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1、离子膜电解工序培训教材天原化工离子膜电解工序培训教材编写：审核：天原化工二六年十月第一章 概 述第一节 电解槽介绍一、电槽规格1 类型 ： BiTAC-8882 离子膜类型 ： Flemion“ 8020”（F8020）3 单元槽数量 ： 884 阳极有效面积 ： 3.276 m2 885 阳极 ： DSA6 阴极 ： 活性阴极7 额定电流 ： 14.795 kA (Max最大.17.8 kA)8 额定电流密度 ： 4.516 kA/m2 (Max. 5.4 kA/m2)9 重量（净重） ： 大约22.5 吨/槽10 重量（运行重量） ： 大约39.7 吨/槽11 电解槽数量 ： 4 台二、结

2、构BiTAC-888由一个阳极端框、87个中框和一个阴极端框通过一套拉杆组合而成。在阳极使和阴极室间装备88离子膜，以及特殊的垫片。见如下插图BiTAC槽容易并且能快速装配和解体，这是因为电解槽部件少，重量较轻。三、电解槽电回路4台套BiTAC-888型离子膜电解槽和4个独立的回路。4台电解槽设计成一个电解槽回路，按4行布置，通过母排连接到一台整流变压器上，该整流变压器可提供用于电化学反应的直流电。来自整流器正极的电流通过电解槽阳极端框、中框和阴极端框回到整流器的负极。电解槽回路和地面作电气隔离，避免电流漂移。每台电解槽安装在侧梁上,单元槽支架和侧梁间用特氟隆制垫片隔离。此外，在侧梁上还安装有

3、4个绝缘垫，确保和的绝缘。在电解槽回路上有88个单元槽，整流器正负极接线端子的直流电额定电位差为280V，来自整流器正极侧的DC(直流)接线端子的电流和间的电位差为140 V，电流到达下一个单元槽，与的电位差降低，在回路的中性点，电压为0，然后电位开始递减，在整流器DC(直流)接线端子的负极为负140V。回路的中性点可能会漂移，因为每台单元槽有一个单元电位差。四、电解槽的特性在装置中，离子膜电解槽是关键设备，采用CEC（氯工程公司）新型的BiTAC电解槽。1、 能耗低2、 高电流密度运行3、 原料盐水添加HC14、 方便的维护5、 电解槽的耐用材料6、 溢流形式对于BiTAC电解槽，在每个中框

4、的上方设置了分离空间，气体和电解液在其中被分离，以较低压力波动的溢流方式从单元室流出。因此，需维持每个单元槽上部空间阳极液和阴极液的液位，并且离子膜不得暴露在气相中。7、 流体可视8、 上部电解液的分布均匀9、 防止漏电的措施BiTAC采用特殊设计的树脂制成的分歧管，防止漏电，特氟隆制的原料管较长。单元槽厂房电解液总管采用了电腐蚀防护，并作最佳设计。第二节 生产原理一、概述本装置采用了日本CEC公司的BiTAC888高电密自然循环复极式电解槽，界区包括过滤盐水二次精制、电解和脱氯等工序。盐水的二次精制采用三塔运行工艺，切换和再生由现场PLC控制盘实行自动控制。电解槽采用的离子膜为日本旭硝子80

5、20磺酸羧酸复合膜，具有槽电压低、适应高电流密度运行（达到6.0KA/m2）的特点，电解槽采用了独特的结构，波纹状的阴阳极室，将常见的隔板和导电筋板结合在一起，改善了电解槽部的循环，保证了电解液浓度的均匀。脱氯工序采用了真空脱氯化学脱氯的工艺，脱氯及氯酸盐分解所产生的氯气进入氯气总管。二、基本原理（一）盐水二次精制原理由于过滤盐水中还含有少量的金属阳离子如Ca+ 、Mg+等，会沉积于膜表面或部，堵塞离子膜的交换通道，造成槽电压上升，电流效率下降，因此，必须对过滤盐水进行二次精制，除去金属离子，满足离子膜电解槽的要求。盐水的二次精制采用了螯合树脂吸附的方法，螯合树脂结构为苯乙烯二乙烯基苯共聚物作

6、为母体的氨基磷酸基官能团、亚胺基乙酸、亚胺二乙酸基、胺基磷酸型等，苯乙烯二乙烯基苯共聚物作为母体的氨基磷酸基官能团它的堆比重0.10.3g/ml，总容量1.3N/l，其化学式为：RCH2NHCH2PO3Na2，树脂中的钠易被金属离子特别是二价阳离子所取代，难易程度顺序为 Cu+Pb+Zn+Ca+Mg+Ni+Ba+Na+。例如2 RCH2NHCH2PO3Na2+ Ca2+（RCH2NHCH2PO3）2 Ca Na2+2 Na+螯合树脂吸附阳离子后可以用盐酸及烧碱再生，再生方法是将盐酸用脱盐水稀释至4%后送入树脂塔再生，达到再生时间后，用脱盐水冲冼，分析再生合格后，再用5%NaOH再生，目的是使树

7、脂转型，方法与酸相同。其反应方程式如下：（RCH2NHCH2PO3）2 Ca Na2+4HCl2 RCH2NHCH2PO3 H2+CaCl2+2NaClRCH2NHCH2PO3 H2+2NaOHRCH2NHCH2PO3Na2+2H2O三塔运行的模式，即二塔串联运行，在运行一定时间后，主塔离线进行再生。三塔运行顺序如下：（二）电解基本原理在一台离子交换膜电解槽中，超纯盐水发生下列主要的电化学反应来生成烧碱（NaOH）。1、在阳极室，氯化钠在盐水中离解以离子状态存在，反应方程式如下：NaC1 Na+ + C1-阳极主要的反应是阴离子Cl- 氧化成气态的Cl2。 2C1- C12 + 2e阳极室的阳

8、离子Na+携带部分水通过离子交换膜到达阴极室。2、阴极室中的水被电解，阴极的主要反应是阳离子H+还原生成了产品H2，同时生成氢氧根离子，钠离子Na+ 和OH-结合生成NaOH。反应方程式如下：2H2O + 2e H2 + 2OH-Na+ + OH- NaOH3、总的电化学反应方程式为：2NaCl + 2H2O 2NaOH + Cl2 + H2离子膜电解采用了磺酸羧酸复合膜，离子交换膜的膜体中有活性基团，由带负电荷的固定离子如SO3-、COO-，与一个带正电荷的对Na+形成静电健。由于磺酸基团具有亲水性，能使离子膜在溶液中溶胀，膜体结构变松，形成许多细微弯曲的通道，使其活性基团中的对Na+可以与

9、水溶液中的同电荷的Na+进行交换。同时膜中的活性基团中固定离子具有排斥Cl-和OH-的特性，从而制成高纯度的氢氧化钠溶液。在运行期间，阳极液中会有部分Cl-离子通过离子交换膜渗透到阴极室，生成少量的盐。通常情况下，离子膜的电流效率较低，阴极室生成的盐就会较高。在电解期间，由于电场的作用，OH-从阴极室反迁移到阳极室，电解槽电流效率降低，阳极和阴极的效率都会降低，直接损失OH-。在循环NaOH管道中加入脱盐水，以调节阴极室的烧碱液浓度。从阳极中放出含有Cl2的淡盐水。从阴极室中放出含有H2的成品烧碱液。用脱盐水稀释循环烧碱液，然后返回进入阴极室。由于阴极液OH-浓度升高，电流效率会降低，因此，成

10、品NaOH的浓度是有限度的，根据采用的离子膜类型，一般为32 35 wt%。新安装的离子膜允许携带少量OH- 和Cl-的Na+通过，但是，随着离子膜运行时间的增长，离子膜会出现老化，阴离子通过离子膜泄漏量将增加，引起电流效率下降和阳极液PH升高，见下列电极反应方程式。（1） H2O被氧化生成氧气。H2O1/2 O2(g) + 2H+ + 2e-4、电解过程主要付反应（1）氯气不分解C12(g) C12(aq) Eq. (1)（2）游离氯在水中离解C12(aq) + H2O HClO (aq) + H+ + Cl- Eq. (2)（3）次氯酸的离解HClO (aq) ClO- + H+ Eq.

11、(3)（4）反应式 (2) 和 (3)相加C12(aq) + H2O2H+ + C1O- +C1- Eq. (4)（5） C1O3-的产生2HClO (aq) + OCl- ClO3- + 2H+ + 2Cl- Eq. (5)（6）反应式 (4) 和 (5)相加3C12(aq) + 3H2O C1O3- + 6H+ + 5C1- Eq. (6)（7） H+和阴极室反迁移过来的OH-发生中和反应H+OH- H2O（8）超纯盐水中的碳酸钠和阳极液中的H+作用，生成盐和二氧化碳，可能会影响氯气的纯度。Na2CO3 + 2HC1 2NaC1 + H2O + CO2NaHCO3 + HC1 NaC1 +

12、 H2O+ CO2在阳极室生成氯气的电流效率为92.5 -97%时，正常的烧碱阴极电流效率为94 97%。在阴极室生成氢气的电流效率一般接近100。当氯气和氢气分别在阳极室和阴极室产生时，Gibbs（吉布斯）自由能转变为电极反应，作用于电极，离子交换膜的分解电压降如下：名 称电压（V）分解2.25液体接触0.06阳极过电压0.04阴极过电压0.13离子膜0.33溶液0.02气泡效应结构0.23电阻降总电压3.06在 4.0 kA/m2, 90, 32 wt% NaOH当电解槽新装配后，上述总电压显示的是阳极和阴极接线端子间的电压。引起电压降损失的电压消耗如下：（1） 阳极活性衰减（2） 阴极活

13、性衰减（3） 阳极表面被超纯盐水中的杂质覆盖（4） 因为超纯盐水杂质的污染，离子膜电阻增大（5） 产生的氧使电流效率下降（三）脱氯及氯酸盐分解基本原理1、淡盐水脱氯本装置采用真空脱氯加化学处理的工艺。从离子膜电解槽出来的淡盐水含有游离氯，以二种形式存在。一部分是溶解氯，其溶解量与淡盐水的温度、浓度、溶液上部的气相分压有关。另一部分是阴极室OH-返迁移到阳极室进行副反应消耗的氯，其反应量与返迁移OH- 浓度有关，电流效率越低，返迁移的OH- 越多，生成的ClO-也越多。在进脱氯塔前加入一定量的盐酸，利用同离子效应的原理，使平衡向有利于氯气解析出来的方向移动，解析出来的氯气用脱氯真空泵抽出并入氯气

14、总管，反应方程式为：经过真空脱氯后的淡盐水仍含有少量的氯气，这些残余的氯气用亚硫酸钠和少量的碱进行中和，反应方程式为：2、氯酸盐分解盐水在电解过程中会产生氯酸盐(NaClO3)，它是电解生产中不允许的副产物。氯酸盐产生的速率受电解槽运行的电流效率影响。原料盐水含NaClO3过高对离子膜性能会产生危害。因此，原料盐水NaClO3的含量一般控制在20 g/l以下。装置中氯酸盐分解过程按照下列二个反应方程式进行上述反应式中，哪一个优先发生要视运行条件而定，不管怎样，反应式（1）应优先选择，因为反应式（2）会产生有危害性的ClO2气体。有必要依照下列条件减少反应式（2）的产生。(1) 提高反应温度(2

15、) 提高过量酸浓度但是，反应式（2）不可能完全避免，也不可能完全分解。第二章 原辅材料规格一、原材料规格 1、 主要原材料 (1) 名称 ：过滤精盐水 (2) 相态 ：液体 (3) 主要成分 NaCl ： 300315 g/l SO42- ： 58 g/l NaClO3 ： 2 g/l NaOH ： 0.20.3 g/l Na2CO3 ： 0.40.6 g/l Ca+Mg(折Ca) ： 1.0 mg/l Sr ： 0.3 PPm SiO2 ： 5 PPm Ba ： 0.1 PPm I ： 0.2 PPm Al ： 0.1 PPm Fe ： 0.1 PPm Ni ： 0.01 PPm Mn ：

16、0.01 PPm 游离氯 ： 检不出 有机物(as TOC) ：10 PPm SS ： 1.0 PPm (4) PH ： 约, 11 (5) 供给压力 最大 ： 200 kPaG 最小 ：150 kPaG(6) 供给温度 ： 约50 二、主要化学品规格1、 亚硫酸钠 (1) 名称 ：亚硫酸钠 (2) 成份(wt%) Na2SO3 ： 96 Fe ： 0.005 游离碱（以Na2CO3计）： 0.4 透明度 (mm) ： 50 (3) 状态 ： 粉状 (4) 供给方式 ：袋装 2、 烧碱(NaOH) (1) 成份 NaOH ： 32% 杂质 ： 离子膜碱级含 Fe0.3PPm (2) 供给压力(

17、kPaG) ： 200 (3) 供给温度() ： 环境温度 3、 高纯盐酸(HCl) (1)成份 HCl ： 31 wt% Fe3+ ： 10 wtPPm Ca2+Mg2+ ： 0.5 wtPPm 游离氯 ： 5 wtPPm 有机物TOC： 检不出 (2) 供给压力(kPaG) ： 200 (3) 供给温度 () ： 环境温度 三、界区公用工程1、蒸气 (1) 压力(kPaG) 最大 ：350 最小 ： 300 (2) 温度 () ：饱和 2、一次水 供给压力 ：300KPaG 温度 ：常温 3 、电源 AC380V+5/-10% 3 相 50Hz1% AC220V+5/-10% 1 相 50

18、Hz1%AC35KV5/-10% 3相 50Hz1% 4、空气 (1) 名称 仪表空气 装置（工艺）空气 (2) 供给压力 (kPaG) 最低 ： 500 400 (3) 供给温度() ： 环境温度 (4) 设计温度 () ： 50 50 (5) 露点 () ： -26 -40 (6) 污染物油和尘 ： 无 无 5、 氮气 (1) 供给压力 (kPaG) 正常 ： 300 最低 ： 200 (2) 供给温度() ： 环境温度 (3) 成分(vol%) N2 ： 99.5 (4) 污染物油和尘含量 ： 无第三章 产品规格一、 烧碱NaOH1、产品名称: 烧碱；俗名：火碱、苛性钠；学名：氢氧化钠；

19、分子式：NaOH分子量：39.997。2、氢氧化钠的物理性质： 固体烧碱呈白色，有光泽，可以做成桶碱、片碱和粒碱。隔膜碱因含有杂质，有时呈兰紫色。纯氢氧化钠是白色易潮解的固体，能溶于水，溶化时放出高热， NaOH水溶液有滑腻感，呈碱性，具有极强的腐蚀性，对皮肤侵蚀力很大。烧碱能溶于酒精、甘油，不溶于丙酮。固体NaOH熔点318.4，比重2.13(20/4)，沸点1390，比热1.582kJ/kg.(19-100)、2.07kJ/kg.（熔融态），溶解热42.218kJ/mol，生成热426.32kJ/mol，熔融热0.69kJ/mol，汽化热132.09kJ/mol，电导率2.12-1m-1（

20、320）、2.82-1m-1（400），粘度Cp 4.0（350）、2.2（450），导热系数3.64kJ/mol.h.（400），饱和蒸汽压0.13kPa（739），相对密度（水=1）2.12。3、氢氧化钠的化学性质：氢氧化钠是强碱，化学性质十分活泼。3.1 氢氧化钠水溶液呈碱性，能使紫色石蕊变兰，使无色的酚酞变红。3.2能与酸发生中和反应：NaOH + HCl = NaCl + H2O NaOH + CH3COOH =CH3COONa + H2O3.3能与酸性氧化物反应: 2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O NaOH + CO= NaCOOH (加热时反应)3.4能与盐类

21、发生反应: 2NaOH+MgCl2=Mg(OH)2+2NaCl3.5能与非金属元素发生反应，如和氯气反应生成次氯酸钠和氯化氢气体，氯化氢气体可进一步为氢氧化钠吸收生成盐和水：NaOH+Cl2=NaClO+HClNaOH + HCl = NaCl + H2O3.6与金属作用：氢氧化钠水溶液在常温下能溶解两性金属，如和锡、锌、铝反应生成锌酸钠、锡酸钠、铝酸钠，同时放出氢气： 2Al + 6NaOH = 2Na3AlO3 + 3H2Zn+ 2NaOH = Na2ZnO2+ H2Sn+ 2NaOH +2H2O = Na2Sn(OH)4(白色)+ H2在常温下，氢氧化钠对铜、铁的腐蚀性较少，对生铁则更小

22、，紫铜能被浓碱腐蚀。对镍、银、金、铂等无腐蚀性，在高浓度高温时，对钢铁有严重的腐蚀作用，浓度越高，腐蚀越强。3.7氢氧化钠及其水溶液对纤维和人体皮肤有强烈的刺激和腐蚀作用，会溶解皮肤中的脂肪，使皮肤糜烂、脱皮，对人眼及皮肤伤害尤为厉害。3.8与硅化物的作用：氢氧化钠对含有二氧化硅的玻璃、器、瓷器等均有腐蚀作用生成硅酸钠：2NaOH+SiO2=Na2SiO3+H2O由此可知氢氧化钠溶液可浸蚀瓷、玻璃、石英玻璃等材料制成的容器，因此应用铁、不锈钢、镍等材料制作容器。3.9与硫作用：氢氧化钠与硫作用，生成一复杂的混合物（含硫化钠、过硫化钠、硫代硫酸钠和亚硫酸钠）。4、主要成分NaOH ： 3233

23、wt% NaCl ： 40 wt PPmNaClO3 ： 10 wt PPm Fe2O3 ： 3 wt PPmNa2CO3 ： 400 wt PPm二、 氯气（在界区） (1)主要成分（干基无空气） Cl2 ： 98.5 vol% O2 ： 1.0 vol% H2 ： 0.03 vol% (2)出界区 (a) 温度 ： 8290 (b) 压力 ： 约0 mmAq （在电解槽处）三、 氢气（在界区） (1)主要成分（干基无空气） H2 ： 99.9 vol% 湿度 ： 饱和(2)出界区 (a) 温度 ： 8290 (b) 压力 ： 在电解槽处约为350mmH2O四、 回收盐水1、 脱氯后淡盐水

24、(1)主要成分 NaCl ： 20010 g/l 游离氯 ： 检不出 NaClO3 ： 约5 g/l (2) PH ： 79(3) 出界区温度 () ： 7080第四章 工艺叙述第一节 生产能力本系统离子膜烧碱生产能力为：正常：6万吨/年（折100%NaOH）最大：7.2万吨/年（折100%NaOH）第二节 年操作时间本装置按年工作时间8000小时计第三节 工艺流程叙述一、 工艺流程方块示意图（见附图）二、工艺流程叙述1、140工序-盐酸添加工序为了满足螯合树脂吸附工序的需要，来自界区的过滤精盐水加入HCl调节PH，将1#盐酸泵输送来的盐酸按比例加入纯水稀释至1520后，直接加入到过滤精盐水管

25、道中，31HCl通过FT-1401控制，流量大约为0.12 m3/h，并和PH计实行串极调节。经管道混合器充分混合均匀，经在线PH分析检测为9后进入过滤精盐水槽(V-1402)，液位控制在40以上，然后通过过滤精盐水泵（P-1402A/B）输送至过滤盐水换热器(E-1401)将过滤盐水加热到大约60，根据盐水中游离氯的含量，适量加入Na2SO3溶液，控制游离氯的含量为0，然后输送至螯合树脂吸附工序。换热器低压蒸汽的调节阀TV-1413和出口温度检测TE-1413实行串极调节，在树脂塔盐水进口流量FICA-1508低低报和TE-1413高高报时，该阀自动关闭。过滤精盐水泵（P-1402A/B）在

26、过滤精盐水槽(V-1402)液位出现低低报（13）时自动停止运转。加酸系统：来自界区的31%HCl进入高纯酸贮槽（V-1407）中，液位控制在64%，酸雾至酸雾吸收器(V-1505)，盐酸溶液用1#酸泵（P-1408A/B）输送至各用酸点，如氯酸盐分解槽(V-1603)、过滤精盐水槽进口管、电解槽（R-2001A/C）、超纯盐水槽(V-1501)、淡盐水槽(V-2001)等。2#酸泵（P-1409）将盐酸输送至再生酸贮槽(V-1504)中，用于树脂再生。当淡盐水槽(V-2001)液位出现低低报（20%）时，2#酸泵（P-1409）自动停止运转。2、150工序-螯合树脂吸附在螯合树脂吸附工序中，

27、过滤盐水经过树脂层，盐水中的微量杂质如钙、镁被吸附在树脂上，盐水得到精制，盐水流量通过FICA-1508控制，调节阀FV-1508和超纯盐水槽(V-1501)液位实行串极调节，来自螯合树脂塔的超纯盐水经树脂捕集器（F-1501）除去破碎树脂颗粒，来自1#酸泵（P-1408A/B）的31%HCl（约0.02 m3/h）按比例加入脱水稀释至1520后，加入到过滤精盐水管道中调节PH至5后进入超纯盐水槽(V-1501)，PH为在线检测。液位控制在85，并且液位和盐水流量调节阀FV-1508实行串极调节，。用超纯盐水泵(P-1501A/B)将超纯盐水送至电解槽，流量根据电解槽的反馈信号，通过FICA-

28、2002-14控制。在树脂塔切换到流程前，用超纯盐水进行置换，流量通过流量计FG-1505控制，置换的盐水和超纯盐水作为回收盐水送至过滤盐水槽(V-1402)。螯合树脂再生废水的处理：来自树脂再生的废水含有很强的酸性或碱性，通常流入再生废水地坑(V-1502)中，与来自酸雾吸收器(V-1505)的废水混合后用再生废水泵（P-1502）输送至废水处理工序，通过液位开关LS-1504控制废水泵的运行（手动或自动），从而控制地坑的液位在884。脱盐水输送系统：来自脱盐水站的纯水进入脱盐水槽V-1506中，控制液位在60，用1#脱盐水泵（P-1504）输送至树脂塔（再生）和电解槽（清洗），用2#脱盐水

29、泵（P-1505A/B）输送至脱盐水总管，供各使用单元。3、淡盐水脱氯和氯酸盐分解3.1 淡盐水脱氯为了去除游离氯，在进入脱氯和除氯酸盐系统前，加入稀盐酸酸化来自电解槽（R-2001A/C）的淡盐水，调节淡盐水PH值在2以下后，进入淡盐水槽（V-2001）中，控制液位在60。液位和淡盐水泵（P-2001A/B）出口液位调节阀LV-2003、电解槽超纯盐水进口流量调节阀FV-200201/04实行串极调节，用淡盐水泵（P-2001A/B）将淡盐水送出，机泵和液位开关LS-2003实行串极调节，当淡盐水槽（V-2001）液位低低报时（约17），机泵自动停止运转。淡盐水一部分去氯酸盐分解槽(V-16

30、03)除去淡盐水中的ClO3-后进入氯水槽（V-1605），一部分去脱氯塔(T-1601)去除淡盐水中的游离氯。还有一部分淡盐水经流量调节阀FV-2015调节流量后，返回到电解槽进口管中，调节进槽盐水浓度，提高盐水中的游离氯，使部分钛材表面形成氧化膜。脱氯工序的反应原理见如下化学反应方程式。在酸性盐水中，通过脱氯塔(T-1601)处理，可以除去大部分的游离氯，在T-1601的出口，盐水中的游离氯含量约为1030 mg/l。在脱氯塔(T-1601)中，通过真空泵(P-1601A/B)控制真空度为270 torr，并与真空调节阀PV-1601实行串极调节，从淡盐水中分解游离氯与氯气的分压相平衡。从脱氯塔(T-1601)出来的氯气经氯气冷凝器（E-1601）除去部分水分后，用真空泵输送至氯气总管，冷凝产生的氯水回流到氯水槽（V-1605）中。经过真空脱氯后的淡盐水需进行化学脱氯，在送出界区的脱氯淡盐水泵（P-1602A/B）进口管道中加入32% NaOH和10% 亚硫酸钠 (N