化工工艺学第四章纯碱和烧碱..ppt

4.2 烧碱(Manufacture of caustic soda by electrolysis) 《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱 烧碱，氢氧化钠，NaOH，分子量39.998。又称苛性钠、火碱，是一种脆的白色半透明结晶状固体，物理性质如右表。自然界中不存在氢氧化钠，但制造原料易得，用途广泛。 NaOH易溶于水，见下表： 温度，℃ 10 18 30 40 53 64 NaOH% 49.8 51.0 53.3 55.4 59.7 69.0 为了便于贮存和长途运输，氢氧化钠通常被加工成无水状态的整块固体、片状或珠状，但使用的多为不同浓度的溶液。 4.2.1 概述 《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱 生产氢氧化钠通常用电解法(NaCl为原料)、苛化法(Na2CO3为原料)。 ①电解法：电解NaCl水溶液可制氯(Cl2)、氢(H2)和氢氧化钠(NaOH)等化合物，其主要工艺有隔膜法、离子交换法、水银法(已淘汰)。其中隔膜法：以石墨或金属为阳极，铁为阴极。两极间用隔膜将溶液分开。离子交换膜法：实质上也是一种隔膜法。用有选择性的离子交换膜来分隔阳极和阴极。这种离子交换膜是一种半透膜，只允许钠离子和水通过。 ②苛化法：氯碱工业的发展，联产烧碱增长迅速，单纯制造烧碱的苛化法逐渐萎缩。苛化法反应式如下： 4.2.2 电解制碱原理 《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱 4.2.2.1 法拉第定律 1834年，英国科学家米歇尔.法拉第(Michael Faraday)对电流的起源解释为由于在两个电极上进行化学反应，如右图。 化学反应的自由能变化(△G/J.mol-1)与电池的电势(E/V)之间有如下关系： F — 法拉第常数，n — 当量电子数。法拉第常数为电荷单位，其值如下： 通过1F电量可析出1mol物质。 4.2.2.2 主要电极反应 《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱 电解反应是电池反应的逆过程，电解NaCl水溶液制备氢氧化钠(NaOH)是消耗电能的，主要电极反应式如下： 失去电子(氧化，阳极)的正极反应： 得到电子(还原，阴极)的负极反应： Na+和H2O可以透过分隔膜，在阴极区(富OH-区)的离子反应： 总反应为： 4.2.2.3 理论分解电压 《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱 电解反应，要使指定物质在电极上析出，必须外加电压，此电压理论上为等于或微大于该物质的电极电位。 标准电极电位(V)： 能斯特公式 《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱 可逆平衡电极的电位由能斯特(Nernst)公式、可逆化学反应的能斯特(Nernst)公式计算： 对于电解食盐水的化学反应电动势计算如上。查出标准电极电位后，可由实际浓度下相应活度系数计算出常温下的电动势。 在25℃时，Cl2压力0.1MPa，饱和NaCl浓度5mol/L计，活度系数0.71，析Cl2反应的电位+1.36；饱和NaOH浓度2.5mol/L，活度系数0.80，OH-析氢反应的电位为-0.828；则理论分解电压为： 4.2.2.4 过电位 《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱 实际分解时，由于过电位的存在使实际分解电压比可逆分解电压要高： 过电位与很多因素有关：析出物的种类、电极的材料、电极的表面状况、电解温度、电流密度等等。 电解槽设计中，除电压外，电流密度是一个重要指标，它的确定与电解质溶液的电导率有关。金属的电导率随温度升高而降低，但电解质溶液电导率随温度升高而增加。 氢在铁上的过电位 4.2.2.5 槽电压和电能效率 《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱 槽电压就是加在电解槽上能进行电解操作的实际电压： 式中I、R为通过电解池溶液、电极、导线、结点的电流和电阻，即I·R为线路消耗。电能效率(η)为生产1吨NaOH所消耗的理论电能和实际电能的百分比，包括电压效率(ηE)和电流效率(ηI) 两部分，其中ηI主要指电极副反应消耗的电流，一般为实验数据或估计。 4.2.3 隔膜法电解 《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱 － H2 ＋ Cl2 电解液 食盐水 OH- HClO 4.2.3.1 隔膜法电解原理 现在通常用立式电解槽，其结构如右图所示。食盐水进入阳极区，在阳极上析出Cl2，钠离子通过隔膜进入进入阴极区与OH－生成NaOH，阴极