5.3 离子膜电解物料平衡

离子膜电解过程的工艺原理如图5-2所示。氯化钠被电离成钠离子和氯离子。氯离子在阳极室放电转变为氯气,同时,钠离子通过离子交换膜迁移到阴极室。在阴极室,水电解成氢气和氢氧根离子。钠离子和氢氧根离子结合生成氢氧化钠。

图5-2 离子膜电解槽内物料流动图

钠离子的选择性渗透:通过离子膜对钠离子的选择性渗透,在阳极室的钠离子由于它们和膜的亲和性,能够透过膜而进到阴极室。

因氯离子和氢氧根离子有与膜相似的负电荷,膜对它们排斥,所以它们不能通过膜。

水通过膜的迁移:在钠离子通过离子膜的同时,由于离子膜的含水率确定,围绕钠离子有n个水分子同时通过膜从阳极转移到阴极,该转移水称为钠离子水合水,n在通常工作条件下为4左右。在离子膜电解物料平衡模型中,假设通过某面的体积流量为V、摩尔流量为J、物质体积浓度为C,离子膜单元槽内的物料平衡情况见图5-3。

图5-3 离子膜电解槽中的物料平衡

(1)电解槽中的钠离子的平衡

式中 V'AVA——流入、流出盐水流量,m3/h;

VC——流出的阴极液流量,m3/h。

式中 X——盐水分解率,%;

εOH——电流效率,%;

I——电流,A;

F——法拉第常数(26.801A·h/mol)。

(2)阳极室中氢氧根离子的平衡

式中 JNaOH——向阳极室反渗的氢氧化钠的流速,mol/h;

——阳极室流出氧的流速,mol/h;

——向阳极室反渗氧的流速,mol/h。

(3)电解槽中氯离子的平衡

(4) 阳极室中氯气的平衡

式中 ——阳极上析出氯的流速,mol/h;

——阳极室流出氯的流速,mol/h。

(5)氧气的平衡

式中,为阳极室流出,阳极上析出,向阳极室反渗氧的流速,mol/h。

(6)阴极室中氢氧根离子的平衡

式中,JNaOHJNaOH为阳极室反渗及流出阴极室氢氧化钠的流速,mol/h。

(7) 典型工况下的物料衡算 以旭化成NCH-2.7典型电槽为例,假设槽温90℃,碱电流效率95%(不包括漏电损失),阳极氯效率99%,阳极氧效率1%,阴极氢效率100%,进槽盐水浓度305g/L,出槽盐水浓度200g/L,阳极液加盐酸浓度17%,氯气和氢气带出水蒸气含氯和碱全部回收,J为1kA/m2电流密度下物质的流量(kmol),W为该物质在4.5kA/m2电流密度下每单元槽质量流量,物料衡算数据见图5-4。

图5-4 单元电解槽物料平衡图

对图5-4中的衡算结果如下:

J1=1×1×1000×1.492×0.95/40/1000=0.035435[kmol/(h·kA·m2)]

W1=J1×2.7×4.500×40=17.22(kg/h)(100%NaOH)

W2=W1×68%(质量分数)/32%(质量分数)=17.22×0.68/0.32=36.6(kg/h)

J2=W2/18.02/2.7/4.5=0.167167[kmol/(h·kA·m2)]

J11=J1/2×0.99/0.95=0.018464[kmol/(h·kA·m2)]

W11=J11×2.7×4.5×2×35.45 =15.90(kg/h)

J10=J1/4×1/100/0.95=0.00009325[kmol/(h·kA·m2)]

W10=J10×2.7×4.5×32= 0.0363(kg/h)

J12=(J11+J10)×=(0.018464+0.00009325)×0.4486/(1-0.4486)=0.015098[kmol/(h·kA·m2)]

W12=J12×2.7×4.5×18.02=3.30(kg/h)

J8=J1/0.95/2=0.01865[kmol/(h·kA·m2)]

W8=J8×2.7×4.5×2×1.01=0.46(kg/h)

J9=J=0.01865×0.2876/(1-0.2876)=0.007529[kmol/(h·kA·m2)]

W9=J9×2.7×4.5×18.02=1.65(kg/h)

J17=J1×2=0.035435×2= 0.07087 [kmol/(h·kA·m2)]

W17=J17×2.7×4.5×(23+35.45) =50.33(kg/h)

W18=W17 (1177/305-1 )=50.33(1177/305-1 )=143.89(kg/h)

J18=W18/18.02/2.7/4.5=0.6572[kmol/(h·kA·m2)]

J5=J1×(1-0.95)=0.035435×0.05=0.0017718[kmol/(h·kA·m2)]

W5=J5×2.7×4.5×17.01 =0.366(kg/h)

J3=J1=0.035435[kmol/(h·kA·m2)]

W3=J3×2.7×4.5×23 =9.902(kg/h)

J4=J1×4=0.035435×4=0.14174[kmol/(h·kA·m2)]

W4=J4×2.7×4.5×18.02 =31.03(kg/h)

J6=J5×(1-0.95+0.01)/(1-0.95)=0.002126[kmol/(h·kA·m2)]

W6=J6×2.7×4.5×(1.01+35.45)=0.94(kg/h)

W7=W6×0.83/0.17=4.64(kg/h)

J7=W7/18.02/2.7/4.5=0.02119[kmol/(h·kA·m2)]

J20=J18+J7+J5-J12-J4=0.6572+0.02119+0.0017718-0.015098-0.14174=0.52333[kmol/(h·kA·m2)]

W20=J20×2.7×4.5×18.02=114.578(kg/h)

J19=J1=0.035435 [kmol/(h·kA·m2)]

W19=J19×2.7×4.5×(23+35.45) = 25.16(kg/h)

V21=W19/200×1/7=0.018(m3/h)

J13=J1/0.95=0.0373[kmol/(h·kA·m2)]

W13=J13×2.7×4.5×18.02 =8.17(kg/h)(考虑到反应生成 H2O)

J14=J2+J5+J9+J13-J4=0.167167+0.0017718+0.007529+0.0373-0.14174=0.072028[kmol/(h·kA·m2)]

W14=J14×2.7×4.5×18.02=15.77(kg/h)

V22=W14×31.5%/1320/1.5%=0.251(m3/h)

由以上假定条件可计算出,每生产1t烧碱,需要的纯水量为:

需要盐水量:

产生淡盐水量:

出进槽盐水比:

产生的氯水量: