УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ И ЩЕЛОЧИ Российский патент 1995 года по МПК C25B1/00 B01D61/42 

Изобретение касается способа ступенчатого электродиализа водных растворов, содержащих щелочные сульфаты, причем эти растворы пропускают через множество работающих в серии электродиализаторов, которые имеют кислотные и щелочные камеры и снабжены катионообменной мембраной.

Сульфатсодержащие водные растворы сбрасывают в качестве продуктов отхода при различных процессах химической промышленности. Эти растворы необходимо утилизировать. Для этого их в настоящее время чаще всего испаряют, при этом соли, если это возможно, применяют в других отраслях промышленности в твердом виде.

Наиболее близкой к предлагаемой является установка для получения серной кислоты и щелочи, включающая ряд электродиализаторов, содержащих катионообменную мембрану, включающих кислотные и щелочные камеры, соединенные последовательно между собой трубопроводами [1]
Недостатком известной установки является невысокий выход по току 70%
Поставленная цель достигается в установке для получения серной кислоты и щелочи, включающей ряд электродиализаторов, содержащих катионообменную мембрану, включающих кислотные и щелочные камеры, соединенные последовательно между собой трубопроводами, при этом кислотная и щелочная камеры последнего электродиализатора снабжены выводом серной кислоты и щелочи соответственно, причем первый электродиализатор по ходу движения жидкости снабжен двумя биполярными мембранами или дополнительной катионообменной мембраной и двумя биполярными мембранами, при этом кислотная камера образована катионообменной стороной биполярной мембраны и катионообменной мембраной, а щелочная камера образована катионообменной мембраной и анионообменной стороной биполярной мембраны, последующие электродиализаторы в ряде снабжены дополнительной катионообменной мембраной и двумя биполярными мембранами, установленными по обе стороны от катионообменных мембран, кислотная камера образована катионообменной стороной биполярной мембраны и катионообменной мембраной, щелочная камера образована дополнительной катионообменной мембраной и анионообменной стороной биполярной мембраны.

Кислотные и щелочные камеры соседних электродиализаторов соединены между собой через циркуляционную емкость.

Циркуляционная емкость последнего электродиализатора соединена с циркуляционной емкостью первого и второго электродиализаторов.

На фиг. 1 представлена установка, состоящая из первого четырехкамерного электродиализатора и последующего пятикамерного; на фиг. 2 установка из первого четырехкамерного и двух последующих пятикамерных электродиализаторов; на фиг. 3 установка из первого пятикамерного и двух последующих также пятикамерных электродиализаторов.

На фиг. 1 изображен двухступенчатый вариант предлагаемого способа, причем первую стадию проводят в четырехкамерной ячейке 1, а вторую стадию в пятикамерной ячейке 2. Сначала заполняют кислотную емкость 3 и щелочную емкость 4 подлежащим расщеплению щелочносульфатным раствором или разбавленной щелочью, эти растворы непрерывно пропускают через трубопроводы 5 или 6 и отборные трубопроводы 7 или 8 через кислотную камеру 9 или щелочную камеру 10 и подвергают электродиализу до достижения предварительно определенного значения.

После этого два электролитных раствора спускают в соответствующую кислотную емкость 11 или щелочную емкость 12 второй стадии, пропускают через кислотную камеру 13 или щелочную камеру 14 и для достижения целевой конечной концентрации снова диализируют, причем электролитные растворы снова пускают в цикл, т.е. возвращают через трубопроводы 15 или 16 и через трубопроводы 17 или 18. Как только достигают целевой конечной концентрации, отводят разбавленную серную кислоту и щелочь из емкостей 11 или 12.

Перед проведением второй стадии солевую емкость 19 заполняют водным щелочносульфатным раствором и во время диализа постоянно пропускают по замкнутому циклу через среднюю камеру 20. В течение диализа Н₂SО₄обогащается в электролите средней камеры. После диализа электролит средней камеры спускают из солевой емкости 19 и подают в кислотную емкость 11.

На фиг. 2 показан трехступенчатый вариант предлагаемого способа, причем первую стадию осуществляют в 4-камерной ячейке и вторую и третью стадии осуществляют в 5-камерной ячейке. Течение электролита в первых двух стадиях аналогично изображенному на фиг. 1 варианту. Для осуществления третьей стадии после достижения желаемой концентрации кислоты или щелочи в емкостях 11, 12 и 19 электролит отбирают и подают в соответствующие емкости 21-23 третьей стадии.

По достижении желаемой конечной концентрации электролита в емкостях 21-23 третью стадию прекращают и конечные продукты отбирают.

На фиг. 3 также показан трехступенчатый вариант предлагаемого способа, причем все три стадии проводят в 5-камерных ячейках. Течение электролита в основном осуществляется так же, как уже описано на фиг. 2.

П р и м е р 1. Для его осуществления используют установку электродиализа, изображенную на фиг. 1. Электродиализатор является множественной ячейкой, составленной из последовательно присоединенных отдельных ячеек между обоими электродами известным образом.

Применяемая линия производится фирмой "Акватех Системз" (США) и имеет соответственно 8 ячеек с активной поверхностью 103 см² на мембрану.

Обеспечение потоком отдельной линии осуществляют через выравниватель, например, так чтобы плотность потока поддерживалась постоянной 10 А/дм². Электролитные растворы нагреваются так, что в пакете ячеек температура достигает 45^оС. Вся ячеечная линия эксплуатируется таким образом, что подлежащие электродиализу электролиты так долго циркулируют через соответствующие аппараты, пока не будет достигнута желаемая концентрация. Полученные таким образом растворы продуктов затем отбирают из системы цикла и заполняют ее новыми исходными растворами.

Кислотную емкость первой линии ячеек заполняют почти насыщенным Na₂SO₄ раствором, а щелочную емкость заполняют 1,4 мас.-ным раствором NaOH.

Через 24 ч электродиализа отбирают 7,3%-ную H₂SO₄ и 6,2%-ную NaOH в соответствующие емкости последующей стадии 2. Одновременно с 7,3%-ной H₂SO₄ из первой стадии переводят также электролит из средней камеры второй стадии предыдущего осуществления способа в кислотную емкость.

Емкость средней стадии заполняют свежим 27%-ным раствором Na₂SO₄.

После 48-часового электродиализа из кислотного и щелочных емкостей отбирают конечные продукты приблизительно с 12%-ной H₂SO₄ или 12%-ной NaOH.

Полученный в средней камере продукт с 8,6% H₂SO₄ в соответствии с предлагаемым способом переводят в кислотную емкость.

Количественный баланс:
Вводимые количества: кислотный цикл 43,7 кг 27%-ной Na₂SO₄; щелочной цикл 46,5 кг 1,4%-ной NaOH.

Количества продуктов: кислотный цикл 41,2 кг 7,1%-ной H₂SO₄, 18,4%-ной Na₂SO₄, щелочной цикл 49,2 кг 6,2%-ной NaOH.

Выход потока 81,3%
2-ая ячеечная линия (3-камерная ячейка):
Вводимые количества:
Кислотный цикл: продукт из кислотного цикла 1-ой ячеечной линии + продукт из цикла средней камеры 2-ой ячеечной линии предыдущего опыта (27,8 кг 7,5%-ной H₂SO₄, 21,4%-ной Na₂SO₄).

Цикл средней камеры: 33,0 кг 27,4%-ной Na₂SO₄.

Щелочной цикл: продукт из щелочного цикла 1-ой ячеечной линии.

Количества продуктов:
Кислотный цикл: 64,8 кг 11,9%-ной H₂SO₄, 14%-ной Na₂SO₄.

Цикл средней камеры: 27,6 кг 7,6%-ной H₂SO₄, 21,6%-ной Na₂SO₄.

Щелочной цикл: 56,4 кг 12,3%-ной NaOH.

Выход потока 65,9%
Средний выход потока 71,0%
Среднее напряжение на ячейку 1,95 В.

Потребление потока 1,84 кВт/кг NaOH.

П р и м е р 2. Устройство для электродиализа состоит в основном из трех ячеечных линий, которые включены в серию по схеме, представленной на фиг. 2.

Все три ячеечных линии производятся фирмой "Акватех Системз" (США) и имеют соответственно 8 ячеек с активной поверхностью каждая 103 см².

По аналогии с примером 1 отдельные линии питаются из выравнивателя постоянной плотностью тока 10 А/дм² и в результате термостатирования растворов электролитов температуру в ячейке поддерживают 45^оС. Все ячеечные линии эксплуатируют снова шихтовым образом тем, что раствор, подлежащий расщеплению, подвергают диализу до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое частичное превращение.

В соответствии со схемой течения на фиг. 2 первую ячеечную линию снова заполняют одинаковыми растворами и количествами и в течение 24 ч концентрируют до таких же содержаний кислоты и щелочи, как в примере 1, т.е. 1,4% щелочи концентрируют до 6,2% и 27%-ный раствор Na₂SO₄диализируют до содержания 7,3% Н₂SO₄.

Дальнейшую обработку растворов осуществляют затем в отличие от способа работы, описанного в примере 1, в двух расположенных один за другим 5-камерных электродиализерах, и далее полученную из щелочного цикла первой стадии 6,2%-ную NaOH переводят в тот же цикл второй стадии. Полученную из кислотного цикла 7,1% -ную H₂SO₄ переводят снова в тот же цикл второй стадии и одновременно с этим также продукт средней камеры, содержащий 7,2%-ную H₂SO₄ из третьей стадии.

В цикл средней камеры второй стадии подают 29%-ный раствор.

После 24-часового электродиализа полученные таким образом растворы из второй стадии переводят затем в соответствующий цикл системы третьей стадии, где их наконец после дополнительного 24-часового диализа доводят до желаемой конечной концентрации, а именно до 12%-ного NaOH и приблизительно 12%-ной H₂SO₄; полученный в средней камере продукт в соответствии с описанным способом снова подают в кислотный цикл второй стадии.

Количественный баланс:
1-ая ячеечная линия (4-камерная ячейка). Вводимые количества: Кислотный цикл: 43,7 кг 27%-ной Na₂SO₄, щелочной цикл: 46,5 кг 1,4%-ной NaOH.

Количества продуктов: кислотный цикл: 41,2 кг 7,1%-ной H₂SO₄, 18,4%-ной Na₂SO₄; щелочной цикл: 49,2 кг 6,2%-ной NaOН. Выход потока 81,3%
2-ая ячеечная линия (5-камерная система). Вводимые количества:
Кислотный цикл: продукт из кислотного цикла (1-ой ячеечной линии) + продукт из цикла средней камеры 3-ей ячеечной линии предыдущего опыта (27,4 кг 7,3%-ной Н₂SO₄).

Цикл средней камеры: 33,0 кг 29%-ной Na₂SO₄.

Щелочной цикл: продукт из щелочного цикла 1-ой ячеечной линии.

Количества продуктов:
Кислотный цикл 65,3 кг 10,3%-ной H₂SO₄.

Цикл средней камеры 30,7 кг 9,8% NaOH.

Выход потока 73,2%
3-я ячеечная линия (3-камерная):
Вводимые продукты: кислотный цикл; цикл средней камеры и щелочной цикл: все продукты из соответствующего цикла 2-ой ячеечной линии.

Количества продуктов: Кислотный цикл: 64,5 кг 12,8%-ной H₂SO₄, цикл средней камеры: 27,4 кг 7,3%-ной H₂SO₄; щелочной цикл: 57,0 кг 12,5%-ной NaOH.

Выход потока 57,1%
Средний выход потока 70,5%
Среднее напряжение на ячейку 1,94 В.

Потребление тока 1,84 кВт/кг NaOH.

Изобретение касается способа ступенчатого электролиза водных растворов, содержащих щелочные сульфаты, а также устройства для его осуществления. Водные растворы, содержащие щелочные сульфаты, пропускают через множество работающих в серии электродиализных ячеек, которые имеют кислотную и щелочную камеры и обладают катионообменной мембраной, водные растворы, содержащие щелочные сульфаты, пропускают лишь через кислотную камеру электродиализной ячейки, электродиализные ячейки которой внутри обладают лишь катионообменной мембраной и ограничены биполярными ионообменными мембранами. Изобретение обеспечивает лучшую электродиализную обработку содержащих щелочные сульфаты растворов, которые являются отходами при получении регенерированной целлюлозы после ксантогенатного процесса. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ И ЩЕЛОЧИ, включающая ряд электродиализаторов, содержащих катионообменную мембрану, включающих кислотные и щелочные камеры, соединенные последовательно между собой трубопроводами, кислотная и щелочная камеры последнего электродиализатора снабжены выводом серной кислоты и щелочи соответственно, отличающаяся тем, что первый электродиализатор по ходу движения жидкости снабжен двумя биполярными мембранами или дополнительной катионообменной мембраной и двумя биполярными мембранами, при этом кислотная камера образована катионообменной стороной биполярной мембраны и катионообменной мембраной, а щелочная камера образована катионообменной мембраной и анионообменной стороной биполярной мембраны, последующие электродиализаторы в ряде снабжены дополнительной катионообменной мембраной и двумя биполярными мембранами, установленными по обе стороны от катионообменных мембран, кислотная камера образована катионообменной стороной биполярной мембраны и катионообменной мембраной, щелочная камера образована дополнительной катионообменной мембраной и анионообменной стороной биполярной мембраны. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что кислотные и щелочные камеры соседних электродиализаторов соединены между собой через циркуляционную емкость. 3. Установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что циркуляционная емкость последнего электродиализатора соединена с циркуляционной емкостью первого и второго электродиализатора.