離子膜鹽水裝置的精細(xì)化控制

宋偉

(新疆中泰化學(xué)(集團(tuán))阜康能源有限公司，新疆 烏魯木齊 830009)

【鹽 水】

離子膜鹽水裝置的精細(xì)化控制

宋偉*

(新疆中泰化學(xué)(集團(tuán))阜康能源有限公司，新疆 烏魯木齊 830009)

鹽水精制；預(yù)處理；膜過濾器；過濾壓力

介紹新疆中泰化學(xué)(集團(tuán))阜康能源有限公司在粗鹽水精制過程中以精細(xì)化管理為基礎(chǔ)、以技術(shù)創(chuàng)新為抓手，持續(xù)提高工藝裝置的可靠性，保證鹽水裝置穩(wěn)定運(yùn)行率和鹽水質(zhì)量的經(jīng)驗(yàn)。

新疆中泰化學(xué)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡稱“新疆中泰化學(xué)”)本部為建立于1958年的新疆氯堿廠，2001年改制成立股份制公司。目前已形成160萬t/a聚氯乙烯、120萬t/a離子膜法燒堿裝置生產(chǎn)能力，屬生產(chǎn)基本化工原料的氯堿企業(yè)，主營離子膜法燒堿、聚氯乙烯樹脂、鹽酸、次氯酸鈉等化工產(chǎn)品，是自治區(qū)重點(diǎn)企業(yè)之一。新疆中泰化學(xué)阜康能源有限公司(以下簡稱“阜康能源”)循環(huán)經(jīng)濟(jì)60萬t/a燒堿項(xiàng)目中一次鹽水采用預(yù)處理+膜過濾工藝，從項(xiàng)目設(shè)計(jì)及后期運(yùn)行期間以精細(xì)化管理和控制為出發(fā)點(diǎn)對裝置做了一些優(yōu)化創(chuàng)新。從運(yùn)行效果上看，達(dá)到了提高裝置可靠性的目的，鹽水質(zhì)量達(dá)到較好水平。下面就鹽水裝置的運(yùn)行情況予以介紹。

1 鹽水精制工藝

2 預(yù)處理+膜過濾工藝精細(xì)化管理

預(yù)處理+膜過濾工藝的控制核心是預(yù)處理系統(tǒng)，其中包括加壓溶氣系統(tǒng)、三氯化鐵加入系統(tǒng)和預(yù)處理器。

2.1 預(yù)處理器工作原理

2.1.1 預(yù)處理器的結(jié)構(gòu)

預(yù)處理器由鹽水進(jìn)口系統(tǒng)、凝聚攪拌室、凝聚反應(yīng)室、斜板沉降室、沉泥斗、浮泥槽、精鹽水收集室及溢流管、精鹽水匯集槽等組成。從水流分布上可以分為凝聚攪拌區(qū)、凝聚反應(yīng)區(qū)、上折流區(qū)、浮上區(qū)、浮渣區(qū)、穩(wěn)流區(qū)；分別完成粗鹽水與氫氧化鐵充分混合，切向流沖擊固體沉淀物沉淀，凝聚反應(yīng)，浮上、沉降分離，以及溢流匯集等過程。

2.1.2 預(yù)處理器工作原理

預(yù)處理工藝實(shí)際是氣浮法在鹽水工藝中的應(yīng)用，其過程為向反應(yīng)后的粗鹽水中通入空氣，并以從鹽水中析出的微小氣泡為載體，使鹽水中的氫氧化鐵凝聚氫氧化鎂。分解的有機(jī)物黏附在氣泡上，隨氣泡上升到水面，形成氣-鹽水-顆粒混合體，通過拍泥的方式分離雜質(zhì)。

處理過程為粗鹽水進(jìn)入預(yù)處理器凝聚區(qū)，切向進(jìn)入的鹽水在此形成旋流，其攪拌作用使鹽水與三氯化鐵混合均勻，同時(shí)向上的流速使固體不斷被沖擊向上，與鹽水一起向上旋流，進(jìn)入預(yù)處理器內(nèi)的倒錐型凝聚反應(yīng)區(qū)，借助鹽水流速的逐漸下降，完成凝聚反應(yīng)。粗鹽水中的氫氧化鎂等沉淀物與絮凝劑充分接觸，凝聚成大小不等的絮團(tuán)，浮出倒錐殼，進(jìn)入上折流區(qū)。在這個(gè)區(qū)域，水流處于向上轉(zhuǎn)為向下的不規(guī)則過程，然后進(jìn)入浮上區(qū)，此區(qū)水流流速緩慢，浮泥向上浮動；浮泥進(jìn)入浮渣區(qū)浮動匯集，一段時(shí)間后排出，分離掉浮泥的鹽水進(jìn)入斜板沉降區(qū)，鹽水緩慢向下流動，未浮出的固體顆粒在此進(jìn)行沉降，進(jìn)一步被分離出去。分離沉降的鹽泥沿斜板進(jìn)入沉泥斗，富集一段時(shí)間后排出，較大而緊密的絮團(tuán)折返，向下進(jìn)入由倒置錐殼組構(gòu)成的多道上寬下窄的環(huán)形沉降區(qū)。由于通道截面積逐漸縮小，而流速加快，進(jìn)一步得到分離后的鹽水進(jìn)入下折流區(qū)，水流由向下折為向上進(jìn)入澄清區(qū)。錐形結(jié)構(gòu)使鹽水流速逐漸加大，保證了完整分離。經(jīng)桶外圓周圍多個(gè)均布的外接排出管端溢流到環(huán)形集水槽，經(jīng)清液上升管流出。

2.2 影響預(yù)處理器穩(wěn)定運(yùn)行的因素及措施

2.2.1 三氯化鐵加入量及濃度控制

預(yù)處理工藝基本都采用三氯化鐵作為絮凝劑，加入鹽水中的三氯化鐵絮凝劑首先發(fā)生水解反應(yīng)：

此反應(yīng)與溫度、溶液的堿性有關(guān)，F(xiàn)eCl3溶液在pH值為11～12的粗鹽水中生成Fe(OH)3；Fe(OH)3水溶液具有膠體的特性，F(xiàn)e(OH)3表面形成雙電層結(jié)構(gòu)，在堿性溶液中帶負(fù)電荷，會吸附帶正電荷的鈣離子和鎂離子與水不溶物形成膠團(tuán)，發(fā)生聚沉反應(yīng)，主要吸附鎂離子。因?yàn)闅溲趸V的溶解度比氫氧化鈣小，更容易被吸附。這就使絮狀懸浮在水中的氫氧化鎂、氫氧化鈣、水不溶物聚集成較大的顆粒沉降，起到絮凝劑的作用，對降低鹽水中鈣離子和鎂離子濃度效果很好;同時(shí),氫氧化鐵對鹽水中的微量硫化物、少量油污、被次氯酸鈉分解的菌藻類、有機(jī)腐殖酸等都有去除作用。

若三氯化鐵的加入量不足，去除鎂離子和各種雜質(zhì)物質(zhì)不徹底，對二次鹽水、電解離子膜的影響是漸進(jìn)式積累。若三氯化鐵加入量過大，改變了助沉性能，有分散劑的作用，造成預(yù)處理器反渾，加大了三氯化鐵消耗，增加成本。鹽水中鐵離子含量升高，多余的絮凝劑形成的氫氧化鐵膠體隨著鹽水進(jìn)入凱膜過濾器，與未去除的氫氧化鎂膠體黏附在凱膜上，造成過濾周期縮短，過濾壓力升高。三氯化鐵濃度過高或波動，容易造成絮凝劑加入量超標(biāo)，預(yù)處理器反渾，因此要按頻次觀察預(yù)處理器浮泥顏色。在正常情況下，浮泥為土黃色；若顏色發(fā)紅，說明絮凝劑加入過多(隨著顏色的加深預(yù)處理器會出現(xiàn)反渾)；若顏色發(fā)白，說明絮凝劑加入偏少，影響除鎂效果。

對于三氯化鐵的配制，嚴(yán)格控制的配比質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.0%左右，三氯化鐵儲槽內(nèi)液位打至最低液位(即槽容積的10%)時(shí)，方可向儲槽內(nèi)打入新配制的三氯化鐵，并用壓縮空氣進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，使三氯化鐵全部溶解，且每次必須將配制槽內(nèi)的三氯化鐵打完，保證每次配制的三氯化鐵濃度穩(wěn)定。三氯化鐵現(xiàn)場存放量不得超過1 t，并制定三氯化鐵使用臺賬記錄，嚴(yán)格管控三氯化鐵現(xiàn)場存放量和存放環(huán)境，防止失效；按照目前的原鹽質(zhì)量情況，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的三氯化鐵溶液，每100 m3鹽水中加入0.1 m3三氯化鐵溶液，及時(shí)分析監(jiān)控凱膜出口ICP鐵離子含量，防止三氯化鐵加入過多或偏低；同時(shí)還要根據(jù)原鹽質(zhì)量及預(yù)處理器的運(yùn)行效果隨時(shí)調(diào)整三氯化鐵的加入量。如果鹽水的流量過小，會導(dǎo)致三氯化鐵在管線中的流速降低，使三氯化鐵溶液發(fā)生水解后容易堵塞管道。

2.2.2 鹽水濃度及溫度

鹽水濃度及溫度變化的影響主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：①鹽水濃度變化引起密度變化；②鹽水濃度變化引起鹽水中雜質(zhì)含量變化；③鹽水溫度變化引起濃度變化和雜質(zhì)含量變化。鹽水溫度、濃度、密度、雜質(zhì)含量之間相互關(guān)聯(lián)，同時(shí)作用，加劇了預(yù)處理器的反渾。鹽水濃度的變化會引起鹽水密度的變化，密度不同的鹽水進(jìn)入預(yù)處理器會導(dǎo)致鹽水反渾。鹽水濃度波動主要原因是上鹽不及時(shí)、鹽水溫度波動大、切換化鹽桶、鹽水流量波動。上鹽不均勻的情況下，精制劑氫氧化鈉的加入量調(diào)整不及時(shí)還會導(dǎo)致過堿量不穩(wěn)定，影響除鎂效果；同時(shí)還會造成鹽水中氫氧化鎂沉淀的產(chǎn)生量不均勻，預(yù)處理器氣浮不均勻?qū)е骂A(yù)處理器反渾，造成鎂離子含量偏高或超標(biāo)。

在鹽水溫度不穩(wěn)定的情況下，密度差會導(dǎo)致對流的形成，同時(shí)溫度差也會形成傳熱對流，使預(yù)處理器反渾；另外，化鹽的溫差變化過大會造成化鹽不均勻，反而影響鹽水的濃度和雜質(zhì)的含量，進(jìn)而引起鹽水中過堿量、溶氣量、絮凝劑含量的波動，進(jìn)一步加大了預(yù)處理器的反渾。鹽水溫度不能控制得過低，否則影響化鹽速度、鹽水飽和度，同時(shí)也會對鹽水中雜質(zhì)離子的懸浮及沉降產(chǎn)生影響。雜質(zhì)離子沉降速度與懸浮物的密度和清液的密度成正比。溫度低使清液的密度和黏度上升，懸浮物的密度和清液密度之差降低，不利于雜質(zhì)的懸浮及沉降。

在日常的控制和管理過程中，強(qiáng)化上鹽管理，控制鹽層高度的穩(wěn)定。在開停車和季節(jié)變化過程中，嚴(yán)格控制化鹽溫度在63～65 ℃，確保鹽水溫度和鹽水濃度的穩(wěn)定。

2.2.3 過堿量的影響及控制

根據(jù)原鹽質(zhì)量采用配比加入堿，精制劑在鹽水溫度一定的情況下，如果粗鹽水過堿量低，反應(yīng)時(shí)間會適當(dāng)延長；相反，如果粗鹽水過堿量高，反應(yīng)時(shí)間會相應(yīng)縮短。過堿量的穩(wěn)定是鹽水預(yù)處理工序控制的關(guān)鍵。根據(jù)長期以來的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，控制精鹽水中NaOH過量的質(zhì)量濃度為0.2～0.3 g/L，Na2CO3過量的質(zhì)量濃度為0.6～0.7 g/L。為保持精鹽水的過堿量達(dá)標(biāo)，粗鹽水折流槽出口NaOH過量的質(zhì)量濃度為0.2～0.4 g/L，過濾器出口鹽水中Mg2+質(zhì)量濃度在0.01 mg/L以下。原鹽中Ca2+、Mg2+的質(zhì)量濃度分別為0.6 g/L和0.1 g/L，按照常規(guī)操作，只在后反應(yīng)工序除鈣。CaCO3生成量過大，會給凱膜過濾器帶來較大負(fù)擔(dān)，因此，須根據(jù)實(shí)際情況在預(yù)處理器先預(yù)除一部分Ca2+[2]。在正常情況下，化鹽水折流槽Ca2+質(zhì)量濃度為500 mg/L，預(yù)處理出口鹽水的Ca2+質(zhì)量濃度控制在250～300 mg/L。Ca2+含量過低，不利于CaCO3在凱膜表面形成架橋助濾層，造成小顆粒Mg(OH)2絮狀沉淀物直接進(jìn)入膜表面，堵塞膜微孔，升高壓差，縮短過濾周期。出預(yù)處理器鹽水中ρ(Ca2+)∶ρ(Mg2+)為10∶1時(shí)，過濾效果較好。

2.2.4 排泥影響

預(yù)處理器排泥周期長或排泥量不夠，預(yù)處理器上部泥封層越來越厚，清液層下降，容易造成鹽水反渾；排泥過頻繁或排泥過多會破壞預(yù)處理器的泥封層，使泥封層變稀，同樣容易造成鹽水反渾。長期以來，阜康能源根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對于排泥次數(shù)和泥量的控制為后反應(yīng)槽和浮上桶上、下排泥按照每6 h排泥1次，排泥順序?yàn)橄葘Ω∩贤吧吓拍啵缓笤傧屡拍?；為防止在壓泥過程中，過多的Mg(OH)2導(dǎo)致板框?yàn)V餅不易形成，控制鹽泥中的鈣鎂配比，在浮上桶下排后，開始對后反應(yīng)槽排泥。排泥量：根據(jù)浮上桶和后反應(yīng)槽下排泥量控制渣池液位升高5%；浮上桶上排泥過程中必須觀察浮上桶上部的浮泥顏色，檢查上排泥是否徹底，直至浮泥排完為止。嚴(yán)禁通過渣池液位的變化控制浮上桶上排泥量。

2.2.5 原鹽質(zhì)量

阜康能源使用的原鹽分別來自托克遜、和豐、吐魯番、沈宏4個(gè)產(chǎn)地。這4個(gè)產(chǎn)地的原鹽在幾項(xiàng)主要指標(biāo)上存在較大差異，質(zhì)量分析結(jié)果如表1所示(100 g原鹽溶到1 L水中，得到的溶液進(jìn)行分析所得)。

表1 不同產(chǎn)地原鹽雜質(zhì)組分分析結(jié)果

原鹽中鈣離子含量高，會增加除鈣精制劑碳酸鈉的消耗，增大凱膜過濾器的處理負(fù)荷，使一次精鹽水中鈣離子含量升高。原鹽中鎂離子含量高，受預(yù)處理系統(tǒng)的限制，容易造成預(yù)處理器反渾，高鎂鹽水進(jìn)入后反應(yīng)系統(tǒng)，部分被碳酸鈣沉淀包覆，部分微細(xì)氫氧化鎂未被包覆。膜孔徑≤0.5 μm，一般為0.2～0.5 μm，而氫氧化鎂膠體顆粒為納米級，很容易堵塞膜孔，進(jìn)入膜體內(nèi)部，造成凱膜過濾器的過濾壓力上升，進(jìn)而導(dǎo)致過濾器過濾周期縮短，酸洗頻繁，膜使用壽命降低。對于鎂離子含量較高且波動較大的原鹽，其管理重點(diǎn)及核心應(yīng)圍繞預(yù)處理器開展。只有解決好預(yù)處理器的突出問題，才能確保凱膜過濾器的正常運(yùn)行。對于鈣離子含量較高且波動較大的原鹽，其管理重點(diǎn)及核心應(yīng)圍繞凱膜過濾器開展。對于有機(jī)物含量偏高或超標(biāo)的原鹽，應(yīng)以首反應(yīng)為重點(diǎn)，針對原鹽中的硫酸根有單獨(dú)的除硝裝置，在原鹽波動過程中要緊緊抓住問題的核心，強(qiáng)化和細(xì)化原鹽摻混管理，最大化發(fā)揮裝置的處理能力，優(yōu)化工藝指標(biāo)控制，確保鹽水質(zhì)量穩(wěn)定。

3 結(jié)語

隨著氯堿行業(yè)鹽水裝置和工藝的廣泛應(yīng)用，在生產(chǎn)過程中各種問題得到了認(rèn)真的研究和解決，裝置運(yùn)行平穩(wěn)率在提升，確保了鹽水質(zhì)量的穩(wěn)定；同時(shí)也出現(xiàn)了一些影響平穩(wěn)運(yùn)行的新問題，如鹽泥如何高效利用、裝置對原鹽質(zhì)量較差的極端工況條件下處理能力彈性不足等問題，都須通過精細(xì)化控制，不斷加深對裝置的理解，并須研究各種問題之間的相互關(guān)系和規(guī)律，這是精細(xì)化管理的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。

[1] 黃薔蕾,呼世斌.無機(jī)及分析化學(xué)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2004:129-132.

[2] 程殿彬,陳伯森,施孝奎.離子膜法制堿生產(chǎn)技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1998:412-432.

[編輯：費(fèi)紅麗]

Fine control of brine facility for ion-exchange membrane electrolysis

SONGWei,WANGShigang,HUANGXiaohu,QIRuisong,PEIBaoshuai

(Xinjiang Zhongtai Chemical (Group) Fukang Energy Co., Ltd., Urumqi 830009, China)

brine refining; pretreatment; membrane filter; filtration pressure

Xinjiang Zhongtai Chemical (Group) Fukang Energy Co., Ltd. continuously improved the reliability of brine refining facility through fine management of the refining of crude brine and technological innovation, and thus ensured the stable operation of the facility and the quality of brine. The experience was introduced.

*[作者簡介] 宋偉(1985—)，男，工程師，2008年畢業(yè)于新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，現(xiàn)任新疆中泰化學(xué)(集團(tuán))阜康能源有限公司電解車間副主任，曾參與2012年中泰化學(xué)阜康工業(yè)園一期80萬t/a聚氯乙烯樹脂、60萬t/a離子膜法燒堿循環(huán)經(jīng)濟(jì)項(xiàng)目,2013年負(fù)責(zé)阜康能源氯堿廠一、二期膜法除硝裝置由1 500 kg/h擴(kuò)能至2 250 kg/h技改項(xiàng)目，取得國家發(fā)明專利授權(quán)1項(xiàng)、實(shí)用新型專利授權(quán)9項(xiàng)，先后發(fā)表專業(yè)論文17篇，申報(bào)自治區(qū)科技成果和自治區(qū)科技進(jìn)步獎2項(xiàng)。

2016-09-22，王世剛，黃小虎，戚瑞松，裴寶帥

TQ114.261

B

1008-133X(2017)01-0004-04