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化工工艺学-第5章烧碱.ppt

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化工工艺学-第5章烧碱.ppt
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5.2 烧 碱,烧碱即苛性钠(NaOH),学名氢氧化钠,是重要的化学化工原料。广泛用于化工、纺织、冶金及石油化工等工业部门。,无水纯氢氧化钠为白色半透明羽状结晶体,易溶于水,溶液呈强碱性,对许多材料有强烈的腐蚀性,极易潮解,吸收CO2生产Na2CO3。,1.2 氯碱工业发展史,苛化法生产烧碱以纯碱水溶液与石灰乳为原料,通过苛化反应生成烧碱(NaOH)的方法,反应式如下:Na2CO3 +Ca(OH)2=2NaOH+CaCO3↓,2018/10/8,3,水,CaCO3,滤液,水,液,石灰,渣,粗加工,天然碱,,,溶碱,,,,苛化,,,澄清,液,,浓缩,,结晶,,浓缩,,30%NaOH,,,沉淀物,,,,,,苛化法生产过程分为:化碱、苛化、澄清、蒸发等四个工序。在19世纪末电解法出现之前,苛化法一直是世界上生成烧碱的主要方法。,电解法及发展概况,通过生产钠汞齐来使氯气分开的。 电能消耗高,汞污染严重,已被淘汰。,,隔膜法,离子交换法,电解法,水银电解法,隔膜法于1890年在德国首先出现,随后1892年水银法电解槽在美国取得专利。 隔膜法:石墨或金属为阳极,铁为阴极。两极间用隔膜将溶液分开。,2018/10/8,6,选择透过性的阳离子交换膜分隔阳极室与阴极室,10.1 概述,阳极室和阴极室间设置多孔渗透性隔层,通过生成钠汞齐来使氯气分开,,溶液中Na2CO3起始含量与平衡转化率的关系 苛化法生产过程:化碱、苛化、澄清、蒸发 (2)电解法及发展概况 据电解槽结构、电极材料和隔膜材料的不同隔膜法 水银法 离子交换膜法 将阳极产生的氯气与阴极产生的氢气和氢氧化钠分开,离子交换膜法:实质上也是一种隔膜法。用有选择性的离子交换膜来分隔阳极和阴极。这种离子交换膜是一种半透膜,只允许钠离子和水通过。 离子交换膜法与隔膜法、水银法相比,离子膜法具有能耗低、产品质量高、装置占地面积小、生产能力大及能适应电流波动大、还可根除石棉、水银对环境的污染等优点。因此,被公认为氯碱的发展方向。,1.1 氯碱工业及特点,电解食盐水制烧碱同时,可联产氢气和氯气,氯气有可进一步加工成盐酸、PVC、农药等,这一工业部门称为氯碱工业。它是电化学工业中规模最大的部门之一,在国民经济中占有相当重要地位。,(1)原料易得 (2)能源消耗大 (3)氯与碱的平衡 (4)腐蚀和污染严重,9,第二章 电解制碱原理,2.1 电解过程电解过程是将电能转化为化学能的过程。过程不能自发进行,电解方法强制进行。溶液中离子产生定向移动,阴离子向阳极,阳离子向阴极,发生氧化还原反应。这种通过电流使电解质水溶液产生的化学反应称为电化学反应。,法拉第定律(1)法拉第第一定律电解过程中,电极上所生成物质的质量与通过电解质溶液的电量成正比。 (2)法拉第第二定律相同的电量通过不同的电解质时,电极上每析出的物质的量与通过电解液的电量成正比。即通过1法拉第电量可析出1克当量物质。电解时,根据电解质的电流强度、 通电时间及运行电槽数可计算出理论产量。由于存在副反应等原因,实际产量总比理论产量低。实际产量与理论产量之比就是电流效率,这是电解生产中一个重要的指标。,槽电压 实际生产中,电解槽的实际操作电压称为槽电压。 槽电压主要取决于电解运行条件、操作温度、压力、 电解液浓度、电流密度等,电解槽结构、隔膜材 质及位置、两极间距、电极结构及电解液内部循环 等对槽电压影响也较大。 槽电压包括以下几部分:理论分电压(V理)、过电 位(V过)、电解液的电压降(△V液)和电极、触和 线等的欧姆电压降(∑V降)V槽= V理+V过+ △V液+ ∑V降,(1)理论分电压(V理),理论分电压是电解质开始分解时所需要的最低电压。电解食盐水时,等于阳极析出氯电位与阴极析出氢之差。 计算:能斯脱方程或吉布斯-盖姆荷茨方程吉布斯-盖姆荷茨方程计算V理 V理=△H/nF+(dF/dT)T式中 △H-反应热效应,隔膜法和离子膜法电解氯化钠 水溶液时为221.08kJ;T—绝对温度,K; n -电极反应得失电子数;F -法拉第常数(96500C);dF/dT电动势温度系数,为-0.0004(V/K),所以,25℃时电解氯化钠水溶液生成氢氧化钠,氢气和氯气时的理论分解电压为: V理 = 221080/(1×96500)- 0.0004×298=2.172V 在工业上通常将隔膜法和离子膜法电解食盐溶液的理论分解电压定为2.3V。,(2)过电位(V过),定义:电离时离子在电极上的实际放电电压要比理论放电电压 要高,两者的差值称为过电位(V过),也称过电压、超电位或超电压。 金属离子在电极上放电时过电位不大,可忽略; 当电极上发生气体,如Cl2、H2等的反应时,过电位比较大,不可忽略。 过电位的数值主要取决于电极材料性质,电
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