復(fù)極式離子膜電解槽工作原理推論及參數(shù)控制

孫中常，胡順程，侯 偉，汪云云，孔繁超

（1.新疆天業(yè)（集團）天偉化工有限公司，新疆石河子832000；2.新疆天業(yè)（集團）天域新實化工有限公司，新疆 石河子832000；3.新疆天業(yè)（集團）天辰化工有限公司，新疆石河子832000）

離子膜電解槽是現(xiàn)代氯堿的核心設(shè)備，提高電解槽的電流效率和使用壽命是氯堿行業(yè)增加收益的重要手段。新疆天業(yè)集團自本世紀(jì)初進入氯堿行業(yè)以來，均以日本旭化成復(fù)極式離子膜電解槽作為氯堿的核心設(shè)備。先后投產(chǎn)生產(chǎn)能力為20 萬t/a PVC 的天域新實化工責(zé)任有限公司、2 個生產(chǎn)能力為40 萬t/a PVC 的天辰和天能化工責(zé)任有限公司，以及生產(chǎn)能力為20 萬t/a 特種樹脂的天偉化工責(zé)任有限公司，并配備與產(chǎn)能相匹配的離子膜燒堿裝置。

1 電解工藝流程

鹽水在樹脂塔后加入高純酸去除一次精制過程中未反應(yīng)的碳酸根離子，充分反應(yīng)后進入鹽水高位槽。鹽水在液位差的作用下自流進入陽極入口總管，并在單槽進口管線上進行二次加酸后，通過陽極入口軟管進入電解槽進行電解。電解槽排出含有飽和氯氣的淡鹽水，經(jīng)氣液分離器進入陽極循環(huán)槽，由泵打到脫氯崗位，進一步脫除淡鹽水中的氯氣，達到工藝要求后去一次精制鹽水崗位再次化鹽。電解槽出來的32%液堿經(jīng)氣液分離器進入陰極循環(huán)槽，由泵打出，一路作為成品液堿去堿分廠，另一路去堿液高位槽經(jīng)純水稀釋后在液位差作用下，作為電解液進入陰極入口總管，再通過陰極入口軟管進入電解槽進行電解。電解槽出來的濕氯氣和濕氫氣經(jīng)過絲網(wǎng)除霧器去氯氫處理崗位。

2 離子膜電解槽的區(qū)分

離子膜電解槽因供電方式不同分為單極式離子膜電解槽和復(fù)極式離子膜電解槽。因為兩者結(jié)構(gòu)不同，電解過程差別也很大。

2.1 復(fù)極式離子膜電解槽的組成

復(fù)極式離子膜電解槽主要由離子膜、槽框、陰陽極進口軟管、陰陽極出口波紋管、陰陽極密封墊及油壓單元組成，氯堿行業(yè)應(yīng)用的離子膜有3 種：全氟羧酸膜、全氟磺酸膜、全氟羧酸/全氟磺酸復(fù)合膜。

槽框分陽極端框、陰極端框及單元框。陽極端框只有一個陽極室，與整流器的正極相連。陰極端框只有一個陰極室，與整流器的負(fù)極相連。單元框由復(fù)合金屬隔板分成陰極室和陽極室，串聯(lián)在陰、陽極端框之間。

每個極室邊緣都貼有與之配套的密封墊，因為橡膠密封墊的間隔，各槽框之間無法形成電流，使電解槽由加熱設(shè)備向電解設(shè)備的完美轉(zhuǎn)變。離子膜夾在陰、陽極密封墊之間，磺酸層面向陽極室，羧酸層面向陰極室。油壓單元給電解槽提供擠壓壓力，起到固定離子膜和防止電解液滲漏的作用。

2.2 單極式離子膜電解槽電解原理

單極式離子膜電解槽的結(jié)構(gòu)與隔膜電解槽的結(jié)構(gòu)相似，并沿襲了傳統(tǒng)電解法，各槽框的電極是并聯(lián)關(guān)系。陽極電極與整流器的正極相連，陰極電極與整流器的負(fù)極相連，離子膜在陰、陽電極之間。整流器將高壓交流電變?yōu)榈蛪褐绷麟?，?dāng)整流器為電解槽供電時，電極在膜兩側(cè)的形成電場。在電場力作用下，陽極室中的氯離子向陽極移動并在陽極釋放電子生成氯氣，反應(yīng)方程式如下：

陽極室中鈉離子在電場力作用下穿過膜進入陰極室，并在陰極得到由整流器流出的電子，生成鈉原子，鈉原子再和水反應(yīng)生成氫氧化鈉和氫氣。反應(yīng)方程式如下：

2.3 復(fù)極式離子膜電解槽工作原理推論

在復(fù)極式離子膜電解槽中陰、陽極網(wǎng)面被視為電解槽的電極，給陰極網(wǎng)面加裝彈性體稱為零極距改造，所以加裝彈性體的復(fù)極式離子膜電解槽也被稱為零極距或膜極距離子膜電解槽。而單元框并不與整流器相連，將網(wǎng)面視為電極確實牽強。

復(fù)極式電解槽中只有陽極端框和陰極端框與電源相連，以端框為電極，在兩端框之間形成電場也能完整地推論整臺復(fù)極式電解槽的電解過程。電解槽電解過程原理推論示意圖見圖1。

圖1 電解槽電解過程原理推論示意圖

在陽極端框中，鈉離子在電場力作用下穿過膜進入相鄰槽框陰極室。氯離子主要向陽極端框的背板方向移動，當(dāng)氯離子定向移動被背板阻止時就會失電子生成氯氣，電子流回整流器的正極。

在單元框的陽極室中，鈉離子在電場力作用下，穿過膜進入相鄰槽框的陰極室。氯離子在電場力的作用下向陽極端框方向移動，當(dāng)氯離子定向移動被隔板阻止時就會失電子生成氯氣，電子通過隔板傳播到陰極室。在單元框的陰極室中的氫氧根離子在電場力作用下向陽極端框方向移動，移動至離子膜附近因為膜對陰離子具有排斥力，阻止了氫氧根離子進入陽極室。鈉離子在電場力作用下向陰極端框方向移動，在隔板上得到氯離子失去的電子，生成鈉原子，鈉原子再和水反應(yīng)生成氫氧化鈉和氫氣。在陰極端框中鈉離子在電場力作用下，向陰極端框的背板方向移動，并得從整流器流出的電子生成鈉原子，鈉原子再和水反應(yīng)生成氫氧化鈉和氫氣。

結(jié)合復(fù)極式離子膜電解槽獨特的構(gòu)造和特殊供電方式，將陽極端框和陰極端框視為電極似乎更合理，因為隔板附近是復(fù)極式電解槽運行時陰、陽離子的富集區(qū)，是電解過程發(fā)生的主要場所。陰、陽極網(wǎng)面的作用是降低電解槽在開停車操作和升降電流時電解液波動對離子膜造成的機械沖擊。

3 復(fù)極式離子膜電解槽運行的重要參數(shù)

電解槽在生產(chǎn)中主要控制的工藝參數(shù)有：陰極液溫度、配堿水流量、陽極入口酸度及陽極出口酸度。

3.1 控制陰極液溫度和配堿水流量的目的

要嚴(yán)格控制電解槽陰極液溫度和配堿水流量，進入電解槽的液堿濃度越小、溫度越高，羧酸層含水率越高，對陰離子的排斥力越小。進入電解槽的液堿濃度越大、溫度越低，羧酸層含水率越低，膜電阻越大，鈉離子穿過膜所受的阻力就會增大，槽電壓就會上升。溫度太高還會加速離子膜老化，縮短離子膜使用壽命，增加生產(chǎn)成本。

3.2 控制陽極入口酸度的目的

（1）抑制陽極室的副反應(yīng)

隨著離子膜運行時間的增加，離子膜會自然老化出現(xiàn)針孔，陰極室中的氫氧根離子會通過針孔進入陽極室，如果沒有足夠的酸中和這些氫氧根離子，會使陽極室顯堿性，高溫條件下堿與氯氣生成氯酸鈉，反應(yīng)方程式如下：

陽極系統(tǒng)中的氯酸鹽具有較強的氧化性，會腐蝕管道、機泵、及鹽水二次精制所用的螯合樹脂，增加了設(shè)備維護成本，降低了設(shè)備和物料的使用壽命。

（2）增加氯氣純度

在氧化還原反應(yīng)中氫氧根離子的失電子能力僅次于氯離子，電解過程中部分氫氧根離子也會失電子，生成水和氧氣反應(yīng)方程式如下：

生成的氧氣會降低氯氣純度，影響氯化氫合成時氯氣和氫氣的配比，使氯化氫含水量升高，氯化氫純度降低，氯中含氧升高還會威脅生產(chǎn)的安全進行。

控制陽極出口酸度的目的是因為在酸性環(huán)境下會加速離子膜的老化速度，使膜的韌性降低，機械強度變差，陰、陽極系統(tǒng)壓力不穩(wěn)和頻繁地開停車會使老化的膜針孔快速增加，膜阻擋氫氧根離子的能力下降，大量氫氧根離子通過針孔進入陽極室，要中和氫氧根離子就要增加陽極系統(tǒng)的二次加酸量，增加的酸進一步加速離子膜的老化速度。因此在實際生產(chǎn)中一定要根據(jù)離子膜的運行狀況，及時調(diào)整陽極入口酸度，盡量使電解槽在較低的陽極出口酸度下運行，以增加離子膜使用壽命。

4 結(jié)語

復(fù)極式離子膜電解法經(jīng)過幾十年的發(fā)展，自動化程度越來越高，在安全生產(chǎn)、環(huán)境保護和生產(chǎn)工藝等方面已經(jīng)非常成熟。只有不斷學(xué)習(xí)、不斷總結(jié)才能跟得上國際先進潮流，才能使中國氯堿行業(yè)健康成長。