Материал: Анализ метода плазмохимической конверсии HCl в Cl2

Анализ метода плазмохимической конверсии HCl в Cl2

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

ГОУВПО

"Ивановский государственный химико-технологическиий университет"

Кафедра ТП и МЭТ

Квалификационная работа бакалавра

Анализ метода плазмохимической конверсии HCl в Cl2

Студент гр. 4/10:

Филимонов В.Г.

Руководитель:

Ефремов А.М.

Иваново 2008

Аннотация

В данной работе рассмотрены основные лабораторные и промышленные методы получения хлора, определены достоинства и недостатки отдельных методов. Проведен анализ кинетики плазмохимических процессов, определены основные механизмы конверсии. Показана возможность получения хлора методом окислительной деструкции HCl в условиях плазмы. Подобраны оптимальные параметры проведения процесса.

Объем квалификационной работы бакалавра 44 страницы, включая 13 рисунков, 5 таблиц и список используемых источников из 9 наименований.

хлор плазма конверсия окислительный

Содержание

Введение

. Литературный обзор

.1 Применение хлора

.2 Методы получения хлора

.2.1 Лабораторные методы получения хлора

.2.2 Основы электролиза

.2.3 Устройство электролизера

.2.4 Промышленные способы получения хлора

.3 Плазма: основные понятия и свойства. Процессы, протекающие в плазме. Применение плазмы

Заключение

. Методическая часть

.1 Инструмент исследований

.2 Объект исследований

. Обсуждение результатов

.1 Анализ кинетики плазмохимических процессов в чистом HCl

.2 Анализ возможности получения хлора методом окислительной деструкции HCl в плазме смеси HCl+O2

Основные выводы по работе

Список используемой литературы

Введение

В наши дни хлор нашел широкое применение во многих отраслях хозяйства и промышленности. Он может применяться как в чистом виде так и в составе более сложных соединений. А так же использоваться на промежуточных стадиях производства каких-либо соединений. В промышленности хлор, главным образом, получают электролизом водного раствора NaCl. Электрохимическое получение хлора является одной из самых больших технологий в мире, однако она имеет существенных недостатка:

1.     В технологии используются вредные и опасные вещества;

2.      Колоссальные затраты электроэнергии.

Этот недостатки делают необходимимым разработку новой, альтернативной методики получения хлора.

В настоящее время одним из развивающихся направлений в науке являются плазмохимические технологии, которые имеют ряд преимуществ перед электрохимическими методами.

Целью настоящей работы являлось исследование возможности плазмохимической конверсии HCl в Cl2.

1. Литературный обзор

.1 Применение хлора

Хлор представляет собой зеленовато-желтый газ с резким раздражающим запахом, состоящий из двухатомных молекул.

При обычном давлении он затвердевает при -101°С и сжижается при -34°С.

Плотность газообразного хлора при нормальных условиях составляет 3,214 кг/м³, то есть он примерно в 2,5 раза тяжелее воздуха и вследствие этого скапливается в низких участках местности, подвалах, колодцах, тоннелях. Газ растворим в воде: в одном объеме воды растворяется около двух его объемов.

Образующийся желтоватый раствор часто называют хлорной водой. Химическая активность его очень велика - он образует соединения почти со всеми химическими элементами.

Поэтому применение его разнообразно.

Хлор применяют во многих отраслях промышленности, науки и бытовых нужд:

1.      В производстве поливинилхлорида, пластикатов, синтетического каучука, из которых изготавливают: изоляцию для проводов, оконный профиль, упаковочные материалы, одежду и обувь, линолеум и грампластинки, лаки, аппаратуру и пенопласты, игрушки, детали приборов, строительные материалы. Поливинилхлорид производят полимеризацией винилхлорида, который чаще всего получают, обрабатывая ацетилен хлористым водородом:

HC ≡ CH + HCl → CH2 = CHCl (1.1.1)

2.      Отбеливающие свойства хлора известны с давних времен, хотя не сам хлор "отбеливает", а атомарный кислород, который образуется при распаде хлорноватистой кислоты:

+ H2O → HCI + HCIO → 2HCI + O• (1.1.2)

Этот способ отбеливания тканей, бумаги, картона используется уже несколько веков.

3.      Производство хлорорганических инсектицидов - веществ, убивающих вредных для посевов насекомых, но безопасные для растений. На получение средств защиты растений расходуется значительная часть производимого хлора. Один из самых важных инсектицидов - гексахлорциклогексан (часто называемый гексахлораном). Это вещество впервые синтезировано еще в 1825 году Фарадеем, но практическое применение нашло только через 100 с лишним лет - в 30-х годах нашего столетия.

4.      Использовался как оружие массового поражения и в производстве других отравляющих веществ массового поражения: иприт, фосген. Иприт был впервые использован как оружие массового поражения в 1915 году немецкими войсками в бельгийском городке Ипр, отсюда и название - "иприт".

5.      Для обеззараживания воды (хлорирования) применяют хлор, двуокись хлора, хлорамин и хлорную известь. Наиболее распространённый способ обеззараживания питьевой воды основан на способности свободного хлора и его соединений угнетать ферментные системы микроорганизмов, катализирующие окислительно-восстановительные процессы.

.  В химическом производстве для производства соляной кислоты, хлорной извести, бертолетовой соли, хлоридов металлов, ядов, лекарств, удобрений.

7.      В металлургии для производства чистых металлов: титана, олова, тантала, ниобия.

8.      Как индикатор солнечных нейтрино в хлор-аргонных детекторах [1].

Более наглядно масштабы применения хлора представлены на рис. 1.1.1:

Рис. 1.1.1 Масштабы применения хлора

.2 Методы получения хлора

.2.1 Лабораторные методы получения хлора

В лабораторных условиях хлор получают действием различных окислителей на соляную кислоту, например:

МnО2 + 4НСl = МnСl2 + Сl2↑ + 2Н2О (1.2.1.1)

Еще более эффективно окисление проводится такими окислителями, как РbО2, КМnО4, КСlO3, К2Сr2О7 [2]. Или перманганатом калия на соляную кислоту [1]:

KMnO4 + 16HCl → 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2↑ +8H2O (1.2.1.2)

Так же хлор можно получить термическим разложением хлорида меди:

CuCl2 = 2CuCl + Cl2↑ (1.2.1.3)

Однако в промышленных масштабах хлор получают электрохимическим способом. В результате электролиза раствора соли получают хлор и каустическую соду. Чаще всего используют хлорид натрия NaCl, однакотакже можно применять хлорид калия KCl [3].

2NaCl + 2H2O = Cl2 ↑ + 2NaOH +H2 ↑ (1.2.1.4)

В основе электрохимической технологии лежит процесс электролиза водного раствора NaCl .

.2.2 Основы электролиза

Электролиз - совокупность электрохимических окислительно-восстановительных процессов, происходящих при прохождении электрического тока через электролит с погруженными в него электродами. На катоде катионы восстанавливаются в ионы более низкой степени окисления или в атомы, например:

Feі+ + e- = FeІ+ (1.2.2.1)

Сu‫І+ + 2е- = Сu (1.2.2.2)

Нейтральные молекулы могут участвовать в превращениях на катоде непосредственно или реагировать с продуктами катодного процесса, которые рассматриваются в этом случае как промежуточные вещества электролиза. На аноде происходит окисление ионов или молекул, поступающих из объема электролита или принадлежащих материалу анода; в последнем случае анод растворяется или окисляется. Например:

OH- + 4e- = 2H2O + O2 (1.2.2.3)+ + 3OH- +H2O = CrO42- + 5H+ + 3e- (1.2.2.4)

Электролиз включает два процесса: миграцию реагирующих частиц под действием электрического поля к поверхности электрода и переход заряда с частицы на электрод или с электрода на частицу. Миграция ионов определяется их подвижностью и числами переноса. Процесс переноса нескольких электрических зарядов осуществляется, как правило, в виде последовательности одноэлектронных реакций, то есть постадийно, с образованием промежуточных частиц (ионов или радикалов), которые иногда существуют некоторое время на электроде в адсорбированном состоянии.

Скорости электродных реакций зависят от состава и концентрации электролита, материала электродов, электродного потенциала, температуры, гидродинамических условий. Мерой скорости служит плотность тока - количество переносимых электрических зарядов через единицу площади поверхности электрода в единицу времени. Количество образующихся при электролизе продуктов определяется законами Фарадея [4]. Согласно 1-му закону, масса вещества т, прореагировавшего в процессе электролиза, прямо пропорциональна силе тока I и времени электролиза t, то есть количеству пропущенного электричества Q = I*t (предполагается, что I не зависит от t; в противном случае масса т пропорциональна t1∫t2J*dt, где t1 и t2 - моменты включения и выключения тока). Согласно 2-му закону, для разных электродных процессов при одинаковом количестве пропущенного электричества Q массы прореагировавших веществ относятся друг к другу так же, как эквиваленты химические этих веществ. Оба закона Фарадея объединяются одним уравнением:

=(1/F)*Q*M/z , (1.2.2.5)

где M - молярная масса вещества, участвующего в электролизе, z - число элементарных зарядов, соответствующее превращению одной молекулы этого вещества, 1/F - коэффициент пропорциональности, общий для всех веществ, F - постоянная Фарадея, равная 96484,56 Кл/моль [5].

Для выделения 1 грамм-эквивалента вещества на электроде необходимо количество электричества, равное 26,8 А* ч. Если на каждом из электродов одновременно образуется несколько продуктов в результате ряда электрохимических реакций, доля тока (в %), идущая на образование продукта одной из реакций, называется выходом данного продукта по току.

В электродном процессе участвуют вещества, требующие для переноса заряда наименьшего электрического потенциала. Это могут быть не те вещества, которые обуславливают перенос электричества в объеме раствора. Например, при электролизе водного раствора NaCl в миграции участвуют ионы Na+ и Сl-, однако на твердых катодах ионы Na+ не разряжаются, а протекает энергетически более выгодный процесс разряда протонированных молекул воды [4]:

Н3О+ + е- = 1/2H2 + Н2О (1.2.2.6)

В промышленности процесс электролиза проводится в специальных аппаратах - электролизерах.

1.2.3 Устройство электролизера

Конструкция промышленных аппаратов для проведения электролитических процессов определяется характером процесса. В гидрометаллургии и гальванотехнике используют преимущественно так называемые ящичные электролизеры, представляющие собой открытую емкость с электролитом, в которой размещают чередующиеся катоды и аноды, соединенные соответственно с отрицательным и положительным полюсами источника постоянного тока. Для изготовления анодов применяют графит, углеграфитовые материалы, платину, оксиды железа, свинца, никеля, свинец и его сплавы; используют малоизнашивающиеся титановые аноды с активным покрытием из смеси оксидов рутения и титана (оксидные рутениево-титановые аноды), а также из платины и ее сплавов. Для катодов в большинстве электролизеров применяют сталь, в том числе с различными защитными покрытиями с учетом агрессивности электролита и продуктов электролиза, температуры и других условий процесса. Некоторые электролизеры работают в условиях высоких давлений, например: разложение воды ведется под давлением до 4 МПа. В современных электролизерах широко применяют пластичные массы, стекло и стеклопластики, керамику.

Во многих электрохимических производствах требуется разделение катодного и анодного пространств, которое осуществляют с помощью диафрагм, проницаемых для ионов, но затрудняющих механическое смешение и диффузию. При этом достигается разделение жидких и газообразных продуктов, образующихся на электродах или в объеме раствора, предотвращается участие исходных, промежуточных и конечных продуктов электролиза в реакциях на электроде противоположного знака и в приэлектродном пространстве. В пористых диафрагмах через микропоры переносятся как катионы, так и анионы в количествах, соответствующих числам переноса. В ионообменных диафрагмах (мембранах) происходит перенос либо только катионов, либо анионов, в зависимости от природы входящих в их состав ионогенных групп. При синтезе сильных окислителей используют обычно бездиафрагменные электролизеры, но в раствор электролита добавляют К2Сr2О7. В процессе электролиз на катоде образуется пористая хромит-хроматная пленка, выполняющая функции диафрагмы. При получении хлора используют катод в виде стальной сетки, на которую наносят слой асбеста, играющий роль диафрагмы. В процессе электролиза рассол подают в анодную камеру, а из анодной камеры выводят раствор NaOH.

Электролизер, применяемый для получения магния, алюминия, щелочных и щелочно-земельных металлов, представляет собой футерованную огнеупорным материалом ванну, на дне которой находится расплавленный металл, служащий катодом, аноды же в виде блоков располагают над слоем жидкого металла. В процессах мембранного получения хлора, в электросинтезе используют электролизеры фильтр-прессного типа, собранные из отдельных рам, между которыми помещены ионообменные мембраны.

По характеру подключения к источнику питания различают монополярные и биполярные электролизеры (рис. 1.2.3.1). Монополярный электролизер состоит из одной электролитической ячейки с электродами одной полярности, каждый из которых может состоять из нескольких элементов, включенных параллельно в цепь тока. Биполярный электролизер имеет большое число ячеек (до 100-160), включенных последовательно в цепь тока, причем каждый электрод, за исключением двух крайних, работает одной стороной как катод, а другой как анод. Монополярные электролизеры обычно рассчитаны на большой ток и малые напряжения, биполярные - на сравнительно небольшой ток и высокие напряжения. Современные электролизеры допускают высокую токовую нагрузку: монополярные до 400-500 кА, биполярные эквивалентную 1600 кА [4].

Рис. 1.2.3.1 Виды электролизеров по характеру подключения к источнику питания

.2.4 Промышленные способы получения хлора

В настоящее время хлор вырабатывается тремя электрохимическими методами, два из которых представляют собой электролиз с твердым катодом: диафрагменный и мембранный методы. Третий метод - электролиз с жидким ртутным катодом. В ряду электрохимических методов производства самым легким и удобным способом является электролиз с ртутным катодом, но этот метод наносит значительный вред окружающей среде в результате испарения и утечек металлической ртути [1].

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.

В технологии с использованием диафрагменного электролизера солевой рассол подают в первую камеру (рис. 1.2.4.1), в которой 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.

Рис. 1.2.4.1 Схема диафрагменного электролизера

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. Чаще всего диафрагму изготавливают из асбеста и фторполимера. 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.