化工工艺学第5章烧碱 ppt课件
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Ｖ槽＝ V理＋V过＋ △V液＋ ∑V降
（１）理论分电压（V理）
理论分电压是电解质开始分解时所需要的最低电压。电 解食盐水时，等于阳极析出氯电位与阴极析出氢之差。
计算：能斯脱方程或吉布斯－盖姆荷茨方程
吉布斯－盖姆荷茨方程计算V理 V理=△H/nF+（dF/dT)T
式中 △H－反应热效应，隔膜法和离子膜法电解氯化钠 水溶液时为221.08kJ； T—绝对温度，K； n －电极反应得失电子数； F －法拉第常数（96500C）； dF/dT电动势温度系数，为-0.0004（V/K）
2 Na 2 H C 2 O lC 2 l H 2 2 NaOH
法拉第定律
（1）法拉第第一定律 电解过程中，电极上所生成物质的质量与通过电解质溶液
的电量成正比。 （2）法拉第第二定律
相同的电量通过不同的电解质时，电极上每析出的物质 的量与通过电解液的电量成正比。即通过1法拉第电量可析 出1克当量物质。
所以，25℃时电解氯化钠水溶液生成氢氧化钠，氢 气和氯气时的理论分解电压为：
V理 = 221080/（1×96500）- 0.0004×298=2.172V
在工业上通常将隔膜法和离子膜法电解食盐溶液的 理论分解电压定为2.3V。
（2）过电位（V过）
定义：电离时离子在电极上的实际放电电压要比理论放电电压 要高，两者的差值称为过电位（V过），也称过电压、超电位 或超电压。
5.2 烧 碱
烧碱即苛性钠(NaOH)，学名氢氧化钠，是重要的 化学化工原料。广泛用于化工、纺织、冶金及石油 化工等工业部门。
无水纯氢氧化钠为白色半透明羽状结晶体，易溶 于水，溶液呈强碱性，对许多材料有强烈的腐蚀 性，极易潮解，吸收CO2Na2CO3。
1.2 氯碱工业发展史
烧碱
苛化法 电解法
苛化法生产烧碱
离子交换膜法与隔膜法、水银法相比，离子膜 法具有能耗低、产品质量高、装置占地面积小 、生产能力大及能适应电流波动大、还可根除 石棉、水银对环境的污染等优点。因此，被公 认为氯碱的发展方向。
1.1 氯碱工业及特点
电解食盐水制烧碱同时，可联产氢气和氯气， 氯气有可进一步加工成盐酸、PVC、农药等，这一 工业部门称为氯碱工业。它是电化学工业中规模最 大的部门之一，在国民经济中占有相当重要地位。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
TiO2阳极
铁阴 阴极上：
极
N aeNa
（2）电解法及发展概况
➢ 据电解槽结构、电极材料和隔膜材料的不同
隔膜法 水银法 离子交换膜法
➢ 将阳极产生的氯气与阴极产生的氢气和氢氧化钠
分开
阳极室和阴极 通过生成钠汞 选择透过性的阳离
室间设置多孔 齐来使氯气分 子交换膜分隔阳极
渗透性隔层
开
室与阴极室
离子交换膜法：实质上也是一种隔膜法。用有 选择性的离子交换膜来分隔阳极和阴极。这种 离子交换膜是一种半透膜，只允许钠离子和水 通过。
电解法及发展概况
隔膜法
隔膜法于1890年在德国首先出现，随后
1892年水银法电解槽在美国取得专利。
电
隔膜法：石墨或金属为阳极，铁为阴极。
解
两极间用隔膜将溶液分开。
法
水银电解法
通过生产钠汞齐来使氯气分开的。
电能消耗高，汞污染严重，已被淘汰。
离子交换法
10.1 概述
➢ 溶液中Na2CO3起始含量与平衡转化率的关系 ➢ 苛化法生产过程：化碱、苛化、澄清、蒸发
在槽电压中，理论分解电压占比重最大，是构成槽电压 的主要部分，其次是电解质溶液和隔膜电压降。
降低槽电压手段：
选择和研制新型阴阳极材料、隔膜材料，调整两极间离，提 高电解质溶液的温度和浓度，控制适宜的电流密度，设 计合理的电解槽结构。
10.3 电解法制烧碱技术
石墨1或0涂.3.1 隔膜法电解
RuO102-.3.1.1 隔膜法电解制碱原理
以纯碱水溶液与石灰乳为原料，通过苛化反 应生成烧碱（NaOH）的方法，反应式如下： Na2CO3 +Ca(OH)2＝2NaOH+CaCO3↓
精品资料
天然碱
粗加工 水 溶碱 液
石灰 苛化
渣 滤液
澄清 液 浓缩 水
沉淀物
结晶 浓缩 30%NaOH
CaCO3
苛化法生产过程分为：化碱、苛化、澄清、蒸发等四 个工序。在19世纪末电解法出现之前，苛化法一直是 世界上生成烧碱的主要方法。
① 金属离子在电极上放电时过电位不大，可忽略； ② 当电极上发生气体，如Cl2、H2等的反应时，过电位比较大，
不可忽略。 过电位的数值主要取决于电极材料性质，电流密度、电解液
温度、电极表面特性等也过电位的大小有不同程度影响。 注：过电位虽然消耗了一部分电能，但在电解技术中作用重要
。由于过电位的存在，结合选择适当的电解条件可使电解过 程按照要求进行。
（1）原料易得 （2）能源消耗大 （3）氯与碱的平衡 （4）腐蚀和污染严重
第二章 电解制碱原理
2.1 电解过程 电解过程是将电能转化
为化学能的过程。过程不能 自发进行，电解方法强制进 行。溶液中离子产生定向移 动，阴离子向阳极，阳离子 向阴极，发生氧化还原反应 。这种通过电流使电解质水 溶液产生的化学反应称为电 化学反应。
电压效率与电能效率
电压效率：理论分解电压与电解槽实际分解电压之比。 电压效率 = V理/ V槽×100%
式中V理计算得到， V槽一般实测得到。 电压效率高，节省电耗。氯碱厂电解槽的电压效率一般60～
65% 电解效率：电压效率与电流效率的乘积。
电能效率=电流效率×电压效率× 100%
在工业生产中，电能效率不高，主要是槽电压比理论分解电 压高得多。因此生产上多采用多种方法来降低槽电压。
电解时，根据电解质的电流强度、 通电时间及运行电槽 数可计算出理论产量。
由于存在副反应等原因，实际产量总比理论产量低。实 际产量与理论产量之比就是电流效率，这是电解生产中一个 重要的指标。
槽电压 实际生产中，电解槽的实际操作电压称为槽电压。 槽电压主要取决于电解运行条件、操作温度、压力、 电解液浓度、电流密度等，电解槽结构、隔膜材 质及位置、两极间距、电极结构及电解液内部循环 等对槽电压影响也较大。 槽电压包括以下几部分：理论分电压（V理）、过电 位（V过）、电解液的电压降（△V液）和电极、触和 线等的欧姆电压降（∑V降）
（１）理论分电压（V理）
理论分电压是电解质开始分解时所需要的最低电压。电 解食盐水时，等于阳极析出氯电位与阴极析出氢之差。
计算：能斯脱方程或吉布斯－盖姆荷茨方程
吉布斯－盖姆荷茨方程计算V理 V理=△H/nF+（dF/dT)T
式中 △H－反应热效应，隔膜法和离子膜法电解氯化钠 水溶液时为221.08kJ； T—绝对温度，K； n －电极反应得失电子数； F －法拉第常数（96500C）； dF/dT电动势温度系数，为-0.0004（V/K）
2 Na 2 H C 2 O lC 2 l H 2 2 NaOH
法拉第定律
（1）法拉第第一定律 电解过程中，电极上所生成物质的质量与通过电解质溶液
的电量成正比。 （2）法拉第第二定律
相同的电量通过不同的电解质时，电极上每析出的物质 的量与通过电解液的电量成正比。即通过1法拉第电量可析 出1克当量物质。
所以，25℃时电解氯化钠水溶液生成氢氧化钠，氢 气和氯气时的理论分解电压为：
V理 = 221080/（1×96500）- 0.0004×298=2.172V
在工业上通常将隔膜法和离子膜法电解食盐溶液的 理论分解电压定为2.3V。
（2）过电位（V过）
定义：电离时离子在电极上的实际放电电压要比理论放电电压 要高，两者的差值称为过电位（V过），也称过电压、超电位 或超电压。
5.2 烧 碱
烧碱即苛性钠(NaOH)，学名氢氧化钠，是重要的 化学化工原料。广泛用于化工、纺织、冶金及石油 化工等工业部门。
无水纯氢氧化钠为白色半透明羽状结晶体，易溶 于水，溶液呈强碱性，对许多材料有强烈的腐蚀 性，极易潮解，吸收CO2Na2CO3。
1.2 氯碱工业发展史
烧碱
苛化法 电解法
苛化法生产烧碱
离子交换膜法与隔膜法、水银法相比，离子膜 法具有能耗低、产品质量高、装置占地面积小 、生产能力大及能适应电流波动大、还可根除 石棉、水银对环境的污染等优点。因此，被公 认为氯碱的发展方向。
1.1 氯碱工业及特点
电解食盐水制烧碱同时，可联产氢气和氯气， 氯气有可进一步加工成盐酸、PVC、农药等，这一 工业部门称为氯碱工业。它是电化学工业中规模最 大的部门之一，在国民经济中占有相当重要地位。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
TiO2阳极
铁阴 阴极上：
极
N aeNa
（2）电解法及发展概况
➢ 据电解槽结构、电极材料和隔膜材料的不同
隔膜法 水银法 离子交换膜法
➢ 将阳极产生的氯气与阴极产生的氢气和氢氧化钠
分开
阳极室和阴极 通过生成钠汞 选择透过性的阳离
室间设置多孔 齐来使氯气分 子交换膜分隔阳极
渗透性隔层
开
室与阴极室
离子交换膜法：实质上也是一种隔膜法。用有 选择性的离子交换膜来分隔阳极和阴极。这种 离子交换膜是一种半透膜，只允许钠离子和水 通过。
电解法及发展概况
隔膜法
隔膜法于1890年在德国首先出现，随后
1892年水银法电解槽在美国取得专利。
电
隔膜法：石墨或金属为阳极，铁为阴极。
解
两极间用隔膜将溶液分开。
法
水银电解法
通过生产钠汞齐来使氯气分开的。
电能消耗高，汞污染严重，已被淘汰。
离子交换法
10.1 概述
➢ 溶液中Na2CO3起始含量与平衡转化率的关系 ➢ 苛化法生产过程：化碱、苛化、澄清、蒸发
在槽电压中，理论分解电压占比重最大，是构成槽电压 的主要部分，其次是电解质溶液和隔膜电压降。
降低槽电压手段：
选择和研制新型阴阳极材料、隔膜材料，调整两极间离，提 高电解质溶液的温度和浓度，控制适宜的电流密度，设 计合理的电解槽结构。
10.3 电解法制烧碱技术
石墨1或0涂.3.1 隔膜法电解
RuO102-.3.1.1 隔膜法电解制碱原理
以纯碱水溶液与石灰乳为原料，通过苛化反 应生成烧碱（NaOH）的方法，反应式如下： Na2CO3 +Ca(OH)2＝2NaOH+CaCO3↓
精品资料
天然碱
粗加工 水 溶碱 液
石灰 苛化
渣 滤液
澄清 液 浓缩 水
沉淀物
结晶 浓缩 30%NaOH
CaCO3
苛化法生产过程分为：化碱、苛化、澄清、蒸发等四 个工序。在19世纪末电解法出现之前，苛化法一直是 世界上生成烧碱的主要方法。
① 金属离子在电极上放电时过电位不大，可忽略； ② 当电极上发生气体，如Cl2、H2等的反应时，过电位比较大，
不可忽略。 过电位的数值主要取决于电极材料性质，电流密度、电解液
温度、电极表面特性等也过电位的大小有不同程度影响。 注：过电位虽然消耗了一部分电能，但在电解技术中作用重要
。由于过电位的存在，结合选择适当的电解条件可使电解过 程按照要求进行。
（1）原料易得 （2）能源消耗大 （3）氯与碱的平衡 （4）腐蚀和污染严重
第二章 电解制碱原理
2.1 电解过程 电解过程是将电能转化
为化学能的过程。过程不能 自发进行，电解方法强制进 行。溶液中离子产生定向移 动，阴离子向阳极，阳离子 向阴极，发生氧化还原反应 。这种通过电流使电解质水 溶液产生的化学反应称为电 化学反应。
电压效率与电能效率
电压效率：理论分解电压与电解槽实际分解电压之比。 电压效率 = V理/ V槽×100%
式中V理计算得到， V槽一般实测得到。 电压效率高，节省电耗。氯碱厂电解槽的电压效率一般60～
65% 电解效率：电压效率与电流效率的乘积。
电能效率=电流效率×电压效率× 100%
在工业生产中，电能效率不高，主要是槽电压比理论分解电 压高得多。因此生产上多采用多种方法来降低槽电压。
电解时，根据电解质的电流强度、 通电时间及运行电槽 数可计算出理论产量。
由于存在副反应等原因，实际产量总比理论产量低。实 际产量与理论产量之比就是电流效率，这是电解生产中一个 重要的指标。
槽电压 实际生产中，电解槽的实际操作电压称为槽电压。 槽电压主要取决于电解运行条件、操作温度、压力、 电解液浓度、电流密度等，电解槽结构、隔膜材 质及位置、两极间距、电极结构及电解液内部循环 等对槽电压影响也较大。 槽电压包括以下几部分：理论分电压（V理）、过电 位（V过）、电解液的电压降（△V液）和电极、触和 线等的欧姆电压降（∑V降）