5.3　离子膜电解物料平衡

离子膜电解过程的工艺原理如图5-2所示。氯化钠被电离成钠离子和氯离子。氯离子在阳极室放电转变为氯气，同时，钠离子通过离子交换膜迁移到阴极室。在阴极室，水电解成氢气和氢氧根离子。钠离子和氢氧根离子结合生成氢氧化钠。

钠离子的选择性渗透：通过离子膜对钠离子的选择性渗透，在阳极室的钠离子由于它们和膜的亲和性，能够透过膜而进到阴极室。

因氯离子和氢氧根离子有与膜相似的负电荷，膜对它们排斥，所以它们不能通过膜。

水通过膜的迁移：在钠离子通过离子膜的同时，由于离子膜的含水率确定，围绕钠离子有n个水分子同时通过膜从阳极转移到阴极，该转移水称为钠离子水合水，n在通常工作条件下为4左右。在离子膜电解物料平衡模型中，假设通过某面的体积流量为V、摩尔流量为J、物质体积浓度为C，离子膜单元槽内的物料平衡情况见图5-3。

（1）电解槽中的钠离子的平衡

式中　V'A、V″A——流入、流出盐水流量，m3/h；

V″C——流出的阴极液流量，m3/h。

式中　X——盐水分解率，%；

εOH——电流效率，%；

I——电流，A；

F——法拉第常数（26.801A·h/mol）。

（2）阳极室中氢氧根离子的平衡

式中　JNaOH——向阳极室反渗的氢氧化钠的流速，mol/h；

——阳极室流出氧的流速，mol/h；

——向阳极室反渗氧的流速，mol/h。

（3）电解槽中氯离子的平衡

（4） 阳极室中氯气的平衡

式中　——阳极上析出氯的流速，mol/h；

——阳极室流出氯的流速，mol/h。

（5）氧气的平衡

式中，为阳极室流出，阳极上析出，向阳极室反渗氧的流速，mol/h。

（6）阴极室中氢氧根离子的平衡

式中，JNaOH，J″NaOH为阳极室反渗及流出阴极室氢氧化钠的流速，mol/h。

（7） 典型工况下的物料衡算　以旭化成NCH-2.7典型电槽为例，假设槽温90℃，碱电流效率95%（不包括漏电损失），阳极氯效率99%，阳极氧效率1%，阴极氢效率100%，进槽盐水浓度305g/L，出槽盐水浓度200g/L，阳极液加盐酸浓度17%，氯气和氢气带出水蒸气含氯和碱全部回收，J为1kA/m2电流密度下物质的流量（kmol），W为该物质在4.5kA/m2电流密度下每单元槽质量流量，物料衡算数据见图5-4。

对图5-4中的衡算结果如下：

J1=1×1×1000×1.492×0.95/40/1000=0.035435［kmol/（h·kA·m2）］

W1=J1×2.7×4.500×40=17.22（kg/h）（100%NaOH）

W2=W1×68%（质量分数）/32%（质量分数）=17.22×0.68/0.32=36.6（kg/h）

J2=W2/18.02/2.7/4.5=0.167167［kmol/（h·kA·m2）］

J11=J1/2×0.99/0.95=0.018464［kmol/（h·kA·m2）］

W11=J11×2.7×4.5×2×35.45 =15.90（kg/h）

J10=J1/4×1/100/0.95=0.00009325［kmol/（h·kA·m2）］

W10=J10×2.7×4.5×32= 0.0363（kg/h）

J12=（J11+J10）×=（0.018464+0.00009325）×0.4486/（1-0.4486）=0.015098［kmol/（h·kA·m2）］

W12=J12×2.7×4.5×18.02=3.30（kg/h）

J8=J1/0.95/2=0.01865［kmol/（h·kA·m2）］

W8=J8×2.7×4.5×2×1.01=0.46（kg/h）

J9=J8×=0.01865×0.2876/（1-0.2876）=0.007529［kmol/（h·kA·m2）］

W9=J9×2.7×4.5×18.02=1.65（kg/h）

J17=J1×2=0.035435×2= 0.07087 ［kmol/（h·kA·m2）］

W17=J17×2.7×4.5×（23+35.45） =50.33（kg/h）

W18=W17 （1177/305-1 ）=50.33（1177/305-1 ）=143.89（kg/h）

J18=W18/18.02/2.7/4.5=0.6572［kmol/（h·kA·m2）］

J5=J1×（1-0.95）=0.035435×0.05=0.0017718［kmol/（h·kA·m2）］

W5=J5×2.7×4.5×17.01 =0.366（kg/h）

J3=J1=0.035435［kmol/（h·kA·m2）］

W3=J3×2.7×4.5×23 =9.902（kg/h）

J4=J1×4=0.035435×4=0.14174［kmol/（h·kA·m2）］

W4=J4×2.7×4.5×18.02 =31.03（kg/h）

J6=J5×（1-0.95+0.01）/（1-0.95）=0.002126［kmol/（h·kA·m2）］

W6=J6×2.7×4.5×（1.01+35.45）=0.94（kg/h）

W7=W6×0.83/0.17=4.64（kg/h）

J7=W7/18.02/2.7/4.5=0.02119［kmol/（h·kA·m2）］

J20=J18+J7+J5-J12-J4=0.6572+0.02119+0.0017718-0.015098-0.14174=0.52333［kmol/（h·kA·m2）］

W20=J20×2.7×4.5×18.02=114.578（kg/h）

J19=J1=0.035435 ［kmol/（h·kA·m2）］

W19=J19×2.7×4.5×（23+35.45） = 25.16（kg/h）

V21=W19/200×1/7=0.018（m3/h）

J13=J1/0.95=0.0373［kmol/（h·kA·m2）］

W13=J13×2.7×4.5×18.02 =8.17（kg/h）（考虑到反应生成 H2O）

J14=J2+J5+J9+J13-J4=0.167167+0.0017718+0.007529+0.0373-0.14174=0.072028［kmol/（h·kA·m2）］

W14=J14×2.7×4.5×18.02=15.77（kg/h）

V22=W14×31.5%/1320/1.5%=0.251（m3/h）

由以上假定条件可计算出，每生产1t烧碱，需要的纯水量为：

需要盐水量：

产生淡盐水量：

出进槽盐水比：

产生的氯水量：