4.4. Технологическая схема производства водорода, хлора и щелочи.
На рисунке (Рис. 27) представлена схема производства электролитического водорода, хлора и щёлочи.
Рис.27. Схема производства электролитического хлора и щёлочи и осушки хлора.
1 – аппарат постоянного уровня; 2 – электролизёры; 3 – сборники щёлока; 4, 16 – ротационные компрессоры; 5, 6 – холодильные башни; 7, 12 – сушильные башни; 8 – дехлоратор; 9, 14 – сборники серной кислоты; 10 – холодильник кислоты; 11 –центробежные насосы; 13 – напорный бак; 16 – ловушка для брызг.
В результате электролиза водного раствора хлорида натрия в катодном пространстве выделяется Н2 и образуется щёлочь NaOH, а в анодном пространстве выделяется Cl2.
Рассмотрим принципиальную технологическую схему производства хлора, щёлочи и водорода методом диафрагменного электролиза.
Выделим на этой схеме три участка.
А. Получение щёлочи (гидроксида натрия).
Б. Получение водорода.
В. Получение хлора.
Описание схемы.
Очищенный рассол, содержащий 310 – 315 г/дм3 NaCl, нагретый до 80ºС, поступает в аппарат постоянного уровня 1 и распределяется по электролизёрам 2, в которых идёт электролиз водного раствора NaCl и образуются Cl2, Н2 и NaOH.
А. Получение гидроксида натрия. Электролитический щёлок (раствор, содержащий NaOH и не прореагировавший NaCl,) из электролизёра по стальным трубам стекает в сборники 3, оттуда перекачивается на упаривание (см. далее).
Б. Получение водорода. В электролизёре в катодном пространстве выделяется водород. Каков его путь в этой схеме? По выходе из электролизёра водород поступает в холодильную башню 5 с насадкой из керамических колец, орошаемой водой. Затем с помощью ротационного компрессора 4 он направляется в стальной коллектор. Из коллектора водород направляется потребителю.
В. Получение хлора. Влажный хлор, выделяющийся в электролизёрах и имеющий температуру 80 – 90ºС, поступает в общий керамический коллектор и направляется в орошаемую холодной водой башня 6 с насадкой, где охлаждается до 15 – 20ºС. При этом из хлора выделяется до 90 % влаги.
Обезвреживание воды.
Вода, стекающая из башни, содержит небольшие количества хлора (это потери хлора!), а также хлороводородную и хлорноватистую кислоты, которые образуются по реакции:
Cl2 + H2O = HCl + HClO.
Поэтому перед удалением в канализацию воду пропускают через дехлоратор 8.
Удаление хлора из воды, отводимой в канализацию, проводят в две стадии:
– сначала воду подогревают и отдувают острым паром, при этом образуются HCl и HClO;
– затем воду пропускают через дроблёный графит, при этом образуется диоксид углерода по реакции:
2HClO + C = CO2 + HCl
После такой обработки вода содержит хлора Cl2 лишь 0,1 – 0,2 г/дм3.
Практически в воде отсутствует HClO, а от присутствующей HCl освобождаются известными методами нейтрализации.
Осушка хлора.
Для окончательного освобождения хлора от влаги его пропускают через две последовательные сушильные башни 7 и 12, заполненные насадкой и орошаемые серной кислотой.
Башни работают по принципу противотока: наиболее концентрированная серная кислота (96-%) орошает последнюю по ходу газа башню 12 и соприкасается с хлором, содержащим меньшее количество влаги.
Хлор из холодильной башни 6 поступает снизу в сушильную башню 7 и поднимается вверх противотоком движению серной кислоты, стекающей по насадке.
Из башни 7 хлор поступает в нижнюю часть башни 12 и соприкасается здесь с концентрированной серной кислотой, почти полностью освобождаясь от влаги. Содержание влаги в осушенном хлоре не должно превышать 0,05 % или 1,5 г/м3.
От брызг осушенный хлор освобождается в ловушке 15.
Затем хлор поступает в ротационный компрессор, откуда под давлением Р = 0,12 МПа подаётся в стальной коллектор и направляется на переработку в другие цехи.
Проследим за движением серной кислоты, которая применялась для осушки.
Серная кислота, стекающая по насадке в башнях 7 и 12 на встречу хлор-газу, непрерывно циркулирует в системе при помощи насосов 11:
башня – сборник – насос – башня.
Из башни 7 серная кислота охлаждается в холодильнике 10.
Для башни 12 концентрированная серная кислота подаётся на орошение без промежуточного охлаждения.
В той и другой башнях орошение «на себя». Отработанная 74 – 76%-я серная кислота удаляется на склад. Предварительно из неё удаляется хлор продувкой сжатым воздухом.
Полученный и осушенный хлор далее либо подаётся на переработку в соответствующие производства, либо его сжижают для хранения или отправки внешнему потребителю.
Сжижение хлора.
Сжижение хлора – это превращение газообразного хлора в жидкий продукт. Производство жидкого хлора является важным этапом на хлорном заводе. Цех жидкого хлора можно назвать буферным цехом. Наличие такого цеха на хлорном заводе позволяет хранить хлор в жидком виде в течение любого времени и обеспечивать внутризаводских и внешних потребителей хлора. Кроме того, это даёт возможность регулировать производство и потребление хлора и поддерживать постоянное давление в сети хлоропроводов. Жидкий хлор можно перевозить в баллонах и цистернах, что облегчает снабжение хлором потребителей, удалённых от места его производства.
Жидкий хлор впервые получен Фарадеем в 1823 году.
Свойства жидкого хлора. Жидкий хлор представляет собой маслянистую жидкость, тёмно–зелёного цвета, кипящую при атмосферном давлении при (–34,1ºС). Хлор легко сжижается, его можно сжижать при обычной или повышенной температуре.
Критическая температура 144ºС.
Критическое давление 7,61 МПа
Критическая плотность 0,573 кг/дм3.
С повышением температуры соответственно должно быть увеличено давление для сжижения газообразного хлора.
Жидкий хлор, не содержащий влаги, как и сухой газообразный хлор, не оказывает коррозионного действия на сталь. В присутствии влаги хлор сильно разрушает металлы. Поэтому перед сжижением весьма важна тщательная осушка газообразного хлора. Поступающий на сжижение хлор должен содержать: хлора – не менее 96%, водорода – не более 1%, влаги – не выше 0,1%.
Эффективность процесса сжижения хлора характеризуется коэффициентом сжижения. Коэффициент сжижения – это отношение количества хлора, перешедшего в жидкое состояние, к количеству хлора, поступившего на сжижение. Коэффициент сжижения зависит от концентрации хлора в сжижаемом газе, от давления и от температуры. Коэффициент тем больше, чем выше концентрация хлора, чем больше давление и чем ниже температура.
Методы сжижения хлора. Известны три промышленных метода сжижения газообразного хлора.
Метод высокого давления – сжатие до избыточного давления Р = 1,2 МПа без применения искусственного охлаждения.
Метод характеризуется простотой технологического оборудования (отсутствие специальных холодильников), низкими энергетическими затратами, отсутствием необходимости теплоизоляции коммуникаций. Главное достоинство метода – возможность комбинировать сжатие газа с процессами его сжижения и перекачивания с обеспечением нужного давления хлора разнообразным потребителям.
Метод глубокого охлаждения – сжатие до избыточного давления Р = 0,08 МПа с искусственным охлаждением до – 35ºС – (– 45)ºС.
Метод также довольно прост по аппаратурному оформлению, с высоким коэффициентом сжижения хлора, но требует тщательной теплоизоляции всех коммуникаций. Метод обеспечивает вполне безопасные и гигиеничные условия работы.
Комбинированный метод – сжатие до избыточного давления Р = 0,5 МПа при умеренном искусственном охлаждении, не ниже –18ºС.
Умеренное охлаждение достигается при помощи аммиачных холодильных установок. В этом методе достигается высокий коэффициент сжижения хлора. Недостатком метода является некоторая сложность применяемого оборудования.