离子膜法氯碱技术基本知识.docx

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离子膜法氯碱技术基本知识

离子膜法氯碱技术基本知识

山东东都农药厂

焦永秋

2011-2-26

1.概述

1.1离子交换膜法制烧碱的原理

1、离子交换膜电解槽的构成

离子交换膜电解槽：

主要由阳极、阴极、离子交换膜、电解槽框和导电铜棒等组成。

每台电解槽由若干个单元槽串联或并联组成。

阳极用金属钛网制成，为了延长电极使用寿命和提高电解效率，阳极网上涂有钛、钌等氧化物涂层；阴极由碳钢网制成，上面涂有镍涂层；离子交换膜把电解槽分成阴极室和阳极室。

电极均为网状，可增大反应接触面积，阳极表面的特殊处理是考虑阳极产物Cl2的强腐蚀性。

2、离子交换膜工作原理

离子交换膜法制烧碱名称的由来，主要是因为使用的阳离子交换膜，该膜有特殊的选择透过性，只允许阳离子通过而阻止阴离子和气体通过，即只允许H＋、Na+通过，而Cl-、OH-和两极产物H2和Cl2无法通过，因而起到了防止阳极产物Cl2和阴极产物H2相混合而可能导致爆炸的危险，还起到了避免Cl2和阴极另一产物NaOH反应而生成NaClO影响烧碱纯度的作用。

1.2离子交换膜法制烧碱生产工段简介

离子交换膜法制烧碱生产由5个工段组成：

（1）化盐工段

（2）电解工段（3）氯氢处理工段（4）固碱工段。

★化盐工段

主要进行化盐及盐水的初级处理，为电解工段提供所需要的饱和食盐水。

★离子膜工段

电解二次精制盐水，生产烧碱、氢气和氯气。

★氯氢处理工段

主要是对从电解槽出来的氢气，氯气进行冷却，干燥处理，为后续生产做准备。

★固碱工段

将电解工段的氢氧化钠电解液,经预热后，送入蒸发器深缩，再由片碱机生产固碱，

2.化盐工段

2.1化盐工段工艺原理

将固体原盐（或搭配部分盐卤水）与蒸发工段送来的回收盐水、洗盐泥回收的淡盐水，按比例掺和、加热溶解成含氯化钠的饱和水溶液，同时按原盐中杂质含量连续加入适量的精制剂（氢氧化钠、碳酸钠和氯化钡等），使盐水中钙、镁、硫酸根等杂质离子分别生成难溶的沉淀物，然后加入助沉剂（聚丙烯酸钠等）。

经过澄清、砂滤得到一次盐水，一次盐水经中和、过滤、树脂吸咐等步骤制得质量合格的精盐水，按需要源源不断地输送给电解工段。

一般1t碱需要1.5t盐（理论比例为1：

1.462）。

基本化学方程式：

CaCl2+NaCO3=CaCO3+2NaCl

CaSO4+Na2C03=CaC03+2Na2SO4

MgCl2+2NaOH=Mg（OH）2+2NaCl

FeCl3+3NaOH=Fe（OH）3+3NaCl

Na2SO4+BaCl2=BaSO4+2NaCl

2.2化盐工段主要工艺指标

入槽盐水含NaCl≥315g／L

盐水过碱量

NaOH0.07～0.15g/L

Na2CO30.25～0.35g／L

盐水中钙、镁总量≤2×10-9g／L

盐水中硫酸根含量≤5g／L

澄清桶入口盐水温度

l与4季度48士3℃

2与3季度50±3℃

入槽盐水铵含量无机铵≤1mg／L

总铵≤4mg/L

盐水透明度≥900mm（十字观察法）

排放盐泥中含NaCI≤8g／L

入槽盐水pH控制值

8～10（微碱性盐水入槽）

约7（中性盐水入槽）

约4（酸性盐水入槽）

烟道气制纯碱中含NaOH≤3g／L

2.3化盐工段工艺流程

图1—1为盐水精制工艺流程。

固体食盐从盐仓内用铲车l将盐送入盐斗2，经皮带运输机3卸入化盐桶4。

盐卤水、蒸发工段回收盐水和洗盐泥回收的淡盐水，按比例搭配用泵6送到化盐桶4内进行化盐操作，经过桶底配水管均匀流出，沿化盐桶内盐层逆流而上将食盐溶解制成饱和的粗盐水，从化盐桶上部溢流而出。

出化盐桶的粗盐水与精制剂碳酸钠、氯化钡及蒸发回收盐水中的氢氧化钠发生化学反应，使溶解在粗盐水中的钙、镁、硫酸根等杂质离子生成不溶解于水的氢氧化镁、碳酸钙、硫酸钡等沉淀物而悬浮在粗盐水中。

然后，与精制剂反应后的粗盐水靠位差进入澄清桶8，为了加速澄清,在进入澄清桶前添加助沉剂,使悬浮物沉淀颗粒凝集增大加速澄清。

澄清后的清盐水从澄清桶上部溢流入砂滤器l1，盐水通过砂滤层之后，盐水中所夹带的少量细小悬浮物颗粒被截留。

出砂滤器盐水含钙、镁杂质量可以降到5mg／L以下，即一次盐水。

然后进入中和罐12,加盐酸中和过剩碱量,再进入精盐水贮槽13,用泵19送往盐水高位槽供电解工段使用。

澄清桶底部排出的盐泥定期排放回收。

2.4化盐工段主要设备及其工作原理和作用

1、化盐桶

化盐桶的作用是把固体原盐、部分盐卤水、蒸发回收盐水和洗盐泥回收淡盐水，按比例进行掺和，并加热溶解成氯化钠饱和溶液。

化盐桶一般是钢板焊接而成的立式圆桶，其结构见图1—2所示。

化盐水由桶底部通过分布管进入化盐桶内。

分布管出口均采用菌帽形结构防止盐粒、异物等进入化盐水管道造成堵塞现象。

在化盐桶中部设置加热蒸汽分配管，蒸汽从分配管小孔喷出，小孔开设方向向下,可避免盐水飞溅或分配管堵塞。

在化盐桶中间与还设置有折流圈，折流圈与桶体成45度角．折流圈的底部开设用于停车时放净残存盐水的小孔。

折流圈的作用是避免化盐桶局部截面流速过大或化盐水沿壁走短路造成上部原盐产生搭桥现象。

折流圈宽度通常约为150～250mm。

化盐桶上都有盐水溢流槽及铁栅，与盐层逆相接触上升的饱和粗盐水，从上部溢流槽溢流出，原盐中常夹带的绳、草、竹片等漂浮性异物经上部铁栅阻挡除去。

2、澄清桶

澄清桶的作用是将加入精制剂后反应完全的盐水，在助沉剂的帮助下，使杂质沉淀颗粒凝集变大，下沉分离。

澄清后的清盐水从桶顶部溢流出，送砂滤器作进一步精制过滤，桶底部排出的盐泥送三层洗泥桶，用水洗涤回收其中所含的氯化钠。

盐水中钙、镁等不溶物悬浮颗粒在加入助沉剂后起凝聚作用，颗粒增大，被截留到桶底定时排出。

澄清后的清盐水从桶底部缓缓向上，经桶顶部环形溢流槽汇集后连续不断流出。

3、砂滤器

砂滤器的作用是把澄清桶送来的澄清盐水经砂滤层过滤，进一步除去清盐水中微量悬浮性不溶杂质，提高进电解槽的盐水质量，确保电解工段对高质量入槽盐水的要求。

3.电解工段

3.1金属阳极电解工段

3.1.1工艺原理

把化盐工段用泵输送来的符合质量要求的精盐水,经高位槽稳压及预热器预热后送入电解槽,同时输入由变电工段送来的直流电进行电化学反应。

根据操作规程和工艺条件,确保电解槽正常安全运转。

电解过程中产生的氯气与氢气分别导入各自的总管,汇集送氯、氢处理工序，进一步处理加工。

生成约含氢氧化钠11％的电解液流入总管汇集电解液贮槽,经碱泵送蒸发工段进行蒸发浓缩。

反应方程式如下

3.1.2主要工艺指标

单槽氯中含氢量≤1．0％

氯气总管中含氢量≤O．4％

单槽氯中含氧量≤3．0％

氯气总管中含氧量≤3％

电解液总管浓度130±5g／L

单槽电解液浓度90～140g／L

氧气总管氢纯度≥98％

电解槽槽温80～105℃

氯气总管压力0～－50Pa

氢气总管压力0～50Pa

对地电压偏差（总电压）≤10％

电解槽阳极电流效率≥90％

3.1.3工艺流程

图2－1－1为金属阳极电解流程图。

电化盐工段送来含氯化钠315g／L以上、质量合格的精制盐水送至盐水高位槽1,高位槽内盐水液面维持恒定，以保持一定的静压力。

经一段盐水预热器2内与来自电解槽出口的湿热氢气（氢气总管温度约85℃）进行热交换，温度可提高8～10℃，然后再进入二段盐水预热器,用蒸汽进一步补充加热盐水，加热到盐水温度在60～80℃间，再经盐水总管、支管连续均衡地分别送入各台电解槽5进行电解。

电解生成的氯气从电解槽盖顶部支管导入氯气总管，送到氯气处理工段.氢气从电解槽阴极箱上部支管经断电器断电后汇集入氢气总管，经一段盐水预热器预热盐水降温后送氢气处理工段。

生成的含氢氧化钠11％的电解液经碱液断电器断电后从电解槽下侧流出导入电解液总管，汇集于电解液贮槽6中，再经泵7输送到蒸发工段进行蒸发浓缩。

3.1.4主要设备及作用

金属阳极电解槽是隔膜电解槽的两大类型之一，其结构如图2－1－2。

隔膜电解槽是隔膜法电解食盐溶液制取氯气、氢气、烧碱的主要设备。

是我国发展比较成熟的一种技术。

隔膜电解槽示意图如图2－1－3。

电解槽主要由槽盖、阴极箱、阳极组合件三大部分组成。

金属阳极电解槽的槽盖多数采用钢板焊接制成，内衬橡胶防腐蚀层。

在槽盖的顶部有氯气出口孔，侧面有盐水注入口，槽盖前侧面装有液面计便于掌握电解槽内盐水液位高低。

槽盖上还装有氯气压力表和取样孔。

阴极箱是由阴极铁丝网袋`钢板外壳和阴极导电钢板组合成一个完整的阴极导电系统。

在阴极箱的外壳下端有电解液导出管，上方有氢气出口管。

金属阳极电解槽阳极组合件是由钛-钢-铜三板叠合组成，上层2mm钛板作为防腐蚀层，中层20mm钢板作支撑层,下层16mm铜板作为阳极导电板．涂有钌层的钛阳极片通过铜螺丝、铜螺母联接固定在下层阳极铜导电板上,电流由此导入。

槽盖与阴极箱、阻极箱与阳极组合件之间可用“陶泥沥清软封料”外围麻绳进行密封以免盐水泄漏,也可采用橡胶垫片加绝缘螺栓联接密封。

3.2离子膜工段

3.2.1工艺原理

以食盐水为原料的离子膜法电解工艺，因离子交换膜性能要求，进离子膜电解槽的盐水质量必须严格控制，不然将影响离子交换膜性能的发挥和使用寿命以及产品的质量。

因此本工段的任务是：

（1）将送来的一次精制盐水再经过一次精密过滤，使盐水中的悬浮物达到≤1PPm，送二次精制；

（2）将上述过滤后的合格盐水，经二次精制处理即采用树脂吸咐（使用过的树脂经处理后再生），使盐水中的ca2+、Mg2+杂质含量达到≤20ppb，送离子膜电解槽；

（3）合格的二次精制盐水在电解槽内经通电电解，得到合格的氢氧化钠，然后经冷却、计量后送成品槽；

（4）电解副产品氯气和氢气，分别送氯处理和氢处理后．生产相应的氯、氢产品；

（5）食盐水经电解后流出的淡盐水，经脱氯装置除去盐水中的游离氯，使游离氯含量达到标准，然后将脱氯后合格的淡盐水送回化盐工段再化盐使用。

3.2.2主要工艺控制指标

1、经盐水过滤器一次精制盐水质量指标

NaCI310～315g／L

NaOH≤0．6g／L

Na2CO3≤0．5g／L

Ca+Mg≤10ppm（以CaO计算）

Sr≤2．5mL／L

Ba≤0．1ppm

Fe≤0．1ppm

Si02≤15ppm

ClO3-≤10g／L

SO42+≤4g／L

Hg≤10ppm

S（含悬浮固体重）≤10ppm

其它的重金属≤0.2ppm

个别金属①Al≤0.1ppm

②Mn≤0.05ppm

③Cr≤0.05ppm

2、进螫合树脂塔过滤盐水质量指标

（1）NaCI310~315g／L

（2）pH9士0．5

（3）温度60-士5℃以上

（4）Ca+Mg5ppm（按照CaO）以下

（5）Sr2.5mg／L（按照Sr）以下（6）Ba0.1ppm以下

（7）Fe0.Ippm以下

（8）SiO215ppm以下

（9）ClO-不存在

（10）CIO3-10g／L以下

（11）SO42-4g／L以下

（12）S1ppm以下（但不含有Ca、Mg、Sr等固态物）

（13）Hg10ppm以下

（14）其它重金属总共0.2ppm以下

个别金属①A10.Ippm以下

②Mn0.05ppm以下

③Cr0.05ppm以下

3、进离子膜电解槽二次精制盐水质量指标

NaCI310-315g／L

Ca+Mg≤20ppb（以Ca计算）

Sr≤0.Ippm

Ba≤0.1ppm

Fe≤0.1ppm

SiO2≤15ppm

CIO3-≤10g／L

SO42+