Презентация - Электрохимические производства

Электрохимические производства
Электрожизнь везде кипит, По венам ток один бежит…

Электрохимические производства
Производство натрия Производство NaOH, Cl2, H2 Производство алюминия Производство Н2

Производство натрия
История Электролитический способ промышленного получения натрия был разработан в 1890 г. Электролизу подвергали расплав NaOH. В этом процессе наряду с натрием выделяется кислород: катод (железный): Na+ + ē = Na анод (никелевый): 4OH⎺ – 4ē = O2 + 2H2O. Сырье Хлорид натрия с добавками, понижающими температуру расплава. При электролизе чистого NaCl возникают серьезные проблемы, связанные, во-первых, с близкими температурой плавления NaCl и температурой кипения натрия и, во-вторых, с высокой растворимостью натрия в жидком NaCl. Добавление к NaCl хлорида калия, фторида натрия, хлорида кальция позволяет снизить температуру расплава до 600°С.

Производство натрия
Производство натрия электролизом расплавленной эвтектической смеси (сплав двух веществ с самой низкой температурой плавления) 40% NaCl и 60% CaCl2 при ~580°С в ячейке, разработанной американским инженером Г.Даунсом, было начато в 1921 Дюпоном вблизи электростанции у Ниагарского водопада. Производство Суммарная реакция: 2NaCl + СаCl2 = 2Na + Ca + 2Cl2 На электродах протекают следующие процессы: катод (железный): Na+ + ē = Na, Ca2+ + 2ē = Ca анод (графитовый): 2Cl⎺ – 2ē = Cl2. Металлические натрий и кальций образуются на цилиндрическом стальном катоде и поднимаются с помощью охлаждаемой трубки, в которой кальций затвердевает и падает обратно в расплав. Хлор, образующийся на центральном графитовом аноде, собирается под никелевым сводом и затем очищается.

ПРОИЗВОДСТВО НАТРИЯ
Мировой объем производства металлического натрия составляет несколько тысяч тонн в год

ПРОИЗВОДСТВО НАТРИЯ

Производство натрия
Применение Промышленное использование металлического натрия связано с его сильными восстановительными свойствами. Долгое время большая часть производимого металла использовалась для получения тетраэтилсвинца PbEt4 и тетраметилсвинца PbMe4 (антидетонаторов для бензина) реакцией алкилхлоридов со сплавом натрия и свинца при высоком давлении. Сейчас это производство быстро сокращается из-за загрязнения окружающей среды. Еще одна область применения – производство титана, циркония и других металлов восстановлением их хлоридов. Меньшие количества натрия используются для получения соединений, таких как гидрид, пероксид и алкоголяты. Диспергированный натрий является ценным катализатором при производстве резины и эластомеров.

Производство натрия
Растет применение расплавленного натрия в качестве теплообменной жидкости в ядерных реакторах на быстрых нейтронах. Низкая температура плавления натрия, низкая вязкость, малое сечение поглощения нейтронов в сочетании с чрезвычайно высокой теплоемкостью и теплопроводностью делает его (и его сплавы с калием) незаменимым материалом для этих целей. Натрием надежно очищают трансформаторные масла, эфиры и другие органические вещества от следов воды, а с помощью амальгамы натрия можно быстро определить содержание влаги во многих соединениях.

Производство гидроксида натрия
История Врач герцога Орлеанского Никола Леблан (Leblanc Nicolas) (1742–1806) в 1787 г. разработал удобный процесс получения гидроксида натрия из NaCl (патент 1791 г.). Этот первый крупномасштабный промышленный химический процесс стал крупным технологическим достижением в Европе в 19 в. Позднее процесс Леблана был вытеснен электролитическим процессом. В 1874 г. мировое производство гидроксида натрия составило 525 тыс. т, из которых 495 тыс. т были получены по способу Леблана; к 1902 производство гидроксида натрия достигло 1800 тыс. т., однако по способу Леблана были получены только 150 тыс. т. Сырье Хлорид натрия

Производство гидроксида натрия
Производство Сегодня гидроксид натрия – наиболее важная щелочь в промышленности. Ежегодное производство только в США превышает 10 млн. т. Ее получают в огромных количествах электролизом рассолов. При электролизе раствора хлорида натрия образуется гидроксид натрия и выделяется хлор: катод (железный) 2H2O + 2ē = H2 + 2OH⎺ анод (графитовый) 2Cl⎺ – 2ē = Cl2 Электролиз сопровождается концентрированием щелочи в огромных выпаривателях. Самый большой в мире (на заводе PPG Inductries' Lake Charles) имеет высоту 41 м и диаметр 12 м.

Производство гидроксида натрия
Технологическая схема электролиза хлорида натрия с твёрдым катодом Диафрагменный метод. Полость электролизёра с твёрдым катодом разделена пористой перегородкой – диафрагмой – на катодное и анодное пространство, где соответственно размещены катод и анод электролизёра. Поэтому такой электролизёр часто называют диафрагменным, а метод получения – диафрагменным электролизом. В анодное пространство диафрагменного электролизёра непрерывно поступает поток насыщенного анолита. В результате электрохимического процесса на аноде за счет разложения галита выделяется хлор, а на катоде за счет разложения воды – водород. Хлор и водород выводятся из электролизёра раздельно, не смешиваясь: 2Cl⎺ − 2ē = Сl02, H2O − 2ē − 1/2О2 = H2. При этом прикатодная зона обогащается гидроксидом натрия.

Производство гидроксида натрия
Технологическая схема электролиза хлорида натрия с твёрдым катодом Раствор из прикатодной зоны, называемый электролитическим щёлоком, содержащий неразложившийся анолит и гидроксид натрия, непрерывно выводится из электролизёра. На следующей стадии электролитический щёлок упаривают и доводят содержание в нём NaOH до 42–50% в соответствии со стандартом. Галит и сульфат натрия при повышении концентрации гидроксида натрия выпадают в осадок. Раствор едкой щёлочи декантируют от осадка и передают в качестве готового продукта на склад или на стадию упаривания для получения твёрдого продукта, с последующим плавлением, чешуированием или грануляцией. Кристаллический галит (обратную соль) возвращают на электролиз, приготавливая из неё так называемый обратный рассол. Из него во избежание накапливания сульфата в растворах перед приготовлением обратного рассола извлекают сульфат.

Производство гидроксида натрия
Технологическая схема электролиза хлорида натрия с твёрдым катодом Убыль анолита возмещают добавкой свежего рассола, получаемого подземным выщелачиванием соляных пластов или растворением твёрдого галита. Свежий рассол перед смешиванием его с обратным рассолом очищают от механических взвесей и значительной части ионов кальция и магния. Полученный хлор отделяется от паров воды, компримируется и подаётся либо на производство хлорсодержащих продуктов, либо на сжижение.

Производство гидроксида натрия

Производство гидроксида натрия
Мембранный метод – аналогичен диафрагменному, но анодное и катодное пространства разделены катионообменной мембраной. Мембранный электролиз обеспечивает получение наиболее чистого каустика.

Производство гидроксида натрия
Технологическая схема ртутного электролиза. Основная технологическая стадия – электролиз, основной аппарат – электролитическая ванна, которая состоит из электролизёра, разлагателя и ртутного насоса, объединенных между собой коммуникациями. В электролитической ванне под действием ртутного насоса циркулирует ртуть, проходя через электролизёр и разлагатель. Катодом электролизёра служит поток ртути. Аноды – графитовые или малоизнашивающиеся. Вместе с ртутью через электролизёр непрерывно течёт поток анолита – раствор галита. В результате электрохимического разложения галита на аноде образуются ионы Сl⎺ и выделяется хлор: 2Cl⎺ – 2ē = Сl02, который отводится из электролизёра, а на ртутном катоде образуется слабый раствор натрия в ртути, так называемая амальгама: Na+ + ē = Na0 nNa+ + nНg⎺ = Na + Hg

Производство гидроксида натрия
Технологическая схема ртутного электролиза. Амальгама непрерывно перетекает из электролизёра в разлагатель. В разлагатель также непрерывно подаётся хорошо очищенная от примесей вода. В нем амальгама натрия в результате самопроизвольного электрохимического процесса почти полностью разлагается водой с образованием ртути, раствора каустика и водорода: Na + Hg + Н2О = NaOH + 1/2Н2 + Hg Полученный таким образом раствор каустика, являющийся товарным продуктом, не содержит примеси галита. Ртуть почти полностью освобождается от амальгамы натрия и возвращается в электролизер. Водород отводится на очистку. Анолит, выходящий из электролизера, донасыщают свежим галитом, извлекают из него примеси, внесенные с ним, а также вымываемые из анодов и конструкционных материалов, и возвращают на электролиз. Перед донасыщением из анолита извлекают двух- или трёхступенчатым процессом растворённый в нём хлор.

Производство гидроксида натрия
Применение Около половины производимого гидроксида натрия используется непосредственно в химической промышленности для получения различных органических и неорганических веществ: фенола, резорцина, -нафтола, солей натрия (гипохлорита, фосфата, сульфида, алюминатов). Кроме того, гидроксид натрия применяется в производстве бумаги и пульпы, мыла и моющих средств, масел, текстиля. Он необходим и при переработке бокситов. Важной областью применения гидроксида натрия является нейтрализация кислот.

Производство алюминия
История В 1854 г. А.Девиль изобрел первый практический способ промышленного производства алюминия. Рост производства был особенно быстрым во время и после Второй мировой войны. Производство первичного алюминия (без учета производства Советского Союза) составляло только 620 тыс. т в 1939, но возросло до1,9 млн. т в 1943. К 1956 во всем мире производилось 3,4 млн. т первичного алюминия; в 1965 мировое производство алюминия составило 5,4 млн. т, в 1980 – 16,1 млн. т, в 1990 – 18 млн. т. Производство алюминия включает три основные стадии: добыча и обогащение руды; получение из руды чистой окиси алюминия (глинозема); восстановление алюминия из окиси путем электролиза.

Производство алюминия
Добыча и обогащение руды Основная алюминиевая руда – бокситы – добывается главным образом в карьерах; крупнейшими производителями бокситов являются Австралия, Гвинея, Ямайка и Бразилия. Обычно слой руды взрывается для образования рабочей площадки на глубине до 20 м, а потом выбирается. Куски руды дробятся и сортируются с помощью грохотов и классификаторов. Дробленая руда далее обогащается, а пустая порода (хвосты) выбрасывается. На этой стадии процесса экономически выгодно использовать методы промывки и грохочения, использующие разность плотностей руды и пустой породы для отделения их друг от друга. Менее плотная пустая порода уносится промывочной водой, а концентрат оседает на дно обогатительной установки.

Производство алюминия
Процесс Байера. Процесс получения чистой окиси алюминия включает нагревание боксита с едким натром, фильтрование, осаждение гидроокиси алюминия и ее прокаливание для выделения чистого глинозема. На практике руда смешивается с нужным количеством горячего едкого натра в автоклаве из низкоуглеродистой стали, и смесь прокачивается через ряд стальных сосудов с паровой рубашкой. В сосудах поддерживается давление пара 1,4–3,5 МПа в течение времени от 40 мин до нескольких часов, пока не завершится переход окиси алюминия из боксита в раствор алюмината натрия в перегретой жидкости. После охлаждения твердый осадок отделяется от жидкости. Жидкость фильтруется; в результате получается пересыщенный чистый раствор алюмината. Этот раствор метастабилен: алюминат-ион разлагается с образованием гидроокиси алюминия.

Производство алюминия
Процесс Байера Добавление в раствор кристаллической гидроокиси алюминия, остающейся от предыдущего цикла, ускоряет разложение. Сухие кристаллы гидроокиси алюминия затем прокаливаются для отделения воды. Получающийся безводный глинозем пригоден для использования в процессе Холла-Эру. По экономическим соображениям в промышленности эти процессы стремятся делать по возможности непрерывными.

Производство алюминия
Электролиз Холла-Эру Заключительная стадия производства алюминия включает его электролитическое восстановление из чистой окиси алюминия, полученной в процессе Байера. Этот способ извлечения алюминия основывается на том (открытом Холлом и Эру) факте, что когда глинозем растворяется в расплавленном криолите, при электролизе раствора выделяется алюминий. Типичный электролизер Холла-Эру представляет собой ванну с расплавленным криолитом 3NaFAlF3 (Na3AlF6) – двойным фторидом натрия и алюминия, в котором растворено 3–5% глинозема, – плавающим на подушке из расплавленного алюминия. Стальные шины, проходящие через подину из углеродистых плит, используются для подачи напряжения на катод, а подвешенные угольные бруски, погруженные в расплавленный криолит, служат анодами.

Производство алюминия
Рабочая температура процесса близка к 950°С, что значительно выше температуры плавления алюминия. Температура в электролизной ванне регулируется изменением зазора между анодами и катодным металлоприемником, на который осаждается расплавленный алюминий. Для поддержания оптимальной температуры и концентрации глинозема в современных электролизерах применяются сложные системы управления. На производство алюминия расходуется очень много электроэнергии, поэтому энергетический КПД процесса – главная проблема в алюминиевой промышленности. Электродные реакции представляют собой восстановление алюминия из его окиси и окисление углерода до его окиси и двуокиси на анодах. Одна печь дает до 2,2 т алюминия в сутки. Металл сливается раз в сутки (или реже), потом флюсуется и дегазируется в отражательной копильной печи и разливается по формам.

Производство алюминия
Возобновляемые электроды Содерберга В электролизере Холла-Эру угольные аноды расходуются со скоростью 2,5 см/сут, так что часто требуется установка новых анодов. Чтобы исключить частое вмешательство человека в производство, был разработан процесс с использованием возобновляемого электрода Содерберга. Анод Содерберга непрерывно образуется и спекается в восстановительной камере из пасты – смеси 70% молотого кокса и 30% смоляной связки. Эта смесь набивается в прямоугольную оболочку из листовой стали, открытую с обоих концов и расположенную вертикально над ванной с расплавом внутри печи. По мере расходования анода в верхнее отверстие оболочки добавляется паста. Когда коксосмоляная смесь опускается вниз и нагревается, она спекается в твердый углеродистый брусок прежде, чем достигает рабочей зоны.

Производство алюминия

Производство алюминия
АЛЮМИНИЕВЫЙ ЗАВОД в Инвергордоне (Шотландия)

Производство алюминия
Потребление алюминия Около 28% производимого алюминия идет на изготовление банок для напитков, пищевой тары и всевозможных упаковок. Еще 17% используется в транспортных средствах, включая самолеты, военную технику, железнодорожные пассажирские вагоны и автомобили. Около 16% применяется в конструкциях зданий. Примерно 8% используется в высоковольтных линиях электропередачи и других электрических устройствах, 7% – в таких потребительских товарах, как холодильники, кондиционеры воздуха, стиральные машины и мебель. На нужды машиностроения и промышленное оборудование расходуется 6%. Остающаяся часть потребляемого алюминия используется в производстве телевизионных антенн, пигментов и красок, космических кораблей и судов.

Производство водорода
Производство водорода Промышленное производство водорода – неотъемлемая часть водородной энергетики, первое звено в жизненном цикле употребления водорода. Водород практически не встречается в природе в чистой форме и должен быть извлечён из других соединений с помощью различных химических методов. Электролиз воды – энергоёмкий процесс, и в настоящее время процесс получения водорода электролизом в промышленных масштабах имеет ограниченное применение.

Производство водорода

Производство водорода
Производство водорода Промышленное производство водорода — неотъемлемая часть водородной энергетики, первое звено в жизненном цикле употребления водорода. Водород практически не встречается в природе в чистой форме и должен быть извлечён из других соединений с помощью различных химических методов.