【正文】 1CAD 邢家悟主編《離子膜法制燒堿操作問(wèn)答》 (化學(xué)工業(yè)出版社， 2020 年 7 月 ) 第一章 鹽水精制甲元 氯堿工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，無(wú)論采用海鹽、湖鹽、巖鹽或鹵水中的哪一種原料，都含有Ca2+、 Mg2+、 SO2－ 等無(wú)機(jī)雜質(zhì)，以及細(xì)菌、藻類殘?bào)w、腐殖酸等天然有機(jī)物和機(jī)械雜質(zhì)。這些雜質(zhì)在化鹽時(shí)會(huì)被帶入鹽水系統(tǒng)中，如不去除將會(huì)造成離子膜的損傷，從而使其效率下降，破壞電解槽的正常生 產(chǎn)，并使離子膜的壽命大幅度縮短。鹽水中一些雜質(zhì)會(huì)在電解槽中產(chǎn)生副反應(yīng)，降低陽(yáng)極電流效率，并對(duì)陽(yáng)極壽命產(chǎn)生影響。因此，鹽水必須進(jìn)行精制操作除去鹽水中的大量雜質(zhì)，生產(chǎn)滿足離子膜電解槽運(yùn)行要求的精制鹽水。 直至 20 世紀(jì) 70 年代中期，傳統(tǒng)絮凝沉降鹽水精制工藝基本上沒(méi)有實(shí)質(zhì)性發(fā)展；目前用于離子膜法電解的鹽水精制工藝是在上述方法基礎(chǔ)上增加二次過(guò)濾和二次精制先進(jìn)工藝技術(shù)形成的。其工藝流程為∶飽和粗鹽水加入精制反應(yīng)劑，經(jīng)過(guò)精制反應(yīng)后加入絮凝劑進(jìn)入澄清桶澄清，澄清鹽水經(jīng)砂濾器粗濾后，再經(jīng) α纖維 素預(yù)涂碳素管過(guò)濾器二次過(guò)濾，使鹽水中的懸浮物小于 1 10－ 6，然后進(jìn)入離子交換樹(shù)脂塔，進(jìn)行二次精制，得到滿足離子膜電解槽運(yùn)行要求的精制鹽水。其工藝流程簡(jiǎn)圖如圖 1 所示。 第二章 電解單元 離子膜電解槽電解反應(yīng)的基本原理是將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，將鹽水電解，生成NaOH、 Cl H2，如圖 20 所示，在離子膜電解槽陽(yáng)極室 (圖示左側(cè) )，鹽水在離子膜電 2 解槽中電離成 Na+和 Cl－ ，其中 Na+在電荷作用下，通過(guò)具有選擇性的陽(yáng)離子膜遷移到陰極室 (圖示右側(cè) )，留下的 Cl－ 在陽(yáng)極電解作用下生成氯氣。陰極室內(nèi)的 H2O 電離成為H+和 OH－ ，其中 OH－ 被具有選擇性的陽(yáng)離子擋在陰極室與從陽(yáng)極室過(guò)來(lái)的 Na+結(jié)合成為產(chǎn)物 NaOH， H+在陰極電解作用下生成氫氣。 離子膜電解槽按照單元槽的結(jié)構(gòu)形式不同，分為單極式離子膜電解槽 (圖 21)和復(fù)極式離子膜電解槽 (圖 22)。單極式離子膜電解槽是指在一個(gè)單元槽上只有一種電極，即單元槽是陽(yáng)極單元槽或陰極單元槽，不存在一個(gè)單元槽上既有陽(yáng)極又有陰極的情況。復(fù)極式離子膜電解槽是指在一個(gè)單元槽 上，既有陽(yáng)極又有陰極 (每臺(tái)離子膜電解槽的最端頭的端單元槽除外 )，是陰陽(yáng)極一體的單元槽。 離子膜電解槽的供電方式有兩種∶并聯(lián)和串聯(lián)。在一臺(tái)單極式離子膜電解槽內(nèi)部(參見(jiàn)圖 23)，直流供電電路是并聯(lián)的，因此總電流即為通過(guò)各個(gè)單元槽的電流之和，各單元槽的電壓基本相等，所以單極式離子膜電解槽的特點(diǎn)是低電壓大電流。 3 復(fù)極式離子膜電解槽 (參見(jiàn)圖 24)則正好相反，每個(gè)單元槽的電路是串聯(lián)的，電流依次通過(guò)各個(gè)單元槽，故各單元槽的電流相等，但總電壓為各單元槽槽電壓 之和，所以，復(fù)極式離子膜電解槽的特點(diǎn)是低電流、高電壓。 離子膜電解裝置 (主要指單元槽，陰、陽(yáng)極液進(jìn)、出口總管等 )通常存在三種腐蝕，即∶①化學(xué)腐蝕；②間隙腐蝕；③泄漏電流腐蝕。 化學(xué)腐蝕主要是陰陽(yáng)極系統(tǒng)不同的化學(xué)介質(zhì)對(duì)材料的腐蝕。在陰極系統(tǒng)中，主要是90℃的 32％ (質(zhì)量分?jǐn)?shù) )NaOH 對(duì)材料的腐蝕，在陰極系統(tǒng)，各公司選用的材料大致有三種∶鎳 (Ni)、不銹鋼 (SUS310S 或 00Cr25Ni20)和非金屬材料 (CPVC、 PVC+FRP、 PTFE、PFA 等 )。但在既要耐 NaOH 腐蝕又要導(dǎo)電的部位 (如陰極盤(pán)、陰極筋板、陰極網(wǎng)等 )，最好還是使用鎳 (Ni)材料，因?yàn)?Ni 既有良好的耐堿腐蝕性又是電阻較低的材料。在輸送 NaOH 液體的部位，可采用 SUS310S、非金屬材料或鋼襯里材料 (如總管、包括陰極液進(jìn)出口總管 )。 在陽(yáng)極系統(tǒng)中，世界各公司都無(wú)一例外地選用了耐腐蝕性能最好的金屬材料 —— 鈦(Ti)，當(dāng)然在陽(yáng)極液輸送管等部位也有選用 CPVC+FRP 增強(qiáng)樹(shù)脂等非金屬材料。 在離子膜電解裝置中， Ti 材料在通常使用情況下，其電位接近鈍化區(qū)，通過(guò)溶液中的 Cl2 溶解 后生成的次氯酸或次氯酸離子的氧化作用， (生成 TiO2)來(lái)維持鈍態(tài)。 Cl2 + H2O ←→ HCl + HClO 4 HClO + OH－ ←→ ClO－ + H2O 因此，離子膜電解裝置的陽(yáng)極系統(tǒng)中，鈦 (Ti)材料表面有流動(dòng)的含 Cl2 電解質(zhì)溶液部位，有很高的耐腐蝕性，幾乎是不腐蝕的。 5 6 7 8 9 為了保證離子膜電解槽的陰極室和陽(yáng)極室能在一個(gè)合適穩(wěn)定的工藝邊界條件下運(yùn)行，以及獲得最佳的電流效率，無(wú) 論是強(qiáng)制循環(huán)工藝，還是自然循環(huán)工藝，通常設(shè)計(jì)采用陽(yáng)極循環(huán)系統(tǒng)和陰極循環(huán)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)各自的工藝邊界條件。以下用自然循環(huán)工藝(北化機(jī)電解槽系統(tǒng) )為例詳述之。 離子膜電解裝置電解循環(huán)的工藝流程包括陽(yáng)極循環(huán)和陰極 循環(huán)。 (1)陽(yáng)極循環(huán)部分 從鹽水高位槽來(lái)的精鹽水與淡鹽水循環(huán)泵輸送來(lái)的淡鹽水按一定比例混合 (初始開(kāi)車時(shí)，加純水 )，并在進(jìn)入總管前加入高純鹽酸，調(diào)節(jié) pH 值后，再送到每臺(tái)電解槽的陽(yáng)極入口總管，并通過(guò)與總管連接的進(jìn)口軟管送進(jìn)陽(yáng)極室。 進(jìn)槽鹽水的流量是由安裝在每臺(tái)電解槽槽頭的鹽水流量調(diào)節(jié)閥來(lái)控制的，流 量的大 10 小由供給每臺(tái)電解槽的直流電聯(lián)鎖信號(hào)控制。 電解期間， Na+離子通過(guò)離子交換膜從陽(yáng)極室遷移到陰極室，鹽水在陽(yáng)極室中電解產(chǎn)生氯氣，同時(shí)氯化鈉濃度降低轉(zhuǎn)變成淡鹽水；氯氣和淡鹽水的混合物通過(guò)出口軟管流入電解槽的陽(yáng)極出口總管和陽(yáng)極氣液分離器，進(jìn)行初步的氣液分離；分離出的淡鹽水流入淡鹽水循環(huán)槽。 在陽(yáng)極氣液分離器初步分離出的氯氣，通過(guò)氯氣總管流入淡鹽水循環(huán)槽的上部氣液分離室，進(jìn)一步進(jìn)行氣液分離；然后從其頂部流出至氯氣總管；在此總管適宜處設(shè)置氯氣壓力調(diào)節(jié)回路，通過(guò)其調(diào)節(jié)閥控制氯氣壓力，并與氫氣調(diào)節(jié)回路形成串級(jí)調(diào)節(jié)， 控制氯氣與氫氣的壓差，流出系統(tǒng)至氯氣處理裝置。 較大型的裝置，在氯氣流出界區(qū)前，還設(shè)置氯氣與二精鹽水的熱交換器，回收氯氣中的熱量。 淡鹽水循環(huán)槽中的淡鹽水由淡鹽水循環(huán)泵加壓輸送，一部分通過(guò)調(diào)節(jié)回路，返回陽(yáng)極系統(tǒng)與精鹽水混合后再次參加電解；另一部分輸送至淡鹽水脫氯系統(tǒng)進(jìn)行脫氯。 (2)陰極循環(huán)部分 從堿高位槽來(lái)的約 32％液堿與純水按一定比例混合后，流入陰極入口總管，并通過(guò)與總管連接的進(jìn)口軟管送進(jìn)陰極室。進(jìn)槽堿液的流量是根據(jù)安裝在每臺(tái)電解槽槽頭的流量計(jì)來(lái)操作控制的。 電解期間，陰極液在陰極室電解產(chǎn)生氫氣和燒堿。 氫氣和堿液的混合物通過(guò)出口軟管流入陰極出口總管和陰極氣液分離器，進(jìn)行初步的氣液分離；分離出的堿液流入堿液循環(huán)槽。 在陰極氣液分離器初步分離出的氫氣，通過(guò)氫氣總管流入堿液循環(huán)槽的頂部氣液分離室，進(jìn)一步進(jìn)行氣液分離；然后從其頂部流出至氫氣總管；在此總管適宜處設(shè)置氫氣壓力調(diào)節(jié)回路，通過(guò)其調(diào)節(jié)閥控制氫氣壓力，并與氯氣調(diào)節(jié)回路形成串級(jí)調(diào)節(jié)，控制氫氣與氯氣的壓差，流出系統(tǒng)至氫氣處理裝置或就地放空 (一般在開(kāi)車時(shí) )。 堿液循環(huán)槽中的堿液由堿液循環(huán)泵加壓輸送，一部分通過(guò)調(diào)節(jié)回路輸送至堿液高位槽，通過(guò)堿液高位槽回到陰極系統(tǒng)；一 部分通過(guò)調(diào)節(jié)回路作為成品堿送到成品堿貯槽。 在藍(lán)星北化機(jī) /旭化成電解槽中，在陽(yáng)極總管入口端將精制鹽水與返回淡鹽水按體積比約為 ∶ 1 進(jìn)行混合。 美國(guó)西方公司的電解槽陽(yáng)極不循環(huán)；陰極循環(huán)量較大，為成品堿流量的 10 倍；氯工程公司電解槽電解工藝與藍(lán)星北化機(jī) /旭化成電解槽的電解工藝稍有不同，