年产20万吨烧碱电解初步工艺设计样本.doc

目 录前 言- 1 -第一章 综 述- 2 -1.1 烧碱性质- 2 -1.2 其它副产物性质- 3 -1.3 氯碱工业发展情况- 3 -1.3.1 中国氯碱工业发展情况- 3 -1.3.2 世界氯碱工业发展现实状况- 5 -1.4 氯碱工业生产工艺现实状况- 5 -第二章 隔膜法电解制烧碱- 7 -2.1 隔膜法制烧碱基础原理- 7 -2.1.1 基础原理- 7 -2.1.2 电压效率及槽电压- 8 -2.2 电极和隔膜材料选择- 9 -2.2.1 阳极材料- 9 -2.2.2 阴极材料- 10 -2.2.3 隔膜材料- 10 -2.3 隔膜电解槽选择- 10 -2.4 隔膜法电解工艺步骤及操作条件- 11 -2.4.1 工艺步骤- 11 -2.4.2 操作条件及关键技术经济指标- 13 -2.4.3 电解操作指标和生产控制点分析- 14 -第三章 工艺计算- 16 -3.1 物料衡算- 16 -3.1.1 对电解槽做物料衡算- 16 -3.1.2 对氢盐换热器进行物料衡算- 17 -3.2 能量衡算- 18 -3.2.1 对氢盐换热器进行热量衡算- 18 -3.2.2 对电解槽进行热量衡算- 20 -第四章 关键设备工艺计算和选型- 22 -4.1 电解槽数量估算- 22 -4.2 氢盐换热器选型- 22 -4.3 盐水预热器选型- 23 -4.4 其它设备选型- 24 -第五章 关键工艺管道计算和选择- 26 -5.1 关键工艺管道计算和选择- 26 -5.1.1 水蒸气管道选型- 26 -5.1.2 电解槽氢气出口总管道选型- 26 -5.1.3 电解槽氯气出口总管道选型- 26 -5.1.4 氢盐换热器排水管道选型- 26 -5.1.5 盐水预热器排水管道选型- 27 -5.1.6 精盐水管道选型- 27 -5.1.7 电解碱液出口总管道选型- 27 -5.2 关键管道选择结果汇总- 27 -第六章 经济核实- 28 -6.1 经济核实- 28 -6.1.1 生产消耗核实- 28 -6.1.2 生产结果核实- 28 -6.1.2核实结果分析- 29 -第七章 厂址选择和车间部署- 30 -7.1 化工厂选址关键性- 30 -7.1.1化工厂厂址选择影响原因- 30 -7.1.2厂址选择- 31 -7.2 车间设备部署- 31 -7.2.1化工厂总平面部署标准- 31 -7.2.2车间部署具体要求- 32 -第八章 氯碱生产中防腐及三废处理- 34 -8.1 氯气腐蚀原因和防护方法- 34 -8.2 盐酸腐蚀成因和防护方法- 34 -8.3 烧碱产生腐蚀及防护方法- 35 -8.4 氯碱生产中三废处理- 36 -8.4.1 “废渣”治理和综合利用- 36 -8.4.2 “废气”治理及综合利用- 36 -8.4.3 “废水”治理- 37 -第九章 设计小结- 38 -参 考 文 献- 39 -致 谢- 40 -前 言氯碱，即氯碱工业，也指使用饱和NaCl溶液制氯气氢气烧碱方法。工业上用电解饱和NaCl溶液方法来制取NaOH、Cl2和H2，并以它们为原料生产一系列化工产品，称为氯碱工业，即工业上电解法生产烧碱也称氯碱工业。氯碱工业是最基础化学工业之一，它产品除应用于化学工业本身外，还广泛应用于轻工业、纺织工业、冶金工业、石油化学工业和公用事业。电解法生产烧碱，依据电解槽结构、电极材料和隔膜材料不一样可分为水银法、隔膜法和离子交换膜法。电解法生产烧碱除原料易得、生产步骤较短外，关键有以下三个特点：第一、能耗高，电解法生产烧碱关键能耗是电能，其耗电量仅次于电解法生产铝；第二、氯和碱平衡，电解法制烧碱所得到烧碱和氯气产品质量比恒定为1:0.88，但一个国家或地域对烧碱和氯气需求量，是伴随化工产品生产改变而改变；第三、腐蚀和污染严重。现在中国关键采取隔膜电解法制烧碱，而电解工段是电解食盐水生产氯气、氢气、烧碱关键工段，所以电解工段工艺设计至关关键。第一章 综 述烧碱（NaOH）即氢氧化钠，俗称火碱、苛性钠。是一个常见关键强碱，在国民经济中占相关键地位，广泛用于纺织工业、轻工业、冶金和有色冶金工业、化学工业和石油化学工业等部门。工业上常见烧碱生产方法有苛化法和电解法两种。苛化法是用纯碱（Na2CO3）和石灰乳（Ca(OH)2）经过苛化反应生成烧碱而得名，也叫石灰苛化法。电解法是采取电解食盐（NaCl）水方法生产烧碱，在制得烧碱同时还生产氯气(Cl2)和氢气(H2)，所以工业上电解法生产烧碱也称氯碱工业。1.1 烧碱性质（1）物理性质 纯无水氢氧化钠为白色半透明，结晶状固体。氢氧化钠极易溶于水，溶解度随温度升高而增大，溶解时能放出大量热。其溶液呈强碱性，腐蚀性极强。纯氢氧化钠物理性质以下：分子式 NaOH分子量 39.998熔点 318 .4沸点 1399折射率 1.3576熔融热 164.7J/g溶解度 109比热容 1.477J/（g）（2）化学性质 氢氧化钠是强碱，含有碱一切通性，另外还含有其它碱没有特征。a.放在空气中易潮解，并吸收空气中CO2而变质。故应放置在干燥环境中，也可用于干燥气体。b.在水溶液中能电离出大量OH-离子。 NaOH = Na + OH-c.能和酸和部分酸性氧化物反应 NaOH + HCl = NaCl + H2O2NaOH + SO2(不足)= Na2SO3 + H2Od.能和部分金属盐反应。 2NaOH + CuSO4= Cu(OH)2+ Na2SO4f.氢氧化钠溶液和铝反应 2Al + 2NaOH + 2H2O = 2Na(Al（OH)4）+3H2在NaOH不足量时发生反应为2Al+6H2O + NaOH= 2Al(OH)3+ 3H21.2 其它副产物性质（1）氢气 氢气是一个无色、无味、无嗅易燃气体。在多种液体中溶解甚微，难于液化，液态时为无色透明液体，有超导性质。关键化学性质为高燃烧性和还原性。常见作还原剂。（2）氯气 氯在常温常压下为黄绿色气体，有强烈刺激性气味，吸入少许就能使人中毒。经压缩可液化为金黄色液态氯。常见作为强氧化剂和氯化剂。氯混合 5%（体积）以上氢气时有爆炸危险。氯能和有机物和无机物进行替换或加成反应生成多个氯化物。氯在早期作为造纸、纺织工业漂白剂。氯气易液化，可溶于水，易溶于有机溶液。1.3 氯碱工业发展情况1.3.1 中国氯碱工业发展情况.生产能力 氯碱工业，在中国国民经济中占相关键地位。中国各氯碱企业为了提升本身竞争力，纷纷扩大烧碱装置规模，从1999年开始，掀起了一轮烧碱扩建高潮，到其生产能力已从1998年6 860 kt/a增至8 000 kt/a，现在中国烧碱总生产能力已经达成8 620 kt/a，居世界第2位。如此快速增加，使中国烧碱市场趋于饱和状态，而且这种扩建热潮现在还在继续，齐鲁石化企业氯碱厂正在扩建200 kt/a离子膜装置，上海氯碱化工股份计划再建400 kt/a装置，其它部分厂家计划项目估量还有700 kt/a, 假如这些计划项目得以实施，中国烧碱生产能力将达成近10 000 kt/a。现在中国烧碱企业有200多家，装置规模普遍较小，生产能力超出100 kt/a生产企业只有24家。.产量 伴随生产能力不停增加，多年来烧碱产量也不停增加，全国烧碱产量达8089 kt，为历史最高纪录，和7 135.2 kt相比，增加幅度为13.4%。现在烧碱生产方法几乎全部采取电解食盐水方法，这么，每生产1 t烧碱则联产0.88 t氯气。在生产烧碱同时，产出氯气6 280 kt；则同时产出氯气7 120 kt。伴随离子膜法新装置建成，造成严重环境污染水银法已停止生产，苛化法产量也相当少，中国现在烧碱关键生产方法是隔膜法和离子膜法。.中国氯碱工业存在问题（1）规模、技术问题 现在中国烧碱每套装置平均规模在40 kt/a左右。只有24家企业达成了100 kt/a规模，布局分散，规模小，和国外大型烧碱企业差距大，国外氯碱企业集中度相对较高，日本、欧盟前5家企业分别集中了它们烧碱生产能力50%，美国5家大企业集中了美国烧碱生产能力80%，而中国前5家企业生产能力不到全国总生产能力16%，装置规模小，效益自然差距很大。近几年，中国氯碱生产工艺即使有了较大改变，采取优异生产工艺生产装置逐年增加，不过，总来说，生产工艺和国外相比相对落后，再加上其它部分原因，生产成本普遍偏高。现在中国烧碱生产中，电解法产量已占总产量99.3%，苛化法仅占0.7%。在电解法烧碱中，隔膜法烧碱产量占74.0%，离子膜法烧碱所占百分比占到25.9%，水银法烧碱下降仅为0.1%。（2）氯和碱平衡问题 氯和碱平衡是氯碱工业发展关键，在20世纪80 年代，是以碱定氯，通常把氯气作为生产烧碱副产品；而到了20 世纪90年代，因为氯产品应用越来越广泛，氯碱工业逐步发展为以氯定碱，烧碱逐步被部分业内人士称为副产品了。近十几年来因为中国氯碱工业盲目扩建，使烧碱产能增加过快，而下游相关产业发展滞后，氯和碱需求不平衡问题越来越突显。而且中国市场上氯产品需求旺盛，而烧碱市场疲软，现在中国成为世界上唯一有烧碱过剩需要出口，却需要大量进口氯产品国家，估量以后这种氯和碱供求不平衡还将会继续深入扩大。显然，氯产品发展是以后氯碱工业所必需关注一个关键问题，氯产品开发和生产成为企业以后关键效益增加点，也是氯碱生产中决定企业经济效益和技术水平最关键原因之一，氯产品生产和发展对氯碱行业氯碱平衡起着决定性作用。中国氯碱工业现在已开始由建国早期以碱为主产品结构转向以氯为主产品结构新发展时期。现在中国氯产品市场展现出需求旺盛而中国生产供给不足现象，为数不少氯产品全部或大量从国外进口。所以，怎样合理开发生产氯产品，搞好氯碱平衡是目前需深入研究和认真探讨关键课题（3）氯产品结构问题 现在中国氯产品关键有没有机氯产品和有机氯产品。中国氯产品开发和生产最近几年有了很大发展，不过，和国外发达国家相比，我们差距还相当大。从耗氯结构来看，中国无机氯产品耗氯量一直占据全部氯产品耗氯量主导地位，即使从1983年中国停止生产耗氯量占12%左右“六六六”原粉商品后，聚氯乙烯树脂耗氯量有所增加，尤其20世纪90年代中期，中国开始大力推广使用塑料建材，限制使用木材，使建筑行业以塑代木、以塑代钢得到快速发展，从而推进了聚氯乙烯行业发展。尽管如此，中国无机氯产品耗氯量仍然占据中国氯产品耗氯总量54%（包含盐酸和其它无机氯化物），其它46%用于生产有机氯化物（包含聚氯乙烯、氯乙酸和氯丁橡胶等）。生产聚氯乙烯耗氯量约占氯总消耗量22%。在耗氯结构这一点上，国外部分发达国家和中国完全不一样。美国1995年有机化学品耗氯量占其整个氯产品耗氯量76.6%，而无机氯产品仅占12.8%；西欧1995年有机氯产品耗氯量占其整个氯产品耗氯量84.1%，无机氯产品耗氯量占氯产品耗氯总量9.6%；日本1995年有机氯产品耗氯量占整个氯产品耗氯量55%，无机氯产品耗氯量占整个氯产品耗氯量9.6%。和国外发达国家相比，中国有机氯产品所占百分比小，但这并不说明中国有机氯产品需求少，实际上，中国这几年进口有机氯产品占中国总用氯量20%以上。造成中国有机氯产品大量进口关键原因在于中国原料路线及生产工艺落后，生产规模小，产品成本高和质量差，竞争不过进口产品。1.3.2 世界氯碱工业发展现实状况（1）世界氯碱工业生产能力及其分布 世界氯碱工业中烧碱、氯气生产能力1993年至1996年稳定在年产4800万吨左右。其中烧碱年产量约4000万吨，美国和欧洲约2500万吨/年，日本400万吨/年。1997年世界烧碱生产能力有所增加，约为5075万吨，产量约为4340万吨，估计生产能力约为5189万吨，产量约为4548万吨，部分老装置将被关闭。美、日、欧三个地域大致上占世界总产量73%，估计到美国和欧洲烧碱产量为2170万吨，由原来占63%百分比降为48%。日、美、西欧作为全球氯碱工业基础，形成三足鼎立之势，引导世界氯碱行业发展时尚，主宰着氯碱产业价格动向，平衡动向，是氯碱生产原动力，这种情况将连续到。（2）西方发达国家氯碱工业发展趋势：第一，以技术改造为手段，向节能降耗发展。世界优异国家大多数彩用离子膜法生产烧碱，日本离子膜法工艺占88%，而中国仅占15%不到。第二，以联合吞并等方法，向大型规模发展。美国麦道化学、OXY Chemical、PPG三企业烧碱产量所占全国百分比高达65%；前四大氯碱工业企业产量占全国总产量80%。而中国烧碱企业有220多家，厂多规模小，布局分散，经营条件差，前四大氯碱工业企业产量仅占全国总产量15%，所以，影响了中国氯碱工业企业在国际市场上竞争力。第三，发展以氯碱为原料项目，确定精细化工发展战略。美、日、欧大型氯碱企业产品结构向精细化工升级，其长远战略就是发展精细化工，不停提升产品精细化率。英国ICI企业、德国拜耳企业、美国麦道化学企业、日本旭化成企业，转向生产化工、生命科学、电子化工材料、信息化学品、功效高分子等高科技精细化工领域，这些企业产品精细化率将超出50%。1.4 氯碱工业生产工艺现实状况电解法生产烧碱在制得烧碱同时还生产氯气和氢气，所以工业上电解法生产烧碱也称氯碱工业。它是基础化学工业之一，它产品烧碱和氯气在国民经济中占相关键地位，广泛用于纺织工业、轻工业、冶金和有色冶金工业、化学工业和石油化学工业等部门。电解法生产烧碱除原料易得、生产步骤较短外，关键有以下三个特点。（） 能源消耗大，关键是用电量大 氯碱生产耗电量仅次于电解法生产铝，电能是氯碱工业关键原料之一。在美国，氯碱工业用电量占总发电量2%，中国氯碱工业生产耗电量占年总发电量1.5%。所以，电力供给情况和电价对氯碱产品生产成本影响极大，各国一直把降低能耗作为电解法关键问题。经过利用优异设备，提升电解槽电能效率和碱液蒸发烧能利用率，来降低烧碱电耗和蒸汽消耗。所以，开辟节省能源新路径，含相关键意义。（） 氯和碱平衡 电解食盐水溶液时，按固定质量百分比(1:0.85)同时产出烧碱（NaOH）和氯气两种联产品。在一个国家和地域，对烧碱和氯气需求结构不一定符合烧碱和氯气供给结构，所以出现了烧碱和氯气供需平衡问题。通常情况下，发展中国家工业发展早期用氯量较少，因为氯气又不宜长途运输，所以总是以氯气需用量来决定烧碱产量，往往出现烧碱短缺。在石油化工和基础有机原料发展较快国家和地域用氯量较大，所以出现烧碱过剩。总而言之，烧碱和氯气平衡问题一直是氯碱工业发展中恒定矛盾。（） 腐蚀和污染 氯碱产品如烧碱、盐酸等含有强腐蚀性，在生产过程中使用原材料如石棉、汞、含氯废气等全部可能对环境造成污染，所以预防腐蚀和环境污染也一直是氯碱工业努力革新方向。电解法生产烧碱，依据电解槽结构、电极材料和隔膜材料不一样可分为水银法、隔膜法和离子交换膜法。20世纪70年代中期水银法在发达国家氯碱工业中占有相当关键地位，但因汞有毒性，70年代末该法开始被逐步淘汰。隔膜法是最早出现食盐水电解技术，已历经数次技术革新。隔膜法电解槽中采取石棉隔膜有一定不足。离子膜法师20世纪70年代发展新技术，其电极反应和隔膜法完全相同，但用离子交换膜替换石棉隔膜，离子交换膜反应器组装灵活，单原料进入和产物排放用管道很多，另外因受到离子膜尺寸限制，反应器单元生产能力较小。本设计参考中盐株洲化工集团氯碱生产工艺，选择隔膜法电解生产烧碱。第二章 隔膜法电解制烧碱2.1 隔膜法制烧碱基础原理2.1.1 基础原理NaCl水溶液中，关键存在四种离子：Na+、Cl-、H+、OH-。电解槽阳极通常使用石墨电极或金属涂层电极；阴极用铁丝网或冲孔铁板；中间隔膜由一个多孔渗透件材料做成，多采取石棉，将电解槽分隔成阴极室和阳极室两部分，使阳极产物和阴极产物分离隔开，可使电解液经过，并以一定速度流向阴极。现在，工业上较多使用是立式隔膜电解槽，工作原理图3.1所表示。图3.1 立式隔膜电解槽示意图饱和食盐水由阳极室注入，使阳极室液面高于阴极室液面，阳极液以一定流速经过隔膜流入阴极室以阻止OH-返迁移。得到产品氢气、氯气分别从阴极室和阳极室上方导出管导出，氢氧化钠则从阴极室下方导出。此过程中发生电极反应以下：阴极反应：2H+ + 2e = H2阳极反应：2Cl- - 2e = Cl2电解总反应：2NaCl + 2H2O = H2+ Cl2+ 2NaOH在电解过程中，因为阳极产物溶解，和通电时阴阳极产物迁移扩散等原因，在电解槽内还会有一系列副反应发生。Cl2 + H2O = HClO + HClClO- + 2H = Cl- + H2O副反应发生，不仅会降低碱和氯产量，而且还会降低电流效率。为了降低副反应发生，在生产中采取关键方法以下：(1) 采取精制饱和食盐水溶液并控制在较高温度下进行电解，以降低氯气在阳极液中溶解度。(2) 保持隔膜多孔型和良好渗透率，使能阳极液正常均匀地透过隔膜，阻止两极产物混合和反应。(3) 保持阳极室液面高于阴极室液面，用一定液位差促进盐水定向流动而阻止OH-由阴极室向阳极室扩散。2.1.2 电压效率及槽电压（1）理论分压 为了增大食盐水电导和降低氯在食盐水中溶解以抑制副反应,电解时常常采取浓度高靠近于饱和食盐水，含氯化钠约为300-330/m3.按吉布斯-亥姆霍兹公式计算,此条件下食盐水理论分压为2.17V。计算以下：E= + T对于从食盐水生成氯、氢和氢氧化钠电解过程来说,式中：Q由氯化钠和水生成氯、氢和氢氧化钠热反应，JdE/dT分解电压浓度系数,对氯化钠水溶液电解来说,浓度系数等于-0.0004V/K。氯化钠水溶液电解总过程能够写为：NaCl + H2O = NaOH + 1/2Cl2 + 1/2H2其热效应能够依据盖斯定理计算，由元素生成氯化钠生成热为：Na +1/2Cl2 = NaCl +409.0kJ氯化钠在水中溶解热为-1.9KJ/mol由钠和水生成氢氧化钠溶液热效应为：Na + H2O = NaOH + 1/2H2 +185.8kJ/mol分解氯化钠水溶液所需要热量为：Q = 409.0 + (-1.9)185.8=221.75kJ/mol代入公式求得25时氯化钠理论分压为：E=0.0004298=2.17V（2）槽电压 电解槽两极上所加电压称为槽电压，槽电压Em包含:理论分压E、过电位E0、电流经过电解液电压降EL和经过电极、导线、接点、等电压降ER，即E槽=E+E0+EL+ER理论分压E对槽电压EM之比，称为电压效率E,即：E=(E/E槽)100%隔膜法电压效率通常在60%左右。隔膜电解槽槽电压通常为3.2-3.8V，本设计采取槽电压为3.34V，则理论分压2.17V可知：E=100%=64.98%电能效率为电压效率和电流效率乘积，即= E I也能够写成:=而理论上生产1t氢氧化钠时消耗电量为：Q0=2.413 GC按理论分压为2.17V计算，耗用电能为：W0=2.172.413=5.24GWs (1460KWh)本设计采取95%电流效率，则耗电量为：Q=2.54 GC而采取槽电压为3.34V,则消耗电能为:W=3.342.54=8.48GWs(2400KWh)电能效率为：=100%=61.72%2.2 电极和隔膜材料选择2.2.1 阳极材料因为电解槽阳极是直接地连续地和化学性质十分活泼，且腐蚀性较强湿氯气、盐酸和次氯酸等接触，所以阳极材料应含有较强耐化学腐蚀性，同时含有对氯过电压低，导电性能良好，机械强度高而且易于加工，起源广泛和使用寿命长等特点。现在中国外氯碱工业中普遍采取电极是石墨阳极和金属阳极。金属阳极和石墨阳极相比较有以下优点：（1）生产能力高 金属阳极能耐高电流密度，通常情况下可达1517A/dm2，为石墨电解槽电流密度2倍，国外MDC型和Hooker型电解槽可达20 A/dm2。这就大大提升了单槽生产能力。（2）产品质量好 金属阳极性能稳定，碱液无色透明，浓度高，氯气中无CO、CO2等杂质，纯度高。（3）电能损耗小 在金属阳极上氯放电电位逼在相同条件下石墨电极上约低200mV，每生产1t100% NaOH能够节电140150度（kWh）电。另外，因碱液浓度比石墨阳极电解槽高，还可节省蒸发碱液蒸汽用量。（4）使用寿命长 金属阳极耐碱和氯腐蚀并可更换涂层，使用寿命可达以上。另外，电解槽和隔膜寿命长，使检修和材料费用大大降低。（5）环境污染小 金属阳极不使用沥青和铅，所以改善了对环境污染。所以，采取金属阳极比很好，现在氯碱工业上使用最广泛是钌钛金属阳极。2.2.2 阴极材料阴极材料要含有耐氯化钠、氢氧化钠腐蚀，导电性能良好，且氢在电极上过电位要低等特点。隔膜电解槽常见阴极材料有铁、铜、镍等。因为铁耐氯化钠、氢氧化钠等腐蚀性好且含有导电性能好、氢过电压低优点，是一个质优价廉阴极材料。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，立式隔膜电解槽阴极通常采取铁丝编成网状，也有用冲孔铁板。2.2.3 隔膜材料隔膜是整个电解槽中最关键组成部分。它是隔膜电解槽中直接吸附在阴极上多孔型材料层，用它将阳极室和阴极室隔开。对隔膜材料要求大致有以下几点： 应含有较强化学稳定件，既耐酸又耐碱腐蚀，并应含有相当机械强度，长久使用不宜损坏；必需保持多孔及良好渗透性，能使阳极液维持一定流速且均匀地透过隔膜，并预防阳极液和阴极液机械混合；应含有较小电阻，以降低电压损失； 材料易得，制造成本低。石棉是一个硅酸盐纤维状矿物质，含有耐酸耐碱特征，能够比较全方面地满足上述要求，所以自20世纪20年代以来一直使用石棉作为隔膜材料。2.3 隔膜电解槽选择隔膜电解槽是隔膜电解法生产关键设备。依据隔膜安装位置，隔膜电解槽分为立式和水平式两种。早期隔膜电解槽是水平安装，但电流密度小，占地面积大，相对成本高，以后逐步被立式隔膜电解槽替换。现在中国大、中型氯碱厂全部普遍使用化工部第八设计院设计C30-型金属阳极隔膜电解槽。图2.2为C30-III型金属阳极隔膜电解槽结构示意图。多种隔膜电解槽结构即使不尽相同，但基础构件中全部包含槽盖、阳极组合件和阴极组合件。中国金属阳极电解槽关键部件见下表2.1。表2.1 中国金属阳极电解槽关键部件槽型3-A3-B3-3-47-B47-B阳极片规格/mm224080032320800343308003640080033.428075037560750阳极片数/片8060664811256复合棒规格/mm242427272929333327273333复合棒质量/Kg330366370365640436铁网质量/Kg133130130130208201钛法兰垫圈聚四氟天然胶天然胶=350/24天然胶=450/29天然胶聚四氟铁丝网质量/Kg90090010001000铜材质量/Kg13001500阴阳极极距/mm10.59.598.5107.5图2.2 C30-III型金属阳极隔膜电解槽结构示意图1阳极组合件；2-电解液出口：3-阴极连接铜排；4-阴极网袋；5-阳极片；6-阳极水位表接口；7-盐水喷嘴插口；8-氯气压力表接口；9-氯气出口；10-氢气出口；11-槽盖；12-橡皮垫床；13-阴极箱组合件；14-阳极连接铜排2.4 隔膜法电解工艺步骤及操作条件2.4.1 工艺步骤电解工段关键任务是在直流电作用下，完成电解食盐水溶液制取NaOH、Cl2和H2工艺过称。由盐水精制工段送来精制盐水进入高位槽（1），液面维持恒定，方便利用高位槽液位压差，使盐水平稳地经盐水预热器（2）加热到7080,由总管均匀分流到各电解槽（3），进行电解。电解生成氯气从电解槽顶部出口支管导入氯气总管，送氯气处理工序；氢气从阴极箱上部出口支管导入氢气总管，送氢气处理工序。生成电解液，从电解槽阴极箱出口流出，导入总管，聚集到碱液贮槽（4），用泵（5）送往蒸发工段，蒸发浓缩。步骤见示意图2.3。图2.3 电解工段生产步骤简图1-高位槽；2-预热器；3-电解槽；4-碱液储槽；5-碱泵 具体步骤图以下图2.4所表示图2.4 隔膜法工艺步骤方框图2.4.2 操作条件及关键技术经济指标(1) 盐水浓度 电解质溶液导电是依靠溶液中正负离子迁移并在电极上放电而引发。所以，电导率随电解质溶液浓度升高而升高，一直到溶液饱和为止。工业生产上电解液采取是NaCl饱和溶液，其质量浓度为(315 5)g/L。一般工业食盐中常含有钙盐、镁盐、硫酸盐等其它杂质，对电解操作极其有害。故工业用原盐制备粗盐水，必需加以精制。在生产中，通常采取添加过量Na2CO3和NaOH除去Ca2+、Mg2+杂质；为了控制SO42-含量，采取加入氯化钡方法。精盐水质量见表2.2。表2.2 精盐水质量指标 (g/L)NaCl含量Ca2+、Mg2+总量SO42-含量NaOH过碱量Na2CO3过碱量3151050.07-0.60.25-0.6(2) 盐水温度 提升温度，可提升电解质电导率，降低氯气在阳极液中溶解度，提升阳极电流效率，同时还可降低阳极上析出氯气和阴极上析出氢气过电位。即使升高温度对NaCl溶解度影响不大，但升高温度可提升NaCl溶解速度。通常入电解槽前盐水温度在80左右，电解槽温度控制在95左右。(3) 盐水流量和碱液浓度 盐水流量大小会对电解过程带来较大影响。盐水流量小，NaCl分解率高、NaOH浓度高，但OH-反迁移严重，副反应多，电流效率低。但盐水流量大，NaOH浓度低，碱液中NaCl含量高，碱液蒸发能耗高。为此，各厂应依据具体条件确定碱液成份。通常碱液成份控制在以下范围：NaOH含量：130145 g/LNaCl含量： 175210 g/L(4) 氯气纯度及压力 氯气是有毒气体，不许可泄露，要确保电解槽、管道等连接处密封，氯气总管压力采取微负压-49-98Pa下操作。为避免在电解槽内Cl2和H2混合爆炸，必需预防H2漏到Cl2中，应控制阳极室液面高于隔膜顶端，同时亲密注意隔膜完好情况。 电解槽出来湿氯气经冷却干燥后干基气体组成为：Cl2 ：96.5%98%，H2 ：0.1%0.4%，O2 ：1.0%3.0%。(5) 氢气纯度及压力 电解槽产生氢气纯度是很高，其体积分数通常在99%（干基）以上。为预防空气和氢气混合发生爆炸，通常电解槽氢气系统全部是保持微正压4998Pa下操作。(6) 电流效率 电流效率为实际产量和理论产量比值。电流效率是电解槽一项关键技术经济指标，和电能消耗、产品质量和电解操作过程关系十分亲密。较优异隔膜电解槽电流效率为95%97%。影响电流效率原因有很多，如盐水质量（盐水浓度、盐水中Ca2+、Mg2+、SO42-等杂质含量，盐水pH值等）、盐水温度、电解液浓度、隔膜吸附质量、电流密度大小、电流波动情况和电解槽绝缘好坏等全部会影响电流效率。提升电流效率路径关键有以下多个方面：确保隔膜渗透率，控制隔膜吸附质量。维持阳极液高于阴极液液位差，使阳极液以适宜流速透过隔膜进入阴极室，以阻止OH-向阳极室反向迁移。提升精制盐水中NaCl质量浓度，使之靠近饱和，即含NaCl315g/L。精盐水中NaCl含量高，可降低Cl2在盐水中溶解度，降低阳极室副反应。控制电解液中NaOH质量浓度不超出140 g/L。其原因是NaOH浓度增加，使OH-向阳极迁移和扩散能力加强，NaOH质量浓度每提升10 g/L，电流效率将下降1.3%。合适提升电流密度。电流效率随电流密度增加而增加，电流密度每增加100A/dm2,电流效率可提升0.1%。这是因为当电解液中NaOH浓度一定时，提升电流密度肯定对应加大经过隔膜盐水质量，这么就对应降低了OH-向阳极迁移和扩散量，所以提升了电流效率。确保电解槽绝缘性能良好，预防漏电。确保供电和生产稳定，预防电流波动。2.4.3 电解操作指标和生产控制点分析（1）电解工艺指标 为了确保电解顺利进行，对于隔膜法电解工艺有一定工艺指标。关键有：精盐水进入电解槽温度：90精盐水进入电解槽浓度：310g/电解碱液出电解槽温度：90电解碱液出电解槽浓度（NaOH）：115-130g/电解槽电流效率：95%电解槽单槽电压：3.3-3.4V电流密度：51000kA氢气出口温度：90氯气出口温度：90氯中含氧：2.5%氯中含氢：0.5%（2）生产控制方法 生产过程中关键控制方法以下：温度测量 在精盐水进入精盐水贮槽时，对精盐水温度用现场设置仪表测量；精盐水进入氢盐换热器温度用带自动显示式电子电位计热电偶测量；对散热片温度用现场仪表进行测量；对精盐水进盐水预热器温度用带自动显示式电子电位计热电偶测量；对精盐水出盐水预热器温度用带调整阀热电偶测量。压力测量 对蒸汽和空气管道压力均以弹簧压力计测量；对氢气、氯气出口压力观察利用了浮标式差压计进行测量；对电解液和精盐水管道压力用浮头式差压计测量；对真空箱压力是以单管压力计测量。流量和物位测量 对精盐水贮槽、电解液贮槽和碱液槽是以带报警器单管式液位计测量；对精盐水、电解液流量采取带电传至自动统计仪表浮标式差压流量计来计量。自动分析 为立即、正确观察精盐水、电解液、氢气和氯气含量，确保连续生产可靠性，设计上要求增设自动分析器，如测量氯化钠浓度氯化钠自动分析器；测量氢氧化钠浓度氢氧化钠自动分析器；测量氢气组成气动式自动分析器；测量氯气组成气动式自动分析器。第三章 工艺计算3.1 物料衡算已知：年产100%烧碱20万吨，年工作320天，二十四小时连续生产。电流效率95%；食盐分解率50%；电解槽产出氢氧化钠浓度为10.7%；精盐中氯化钠浓度为26.72%；出电解槽湿氢气中氢气质量百分含量为8.3%；出电解槽湿氯气中氯气质量百分含量为72.97%；出氢盐换热器湿氢气质量百分含量为18.63%；则每小时生产100%氢氧化钠产量为：每小时生产10.7%氢氧化钠产量为：因食盐水分解率为50%，则氯化钠量为：氯化钠质量为：W=1302.0858.5=76171.88（kg/h）因精盐水中氯化钠浓度为26.72%，则精盐水流量为：3.1.1 对电解槽做物料衡算电解槽 湿氢气I1 湿氯气I2 精盐水F3 电解碱液F2 损失I3 图3.1 电解槽物料平衡(1) 湿氢气流量为：(2) 湿氯气流量为：(3) 出电解槽电解液：(4) 进入电解槽精盐水：(5) 电解槽中损失：计算结果见下表3.1所表示。表3.1 电解槽物料衡算表进电解槽（Kg/h）出电解槽（Kg/h）精盐水F3285074.42湿氢气I17843.88湿氯气I231673.27损失I32177.21电解碱液F2243380.06累计285074.42累计285074.423.1.2 对氢盐换热器进行物料衡算氢盐换热器 精盐水F3 湿氢气I5 冷凝水I6 湿氢气I1 精盐水I4图3.2 氢盐换热器物料步骤图(1) 进入氢盐换热器湿氢气量：(2) 出氢盐换热器湿氢气量：(3) 出氢盐换热器精盐水和进氢盐换热器精盐水量相等。即：(4) 出氢盐换热器冷凝水含量：则电解车间物料平衡如表3.2。表3.2 氢盐换热器物料平衡表进入换热器物料（Kg/h）出换热器物料（Kg/h）精盐水F3285074.42精盐水F3285074.428.3%湿氢气I17843.8818.63%湿氢气I53494.59冷凝水I64349.29累计292918.3累计292918.33.2 能量衡算已知条件：来自盐水工段精盐水温度 45精盐水出氢盐换热器温度 55 精盐水出盐水预热器温度 90出电解槽电解碱液温度 90 湿氢气温度 90 出氢盐换热器冷凝水温度 70 出氢盐换热器湿氢气温度 70 出电解槽湿氯气温度 903.2.1 对氢盐换热器进行热量衡算氢盐换热器 45精盐水Q1 55精盐水Q3 90湿氢气Q