离子膜烧碱工艺流程.docx

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离子膜烧碱工艺流程

离子膜烧碱工艺流程

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邢家悟主编《离子膜法制烧碱操作问答》（化学工业出版社，2009年7月）

第一章 盐水精制甲元

1.盐水精制的目的

氯碱工业生产过程中，无论采用海盐、湖盐、岩盐或卤水中的哪一种原料，都含有Ca2+、Mg2+、SO2－等无机杂质，以及细菌、藻类残体、腐殖酸等天然有机物和机械杂质。

这些杂质在化盐时会被带入盐水系统中，如不去除将会造成离子膜的损伤，从而使其效率下降，破坏电解槽的正常生产，并使离子膜的寿命大幅度缩短。

盐水中一些杂质会在电解槽中产生副反应，降低阳极电流效率，并对阳极寿命产生影响。

因此，盐水必须进行精制操作除去盐水中的大量杂质，生产满足离子膜电解槽运行要求的精制盐水。

2.盐水精制工艺简述

直至20世纪70年代中期，传统絮凝沉降盐水精制工艺基本上没有实质性发展；目前用于离子膜法电解的盐水精制工艺是在上述方法基础上增加二次过滤和二次精制先进工艺技术形成的。

其工艺流程为∶饱和粗盐水加入精制反应剂，经过精制反应后加入絮凝剂进入澄清桶澄清，澄清盐水经砂滤器粗滤后，再经α-纤维素预涂碳素管过滤器二次过滤，使盐水中的悬浮物小于1×10－6，然后进入离子交换树脂塔，进行二次精制，得到满足离子膜电解槽运行要求的精制盐水。

其工艺流程简图如图1所示。

第二章 电解单元

92.离子膜电解槽电解反应的基本原理

离子膜电解槽电解反应的基本原理是将电能转换为化学能，将盐水电解，生成NaOH、Cl2、H2，如图20所示，在离子膜电解槽阳极室（图示左侧），盐水在离子膜电解槽中电离成Na+和Cl－，其中Na+在电荷作用下，通过具有选择性的阳离子膜迁移到阴极室（图示右侧），留下的Cl－在阳极电解作用下生成氯气。

阴极室内的H2O电离成为H+和OH－，其中OH－被具有选择性的阳离子挡在阴极室与从阳极室过来的Na+结合成为产物NaOH，H+在阴极电解作用下生成氢气。

93.离子膜电解槽的类型

离子膜电解槽按照单元槽的结构形式不同，分为单极式离子膜电解槽（图21）和复极式离子膜电解槽（图22）。

单极式离子膜电解槽是指在一个单元槽上只有一种电极，即单元槽是阳极单元槽或阴极单元槽，不存在一个单元槽上既有阳极又有阴极的情况。

复极式离子膜电解槽是指在一个单元槽上，既有阳极又有阴极（每台离子膜电解槽的最端头的端单元槽除外），是阴阳极一体的单元槽。

94.不同类型离子膜电解槽的供电方式

离子膜电解槽的供电方式有两种∶并联和串联。

在一台单极式离子膜电解槽内部（参见图23），直流供电电路是并联的，因此总电流即为通过各个单元槽的电流之和，各单元槽的电压基本相等，所以单极式离子膜电解槽的特点是低电压大电流。

复极式离子膜电解槽（参见图24）则正好相反，每个单元槽的电路是串联的，电流依次通过各个单元槽，故各单元槽的电流相等，但总电压为各单元槽槽电压之和，所以，复极式离子膜电解槽的特点是低电流、高电压。

95.离子膜电解槽通常的腐蚀形式

离子膜电解装置（主要指单元槽，阴、阳极液进、出口总管等）通常存在三种腐蚀，即∶①化学腐蚀；②间隙腐蚀；③泄漏电流腐蚀。

96.如何防止离子膜电解槽的化学腐蚀

化学腐蚀主要是阴阳极系统不同的化学介质对材料的腐蚀。

在阴极系统中，主要是90℃的32％（质量分数）NaOH对材料的腐蚀，在阴极系统，各公司选用的材料大致有三种∶镍（Ni）、不锈钢（SUS310S或00Cr25Ni20）和非金属材料（CPVC、PVC+FRP、PTFE、PFA等）。

但在既要耐NaOH腐蚀又要导电的部位（如阴极盘、阴极筋板、阴极网等），最好还是使用镍（Ni）材料，因为Ni既有良好的耐碱腐蚀性又是电阻较低的材料。

在输送NaOH液体的部位，可采用SUS310S、非金属材料或钢衬里材料（如总管、包括阴极液进出口总管）。

在阳极系统中，世界各公司都无一例外地选用了耐腐蚀性能最好的金属材料——钛（Ti），当然在阳极液输送管等部位也有选用CPVC+FRP增强树脂等非金属材料。

在离子膜电解装置中，Ti材料在通常使用情况下，其电位接近钝化区，通过溶液中的Cl2溶解后生成的次氯酸或次氯酸离子的氧化作用，（生成TiO2）来维持钝态。

Cl2+H2O←→HCl+HClO

HClO+OH－←→ClO－+H2O

因此，离子膜电解装置的阳极系统中，钛（Ti）材料表面有流动的含Cl2电解质溶液部位，有很高的耐腐蚀性，几乎是不腐蚀的。

195.离子膜电解装置电解循环的工艺流程

为了保证离子膜电解槽的阴极室和阳极室能在一个合适稳定的工艺边界条件下运行，以及获得最佳的电流效率，无论是强制循环工艺，还是自然循环工艺，通常设计采用阳极循环系统和阴极循环系统来实现各自的工艺边界条件。

以下用自然循环工艺（北化机电解槽系统）为例详述之。

离子膜电解装置电解循环的工艺流程包括阳极循环和阴极循环。

（1）阳极循环部分

从盐水高位槽来的精盐水与淡盐水循环泵输送来的淡盐水按一定比例混合（初始开车时，加纯水），并在进入总管前加入高纯盐酸，调节pH值后，再送到每台电解槽的阳极入口总管，并通过与总管连接的进口软管送进阳极室。

进槽盐水的流量是由安装在每台电解槽槽头的盐水流量调节阀来控制的，流量的大小由供给每台电解槽的直流电联锁信号控制。

电解期间，Na+离子通过离子交换膜从阳极室迁移到阴极室，盐水在阳极室中电解产生氯气，同时氯化钠浓度降低转变成淡盐水；氯气和淡盐水的混合物通过出口软管流入电解槽的阳极出口总管和阳极气液分离器，进行初步的气液分离；分离出的淡盐水流入淡盐水循环槽。

在阳极气液分离器初步分离出的氯气，通过氯气总管流入淡盐水循环槽的上部气液分离室，进一步进行气液分离；然后从其顶部流出至氯气总管；在此总管适宜处设置氯气压力调节回路，通过其调节阀控制氯气压力，并与氢气调节回路形成串级调节，控制氯气与氢气的压差，流出系统至氯气处理装置。

较大型的装置，在氯气流出界区前，还设置氯气与二精盐水的热交换器，回收氯气中的热量。

淡盐水循环槽中的淡盐水由淡盐水循环泵加压输送，一部分通过调节回路，返回阳极系统与精盐水混合后再次参加电解；另一部分输送至淡盐水脱氯系统进行脱氯。

（2）阴极循环部分

从碱高位槽来的约32％液碱与纯水按一定比例混合后，流入阴极入口总管，并通过与总管连接的进口软管送进阴极室。

进槽碱液的流量是根据安装在每台电解槽槽头的流量计来操作控制的。

电解期间，阴极液在阴极室电解产生氢气和烧碱。

氢气和碱液的混合物通过出口软管流入阴极出口总管和阴极气液分离器，进行初步的气液分离；分离出的碱液流入碱液循环槽。

在阴极气液分离器初步分离出的氢气，通过氢气总管流入碱液循环槽的顶部气液分离室，进一步进行气液分离；然后从其顶部流出至氢气总管；在此总管适宜处设置氢气压力调节回路，通过其调节阀控制氢气压力，并与氯气调节回路形成串级调节，控制氢气与氯气的压差，流出系统至氢气处理装置或就地放空（一般在开车时）。

碱液循环槽中的碱液由碱液循环泵加压输送，一部分通过调节回路输送至碱液高位槽，通过碱液高位槽回到阴极系统；一部分通过调节回路作为成品碱送到成品碱贮槽。

在蓝星北化机/旭化成电解槽中，在阳极总管入口端将精制盐水与返回淡盐水按体积比约为7.2∶1进行混合。

美国西方公司的电解槽阳极不循环；阴极循环量较大，为成品碱流量的10倍；氯工程公司电解槽电解工艺与蓝星北化机/旭化成电解槽的电解工艺稍有不同，表现在氯工程公司电解槽运行过程中，采用阴、阳极都循环；早期单极槽阳极循环量相当于加入电解槽的二次精盐水流量，阴极循环量是成品碱流量的4倍；复极槽的阳极循环量为5.5m3/（h·万吨碱），阴极循环量为0.23m3/（h·单元槽·万吨碱）。

196.目前广泛使用的三种电解槽槽型的控制指标

（说明，旭化成公司提供的高电密电解槽控制指标与蓝星北化机电解槽控制指标相同，没有分开列表）。

开车过程中的分析检查项目∶

（3）电解液浓度的分析

送电前，电解槽进行循环升温过程中，就要分析进槽阴阳极液的浓度；如果不符合要求，要及时查找原因，并作相应调整，使加入电解槽的阴阳极液符合离子膜使用和电解工艺的要求。

送电后，从电流密度1.5kA/m2开始，阴阳极液浓度正常调节控制将可以投入串级调节控制回路进行自动调节控制。

为了得到最准确的串级比值，此时应根据浓度变化情况，适当增加阴阳极液分析频次，密切关注电解槽阴阳极液出口浓度，特别是阴极出口碱浓度，合理调整阴极加纯水量。

（4）氯、氢气纯度的分析

随着电流的上升，氯、氢气量逐步增加。

一般在电流密度1.5kA/m2时，阴极系统的氮气加入量可逐步减停。

此时，可对电解系统的氯、氢纯度进行分析检测，为氯氢处理和盐酸合成工序提供数据。

（5）碱中含盐分析

送电至额定电流后，应对碱中含盐进行分析，对离子膜的性能进行判断。

（6）淡盐水pH值分析

送电后，一旦淡盐水和碱液浓度稳定后，应及时分析阳极淡盐水pH值；并通过逐步调节加酸量，使得淡盐水pH值达到规定数值；同时，得出准确的加酸串级比值。

267.电解槽加酸的方法和目的

实际生产中，在电解槽头进槽盐水与阳极液进口总管之间的管路上加入高纯盐酸；并通过调节高纯盐酸添加量来实现进槽盐水酸度≤0.15mol/L和出槽淡盐水的酸度在规定的pH＝2.5±0.2范围内。

电解过程中，OH－会从阴极室反迁移到阳极室；当OH－达到一定数量时，就会在阳极参加反应生成氧气；阳极反应就是Cl－和OH－的竞争反应，尤其是在离子膜使用到后期时；在阳极液中应加入适量的盐酸，就会中和反迁移来的OH－，抑制其在阳极的反应；可见，阳极液的酸度和氯中含氧量有直接关系。

如果不加酸或加酸量不够，阳极液的酸度太低、pH值过高，氧气在氯气中的含量就会增加，还会使副反应增加、氯酸盐含量增加，降低电解电流效率。

同时，产生的O2还会使阳极涂层钝化，影响阳极涂层性能，使槽电压升高。

事实上，有些企业实际生产中电解槽出口阳极液pH值长期在4～5范围运行，使电极电化性能发生了明显下降。

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