Здесь можно найти образцы любых учебных материалов, т.е. получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ и рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


курсовая работа Диафрагменный электролиз

Информация:

Тип работы: курсовая работа. Добавлен: 04.09.2012. Сдан: 2011. Страниц: 23. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):


      Содержание 

    Введение                                                                                                      4
    Характеристика сырья и готового продукта                                             6
    Теоретические основы процесса                                                               8
    Технологическая схема производства                                                     14
    Характеристика основного и вспомогательного оборудования           15
    Расчетная часть:
      Материальный баланс                                                                           17
      Энергетический расчет                                                                        22
      Тепловой баланс                                                                                   23
      Конструктивный расчет                                                                       25
    Контроль и автоматизация                                                                      33
    Техника безопасности                                                                              35
    Противопожарная безопасность                                                            37
    Охрана окружающей среды                                                                     40
    Заключение                                                                                                43
    Список используемой литературы                                                          44 
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     

      Введение 

    Диафрагменный электролиз  основан на электролитическом разложении раствора NaCl с получением ионов Na и сообразованием NaOH причем катодное и анодное пространство разделены между собой фильтрующей диафрагмой пропускающей одни ионы и задерживающие другие. Электролиз является одним из важнейших направлений в электрохимии.
    Электрохимия  принадлежит к  числу тех немногих наук, дата рождения которых может быть установлена с высокой точностью. Это рубеж XVIII и XIX веков, когда благодаря знаменитым опытам итальянского физиолога Л. Гальвани и созданию итальянским физиком А. Вольта в 1799 г. "вольтова столба" - первого в истории человечества химического источника тока - были сформулированы проблемы, решение которых определило основные задачи электрохимии. "Без химии путь к познанию истинной природы электричества закрыт" - сказал   М.В. Ломоносов. И, действительно, как бы следуя словам великого ученого, создавалась и развивается наука – электрохимия.
    Электрохимический процесс осуществляют в электрохимических  устройствах. Если какие-либо химические вещества получают при пропускании через раствор или расплав электролита электрического тока от внешнего источника, то электрохимическое устройство называют электролизером.
    Еще в начале позапрошлого столетия было установлено, что при прохождении электрического тока через водные растворы солей происходят химические превращения, приводящие к образованию новых веществ. В результате этого, в начале прошлого века возникло научное направление по изучению электрохимических процессов в растворах и расплавах веществ – электрохимия. К концу семидесятых годов оно разделилось на два самостоятельных раздела – ионику, изучающую явления электропроводности и движения заряженных частиц под воздействием электрического поля, и электронику, изучающую явления, происходящие непосредственно на поверхности электродов, когда через границу электрод-раствор (расплав) протекает электрический ток. Химические превращения, происходящие при воздействии электрического тока на вещества, называются электролитическими.
       Электролиз представляет собой довольно сложную совокупность процессов, к которым относятся: миграция ионов (положительных к катоду, отрицательных к аноду), диффузия ионов, разряжающихся на электродах, электрохимические реакции разряда ионов, вторичные химические реакции продуктов электролиза между собой, с веществом электролита и электрода.
       Технический или  прикладной электролиз  характеризуется  сложностью протекающих в промышленных условиях электролитических процессов, различными видами электролиза, их зависимостью от природы электролита, типа электролитической ванны, оптимизации  самих электролизных процессов.
Электролитические процессы классифицируются следующим образом:
    получение неорганических веществ (водорода, кислорода, хлора, щелочей и т.д.)
    получение металлов (литий, натрий, калий, берилий, магний, цинк, алюминий, медь и т.д.)
    очистка металлов (медь, серебро,…)
    получение металлических сплавов
    получение гальванических покрытий
    обработка поверхностей металлов (азотирование, борирование, электрополировка, очистка)
    получение органических веществ
    электродиализ и обессоливание воды
    нанесение пленок при помощи электрофореза
    Актуальность  электролиза объясняется  тем, что многие вещества получают именно этим способом. Например, такие металлы  как никель, натрий, чистый водород и другие, получают только с помощью этого метода. Кроме того, с помощью электролиза относительно легко можно получить чистые металлы, массовая доля самого элемента в которых стремиться к ста процентам. В промышленности алюминий и медь в большинстве случаев получают именно электролизом. Преимущество этого способа в относительной дешевизне и простоте. Однако чтобы производство было наиболее выгодным: с наименьшими затратами электроэнергии и с наибольшим выходом продукции, необходимо учитывать различные факторы, влияющие на количество и качество продуктов электролиза (сила тока, плотность тока, температура электролита, материал электродов и др.).
    На  сегодняшний день большой популярностью  пользуются различные  предметы, покрытые драгоценными металлами (позолоченные или посеребренные вещи).
    К тому же металлические  изделия покрывают  слоем другого  металла электролитическим способом с целью защитить его от коррозии.
    Таким образом, исследование электрохимических  процессов, определение  факторов, влияющих на них, установление новых способов использования процессов электролиза в промышленных условиях сохранило свою актуальность и востребованность в наши дни.
    В своей работе нами были определены следующие  задачи:
    -- ознакомление с  теоретическими основами  электролитических процессов;
    -- определить влияние  различных факторов  на качественный  и количественный состав продуктов электролиза;
    -- выделить области  практического применения  электролиза;
    -- экспериментально  определить влияние  качественного состава  исходного электролита на состав продуктов электролиза. 

                                                                                                            
      1. Характеристика сырья и готового  продукта 

   Сырьем  для производства хлора и щелочи служат, главным образом, растворы поваренной соли, получаемые растворением твердой соли, или же природные рассолы. Растворы поваренной соли независимо от пути их получения содержат примеси солей кальция и магния и до того, как они передаются в цеха электролиза, подвергаются очистке от этих солей.
   Сырьевыми источниками хлорида натрия являются: каменная соль, которая встречается  на различных глубинах в виде больших  залежей: пластовых, куполообразных, линзообразных, пластово-линзообразных и др.; озерная  соль, находящаяся в соляных озерах в виде донных отложений. Наибольшее количество озерной соли добывают из озера Баскунчак. В качестве сырья могут также использоваться природные подземные рассолы, находящиеся на разных глубинах в различных районах страны, а также морская или океанская вода.
   Для получения  раствора хлорида щелочного металла  – сырого рассола привозную озерную  соль либо добытую шахтным способом каменную соль растворяют в специальных  наземных растворителях.
   В ряде случаев сырой рассол приготавливают под землей, растворяя пласты или купола каменной соли. Для этого в специально пробуренную скважину, достигающую слоя соли и заглубленную в него, вводят концентрически расположенные трубы. Под напором насосом подают воду в пространство между стенками наружной и внутренней трубы, а из центральной трубы выводят на поверхность раствор хлорида натрия, образовавшийся под землей при растворении соли в воде.
   Раствор соли готовят, путем растворения  соли под землей, подавая горячую  воду в специально пробуренные скважины, либо в наземных условиях.
   Полученные  при электролизе продукты: электролитические  щелока, влажный хлор и влажный  водород до поступления к потребителю  проходят соответствующую обработку.
   Хлор  – при атмосферном давлении и  обычной температуре газ желто-зеленого цвета с удушливым запахом. при атмосферном давлении температура кипения хлора –33,6°С, температура замерзания -102°С. Хлор растворяется в воде, органических растворителях и обладает высокой химической активностью.
   ПДК хлор газа в воздухе не должно превышать 0,001 мг/л. Может быть отнесен к первому классу опасности. Плотность хлора при атмосферном давление превращается в жидкость, при температуре 34°С. Хлор образует с водородом взрывоопасные смеси область взрывоопасных концентраций находится в пределах 6-88,5% Сl2. Смесь Сl2 + Н2 взрывается под действием света электрической искры, нагревания от присутствия некоторых веществ (F2O3). Растворимость хлора снижается с повышением температуры.
   С NH3 его солями и аминами хлор и хлорноватистая кислота образуют треххлористый азот данное соединение малолетуче растворимо в воде и взрывается с соприкосновении с эфирами. Образуется если вводимая в процесс вода загрязнена  NH3 или его солями. Вокруг электролитического производство каустика размещена сеть хлор потребляемого производств. Хлор должен соответствовать показателям ГОСТа 6718-79: Соединение  Сl2 – не менее 99,6-99,8%; влага – не более 0,08-0,04%; NCl3 – отсутсвует.
   Хлор  потребляется, прежде всего, химической промышленностью для производства различных органических хлорпроизводных, идущих для получения пластических масс, синтетических каучуков, химических волокон, растворителей, инсектицидов и т.п. В настоящее время более 60% мирового производства хлора используется для органического синтеза. Помимо этого хлор используют для производства соляной кислоты, хлорной извести, хлоратов и других продуктов. Значительные количества хлора идут в металлургию для хлорирования при переработке полиметаллических руд, извлечения золота из руд, а также его используют в нефтеперерабатывающей промышленности, в сельском хозяйстве, в медицине и санитарии, для обезвреживания питьевой и сточных вод, в пиротехнике и ряде других областей народного хозяйства. В результате развития сфер использования хлора, главным образом благодаря успехам органического синтеза, мировое производство хлора составляет более 20 млн. т/год.
   Едкий натр, или каустическая сода, - кристаллическое непрозрачное вещество, хорошо растворимое в воде, имеющее при атмосферном давлении температуру плавления 328°С. В промышленности выпускается твердый едкий натр и его водные растворы. Едкий натр широко используется во многих отраслях промышленности – целлюлозно-бумажной, химических волокон, нефтеперерабатывающей, органического синтеза, мыловаренной, лакокрасочной и в ряде других.
   Достаточно  едкое вещество ПДК в воздухе  распыленного в виде аэрозоля раствор  едкого натра (в пересчете на 100% вещества –  ). Относится ко второму классу опасности.
   Соду  каустическую диафрагменную (товарный продукт) выпускают по ГОСТ 2263-79 сорт РД – высший (гидроксида натрия не менее 46%, хлорида натрия не более 3,0%, карбоната натрия не более 0,4%, железа в расчете на F2O3 не более 0,007%, хлората натрия не более 0,25%) или по специальному требованию потребителей с содержанием гидроксида натрия не менее 50%. Ее получают путем выпарки электрощелоков в многокорпусных выпарных системах четырехступенчатым использованием пара.
   Водород – газ, температура кипения которого при атмосферном давлении –252,8°С. Водород используют для синтеза важнейших неорганических и органических продуктов: аммиака, метанола и других спиртов, для гидрогенизации жиров, твердых и жидких топлив, очистки нефтепродуктов и др.
   Товарный  продукт – сода каустическая (46-50%) раствор гидроксида натрия после  выпарки проходит дополнительную очистку от соли, поступает в баки-сборники, из которых отгружается потребителям.
   Электролитическая щелочь, получаемая в результате электролиза  раствора поваренной соли в диафрагменных  электролизеров, содержит 100-140 г/л NаОН, 170-200 г/л NaCl и около 900 г/л воды.
                                                                                                            
    Теоретические основы процесса
 
    Эффективность электролиза оценивают рядом  факторов, к которым относятся: сила тока, напряжение, плотность тока, КПД источника тока, выход по току, выход по веществу, коэффициент полезного действия электроэнергии (выход по энергии), расход электроэнергии на единицу полученного продукта.
    Выход по току – отношение количества теоретически необходимого для получения того или иного количества электричества к практически затраченному количеству электричества.
   В электролизер, в анодную его часть, подают с заданной скоростью раствор хлорида металла, раствор фильтруется через диафрагму в катодное пространство, откуда выводится. На аноде протекает основная реакция окисления ионов хлора
   

а также побочные реакции, главная из которых разряд молекул воды
   

   На  металлическом электроде образуется молекулярный кислород, а на графитовом за счет окисления углерода получается СО2:
   

   Газы, образующиеся на аноде, выводятся из анодного пространства электролизера. В результате побочных анодных реакций  анолит подкисляется.
   На  катоде идет выделение газообразного  водорода, выводимого из катодного  пространства, регенерируются гидроксид-ионы, которые с ионами натрия образуют гидроксид щелочного металла:
   

   Гидроксид-ионы, несущие отрицательные заряды, под  действием градиента электрического потенциала стремятся к аноду и, проникая в анодную зону, повышают рН анолита, способствуя ускорению побочных реакций и реакций хлора с раствором анолита.
   Для уменьшения проникновения гидроксид-ионов в  анодное пространство и подавления побочных реакций на аноде и в анолите применяют фильтрацию раствора через диафрагму от анолита к католиту. При этом скорость гидроксид-ионов в диафрагме будет определяться тремя составляющими:
   

где  скорость перемещения гидроксид-ионов в направлении анода, м составляющая скорости, определяемая миграцией ионов под действием электрического поля; диффузионная составляющая скорости; скорость потока раствора, препятствующего перемещению гидроксид-ионов к аноду.
   Количество  гидроксид-ионов, которое переносится  через 1 м диафрагмы, можно характеризовать в электрических единицах плотностью тока:  

   

где плотность тока ионов гидроксила в диафрагме, концентрация гидроксид-ионов в диафрагме, моль/м ; F – постоянная Фарадея, Кл .
   Гидроксид-ионы, которые ушли из католита в диафрагму  и анолит, там нейтрализуются, т.е. теряются. Поэтому, если i – плотность тока электролиза, то полезно используемая на получение гидроксида щелочного металла, выводимого из электролизера, плотность тока будет равна а выход по току гидроксида составит: 

   

   Для получения  в процентах необходимо значение в долях умножить на 100.
   Плотность тока гидроксид-ионов в диафрагме  зависит от градиента электрического потенциала и концентрации гидроксид-ионов  в ней и от скорости противотока  анолита, т.е. в конечном итоге зависит  от толщины диафрагмы и концентрации гидроксида щелочного металла в католите.
   В анолите  электролизера растворяется хлор, и  при этом может протекать целый  ряд реакций в объеме, следующие  реакции: 

   
 

   Реакции протекают с заметной скоростью  в условиях диафрагменного электролиза, т.е. когда температура анолита составляет 90-100 , а концентрация хлорида щелочного металла превышает , только рН анолита более 4.
   В результате взаимодействия хлора с раствором  анолита происходит его потеря, количество выводимого из электролизера хлора уменьшается и выход по току с учетом побочных процессов на аноде и растворения хлора в электролите составит: 

   

   где плотность тока на аноде, расходуемая на выделение кислорода или углекислого газа, ; скорость растворения хлора в анолите, .
   Естественно, что усиление проникновения гидроксид-ионов  из католита в анолит, приводящее к  снижению выхода по току гидроксида, будет  смещать равновесие реакций вправо и приводить к ускорению растворения хлора, образования гипохлорит-ионов, а при повышенных рН анолита – хлорат-ионов, снижению выхода по току хлора.
   Гипохлорит- и хлорат-ионы, фильтруясь с потоком  раствора в католит, загрязняют его, снижая качество получаемых растворов.
   Оптимальными  условиями электролиза растворов  хлоридов с получением гидроксидов  натрия является такие условия, при  которых гидроксид-ионы не проникают  в анолит, а нейтрализуются в диафрагме  иноми водорода, хлорноватистой кислотой и растворенным молекулярным хлором, содержащимся в анолите, фильтруемым через диафрагму. Следует отметить, что полностью предотвратить проникновение гидроксид-ионов в анолит только за счет встречной фильтрации раствора невозможно, так как по мере увеличения скорости фильтрации будет возрастать скорость диффузионного переноса в связи с сокращением толщины диффузионного слоя по мере вытеснения гидроксид-ионов из диафрагмы. Поэтому сумма скоростей миграции и диффузии гидроксид-ионов в диафрагме всегда больше скорости противотока и плотность тока гидроксид-ионов больше нуля.
   Если  нейтрализация гидроксид-ионов осуществляется в диафрагме вблизи ее анодной  стороны, толщина диафрагмы минимальна, а ее диффузионное сопротивление  будет полностью использовано для уменьшения потока гидроксид-ионов.
   Для осуществления  нейтрализации гидроксид-ионов в  диафрагме на границе с анолитом необходимо, чтобы поток гидроксид-ионов  равнялся суммарному потоку нейтрализующих веществ, т.е. чтобы выполнялось равенство
   

   где суммарный поток ионов Н , молекул HClO и Cl2.
   Так как  хлорноватистая кислота образуется в результате растворения хлора  в анолите, а ионы водорода как  при растворении хлора, так и  при разряде молекул воды на аноде, то т.е. сумей скоростей растворения хлора в анолите и разряда молекул воды на аноде.
   
.

   Для расчета  по уравнению задаются значением  выхода по току хлора.
   Минимальная толщина диафрагмы снижается обратно пропорционально росту плотности тока, возрастает с повышением температуры и повышением концентрации гидроксида в католите.
   Если  толщина реальной диафрагмы превышает  значение при принятых условиях электролиза, то анодный и катодный выходы по току определяются в основном побочными анодными процессами: 

   

   где содержание кислорода или диоксида углерода в хлоре, объемные доли.
   Если  толщина реальной диафрагмы меньше, чем  для данных условий электролиза, то будет иметь место снижение выхода по току хлора и гидроксида металла, снижение концентрации хлора в анодном газе, загрязнение раствора католита хлористыми соединениями.
   При достаточной  толщине диафрагмы повышение температуры должно приводить к повышению выхода по току хлора и гидроксида металла, а снижение концентрации питающего раствора хлорида к уменьшению выхода по току за счет повышения растворимости хлора в анолите.
   При увеличении толщины исходной диафрагмы или повышении плотности тока электролиза, что эквивалентно увеличению толщины, в соответствии с теорией происходит возрастание предельной концентрации гидроксида, превышение которой приводит к резкому падению выхода по току.
   Предельные  концентрации гидроксида натрия в католите при данной плотности тока и температуре электролиза 95 .
   Пока  не достигнута предельная концентрация щелочи и толщина диафрагмы превышает  , гидроксид-ионы нейтрализуются внутри диафрагмы на некоторой небольшой толщине – в зоне нейтрализации с образованием воды и хлороксидных продуктов, уносимых потоком раствора в католит. Основная часть ионов гидроксида нейтрализуется ионами водорода, образовавшимися в результате разряда молекул воды на аноде.
   Если  уменьшить поток раствора через  диафрагму, будет возрастать концентрация гидроксида в католите, например от до . При этом зона нейтрализации сместится в сторону анолита на величину возрастает толщина диффузионной щелочной зоны и величина потока гидроксид-ионов сравняется с потоком нейтрализующих компонентов в анолите, который фильтруется навстречу гидроксид-ионам. Выход по току гидроксида металла незначительно возрастает за счет уменьшения скорости противотока.
   Если  толщина диафрагмы для данных условий электролиза отвечает значению , то при увеличении концентрации гидроксида от до возрастет градиент концентрации и перенос гидроксид-ионов в анодное пространство, где пройдут реакции образования хлороксидных продуктов и соответствующее снижение анодного выхода по току.
   Следует обратить внимание на то, что образование  хлорноватистой кислоты и гипохлорит-ионов в диафрагменных электролизерах может происходить в пространственно разделенных зонах. Так, при рН<4 гипохлорит-ионы практически не образуются и между гидроксид-ионами и растворенным хлором протекает реакция:
   

   При более  высоких значениях рН протекает реакция с образованием гипохлорит-ионов, а также приводящая к образованию хлорат-ионов.
   Является  целесообразным снижать рН питающего  рассола введением в него хлорида  водорода, заменяя эти реакции  реакцией ионов водорода и гидроксид-ионов  с образованием воды, что способствует повышению качества целевых продуктов.
   Особенно  целесообразно подкисление питающего  рассола при применении диафрагм, имеющих неоднородности, т.е. в промышленных условиях. В этом случае на отдельных  участках скорость фильтрации может существенно превышать скорость фильтрации на других участках. При этом на участках с пониженной скоростью фильтрации гидроксид-ионы будут проникать в анолит и участвовать преимущественно в реакции. На участках с повышенной фильтруемостью полученная хлорноватистая кислота с анолитом будет поступать в диафрагму и католит, реагируя с гидроксид-ионами с образованием гипохлорит-ионов. Нейтрализация в анолите гидроксид-ионов хлоридом водорода, вводимым в питающий рассол, исключает образование хлорноватистой кислоты и нейтрализацию вновь образующихся гидроксид-ионов в диафрагме или католите, т.е. приводит к повышению катодного выхода по току гидроксида и анодного выхода по току хлора.
   Анодный процесс. Большое влияние на выход по току может оказать анодный процесс. В зависимости от материала электрода и условий электролиза – плотности тока, концентрации хлорид-иона в анолите и рН может меняться выход по току хлора, а также состав анодного газа и доля тока, расходуемого на выделение кислорода. Как уже говорилось выше, в электролизерах с фильтрующей диафрагмой используют графитовые или титановые с электрокаталитическим покрытием аноды. Графитовые аноды готовят из искусственного графита. Для этого из смеси нефтяного кокса, антрацита и каменноугольной смолы сначала спрессовывают аноды нужной формы, обычно в виде прямоугольных плит, обжигают их в печах при 1000-1200 и затем после пропитки маслопеком проводят графитацию при температурах 2500-2700 , переводя уголь в графит.
   Степень превращения соли при электролизе. Одним из факторов, влияющих на показатели электролиза, является степень превращения соли:
   

   где степень превращения соли; число моль гидроксида, образовавшегося в процессе электролиза; число моль соли, поступившей на электролиз; массовые количества полученного гидроксида металла и поступившей на разложение соли; молярные массы соли и гидроксида соответственно.
   Практический  расчет степени превращения можно  выполнить, используя формулы
   

   или
   

   где концентрация гидроксида металла в католите, кмоль/м концентрация соли в католите, кмоль/м концентрация ионов металла в католите, кмоль/м концентрация соли в исходном растворе хлорида металла, кмоль/м скорости вывода раствора из электролизера и подачи раствора соответственно, м /с.
   Чтобы рассчитать степень превращения, необходимо провести химический анализ католита.
   Могут оказаться полезными эмпирические зависимости (для работы электролизеров при высоких температурах), устанавливающие  зависимость между содержанием  соли в католите и анолите и  концентрацией гидроксида:
   

   где концентрация соли в католите, анолите и исходном растворе соответственно, кмоль/м ; концентрация гидроксида в католите, кмоль/м . 

                                                                                                              
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     

    3. Технологическая  схема производства 

   Исходным  сырьем для электролиза является концентрированный раствор хлорида  натрия. Раствор соли готовят путем растворения соли под землей, подавая горячую воду в специально пробуренные скважины, либо в наземных условиях. Полученный сырой рассол содержит значительное количество взвешенных частиц, а также вредных для электролиза примесей – солей кальция, магния, железа и поэтому перед подачей на электролиз его очищают.
   Электролитические щелока, получаемые в диафрагменных  электролизерах, содержат обычно 120-140 гидроксида натрия и 180-200 соли. Для повышения концентрации раствора гидроксида натрия до товарного значения производят упарку электролитических щелоков. При этом происходит снижение растворимости соли в растворе и ее выпадение в осадок. Соль, которую называют обратной солью, отделяют от раствора гидроксида натрия  и используют для приготовления обратного рассола, возвращаемого на стадию очистки сырого рассола. Обычно в обратном рассоле содержится 2-3 гидроксида натрия, что оказывается достаточным для осаждения ионов магния, так что дополнительно щелочь не вводят.
   В четырехступенчатой выпарной установке электролитические  щелока через подогреватель подают на четвертую стадию выпарки, откуда упаренный раствор вместе с солью  направляют в сборник и далее  пульпа соли поступает на центрифугу. Осветленный раствор насосом перекачивают в аппарат третьей ступени. После упарки в аппарате третьей ступени раствор перекачивают в аппарат второй ступени и оттуда через холодильник (отделитель соли) раствор поступает на окончательное упаривание в аппарат первой ступени. Выводимый из аппарата первой ступени раствор гидроксида натрия после охлаждения и фильтрации от соли является готовым продуктом. 
 

                                                                                                                                                  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      4. Характеристика основного и вспомогательного  оборудования 

  Основным  оборудованием в производстве каустической соды, хлора и водорода диафрагменным  методом является диафрагменный хлорный электролизер монополярного типа конструктивно выполняют из трех основных элементов: токоподводящего днища, корпуса-катода и крышки. На токоподводящем днище размещают аноды, число которых зависит от мощности электролизера, т.е. токовой нагрузки, на которую электролизер рассчитан. Катод диафрагменного электролизера изготавливают из стальной сетки диаметром от 1,2 до 2,5 мм. Ток к сетке подводят от корпуса электролизера через токоподводящие стальные элементы.
  Графитовые  аноды, которые еще сохранились в старых конструкциях, представляют собой плиты длиной 1100 мм, шириной 250 мм и толщиной 45 мм. Для повышения химической стойкости плиты пропитаны заполимеризованным льняным маслом. Плиты монтируют на монтируют на стальном анодном днище в виде коробки с низкими стенками, служащем токоподводом к графитовым анодам.
  В современных  конструкциях хлорных диафрагменных  электролизеров используют титановые  с электрокаталиталитическим покрытием  анода (ОРТА) Анод имеет высоту 1000 мм, ширину 250 мм и толщину 22 мм.
  Диафрагма. Диафрагма на катоде хлорного электролизера должна обладать рядом характеристик: однородностью, определенной протекаемостью и электрическим сопротивлением, механической и химической стойкостью. Она должна обеспечить при электролизе низкое напряжение и высокий выход по току гидроксида щелочного металла, исключить смешивание электродных газов. Длительность работы диафрагмы должна быть большой, чтобы сократить затраты труда на разборку электролизеров, снятие старой и нанесение на катод новой диафрагмы.
  Для изготовления диафрагм хлорных электролизеров используют обычно хризотиловый асбест.
  Выпарной  аппарат с вынесенной греющей камерой. Аппарат состоит из греющей камеры, представляющей собой пучок труб, сепаратора с брызгоуловителем и циркуляционной трубы, присоединенной к нижней растворной камере.
  Выпариваемый  раствор, поднимаясь по трубкам, нагревается  и по мере подъема вскипает. Образовавшаяся парожидкостная смесь направляется в сепаратор, где происходит разделение жидкой и паровой фаз.
  Высота  парового пространства влияет на сепарацию из пара капелек жидкости, выбрасываемых из кипятильных труб и поднимающихся по инерции на определенную высоту.
  Вторичный пар, проходя сепаратор и брызгоотделитель, освобождается от капель, а раствор  возвращается по циркуляционной трубе в греющую камеру.
  В таких  аппаратах облегчается очистка  поверхности от отложений, так как  доступ к трубам легко осуществляется при открытой верхней крышке греющей  камеры.
  Поскольку циркуляционная труба не обогревается, создаются условия для интенсивной циркуляции раствора. При этом плотность раствора в выносной циркуляционной трубе больше, чем в циркуляционных трубках, что обеспечивает сравнительно высокую скорость циркуляции раствора и препятствует образованию отложений на поверхности нагрева.
  В многокорпусной выпарной установке греющий пар  поступает только на обогрев первого  корпуса, последующие корпуса обогреваются вторичным паром предыдущих. Таким  образом значительно снижается  потребление греющего пара.
  Для кипения  раствора в каждом корпусе необходимо обеспечить соответствующую разность между температурами вторичного пара предыдущего корпуса и кипящего раствора следующего за ним корпуса. Это разность температур создается благодаря снижению давления в каждом последующем корпусе по сравнению с предыдущим.
  Температура кипения раствора в многокорпусной установке понижается от первого  корпуса к последнему, и раствор  при переходе от первого корпуса  к последнему, и раствор при  переходе из какого-либо корпуса в  следующий за ним попадает в пространство, где давление и температура ниже, поэтому он охлаждается. За счет, выделившийся при этом теплоты, испаряется некоторое количество воды из раствора без участия теплоты греющего пара. Это явление происходит во всех корпусах МВУ, кроме первого, и носит название самоиспарения раствора.
  Барометрический конденсатор является наиболее распространенным и применяется для конденсации пара и создания вакуума в дистилляционных и выпарных установках большой производительности.
  В барометрическом  конденсаторе пар, поступающий в корпус через нижний штуцер навстречу воде, подающейся через верхний штуцер на сегментные или кольцевые дырчатые полки или тарелки, соприкасается со стекающей водой и конденсируется. 

                                                                                                                                                   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5.1 Материальный баланс 

Условные  обозначения 

количество поступающей соли, кг;
количество исходного рассола, л;
вес рассола, кг;
количество неразложившейся  соли, кг;
коэффициент разложения;
концентрация поступающего рассола, г/л;
концентрация неразложившейся  соли, г/л;
количество образовавшейся щелочи, г/л;
количество воды, идущее на побочные реакции, кг;
расход воды на образование гипохлорита, кг;
объем католита;
количество водяных паров, кг;
объем, ;
удельный вес водяного пара при 80°С;
давление, мм.рт.ст.;
 суммарный тепловой эффект, ккал;
 валентность;
площадь поверхности теплопередачи,
 теоретическое напряжение  разложения NaCl, В;
расход электроэнергии, кВт ч;
 выход по току,  %;
выход по энергии, %;
 сила тока, А;
 теплосодержание поступающего  рассола, ккал;
 тепло, выделяющееся за  счет работы тока, ккал;
 теплосодержание отходящих  газов, ккал;
 теплосодержание водяных  паров, ккал;
 теплосодержание электролитического  щелока, ккал; 
тепло, идущее на испарение воды, ккал;

 потери тепла в окружающую  среду, ккал;
 теплоемкость рассола,  ;
напряжение на ванне, В;
 температура ванны, °С;
 удельная теплоемкость, Дж/(кг
количество пара, кг;
удельная теплота парообразования, Дж/кг;
плотность,
 коэффициент теплоотдачи, 
 динамический коэффициент  вязкости,
теплопроводность, Вт/(м    

      Исходные данные для материального баланса: 

- количество  поступающего рассола 315 г/л;
- коэффициент  разложения соли 4,6%;
- концентрация  полученного хлора 98,5 вес. %;
- концентрация  полученного водорода 95,5 вес. %;
- ванна работает  при температуре 80°С;
- ванна работает  при давлении 760 мм.рт.ст.
- температура  поступающего рассола 65°С. 

   Суммарная  реакция процесса электролиза  может быть выражена уравнением: 

2NaCl + 2H2O = 2NaOH  + Cl2 + H2
                                      2*58.5   2*18       2*40      2*35.5  2 

Количество  исходных продуктов 

Теоретическое количество поступающей соли.
На 71 кг Cl2 необходимо 2*58,5 кг NaCl,
на 1000 кг Cl2    -                х кг NaC 


При коэффициенте разложения количество поступающей соли составит:
                            (1.1)       


Количество исходного  рассола:
                                                                                                         (1.2)
 

При 65°С удельный вес рассола равен 1,2711 следовательно, вес рассола составит:
   (1.3)
 

Таким образом, в рассоле содержится: 

3583 кг  NaCl и 10876 кг Н2О 

Количество полученных продуктов
Количество  электролитических  щелоков 

1. Количество  неразложившейся соли
  (1.5)

или при исходной концентрации соли 315 г/л концентрация неразложившейся соли будет:
  (1.6)
 

2. Количество  образовавшейся щелочи
Из 58,5 кг  NaCl образуется 40 кг NaOH
Из 1648 кг NaCl        -             Х 


или 315 г/л NaCl при коэффициенте разложения 0,46 образует щелочи:
  (1.7) 

3. Количество воды в щелоке
Количество воды, необходимое для образования  щелочи:
На 40 кг NaOH – 18 кг Н2О
На 1127 кг NaOH -    Х
 

     Количество  воды, идущее на образование побочных продуктов.
Вследствие неизбежного  образования хлорноватистых и хлорноватых солей выход по току для NaOH не может быть 100%. Количество этих солей ничтожно, но количество воды, идущее на их образование, необходимо учесть. Выход по току для NaOH принимаем 95%. 

Количество воды, идущее на побочные реакции,

Половина этой воды возвращается при нейтрализации  щелочи хлором по реакции:
2NaOH + Cl2 = NaCl + NaClO + H2O 

Следовательно, расход воды на образование гипохлорита
  (1.8)
Гипохлорит подвергается восстановлению по реакции: 

NaClO + 2Н = NaCl + H2O 

отсюда видно, что ? количества воды возвращается в процесс. Таким образом, на побочные реакции пошло 12,5/2=6,3 кг воды. 

Объем католита
  (1.9)

На 1 л. поступающего рассола уменьшение объема  

При объеме поступающего рассола уменьшение объема составит:

Уменьшение объема складывается из следующих величин:
1) вода, идущая на образование щелочи, 507 кг;
2) вода, идущая  на побочные реакции 6,3 кг;
3) контракция  раствора 978-(507-6,3)=464,7 кг. 

Количество воды в католите
         (1.10)
Состав  католита
Компонент                                кг 

Вода…………………………9898
Поваренная соль……………1935
Щелочь………………………1127
Всего…………………………12960 кг. 

Потери воды на испарение, механические потери по практическим данным составляют 0,5-2,0% от поступившей воды. Принимаем потери 1,5%, тогда это составит 146 кг. 

4. Количество  полученного хлора 1000 кг.
71 кг Cl2      занимает объем  22,4
1000 кг Cl2             -                    Х 


При концентрации 98,5% реального газа будет:
  (1.11)
в том числе воздуха. 

5. Количество  полученного водорода
На 71 кг Cl2 получается 2 кг Н2
1000 кг Cl2          -              Х 


Объем водорода равен объему хлора, т.е.  

Реального газа при концентрации 95,5% будет:
  (1.12)
в том числе  воздуха
Общий объем  газа
При температуре  ванны 80°С газ занимает объем:
  (1.13)

Количество водяных паров, уносимых с газами:
  (1.14)
 

Материальный  баланс на 1000 кг хлора 

Введено Выведено
Компонент кг % Компонент кг %
Раствор поваренной соли, в том числе NaCl  
3583,0
 
24,8
Хлор (100%) 1000,0 6,9
Вода 10876,0 75,2 Водород 28,0 0,29
      Водяные пары 304 2,1
      Электролит  щелока в том числе:    
      NaOH 1127.0 7.8
      NaCl 1935.0 13.4
      Вода 9898,0 68,5
      Потери воды 146,0 1,1
Всего 14459 100 Всего 14438 100
 
 
Невязка:  

                                  
 
 
 
 
 

5.2 Энергетический  расчет 

Данные для  составления энергетического баланса  электролизера:
- напряжение  на ванне 3,5 В;
- выход по  току 95%. 

Теоретический потенциал разложения для хлористого натрия, рассчитанный по уравнению Гиббса-Гельмгольца,
                                                                                     (2.1)
Теоретически  при затрате 1 А ч электричества  выделяется 1,323 г. хлора. 

Теоретический расход электроэнергии на 1 тонну хлора составит:
                                                                          (2.2)
Действительный  расход электроэнергии на 1 тонну хлора:
                                                                                         (2.3)
Коэффициент использования  электроэнергии (выход по энергии):
                                                                                                     (2.4)

Сила тока составит:
                                                                                                               (2.5)
 


т.е. для получения 1 тонны хлора в час необходимо 795714 Ампер. 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5.3 Тепловой  баланс 

Уравнение теплового  баланса
 

Расчет  введенного тепла 

1. Теплосодержание  поступающего рассола 
                                                                                                                (3.1)
 

2. Тепло Джоуля
                                                                                        (3.2)

где 0,856 – коэффициент  пересчета электрической энергии  в тепловую
                                       

Расчет  выведенного тепла 

1. Теплосодержание  отходящих газов 
                                                                                      (3.3) 

 

2. Теплосодержание водяных паров
                                                                                                                 (3.4)
 

3. Теплосодержание  щелока 
                                                                                      (3.5) 

 

4. Тепло, идущее  на испарение воды,
                                                                                                       (3.6) 

 

5. Потери тепла
Принимаем потери тепла ванной как разность от прихода  и расхода тепла
 
 

Тепловой  баланс электролизера производительностью  1000 кг хлора 

Введено Выведено
Статья  баланса кг % Статья баланса кг %
Теплосодержание рассола  
803841
 
46,8
Теплосодержание отходящих газов 18048 1,1
Джоулево  тепло 912716 53,2 Теплосодержание водяных газов 191854 11,2
      Теплосодержание щелока 895760 52,1
      Тепло испарения  воды 92155 5,4
      Потери тепла 518740 30,2
Всего 1716557 100 Всего 1716557 100
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5.4  Конструктивный  расчет 

   Данные  четырехкорпусной вакуум-выпарной  установки для концентрирования раствора едкого натра от начальной массовой концентрации до конечной при следующих условиях:
    количество поступающего раствора 10 кг/с;
    обогрев осуществляется насыщенным водяным паром давления ;
    абсолютное давление в барометрическом конденсаторе   ;
    взаимное направление пара и раствора – прямоток;
    выпарной аппарат – с выносной нагревательной камерой;
    раствор перед подачей в первый корпус подогревается до температуры, близкой к температуре кипения в одном теплообменник, насыщенным водяным паром из котельной;
    температура раствора, поступающего на установку, t=25?С;
    и т.д.................


Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.