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离子膜烧碱生产和产品检测
[摘要]介绍了国内烧碱行业的发展情况，指出离子膜烧碱的优点，并详细介绍了离子膜烧碱的生产工艺，在实际操作中进行了工艺的优化,如解决冷凝液倒流、排除不凝气。
同时用酸碱滴定对产品进行了含量分析。
[关键字]离子膜烧碱分析工艺
一、前言
烧碱是一种重要的氯碱产品，在国民经济中占有重要地位，其中离子膜烧碱不仅质量好，能耗低，“三废”排放少，而且从根本上解决了由石棉隔膜法制碱造成的石棉绒对水质的污染和对操作人员健康的影响。
近年来，我国烧碱产业发展迅速，2004年生产能力只有1190万吨，2007年增加到2l81万吨，2008年进一步增加到2472万吨，同比增长l3.34％。
其中离子膜法烧碱工艺因为具有能耗低、产品质量好，占地面积小，自动化程度高，清洁环保等优势发展较为迅速，新扩产的烧碱项目中以离子膜碱为主，2007-2008年扩能统计显示，新建离子膜烧碱产能占到同期烧碱扩能的92％[2]。
目前世界上生产烧碱的方法有4种：
隔膜法、水银法、离子膜法、苛化法。
隔膜法、水银法和离子膜法都是通过电解盐水生产烧碱；
而苛化法则是以石灰和纯碱为原料制取烧碱。
苛化法目前仅在少数地区采用，我国苛化法烧碱仅占总产量的1.7％左右。
水银法烧碱含盐量低，产品浓度高，质量好，但是该法对环境污染严重，其汞害对人体有很大危害，联合国环境保护组织已要求逐步取代该法。
隔膜法在国内外均广泛采用，该法早期为石墨阳极电解槽，在组装电槽中会产生大量铅和沥青烟雾，在操作中会生成石棉绒碱性污水和石棉绒粉尘，同时该法能耗非常大，因此，从20世纪70年代国内外开始用金属阳极电槽取代石墨阳极电解槽。
目前发达国家已完全淘汰石墨阳极电解槽。
我国的石墨阳极装置每年尚有约20多万吨的产量，国家已将其列入淘汰类工业生产能力。
与石墨法相比，金属阳极隔膜法在技术上有了很大的提高，但能耗依然较高，产品质量较差，同时仍存在一定的石棉绒污染问题[1]。
20世纪80年代，我国离子膜烧碱装置全部采用引进的技术；
20世纪90年代，具有自主知识产权的国产化离子膜法电解槽已逐步推广，但采用引进技术的装置仍居多数，本文介绍的离子膜烧碱蒸发工艺就是从国外引进的技术装置。
二、实验部分
1、离子膜工艺优点
（1）流程简单，简化设备，易于操作
由于离子膜碱液仅含有极微量的盐，所以，在其整个蒸发浓缩过程中，即使是生产99％的固碱，无须除盐。
这就是极大的简化了流程设备，即隔膜碱蒸发必须有的除盐的设备及工艺工程都被取消，而且，由于在蒸发过程中没有盐的析出，也就很难发生管道阻塞，系统打水问题，使操作轻易进行。
（2）浓度高，蒸发水量少，蒸汽消耗低
离子膜法碱液的浓度高，一般在30％～33％，比隔膜法碱液的10％～11％要高很大，因而大量的减少了浓缩所用的蒸汽。
若以32%的碱液为例，假如产品浓度为50％，则每吨50％的成品碱需蒸出水量为1.1t，而隔膜碱则一般要蒸出6.5t的水量。
由于蒸发水量减少，蒸汽消耗就大幅度下降。
以双效流程为例，一般仅耗汽0.73～0.78，另外蒸汽的空间也相应的减少，使设备的投资也相应降低。
（3）污染程度低
离子膜法生产装置排出的废液、废气均能做到回收利用，达标排放，对环境几乎没有污染。
而隔膜烧碱产品质量较差，存在一定的石棉绒污染问题。
（4）生产稳定，安全性高
离子膜法生产弹性较大，电槽能适应电流负荷的较大幅度变化，迅速调节生产负荷；
同时离子膜法开停车安全方便，操作维修简单，劳动强度低[3]。
2、离子膜生产工艺
（1）生产任务
将30％电解液浓缩至50％，冷却至45℃后作50％液碱出售
（2）物料特性
分子式NaOH（100％）50％NaOH
分子量39.997平均分子量29
物性：
30％Na0H液碱凝固点+4.65℃
50％NaOH液碱凝固点+11.35℃
比重：
1.529g/mL（水=1）
常压下，50％Na0H沸点≈142℃，在一定压力下溶液沸点随浓度升高而增加。
50％NaOH溶液在45℃时粘度≈20CP，氢氧化钠溶液粘度随浓度升高而增加，随温度升高而下降。
氢氧化钠溶液的比热随溶液浓度提高而下降，随溶液温度升高比热有所下降。
NaOH与酸发生中和反应生成盐和水
NaOH+HCl→NaCl+H2O
NaOH溶液与空气中CO2反应生成Na2CO3
NaOH+CO2→Na2CO3所以储槽中碱液放置后溶液中Na2CO3含最增加。
NaOH溶液有腐蚀性，随浓度增加腐蚀性增大。
（3）产品用途
固体和液体烧碱都是用途极广的基本化工原料，主要用途：
①轻纺工业：
造纸、合成洗涤剂、玻璃工业、印染等。
②化学工业：
农药、染料、石油化学品剂。
③石油工业：
油脂、石油钻探等。
④其它：
木材加工、医药等。
（4）原料
①原料来源：
来自离子膜电解工序≈80℃。
②原料规格
表1原料规格
项目数据
NaOH
30％（wt）
30%（wt）
H2O
NaCl
40ppm（wt）
70ppm（wt）
NaClO3
10ppm（wt）
20ppm（wt）
NaCO3
400ppm（wt）
600ppm（wt）
Fe2O3
3ppm（wt）
5ppm（wt）
（5）生产原理
①概述：
本装置采用三台降膜式蒸发器及逆流工艺流程，完成离子膜电解液由32％浓缩到50％的化工单元操作。
②模式蒸发原理
降膜蒸发器设计如同管束式降膜换热器，所不同的是在降膜换热管上部加了一个“造膜器”，它是一根短圆管，上面开了数个条形窄槽，此短管点焊在加热管头上，从蒸发器顶部进来的碱液从窄槽沿加热管壁呈膜状向下流动并与载热体进行对流传热，料液中水分蒸发产生的二次蒸汽与浓缩了的碱液一起向下流动，在底部的蒸发器内两相得以分离，碱在底部由出料泵抽出，汽在上部经捕沫后排出利用。
降膜管采用的是薄壁长管，碱液在内又呈薄状下流，使得传热系数十分高，一般为4.2-12.5MJ/㎡．h．℃（1004—2988kCal/㎡．℃．h），降膜式蒸发器目前是蒸发器中一种高效蒸发器。
③工艺流程简述
从离子膜电解工序来的32％碱液经过流量计量后由EV1101顶部加入Ⅰ效蒸发器管内，EV-1101液位由LIC-1101控制。
碱液进入EV-1101管束，管束操作条件是：
压力为0.01Mpa（A），温度为75℃，在此条件下32％碱液浓缩到36.5％。
EV-1101的热源是从Ⅱ效EV-1201来的，压力为0.04Mpa（A）的二次汽。
它在EV-1101管间加热碱液之后冷凝，冷凝液通过蒸发器加热室冷凝液排出管线进入冷凝水储槽T-7101，冷凝液排出管线深入到冷凝水储槽T-7101底部，以保证不破坏EV-1101的真空状态。
EV-110l管束内的碱和二次汽在EV-1101下部蒸发室内分离，碱液蒸发所产生的二次汽由表面冷凝C-7101冷凝。
没有冷凝的不凝汽由水环真空泵P-7102抽出，保证EV-1101需要的真空。
由C-7101冷下冷凝水也进入T-7101。
经EV-1101浓缩的碱由Ⅰ效出料泵P-1101抽出，其中的6.67m³
/h送至碱液预热器HE-1521用128.1℃的生蒸汽冷凝水预热至110.8℃，另一部分13.34m³
/h送至碱液预热器HE-1511，用117.2℃50％NaOH溶液预热至110.8℃。
110℃的36.5％NaOH液经测定流量后由Ⅱ效EV-1201顶部进入蒸发器管束，管束操作条件是：
压力0.04Mpa（A）、温度110.8℃，碱液从36.5％浓缩至42％。
EV-1201热源是由Ⅲ效来的压力为0.074Mpa（G）、温度61.4℃的二次汽。
二次气在EV-1201管间作热源加热管束碱液之后，冷凝液经Ⅱ效阻气排水罐T-1201后进入冷凝水储罐T-7101，Ⅱ效阻气排水罐T-1201的气体出口管插入到EV-1201二次气出口管上，液体出口管插入到冷凝水储罐T-7101底部，这样既保证EV-1201的真空状态不被破坏，也保证了冷凝水正常排出。
EV-1201管束内碱液和二次汽在EV-1201下部蒸发室内分离，二次汽经除雾后供EV-1101做热源，碱液进入Ⅲ效蒸发器继续浓缩。
Ⅱ效出料泵P-1201将Ⅱ效完成液抽出，以流量分别为5.22m³
/h和12.70m³
/h的42％NaOH液送到碱液预热器HE-1551和碱液预热器HE-1501。
HE-1551为盘管换热器，由171.4℃的生蒸汽冷凝水作为热载体将碱液预热到151.8℃。
HE-1501为板式换热器，由155℃的50％NaOH作为热载体，将流量为12.7m³
/h，42％的碱液加热的147.4℃。
而后147.4℃的烧碱溶液再经过碱液预热器HE-1541进行再次加热，HE-1541为列管换热器，利用161.4℃的50％NaOH作为热载体，将42％的碱液预热到154.1℃。
两路碱液经预热汇合后温度约达到153.5℃，经流量指示仪FI-1302后由EV-1301顶部进入Ⅲ效蒸发器管束。
EV-1301液位由控制阀LIC-1301调节。
EV-1301管束间操作条件为：
压力0.063Mpa（G）、温度153.5℃，在此条件下碱液由42％NaOH浓缩到50％。
EV-1301的热源是界区外来的饱和生蒸汽，压力0.8Mpa（G），在管间加热碱液之后，冷凝水至阻汽排水罐T-1301，在经过碱液预热器HE-l551，碱液预热器HE-152l两次回收热量之后，温度约72℃，利用余压送回锅炉房回收用。
EV-1301管束内的碱液和二次汽在EV-1301下部蒸发室内分离，二次汽去EV-1301作热源，碱液在HE-1541，HE-1501，HE-1511内三次回收热量后温度达71℃，在利用成品碱冷却器HE-1531用循环冷却水将浓度为50％的烧碱溶液冷却至45℃，而后将其送至蒸发界区外成品碱储槽出售。
在EV-1301内的50％碱设有温度在线监测TIC-1301，EV-1301液面由LIC-1301来控制，成品碱出界区温度由TIC-153l控制，成品碱流量由fCV-1531调节。
TCV-1302用以调节生蒸汽汽量，保证EV-1301分离室内碱液温度。
注：
进入蒸发器的烧碱溶液必须连续不间断输送。
④需要纪录的重要数据：
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ效进碱流量：
QE-1101、FI-1201、FI-1302
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ效出口二次气的压力：
PI-1108、PI-1208、PI-1308
生蒸汽压力、温度、流量：
PI-1302、TI-1304、FIQ-1302
成品碱流量：
QE-135l
成品碱浓度：
NaOH/NaCl定期分析
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ效物料侧物料温度：
TI-1102、TI-1202、TI-130
⑤生产重要参数记录
（6）工艺控制指标
①工艺控制参数表（表3）
②产品指标
NaOH50％（wt）
NaCL50ppm（wt）
NaClO332ppm（wt）
Fe2O3max5ppm（wt）
Ni≤5ppm（wt）
③消耗期望值以1吨100％NaOH计
生蒸汽0.75Mpa饱和515Kg
冷却水△t=8℃50m³
动力电380V2.6KWH
（7）不正常现象及处理方法
①Ⅲ效出碱浓度不合格
提高生蒸汽压力或根据蒸汽压力重新确定物料侧设定值
②电斛液浓度<
32％
减少QE-1101流量，与电解工序联系
③EV-1101生产能力达不到
检查二次蒸汽压力，增加C-7101冷却水量，检查T-7101液位
④EV-1301生产能力低
EV-1301壳程阻力增加，惰性气排不畅，检查生蒸汽压力、流量
⑤P-1201/P-1101运输能力下降
EV-1201、EV-1101液位低，泵可能产生汽蚀
（8）安全生产
①烧碱遇水产生大量热，所以灭火一定不能用水。
②每个通道设通俗易懂的警示标志，指示操作人员进行自我保护。
③在维修设备、管道、阀门、仪表时，一定要穿防护衣、戴安全帽、戴防护手套、防护眼镜。
④放空有危险性介质前，要确保放空阀是完全关闭，然后拆去盲法兰，按好临时管道或软管，将危险介质按至安全的地方。
3、工艺优化
在装置运行初期，由于设计原因及操作不熟练，出现了一系列问题，通过摸索论证，改进设计不足，随着操作水平的提高，蒸发装置运行逐渐稳定，并且能够及时准确处理突发情况。
（1）冷凝液倒流
在蒸发开车初期提汽较慢，Ⅲ效出碱浓度达不到要求，回送至电解液贮。
为使进入效蒸发器的碱液中NaOH质量分数维持在32％左右．中压蒸汽冷凝液也改送至碱液罐，同时根据分析调节加入电解液罐的一级脱盐水流量。
但是由于混合不匀，分析滞后，使得碱液罐中碱液浓度偏差较大，导致系统真空波动很大，表面冷凝器中的冷凝液倒流至I效蒸发室．表现为Ⅰ效蒸发室液位迅速上升，而温度下降很多。
经过分析、察看设备图纸，发现原因是表面冷凝器至冷凝水储槽（T-7101）的管线在位于冷凝水储槽（T-7101）中部分的顶部开有3个小孔，且管线管径偏小。
当冷凝水储槽压力波动偏高，而I效压力偏低时，表面冷凝器中的冷凝液自重不足以全部抵消Ⅰ效蒸发室与冷凝水储槽（T-7101）压差，便部分倒流回蒸发室，解决办法是增加1条由表面冷凝器壳程至冷凝水储槽（T-7101）的管线，扩大冷凝液流道，使冷凝液流动通畅。
同时将管线上的小孔堵上，避免冷凝水储槽（T-7101）中的空气倒吸入表面冷凝器，导致冷凝液不能顺利流下。
之后，即使出现压力波动的情况，也没有再发生冷凝液倒流现象。
（2）真空度
真空度是蒸发过程重要的控制指标．提高系统真空度．可以降低二次蒸汽的饱和温度．从而提高有效温差，降低汽耗。
影响真空度的因素包括：
①合理控制表面冷凝器回水温度
蒸发系统所能达到的最大真空度是大气压与表面冷凝器循环回水的饱和蒸汽压之差．由于水的饱和蒸汽压随着温度升高而增大．提高真空度的途径之一是降低表面冷凝器循环回水的温度．即降低其饱和蒸汽压。
在夏季，增大表面冷凝器循环水量，而在秋冬季气温较低时，可适当减小循环水量。
但是循环回水温度过低，会增加循环水消耗量，造成浪费。
应注意的是，冷凝水储槽（T-7101）为负压（-35kPa）操作，因此调节循环水量时必须保证表面冷凝器冷凝液温度不能过高，防止冷凝水泵（P7101）汽蚀。
②排除不凝气
表面冷凝器中的不凝气通过水环式真空泵（P7102）连续抽出，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ效不凝气定期排出。
原始设计中各效不凝气均通过设在蒸发器顶部的管线直接排空，Ⅱ、Ⅲ效壳程为正压，不凝气聚集时可以顺利排出。
Ⅰ效壳程为负压，打开不凝气排放阀时，空气会倒吸入Ⅰ效蒸发器壳程，导致Ⅱ效蒸发室压力升高，进而破坏整个蒸发系统压力平衡，增大汽耗，不凝气长时间聚集会使成品碱浓度达不到生产要求。
解决办法是将Ⅰ效不凝气排放管线连接至水环真空泵（P7101）入口管线，通过真空泵抽出I效壳程不凝气。
③冷凝液回收
把冷凝水储槽（T-7101）和中压蒸汽的冷凝液回收至贮罐，可替代高纯水作为机泵密封水，冬季时用作装置伴热，可有效节约用水，降低生产成本。
④除去杂质
由于运行中不能避免检修、非计划停车，每次停车后降膜管内壁都会有一定程度的腐蚀，使成品碱中镍含量超标，质量等级下降。
因此，在成品碱进入贮罐前增加2台过滤器，一开一备。
成品碱进入运行过滤器内流经2层滤袋，从底部排出。
当蒸发负荷不断下降且无法调节时．表明滤袋上附着杂质较多，切换到备用过滤器，更换滤袋即可。
三、结果分析
1、氢氧化钠含量检测
（1）方法原理
试样溶液中先加入氯化钡溶液，则碳酸钠转化为碳酸钡沉淀（消除试样中的杂质），然后以酚酞为指示剂，用盐酸标准滴定溶液滴定至终点。
反应如下：
NaCO3+BaC12→BaCO3+2NaC1
NaOH+HCl→NaCl+H2O
（2）试剂和溶液
①氯化钡（GB652-78）：
100g/L溶液。
②酚酞：
10g/L乙醇溶液，按GB/T603-2002配制。
③盐酸：
C（HC1）=1.038mol/L标准滴定溶液。
④样品：
离子膜50％烧碱成品（比重为1.529g/mL）。
（3）分析步骤
①样品的冷却
将取来的样品放入水箱中冷水（或冰水）冷却至20±
2℃。
②试样溶液的制备
用洁净的移液管（校正）迅速移取5OmL试样，置于已盛有约300mL水的1000mL容量瓶中，抽洗内瓶壁附着的试样，共抽洗3次，洗涤时不得超过移液管刻度处，然后加蒸馏水至接近刻度，冷却至室温后，再稀释至刻度，摇匀备用[9]。
③测定
用移液管准确吸取5OmL试样溶液注入250mL具塞三角瓶中，加入10mL氯化钡溶液，再加入2～3滴酚酞指示剂溶液，在磁力搅拌器搅拌下，用1mol/L盐酸标准滴定溶液密闭滴定至溶液呈微红色为终点。
记下消耗盐酸标准滴定溶液的体积V1。
（4）计算公式
氢氧化纳浓度按公式计算：
式中：
C一盐酸标准滴定溶液的浓度，mol/L；
V1一滴定氢氧化纳时消耗盐酸标准滴定溶液的体积，mL；
V一试样的制备中移取试样的体积，mL；
—氢氧化钠的比重，g/mL
0.04—与lmL盐酸标准滴定溶液相当的以克表示的氢氧化纳的质量，g/mol；
（5）实验结果
表4：
氢氧化钠浓度
滴定消耗体积/mL
氢氧化钠含量/%
46.42
50.42
46.40
50.40
46.44
50.44
46.43
50.43
46.47
50.48
（6）结论及数据讨论
实验得到6个数据分别为：
50.42、50.40、50.44、50.42、50.43、50.48，经过讨论分析决定去除一个最大值50.48，再去除一个最小值50.40，排序为50.42、50.42、50.43、50.44，取平均值故结果为50.43mL，产品合格。
四、结论
随着科学技术的发展，烧碱行业的技术水平迅速提高，新技术、新工艺层出不穷。
我国离子膜法烧碱产能和产量均为世界上最大的国家，但还不是生产技术强国，不论是从国外引进的技术还是国产化的技术，与世界先进技术相比还有差距，因此必须加快烧碱产业结构战略性调整，增强自主创新的能力，努力掌握核心技术和关键技术，以促进我国离子膜法烧碱稳定、快速持续地发展，提升我国烧碱行业的整体水平，向世界烧碱生产技术强国发展迈进。
七、参考文献
[1]陈玉国.20万t/a离子膜烧碱蒸发运行总结.中国氯碱，2008，2:
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[4]彭云峰.离子膜烧碱装置的主要化学品危害及工业设计中的防治措施.广东化工,2010，4:
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[5]张海东,程虎,王瑞,曲玮.某离子膜烧碱装置职业病危害及关键控制点分析.中国卫生工程学,2008，2:
[6]李佳,王丽.氢氧化钠中氯酸钠含量的测定.鲁南煤化工研究院,2010，38卷第八期:
19
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