В результате электролиза раствора соли получают хлор и каустик. Чаще всего используют хлорид натрия (NaCl), электролиз которого дает каустическую соду (NaOH). Однако используют также хлорид калия (KCl) и получают едкий калий (KOH).
соль + вода -> хлор (газ) + каустик + водород (газ)
В настоящее время диафрагменный процесс наиболее широко используют для коммерческого производства хлора, за ним следует ртутный электролиз, а затем мембранный процесс. Однако для новых производственных мощностей предпочитают использовать мембранный процесс, поскольку он более экономичен, более безопасен для окружающей среды и дает возможность получить конечный продукт более высокого качества.
Процесс получения хлора с использованием диафрагменного электролизера
Солевой рассол подают в специальную камеру диафрагменного электролизера (см. рис. 77.4), в данной камере установлен титановый анод с покрытием из солей рутения и других металлов. У верхней пластиковой стенки электролизера скапливается тепло и влажный газообразный хлор, получаемый на аноде. С помощью всасывающего насоса хлор подают в коллектор для дальнейшей обработки, состоящей из процесса охлаждения, сушки и сжатия газа. Воду и не вступивший в реакцию рассол отводят через пористый диафрагменный сепаратор в камеру, где расположен катод и где в результате взаимодействия воды и стального катода образуется гидрохлорид натрия (каустическая сода) и водород. Диафрагма разделяет хлор, полученный в анодной камере, и гидрохлорид натрия, полученный на катоде. Эти два вещества, вступая в соединение, образуют хлорную известь или хлорат натрия. В коммерческом производстве хлората натрия используют электролизеры без разделительной диафрагмы. Чаще всего диафрагму изготавливают из асбеста и фторполимера. На современных предприятиях, использующих диафрагменные электролизеры, полностью исчезли проблемы, связанные с гигиеной труда и защитой окружающей среды, типичные для предприятий, использующих асбестовые диафрагмы. На некоторых заводах полностью исключили асбест из состава исходного материала для изготовления диафрагм, уже налажено коммерческое производство таких диафрагм. При производстве хлора в диафрагменных электролизерах слабый раствор гидроокиси натрия содержит не вступившую в реакцию соль. Следовательно, для получения каустической соды нужной концентрации требуется дополнительный процесс выпаривания и удаление большей части соли, чтобы получить каустическую соду стандартного качества.
--------------------------------------------------------------------------------
Рис. 77.4 Виды процессов
--------------------------------------------------------------------------------
Производство хлора в ртутных электролизерах
Ртутный электролизер состоит из двух электролитических камер. В первой камере на аноде протекает следующая реакция:
хлор -> хлор + электроны
В первой камере на катоде протекает следующая реакция:
Ион натрия + ртуть + электроны -> амальгама натрия
Рассол затекает по стальному наклонному желобу, покрытому по бокам резиной (см. рис. 77.4). Ртуть, являющаяся катодом, протекает под рассолом. Титановые аноды с покрытием подвешены в рассоле для получения хлора, который из электролизной камеры поступает в систему накопления и переработки. Натрий подвергается электролизу и амальгамируется ртутью в первой электролизной камере. Амальгама направляется во вторую электрохимическую камеру, называемую разлагателем амальгамы. Разлагатель амальгамы - это электролизер с графитовым катодом и амальгамой в качестве анода.
В разлагателе амальгамы происходит следующая реакция:
С помощью ртутного электролизера производят коммерческую (с концентрацией до 50%) каустическую соду (NaOH) непосредственно на выходе из электролизера.
Процесс производства хлора в мембранном электролизере
В мембранном электролизере протекают те же химические реакции, что и в диафрагменном электролизере. Вместо пористой диафрагмы используют катионную мембрану (см. рис. 77.4). Мембрана препятствует проникновению ионов хлора в католит, за счет чего непосредственно в электролизере можно получить каустическую соду почти без соли, концентрацией от 30 до 35%. Поскольку исчезает необходимость отделять соль, выпаривание обеспечивает получение 50%-ной коммерческой каустической соды значительно проще и при меньших капиталовложениях и энергозатратах. Поскольку каустическая сода в мембранном процессе значительно большей концентрации, то в качестве катода используют дорогостоящий никель.
Меры безопасности и опасность для здоровья
При обычных температурах сухой хлор, жидкий или газообразный, не оказывает коррозийного воздействия на сталь. Влажный хлор высоко коррозийный, поскольку образует соляную и хлорноватистую кислоты. Необходимо предпринять все меры предосторожности, чтобы сохранить хлор и оборудование для производства хлора сухими. Трубопроводы, клапаны и контейнеры должны быть закрыты, когда ими не пользуются, чтобы избежать попадания атмосферной влаги. Если смывать водой хлор, вытекший в результате утечки, это значительно ухудшит ситуацию.
С увеличением температуры объем жидкого хлора увеличивается. Необходимо предпринять все возможные меры, чтобы избежать гидростатического разрыва труб, сосудов, контейнеров и другого оборудования с жидким хлором.
Водород является побочным продуктом процесса производства хлора методом электролиза соляных растворов. В определенной концентрации хлор образует горючие и взрывчатые смеси с водородом, а его реакции с некоторыми органическими соединениями, .например углеводородами, спиртами и простыми эфирами, могут иметь взрывной экзотермический характер, если не контролируются соответствующим образом. Реакция хлора с водородом может начаться под воздействием прямых солнечных лучей и иных источников ультрафиолетового излучения, статического электричества или резкого удара.
Небольшие количества трихлорида азота, которые могут образоваться в процессе производства хлора, очень неустойчивы и обладают высокой взрывоопасностью. При испарении хлора, содержащего небольшое количество трихлорида азота, концентрация трихлорида азота может достичь опасной величины в оставшемся жидком хлоре.
В результате реакции хлора с рядом органических веществ, например маслом или смазкой, источниками которых могут быть воздушные компрессоры, клапаны, насосы и масляно-диафрагменные приборы, а также деревянные предметы и ветошь, используемые при техническом обслуживании оборудования, образуются взрывоопасные соединения.
При первых признаках утечки хлора необходимо немедленно предпринять соответствующие меры. Следует внимательно следить за утечками хлора из линий, аппаратов и контейнеров; необходимо иметь набор инструментов для аварийного ремонта, который должен выполняться опытным персоналом, снабженным соответствующими средствами защиты. Перед началом ремонта неисправные цистерны, трубопроводы и оборудование следует продувать сухим воздухом и изолировать от всех источников хлора. Наиболее опасные выбросы хлора обычно происходят из-за нарушения течения реакции, присущей данному процессу, или вследствие тех или иных нарушений в работе установки. Персонал не должен находиться на территориях с опасным для здоровья содержанием газа (10 частей на миллион (ppm)) без соответствующих средств защиты. Пострадавших следует немедленно эвакуировать из зараженной зоны.
Приборы, отслеживающие содержание хлора в воздухе, и приборы, указывающие направление ветра, обеспечивают своевременную информацию (например, для определения возможного маршрута эвакуации), помогающую определить, следует ли эвакуировать персонал или можно отвести его в укрытия на местах.
Ветер с зараженной зоны не должен попадать в зону эвакуации. Поскольку хлор тяжелее воздуха, то лучше подняться на более высокие участки. Чтобы выйти из зоны заражения, люди должны двигаться поперек направления ветра.
В укрытиях, расположенных внутри помещений, необходимо плотно закрыть все окна и двери и иные отверстия, выключить кондиционеры и системы забора воздуха. Персонал должен проходить в ту часть здания, которая максимально удалена от систем вывода воздуха из здания.
Необходимо следить за направлением ветра, поскольку даже безопасное место может вновь стать опасным в случае изменения направления ветра. Возможно также возникновение новых утечек или увеличение масштабов уже существующих.
В случае возникновения пожара необходимо удалить все контейнеры и оборудование из зоны огня. Нельзя использовать воду для ликвидации утечки. Хлор вступает с водой в реакцию, образуя кислоты.
Если оборудование и контейнеры нельзя удалить, их следует охлаждать. Если контейнер подвергся воздействию огня, его следует охладить и после того, как пожар утихнет, необходимо срочно связаться с поставщиками.
Поскольку гидрохлорид натрия обладает коррозийным действием, особенно в больших концентрациях, рабочие, которые могут подвергнуться непосредственному контакту, должны носить защитные перчатки, маски, защитные очки и использовать другие средства защиты.
Благодарность: мы благодарим др. Р.Г.Смерко, предоставившего в наше распоряжение литературные источники Института хлора, Инк.