离子膜电解工序培训教材

重庆天原化工有限公司离子膜电解工序培训教材编写：审核：重庆天原化工有限公司二○○六年十月重庆天原化工有限公司离子膜电解培训教材1第一章概述第一节电解槽介绍一、电槽规格1类型：BiTAC®-8882离子膜类型：Flemion“8020”（F8020）3单元槽数量：884阳极有效面积：3.276m2×885阳极：DSA®6阴极：活性阴极7额定电流：14.795kA(Max最大.17.8kA)8额定电流密度：4.516kA/m2(Max.5.4kA/m2)9重量（净重）：大约22.5吨/槽10重量（运行重量）：大约39.7吨/槽11电解槽数量：4台二、结构BiTAC®-888由一个阳极端框、87个中框和一个阴极端框通过一套拉杆组合而成。在阳极使和阴极室间装备88张离子膜，以及特殊的垫片。见如下插图BiTAC®槽容易并且能快速装配和解体，这是因为电解槽部件少，重量较轻。三、电解槽电回路4台套BiTAC®-888型离子膜电解槽和4个独立的回路。4台电解槽设计成一个电解槽回路，按4行布置，通过母排连接到一台整流变压器上，该整流变压器可提供用于电化学反应的直流电。来自整流器正极的电流通过电解槽阳极端框、中框和阴极端框回到整流器的负极。电解槽回路和地面作电气隔离，避免电流漂移。每台电解槽安装在侧梁上,单元槽支架重庆天原化工有限公司离子膜电解培训教材2和侧梁间用特氟隆制垫片隔离。此外，在侧梁上还安装有4个绝缘垫，确保和大地的绝缘。在电解槽回路上有88个单元槽，整流器正负极接线端子的直流电额定电位差为280V，来自整流器正极侧的DC(直流)接线端子的电流和大地间的电位差为140V，电流到达下一个单元槽，与大地的电位差降低，在回路的中性点，电压为0，然后电位开始递减，在整流器DC(直流)接线端子的负极为负140V。回路的中性点可能会漂移，因为每台单元槽有一个单元电位差。四、电解槽的特性在装置中，离子膜电解槽是关键设备，采用CEC（氯工程公司）新型的BiTAC®电解槽。1、能耗低2、高电流密度运行3、原料盐水添加HC14、方便的维护5、电解槽的耐用材料6、溢流形式对于BiTAC®电解槽，在每个中框的上方设置了分离空间，气体和电解液在其中被分离，以较低压力波动的溢流方式从单元室流出。因此，需维持每个单元槽上部空间阳极液和阴极液的液位，并且离子膜不得暴露在气相中。7、流体可视8、上部电解液的分布均匀9、防止漏电的措施BiTAC®采用特殊设计的树脂制成的分歧管，防止漏电，特氟隆制的原料管较长。单元槽厂房内电解液总管采用了电腐蚀防护，并作最佳设计。第二节生产原理重庆天原化工有限公司离子膜电解培训教材3一、概述本装置采用了日本CEC公司的BiTAC®888高电密自然循环复极式电解槽，界区包括过滤盐水二次精制、电解和脱氯等工序。盐水的二次精制采用三塔运行工艺，切换和再生由现场PLC控制盘实行自动控制。电解槽采用的离子膜为日本旭硝子8020磺酸羧酸复合膜，具有槽电压低、适应高电流密度运行（达到6.0KA/m2）的特点，电解槽采用了独特的结构，波纹状的阴阳极室，将常见的隔板和导电筋板结合在一起，改善了电解槽内部的循环，保证了电解液浓度的均匀。脱氯工序采用了真空脱氯＋化学脱氯的工艺，脱氯及氯酸盐分解所产生的氯气进入氯气总管。二、基本原理（一）盐水二次精制原理由于过滤盐水中还含有少量的金属阳离子如Ca２+、Mg２+等，会沉积于膜表面或内部，堵塞离子膜的交换通道，造成槽电压上升，电流效率下降，因此，必须对过滤盐水进行二次精制，除去金属离子，满足离子膜电解槽的要求。盐水的二次精制采用了螯合树脂吸附的方法，螯合树脂结构为苯乙烯—二乙烯基苯共聚物作为母体的氨基磷酸基官能团、亚胺基乙酸、亚胺二乙酸基、胺基磷酸型等，苯乙烯—二乙烯基苯共聚物作为母体的氨基磷酸基官能团它的堆比重0.1—0.3g/ml，总容量1.3N/l，其化学式为：RCH2NHCH2PO3Na2，树脂中的钠易被金属离子特别是二价阳离子所取代，难易程度顺序为Cu２+＞Pb２+＞Zn２+＞Ca２+＞Mg２+＞Ni２+＞Ba２+＞Na+。例如2RCH2NHCH2PO3Na2+Ca2+→（RCH2NHCH2PO3）2CaNa2+2Na+螯合树脂吸附阳离子后可以用盐酸及烧碱再生，再生方法是将盐酸用脱盐水稀释至4%后送入树脂塔再生，达到再生时间后，用脱盐水冲冼，分析再生合格后，再用5%NaOH再生，目的是使树脂转型，方法与酸相同。其反应方程式如下：（RCH2NHCH2PO3）2CaNa2+4HCl→2RCH2NHCH2PO3H2+CaCl2+2NaClRCH2NHCH2PO3H2+2NaOH→RCH2NHCH2PO3Na2+2H2O三塔运行的模式，即二塔串联运行，在运行一定时间后，主塔离线进行再生。三塔运行顺序如下：（二）电解基本原理在一台离子交换膜电解槽中，超纯盐水发生下列主要的电化学反应来生成烧碱（NaOH）。时间第一塔第二塔再生塔（脱机）0—24T—1501AT—1501BT—1501C24—48T—1501BT—1501CT—1501A48—72T—1501CT—1501AT—1501B72—96T—1501AT—1501BT—1501C重庆天原化工有限公司离子膜电解培训教材41、在阳极室，氯化钠在盐水中离解以离子状态存在，反应方程式如下：NaC1→Na++C1-阳极主要的反应是阴离子Cl-氧化成气态的Cl2。2C1-→C12+2e阳极室的阳离子Na+携带部分水通过离子交换膜到达阴极室。2、阴极室中的水被电解，阴极的主要反应是阳离子H+还原生成了产品H2，同时生成氢氧根离子，钠离子Na+和OH-结合生成NaOH。反应方程式如下：2H2O+2e→H2+2OH-Na++OH-→NaOH3、总的电化学反应方程式为：2NaCl+2H2O→2NaOH+Cl2↑+H2↑离子膜电解采用了磺酸羧酸复合膜，离子交换膜的膜体中有活性基团，由带负电荷的固定离子如SO3-、COO-，与一个带正电荷的对Na+形成静电健。由于磺酸基团具有亲水性，能使离子膜在溶液中溶胀，膜体结构变松，形成许多细微弯曲的通道，使其活性基团中的对Na+可以与水溶液中的同电荷的Na+进行交换。同时膜中的活性基团中固定离子具有排斥Cl-和OH-的特性，从而制成高纯度的氢氧化钠溶液。在运行期间，阳极液中会有部分Cl-离子通过离子交换膜渗透到阴极室，生成少量的盐。通常情况下，离子膜的电流效率较低，阴极室生成的盐就会较高。在电解期间，由于电场的作用，OH-从阴极室反迁移到阳极室，电解槽电流效率降低，阳极和阴极的效率都会降低，直接损失OH-。在循环NaOH管道中加入脱盐水，以调节阴极室的烧碱液浓度。从阳极中放出含有Cl2的淡盐水。从阴极室中放出含有H2的成品烧碱液。用脱盐水稀释循环烧碱液，然后返回进入阴极室。由于阴极液OH-浓度升高，电流效率会降低，因此，成品NaOH的浓度是有限度的，根据采用的离子膜类型，一般为32～35wt%。新安装的离子膜允许携带少量OH-和Cl-的Na+通过，但是，随着离子膜运行时间的增长，离子膜会出现老化，阴离子通过离子膜泄漏量将增加，引起电流效率下降和阳极液PH升高，见下列电极反应方程式。（1）H2O被氧化生成氧气。H2O→1/2O2(g)+2H++2e-4、电解过程主要付反应（1）氯气不分解C12(g)↔C12(aq)Eq.(1)（2）游离氯在水中离解C12(aq)+H2O↔HClO(aq)+H++Cl-Eq.(2)（3）次氯酸的离解HClO(aq)↔ClO-+H+Eq.(3)（4）反应式(2)和(3)相加重庆天原化工有限公司离子膜电解培训教材5C12(aq)+H2O↔2H++C1O-+C1-Eq.(4)（5）C1O3-的产生2HClO(aq)+OCl-↔ClO3-+2H++2Cl-Eq.(5)（6）反应式(4)和(5)相加3C12(aq)+3H2O↔C1O3-+6H++5C1-Eq.(6)（7）H+和阴极室反迁移过来的OH-发生中和反应H++OH-→H2O（8）超纯盐水中的碳酸钠和阳极液中的H+作用，生成盐和二氧化碳，可能会影响氯气的纯度。Na2CO3+2HC1→2NaC1+H2O+CO2NaHCO3+HC1→NaC1+H2O+CO2在阳极室生成氯气的电流效率为92.5-97%时，正常的烧碱阴极电流效率为94~97%。在阴极室生成氢气的电流效率一般接近100％。当氯气和氢气分别在阳极室和阴极室产生时，Gibbs（吉布斯）自由能转变为电极反应，作用于电极，离子交换膜的分解电压降如下：名称电压（V）分解2.25液体接触0.06阳极过电压0.04阴极过电压0.13离子膜0.33溶液0.02气泡效应＋结构0.23电阻降总电压3.06在4.0kA/m2,90℃,32wt%NaOH当电解槽新装配后，上述总电压显示的是阳极和阴极接线端子间的电压。引起电压降损失的电压消耗如下：（1）阳极活性衰减（2）阴极活性衰减（3）阳极表面被超纯盐水中的杂质覆盖（4）因为超纯盐水杂质的污染，离子膜电阻增大（5）产生的氧使电流效率下降（三）脱氯及氯酸盐分解基本原理1、淡盐水脱氯本装置采用真空脱氯加化学处理的工艺。从离子膜电解槽出来的淡盐水含有游离氯，以二种形式存在。一部分是溶解氯，其溶解量与淡盐水的温度、浓度、溶液上部的气相分压有重庆天原化工有限公司离子膜电解培训教材6关。另一部分是阴极室OH-返迁移到阳极室进行副反应消耗的氯，其反应量与返迁移OH-浓度有关，电流效率越低，返迁移的OH-越多，生成的ClO-也越多。在进脱氯塔前加入一定量的盐酸，利用同离子效应的原理，使平衡向有利于氯气解析出来的方向移动，解析出来的氯气用脱氯真空泵抽出并入氯气总管，反应方程式为：HClOClHClOH22经过真空脱氯后的淡盐水仍含有少量的氯气，这些残余的氯气用亚硫酸钠和少量的碱进行中和，反应方程式为：OHSONaNaClSONaNaOHCl242322222、氯酸盐分解盐水在电解过程中会产生氯酸盐(NaClO3)，它是电解生产中不允许的副产物。氯酸盐产生的速率受电解槽运行的电流效率影响。原料盐水含NaClO3过高对离子膜性能会产生危害。因此，原料盐水NaClO3的含量一般控制在20g/l以下。装置中氯酸盐分解过程按照下列二个反应方程式进行上述反应式中，哪一个优先发生要视运行条件而定，不管怎样，反应式（1）应优先选择，因为反应式（2）会产生有危害性的ClO2气体。有必要依照下列条件减少反应式（2）的产生。(1)提高反应温度(2)提高过量酸浓度但是，反应式（2）不可能完全避免，也不可能完全分解。第二章原辅材料规格一、原材料规格1、主要原材料(1)名称：过滤精盐水(2)相态：液体(3)主要成分NaCl：300~315g/lSO42-：5~8g/lNaClO3：≤2g/lNaOH：0.2~0.3g/lNa2CO3：0.4~0.6g/lCa+Mg(折Ca)：≤1.0mg/lSr：≤0.3PPmSiO2：≤5PPmBa：≤0.1PPmI：≤0.2PPmAl：≤0.1PPmFe：≤0.1PPmNi：≤0.01PPmMn：≤0.01PPm游离氯：检不出有机物(asTOC)：≤10PPmSS：≤1.0PPm)2........(212)1.........(..........3362223223OHClClONaClHClNaClOOHClNaClHClNaClO重庆天原化工有限公司离子膜电解培训教材7(4)PH：约,11(5)供给压力最大：200kPaG最小：150kPaG(6)供给温度：约50℃二、主要化学品规格1、亚硫酸钠(1)名称：亚硫酸钠(2)成份(wt%)Na2SO3：≥96Fe：≤0.005游离碱（以Na2CO3计）：≤0.4透明度(mm)：≥50(3)状态：粉状(4)供给方式：袋装2、烧碱(NaOH)(1)成份NaOH：≥32%杂质：离子膜碱级含Fe＜0.3PPm(2)供给压力(kPaG)：200(3)供给温度(℃)：环境温度3、高纯盐酸(HC