离子膜法烧碱电解槽比较和选择

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  [摘 要]烧碱(氢氧化钠)是一种常见的化工产品,可以溶于乙醇和甘油,作为碱性清洗剂进行水处理,也可以与酸类物质发生中和作用,生成水和盐。烧碱产品的制备方法有很多,离子膜法是比较常用的一种,与其他方法相比有着许多优势,也受到了技术人员的重视。在离子膜法烧碱中,电解槽是核心设备,做好电解槽的选择,对于烧碱生产效率和产品质量都有着不同忽视的影响。本文从离子膜法烧碱的内涵和优点出发,以北京化工机械有限公司的电解槽产品为例,对离子膜法烧碱电解槽的槽型以及技术方案进行了比较和选择,希望能够找出最为节能环保的方案。
  [关键词]离子膜法;烧碱;电解槽;比较;选择
  中图分类号:S801 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2018)02-0091-02
  前言:电解法制烧碱在实际应用中存在着三种比较常见的方法,一是隔膜法,这种方法在电解后得到的碱液浓度过低,而且含有大量盐分,需要进一步经过蒸发、浓缩和除盐后才能形成可以销售的产品,而且纯度不高,无法满足人造纤维等工业生产的需求,能耗高,许多工艺同样面临淘汰,;二是水银法,可以得到高质量的产品,不过能耗偏高,而且环境污染问题严重,已经基本被淘汰;三是离子膜法烧碱,属于最新的制碱工艺,产品纯度好、质量高,生产过程能耗低,也不会产生污染物,是氯碱工业发展的主流方向。
  1 离子膜法烧碱概述
  离子膜法烧碱,是指采用离子交换膜法,通过电解食盐水的方式来制备烧碱(氢氧化钠)。离子膜法的基本原理,是利用相应的阳离子交换膜本身具备的选择透过性,在允许阳离子顺利通过的情况下,阻挡阴离子和气体,避免了阳极产物与阴极产物混合可能引发的爆炸危险,也可以保证烧碱的纯度。
  离子膜法烧碱主要生产流程为:经过精制的饱和盐水进入到阳极室中,加入适量烧碱溶液的纯水则进入阴极室,电解槽通电后,阴极表面放电,电解水生成氢气,阳极室中的钠离子则会穿过离子膜,同样进入阴极室,氯离子则会在阳极表面放电,生成Cl2。电解完成后,阳极室中剩余的淡盐水可以在添加食盐达到饱和后,循环使用[1]。
  离子膜法烧碱具备许多优点:一是产品质量和纯度高,能够满足许多行业对于烧碱的质量要求;二是能耗相对较低,与常规隔膜法相比,生产一吨烧碱的综合能耗可以减少950kW.h;三是成本低,与水银法制堿相比,成本投入可以减少10%-15%,与石棉隔膜法制碱相比,成本投入可以减少15%-25%;四是绿色环保,不会产生废弃物,可以有效消除环境污染问题;五是副产品氯气的纯度高,能够达到99%以上,为有机氯的生产提供原料。
  2 北化机极距电解槽性能
  以北京化工机械有限公司出产的电解槽为例进行分析,北化机的主要产品与服务之一就是离子交换膜、离子膜电解槽等,在国内离子膜法烧碱市场的占有率接近50%,在不断的发展过程中,以离子膜电解技术和电解槽为核心,通过不断的延伸扩展,已经逐渐形成了专有技术产品,实现了模块化供货[2]。
  北化机出产的NBZ-2.7型膜极距电解槽属于氯碱工业中的核心设备,在离子膜法烧碱中发挥着重要作用。与传统电解槽相比,NBZ-2.7型膜极距电解槽将原本阴极的刚性组件更换为了弹性结构,以膜极距结构来消除阴阳两级之间的溶液电压降,降低电解槽电压以及直流电耗,在保证生产效率的同时,减少能耗。NBZ-2.7型膜极距电解槽中的电解液可以在气升作用下,达成内部自然循环,确保电解充分,而且自然循环方式相比较强制循环气体压力更小,压差也更加稳定,可以延长离子膜的寿命,降低生产成本。NBZ-2.7型膜极距电解槽的运行电密稳定在5.5kA/㎡,最大运行电流14.85kA,直流电耗不超过2035kW.h/t,得到的烧碱浓度在32%左右[3]。
  3 离子膜法电解槽槽型比较与选择
  3.1 有极距电解槽与膜极距电解槽
  以北化机出产的NBZ-2.7型膜极距电解槽为例,对比传统有极距电解槽,两者的运行数据如表1所示。在10万t的年生产能力下,NBZ-2.7型膜极距电解槽每年可以节约资金数百万元。
  3.2 单极式电解槽与复极式电解槽
  单极式电解槽安装复杂,要求低电压高电流,同时电流分布不均匀,采用的多是自然循环的方式,个别可以采用强制循环,膜利用率在72%-77%左右,由于电解槽数量众多,维修工作相对繁琐;复极式电解槽的配件较少,安装方便,采用高电压低电流供电,轴向输出保证了电流分布的均匀性,电解液的循环方式可以在强制循环和自然循环中自由选择,膜利用率达到了92%,而且电解槽的数量较少,泄漏点少,维修方便[4]。
  事实上,无论会单极式电解槽还是复极式电解槽,都有着各自的优势,也都存在一定的缺陷,在实际应用中,需要做到因地制宜,从企业的经营规模、生产现状、成本费用等方面进行全面考虑。复极式电解槽离子膜法有着几个非常显著的特点,一是技术力量强,无论是设备还是工艺技术,都处于世界领先水平,复极槽的单槽能力强,数量少,管理方便,即使其中一台设备停机检修,也不会对生产效率产生很大影响;三是升降电流更加灵活,能够根据产品需求以及供电情况,对产量进行调整;四是产生的氯气纯度搞,可以为后续的有机氯加工提供原料[5]。
  4 离子膜法电解液循环工艺比较与选择
  在离子膜法电解槽的电解工艺中,电解液的循环可以分为自然循环和强制循环两种,前者占据较大的比例,北化机生产的电解槽无论是单极式还会复极式,采用的大都是自然循环的方式。从实际应用角度,强制循环可以确保电解液浓度均匀,提升平均电流密度I与电解槽流出阳极液浓度c之间的比值,从而避免出现极化现象,防止膜出现干区角度。不过,强制循环的能耗较大,而且电解槽操作压力较大,在较大的电解液循环量下,压差难以稳定,会在一定程度上缩短膜的使用寿命。相比较而言,自然循环能够对强制循环中存在的问题进行有效解决,不过其物料循环较慢,如果时间较短,会出现电解液浓度不均匀的情况。在不断的发展过程中自然循环电解槽也在不断创新,在保证电解液浓度均匀的前提下,使得其循环速度达到了与强制循环一致的标准[6]。对比当前市场中常见的几种电解槽,最终选择自然循环工艺,其优势主要体现在:   4.1 节能降耗,延长寿命
  在合适的电解槽电极长宽比下,电解反应产生的氢气和氯气会迅速上升,促进电解液自然循环,使得电解液能够与盐水或者循环碱液均匀混合。想要确保电解液能够被均匀的分配到每一个电解室中,可以在其进口和出口位置增加相应的配件,尽可能减少进口和出口位置电解液中氯化钠或者氢氧化钠的浓度差。由于自然循环可以保证电解液浓度均匀,不需要如同强制循环一样设置泵,能够有效减少能耗。以复极式离子膜电解槽BiTACTM为例,由凹陷部分和凸出部分波纹状交替构成了复极单元,使得电解槽的分隔板与导电筋板实现了相互融合,电解液自下而上流动,在保持浓度均匀的前提下,也可以延长离子膜的使用寿命。在BiTACTM中,采用了自然循环系统,与阳极网和复极单元阳极钛板之间设置了导流板[7],在重力差异的驱动下,实现电解液自然循环。产生的气体可以非常轻易的从电极上释放,保证离子膜两侧溶液流量、压力差和电流分布稳定。自然循环的方式不需要额外配备强制循环装置,可以避免电解液分布不均或者供应不足导致离子膜内部含量下降问题,避免气泡的产生,继而延长离子膜的使用寿命。
  4.2 排出气泡,避免腐蚀
  离子膜电解槽阳极室在反应环节,通电部分的气泡率通常会达到90%以上,如果气泡无法及时排出,会在阳极室上部形成滞留气层,导致氯气向离子膜内扩散,与阴极室反渗的氢氧化钠发生反应,形成氯化钠结晶,从而导致膜的劣化。如果不能及时对其进行处理,在气体层的长期腐蚀下,就可能在离子膜上形成小孔甚至裂缝。因此,从保证电解槽可靠运行的角度,需要确保电解过程中产生的氯气可以被随时导出,避免在膜上部形成干区。
  以旭化成自然循环复极电解槽为例,在单元槽上部的非通电部分,设置了气液分离室,这样可以在不损失压力的情况下,从通电部分的上方,将气泡和电解液导入到分离室中进行分离,从而保证了氯气的及时排出,在防止离子膜干区形成的同时,也不会因为气体的流动引发分离器液面波动,保证了生产的稳定性[8]。
  而在意大利迪诺拉公司的自然循环复极电解槽中,于出口位置增加了独立大容量脱气装置,可以在存在泡沫的情况下实现气液分离。如果出现电源故障,夹带的气体组分被完全分离,离子膜同样可以有足够的液体覆盖;如果流量异常降低,可以在不停车状态,对故障进行排除。
  德国伍德公司出品的复极式自然循环电解槽将阴极液和阳极液的进出口均设置在了单元槽的下方,出口位置有一根PTFE管,从单元槽上部插入,能够将气液导出。而在电解室上部,设置了挡板,可以始终维持电解液液位,确保膜通电部分可以全部浸入到液体中,虽然在实际应用中,阴极室和阳极室最上都有一部分离子膜没有能够浸入液体,不过由于在中间紧贴膜存在PTFE隔层,氢气并不会进入到氯气,氯气也无法与氢氧化钠反应,保证了离子膜的完整性[9]。
  4.3 避免振动,保证安全
  如果在生产过程中,离子膜长期振动,或者左右摇摆的幅度较大,会影响膜的强度,甚至导致膜的破损,因此,在对电解槽进行设计时,应该尽量减少离子膜的振动。
  首先,应该优先选择自然循环,减少电槽压力与压差,降低振动频率,延长莫得使用寿命,如北化机生产的自然循环复极电解槽,以膜极距结构来消除阴阳两级之间的溶液电压降,降低电解槽电压,电流或者电解液流量的变化都不会对压差产生影响,保证了压差的稳定性。其次,应该在电解槽出口位置,设置气液分离器或者溢流方式,保持电槽出口压力稳定,减少膜振动。例如,在北化机公司生产的单极电解槽中,采用了溢流的方式,将气体与液体排出电解槽,配合电解液自然循环,可以将单元槽内部的压力降到最低,延长离子膜的使用寿命。又如,在北化机复极式自然循环电解槽中,在单元槽上部设置气液分离器,配合溢流基本不存在阻力降,也不会因为气体的流动引发液面波动问题。然后,自然循环离子膜带节操内部的压力和流量不高,电解液浓度均匀,依靠气升效应实现自然循环,配合企业分离器以及溢流方式,能够将电槽压力和压差稳定在较低的水平,减少振动问题。最后,强制循环离子膜电解槽同样可以减少离子膜的振动现象,延长其使用寿命,不过如果电解槽压力过高,需要提升电解槽密封的效果,强化操作,否则很容易导致离子膜受损[10]。
  5 结语
  离子膜法电解制备烧碱是当前工业烧碱生产中最为常用的一种工艺技术,有着非常明显的优势,产品纯度好、质量高,生产过程能耗低,也不会产生污染物,是氯碱工业发展的主流方向。而在离子膜法制备烧碱的操作中,电解槽是核心设备,做好电解槽的选择,直接关系著生产的效率和质量。对比国内外多个电解槽产品,在充分考虑成本、效益、环保等因素的情况下,优先选择北化机生产的高电流密度自然循环膜极距复极式离子膜电解槽。
  参考文献
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