13.3. Переробка електролітичного хлору. Виробництво хлоридної кислоти

Хлор, добутий в електролітичному цеху, зріджують або відправляють на переробку. Зріджений Сl₂ легше зберігати, транспортувати трубопроводами для внутрішніх потреб і перевозити у цистернах і балонах. Зріджують його трьома способами: за допомогою підвищеного тиску (до 1,2 МПа без охолодження); методом "глибокого" охолодження (до –35-45 °С); помірним охолодженням (до –18 °С) і стисненням (до 0,5 МПа). Зріджений Сl₂ за допомогою чистого, сухого та охолодженого повітря подається у залізничні цистерни або у стальні балони.

Рідкий Сl₂ – це оливна рідина темно-зеленого кольору, яка кипить при атмосферному тиску при –34,6 °С. При охолодженні рідкого Сl₂ до –101,5 °С він твердне. Рідкий Cl₂ використовується для відбілювання тканин, паперу, целюлози, для дезинфекції питної води; хлорування руд, як розчинник та ін.

Виробництво водню хлориду і хлоридної кислоти. Хлороводень використовується для виробництва хлоридної кислоти і хлорорганічних продуктів.

Хлоридна кислота є розчином НСl у воді. Вона належить до сильних кислот, якою широко користуються у лабораторній практиці і промисловості для добування хлоридів металів, у гальванопластиці, гідрометалургії, при паянні і лудінні металів, при бурінні нафтових свердловин, при гідролізі крохмалю, для очищення парових котлів від накипу, у виробництві анілінових барвників, у побуті та ін.

Відповідно до державних стандартів, хлоридна кислота випускається з концентрацією НСl не менш як 27,5 і 31 %.

Хлороводень – це безбарвний газ, температура плавлення якого – 114,2°С, а температура кипіння – 85 °С. При тиску 0,1 МПа 1 л води при 0 °С розчиняє 525,2 л НСl, що становить у розчині 46,15 мас. % НСl. При 18 °С у 1 л води розчиняється 451,2 л НСl (42,34 мас. %). Хлороводень з водою утворює азеотропну суміш, яка містить при 0,1 МПа 20,24 % НСl і кипить при 110 °С. Хлороводень використовується у великих кількостях для гідрохлорування органічних сполук, у виробництві синтетичних смол, каучуків та ін.

Основним способом виробництва хлоридної кислоти є синтез НСl з електролітичних Сl₂ і Н₂ і абсорбція синтетичного НСl водою. Реакція між Cl₂ і Н₂ відбувається з виділенням теплоти без зміни об'єму:

Н₂ + Cl₂ = 2НCl + 184,2 кДж.

Константа швидкості цієї реакції з підвищенням температури зростає.

Синтез НСl здійснюють при надлишку Н₂ на 5-10 %, що дає змогу повніше використовувати Cl₂ і виробляти хлоридну кислоту, яка не містить вільного Cl₂. Процес синтезу відбувається у печах з повітряним або водяним охолодженням. На виході з печі НСl охолоджується у повітряному холодильнику і надходить на абсорбцію його водою або на концентрування і висушування.

Хлоридна кислота утворюється внаслідок абсорбції НСl водою в апаратах-абсорберах з відведенням теплоти через стінку (ізотермічна абсорбція) або в абсорберах з відведенням теплоти за рахунок випаровування частини води (адіабатична абсорбція), що відбувається при підвищенні температури кислоти під час розчинення НСl. Це призводить до збільшення тиску її парів і інтенсивного випаровування води. Для підвищення концентрації хлоридної кислоти встановлюють додатковий абсорбер, в якому її донасичують хлороводнем.

Хлоридну кислоту зберігають у стальних цистернах ємністю до 50 м³ або баках ємністю до 100 м³, футерованих поверх гумової прокладки кислототривкою плиткою. Перевозять хлоридну кислоту у гумованих цистернах, контейнерах, бочках або скляних бутлях. Харчову хлоридну кислоту перевозять у скляних бутлях ємністю до 30 л, які закривають чистими дерев'яними пробками.

Виробництво хлорного вапна і гіпохлоритів. Хлорне вапно – це білий сухий порошок, який має запах хлору. До його складу входять кальцій гіпохлорити: нейтральний Са(ОCl)₂ ∙ 3Н₂О та основні 3Са(ОCl)₂ ∙ 2Са(ОН)₂ ∙ 2Н₂О та Са(ОCl)₂ ∙ Са(ОН)₂, а також кальцій хлориди СаCl₂ ∙ Са(ОН)₂, СаCl₂ і вільне вапно Са(ОН)₂.

Вибілювальні і дезинфікуючі властивості хлорного вапна визначають кількістю активного Сl₂ який виділяється при обробці зразка хлоридною кислотою:

Са(ОCl)₂ + 4HC1 = 2C1₂ + СаСl₂ + 2H₂O.

За цим рівнянням кількість виділеного активного Cl₂ становить близько 100 % маси гіпохлориту кальцію, але практично міститься 32‑35 % активного Cl₂.

Основним споживачем хлорного вапна є целюлозно-паперова промисловість, де його використовують для вибілювання целюлози і паперової маси. Крім того, ним користуються для дезинфекції, для боротьби із збудниками хвороб та ін.

Сировиною для виробництва хлорного вапна є газоподібний Cl₂ і гашене вапно. Реакція утворення гіпохлориту відбувається з виділенням великої кількості теплоти:

2Са(ОН)₂ + 2Cl₂ = Са(ОСl)₂ + СаCl₂ + 2Н₂О + Q.

На кожний кілограм Сl₂, що вступає у реакцію, виділяється 1046 кДж теплоти. Реакція відбувається тільки між вологими компонентами.

Процес хлорування вапна відбувається у багатополичкових камерах, подібних до печей для спалювання колчедану, або у похилих барабанних установках, конструкція яких нагадує обертові печі.

Останнім часом виробляється стійкий продукт хлорування вапна – твердий кальцій гіпохлорит Са (ОCl)₂, в якому активного хлору значно більше. Його добувають взаємодією Cl₂ з вапняним молоком. Кальцію гіпохлорит як малорозчинна речовина випадає в осад, який після фільтрування сушать. Кальцію гіпохлорит менш гігроскопічний, зберігається і транспортується краще, ніж хлорне вапно, в якому баласт разом з тарою становить 250‑300 % у перерахунку на активний Сl₂.

Хлоруванням розчинів NaOH виробляють стійкі розчини гіпохлориту натрію, які використовуються для вибілювання тканин, очищення стічних і питної вод, як окиснювач у кольоровій металургії, в анілінобарвниковій промисловості та ін.

Питання до розділу 13

1. Які процеси називаються електрохімічними?

2. Які сполуки отримують електролізом?

3. Від яких чинників залежить швидкість електрохімічних реакцій?

4. Що називають електрохімічним еквівалентом речовини?

5. Що називають потенціалом розкладання електроліту?

6. Сформулювати перший і другий закони Фарадея.

7. За якою формулою визначаючу рівноважні електродні потенціали?

8. Що називають коефіцієнтом використання струму?

9. Як визначають вихід речовини за струмом?

10. Як визначається фактична витрата енергії при електролізі?

11. Що називають коефіцієнтом використання енергії?

12. Які реакції відбувають на аноді і катоді при електролізі водного розчину NaCl?

13. Які продукти отримують при електролізі водного розчину NaCl?

14. Яка будова електролітичної ванни для електролізу водного розчину NaCl?

15. З яких матеріалів виготовляють аноди і катоди?

16. Як отримують хлороводень?

17. Як отримують хлоридну кислоту?

Розділ 14. ЕЛЕКТРОТЕРМІЧНІ ВИРОБНИЦТВА