Производство хлора

редактировать

Хлор газ может быть получен путем извлечения из природных материалов, включая электролиз раствор хлорида натрия (рассол ) и другими способами.

Содержание

  • 1 Экстракция газа
    • 1.1 Электролиз с ртутной ячейкой
    • 1.2 Электролиз с мембранной ячейкой (биполярный)
    • 1.3 Электролиз с мембранной ячейкой
    • 1.4 Другие электролитические процессы
  • 2 Другие методы
  • 3 Промышленное производство мембран
    • 3.1 Рассол
    • 3.2 Камера хранения
    • 3.3 Охлаждение и сушка
    • 3.4 Сжатие и сжижение
    • 3.5 Хранение и загрузка
    • 3.6 Обработка, испарение, хранение и загрузка щелочи
    • 3.7 Обработка водорода
    • 3.8 Потребление энергии
  • 4 Ссылки
  • 5 Внешние ссылки

Добыча газа

Хлор может быть произведен путем электролиза из раствор хлорида натрия (рассол ), который известен как хлорно-щелочной процесс. Производство хлора приводит к побочным продуктам каустической соды (гидроксид натрия, NaOH) и газообразный водород (H 2). Эти два продукта, как и сам хлор, обладают высокой реакционной способностью. Хлор можно также получить электролизом раствора хлорида калия, в этом случае побочными продуктами являются водород и едкий калий (гидроксид калия ). Существует три промышленных метода экстракции хлора электролизом хлоридных растворов, все они осуществляются в соответствии со следующими уравнениями:

Катод: 2 H (водн.) + 2 e → H 2 (г)
Анод: 2 Cl (водн.) → Cl 2 (г) + 2 e

Общий процесс: 2 NaCl (или KCl) + 2 H 2 O → Cl 2 + H 2 + 2 NaOH (или KOH)

Электролиз ртутной ячейки

Ячейка Кастнера – Келлнера: хлорид натрия электролизуется между "A" «анод» и «М» ртутный катод в боковых ячейках, при этом хлор поднимается в пространство над NaCl, а натрий растворяется в ртути. Амальгама натрий-ртуть течет в центральную ячейку, где она реагирует с водой с образованием гидроксида натрия и регенерацией ртути.

Электролиз ртутных элементов, также известный как процесс Кастнера-Келлнера, был первым методом, использованным в конце девятнадцатого века для производства хлора в промышленных масштабах. Используемые "качающиеся" ячейки с годами совершенствовались. Сегодня в «первичном элементе» титановые аноды, плакированные платиной или проводящими оксидами металлов (ранее графитовые аноды) помещаются в раствор хлорида натрия (или калия), протекающий через жидкий ртутный катод. При приложении разности потенциалов и протекании тока хлор выделяется на титане аноде, а натрий (или калий ) растворяется в ртутный катод, образующий амальгаму . Он непрерывно поступает в отдельный реактор («» или «вторичный элемент»), где обычно снова превращается в ртуть в результате реакции с водой с образованием водорода и натрия (или калия) гидроксида в коммерчески полезной концентрации (50% по весу). Затем ртуть возвращается в первичный элемент с помощью насоса, расположенного внизу.

Ртутный процесс является наименее энергоэффективным из трех основных технологий (ртуть, диафрагма и мембрана ), также существуют опасения по поводу выбросов ртути .

По оценкам, в мире все еще работает около 100 заводов по производству ртутных элементов. В Японии производство хлорщелочи на основе ртути было практически прекращено к 1987 г. (за исключением двух последних установок хлорида калия, остановленных в 2003 г.). В Соединенных Штатах к концу 2008 года останется в эксплуатации только пять ртутных заводов. В Европе на ртутные элементы приходилось 43% мощности в 2006 году и на производителей из Западной Европы. взяли на себя обязательство закрыть или переоборудовать все оставшиеся предприятия по производству хлористо-щелочной ртути к 2020 году.

Электролиз мембранной ячейки (биполярный)

При электролизе мембранной ячейки асбест (или полимер-волокно) диафрагма разделяет катод и анод, предотвращая повторное смешивание хлора, образующегося на аноде, с гидроксидом натрия и водородом, образующимся на катоде. Эта технология также была разработана в конце девятнадцатого века. Существует несколько вариантов этого процесса: ячейка Ле Суэра (1893 г.), ячейка Харгривса-Берда (1901 г.), ячейка Гиббса (1908 г.) и ячейка Таунсенда (1904 г.). Ячейки различаются по конструкции и размещению диафрагмы, в некоторых из них диафрагма находится в непосредственном контакте с катодом.

Раствор соли непрерывно подается в анодное отделение и протекает через диафрагму в катодное отделение, где образуется каустическая щелочь. и рассол частично исчерпан. В результате диафрагменные методы производят щелочь, которая довольно разбавлена ​​(около 12%) и имеет более низкую чистоту, чем методы с использованием ртутных элементов.

Мембранные элементы не обременены проблемой предотвращения выброса ртути в окружающую среду; они также работают при более низком напряжении, что приводит к экономии энергии по сравнению с методом ртутного элемента, но требуется большое количество пара, если щелочь должна быть испарена до коммерческой концентрации 50%.

Электролиз мембранных элементов

Разработка этой технологии началась в 1970-х годах. Электролизная ячейка разделена на две «секции» катионо проницаемой мембраной, действующей как катионообменник. Насыщенный раствор хлорида натрия (или калия) пропускают через анодный отсек, оставляя более низкую концентрацию. Раствор гидроксида натрия (или калия) циркулирует через катодное отделение с более высокой концентрацией на выходе. Часть концентрированного раствора гидроксида натрия, выходящего из электролизера, отводится в виде продукта, а оставшаяся часть разбавляется деионизированной водой и снова проходит через аппарат для электролиза.

Этот метод более эффективен, чем мембранная ячейка, и дает очень чистый гидроксид натрия (или калия) с концентрацией около 32%, но требует очень чистого рассола.

Процесс с мембранной ячейкой для производства хлорщелочи

Другие электролитические процессы

Несмотря на то, что объем производства намного меньше, электролитические диафрагмы и мембранные технологии также используются в промышленности для извлечения хлора из соляной кислоты растворы, производящие водород (но не едкую щелочь) в качестве побочного продукта.

Кроме того, электролиз плавленых хлоридных солей (процесс Даунса ) также позволяет получать хлор, в данном случае как побочный продукт производства металлического натрия. или магний.

Другие методы

До того, как электролитические методы стали использоваться для производства хлора, прямое окисление хлористого водорода с помощью кислорода (часто на воздухе) осуществляли в процессе Дикона :

4 HCl + O 2 → 2 Cl 2 + 2 H 2O

Эта реакция осуществляется с использованием хлорида меди (II) (CuCl 2) в качестве катализатора и осуществляется при высокой температуре (около 400 ° C). Количество извлеченного хлора составляет примерно 80%. Из-за чрезвычайно агрессивной реакционной смеси промышленное использование этого метода затруднено, и несколько пилотных испытаний в прошлом потерпели неудачу. Тем не менее, недавние события обнадеживают. Недавно Sumitomo запатентовал катализатор для процесса Дикона с использованием оксида рутения (IV) (RuO 2).

Еще одним более ранним способом получения хлора было нагревание рассола с кислотой и диоксид марганца.

2 NaCl + 2H 2SO4+ MnO 2 → Na 2SO4+ MnSO 4 + 2 H 2 O + Cl 2

Используя этот процесс, химик Карл Вильгельм Шееле первым выделил хлор в лаборатории. марганец может быть извлечен с помощью процесса Велдона.

Небольшие количества газообразного хлора можно получить в лаборатории, поместив концентрированную соляную кислоту в колбу с боковым рычагом и присоединенной резиновой трубкой. Затем добавляют диоксид марганца и закрывают колбу пробкой. Реакция не является сильно экзотермической. Поскольку хлор плотнее, чем воздух, его можно легко собрать, поместив трубку внутрь колбы, где она вытеснит воздух. Наполненную колбу для сбора можно закрыть пробкой.

Еще один метод получения небольших количеств газообразного хлора в лаборатории - это добавив от концентрированной соляной кислоты (обычно около 5M) до раствора гипохлорита натрия или раствора хлората натрия.

Перманганат калия может использоваться для образования газообразного хлора при добавлении к соляной кислоте.

Промышленное производство мембран

Крупномасштабное производство хлора включает в себя несколько этапов и множество единиц оборудования. Приведенное ниже описание типично для мембранной установки. Завод также одновременно производит гидроксид натрия (каустическую соду) и газообразный водород. Типичная установка состоит из производства / обработки рассола, операций с ячейками, охлаждения и сушки хлора, сжатия и сжижения хлора, хранения и загрузки жидкого хлора, обработки щелочи, испарения, хранения и загрузки и обработки водорода.

Рассол

Ключом к производству хлора является работа системы насыщения / очистки рассола. Поддержание правильно насыщенного раствора с правильной чистотой жизненно важно, особенно для мембранных клеток. На многих заводах есть соляная куча, которую опрыскивают переработанным рассолом. В других есть цистерны для жидкого навоза, в которые подают сырую соль и переработанный рассол. Неочищенный рассол обрабатывают карбонатом натрия и гидроксидом натрия для осаждения кальция и магния. Реакции часто проводят в серии реакторов перед тем, как обработанный рассол направляют в большой осветлитель, где осаждаются карбонат кальция и гидроксид магния. Флокулирующий агент может быть добавлен непосредственно перед осветлителем для улучшения осаждения. Декантированный рассол затем механически фильтруется с использованием песочных фильтров или перед подачей в серию ионообменников для дальнейшего удаления примесей. На нескольких этапах этого процесса рассол испытывают на твердость и прочность.

После ионообменников рассол считается чистым и переносится в резервуары для хранения для перекачки в камеру. Чистый рассол нагревается до нужной температуры для регулирования температуры рассола на выходе в соответствии с электрической нагрузкой. Рассол, выходящий из камеры, необходимо обработать для удаления остаточного хлора и контроля уровня pH перед возвратом на стадию насыщения. Этого можно достичь с помощью колонн для дехлорирования с добавлением кислоты и бисульфита натрия. Отсутствие удаления хлора может привести к повреждению ионообменных блоков. В рассоле необходимо контролировать накопление как хлорат-анионов, так и сульфат-анионов, и либо иметь систему очистки, либо продувать солевой контур для поддержания безопасных уровней, поскольку хлорат-анионы могут диффундируют через мембраны и загрязняют каустик, в то время как сульфат-анионы могут повредить покрытие поверхности анода.

Клеточная комната

Здание, в котором размещено множество электролитических ячеек, обычно называют ячейкой или помещением с ячейками, хотя некоторые заводы строятся на открытом воздухе. Это здание содержит опорные конструкции для ячеек, соединения для подачи электроэнергии в ячейки и трубопроводы для жидкостей. Мониторинг и управление температурами каустической соды и рассола осуществляется для контроля температуры на выходе. Также отслеживаются напряжения каждой ячейки, которые изменяются в зависимости от электрической нагрузки в помещении ячейки, которая используется для управления производительностью. Мониторинг и управление давлением в коллекторах хлора и водорода также осуществляется с помощью клапанов регулирования давления.

Постоянный ток подается через выпрямленный источник питания. Нагрузка на установку контролируется изменением тока ячеек. По мере увеличения тока увеличиваются скорости потока рассола, каустической соды и деионизированной воды при одновременном снижении температуры подачи.

Охлаждение и сушка

Газообразный хлор, выходящий из линии ячейки, должен быть охлажден и осушен, так как выходящий газ может иметь температуру более 80 ° C и содержит влагу, которая делает газообразный хлор агрессивным до железный трубопровод. Охлаждение газа позволяет большому количеству влаги из рассола конденсироваться из газового потока. Охлаждение также улучшает эффективность как стадии сжатия, так и следующей стадии сжижения. Выход хлора в идеале составляет от 18 ° C до 25 ° C. После охлаждения поток газа проходит через ряд колонн с противоточной серной кислотой. Эти колонны постепенно удаляют любую оставшуюся влагу из газообразного хлора. После выхода из сушильных колонн хлор фильтруют, чтобы удалить оставшуюся серную кислоту.

Сжатие и ожижение

Можно использовать несколько методов сжатия: жидкое кольцо, возвратно-поступательное движение или центробежное. На этой стадии газообразный хлор сжимается и может дополнительно охлаждаться с помощью промежуточных и дополнительных охладителей. После сжатия он поступает в ожижители, где охлаждается до степени разжижения. Неконденсирующиеся газы и остающийся газообразный хлор удаляются как часть контроля давления в системах сжижения. Эти газы направляются в газоочиститель, в котором производится гипохлорит натрия, или используются для производства соляной кислоты (сжиганием с водородом) или этилендихлорид (путем реакции с этиленом ).

Хранение и загрузка

Жидкий хлор обычно самотеком подается в резервуары для хранения. Его можно загружать в железнодорожные или автомобильные цистерны с помощью насосов или заполнять сжатым сухим газом.

Обработка, испарение, хранение и загрузка каустика

Каустик, подаваемый в камеру, течет по контуру, который одновременно отводится в хранилище с частью, разбавленной деионизированной водой и возвращаемой в ячейку линия для укрепления внутри клеток. Щелочь, покидающую клеточную линию, необходимо контролировать на предмет прочности, чтобы поддерживать безопасные концентрации. Слишком сильный или слишком слабый раствор может повредить мембраны. Мембранные элементы обычно производят щелочь в диапазоне от 30% до 33% по весу. Поток исходной щелочи нагревается при низких электрических нагрузках для регулирования его температуры на выходе. Более высокие нагрузки требуют охлаждения каустика для поддержания правильной температуры на выходе. Каустик, поступающий в хранилище, отбирается из резервуара для хранения и может быть разбавлен для продажи клиентам, которым требуется слабый каустик, или для использования на месте. Другой поток может быть закачан в многоэффективный испаритель , установленный для производства 50% -ного каустика промышленного назначения. Погрузка железнодорожных цистерн и автоцистерн осуществляется на станциях загрузки насосами.

Обращение с водородом

Водород, полученный в качестве побочного продукта, может быть сброшен в необработанном виде непосредственно в атмосферу или охлажден, сжат и высушен для использования в других процессах на месте или продан покупателю через трубопровод, цилиндры или грузовые автомобили. Некоторые возможные применения включают производство соляной кислоты или пероксида водорода, а также десульфуризацию нефти или использование в качестве топлива в котлы или топливные элементы.

Потребление энергии

Производство хлора чрезвычайно энергоемко. Потребление энергии на единицу веса продукта не намного ниже, чем при производстве чугуна и стали, и больше, чем при производстве стекла или цемента.

Поскольку электричество является незаменимым сырьем для производства хлора, потребление энергии, соответствующее электрохимической реакции, не может быть уменьшено. Экономия энергии достигается в первую очередь за счет применения более эффективных технологий и сокращения использования дополнительной энергии.

Ссылки

Внешние ссылки

Найдите хлор в Викисловаре, бесплатном словаре.
Последняя правка сделана 2021-05-14 13:19:41
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте