CEC电解槽操作手册(最终版)

11总则：此文件为电解工序的操作说明，电解工序由离子膜电解槽、整流器及相关辅助设备组成，此工序产品为32％碱液，Cl2和H2。下列设备的操作，维护及安全防护都将遵照货物提供方的要求：●整流器●行车（Z-2001）●泵●仪表●极化整流器。22电解基本原理：在离子膜电解槽中发生下述电化学反应，消耗超精制盐水，生成碱液。在阳极室内，NaCl分解，NaCl＝Na+＋Cl-阳极反应为Cl－的氧化生成Cl2，2Cl-＝Cl2＋2e－阳极室中Na+与水穿过膜进入阴极室，阴极室内水发生下列电解反应。2H2O+2e-=H2+2OH-阴极反应为H+的还原为H2同时生成OH-。Na+与OH-化合成NaOH。Na++OH-=NaOH总反应为：2NaCl＋2H2O＝2NaOH＋Cl2＋H2纯水加入到循环碱液中以调节阴极室中的碱液浓度。淡盐水与Cl2一同从阳极室溢出。碱液与H2一同从阴极室溢出，循环碱稀释后又进入阴极室。图1描述了上述电化学反应。由于在操作中部分Cl-由膜渗入到阴极室，阴极液总是含有少量盐。一般来说，膜的电流效率越低，阴极液含盐越高。OH-的反渗透，即OH-穿过膜，决定了Na+透过膜的数量的减少。电场能加快OH－由阴极室到阳极室的反渗透。电流效率的减少，对于阳极和阴极，都表现为OH－的减少。随着阳极液中OH-浓度的上升，电流效率降低。因此，所生产的碱液其浓度受到限制，一般为32－35％，具体浓度取决于所采用的膜。新膜只允许少量的OH-与Cl-透过，实际上随膜的老化，OH-与Cl-等阴离子的泄漏会越来越多，导致电流效率的下降。由于下列反应的发生使得阴极液pH升高：电化学副反应：●H2O分解生成O2H2O＝1/2O2＋2H+＋2e-化学副反应：●Cl2溶解；Cl2（g）＝Cl2（aq）―――――――――――――――（1）●游离氯分解：Cl2（aq）＋H2O＝HClO（aq）＋H+＋Cl-―――――（2）●HClO的分解；HClO（aq）＝ClO－＋H+――――――――――――――（3）●（2）与（3）给出下列反应：Cl2（aq）＋H2O＝ClO－＋2H+＋Cl-―――――――――――（4）●ClO3的生成：32HClO（aq）＋ClO－＝ClO3＋2Cl-＋2H+―――――――――――（5）●（4）与（5）给出下列反应：3Cl2（aq）＋3H2O＝ClO3－＋5Cl-＋6H+――――――――――（6）●由阳极室反渗透过来的OH-与H+发生中和反应。H＋＋OH-＝H2O●超精制盐水中Na2CO3与H+反应生成盐与CO2，导致Cl2不纯：Na2CO3＋2HCl＝2NaCl＋H2O＋CO2NaHCO3＋HCl＝NaCl＋H2O＋CO2通常NaOH电流效率为94－97％，Cl2电流效率为92.5－97％，阴极H2电流效率为100％。H2与Cl2在阴极室和阳极室分别生成。由该电解反应的吉布斯自由能改变能求出电极电压，以及离子膜的电压降见下表。组成电压分解电压2.25液体连接0.06阳极过电压0.04阴极过电压0.13离子膜电压降0.33溶液电压降0.02气体效应＋结构电阻电压降0.23总电压3.06在4.0KA/m2，90℃，32％NaOH上述总电压为新装电解槽的阴极端和阳极端的总电压降。下列情况会使电能消耗增加，电压降增大。●活性阳极恶化●活性阴极恶化●超精制盐水中杂质对阳极表面覆盖●超精制盐水中的杂质导致膜电阻升高。●O2生成使得电流效率降低3电解槽概述43.1规格（1）型号：BiTAC®-868（2）离子膜：Flemion（氟莱米昂）8020（3）单元槽数：68个（4）阳极有效面积：3.276M2×68（5）阳极：DSA®（6）阴极：活性阴极（7）电流负荷：16.22KA（最大17KA）（8）电流密度：4.95KA/m2（9）重量（空电解槽）：18.2吨（10）重量（运行）：31.5吨（11）电解槽数：2套3.2结构BiTAC®－868由一个阳极端框，67个复极槽框，一个阴极端框，和一套拉杆组成。在阴极室和阳极室之间有68张离子膜和特殊橡胶垫，如图2所示。由于减少了电解槽部件及其重量很轻，使得组装和拆卸都极易进行。3.3电解槽回路：电解槽厂房设计布置4台BiTAC®-868离子膜电解槽，并且先安装2台BiTAC®-868离子膜电解槽。一个电解槽回路由一台电解槽和一台整流器，一主变通过母排连接组成。整流器－主变能供应直流电进行化学反应。从整流器正极送出的直流电通过电解槽阳极端，复极式单元，和阴极端，回到整流器负极。见母排布置图。为避免杂散电流，电解槽必须与地绝缘。每个电解槽由支撑架，该支撑架和单元槽的支脚采用特氟隆垫板绝缘。除此之外，支撑架还通过垫在下面的4个绝缘瓷瓶和地绝缘。一台电解槽由68个单元槽组成，整流器合闸送出直流电后，正极和负极之间的电压差估计在210V。整流器自流正极对地电位差为＋105V。随着电流流经电槽单元时对地电位差降低，在此回路中点时电位差为0。然后电位差再降低，在整流器直流负极时，电位差为－105V。因为每个单元槽有不同的单槽电压，回路中点，不很重要。图3是一台整流器的回路排列和典型的电位差。3.4电解槽的特点电解槽及膜是电解工序的关键设备。所以我们推荐的是CEC最新研制的BiTAC电解槽，由东槽和CEC共同开发的。5（1）低电耗：BiTAC具有低的结构电压降，均一的电流分布，高性能的活性阴极，使得该电解槽具有耗电低的优点。所有阴极材料为Ni，电流通过Ni导通而不是Ti，因为Ni的电导率为Ti的6倍。（2）高电流密度运行由于具有低结构电压降，在电解槽中电解液有很好的混合效果，气体容易分离，BiTAC槽的电流密度可以运行在5KA/m2，甚至6KA/m2。由于在高电密下操作，BiTAC用户可以减少电解槽的数量，进一步可减少电解厂房面积。（3）HCl添加系统正常操作下Cl2中含O2为1－2％，若客户要求Cl2中含O2更低，则必须加入HCl。由于BiTAC采用了外部的阳极液循环系统，HCl添加很容易控制。一方面HCl的加入有效地减少了副产物的产生，同时降低了NaCl的分解消耗和Cl2的损失。（4）易维护性由于BiTAC配件很少和很轻的重量，使得电解槽组装与拆卸更容易和快捷。当组装和拆卸时不必将电解槽运到维护区。（5）电解槽材料更耐用BiTAC结构坚固，使用的是耐腐蚀材料。阳极由Ti组成，阴极由Ni组成，确保电解槽长期稳定操作。（6）溢流方式在BiTAC电解槽中，气体和电解液在每个复极式单元槽框上部，然后溢流出电解室的气液区分离，几乎没有压力波动，如图5所示。阴极液和阳极液液面始终维持在每个单元槽框上部的气液分离区，因此膜就不会暴露在气体中。溢流方式有以下优点：由于膜完全浸在电解液中，使得Cl2和膜直接接触而造成的膜的电化学和物理老化不会发生；若膜出现针孔，由于采取溢流方式，使得H2和碱液几乎不会渗透到阳极室，也就不会出现Cl2中含H2高的危险，以及其他对阳极的危害；由于单元槽内无压力波动，也就避免了对膜的物理损害。因此，溢流方式确保膜长期运行。（7）可视流体不象内部管道系统那样，BiTAC采用的是透明的特氟隆管道来输送溢流的气体和电解液。通过这种管道，工人可以目测每一个单元槽的溢流情况。如果膜有损害出现，通过下列观察，很容易发现异常情况。6特氟隆管道里的Cl2颜色通常为黄色，若颜色变白，则表示碱液通过膜上的针孔进入阳极，与Cl2反应生成NaClO，减少了碱液的溢流。由于进槽盐水或碱液中断，使得淡盐水和碱液溢流中断或减少，也很容易发现。（8）电解液的超均匀分布由于BiTAC电解槽复极单元被设计成凹凸部分交替组成，这就使得电解液进入电解槽后分布均匀，电解液浓度保持均一，具体结构见图6。（9）防止电流泄漏的对策BiTAC的支管是树脂的，长进料管是特氟隆的，以及防腐蚀电极和电槽厂房电解液总管的最优化设计避免了电流的泄漏。4设计描述74.1工艺描述（1）阳极液系统来自二次盐水精制工序的超精制盐水，叫做SPB，通过循环盐水支管，进到电解槽进料总管分配至每个阳极室，在阳极室分解成Cl2和Na+。SPB的流量由FICA-2002-01/02控制。淡盐水与湿氯气的两相混合流体从每个阳极室出口溢流并在出口支管中分离为淡盐水与产品Cl2。淡盐水自流至阳极液接受槽（V－2001）。将HCl加入到V2001的淡盐水中以进行酸化。同时Cl2被送至Cl2处理工序。从V2001出来的淡盐水分成两部分：一部分回电解槽循环，另一部分去脱氯塔（T-1601）。纯水，叫做WD，在停车时加入纯水去稀释阳极液防止盐结晶；开车时为满足膜的需要而加入纯水调整阳极液浓度。（2）阴极液系统循环碱液经过碱液换热器（E-2001）供应至进口支管分配到阴极室，在阴极室阴极反应使H2O分解为H2和OH-。循环碱液流量受FICA-2008－01/02的控制。碱液与H2两相流体从每个阴极室出口溢流并在出口支管中分离为H2与碱液。碱液自流至循环碱液贮槽（V-2002）。从V2002出来的碱液分成两部分：一部分成品碱液由冷却器（E－2002）冷却到40℃后送至界区外。一部分碱液循环回电解槽，为维持电解槽操作温度在85－90℃，碱液换热器（E-2001）对循环碱液进行加热或冷却。碱浓度受碱液密度分析仪（AIA-2006）的监测，为使膜的性能达到最佳，通过加入纯水以使碱浓度达到32％。开车时，碱液换热器用来加热进入电解槽的电解液，以缩短达到满负荷电流运行的时间而不必过多增加槽电压。H2在溢流管内分离然后送往H2处理工序。H2压力维持在比Cl2压力高350土20mmH2O。（3）物料和热平衡物料和热量平衡计算是按如下条件下作出的：a生产能力76.25吨/天（100％NaOH）b年运行时间8000小时c电解槽数量2d每台电解槽单元槽数量68单元槽e碱液电流效率96.5％f水迁移数4mol水/mol阳离子g阳极液浓度200土10g/l（NaCl）h阴极液浓度32％i操作温度80－90℃84.2仪表和控制系统4.2.1SPB（1）流量控制：为使盐水流量稳定，在超精制盐水管线上装配了具有高低报警功能的流量控制器（FICA-2002-01/02）。（2）流量显示：如果超精制盐水的供应受到干扰，此时继续电解会使阳极液NaCl浓度降低，当降低到膜允许的下限时，就会对膜造成损坏。因此，为避免由于盐水中断造成的膜损坏，流量显示器会在流量超低时给一个低低报警，此时DCS联锁会停相应的整流器。整流器的跳闸延迟时间为180秒。（3）管线接地：在进槽盐水管线都安装了一个由Ti+DSA（MA-2001-A/B）组成的接地装置，以防止金属材料的电化学腐蚀，同时避免由于杂散电流引起的流量显示器的指示错误。（4）盐水稀释：现场流量表FG-2004用于监测纯水的流量，以及当电解槽维护时适当稀释阳极液。4.2.2循环盐水（1）流量控制：安装有带低位报警功能的循环盐水流量控制显示器（FICA-2015）。（2）止逆保护：淡盐水泵停时，为防止循环盐水倒流和阳极液的泄出，在泵的出口安装了止逆阀。为避免在止逆阀坏的情况下液体倒流，当两台泵P-2001A/B都停时，DCS联锁将关闭流量控制阀（FV-2015）。（3）混合：为使循环盐水和SPB很好的混合，在进槽盐水管线上安装了静态混合器（MS-2001-A/B）。4.2.3进槽碱液（1）流量控制：为使碱液流量稳定，在碱液管线上安装了具有高低报警功能的流量控制器（FICA-2008-01/02）。（2）流量显示：如果进槽碱液的供应受到干扰，电解槽内碱液分布不良使得碱液供应失衡，过高或过低的浓度都会对膜造成损坏。因此，为避免造成膜损坏，流量显示器会在流量超低时给一个低低报警，此时DCS联锁会停相应的整流器。整流器的跳闸延迟时间为300秒。产品碱流量由流量累计仪表（FRQ-2012）显示和计量。当循环碱液贮槽（V-2002）超高或P2002A/B全停时，DCS联锁关闭流量控制阀。（3）管线接地：在进槽碱液管线和回流碱液总管都安装了由Ni（MA-2004-A/B）9组成的接地装置，以防止金属材