Электрохимическое производство хлора и едкого натра (каустической соды)

Сырьем для производства хлора и каустической соды служат растворы поваренной соли NaCl. Чистая соль — бесцветные кристаллы, плотность 2,16 г/см². Хорошо растворяется в воде. Температура плавления 801 °С. В природе соль находится в виде: ископаемой соли (около 9% запаса), самосадочной соли (0,77%) в со­ляных озерах с донными отложениями, подземных рассо­лов.

В настоящее время хлор и едкий натр получают дву­мя способами: диафрагменным и ртутным, в которых электролитом служит раствор NaCl.

В обоих методах анодные процессы подобны, их ос­новной продукт — газообразный хлор. Катодные про­цессы различны. При диафрагменном способе при­меняют стальной катод и диафрагму, разделяющую катодное и анодное пространства. Часть поваренной со­ли превращается в NaOH (10% NaOH) с выделением во­дорода. Поваренную соль отделяют от едкого натра при упаривании раствора. Товарный продукт — раствор едко­го натра (концентрация 42 — 50 %) содержит 2 — 4 % NaCl. В ртутном способе применяют катод из ртути. Ионы натрия, разряжаясь на нем, образуют натриевую ртутную амальгаму. В отдельных аппаратах (разлагателях) амальгама натрия разлагается водой, образуя водо­род и раствор едкого натра. В разлагателе сразу может быть получен раствор едкого натра с товарной концен­трацией (42 —50%), не содержащий примесей поваренной соли. Конструктивно электролизер и разлагатель объеди­нены в один аппарат, называемый электролитической ванной. Каустик, полученный ртутным методом, имеет высокую чистоту и соответствует требованиям стандарта на жидкий каустик марки «А». Каустик, полученный диа­фрагменным методом, имеет состав, предусмотренный для марок «Б» и «В», содержит больше примесей пова­ренной соли и ионов железа. Хлор, получаемый тем и другим способом, соответствует техническим требова­ниям на электролитический хлор.

Капитальные затраты на создание производства NaOH из NaCl ртутным методом примерно на 50 — 70% больше затрат на создание той же мощности диафрагменным методом.

Каустическая сода, получаемая диафрагменным мето­дом, дешевле, однако, несмотря на это, ртутный метод наряду с диафрагменным находит широкое применение. Это объясняется высоким качеством каустической соды, получаемой ртутным методом. Главный потребитель «ртутного» каустика — заводы искусственных волокон, потребители «диафрагменного» каустика — многочис­ленные производства, для которых примеси в каустике не имеют значения.

Первые промышленные электролизеры для получения едкого натра и хлора работали на периодическом режи­ме. Продукты электролиза в них разделялись цементной диафрагмой, через которую могли проходить только ионы. На следующем этапе появились электролизеры с проточной диафрагмой из асбеста. Наряду с совершенствованием электролизеров разрабатывались электроли­зеры на все возрастающую токовую нагрузку и увеличен­ную плотность тока. Первоначальные электролизеры были рассчитаны на работу с силой тока 1 к А и плот­ностью тока около 500 А/м².

В настоящее время в СССР в качестве основного принят электролизер с силой тока 25 и 50 кА; имеются модели, работающие на плотностях тока 700, 900 и 1200 А/м. Они предназначены для цехов, производящих 25 —100 тыс. т хлора в год.

Технологическая схема производства С1 и NaOH. Очи­щенный рассол, содержащий поваренную соль, из цеха перекачивается в напорный бак через подогреватель, где он нагревается до 90 °С. Из напорного бака рассол посту­пает в электролизер. На рассольном трубопроводе вмон­тирована заземляющая вставка для отвода на землю то­ков утечки, идущих по струе. Раствор из электролизера стекает через разрыватель струи в коллектор для сбора в приемник. Из приемника продукты перекачиваются в цех выпаривания. Хлор, выделяющийся в электролизе­рах, охлаждают и сушат.

Водород откачивают из электролизеров водокольцевым Компрессором, предварительно пропуская через холодильник смешения, куда подают холодную воду. При охлаждении конденсируется водяной пар.

Товарной продукцией данного производства являются NaOH и газы — хлор, водород.

Хлор — ядовитый газ желто-зеленого цвета, темпера­тура сжижения — 34 °С, вызывает удушье. Хлор широко применяется для производства соляной кислоты, пласт­масс, каучуков, химических волокон, ядохимикатов. Боль­шое значение имеет хлор для получения хлорсодержащих растворителей, отбеливателей, хлорной извести, в метал­лургии соединения хлора применяют для производства титана, благородных металлов и т. д.

Водород — газ без цвета и запаха. Атомная масса во­дорода 1,00797, он намного легче воздуха (относительная плотность 0,0695). Водород обладает высокой диффу­зионной способностью, особенно при высоких температу­рах и давлениях, легко проникает в металлы, активно со­единяется с галогенами. Основное его количество используется для синтеза аммиака, метанола и HCL. Применяется он также для производства капрона, нейло­на, высших жирных спиртов (сырье для некоторых моющих средств). Водород применяют для гидрирования тяжелых нефтяных фракций, получая бензин и другие легкие топлива. Большое применение водород находит для гидрогенизации жиров, при производстве красителей, для получения чистого кремния, хрома,- титана, при изго­товлении электровакуумных приборов, в электросварке и т. д.

Электролиз воды

Этим методом получают водород и кислород по уравнению 2Н₂Оà 2Н₂ + О₂.

Основные методы получения водорода в промышлен­ности подразделяются на химические, электрохимические и физические. Кислород в промышленности получают ча­ще всего из воздуха электрохимическим способом (элек­тролизом воды).

Кислород — самый распространенный элемент на зе­мле. В природе он встречается как в виде соединений, так и в свободном состоянии в атмосферном воздухе.

Кислород используют в автогенной сварке и резке ме­таллов, в обжиговых процессах. Кислородное дутье при­меняется для интенсификации процессов в доменных пе­чах и бессемеровских конвертерах, а также на сернокис­лотных заводах при обжиге колчеданов, при газификации и т. д.

Электрохимический метод получения кислорода и во­дорода из воды обладает определенными преимущества­ми. Это прежде всего высокая чистота получаемых про­дуктов (степень чистоты электролитического водорода составляет 99,5—100%), низкие затраты на капитальное строительство, т. е. низкая фондоемкость по сравнению с другими методами (химическим и физическим), просто­та используемой аппаратуры. На образование 1 м³ водо­рода и 0,5 м³ кислорода теоретически расходуется 805 г воды. Практически это количество повышается до 830 — 850 г в связи с уносом газами водяных паров.

В связи с тем что во многих производствах требуется предварительное сжатие водорода и кислорода, получе­ние сжатых газов непосредственно из электроли­зеров представляет практический интерес. В СССР ис­пользуются электролизеры, работающие под давлением 1,0—1,2 МПа (10—12 атм), за рубежом имеются установ­ки, работающие под давлением 3 МПа (30 атм).

Электролизеры, применяемые для электролиза воды, имеют свою специфику.