工艺，提高产品质量，降低原料消耗，减少“三废”排放，实现清洁生产和循环经济。3-4离子膜电解法离子膜法制碱是当今氯碱工业中84离子膜电解法优点：(1)工艺流程简单。由于离子膜法电解液浓度高，因此不需要蒸发工段即可获得30％以上的产品。(2)能耗低。由于不需要蒸发工段，大大减少了蒸汽的消耗，同时电解工段的电耗和循环水耗也大幅度降低，一般离子膜法比隔膜法总能耗低30％以上。(3)污染程度低。离子膜法生产装置排出的废液、废气均能做到回收利用，达标排放，对环境几乎没有污染。离子膜电解法优点：(1)工艺流程简单。由于离子膜法电解液浓度85(4)产品纯度高。离子膜碱为高纯度产品，可满足纺织化纤行业对高纯碱的要求。(5)装置占地少。离子膜法装置占地较隔膜法装置要少40％一50％。(6)生产稳定，安全性高。离子膜法生产弹性较大，电槽能适应电流负荷的较大幅度变化，迅速调节生产负荷；同时离子膜法开停车安全方便，操作维修简单，劳动强度低。(4)产品纯度高。离子膜碱为高纯度产品，可满(5)装863-4离子膜电解法一、原理及特点3-4离子膜电解法一、原理及特点87生产设备名称：离子交换膜电解槽阳极：金属钛网（涂有钛、钌等氧化物）阴极：碳钢网（涂有镍涂层）阳离子交换膜：只允许阳离子通过，把电解槽隔成阴极室和阳极室。1、离子交换膜电解槽的简单构造一、原理及特点生产设备名称：离子交换膜电解槽1、离子交换膜电解槽的简单构造882、离子交换膜的作用防止氯气和氢气混合而引起爆炸避免氯气与氢氧化钠反应生成次氯酸钠影响氢氧化钠的产量2、离子交换膜的作用防止氯气和氢气混合而引起爆炸89第3章--氯碱工业课件90二、生产流程二、生产流程91第3章--氯碱工业课件92增加了二次盐水精制工序需向电解槽的阴极区加入纯水由电解槽阳极区引出的稀盐水可再度使用阴极室输出的液碱可直接作为商品离子交换膜电解法与隔膜电解法的区别二、生产流程增加了二次盐水精制工序离子交换膜电解法与隔膜电解法的区别二、93离子膜法对二次盐水的要求离子膜法对二次盐水的要求94助滤剂除去1ppm以下的悬浮物使钙、镁离子含量降到20ppb以下助滤剂除去1ppm以下的悬浮物使钙、镁离子含量降到20ppb95阳极液中盐水的质量阴极液中NaOH的浓度电流密度电解温度电解槽中气体的压力三、电解工序的生产控制阳极液中盐水的质量三、电解工序的生产控制96NaCl浓度的控制：NaCl浓度↑，电流效率增加。NaCl浓度过低，可能引起离子膜鼓泡。NaCl浓度：一般阳极液为190~210g/L1、阳极液中盐水的质量NaCl浓度的控制：1、阳极液中盐水的质量97盐水溶液pH的控制：采用酸性盐水可降低氯中含氧量，提高电流效率。但盐水的pH值不可太低，即不能低于离子膜的pK值，否则离子膜的交换基团不能解离，膜电阻增加，并可能损坏离子膜。通常，pH＝2.5±0.2范围内

盐水溶液pH的控制：采用酸性盐水可降低氯中含氧量98用化学法制备的磺酸/羧酸复合膜的膜电阻与碱液浓度关系2、阴极液中NaOH浓度用化学法制备的磺酸/羧酸复合膜的膜电阻与碱液浓度关系2、阴极992、阴极液中NaOH浓度钠离子通过膜的迁移数随碱液浓度增加先增加后降低，电流效率与NaOH浓度出现最大值。2、阴极液中NaOH浓度钠离子通过膜的迁移数随碱液浓100电流密度增加，生产强度提高；电流密度过高，将使离子膜中Na+的迁移数降低，槽压升高，电流效率降低。可据离子膜中的传质过程推导所允许的最大电流密度。3、电流密度电流密度增加，生产强度提高；电流密度过高，将使离子101脱盐层：钠离子以两种形式迁移。扩散、电迁。扩散：电迁：离子膜：稳态：脱盐层：钠离子以两种形式迁移。扩散、电迁。102稳态：稳态：103当i>id时，Na+的扩散不能满足电荷传递的要求，界面上的水分子开始电离，生成的H+与Na+共同通过离子膜导电，导致膜的选择性下降，电流效率下降，槽电压升高。通过离子膜表面的电流应低于id，并分布均匀。当i>id时，Na+的扩散不能满足电荷传递的要求，界面上的水104离子膜电解的温度：80～90℃，温度过高，可能使膜中的水沸腾，引起膜的破裂。4、电解温度离子膜电解的温度：80～90℃，温度过高，可