工作任务三电子教案31精盐水电解.docx
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工作任务三电子教案31精盐水电解
淄博职业学院《离子膜烧碱生产操作》课程教学方案
教师:
序号:
8
授课时间
授课班级
学员
上课地点
多媒体教室和化工仿真实训室
学习内容
任务3精制盐水的电解—精盐水电解
学时
12
教学目标
专业能力
◆能熟练掌握离子膜电解生产工艺流程;
◆能认知离子膜电解生产工艺流程;
◆能说出离子膜电解槽的主要组成构件名称;
◆能分析离子膜电解槽电流的流向。
方法能力
学会离子膜电解槽生产烧碱、氯气和氢气过程的组织方法,学会分析电极上电流流动方向规律总结的方法,学会本工序内岗位上人员相互协调工作的方法。
社会能力
在完成讨论学习的过程中,要善于利用各种教学资源,能与同学、老师有效地进行问题交流,增强社会交际和沟通能力,积极地完成工作任务。
目标群体
之前已学习了二次盐水的精制操作方法,完成了任务二的工作要求;熟悉了完成实际工作任务的一般工作方法。
现开始学习精制盐水电解的理论知识与注意事项。
为完成该工作任务,首先要学习一些与电解槽相关的电化学知识,以提高了学生的完成该项工作任务所需要的智力支撑,开始学习完成精制盐水电解槽开停车操作。
教学环境
多媒体、化工仿真实训室
教学方法
讨论提问法和任务驱动教学法——理论研讨+技术讲座
时间安排
教学过程设计
熟悉、电解槽内电流流动和发生的电化学反应工业应用案例—离子交换膜电解槽需6个学时,识读电解工艺流程需5学时,完成任务的检查与评估、提升需要1学时。
一、任务资讯
1、准备精制盐水电解工艺流程图;
2、电解槽结构图纸资料和电解岗位操作法;
3、从网络检索化工生产中离子膜烧碱电解法的相关技术操作信息;
4、检索有关溶液电解方面的知识,明白离子膜电解槽的工作过程及其结构和开停车要求。
二、任务决策
根据电解制碱生产任务的要求,有针对性地分析完成该项任务所需要的工作条件;由师生分组讨论共同参与制订完成离子膜烧碱生产的虚拟仿真操作任务的决策方案,并进行完善改进;根据工作需要进行人员分组,15人一组。
三、任务计划
根据电解制碱的决策方案要求和完成任务需要的时间要求,由教师指导,组长组织成员完成工作任务实施的工作计划。
熟悉电解槽内电流流动和发生的电化学反应、工业应用案例—离子交换膜电解槽需6个学时,识读电解工艺流程需5学时,完成任务的检查与评估、提升需要1学时。
四、任务实施
教师指导任务完成的总体规划,介绍任务完成需要的条件要素,把完成本次任务精制盐水电解的相关图纸、电解岗位操作的相关知识点和质量标准要求介绍给小组成员。
小组成员获得了相关信息之后,在化工仿真操作实训室开始技能操作训练学习,并做好学习记录。
(一)精制盐水电解的基本过程
1、电解过程的基本定律
⑴法拉第第一定律
G=KQ=KIt
式中G——电极上析出物质的质量,g或kg;
Q——通过的电量,A·s或A·h;
K——电化当量;
I——电流强度,A;
t——通电时间,s或h
Ø要提高电解生成物的产量,则要增大电流强度或延长电解时间。
⑵法拉第第二定律
当直流电通过电解质溶液时,电极上第析出(或溶解)1克当量的任何物质,所需要的电量是恒定的,在数值上约等于96500C,称为1法拉第(用F表示)。
即1F=96500C=96500A·s=26.8A·h
实例计算3-1现有电槽10台,运行电流强度为16000A,求理论上每日可生产多少吨烧碱、氯气和氢气?
(n=10台)
解:
根据法拉第定律:
G=KItn得
NaOH的理论产量:
Cl2的理论产量:
H2的理论产量:
2、重要概念
⑴电流效率
电流效率:
实际产产碱量与理论产碱量,两者之比称为电流效率,用η表示。
(3-2)
实例计算3-2某氯碱厂电解车间有20台电解槽在位运行,电解槽的运行电流强度为16000A,一昼夜可生产电解碱液34.6吨,其NaOH含量为32%(wt%),试求阴极电流效率η
解:
NaOH的实际产量为34.6×0.32=11.072(t)
NaOH的实际产量=
⑵槽电压及电压效率
①理论分解电压E理
理论分解电压:
电解过程发生所必须的最小外加电压称为理论分解电压。
(3-3)
阴阳两极的电极电位可由能斯特方程求得:
(3-4)
25℃时,
(3-5)
式中
——平衡电极电位,V;
——标准平衡电极电位,V;
n——电极反应中的得失电子数;
α氧化态、α还原态——分别表示与电极反应相对应的氧化态和还原态物质的活度。
E理也可按吉布斯-亥姆霍茨(Gibbs-Helmholtz)方程计算:
(3-6)
式中ΔH——反应的热效应。
②超电压E超
超电压:
电极电位偏离平衡电极电位的值称为超电压。
表3-125℃时H2、O2、Cl2在不同材质电极上和不同电流密度下的过电位
电极产物
电流密度
A/m2
电极材料
海绵状铂
平光铂
铁
石墨
H2
(2NH2SO4)
10
1000
10000
0.015
0.041
0.048
0.24
0.29
0.68
0.40
0.82
1.29
0.60
0.98
1.22
O2
(2NNaOH)
10
1000
10000
0.40
0.64
0.75
0.72
1.28
1.49
——
——
——
0.53
1.09
1.24
Cl2
(饱和盐水)
10
1000
10000
0.0058
0.028
0.08
0.008
0.054
0.24
——
——
——
——
0.25
0.50
③槽电压E槽
槽电压:
电解时电解槽的实际分解电压称为槽电压。
槽电压应为理论分解电压E理、超电压E超、电解液的电压降E液和电极、接点、导线等的电压降
之和。
(3-7)
电压效率:
理论分解电压与槽电压的比称为电压效率。
电压效率
(3-8)
一般氯碱厂的电解槽的电压效率在60%~65%之间。
⑶电能消耗
电能的消耗:
(3-9)
式中W——消耗的电能,kW·h;
Q——电量,A·h;
I——电流强度,A;
t——运行时间,h;
V——槽电压,V。
实例计算3-4试计算生产1000kgNaOH,理论上需要消耗的电能为多少kW·h?
(已知NaOH的理论分解电压等于2.3V)
解:
NaOH的电化当量等于1.492g/(A·h)
生产1000kgNaOH所需要的电量为:
在实际生产重电能的消耗取决于槽电压外,还应考虑电流效率:
在工业生产中,愈降低电能消耗可以从以下几个方面采取措施。
a设法降低槽电压。
b设法提高电流效率。
c适当提高电流密度。
3、工业应用案例—离子交换膜电解槽
视频:
播放离子交换膜电解槽结构及工作过程3D动画
1、离子交换膜电解槽的种类
电解槽都是由若干电解质单元组成,每个电解单元由阳极、离子交换膜与阴极组成。
按供电方式的不同,离子膜电解分为单极式和复极式两大类。
⑴单极式与复极式离子交换膜电解槽之间的比较
图3-2单极槽与复极槽之间的区别
单极槽
复极槽
单元槽并联,供电是高电流、低电压
单元槽串联,供电低电流、高电压,电流效率高
电解槽之间要有连接铜排,耗用铜量多,且有电压损失约30~50mV
电解槽之间有用连接铜排,一般用复合板或其他方式,电压损失约3~20mV
一台电解槽发生故障,可以单独停下检查,其余电解槽仍可继续运转
一台电解槽发生故障,需停下全部电解槽才能检修,影响生产
电解槽检修拆装比较繁琐,但每个电解槽可以轮流检修
电解槽检修拆装比较容易
电解槽厂房面积大
电解槽厂房面积小
电解槽的配件管件的数量较多
电解槽的配件管件的数量较少,但一般需要油压机构装置
设计电解槽时,可以根据电流的大小来增减单元槽的数量
单元槽的数量不能随意变动
讨论:
★您在化学实验实训过程,做过有关溶液电解的实验实训吗?
请举例说明。
⑵离子交换膜法单、复极电解槽电解生产烧碱的工艺比较
①离子交换膜单极槽电解生产烧碱工艺流程
1—盐水饱和槽;2—反应器;3—浮上澄清槽;4—过滤器;5—树脂塔;
6—电解槽;7—脱氯塔;8—整流器
图3—2旭硝子单极槽离子膜电解工艺流程简图
②离子交换膜复极槽电解生产烧碱工艺流程
1—饱和器;2—反应器;3—沉降器;4—盐水槽;5—盐水过滤器;
6—过滤后盐水槽;7—螯合树脂塔;8—阳极液循环槽;9—电解槽;10—阳极液气液分离器;
11—阴极液循环槽;12—阴极液气液分离器;13—脱氯塔;14—亚硫酸钠槽
图3-3旭化成复极槽离子膜电解工艺流程简图
2、复极式离子交换膜电解槽的工作过程
播放2D、3D动画
师生看视频,总结离子交换膜电解槽的基本结构及工作过程
①离子交换膜的种类
a全氟羧酸膜(Rf—COOH)
b全氟磺酸膜(Rf—SO3H)
c全氟羧酸/磺酸复合膜(Rf-COOH/Rf-SO3H)
全氟羧酸/全氟磺酸复合膜具有低电压和高电流效率的优点:
(Ⅰ)面向阴极室的全氟羧酸层虽薄,但电流效率高。
(Ⅱ)面向阳极室的全氟磺酸膜虽厚,但电压低。
(Ⅲ)阳极液中可加盐酸,能在较低的PH值下生产,因此氯中含氧可以<0.5%
②氯碱生产工艺对离子膜性能的要求
a电解时,阳极侧是强氧化剂氯气、次氯酸要根及酸性溶液。
阴极侧是高浓度NaOH,电解温度为85~90℃。
b具有较好的膜电阻,以降低电解能耗。
c具有很高的离子选择透过性。
离子膜只能允许阳离子通过,不允许阴离子OH-及Cl-通过,否则会影响碱液的质量及氯气的纯度。
③离子交换膜实现离子交换的过程
磺酸型阳离子交换膜的化学结构简式:
图3-9离子交换膜电解制
氢氧化钠和氯气的原理图
图3-8离子交换膜示意图
电极反应式:
a阳极反应
2Cl--2e→Cl2↑
4OH--4e→O2↑+2H2O
6ClO-+3H2O-6e→2ClO3-+4Cl-+6H++
O2
b阴极反应
2H2O+2e→H2↑+2OH-
c溶液中的反应(阳极室内)
(Ⅰ)生成的氯气在电解液中(阳极液)的物理溶解。
Cl2(g)→Cl2(aq)
(Ⅱ)生成的氯气与从阴极室反渗过来的氢氧化钠的反应
Cl2+2NaOH→
NaClO3+
NaCl+H2O
Cl2+2NaOH→
O2+2NaCl+H2O
HClO+NaOH→
O2+NaCl+H2O
3、BiTAC
-859复极式离子膜电解槽生产烧碱的工艺流程
⑴电解精制盐水生产烧碱的工艺流程
图3-10电解精制盐水生产烧碱的工艺流程图
(二)盐水脱氯系统工艺流程
1、盐水脱氯系统工艺流程
图3-11淡盐水脱氯系统工艺流程图
2、精制盐水电解生产工艺控制指标
表3-15精制盐水电解电生产工艺控制指标
序号
取样点
分析项目
范围
1
进槽二次精制盐水
NaClO3(g/l)
≤15
Ca2++Mg2+(PPb)
≤20
Sr2+(PPb)
≤100
Ba2+(PPb)
≤100
SiO2(PPm)
≤10
Fe2+(PPb)
≤100
SS(PPm)
≤1
2
淡盐水泵出口淡盐水
NaCl(g/l)
190~210
pH值
1.5~3.0
NaClO3(g/l)
<20
AV-Cl2(g/l)
0.3~3
Ni
——
3
各电槽出口淡盐水
NaCl(g/l)
190~210
NaClO3(g/l)
<20
pH值
4±1
温度(℃)
80~90
AV-Cl2(g/l)
1~3
NaSO4(g/l)
≤3
序号
取样点
分析项目
范围
4
电槽进料碱液总管
NaOH浓度(%)
(30±2)
NaCl/NaOH(PPm)
<40
NaClO3/NaOH(PPm)
<15
Fe2O3/NaOH(PPm)
<0.1
温度(℃)
78~90
流量(m3/h)
(26±2)
5
碱循环泵出口成品烧碱
NaOH浓度
≥32%
NaCl/NaOH(PPm)
≤40
NaClO3/NaOH(PPm)
≤20
Fe2O3/NaOH(PPm)
≤0.3
6
单槽出口碱液
NaOH浓度(%)
(32±0.5)
NaCl/NaOH(PPm)
≤40
NaClO3/NaOH(PPm)
≤20
7
总管Cl2
Cl2(%)
≥98
O2/Cl2(%)
≤1.5(新膜)
H2/Cl2(%)
≤0.2
氯气压力(mmH2O)
-80~40
8
单槽Cl2
Cl2(%)
≥98
O2/Cl2(%)
≤1.5(新膜)
H2/Cl2(%)
≤0.2
9
总管H2
H2(%)
>98
O2/H2(%)
<0.1
N2/H2(%)
<0.1
氢气压力(mmH2O)
130~430
10
脱氯盐水泵出口淡盐水
pH值
8~10.5
游离氯(mv)
<500
pH值
pH8~0.3g/L
游离氯
0
11
脱氯塔
压力(kPa)
≤-55
液位(%)
30~80
12
亚硫酸钠高位槽
液位(%)
20~80
13
再生氯气冷却器
出口温度(℃)
≤50
14
高纯水罐
液位(%)
30~80
3、精制盐水电解任务生产过程异常现象原因分析及处理方法
表3-15精制盐水电解生产过程异常现象原因分析及处理方法
异常现象及原因分析
处理措施
A-1.槽电压偏高
1
低于允许的电槽温度:
(开车时的允许温度为70~75℃;正常操作时的最佳温度为81~88℃;后续开车时的允许温度为65~75℃)
通过安装阳极液罐和阴极液罐内的加热元件升高电槽温度
异常现象及原因分析
处理措施
2
阳极液pH值小于2
切断电路
3
阳极液浓度低于180g/L
切断电路
检查纯盐水供应
检查进料盐水管是否堵塞
增加纯盐水供应
4
进料盐水管堵塞或进料盐水出现故障
现场检查盐水溢流情况
立即切断电路
如果需要,更换离子膜
如果需要,更换进料管
5
NaOH浓度比目标值高
检查循环碱液的流量
增加稀释用的软水
6
循环碱液进料故障
切断电路
恢复碱液循环系统
7
超过允许的差压
切断电路
检修气体控制系统
检查管路中的气体冷凝口
8
盐水杂质含量超标
切断电路
恢复盐水纯度
9
电解槽安装和储存不当:
离子膜出现褶皱
如果严重则更换离子膜
离子膜正装反
更换离子膜
铜排连接的扭矩不充分
用足够大的扭矩再次固定铜排
离子膜干燥
如果严重则更换离子膜
10
电极过电压高
重新激活或更换电极
检查的L&M征兆
11
监测槽电压的电缆线接触不良
重新连接电缆线
磨光接触面
12
电压监测系统指示有误
恢复电压监测系统
A-2.低压
1
离子膜出现针孔或被撕裂
切断电路
如果严重则更换离子膜
B.电流效率低
1
碱液浓度超标
调节为合适的软水流量
2
电流密度超标
调节电流负荷
3
盐水杂质含量超标
切断电路
恢复盐水纯度
4
离子膜机械损坏如针孔或水泡,参见现象“F”
如果严重则更换离子膜
5
离子膜使用寿命终结
更换离子膜
6
DCS指示有误
恢复DCS
C.氯气中含氧量高
1
阳极涂层性能恶化
更换阳极涂层
异常现象及原因分析
处理措施
2
电流效率低
如果严重则更换离子膜
3
Cl2密封罐中密封水量水足
添加密封水
4
空气从接头、阀门等处泄漏进入Cl2管线
如果严重则更换离子膜
5
离子膜使用寿命终结
更换离子膜
6
离子膜出现针孔,若各单元槽的Cl2取样口的O2/Cl2为:
·小于3vol%
正常
·3~5vol%
异常,继续分析O2/Cl2,准备更换离子膜
·大于5vol%
切断电路,更换离子膜
D.碱液中氯含量高
1
电流密度低
如果必要增加电流密度
2
电解槽温度高
用阴极液换热器冷却电解槽
3
阳极液中NaCl浓度低
如果低于180g/l,停止电路
增加进料盐水供应
4
阳极液中NaOH浓度低
降低稀释用的软水
5
输入阴极液的软水中氯含量高
提高软水纯度
6
离子膜机械损坏如出现针孔
如果严重则更换离子膜
E.碱液中氯化物含量高
1
阳极液中氯化物含量高
检查氯化物分解系统
恢复阳极液中适当的氯化物含量
参见现象B
F.离子膜机械损伤
1
拧紧拉杆的扭矩不足
更换损坏的离子膜
·拉杆过紧
·电解槽安装不当
2
离子膜预处理和安装期间由于不当拉伸而引起褶皱或折叠
更换损坏的离子膜
3
操作时由于气压波动而引起离子膜出现孔洞或撕裂
更换损坏的离子膜
G.电解液泄漏
1
拧紧拉杆的扭矩不足
以正确扭矩再次拧紧拉杆
2
垫片老化
切断电路,更换损坏的离子膜
3
离子膜沿着垫片撕裂
切断电路,更换损坏的离子膜和垫片
4
硅润滑油涂抹不当
如果严重,切断电路并重新涂抹润滑油
H.氯气中含氢量高
1
离子膜出现针孔或撕裂
更换阳极涂层
各单元槽Cl2取样口的H2/Cl2为:
·小于0.1vol%
正常
·0.1~0.2vol%
异常,继续分析H2/Cl2,准备更换离子膜
·大于0.2vol%
立即切断电路并更换离子膜
2
H2压力极高
切断电路
检查压力控制仪和H2密封罐的密封深度
异常现象及原因分析
处理措施
I.阳极液中NaCl浓度低
1
进料盐水流量低
增加进料盐水流量
2
进料盐水泵故障
切断电路,检修损坏的泵
3
流量控制计或流量指示仪故障
切断电路处理问题
4
管线在阀门,流量表,进料管,管道混合器和过滤器处出现堵塞
切断电路,清理管线堵塞处
清理循环盐水过滤器和阳极液槽
5
循环盐水总管中通过的进料盐水偏少
关闭电槽排液管上的阀门
6
阳极液中NaCl浓度低
检查盐水循环
J.阴极液中NaOH浓度高
1
软水流量低
增加软水流量
2
碱液循环泵故障
切断电路,检修损坏的泵
3
流量控制计或流量指示仪故障
切断电路处理问题
4
管道的阀门,流量计,进料管,管道混合器和滤网处出现堵塞
切断电路,清理管线堵塞处
清理循环碱液滤网和阴极液罐
K.接地线杂散电流高
1
由于工具或金属材料等导体造成铜排接地故障
切断电路
检查接地故障部分并进行修复
2
槽电压不平衡
注意金属管线和设备的电化腐蚀,如果严重则更换离子膜
L.阴极电位高
1
阴极涂层使用寿命终结
如果严重则更换阴极涂层
2
阴极涂层表面有异物
检查NaOH和软水中的Fe含量
降低软水中的Fe含量
检查衬橡胶管线是否正常
3
碱液中次氯酸盐的含量高于0.1ppm
检查离子膜是否有针孔及软水的质量
M.阳极电位高
1
阳极涂层使用寿命终结
如果严重则更换阴极涂层
2
阳极涂层表面有异物
检查进料盐水中的Fe,Ba,TOC的含量
恢复进料盐水的纯度
3
阳极液pH值高引起性能恶化
检查盐水pH值控制系统
更换损坏的离子膜
N.盐水进料管堵塞
1
管道或设备材料的腐蚀(如橡胶管道、氯化塑料等)
切断电路
除去杂质
年度维修时清除阳极液罐中的杂质
2
氯化材料如垫片、管道衬胶、管道材料等
切断电路
除去杂技
年度维修时清除阳极液罐中的杂质
3
盐水pH值小于5,导致过量的絮凝剂(聚丙烯酸钠)沉淀
切断电路
检查盐水pH值控制系统
升高盐水pH值大于6
控制絮凝剂过量大于1~3mg/L
异常现象及原因分析
处理措施
O.极化电压低
1
离子膜针孔
如果槽电压比相邻单元低30mV以下
开车前检查各单元槽溢流盐水的pH值(小于12可以)
开车前检查各单元槽溢流盐水的碱含量(小于3g/L可以)
检查电流为3kA时溢流液是否变黄
定期分析Cl2中的O2和H2含量
2
阳极和阴极之间形成外部短路
检查两侧吊耳螺栓是否未取下
冲洗外部结晶
检查是否有杂质形成外部短路
3
阳极和阴极之间形成外部短路
进行离子膜的更换
4
极化电流低
提高极化电流
P.电压偏低正常值的报警
1
盐水不足或中断
检查现场溢流情况
立即切断电路
如果必要的话更换离子膜
Q.电解液从单元槽底部溢水口流出
1
镍板或钛板上有裂缝或孔洞
立即切断电路
如果必要的话更换离子膜
R.电槽外部有电火花
1
盐水中断导致电介质击穿而使垫片断裂
立即切断电路
如果必要的话,更换单元槽和离子膜
S.爆炸声
1
盐水中断
立即切断电路
如果必要的话,更换单元槽和离子膜
T.氧化还原电位高
1
淡盐水pH值高于2.5
见现象B
2
脱氯盐水pH值低于8
见现象C
3
AIA-1604探测器显示错误
手动分析检查NaClO的浓度
如果必要的话,更新或清净探测器
见用法说明书
U.淡盐水pH值高
1
HCl流入量不足
增加HCl流入量
2
AIA-1604探测器显示错误
检测HCl浓度
检测稀释水的流量
手动分析pH值
如果必要的话,更新或清理探测器
见用法说明书
V.脱氯盐水的pH值低
1
32%烧碱流入量不足
增加烧碱流入量
检测32%烧碱的浓度
2
AIA-1604探测器显示错误
手动分析pH值
检查哪个探测器显示错误
如果必要的话,更新或清理探测器
W.NaSO3流入量不足
1
流入率低
增加NaSO3流入率
检测NaSO3浓度(10%)
2
P-1603A/B不能运行
转换用备用泵
3
V-1602的NaSO3
其次充入NaSO3到V-1602
4、精制盐水电解生产任务岗位操作原始记录
见教材表3-16所示。
5、精制盐水电解生产岗位安全生产要领及劳动防保
⑴防火防爆注意事项
⑵防毒注意事项
⑶防化学灼伤注意事项
⑷防触电事项
⑸其它注意事项
边学边练岗位操作技能训练题
⑴试叙述离子膜法制烧碱比隔膜法、水银法制烧碱有哪些优越性?
⑵氯碱工业对原盐质量有何要求?
在电解盐水制烧碱的过程中,原盐为什么要精制?
⑶简述一次精制盐水生产可分为那几个主要步骤?
影响盐水浓度的因素有哪些?
⑷简述NaOH、Cl2和H2各有那些基本性质?
⑸写出食盐溶液电解制烧碱的主要化学方程式。
⑹在工业生产中,愈降低电能消耗可以从哪几个方面采取措施?
⑺离子膜法氯碱生产工艺对离子膜性能方面有哪些要求?
⑻常用的离子膜有哪几种?
试比较它们的特点。
⑼简述螯合树脂塔再生的基本原理。
五、任务检查
对照工作标准的项目,由个人先自行检查自己完成的任务情况后,然后实行小组成员互查,由组长和老师共同讨论给小组
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- 工作任务 电子 教案 31 精盐 水电
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