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1、离子膜装置工艺知识,氯碱分厂张红瑞2012年3月10日,概述电解装置生产任务电解装置工艺流程电解装置生产原理主要控制指标主要设备结构关键控制点联锁及联锁说明常见事故案例及处理方法安全知识及案例,概 述 国内外电解法制碱技术主要有三种，隔膜法，水银法，离子膜法，我公司电解装置采用的是离子膜法。离子膜制碱技术是70年代中期出现的，是具有划时代意义的电解制碱技术，与隔膜电解制碱和水银电解制碱相比，已被认为技术最先进和经济上最合理的生产氢氧化钠的方法，是当今电解制碱技术的发展方向。其主要特点是：1）投资省：离子膜法比水银法投资节省约1015%，比隔膜法节省约1525%；2）出槽氢氧化钠浓度高：隔膜制碱
2、浓度约1012%，离子膜法制碱浓度为32%左右；3）能耗低，生产成本低：与隔膜法电解制碱相比，节约能耗约2025%，与水银法制碱相比，节约能耗1015%；4）氢氧化钠质量好，含盐低；5）氯气纯度高，氯中含氢、含氧低，氢气纯度高；6）污染小，离子膜法制碱可避免水银和石棉对环境的污染；,1.电解装置生产任务：,电解装置是氯碱生产的核心，其生产任务是通过离子膜电解槽对二次精制盐水进行电解，得到我们需要的产品,电解生成的32的烧碱送往蒸发工序和烧碱罐区；生成的湿氯气、湿氢气送往氯氢气处理工序；主要原料是一次盐水送过来的一次精制盐水，通过螯合树脂塔进一步精制后，供电解槽使用。,2.工艺流程主要工艺分五个
3、单元二次盐水精制单元（离子交换树脂精制）电解单元（电解和电解液循环）32%碱成品单元氯酸盐分解单元淡盐水脱氯单元,二次盐水精制单元,氯酸盐分解单元,32%碱成品单元,淡盐水脱氯单元,电解单元,各单元之间的关系,氯气 氢气,二次盐水单元,二次盐水单元主要是将一次精制盐水温度加热至5565，之后进入螯合树脂塔将盐水中的钙镁除去，钙镁20ppb。,过滤盐水储槽,过滤盐水换热器,过滤盐水泵,精盐水高位槽,精盐水储槽,废水槽,废盐水储槽,树脂捕集器,精盐水泵,树脂塔,电解单元,电解单元主要是将合格的精盐水进入电解槽进行电解，在阳极生成氯气，和未电解的淡盐水，阴极生成氢气和32%的氢氧化钠。,阴极液换热器
4、,阴极液高位槽,淡盐水泵,阳极液循环槽,阴极液循环槽,烧碱液泵,SP-261湿氯气气液分离器,32%成品碱单元,32%成品碱单元是从电解槽阴极出来的32%的碱液根据需要送至蒸发装置或降温后送至罐区及其他用碱装置。,32%碱中间罐,32%碱中间泵,32%碱冷却器,氯酸盐分解单元,氯酸盐分解单元是将电解槽出来的淡盐水中含有的氯酸盐进行分解，防止氯酸盐对蒸发及固碱的设备造成腐蚀。,氯酸盐分解槽,氯酸盐分解泵,脱氯淡盐水加热器,淡盐水脱氯单元,淡盐水脱氯单元是将电解槽出来的淡盐水中含有的游离氯进行脱除，满足化盐用水及除硝系统的使用。,脱氯塔,脱氯塔冷却器,真空泵,脱氯淡盐水泵,亚硫酸钠,3.生产原理：
5、3.1盐水二次精制的原理 盐水二次精制采用阳离子交换树脂的吸附作用，吸附一次盐水中的钙镁离子。离子交换树脂是一种螯合树脂，由苯乙烯-二乙烯基苯的共聚物与磷氨酸的官能团组成。树脂中的Na+被金属阳离子置换，方程式如下：(RCH2NHCH2PO3Na)2Na2+Ca+(RCH2NHCH2PO3Na)2Ca+2 Na+,共有3台螯合树脂塔，2塔串联运行，1塔再生，一个周期72小时，48小时运行，24小时再生,树脂塔每再生一步都要记录一次树脂层高度，用于观察树脂再生情况。正常树脂体积是在纯水反洗状态后测量的。实际操作时，树脂的体积和正常体积相比要缩小10-20%,这是由盐水(从上向下流)挤压和吸附多价
6、阳离子引起的。另外一个特点是树脂的Na型大约是H型的1.2-1.4倍，也就是说在树脂塔碱再生时体积就会膨胀。,4.设备结构与运行过程 4.1螯合树脂塔运行及再生过程,3.2电解的原理 在直流电作用下，二次精制盐水进入电解槽阳极室，碱液进入阴极室进行电解，离子膜安装在阴极和阳极之间,氯气在阳极室产生，氢气和烧碱在阴极室产生，反应方程式如下：,阳极:2Cl-Cl2+2e-阴极:2H2O+2e-H2+2OH-方程式:2NaCl+2H2O 2NaOH+Cl2+H2,氯化钠被电离成钠离子和氯离子。氯离子在阳极室放电转变为氯气。同时，钠离子通过离子交换膜移到阴极室。在阴极室，与水电解生成的氢氧根反应生成氢
7、氧化钠，氢离子在阴极表面放电转变为氢气。,3.3脱氯的原理 脱除游离氯有三种方法：空气吹除法、真空脱氯法、化学试剂法。一般多采用两种方法结合去除游离氯。我公司采用真空脱氯法和化学试剂法，空气吹除法作为备用，如果真空系统出现问题，则用空气吹除法去除脱氯塔游离氯，但因混进空气，故脱氯塔出来的废氯气只能去事故氯系统。,3.3.1真空脱氯 在脱氯塔内盐水温度70，压力为-60KPa左右时，盐水将沸腾，氯气随着沸腾的气泡气液分离，将游离氯脱除。但是氯盐水中有三种形式：Cl2,HClO,ClO-，这取决于PH值，当盐水的PH值小于1.8时，Cl2是以气体形式溶于水中。因此从电解槽出来的淡盐水，加入适量的盐
8、酸，将PH调整至1.01.8，进入脱氯塔，除去游离氯。,3.3.2化学试剂法 经过真空脱氯后的淡盐水中还含有一小部分氯，一般加入NaOH使以氯气形式存在的游离氯转化为ClO-，再用还原性的化学试剂Na2SO3加以去除。反应方程式如下：Cl2+2NaOH NaOCl+NaCl+H2O NaOCl+Na2SO3 Na2SO4+2NaCl+H2O总反应：Cl2+2NaOH+Na2SO3 Na2SO4+2NaCl+H2O,3.4氯酸盐分解的原理 氯酸盐在温度为90左右，PH值为1.5以下可分解。反应方程式如下：NaCLO3+6HCL NaCL+3CL2+3H2O 可见，氯酸盐分解时盐酸必须过量，才能使
9、氯酸盐较好的分解。,4.主要控制指标二次精制盐水指标,电解槽出口指标,返回淡盐水指标,5.主要设备运行及结构,旭化成自然循环复极离子膜电解槽结构,油压缸,锁定螺母,锁定销子,阳极入口总管,软管,侧杠,阴极出口总管,固定头,阴极端板,阳极端板,活动头,阳极出口总管,尾头,阴极入口总管,复极单元槽,离子膜,一台电解槽是由油压单元，2个阳极端子槽，2个阴极端子槽，166个复极单元槽，166张离子膜，进出口总管、软管，及侧杠组成。,阳极入口管,分散管,气液分离室,阴极出口管,阳极出口管,阴极入口管,筋板,阳极极网,阴极极网,支座,钢框架,一个复极单元槽被内部复合隔板分成两室，即阳极室和阴极室。阳极室的
10、内部材质是钛板，防止氯气的腐蚀，阴极室的内部材质是镍板，防止高浓度和高温度烧碱的腐蚀。复合隔板的两侧通过焊接固定了筋板，筋板的上面焊接阳极极网和阴极极网。阳极极网是由涂有特殊金属的钛网制成，阴极极网是由涂有特殊金属的镍网制成。每个室有进口和出口两个管口以及顶部的气体分离器.,离子膜,根据材质的不同，常用的离子膜有全氟羧酸膜、全氟磺酸膜、全氟磺酸/羧酸复合膜三种；根据生产厂家的不同，世界上常用的膜有杜邦膜，旭硝子膜，旭化成膜；我公司使用的是旭化成的F6801膜。,旭化成F6801离子膜,F-6801膜的正常尺寸为 l350 x 2465mm；是一种全氟磺酸/羧酸复合膜，膜的运输温度为250，膜在
11、运输过程中避免与其他物体接触，避免干燥，避免发生褶皱。膜存放在装有2%NaHCO3溶液里。,膜安装注意事项1.膜的正反面装反,原因,没有确认膜的方向（阳阴极）,影响,发生水泡 膜的劣化损伤（例如）电压上升,膜装反进行电解后的后果：整个膜全起水泡,电解条件：阳阴极装反时（磺酸层在阴极侧，羧酸层在阳极侧）电流密度=4kA/m2,槽温=90,阴极液浓度=32,阳极液浓度=205g/l,压差=0,运行天数=2,在装膜时会发生的折皱,用手持膜的两端站立时，由于膜上部松弛而出现皱褶,进行膜的操作时，因没注意拿好而掉在地上。将膜贴在阳极时，有皱褶出现但没注意到，就将阴极一侧合上。,在装膜时会发生的折皱,将操
12、作台上展开的膜移到电槽上时，把膜折叠后运走。,将操作台上展开的膜卷到筒上时，在有皱褶的状态下卷起来。,12,10,3,31,2,38,24,46,32,23,47,4,6,9,11,1,5,8,30,7,14,56,25,6.关键控制点,进螯合树脂塔盐水温度控制为605 因为树脂的吸附能力随温度的升高而增大。在温度较低时，树脂含水率较高，过于膨胀，机械强度下降，容易破碎，吸附能力下降，钙镁超标；温度过高时，树脂结构会受到不可恢复的破坏，使树脂失去交换能力，缩短树脂寿命。盐水中钙镁等金属离子的含量 钙镁20ppb，超标后会在生成氢氧化镁、碳酸钙沉淀，附着在离子膜上，导致槽电压上升，离子膜电流效率
13、下降。,盐水浓度控制 盐水浓度一般控制为205215g/l，如果盐水浓度低，因磺酸高分子与羧酸高分子的含水率的差别，水滞留在羧酸层与磺酸层之间，在界面产生剥离，使膜产生水泡，膜性能下降，槽电压上升，电耗增加；,羧酸层,磺酸层,加酸量的控制,起泡,羧酸,磺酸,电解槽加酸必须将PH值控制为25之间，如电解槽出口淡盐水中PH值小于2，则会使膜起水泡，造成膜酸化。,电解条件:电流密度=5kA/m2,阴极液浓度=32%,阳极液浓度=205g/l,H+浓度=0.1N,天数=3,电解槽压差的控制 电解槽压差一般控制在25KPa，如果压差低，则膜会贴至阴极，造成膜破损。,压差（P）：（阴极室压 阳极室压）,正
14、,负,压差不足,膜振动 膜磨损 针孔,异常过大压差,膜损伤阳极变形针孔 盐水供给不足 电解性能降低,压差逆转,过大逆压差,压差合适,电压上升,阴极变形针孔,7.联锁及联锁值,7.2联锁的分类：1）单槽联锁，是为了保护单台电解槽在出现异常情况时，及时停止运行。2）系统联锁，在系统出现异常情况时，8台电解槽全部停止运行。,7.1联锁的作用：能在异常情况下，及时停止的电解槽的运行，保护电解槽及离子膜。,7.3.1单槽联锁及联锁值：1.FI_231A（精盐水）流量低于3.8m/h，联锁投入情况下，延时2秒，停整流器A。2.FI_232A（氢氧化钠）流量低于设定5.5m/h，联锁投入情况下，延时2秒，停
15、整流器A。3.EDIZA_230A（电解槽电压差）电位差高高1V或低低-1V，联锁投入情况下，延时2秒，停整流器A。4.IIZA_230A（电流指示）电流高于16KA，联锁投入情况下，延时2秒，停整流器A。5.ZV_241A精盐水阀打开，联锁投入情况下，延时十秒，停整流器A。6.R-230A电解槽重接地故障，联锁投入情况下，延时2秒，停整流器A。7.PDIZA230A氯氢压差高高或低低 联锁投入情况下，延时2秒，停整流器A。,7.3.2单槽停后联锁启动极化整流：1.1#整流器停，联锁投入情况下，FV_231A置为自动，如极化整流器A启动，SV设定值置为SV1，33.2m3/h,则SV1保持15
16、分钟,之后置为SV2，41.5 m3/h，保持50分钟，之后置为SV3，10.5 m3/h；如果1#整流器停，两分钟后极化整流器A未启动，FV_231A置为自动，SV设定值置为SV2，41.5m3/h，50分钟后SV设定值置为SV3，10.5 m3/h.2.1#整流器停，联锁投入情况下，开ZV_241A精盐水阀。3.1#整流器停，联锁投入情况下，关ZV_231A盐水供给阀。4.1#整流器停，联锁投入情况下，关FV_211A盐酸供给阀。5.1#整流器停，联锁投入情况下，FV_232A置为自动，SV设定值置为16.6 m3/h。另：整流器停，启动极化整流器A，但是R-230A重接地故障，PDIZA
17、230A氯氢压差高高或低低的情况下，不允许启动极化整流器A。其它整流器停联锁同上。,7.4.1系统联锁：1.LI_270(阴极液循环槽)液位高于90%，延时一秒，联锁投入情况下，触发公用联锁。2.PI_216氯气压力高于50KPa，延时一秒，联锁投入情况下，触发公用联锁。3.PIZA_217氢气压力高于50KPa，延时一秒，联锁投入情况下，触发公用联锁。4.PI_226氯气压力高于55KPa，延时一秒，联锁投入情况下，触发公用联锁。5.PIZA_227氢气压力高于55KPa，延时一秒，联锁投入情况下，触发公用联锁。6.PDI200氯氢压差高于10KPa，延时一秒，联锁投入情况下，触发公用联锁。
18、7.PDI200氯氢压差低于-1KPa，延时一秒，联锁投入情况下，触发公用联锁。8.YL_103紧急停车，触发公联锁。9.YL_100仪表电源故障，触发公用联锁。10.PIZA_102仪表空气低于0.4mpa，延时一秒，联锁投入情况下，触发公用联锁。11.氯压机全停，联锁投入情况下，触发公用联锁。12.氢压机全停，联锁投入情况下，触发公用联锁。,7.4.2整流器全停联锁1.A-H整流器全停，联锁投入情况下，停所有五台氢压机。2.A-H整流器全停，联锁投入情况下，停所有四台氯压机。3.A-H整流器全停，联锁投入情况下，开ZV_279氮气入D-270流量切断阀，FV_279置为自动，SV置为设定值
19、。4.A-H整流器全停，联锁投入情况下，关FV_221纯水阀。5.A-H整流器全停，联锁投入情况下，关FV_265淡盐水进料阀。6.A-H整流器全停，联锁投入情况下，关FV_354盐酸阀。7.A-H整流器全停，联锁投入情况下，开PV_5401A氢气总管调节阀。8.A-H整流器全停，联锁投入情况下，关ZV_5403氢气切断阀。9.A-H整流器全停，联锁投入情况下，开PV_5301氯气总管调节阀。10.A-H整流器全停，联锁投入情况下，关ZV_5301氯气切断阀。11.A-H整流器全停，联锁投入情况下，开HV_5304A/B/C/D氮气进C-501手动阀。,8.常见故障及处理方法,1、二次盐水钙镁
20、超标原因：1）再生不好，2）树脂结块解决方法：重新进行下线塔的再生并密切观察以下内容:(1)树脂高度适当(2)树脂位差(3)再生过程合格(4)化学品流量和浓度正确.2、二次盐水PH低原因：盐酸管线阀门内漏解决方法（1）、更换内漏阀们。（2）、检查KV-169-3盐酸排净阀门是否在开启状态。,4、树脂塔的压差增大原因：碎树脂多，树脂结块解决方法：进行大流量反洗。5、树脂塔酸再生时酸度低原因：高纯盐酸浓度低，流量低；解决方法：A.测定高纯盐酸浓度；B.检查高纯盐酸的流量6、阳极液出口pH高于5 原因：膜泄漏严重解决方法：A进行膜试漏。B 更换泄露的膜 C 检查阳极和阴极极网,7、电位差读数的波动原
21、因：A.电流短路B.氯氢气压差过低C.接线不好或 保险丝烧断D.在一个或多个单元槽电压异常升高解决方法：A 检查电槽外部是否有短路现象；B 检查氯氢气压力表及控制阀门。C拧紧接线的螺钉,换保险丝。D 检查单元槽及附件,8、单元槽电压比正常低0.08V或更多原因：膜泄漏解决方法：A.进行膜泄漏试验。B.更换泄漏的膜。C.检查阳极和阴极极网。9、氯内含氢值上升原因：膜泄漏严重解决方法：A.进行膜试漏。B.更换泄漏的膜。C.检查阳极极网。,10、返回淡盐水含有游离氯 原因：1）脱氯PH值调节不稳定2）亚硫酸钠加入量不够 处理方法：A、调节盐水脱氯部分PH值B、检查亚硫酸钠加入量,9.安全知识（一）易
22、燃易爆介质1)本工段在电解过程中产生的氢气是易燃、易爆气体，当氢气与空气混合时，其爆炸范围在4.174.2(体积)，因此，正常操作时，氢气应保持正压，在开、停车或检修时，必须充分充氮予以置换。如遇氢着火，应使用二氧化碳或1211灭火器灭火。2)电解过程中产生的氯气，若因氯气中含氢量上升会引起爆炸，因此，必须保持氯中含氢0.4。,(二)有毒有害介质 本工段在电解生产过程中产生的氯气是一种有毒的气体，空气中含量到一定浓度就能使人致死，因此，要求做好下列工作：(1)减少跑、冒、滴、漏，严保设备密封性能，空气中最大氯含量不超过1mgm3；(2)操作者在岗时必须备有防毒面具，并会正确使用；(3)如遇有大
23、量氯气泄露时，无需留在岗位的人员应迅速向上风向撤离；(4)吸入少量氯气可服用解氯药水。吸入大量氯气中毒的，应立即将患者移至新鲜空气处并送医院诊治。,(三)强腐蚀介质1本装置电解生产的32%烧碱浓度高，具有强腐蚀性，其他介质如高纯盐酸，含氯淡盐水，都具有强腐蚀性，对人都会造成伤害，如灼伤、眼睛失明等，因此必须做到：(1)穿戴必须的防护用品，检修时必须戴好防护眼镜、手套和安全帽；(2)检修前，设备、管道必须先放空、清洗，确认无物料时才能拆开检修；(3)如遇32%碱溅入皮肤、眼睛时，应立即用大量冷水或硼酸水冲洗，严重者应在上述冲洗措施的同时立即送医院治疗。2.强腐蚀还来自于杂散电流，杂散电流易引起设
24、备、管道的电腐蚀，因此，必须要有较好的断电装置，设备、管道应采用防腐材质。,(四)强电流 电解过程中使用的是强大的直流电，我公司运行电流为14500A，易使人触电身亡。因此要求：(1)操作人员必须穿绝缘靴；(2)严格执行单手操作，一手接触电槽时，另一手不能接触接地物品，以防触电；,案例：,案例一：电解槽着火事故 某公司电解装置碱液管道微漏碱液致使碱液溅到铜排上，铜排瞬间放弧，碱液管道泄漏释放氢气，造成电解槽着火，10分钟后工人发现，保持电解槽正压同时扑灭火焰。启示：避免电解槽碱液管道及氢气管道泄漏。,案例二：碱液灼伤事故 某公司电解装置在启动烧碱液泵时未检查到位，未关闭泵出口压力表底部排净阀，致使在启泵后，泵出口压力大，软管甩碱至操作工腿上及脚上，造成大面积的轻度灼伤。启示：烧碱液腐蚀性强，操作时认真负责，做好防护措施。,案例三：氯气管道爆炸 某公司氯碱分厂电解装置至氯氢处理装置氯气管道发生严重爆炸事故，检查发现离子膜泄漏严重，氯内含氢超过0.4%，导致氯气管道爆炸。启示：严格控制氯内含氢，如发现离子膜泄露严重，立即停车更换。,谢 谢 祝大家周末愉快！,
