СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ХЛОРАТА НАТРИЯ Российский патент 2000 года по МПК C25B1/14 C25B1/26 

Изобретение относится к области производства хлората натрия, широко используемого в различных областях промышленности. Мировое производство хлората натрия достигает нескольких сот тысяч тонн в год. Хлорат натрия применяется для получения двуокиси хлора (отбеливатель), хлората калия (бертолетова соль), хлоратов кальция и магния (дефолианты), перхлората натрия (полупродукт для производства твердого ракетного топлива), в металлургии при переработке урановой руды и т.д.

Известен способ получения хлората натрия химическим способом, при котором растворы гидроксида натрия подвергаются хлорированию с получением хлората натрия. По своим технико-экономическим показателям химический способ не выдерживает конкуренции с электрохимическим, поэтому в настоящее время практически не употребляется (Л.М.Якименко "Производство хлора, каустической соды и неорганических хлорпродуктов", Москва, из-во "Химия", 1974, с. 366).

Известен способ получения хлората натрия путем электролиза раствора хлорида натрия в каскаде бездиафрагменных электролизеров с получением хлорид-хлоратных растворов, из которых кристаллический хлорат натрия выделяется методом выпарки и кристаллизации (K.Wihner, L.Kuchler "Chemische Technologie", Bd.1, "Anorganische Technologie", s.729, Munchen, 1970; Л.М.Якименко, Т. А.Серышев "Электрохимический синтез неорганических соединений, Москва, из-во "Химия", 1984, стр. 35-70).

Этот способ наиболее близок к предлагаемому изобретению.

Основная технологическая стадия, бездиафрагменный электролиз растворов хлорида натрия, протекает с выходом по току 85-87%.

Процесс ведут на окисно-рутениевых анодах при температуре 70-80^oC, pH 7 при постоянном подкислении электролита 10%-ным раствором соляной кислоты.

Перед подачей на стадию выделения твердого продукта электролит подщелачивают до избытка щелочи 1 г/л с добавлением восстановителя для разрушения коррозионно- активного гипохлорита натрия, всегда присутствующего в продуктах электролиза.

Побочным анодным процессом при электролизе хлоридных растворов является выделение Cl₂, что не только снижает выход по току, но и требует очистки электролизных газов в санитарных колоннах, орошаемых раствором щелочи.

Осуществление процесса поэтому связано с существенным расходом соляной кислоты и щелочи: на 1 т хлората натрия тратится ~120 кг 31% соляной кислоты и 44 кг 100% NaOH.

По этой же причине хлоратные производства организуются там, где есть хлорный электролиз, поставляющий каустическую соду и электролитический хлор и водород для синтеза соляной кислоты, в то время как зачастую имеется потребность в автономном производстве хлората натрия в точках, удаленных от хлорных производств. Но и там, где хлорное производство и хлоратный электролиз расположены рядом, при остановках и отключениях хлорного электролиза по тем или иным причинам происходит и вынужденное отключение хлоратного электролиза,
Таким образом, известный способ имеет существенные недостатки: большие энергетические затраты (не очень высокий выход по току) и невозможность организации автономного производства.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа получения хлората натрия электролизом растворов хлорида натрия с пониженными энергетическими затратами.

Поставленная задача решается предложенным способом, при котором сначала хлорид натрия перерабатывается в хлорных диафрагменных электролизерах с получением газообразного хлоргаза и электролитических щелоков состава 120-140 г/л NaOH и 160-180 г/л NaCl, которые затем в полных объемах или частично подвергают взаимодействию между собой с получением хлорид-хлоратного раствора 50-60 г/л NaClO₃ и 250-270 г/л NaCl, направляемого на бездиафрагменный электролиз.

Процесс хлоратного бездиафрагменного электролиза осуществляют при подкисленнии соляной кислотой. Полученный при этом хлоратный раствор, содержащий и хлорид натрия, направляют на стадии выпарки, а затем кристаллизации хлората. Маточник со стадии кристаллизации вместе с продуктами взаимодействия щелочи и хлора от диафрагменного электролиза направляют на бездиафрагменный хлоратный электролиз. Перед подачей на стадию выделения твердого продукта электролит подщелачивают до избытка щелочи 1 г/л с добавлением восстановителя для разрушения гипохлорита натрия.

При частичном отведении продуктов электролиза хлорных диафрагменных электролизеров хлор используется для получения соляной кислоты, применяемой для подкисления хлоратного электролиза, а щелочь используется для орошения санитарных колонн при очистке электролизных газов.

При такой схеме 30-35 г хлорида натрия из 300-310 г, содержащихся в каждом литре исходного раствора, перерабатывается в условиях хлорного электролиза. Такая схема обуславливает снижение энергетических затрат, т.к. выход по току хлорного электролиза выше, а напряжение на электролизерах ниже, чем в хлоратном электролизе, и при проведении частично электрохимического окисления хлорида натрия в хлорат в условиях хлорного электролиза улучшаются показатели всего процесса в целом.

Кроме того, при использовании описываемой схемы снижаются затраты на охлаждение электролиза, т. к. хлорные электролизеры в охлаждении не нуждаются.

Заметим, что более глубокое срабатывание хлорида в условиях хлорного электролиза, чем оговорено (около 10%), приводит к невозможности сбалансировать технологическую схему по хлоридам, хлоратам и воде и потому не имеет смысла.

В рамках предложенной схемы возможно получение дополнительного эффекта при подаче на хлоратный электролиз растворов с увеличенной по NaClO₃ концентрацией, получаемых из более концентрированных по NaОH, чем диафрагменные щелока, растворов щелочи, для хлорирования которых может утилизироваться хлор, содержащий инерты.

Электрощелока хлорного электролиза могут смешиваться с хлор-газом не полностью, а частично. При этом часть электрощелоков диафрагменного электролиза, не направленная на хлорирование, отводится для использования в санитарных колоннах, а эквивалентная часть электролитического хлора может быть использована для синтеза соляной кислоты.

Направление электрощелоков из диафрагменных электролизеров в санитарные колонны, а электролитического хлор-газа на получение соляной кислоты решает проблему автономного хлоратного производства, так как поставка щелочи и кислоты со стороны уже не будет требоваться. Доля хлорида натрия, перерабатываемая в хлорных электролизерах, определяется тем, будут ли полученные продукты использоваться только для получения в результате их взаимодействия хлорид-хлоратных щелоков, после смешения с маточником со стадии кристаллизации на бездиафрагменный электролиз, или электрощелока хлорных электролизеров будут использоваться только для подщелачивания, а электролитический хлор - для синтеза хлорной кислоты для подкисления в схеме хлоратного электролиза, или часть продуктов будет использоваться в одном направлении, а часть в другом.

Преимуществами предложенного способа являются:
1) снижение энергетических затрат за счет проведения начальной стадии электролиза с большим выходом по току и при меньшем напряжении, чем в обычном хлоратном электролизе: выход по току 92-94% и напряжение 3,2 В в хлорном электролизе против 85-90% и 3,4 В и выше соответственно в хлоратном;
2) возможность получения одновременно с основным продуктом - хлоратом натрия - щелочных растворов, необходимых по технологической схеме для подщелачивания и орошения санитарных колонн;
3) возможность использования хлора, получаемого в хлорных электролизерах, для получения на месте соляной кислоты для подкисления хлоратного электролиза.

Пример
В опытном электролизере ведут хлорный диафрагменный электролиз раствора хлорида натрия концентрации 300 г/л на окисно-рутениевых анодах при плотности тока 1000 А/м² и температуре 90^oC. Полученные электролитические щелока, содержащие 140 г/л NaOH и 175 г/л NaCl, смешивают с анодным хлор-газом и получают хлорид-хлоратный раствор состава 270 г/л NaCl и 50 г/л NaClO₃. Этот раствор подают далее на бездиафрагменный хлоратный электролиз, проводимый в каскаде из 4 электролизеров с окисно-рутениевыми анодами при плотности тока 1000 А/м² и температуре 80^oC с получением конечного раствора следующего состава: 105 г/л NaCl и 390 г/л NaClO₃.

Таким образом, из одного 1 л исходного хлоридного раствора нарабатывается с учетом 10% уменьшения объема раствора за счет уноса паров воды с электролизными газами и испарения 355 г хлората натрия, из которых 50 г (14,1%) получилось после смешения продуктов хлорного диафрагменного электролиза, а 305 (85,9%) наработано в процессе хлоратного электролиза.

Напряжение на хлорном электролизере было 3,3 В при выходе по току 93%.

Среднее напряжение на хлоратном электролизере составило 3,4 В при выходе по току 85%.

Удельный расход электроэнергии W (кВт•ч/т), вычисленный по данным эксперимента по формуле
W = 1000•E/m•BT,
где E - напряжение на ячейке (B);
m - электрохимический эквивалент (г/А•ч);
BT - выход по току в долях единицы,
составил для хлорного электролиза 2517 кВт•ч/т, а для хлоратного - 5996 кВт•ч/т, что с учетом доли хлората, выработанного в результате смешения продуктов хлорного электролиза, дает 5404,9 кВт•ч/т.

Расход электроэнергии без применения хлорного электролизера составил на этой же установке 6150 кВт•ч/т.

Таким образом, снижение энергетических затрат составило 12,1%.

Изобретение относится к области производства хлората натрия, широко используемого в различных областях промышленности. Электролиз раствора хлорида натрия осуществляют сначала в хлорных диафрагменных электролизерах. Образующиеся хлоридно-щелочные растворы и электролитический хлор-газ смешивают с получением хлорид-хлоратного раствора. Полученный раствор смешивают с маточником стадии кристаллизации и направляют на бездиафрагменный электролиз с последующей выпаркой хлорид-хлоратных растворов и кристаллизацией хлората натрия. Продукты диафрагменного электролиза могут частично отводиться для получения из хлор-газа соляной кислоты для подкисления хлоратного электролиза и использования хлоридно-щелочных растворов для орошения санитарных колонн. Технический результат - понижение расхода электроэнергии и возможность организации автономного производства. 1 з.п.ф-лы.

1. Способ получения хлората натрия путем электролиза раствора хлорида натрия с последующей выпаркой хлорид-хлоратных растворов и кристаллизацией хлората натрия с возвратом маточника стадии кристаллизации в процесс, отличающийся тем, что сначала электролиз раствора хлорида натрия осуществляют в хлорных диафрагменных электролизерах с получением щелочно-хлоридных растворов и электролитического хлор-газа, которые смешивают с получением хлорид-хлоратного раствора и направляют после смешения с маточником стадии кристаллизации на бездиафрагменный электролиз. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что продукты диафрагменного электролиза отводят частично для получения из хлор-газа соляной кислоты для подкисления хлоратного электролиза и использования хлоридно-щелочных растворов для орошения санитарных колонн.