【正文】 重慶天原化工有限公司離子膜電解工序培訓(xùn)教材編寫：審核：重慶天原化工有限公司二○○六年十月第一章 概 述第一節(jié) 電解槽介紹一、電槽規(guī)格1 類型 ： BiTAC174。8882 離子膜類型 ： Flemion“ 8020”（F8020）3 單元槽數(shù)量 ： 884 陽極有效面積 ： m2 885 陽極 ： DSA174。6 陰極 ： 活性陰極7 額定電流 ： kA ( kA)8 額定電流密度 ： kA/m2 (Max. kA/m2)9 重量（凈重） ： 噸/槽10 重量（運行重量） ： 噸/槽11 電解槽數(shù)量 ： 4 臺二、結(jié)構(gòu)BiTAC174。888由一個陽極端框、87個中框和一個陰極端框通過一套拉桿組合而成。在陽極使和陰極室間裝備88張離子膜，以及特殊的墊片。見如下插圖BiTAC174。槽容易并且能快速裝配和解體，這是因為電解槽部件少，重量較輕。三、電解槽電回路4臺套BiTAC174。888型離子膜電解槽和4個獨立的回路。4臺電解槽設(shè)計成一個電解槽回路，按4行布置，通過母排連接到一臺整流變壓器上，該整流變壓器可提供用于電化學(xué)反應(yīng)的直流電。來自整流器正極的電流通過電解槽陽極端框、中框和陰極端框回到整流器的負極。電解槽回路和地面作電氣隔離，避免電流漂移。每臺電解槽安裝在側(cè)梁上,單元槽支架和側(cè)梁間用特氟隆制墊片隔離。此外，在側(cè)梁上還安裝有4個絕緣墊，確保和大地的絕緣。在電解槽回路上有88個單元槽，整流器正負極接線端子的直流電額定電位差為280V，來自整流器正極側(cè)的DC(直流)接線端子的電流和大地間的電位差為140 V，電流到達下一個單元槽，與大地的電位差降低，在回路的中性點，電壓為0，然后電位開始遞減，在整流器DC(直流)接線端子的負極為負140V?；芈返闹行渣c可能會漂移，因為每臺單元槽有一個單元電位差。四、電解槽的特性在裝置中，離子膜電解槽是關(guān)鍵設(shè)備，采用CEC（氯工程公司）新型的BiTAC174。電解槽。 能耗低 高電流密度運行 原料鹽水添加HC1 方便的維護 電解槽的耐用材料 溢流形式對于BiTAC174。電解槽，在每個中框的上方設(shè)置了分離空間，氣體和電解液在其中被分離，以較低壓力波動的溢流方式從單元室流出。因此，需維持每個單元槽上部空間陽極液和陰極液的液位，并且離子膜不得暴露在氣相中。 流體可視 上部電解液的分布均勻 防止漏電的措施BiTAC174。采用特殊設(shè)計的樹脂制成的分歧管，防止漏電，特氟隆制的原料管較長。單元槽廠房內(nèi)電解液總管采用了電腐蝕防護，并作最佳設(shè)計。第二節(jié) 生產(chǎn)原理一、概述本裝置采用了日本CEC公司的BiTAC174。888高電密自然循環(huán)復(fù)極式電解槽，界區(qū)包括過濾鹽水二次精制、電解和脫氯等工序。鹽水的二次精制采用三塔運行工藝，切換和再生由現(xiàn)場PLC控制盤實行自動控制。電解槽采用的離子膜為日本旭硝子8020磺酸羧酸復(fù)合膜，具有槽電壓低、適應(yīng)高電流密度運行（）的特點，電解槽采用了獨特的結(jié)構(gòu)，波紋狀的陰陽極室，將常見的隔板和導(dǎo)電筋板結(jié)合在一起，改善了電解槽內(nèi)部的循環(huán)，保證了電解液濃度的均勻。脫氯工序采用了真空脫氯＋化學(xué)脫氯的工藝，脫氯及氯酸鹽分解所產(chǎn)生的氯氣進入氯氣總管。二、基本原理（一）鹽水二次精制原理由于過濾鹽水中還含有少量的金屬陽離子如Ca２+ 、Mg２+等，會沉積于膜表面或內(nèi)部，堵塞離子膜的交換通道，造成槽電壓上升，電流效率下降，因此，必須對過濾鹽水進行二次精制，除去金屬離子，滿足離子膜電解槽的要求。鹽水的二次精制采用了螯合樹脂吸附的方法，螯合樹脂結(jié)構(gòu)為苯乙烯—二乙烯基苯共聚物作為母體的氨基磷酸基官能團、亞胺基乙酸、亞胺二乙酸基、胺基磷酸型等，苯乙烯——，其化學(xué)式為：RCH2NHCH2PO3Na2，樹脂中的鈉易被金屬離子特別是二價陽離子所取代，難易程度順序為 Cu２+＞Pb２+＞Zn２+＞Ca２+＞Mg２+＞Ni２+＞Ba２+＞Na+。例如2 RCH2NHCH2PO3Na2+ Ca2+→（RCH2NHCH2PO3）2 Ca Na2+2 Na+螯合樹脂吸附陽離子后可以用鹽酸及燒堿再生，再生方法是將鹽酸用脫鹽水稀釋至4%后送入樹脂塔再生，達到再生時間后，用脫鹽水沖冼，分析再生合格后，再用5%NaOH再生，目的是使樹脂轉(zhuǎn)型，方法與酸相同。其反應(yīng)方程式如下：（RCH2NHCH2PO3）2 Ca Na2+4HCl→2 RCH2NHCH2PO3 H2+CaCl2+2NaClRCH2NHCH2PO3 H2+2NaOH→RCH2NHCH2PO3Na2+2H2O三塔運行的模式，即二塔串聯(lián)運行，在運行一定時間后，主塔離線進行再生。三塔運行順序如下：時間 第一塔 第二塔 再生塔（脫機）0—24 T—1501A T—1501B T—1501C 24—48 T—1501B T—1501C T—1501A 48—72 T—1501C T—1501A T—1501B 72—96 T—1501A T—1501B T—1501C （二）電解基本原理在一臺離子交換膜電解槽中，超純鹽水發(fā)生下列主要的電化學(xué)反應(yīng)來生成燒堿（NaOH）。在陽極室，氯化鈉在鹽水中離解以離子狀態(tài)存在，反應(yīng)方程式如下：NaC1 →Na+ + C1陽極主要的反應(yīng)是陰離子Cl 氧化成氣態(tài)的Cl2。 2C1 →C12 + 2e陽極室的陽離子Na+攜帶部分水通過離子交換膜到達陰極室。陰極室中的水被電解，陰極的主要反應(yīng)是陽離子H+還原生成了產(chǎn)品H2，同時生成氫氧根離子，鈉離子Na+ 和OH結(jié)合生成NaOH。反應(yīng)方程式如下：2H2O + 2e → H2 + 2OHNa+ + OH→ NaOH總的電化學(xué)反應(yīng)方程式為：2NaCl + 2H2O →2NaOH + Cl2 ↑+ H2↑離子膜電解采用了磺酸羧酸復(fù)合膜，離子交換膜的膜體中有活性基團，由帶負電荷的固定離子如SOCOO，與一個帶正電荷的對Na+形成靜電健。由于磺酸基團具有親水性，能使離子膜在溶液中溶脹，膜體結(jié)構(gòu)變松，形成許多細微彎曲的通道，使其活性基團中的對Na+可以與水溶液中的同電荷的Na+進行交換。同時膜中的活性基團中固定離子具有排斥Cl和OH的特性，從而制成高純度的氫氧化鈉溶液。在運行期間，陽極液中會有部分Cl離子通過離子交換膜滲透到陰極室，生成少量的鹽。通常情況下，離子膜的電流效率較低，陰極室生成的鹽就會較高。在電解期間，由于電場的作用，OH從陰極室反遷移到陽極室，電解槽電流效率降低，陽極和陰極的效率都會降低，直接損失OH。在循環(huán)NaOH管道中加入脫鹽水，以調(diào)節(jié)陰極室的燒堿液濃度。從陽極中放出含有Cl2的淡鹽水。從陰極室中放出含有H2的成品燒堿液。用脫鹽水稀釋循環(huán)燒堿液，然后返回進入陰極室。由于陰極液OH濃度升高，電流效率會降低，因此，成品NaOH的濃度是有限度的，根據(jù)采用的離子膜類型，一般為32 ～ 35 wt%。新安裝的離子膜允許攜帶少量OH 和Cl的Na+通過，但是，隨著離子膜運行時間的增長，離子膜會出現(xiàn)老化，陰離子通過離子膜泄漏量將增加，引起電流效率下降和陽極液PH升高，見下列電極反應(yīng)方程式。（1） H2O被氧化生成氧氣。H2O→1/2 O2(g) + 2H+ + 2e電解過程主要付反應(yīng)（1）氯氣不分解C12(g) ? C12(aq) Eq. (1)（2）游離氯在水中離解C12(aq) + H2O? HClO (aq) + H+ + Cl Eq. (2)（3）次氯酸的離解HClO (aq)? ClO + H+ Eq. (3)（4）反應(yīng)式 (2) 和 (3)相加C12(aq) + H2O?2H+ + C1O +C1 Eq. (4)（5） C1O3的產(chǎn)生2HClO (aq) + OCl ?ClO3 + 2H+ + 2Cl Eq. (5)（6）反應(yīng)式 (4) 和 (5)相加3C12(aq) + 3H2O ?C1O3 + 6H+ + 5C1 Eq. (6)（7） H+和陰極室反遷移過來的OH發(fā)生中和反應(yīng)H++OH→ H2O（8）超純鹽水中的碳酸鈉和陽極液中的H+作用，生成鹽和二氧化碳，可能會影響氯氣的純度。Na2CO3 + 2HC1 →2NaC1 + H2O + CO2NaHCO3 + HC1 →NaC1 + H2O+ CO2 97%時，正常的燒堿陰極電流效率為94 ~ 97%。在陰極室生成氫氣的電流效率一般接近100％。當(dāng)氯氣和氫氣分別在陽極室和陰極室產(chǎn)生時，Gibbs（吉布斯）自由能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌O反應(yīng)，作用于電極，離子交換膜的分解電壓降如下：名 稱電壓（V）分解液體接觸陽極過電壓陰極過電壓離子膜溶液氣泡效應(yīng)＋結(jié)構(gòu)電阻降總電壓在 kA/m2, 90℃, 32 wt% NaOH當(dāng)電解槽新裝配后，上述總電壓顯示的是陽極和陰極接線端子間的電壓。引起電壓降損失的電壓消耗如下：（1） 陽極活性衰減（2） 陰極活性衰減（3） 陽極表面被超純鹽水中的雜質(zhì)覆蓋（4） 因為超純鹽水雜質(zhì)的污染，離子膜電阻增大（5） 產(chǎn)生的氧使電流效率下降（三）脫氯及氯酸鹽分解基本原理淡鹽水脫氯本裝置采用真空脫氯加化學(xué)處理的工藝。從離子膜電解槽出來的淡鹽水含有游離氯，以二種形式存在。一部分是溶解氯，其溶解量與淡鹽水的溫度、濃度、溶液上部的氣相分壓有關(guān)。另一部分是陰極室OH返遷移到陽極室進行副反應(yīng)消耗的氯，其反應(yīng)量與返遷移OH 濃度有關(guān)，電流效率越低，返遷移的OH 越多，生成的ClO也越多。在進脫氯塔前加入一定量的鹽酸，利用同離子效應(yīng)的原理，使平衡向有利于氯氣解析出來的方向移動，解析出來的氯氣用脫氯真空泵抽出并入氯氣總管，反應(yīng)方程式為：經(jīng)過真空脫氯后的淡鹽水仍含有少量的氯氣，這些殘余的氯氣用亞硫酸鈉和少量的堿進行中和，反應(yīng)方程式為：氯酸鹽分解鹽水在電解過程中會產(chǎn)生氯酸鹽(NaClO3)，它是電解生產(chǎn)中不允許的副產(chǎn)物。氯酸鹽產(chǎn)生的速率受電解槽運行的電流效率影響。原料鹽水含NaClO3過高對離子膜性能會產(chǎn)生危害。因此，原料鹽水NaClO3的含量一般控制在20 g/l以下。裝置中氯酸鹽分解過程按照下列二個反應(yīng)方程式進行上述反應(yīng)式中，哪一個優(yōu)先發(fā)生要視運行條件而定，不管怎樣，反應(yīng)式（1）應(yīng)優(yōu)先選擇，因為反應(yīng)式（2）會產(chǎn)生有危害性的ClO2氣體。有必要依照下列條件減少反應(yīng)式（2）的產(chǎn)生。(1) 提高反應(yīng)溫度(2) 提高過量酸濃度但是，反應(yīng)式（2）不可能完全避免，也不可能完全分解。第二章 原輔材料規(guī)格一、原材料規(guī)格 主要原材料 (1) 名稱 ：過濾精鹽水 (2) 相態(tài) ：液體 (3) 主要成分 NaCl ： 300~315 g/l SO42 ： 5~8 g/l NaClO3 ： ≤2 g/l NaOH ： ~ g/l Na2CO3 ： ~ g/l Ca+Mg(折Ca) ： ≤ mg/l Sr ： ≤ PPm SiO2 ： ≤5 PPm Ba ： ≤ PPm I ： ≤ PPm Al ： ≤ PPm Fe ： ≤ PPm Ni ： ≤ PPm Mn ： ≤ PPm 游離氯 ： 檢不出 有機物(as TOC) ：≤10 PPm SS ： ≤ PPm (4) PH ： 約, 11 (5) 供給壓力 最大 ： 200 kPaG 最小 ：150 kPaG(6) 供給溫度 ： 約50 ℃二、主要化學(xué)品規(guī)格 亞硫酸鈉 (1) 名稱 ：亞硫酸鈉 (2) 成份(wt%) Na2SO3 ： ≥ 96 Fe ： ≤ 游離堿（以Na2CO3計）： ≤ 透明度 (mm) ： ≥50 (3) 狀態(tài) ： 粉狀 (4) 供給方式 ：袋裝 燒堿(NaOH) (1) 成份 NaOH ： ≥32%