Способ электролиза водного раствора хлорида натрия Советский патент 1992 года по МПК C25B1/46 

Изобретение относится к области электрохимических производств, в частности к электролизу водного раствора хлорида натрия.

Цель.изобретения - уменьшение энергозатрат.

Пример 1. В электролизере устанавливают перфторсульфокислотную мембрану Н эф л он 315, состоящую из двух слоев, один слой толщиной 0,1 мм, имеющий эквивалентный вес 1100 г с ионообменными сульфокис- лотными группами, и второй слой с эквивалентным весом 1500 г.

В качестве анода используется анод из пористого титана с пористостью 60%, покрытого смесью окислов рутения, титана и циркония, а в качестве катода используется пористое железо. Электролизер является биполярным, между основным листом биполярного электролизера и анодом расстояние 45 мм, такое же расстояние между катодом и основным листом, основной лист

выполнен из железа и титана. В электролизер помещают 74 биполярных электрода.

Водный раствор хлорида натрия из емкости подают параллельными потоками в каждую анодную камеру электролизера со скоростью 600 л/ч, с такой же скоростью хлбрид натрия подается и в катодные камеры.

Выход продукта из камер электролизера осуществляют в паро-жидкостном состоянии, а давление в камерах регулируется при помощи выполнения отверстий в патрубке выхода.

Процесс ведут при плотности тока 40 А/дм , напряжение электролиза, температура и давление в катодной камере связаны между собой, как показано на графике (чертеж). Как видно из графика, напряжение электролиза имеет свой минимум приблизительно при 85°С. при давлении, равном атмосферному, но при увеличении давления в

ч ел о

|Ьь

Сл5 СП

СО

электролизной ванне температура Тс, при которой напряжение электролиза становится минимальным, возрастает. Точки для Тс, соответствующие различным давлениям Р в электролизной ванне, будут давать линию А-А. Подобным образом при изменении плотности тока при 20,40 и 60 А/дм2 определяются соответствующие кривые А-А, Указанные параметры связываются между собой эмпирической формулой:

Ре- Рн2 О 0,000535 (ТС - 56)

На чертеже давление выше 1 эта или равное 1 эта, особенно слева от линии А-А , показывает область критического парциального давления газа или выше, при котором достигается снижение энергозатрат.

В предлагаемом способе за счет повышенного давления в камерах в анодном пространстве будет происходить растворение хлора, но за счет применения катионооб- менной мембраны качество гидроксида натрия не ухудшается.

Когда электролизер находится под повышенным давлением, газ, экранирующий поверхность мембраны, удаляется с нее. Так как электрическое сопротивление мембраны и раствора уменьшается, когда растет температура, то напряжение электролиза может быть снижено. Но иногда температура электролиза растет, а давление поддерживается на определенном уровне, напряжение на электролизере вначале уменьшается. Однако существует критическая температура электролиза Тс, при которой напряжение становится минимальным, когда температура проходит через некоторое критическое значение, то напряжение электролиза начинает резко увеличиваться. Обнаружено, что существует критическое давление PC, при котором или выше которого напряжение электролиза меняется незначительно. При слишком большом давлении прочность мембраны может быть нарушена, поэтому важно определять значение давления, которое позволяет вести процесс без разрушения мембраны. В результате исследований была найдена эмпирическая формула:

1-5(Рс-Рн2о},

где PC- PHI о k КТс - Т0);

Р - давление в камерах электролизере;

PHZ о парциальное давление водяного пара в камерах;

Рс - критическое давление в камерах электролизера;

Т - температура в электролизере;

Тс - критическая температура в электролизере;

Т0 - константа, равная 56± 5°С; I - плотность тока, А/дм2;

k - коэффициент, равный 0,000535,

(ата/°С) (А/дм2).

Постоянная k зависит от используемого электролита, его концентрации, конструкции электролизера, количества циркулирующей жидкости и т.д. Величина k обычно составляет 0,00054± 0,0002. практический диапазон f составляет 10-100 А/дм.

Мембрана размещается между катодом и анодом, поэтому и хлор, и водород могут

экранировать поверхность электродов и мембраны, в этом случае необходимо учитывать парциальное давление хлора и водорода.

Для предотвращения разрыва мембраны необходимо поддерживать разницу давлеиий в катодной и в анодной камерах 0,5 эта или ниже. Кроме того, когда ведут процесс при высокой температуре и высокой плотности тока, температура в мембране повышается за счет тепла, выделяющегося

в слое с более низкой электропроводностью причем это повышение столь значительно, что в мембране наблюдается явление кипения, при этом на поверхности раздела мембраны образуются водяные пузырьки, которые могут привести к разрыву мембраны. Например, если электролиз протекает при температуре 85°С, что ниже примерно на 20°С точки кипения электролита, на катионообменной мембране образуются

водяные пузырьки при плотности тока 30 А/дм . В соответствии с изобретением, когда парциальное давление газа в электролитической ячейке поддерживается не столь высоким по сравнению с критическим парциальным давлением газа, которое определяется при помощи температуры электролиза и плотности тока в соответствии с приведенной формулой, явление кипения в мембране полностью исключается.

Критическое парциальное давление означает давление, при котором не наблюдается существенного снижения напряжения при последующем создании давления в электролизере при постоянной температуре

электролиза. Следовательно, понятие критического парциального давления можно опре- делить как графическую зависимость напряжения от давления при постоянной температуре.

При электролизе раствора хлорида натрия с ионообменными мембранами чем вы ше давление, тем меньше напряжение. Однако, если давление превышает 5 ата.

существенного изменения напряжения не происходит.

Одним из преимуществ изобретения является то, что тепло, генерируемое в электролизере, может быть использовано при повышенной температуре электролиза. Генерируемое тепло обычно отводится при помощи холодной воды, более выгодно использовать это тепло как тепловой источник для концентрации гидроксида натрия. Если возможно увеличить температуру электролиза выше 85°С без увеличения напряжения электролиза, то выделяющееся тепло можно использовать для концентрации водного раствора гидроксида натрия. При проведении процесса напряжение на электролизере составляет 3,98 В, в то время как в известном напряжение составляет 4,61 В.

Формула изобретения Способ электролиза водного раствора хлорида натрия в электролизере с двухслойной катионообменной мембраной с получе0

5

0

нием в анодной камере хлора и в катодной - щелочи, отличающийся тем, что, с целью уменьшения энергозатрат, слой катионообменной мембраны с большей электропроводностью обращен к аноду, а с меньшей - к катоду и электролиз ведут при поддержании давления 1-5 ата в анодной и катодной камерах и парциального давления газа в каждой камере, определяемого по формуле:

1-5(),

где (Рс- РН2 о) - It I Пе-То).

Рс - критическое давление в верхней части электролизера;

Рн2 о парциальное давление водяного пара в верхней части электролизера;

Тс - критическая температура;

То 56± 5°С - константа;

I - плотность тока;

к- коэффициент, равныйО,000535±0,0002.

Изобретение относится к электрохимическим производствам и позволяет уменьшить энергозатраты. Способ касается электролиза водного раствора хлорида натрия в электролизере с двухслойной кати- онообменной мембраной с получением в анодной камере хлора и в катодной щелочи, причем слой с большей электропроводностью обращен к аноду, и электролиз ведут при поддержании давления 1-5 эта в анодной и катодной камерах и поддержании парциального давления газа в камерах (1-5) (Ре- РН2 о). где Рс- Рн2 о k 1ГГС - То), где PC - критическое давление в верхней части электролизера, Рна о - парциальное давление водяного пара в верхней части электролизера, Тс - критическая температура, 5°С - константа. I-плотность тока, k-коэффициент, равный 0,000535± 0.0002. 1 ил. у Ё