離子膜電解裝置工藝學習

離子膜裝置工藝知識氯堿分廠張紅瑞2012年3月10日概述電解裝置生產(chǎn)任務(wù)電解裝置工藝流程電解裝置生產(chǎn)原理主要控制指標主要設(shè)備結(jié)構(gòu)關(guān)鍵控制點聯(lián)鎖及聯(lián)鎖說明常見事故案例及處理方法安全知識及案例概述國內(nèi)外電解法制堿技術(shù)主要有三種，隔膜法，水銀法，離子膜法，我公司電解裝置采用的是離子膜法。離子膜制堿技術(shù)是70年代中期出現(xiàn)的，是具有劃時代意義的電解制堿技術(shù)，與隔膜電解制堿和水銀電解制堿相比，已被認為技術(shù)最先進和經(jīng)濟上最合理的生產(chǎn)氫氧化鈉的方法，是當今電解制堿技術(shù)的發(fā)展方向。其主要特點是：1）投資省：離子膜法比水銀法投資節(jié)省約10~15%，比隔膜法節(jié)省約15~25%；2）出槽氫氧化鈉濃度高：隔膜制堿濃度約10~12%，離子膜法制堿濃度為32%左右；3）能耗低，生產(chǎn)成本低：與隔膜法電解制堿相比，節(jié)約能耗約20~25%，與水銀法制堿相比，節(jié)約能耗10~15%；4）氫氧化鈉質(zhì)量好，含鹽低；5）氯氣純度高，氯中含氫、含氧低，氫氣純度高；6）污染小，離子膜法制堿可避免水銀和石棉對環(huán)境的污染；1.電解裝置生產(chǎn)任務(wù)：電解裝置是氯堿生產(chǎn)的核心，其生產(chǎn)任務(wù)是通過離子膜電解槽對二次精制鹽水進行電解，得到我們需要的產(chǎn)品,電解生成的32％的燒堿送往蒸發(fā)工序和燒堿罐區(qū)；生成的濕氯氣、濕氫氣送往氯氫氣處理工序；主要原料是一次鹽水送過來的一次精制鹽水，通過螯合樹脂塔進一步精制后，供電解槽使用。2.工藝流程主要工藝分五個單元二次鹽水精制單元（離子交換樹脂精制）電解單元（電解和電解液循環(huán)）32%堿成品單元氯酸鹽分解單元淡鹽水脫氯單元二次鹽水精制單元氯酸鹽分解單元32%堿成品單元淡鹽水脫氯單元電解單元各單元之間的關(guān)系氯氣

氫氣二次鹽水單元二次鹽水單元主要是將一次精制鹽水溫度加熱至55~65℃，之后進入螯合樹脂塔將鹽水中的鈣鎂除去，鈣鎂＜20ppb。過濾鹽水儲槽過濾鹽水換熱器過濾鹽水泵精鹽水高位槽精鹽水儲槽廢水槽廢鹽水儲槽樹脂捕集器精鹽水泵樹脂塔電解單元電解單元主要是將合格的精鹽水進入電解槽進行電解，在陽極生成氯氣，和未電解的淡鹽水，陰極生成氫氣和32%的氫氧化鈉。陰極液換熱器陰極液高位槽淡鹽水泵陽極液循環(huán)槽陰極液循環(huán)槽燒堿液泵SP-261濕氯氣氣液分離器32%成品堿單元32%成品堿單元是從電解槽陰極出來的32%的堿液根據(jù)需要送至蒸發(fā)裝置或降溫后送至罐區(qū)及其他用堿裝置。32%堿中間罐32%堿中間泵32%堿冷卻器氯酸鹽分解單元氯酸鹽分解單元是將電解槽出來的淡鹽水中含有的氯酸鹽進行分解，防止氯酸鹽對蒸發(fā)及固堿的設(shè)備造成腐蝕。氯酸鹽分解槽氯酸鹽分解泵脫氯淡鹽水加熱器淡鹽水脫氯單元淡鹽水脫氯單元是將電解槽出來的淡鹽水中含有的游離氯進行脫除，滿足化鹽用水及除硝系統(tǒng)的使用。脫氯塔脫氯塔冷卻器真空泵脫氯淡鹽水泵亞硫酸鈉3.生產(chǎn)原理：3.1鹽水二次精制的原理

鹽水二次精制采用陽離子交換樹脂的吸附作用，吸附一次鹽水中的鈣鎂離子。離子交換樹脂是一種螯合樹脂，由苯乙烯-二乙烯基苯的共聚物與磷氨酸的官能團組成。樹脂中的Na+被金屬陽離子置換，方程式如下：

(RCH2NHCH2PO3Na)2Na2+Ca++

(RCH2NHCH2PO3Na)2Ca+2Na+步驟名稱時間流量物料作用步驟1水洗11.0小時純水:41.7m3/H純水:41.7m3置換出樹脂塔中的鹽水步驟2正常反洗0.5小時純水:56.3m3/H純水：28.2m3純水從樹脂塔底部進入，洗掉小樹脂等雜物，疏松樹脂層步驟3HCl再生0.75小時純水：23.3m3/H31%HCl:5.9m3/H純水：17.5m331%HCl:4.4m3用6%的鹽酸進入樹脂塔，將樹脂由Ca型變?yōu)镠型步驟4水洗22.0小時純水：36.5m3/H純水：73m3用純水將樹脂塔中的酸置換干凈，避免堿再生時浪費堿步驟5NaOH再生1.5小時純水：26.5m3/H32%NaOH:2.7m3/H純水：39.8m332%NaOH：4.1m35%的的堿液進入樹脂塔，將H型樹脂再生為Na型共有3臺螯合樹脂塔，2塔串聯(lián)運行，1塔再生，一個周期72小時，48小時運行，24小時再生樹脂塔每再生一步都要記錄一次樹脂層高度，用于觀察樹脂再生情況。正常樹脂體積是在純水反洗狀態(tài)后測量的。實際操作時，樹脂的體積和正常體積相比要縮小10-20%,這是由鹽水(從上向下流)擠壓和吸附多價陽離子引起的。另外一個特點是樹脂的Na型大約是H型的1.2-1.4倍，也就是說在樹脂塔堿再生時體積就會膨脹。步驟6水洗31.0小時純水：35.6m3純水：35.6m3用純水將樹脂塔中的堿置換干凈步驟7等待113.25小時步驟8鹽水填充3.0小時鹽水:17.9m3/H鹽水:53.7m3用合格的精鹽水將樹脂塔中的純水置換完全，避免因純水混入精鹽水中影響進槽鹽水濃度步驟9等待21.0小時總計24.0小時4.設(shè)備結(jié)構(gòu)與運行過程

4.1螯合樹脂塔運行及再生過程3.2電解的原理在直流電作用下，二次精制鹽水進入電解槽陽極室，堿液進入陰極室進行電解，離子膜安裝在陰極和陽極之間,氯氣在陽極室產(chǎn)生，氫氣和燒堿在陰極室產(chǎn)生，反應(yīng)方程式如下：陽極:2Cl-→Cl2+2e-陰極:2H2O+2e-→H2+2OH-方程式:2NaCl+2H2O→2NaOH+Cl2+H2Ｎa+OH―Cl-Ｈ+NaClH2OCl2Ｈ2氯化鈉被電離成鈉離子和氯離子。氯離子在陽極室放電轉(zhuǎn)變?yōu)槁葰?。同時，鈉離子通過離子交換膜移到陰極室。在陰極室，與水電解生成的氫氧根反應(yīng)生成氫氧化鈉，氫離子在陰極表面放電轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃狻?/p>

3.3脫氯的原理脫除游離氯有三種方法：空氣吹除法、真空脫氯法、化學試劑法。一般多采用兩種方法結(jié)合去除游離氯。我公司采用真空脫氯法和化學試劑法，空氣吹除法作為備用，如果真空系統(tǒng)出現(xiàn)問題，則用空氣吹除法去除脫氯塔游離氯，但因混進空氣，故脫氯塔出來的廢氯氣只能去事故氯系統(tǒng)。3.3.1真空脫氯在脫氯塔內(nèi)鹽水溫度70℃，壓力為-60KPa左右時，鹽水將沸騰，氯氣隨著沸騰的氣泡氣液分離，將游離氯脫除。但是氯鹽水中有三種形式：Cl2,HClO,ClO-，這取決于PH值，當鹽水的PH值小于1.8時，Cl2是以氣體形式溶于水中。因此從電解槽出來的淡鹽水，加入適量的鹽酸，將PH調(diào)整至1.0~1.8，進入脫氯塔，除去游離氯。3.3.2化學試劑法經(jīng)過真空脫氯后的淡鹽水中還含有一小部分氯，一般加入NaOH使以氯氣形式存在的游離氯轉(zhuǎn)化為ClO-，再用還原性的化學試劑Na2SO3加以去除。反應(yīng)方程式如下：

Cl2+2NaOHNaOCl+NaCl+H2ONaOCl+Na2SO3Na2SO4+2NaCl+H2O總反應(yīng)：Cl2+2NaOH+Na2SO3Na2SO4+2NaCl+H2O3.4氯酸鹽分解的原理氯酸鹽在溫度為90℃左右，PH值為1.5以下可分解。反應(yīng)方程式如下：NaCLO3+6HCLNaCL+3CL2+3H2O可見，氯酸鹽分解時鹽酸必須過量，才能使氯酸鹽較好的分解。4.主要控制指標二次精制鹽水指標名稱指標名稱指標名稱指標NaCl305±5g/lFe≤20ppbBa≤100ppbCa+Mg≤20ppbNi≤10ppbSr≤100ppbSi≤2.3mg/lSO42-≤5g/lI≤200ppbAl≤20ppbClO3-≤5g/lPH9---11電解槽出口指標名稱指標名稱指標名稱指標NaCl210±5g/lSO42-≤7g/lPH2--5NaOH32±0.5%堿中含鹽＜40ppmCLO3-≤7g/l氯氣純度≥98.5%氫氣純度≥99.9%氯內(nèi)含氫＜0.05%返回淡鹽水指標名稱指標名稱指標名稱指標NaCl210±5g/l游離氯0PH9---11SO42-≤7g/lClO3-＜7g/l5.主要設(shè)備運行及結(jié)構(gòu)旭化成自然循環(huán)復(fù)極離子膜電解槽結(jié)構(gòu)油壓缸鎖定螺母鎖定銷子陽極入口總管軟管側(cè)杠陰極出口總管固定頭陰極端板陽極端板活動頭陽極出口總管尾頭陰極入口總管復(fù)極單元槽離子膜一臺電解槽是由油壓單元，2個陽極端子槽，2個陰極端子槽，166個復(fù)極單元槽，166張離子膜，進出口總管、軟管，及側(cè)杠組成。陽極入口管分散管氣液分離室陰極出口管陽極出口管陰極入口管筋板陽極極網(wǎng)陰極極網(wǎng)支座鋼框架一個復(fù)極單元槽被內(nèi)部復(fù)合隔板分成兩室，即陽極室和陰極室。陽極室的內(nèi)部材質(zhì)是鈦板，防止氯氣的腐蝕，陰極室的內(nèi)部材質(zhì)是鎳板，防止高濃度和高溫度燒堿的腐蝕。復(fù)合隔板的兩側(cè)通過焊接固定了筋板，筋板的上面焊接陽極極網(wǎng)和陰極極網(wǎng)。陽極極網(wǎng)是由涂有特殊金屬的鈦網(wǎng)制成，陰極極網(wǎng)是由涂有特殊金屬的鎳網(wǎng)制成。每個室有進口和出口兩個管口以及頂部的氣體分離器.離子膜根據(jù)材質(zhì)的不同，常用的離子膜有全氟羧酸膜、全氟磺酸膜、全氟磺酸/羧酸復(fù)合膜三種；根據(jù)生產(chǎn)廠家的不同，世界上常用的膜有杜邦膜，旭硝子膜，旭化成膜；我公司使用的是旭化成的F6801膜。旭化成F6801離子膜F-6801膜的正常尺寸為l350x2465mm；是一種全氟磺酸/羧酸復(fù)合膜，膜的運輸溫度為2~50℃，膜在運輸過程中避免與其他物體接觸，避免干燥，避免發(fā)生褶皺。膜存放在裝有2%NaHCO3溶液里。膜安裝注意事項

1.膜的正反面裝反原因＊沒有確認膜的方向（陽陰極）

影響發(fā)生水泡膜的劣化?損傷

（例如）電壓上升

膜裝反進行電解后的后果：整個膜全起水泡電解條件：陽陰極裝反時（磺酸層在陰極側(cè)，羧酸層在陽極側(cè)）

電流密度=4kA/m2,槽溫=90℃,陰極液濃度=32％,

陽極液濃度=205g/l,壓差=0,運行天數(shù)=2在裝膜時會發(fā)生的折皺

用手持膜的兩端站立時，由于膜上部松弛而出現(xiàn)皺褶○×

進行膜的操作時，因沒注意拿好而掉在地上。

將膜貼在陽極時，有皺褶出現(xiàn)但沒注意到，就將陰極一側(cè)合上。

在裝膜時會發(fā)生的折皺

將操作臺上展開的膜移到電槽上時，把膜折疊后運走。

××將操作臺上展開的膜卷到筒上時，在有皺褶的狀態(tài)下卷起來。

××12103312382446322347469111583071456256.關(guān)鍵控制點進螯合樹脂塔鹽水溫度控制為60±5℃因為樹脂的吸附能力隨溫度的升高而增大。在溫度較低時，樹脂含水率較高，過于膨脹，機械強度下降，容易破碎，吸附能力下降，鈣鎂超標；溫度過高時，樹脂結(jié)構(gòu)會受到不可恢復(fù)的破壞，使樹脂失去交換能力，縮短樹脂壽命。鹽水中鈣鎂等金屬離子的含量鈣鎂＜20ppb，超標后會在生成氫氧化鎂、碳酸鈣沉淀，附著在離子膜上，導致槽電壓上升，離子膜電流效率下降。鹽水濃度控制

鹽水濃度一般控制為205~215g/l，如果鹽水濃度低，因磺酸高分子與羧酸高分子的含水率的差別，水滯留在羧酸層與磺酸層之間，在界面產(chǎn)生剝離，使膜產(chǎn)生水泡，膜性能下降，槽電壓上升，電耗增加；羧酸層磺酸層加酸量的控制起泡

羧酸磺酸電解槽加酸必須將PH值控制為2~5之間，如電解槽出口淡鹽水中PH值小于2，則會使膜起水泡，造成膜酸化。電解條件

:電流密度=5kA/m2,陰極液濃度=32%,陽極液濃度=205g/l,H+濃度=0.1N,天數(shù)=3電解槽壓差的控制電解槽壓差一般控制在2~5KPa，如果壓差低，則膜會貼至陰極，造成膜破損。０壓差（ΔP）：（陰極室壓－陽極室壓）正負

壓差不足

膜振動

↓膜磨損

↓針孔異常過大壓差

膜損傷陽極變形針孔

鹽水供給不足

↓電解性能降低

壓差逆轉(zhuǎn)

過大逆壓差

壓差合適

電壓上升

陰極變形針孔

7.聯(lián)鎖及聯(lián)鎖值7.2聯(lián)鎖的分類：1）單槽聯(lián)鎖，是為了保護單臺電解槽在出現(xiàn)異常情況時，及時停止運行。2）系統(tǒng)聯(lián)鎖，在系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時，8臺電解槽全部停止運行。7.1聯(lián)鎖的作用：能在異常情況下，及時停止的電解槽的運行，保護電解槽及離子膜。7.3.1單槽聯(lián)鎖及聯(lián)鎖值：1.FI_231A（精鹽水）流量低于3.8m3/h，聯(lián)鎖投入情況下，延時2秒，停整流器A。2.FI_232A（氫氧化鈉）流量低于設(shè)定5.5m3/h，聯(lián)鎖投入情況下，延時2秒，停整流器A。3.EDIZA_230A（電解槽電壓差）電位差高高1V或低低-1V，聯(lián)鎖投入情況下，延時2秒，停整流器A。4.IIZA_230A（電流指示）電流高于16KA，聯(lián)鎖投入情況下，延時2秒，停整流器A。5.ZV_241A精鹽水閥打開，聯(lián)鎖投入情況下，延時十秒，停整流器A。6.R-230A電解槽重接地故障，聯(lián)鎖投入情況下，延時2秒，停整流器A。7.PDIZA230A氯氫壓差高高或低低聯(lián)鎖投入情況下，延時2秒，停整流器A。7.3.2單槽停后聯(lián)鎖啟動極化整流：1.1#整流器停，聯(lián)鎖投入情況下，F(xiàn)V_231A置為自動，如極化整流器A啟動，SV設(shè)定值置為SV1，33.2m3/h,則SV1保持15分鐘,之后置為SV2，41.5m3/h，保持50分鐘，之后置為SV3，10.5m3/h；如果1#整流器停，兩分鐘后極化整流器A未啟動，F(xiàn)V_231A置為自動，SV設(shè)定值置為SV2，41.5m3/h，50分鐘后SV設(shè)定值置為SV3，10.5m3/h.2.1#整流器停，聯(lián)鎖投入情況下，開ZV_241A精鹽水閥。3.1#整流器停，聯(lián)鎖投入情況下，關(guān)ZV_231A鹽水供給閥。4.1#整流器停，聯(lián)鎖投入情況下，關(guān)FV_211A鹽酸供給閥。5.1#整流器停，聯(lián)鎖投入情況下，F(xiàn)V_232A置為自動，SV設(shè)定值置為16.6m3/h。另：整流器停，啟動極化整流器A，但是R-230A重接地故障，PDIZA230A氯氫壓差高高或低低的情況下，不允許啟動極化整流器A。其它整流器停聯(lián)鎖同上。7.4.1系統(tǒng)聯(lián)鎖：1.LI_270(陰極液循環(huán)槽)液位高于90%，延時一秒，聯(lián)鎖投入情況下，觸發(fā)公用聯(lián)鎖。2.PI_216氯氣壓力高于50KPa，延時一秒，聯(lián)鎖投入情況下，觸發(fā)公用聯(lián)鎖。3.PIZA_217氫氣壓力高于50KPa，延時一秒，聯(lián)鎖投入情況下，觸發(fā)公用聯(lián)鎖。4.PI_226氯氣壓力高于55KPa，延時一秒，聯(lián)鎖投入情況下，觸發(fā)公用聯(lián)鎖。5.PIZA_227氫氣壓力高于55KPa，延時一秒，聯(lián)鎖投入情況下，觸發(fā)公用聯(lián)鎖。6.PDI200氯氫壓差高于10KPa，延時一秒，聯(lián)鎖投入情況下，觸發(fā)公用聯(lián)鎖。7.PDI200氯氫壓差低于-1KPa，延時一秒，聯(lián)鎖投入情況下，觸發(fā)公用聯(lián)鎖。8.YL_103緊急停車，觸發(fā)公聯(lián)鎖。9.YL_100儀表電源故障，觸發(fā)公用聯(lián)鎖。10.PIZA_102儀表空氣低于0.4mpa，延時一秒，聯(lián)鎖投入情況下，觸發(fā)公用聯(lián)鎖。11.氯壓機全停，聯(lián)鎖投入情況下，觸發(fā)公用聯(lián)鎖。12.氫壓機全停，聯(lián)鎖投入情況下，觸發(fā)公用聯(lián)鎖。7.4.2整流器全停聯(lián)鎖1.A-H整流器全停，聯(lián)鎖投入情況下，停所有五臺氫壓機。2.A-H整流器全停，聯(lián)鎖投入情況下，停所有四臺氯壓機。3.A-H整流器全停，聯(lián)鎖投入情況下，開ZV_279氮氣入D-270流量切斷閥，F(xiàn)V_279置為自動，SV置為設(shè)定值。4.A-H整流器全停，聯(lián)鎖投入情況下，關(guān)FV_221純水閥。5.A-H整流器全停，聯(lián)鎖投入情況下，關(guān)FV_265淡鹽水進料閥。6.A-H整流器全停，聯(lián)鎖投入情況下，關(guān)FV_354鹽酸閥。7.A-H整流器全停，聯(lián)鎖投入情況下，開PV_5401A氫氣總管調(diào)節(jié)閥。8.A-H整流器全停，聯(lián)鎖投入情況下，關(guān)ZV_5403氫氣切斷閥。9.A-H整流器全停，聯(lián)鎖投入情況下，開PV_5301氯氣總管調(diào)節(jié)閥。10.A-H整流器全停，聯(lián)鎖投入情況下，關(guān)ZV_5301氯氣切斷閥。11.A-H整流器全停，聯(lián)鎖投入情況下，開HV_5304A/B/C/D氮氣進C-501手動閥。8.常見故障及處理方法1、二次鹽水鈣鎂超標原因：1）再生不好，2）樹脂結(jié)塊解決方法：重新進行下線塔的再生并密切觀察以下內(nèi)容:(1)樹脂高度適當(2)樹脂位差(3)再生過程合格(4)化學品流量和濃度正確.2、二次鹽水PH低原因：鹽酸管線閥門內(nèi)漏解決方法（1）、更換內(nèi)漏閥們。（2）、檢查KV-169-3鹽酸排凈閥門是否在開啟狀態(tài)。4、樹脂塔的壓差增大原因：碎樹脂多，樹脂結(jié)塊解決方法：進行大流量反洗。5、樹脂塔酸再生時酸度低原因：高純鹽酸濃度低，流量低；解決方法：A.測定高純鹽酸濃度；B.檢查高純鹽酸的流量6、陽極液出口pH高于5原因：膜泄漏嚴重解決方法：A進行膜試漏。B更換泄露的膜C檢查陽極和陰極極網(wǎng)7、電位差讀數(shù)的波動原因：A.電流短路B.氯氫氣壓差過低C.接線不好或保險絲燒斷D.在一個或多個單元槽電壓異常升高解決方法：A檢查電槽外部是否有短路現(xiàn)象；B檢查氯氫氣壓力表及控制閥門。C擰緊接線的螺釘,換保險絲。D檢查單元槽及附件8、單元槽電壓比正常低0.08V或更多原因：膜泄漏解決方法：A.進行膜泄漏試驗。B.更換泄漏的膜。C.檢查陽極和陰極極網(wǎng)。9、氯內(nèi)含氫值上升原因：膜泄漏嚴重解決方法：A.進行膜試漏。B.更換泄漏的膜。C. 檢查陽極極網(wǎng)。10、返回淡鹽水含有游離氯原因：1）脫氯PH值調(diào)節(jié)不穩(wěn)定2）亞硫酸鈉加入量不夠處理方法：A、調(diào)節(jié)鹽水脫氯部分PH值B、檢查亞硫酸鈉加入量9.安全知識（一）易燃易爆介質(zhì)1)本工段在電解過程中產(chǎn)生的氫氣是易燃、易爆氣體，當氫氣與空氣混合時，其爆炸范圍在4.1~74.2％(體積)，因此，正常操作時，氫氣應(yīng)保持正壓，在開、停車或檢修時，必須充分充氮予以置換。如遇氫著火，應(yīng)使用二氧化碳或1211滅火器滅火。2)電解過程中產(chǎn)生的氯氣，若因氯氣中含氫量上升會引起爆炸，因此，必須保持氯中含氫≤0.4％。(二)有毒有害介質(zhì)本工段在電解生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氯氣是一種有毒的氣體，空氣中含量到一定濃度就能使人致死，因此，要求做好下列工作：(1)減少跑、冒、滴、漏，嚴保設(shè)備密封性能，空氣中最大氯含量不超過1mg／m3；(2)操作者在崗時必須備有防毒面具，并會正確使用；