零極距離子膜電解槽運行總結(jié)

李春江，劉俊杰

（1.新疆天業(yè)（集團）有限公司，新疆石河子832000；2.天能化工有限公司，新疆石河子832000）

零極距離子膜電解槽運行總結(jié)

李春江1，劉俊杰2

（1.新疆天業(yè)（集團）有限公司，新疆石河子832000；2.天能化工有限公司，新疆石河子832000）

介紹了離子膜法燒堿生產(chǎn)中零極距離子膜電解槽運行的工藝指標及注意事項。

零極距；離子膜；電解槽；運行；氯堿生產(chǎn)

天能化工有限公司(以下簡稱“天能化工”)30萬t/a離子膜裝置于2010年10月投產(chǎn)，核心裝置電解槽采用的是日本旭化成公司的零極距離子膜電解槽，該設(shè)備具有電耗低、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點。天能化工共有10臺零極距離子膜電解槽，每臺電解槽由188臺單元槽組成，現(xiàn)已運行6年。

離子膜電解部分生產(chǎn)流程如下：一次鹽水使用Na2CO3，Mg(OH)2除去大部分鈣鎂離子后，送入螯合樹脂塔二次精制后送至鹽水高位槽，鹽水在高位差的作用下自流進入電解單元槽陽極室，在直流電的作用下，精鹽水電解產(chǎn)生的氯氣和氫氣送至氯氫處理工序，電解出來的淡鹽水送到脫氯塔進行處理，真空脫出的氯氣進入氯氣總管，脫吸后的淡鹽水返回一次鹽水用于化鹽，工藝流程示意圖見圖1。

該公司在實踐中不斷總結(jié)和分析，積累了一些管理和維護零極距離子膜電解槽的方法和經(jīng)驗如下。

圖1 工藝流程示意圖

1 電解槽電壓的控制

1.1 鹽水品質(zhì)控制

二次精制鹽水中的Ca2+、Mg2+、Ni2+、Fe3+等進入電解槽，在離子膜表面形成沉淀，導(dǎo)致槽電壓上升。尤其是Ca2+、Mg2+對槽電壓的影響較大，必須嚴格控制。采用Ca2+、Mg2+在線分析，持續(xù)關(guān)注系統(tǒng)Ca2+、Mg2+含量。

1.2 燒堿濃度控制

燒堿濃度過高，膜中含水量減少，膜電壓上升，同時陰極液電阻增加，槽電壓上升。在保證產(chǎn)品品質(zhì)要求的情況下，燒堿濃度控制要偏低。將燒堿質(zhì)量分數(shù)范圍調(diào)整在(32.00±1)%。經(jīng)過分析和核算，槽電壓在燒堿質(zhì)量分數(shù)達31.3%以后上漲迅速。所以綜合考慮電流效率后，堿液質(zhì)量分數(shù)應(yīng)控制在31.3%。

1.3鹽水濃度控制

淡鹽水濃度要穩(wěn)定控制。淡鹽水濃度過高，膜的含水量減少，導(dǎo)致膜電壓上升。為了安全穩(wěn)定，同時降低槽電壓，將淡鹽水質(zhì)量濃度控制在205～230 g/L。

1.4電解槽溫度控制

電解槽溫度正常控制在85～90℃(具體與負荷有關(guān))，在此范圍內(nèi)溫度上升，槽電壓降低。溫度提高導(dǎo)致膜的孔隙增大，膜的電導(dǎo)率增大，電解液的電導(dǎo)率增大，槽電壓下降。電解槽溫度受外界溫度影響比較大，所以DCS要根據(jù)外界氣溫的變化提前緩慢調(diào)整電解液溫度。升降溫一定要緩慢，否則電壓變化劇烈，且一旦電壓上漲就很難恢復(fù)到之前水平。

1.5 電解槽壓差控制

在允許的范圍內(nèi)，增加壓差有助于電壓下降。壓差增大導(dǎo)致離子膜緊貼在陽極上，電解液的氣體體積縮小能及時將氯氣排出，減少氣泡引起電解液電阻下降，槽電壓降低。將壓差由3.5 kPa調(diào)整至4 kPa[1]。

2 逆向電流的危害及防止措施

2.1 逆向電流的危害

在電解過程中，單元槽從平衡狀態(tài)被極化，分別在陽極和陰極發(fā)生如下電解反應(yīng)：

陽極：2Cl--2e-＝Cl2

陰極：2H2O+2e-＝H2+2OH-

當切斷電流后，單元槽又恢復(fù)到平衡狀態(tài)，但陰陽極液的組成發(fā)生了變化，陽極液中存在(Cl-/Cl2)電對，陰極液中存在(H2+OH-/H2O)電對，并且陰陽極進出口管路中有導(dǎo)電的液體，于是就構(gòu)成了原電池發(fā)生如下原電池反應(yīng)，從而形成反向電流。

陽極：Cl2+2e-＝2Cl-

陰極：H2+2OH--2e-＝2H2O[2]

特別是停車后，由于陽極液中溶解有氯氣，更容易發(fā)生原電池反應(yīng)，產(chǎn)生逆向電流。除了對膜性能有影響外，零極距電解槽中，由于其陰極涂層不是普通的NiO涂層，而是特殊的Ru涂層，而逆向電流極易造成涂層溶解脫落，降低陰極的使用壽命。

2.2 防止逆向電流的措施

(1)使用極化整流器

在電槽停車，主整流器停止的同時，通過極化整流器給電槽一個比較小的正向極化電流，阻止反向電流的產(chǎn)生。極化整流器給電槽的正向極化電流比較小，低電流運行是很危險的，特別是膜后期(膜運行兩三年后)，會造成Cl2中含H2升高，如果運行時間太長，會造成Cl2中含H2超高而爆炸。旭化成公司最早提供的極化整流器運行時間是1 h，后經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，20 min后，Cl2中含H2明顯升高。因此，現(xiàn)在的極化整流器運行時間應(yīng)減少到15 min。如果有的企業(yè)極化整流器的運行時間仍超過20 min，是比較危險的。

(2)陰陽極流量控制

根據(jù)前述反向電流的形成原理，降低反向電流的最有效辦法是盡快置換出陽極室中的Cl2?？梢哉f加大陽極循環(huán)比投入極化整流器更重要。在停車的前65 min，陽極流量越大越好，盡快置換出陽極室中的Cl2；相反，陰極流量越小越好，使H2置換的越慢越好。但要注意，陰極流量過低時，雖然陰極出口軟管處可能出現(xiàn)螢火，但不會出現(xiàn)安全問題。

(3)陽極加酸

對于零極距電槽來說，陽極加酸，即降低陽極液中Cl2的溶解度，這是因為Cl2在水中存在如下平衡：

Cl2+H2O→HCl+HClO

所以，電槽盡早加酸，可保證停車時陽極室中Cl2更容易置換，減小逆向電流。

(4)電槽溫度控制

電槽溫度越高，陽極液中Cl2的溶解度就越低，反向電流就越小。因此，在實際運行中要盡可能保持較高的槽溫，不僅可以減少反向電流，還能降低電壓，獲得更低的電耗。槽溫控制還與膜的性能有關(guān)，要按照膜供應(yīng)商的要求控制槽溫。

3 嚴格控制電解槽加酸酸度及pH值

在電解槽中加酸有如下好處。

(1)降低氯氣中氧含量，提高氯氣純度。

(2)減少對陽極涂層和鈦基體的腐蝕，延長陽極涂層壽命。

(3)提高陽極電流效率，增加氯氣產(chǎn)量。

(4)提高氯氣純度和降低氯中氧含量

(5)提高陽極液中NaCl的濃度，降低陽極液電阻，降低槽電壓。

(6)降低脫氯系統(tǒng)處理的負荷。

(7)減少對墊片的腐蝕(HClO+HCl→Cl2+H2O；NaClO3+HCl→NaCl+Cl2+H2O；NaOH+HCl→NaCl+ H2O)。

(8)減少淡鹽水中的氯酸鹽含量。

(9)減少對蒸發(fā)和固堿設(shè)備的腐蝕，減少成品堿中鐵離子的含量。

(10)減少成品堿中Na2CO3含量(Na2CO3+HCl→CO2↑+H2O+NaCl)。

但如果誤操作造成加酸過量，不僅使膜氫化，槽電壓急劇升高，膜起泡且腐蝕犧牲陽極；酸度太小，使氯中氧含量升高，腐蝕陽極涂層及鈦基體，使陽極壽命縮短。因此，要嚴格控制電解槽陽極液pH值和酸度。

3.1 電解槽加酸應(yīng)注意的問題

(1)在膜運轉(zhuǎn)的不同階段，加酸量是不同的，初期加的少，后期加的多。即使加的酸量足夠，在膜運轉(zhuǎn)的不同階段，氯中氧含量也是不同的，其體積分數(shù)基本是在0.5%～0.8%，因為加的酸能中和掉大部分OH-，還有少部分不能中和(二者比例為6∶1)。隨著膜陰極電流效率的逐漸下降，OH-反滲到陽極室逐漸增多，未被中和的OH-也相應(yīng)增多，故氯中氧含量略有增加。

(2)氯中氧含量與電解槽陽極液pH值呈線性關(guān)系，pH值越高，氯中氧含量就越高，反之亦然。加酸為中和陰極室反滲到陽極室OH-，減少其放電和發(fā)生一系列副反應(yīng)。陰極效率低，要多加酸，提高陽極效率，降低氯中氧含量。但為了防止酸加過量危害膜，要嚴格控制電解槽進口淡鹽水和二次鹽水混合鹽水酸度。

(3)通過酸度計算出的pH值要比真實的高0.5～1.0。因為含量要影響pH值。

4 結(jié)論

零極距離子膜電解槽是整個離子膜裝置的核心設(shè)備，且電耗占生產(chǎn)成本的60%，所以電解槽穩(wěn)定運行非常重要。在日常運行中，要嚴格工藝管理，確保電解槽裝置安全、平穩(wěn)運行。只有保證電解槽穩(wěn)定、長期、高效運轉(zhuǎn)，才能獲得經(jīng)濟效益。

［1］喬進旺，李曉杰.電解槽運行總結(jié).氯堿工業(yè)，2015，51（12）：18-20.

［2］唐必勇.離子膜電解槽停車時反向電流的產(chǎn)生、危害及防止措施.中國氯堿，2013，9：1-6.

Operation summary of zero polar distance sub membrane electrolysis cell

LI Chun-jiang1，LIU Jun-jie2
（1.Xinjiang Tianye（Group）Co.,Ltd.,Shihezi 832000，China；2.Tianneng Chemical Co.,Ltd.,Shihezi 832000，China）

In this paper，the process parameters and the matters needing attention in the operation of the zero polar distance sub membrane electrolysis cell in the production of ion-exchange membrane caustic soda are introduced.

：zero distance；ionic membrane；electrolytic tank；function；chlor-alkali production

TQ114.26+2

：B

：1009-1785(2016)10-0009-02

2016-05-10