项目十五电解法生产烧碱
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无机化工生产技术与操作
项目十五 电解法生产烧碱
电解法生产烧碱在制得烧碱的同时还生产氯气和 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，它的产品烧碱和氯气在 国民经济中占有重要地位，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，根据电解槽结构、电极材料和 隔膜材料的不同可分为水银法、隔膜法和离子交换膜 法。
电解法生产烧碱除原料易得、生产流程较短外， 主要有以下三个特点。
①能耗高 电解法生产烧碱的主要能耗是电能，其 耗电量仅次于电解法生产铝。
②氯与碱的平衡 电解法制烧碱所得到的烧碱与氯 气的产品的质量比恒定为1:0.88，但一个国家或地区 对烧碱和氯气的需求量，是随着化工产品生产的变化 而变化的。
③腐蚀和污染严重
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。
图12-1 立式隔膜电解槽示意图
饱和食盐水由阳极 室注入，使阳极室的 液面高于阴极室的液 面，阳极液以一定流 速通过隔膜流入阴极 室以阻止OH-的返迁移。 得到产品氢气、氯气 分别从阴极室和阳极 室上方的导出管导出， 氢氧化钠则从阴极室 下方导出。
副反应的发生，不但会降低碱和氯的产量，而且 还会降低电流效率。为了减少副反应的发生，在生产 中采取的主要措施如下。
(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。
石棉是一种硅酸盐纤维状矿物质，具有耐酸耐碱 的特性，能够比较全面地满足上述要求，所以自20世 纪20年代以来一直使用石棉作为隔膜材料。
4．隔膜电解槽
隔膜电解槽是隔膜电解法生产的主要设备。早期 的隔膜电解槽是水平安装的，但电流密度小，占地面 积大，相对成本高，后来逐渐被立式隔膜电解槽取代。 各种隔膜电解槽的结构虽然不尽相同，但基本构件中 都包括槽盖、阳极组合件和阴极组合件。
(1) 采用精制的饱和食盐水溶液并控制在较高的温度 下进行电解，以减少氯气在阳极液中的溶解度。
(2) 保持隔膜的多孔型和良好的渗透率，使能阳极液 正常均匀地透过隔膜，阻止两极产物的混合和反应。
(3) 保持阳极室的液面高于阴极室的液面，用一定的 液位差促进盐水的定向流动而阻止OH-由阴极室向阳 极室的扩散。
任务一 隔膜法电解制烧碱
❖ 一、隔膜法制烧碱的基本原理 ❖ 二、隔膜法制烧碱的工艺条件分析与选择 ❖ 三、隔膜法制烧碱工艺流程组织 ❖ 四、隔膜法制烧碱操作控制要点 ❖ 五、隔膜法制烧碱生产过程常见故障及排除
一、隔膜法制烧碱的基本原理
食盐水溶液中，主要存在四种离子：Na+、Cl-、 H+、OH-。电解槽的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；中间的隔膜由一 种多孔渗透件材料做成，多采用石棉，将电解槽分隔 成阴极室和阳极室两部分，使阳极产物与阴极产物分 离隔开，可使电解液通过，并以一定的速度流向阴极。 目前，工业上较多使用的是立式隔膜电解槽，工作原 理如图12-1所示。
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；
在生产中，一般采用添加过量的Na2CO3和NaOH 除去Ca2+、Mg2+杂质；为了控制SO42-的含量，采用加 入氯化钡的方法。精盐水的质量应达到以下指标：
NaCl 含量 Ca2+、Mg2+总量 SO42-含量 NaOH 过碱量 Na2CO3 过碱量
≥315 g/L <10 mg/L
<5 g/L 0.07~0.6 g/L 0.25~0.6 g/L
天然胶
天然胶
天然胶
聚四氟
5．操作条件
(1) 盐水的浓度
电解质溶液的导电是依靠溶液中正负离子的迁移 并在电极上放电而引起的。所以，电导率随电解质溶 液浓度的升高而升高，一直到溶液饱和为止。工业生 产上电解液采用的是NaCl的饱和溶液，其质量浓度为 (315 ± 5)g/L。
普通工业食盐中常含有钙盐、镁盐、硫酸盐等其 他杂质，对电解操作极其有害。故工业用原盐制备的 粗盐水，必须加以精制。
(2) 盐水的温度
提高温度，可提高电解质的电导率，降低氯气在 阳极液中的溶解度，提高阳极电流效率，同时还可降 低阳极上析出氯气和阴极上析出氢气的过电位。虽然 升高温度对NaCl的溶解度影响不大，但升高温度可提 高NaCl的溶解速度。一般入电解槽前的盐水温度在 70℃左右，电解槽温度控制在95℃左右。
二、隔膜法制烧碱的工艺条件分析与选择
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。
阳极片数量，片
80
60
66
48
112
56
复合棒规格，mm
□24×24
□27×27
□29×29
□32×33
□27×27
□33×33
复合棒重量，kg
330
366
370
365
640
436
铁网重量，kg
133
130
130
130
208
201
阴阳极间距，mm
10.5
Baidu Nhomakorabea
9.5
9
8.5
10
7.5
钛法兰垫圈
聚四氟
天然胶
如图12-2为C30-III型金属阳极隔膜电解槽的结构 示意图。
我国金属阳极电解槽的常用槽型及主要部件的规 格见表12-1。
图12-2 C30-III型金属阳极隔膜电解槽
表 12-1 我国金属阳极电解槽常用槽型及主要部件一览表
槽型 项目
3-Ⅰ
A
B
30-Ⅱ
30-Ⅲ
47
-ⅠB
-ⅡB
阳极片规格，mm 2×240×800 32×320×800 34×330×800 36×400×809 33.4×280×750 37×560×750
项目十五 电解法生产烧碱
电解法生产烧碱在制得烧碱的同时还生产氯气和 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，它的产品烧碱和氯气在 国民经济中占有重要地位，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，根据电解槽结构、电极材料和 隔膜材料的不同可分为水银法、隔膜法和离子交换膜 法。
电解法生产烧碱除原料易得、生产流程较短外， 主要有以下三个特点。
①能耗高 电解法生产烧碱的主要能耗是电能，其 耗电量仅次于电解法生产铝。
②氯与碱的平衡 电解法制烧碱所得到的烧碱与氯 气的产品的质量比恒定为1:0.88，但一个国家或地区 对烧碱和氯气的需求量，是随着化工产品生产的变化 而变化的。
③腐蚀和污染严重
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。
图12-1 立式隔膜电解槽示意图
饱和食盐水由阳极 室注入，使阳极室的 液面高于阴极室的液 面，阳极液以一定流 速通过隔膜流入阴极 室以阻止OH-的返迁移。 得到产品氢气、氯气 分别从阴极室和阳极 室上方的导出管导出， 氢氧化钠则从阴极室 下方导出。
副反应的发生，不但会降低碱和氯的产量，而且 还会降低电流效率。为了减少副反应的发生，在生产 中采取的主要措施如下。
(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。
石棉是一种硅酸盐纤维状矿物质，具有耐酸耐碱 的特性，能够比较全面地满足上述要求，所以自20世 纪20年代以来一直使用石棉作为隔膜材料。
4．隔膜电解槽
隔膜电解槽是隔膜电解法生产的主要设备。早期 的隔膜电解槽是水平安装的，但电流密度小，占地面 积大，相对成本高，后来逐渐被立式隔膜电解槽取代。 各种隔膜电解槽的结构虽然不尽相同，但基本构件中 都包括槽盖、阳极组合件和阴极组合件。
(1) 采用精制的饱和食盐水溶液并控制在较高的温度 下进行电解，以减少氯气在阳极液中的溶解度。
(2) 保持隔膜的多孔型和良好的渗透率，使能阳极液 正常均匀地透过隔膜，阻止两极产物的混合和反应。
(3) 保持阳极室的液面高于阴极室的液面，用一定的 液位差促进盐水的定向流动而阻止OH-由阴极室向阳 极室的扩散。
任务一 隔膜法电解制烧碱
❖ 一、隔膜法制烧碱的基本原理 ❖ 二、隔膜法制烧碱的工艺条件分析与选择 ❖ 三、隔膜法制烧碱工艺流程组织 ❖ 四、隔膜法制烧碱操作控制要点 ❖ 五、隔膜法制烧碱生产过程常见故障及排除
一、隔膜法制烧碱的基本原理
食盐水溶液中，主要存在四种离子：Na+、Cl-、 H+、OH-。电解槽的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；中间的隔膜由一 种多孔渗透件材料做成，多采用石棉，将电解槽分隔 成阴极室和阳极室两部分，使阳极产物与阴极产物分 离隔开，可使电解液通过，并以一定的速度流向阴极。 目前，工业上较多使用的是立式隔膜电解槽，工作原 理如图12-1所示。
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；
在生产中，一般采用添加过量的Na2CO3和NaOH 除去Ca2+、Mg2+杂质；为了控制SO42-的含量，采用加 入氯化钡的方法。精盐水的质量应达到以下指标：
NaCl 含量 Ca2+、Mg2+总量 SO42-含量 NaOH 过碱量 Na2CO3 过碱量
≥315 g/L <10 mg/L
<5 g/L 0.07~0.6 g/L 0.25~0.6 g/L
天然胶
天然胶
天然胶
聚四氟
5．操作条件
(1) 盐水的浓度
电解质溶液的导电是依靠溶液中正负离子的迁移 并在电极上放电而引起的。所以，电导率随电解质溶 液浓度的升高而升高，一直到溶液饱和为止。工业生 产上电解液采用的是NaCl的饱和溶液，其质量浓度为 (315 ± 5)g/L。
普通工业食盐中常含有钙盐、镁盐、硫酸盐等其 他杂质，对电解操作极其有害。故工业用原盐制备的 粗盐水，必须加以精制。
(2) 盐水的温度
提高温度，可提高电解质的电导率，降低氯气在 阳极液中的溶解度，提高阳极电流效率，同时还可降 低阳极上析出氯气和阴极上析出氢气的过电位。虽然 升高温度对NaCl的溶解度影响不大，但升高温度可提 高NaCl的溶解速度。一般入电解槽前的盐水温度在 70℃左右，电解槽温度控制在95℃左右。
二、隔膜法制烧碱的工艺条件分析与选择
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。
阳极片数量，片
80
60
66
48
112
56
复合棒规格，mm
□24×24
□27×27
□29×29
□32×33
□27×27
□33×33
复合棒重量，kg
330
366
370
365
640
436
铁网重量，kg
133
130
130
130
208
201
阴阳极间距，mm
10.5
Baidu Nhomakorabea
9.5
9
8.5
10
7.5
钛法兰垫圈
聚四氟
天然胶
如图12-2为C30-III型金属阳极隔膜电解槽的结构 示意图。
我国金属阳极电解槽的常用槽型及主要部件的规 格见表12-1。
图12-2 C30-III型金属阳极隔膜电解槽
表 12-1 我国金属阳极电解槽常用槽型及主要部件一览表
槽型 项目
3-Ⅰ
A
B
30-Ⅱ
30-Ⅲ
47
-ⅠB
-ⅡB
阳极片规格，mm 2×240×800 32×320×800 34×330×800 36×400×809 33.4×280×750 37×560×750