氯碱工业氢气处理工段初步设计

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1、摘要氯碱工业是最基本的化学工业之一，本文介绍了氯碱工业的原理，主要针对氢气处理工段做初步设计。从电解槽出来的氢气，其温度稍低于电解槽槽温，并含有饱和水蒸汽，同时还带有盐和碱的雾沫．所以在生产过程中应进行冷却和洗涤，冷却后的氢气有氢气压缩机压缩到一定压力后经氢气分配站送到氢气柜及用氢部门。关键词：氯碱工业，氢气，塔一、总论（一）概述氢气（H2）分子量2．016，在常温下为无色，无味，无臭的可燃气体；密度在0℃；760mmHg时为0．08987g/l，沸点为-252．7℃；结晶温度是-259．1℃；对空气之比重是0．0695；在水中溶解度很小，标准状态

2、下溶于水中之氢气体积为0．0215。而在镍、钯和铂内的溶解度很大，一体积能溶解几百体积氢。氢气除用于合成氯化氢制取盐酸和聚氯乙烯外，另一大用途时植物油加氢生产硬化油。此外还用于生产多晶硅以及有机化合物的加氢，用于氢氧焰、氢氧电池、充填气球、冶炼钨和钼等重要金属，制造氨和盐酸，液态氢可以做火箭或导弹的高能燃料，氢气也是未来的新型高能燃料，在有机合成中，氢用于合成甲醇、合成人造石油和不饱合烃的加成等。氢气具有广泛的用途。例如，用它来充灌气球；氢气在氧气中燃烧放出大量的热，其火焰——氢氧焰的温度达3000℃，可用来焊接或切割金属。液态氢可作火箭或导弹的高

3、能燃料。氢气作为燃料具有资源丰富、燃烧发热量高和污染少的特点。今后如能在利用太阳能和水制取氢气的技术上有重大突破，氢气将成为一种重要的新型燃料。氢气还在冶金、化学工业等方面有着广泛的应用。工业上用电解饱和NaCl溶液的方法来制取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。氯碱工业是最基本的化学工业之一，它的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、石油化学工业以及公用事业。1．氯碱工业原理（1）电解饱和食盐水反应原理　　电解饱和食盐水的原理与电解CuCl2溶液的原理是相类似的。在U型管里装入饱和

4、食盐水，用一根碳棒作阳极，一根铁棒作阴极（如下图）。同时在两边管中各滴入几滴酚酞试液，并把湿润的碘化钾淀粉试纸放在阳极附近。接通直流电源后，注意观察管内发生的现象及试纸颜色的变化。19　　从实验可以看到，在U型管的两个电极上都有气体放出。阳极放出的气体有刺激性气味，并且能使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝，说明放出的是Cl2；阴极放出的气体是H2，同时发现阴极附近溶液变红，这说明溶液里有碱性物质生成。图1　电解饱和食盐水实验装置为什么会出现这些实验现象呢？这是因为NaCl是强电解质，在溶液里完全电离，水是弱电解质，也微弱电离，因此在溶液中存在Na+、H+、

5、Cl-、OH-四种离子。当接通直流电源后，带负电的OH-和Cl-向阳极移动，带正电的Na+和H+向阴极移动。在这样的电解条件下，Cl-比OH-更易失去电子，在阳极被氧化成氯原子，氯原子结合成氯分子放出，使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝。阳极反应：2Cl-－2e-=Cl2↑（氧化反应）H+比Na+容易得到电子，因而H+不断地从阴极获得电子被还原为氢原子，并结合成氢分子从阴极放出。阴极反应：2H+＋2e-＝H2↑（还原反应）在上述反应中，H+是由水的电离生成的，由于H+在阴极上不断得到电子而生成H2放出，破坏了附近的水的电离平衡，水分子继续电离出H+和OH-

6、，H+又不断得到电子变成H2，结果在阴极区溶液里OH-的浓度相对地增大，使酚酞试液变红。因此，电解饱和食盐水的总反应可以表示为：2NaCl+2H2O=2NaOH+H2↑+Cl2↑19工利用这一反应原理，制取烧碱、氯气和氢气。在上面的电解饱和食盐水的实验中，电解产物之间能够发生化学反应，如NaOH溶液和Cl2能反应生成NaClO、H2和Cl2混合遇火能发生爆炸。在工业生产中，要避免这几种产物混合，常使反应在特殊的电解槽中进行。（2）离子交换膜法制烧碱目前世界上比较先进的电解制碱技术是离子交换膜法。这一技术在20世纪50年代开始研究，80年代开始工业化

7、生产。图2　离子交换膜电解饱和食盐水原理离子交换膜电解槽主要由阳极、阴极、离子交换膜、电解槽框和导电铜棒等组成，每台电解槽由若干个单元槽串联或并联组成。上图表示的是一个单元槽的示意图。电解槽的阳极用金属钛网制成，为了延长电极使用寿命和提高电解效率，钛阳极网上涂有钛、钌等氧化物涂层；阴极由碳钢网制成，上面涂有镍涂层；阳离子交换膜把电解槽隔成阴极室和阳极室。阳离子交换膜有一种特殊的性质，即它只允许阳离子通过，而阻止阴离子和气体通过，也就是说只允许Na+通过，而Cl-、OH-和气体则不能通过。这样既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸，

8、又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO而影响烧碱的质量。　　精制的饱和食盐水进入阳极室；纯水（加入一定量的NaOH