离子膜主控工艺规程和操作法

1离子膜主控工艺规程和操作法1.范围本标准规定了化工公司氯碱车间离子膜生产装置的工艺规程和操作法。本标准适用于化工公司氯碱车间离子膜主控。本装置包括盐水二次精制、电解、淡盐水脱氯等工序。2.生产任务离子膜主控的生产任务是以盐水工序的一次盐水为生产原料，再经过鳌合树脂塔吸附其中的钙镁等离子，制成二次盐水（也称超精制盐水），然后送往离子膜电解槽，二次盐水在直流电的作用下进行电解，生成氯气、氢气、32%的烧碱，32%的碱液被送往成品碱液灌区，氯气送往氯处理工序，氢气送往氢处理工序，淡盐水经过脱除游离氯后送至盐水工段进行配水。3.原料和产品性质3.1原料的性质盐水二次精致工序所需的一次盐水的主要技术规格如下：NaCl：300～310g/lSO42-≤7g/lCa2++Mg2+≤1mg/lSr2+≤3.5ppm游离氯：无NaClO3：≤2g/lBa2+：≤0.5ppmFe：≤0.2ppmAl：≤0.1ppmNⅠ：≤0.01ppmMn：≤0.01ppmⅠ：≤0.2ppmSⅠO2：≤5ppmSS：≤1ppm所需的高纯盐酸的技术规格如下：HCl：≥31%游离氯：无Fe3+：≤0.3ppmCa2++Mg2+：≤0.3ppm所需高纯水的主要技术规格如下：电导率：﹤1×10-5Ω-1cm-1SⅠO2﹤0.1ppmFe：﹤0.3ppm3.2产品的性质3.2.1二次盐水2二次盐水的技术规格如下：NaCl：300～310g/lSO42-≤7g/lCa2++Mg2+≤0.02ppmSr2+≤0.05ppm游离氯：无NaClO3：≤2g/lBa2+：≤0.5ppmFe：≤0.2ppmAl：≤0.1ppmNⅠ：≤0.01ppmMn：≤0.01ppmⅠ：≤0.2ppmSⅠO2：≤5ppmSS：≤1ppm3.2.232%烧碱从离子膜电解槽出来的碱液浓度在32%左右，含盐在40（wt）ppm下，并含有少量的氯酸盐、三氧化二铁等杂质，其中氯酸根离子对蒸发设备有危害，所以要严格控制氯酸盐的含量。a)烧碱是白色或略带颜色的固体，分子量为40，比重约2.13（20℃～40℃），易溶于水，随温度的升高其溶解度明显增加。烧碱能腐蚀人的皮肤，其溶解度越高腐蚀度越高，对人眼的伤害尤为严重。烧碱是基本的化工原料，广泛应用于轻工业、纺织工业、冶金、化工等各部门，在国民经济中占有重要地位。b)烧碱的化学性质烧碱是强碱性物质，其化学性质极为活泼，可使石蕊指示剂变蓝、酚酞指示剂变红。烧碱水溶液与酸作用生成盐和水：NaOH+HCl→NaCl+H2O………………………………（1）与酸性物质作用生成盐和水：2NaOH+CO2→Na2CO3+H2O…………………………（2）与卤素作用生成盐和水：NaOH+Cl2→NaClO+NaCL+H2O……………………（3）3.2.3氯气a)氯气的物理性质氯气是重要的化工原料，其分子式为Cl2，分子量为70.906，气体颜色为黄绿色，液体颜色为黄色或微橙色的透明体，对人的眼睛和呼吸系统具有强烈的刺激作用。能溶于水，其溶解度随温度的升高而降低。b)氯气的化学性质氯属卤族元素,化学性质极为活泼,除惰性气体及碳、氮等元素外，几乎可以与各种元素直接化合。氯也能与许多化合物起反应，因此在自然界中以游离态存在的氯是极少的，大多数以无机物的形式存在。氯气与金属作用生成氯化物：2Ag+Cl2→AgCl…………………………………………（4）氯气与金属作用，在有水存在时可生成盐酸，从而加速对金属的腐蚀：32Fe+3Cl2→2FeCl3………………………………………（5）完全干燥的氯或氯液在常温下几乎不与金属作用，但是与钛则不然，钛与湿氯气不反应，而与干燥的氯则剧烈燃烧。TⅠ+xCl2→TⅠCl2+TⅠCl3+TⅠCl4……………………………（6）可以与水作用：氯微溶于水，在9.6℃以下能生成水合物Cl2•8H2O，因此氯气冷却是要特别注意。3..2.4氢气a)氢气的物理性质氢气的分子式为H2，分子量为2.016，在标准状态下不易溶于水。b)氢气的化学性质氢能自然，但不能燃烧，在常温与氧化合缓慢，但在800℃以上火点燃时，能发生剧烈爆炸，生成水。H2+O2→H2O…………………………………………（7）氢具有很强的还原性，能还原许多氧化性物质。CuO+H2→Cu+H2O…………………………………(8)氢和氧混合的爆炸极限为4.5%～95%（体积比）。氢和空气的爆炸极限为4.1%～74.2（体积比）。4生产原理4.1基本原理4.1.1盐水二次精制工序从盐水工段来的一次盐水中的Ca2、Mg2+、Sr2+等离子可以被螯合树脂选择性的吸附，而已吸附的饱和树脂可用HCl、NaOH进行再生，从而使树脂达到反复使用的目的。螯合树脂处理主要有吸附、脱吸、再生三个过程。4.1.2电解工序Donnon膜理论阐明了具有固定离子的离子膜有排斥外界溶液中某一离子的能力。在电解氯化钠水溶液所使用的阳离子交换膜的膜体中有活性基团，它是由带负电荷的固定离子如SO3-、COO-，同一个带正电荷Na+形成静电、键所形成。由于璜酸基团具有亲水性能，而使膜在溶液中溶胀，膜体结构变松，从而形成许多微细弯曲的管道，使其活性基团中的对离子Na+可以与水溶液中的同电荷的Na+进行交换。与此同时膜中的活性基团中固定离子具有排斥Cl-和OH-的能力，从而获得高纯度的氢氧化钠溶液。水化钠离子从阳极室透过离子膜迁移到阴极室时，水分子也伴随着迁移。此外，还有少量的Cl-扩散移动到阴极室，少量的OH-则由于受阳极地吸引而迁移到阳极室。4.1.3淡盐水脱氯工序由于电解所产生的淡盐水同时有Cl2（溶解氯）NaClO（水化反应）、ClO-(离解反应)和H+存在，它们之间存在如下的化学平衡：Cl2+H2O→HclO+H++ClO-………………………………（9）HClO→H++ClO-…………………………………………（10）脱氯就是破坏上述平衡关系，使反应向着生成Cl2的方向进行。为了把溶液中的氯气析出，除增加溶液的酸度外，还要不停的降低液体表面的分压，才能达到目的。但是此种方法是用破坏化学平衡和相平衡的方法去除游离氯的，并不能完全脱去，所以剩下的游离氯还需要用化学方法去除，即通过加碱液和亚硫酸钠来去除。4.2反应中所进行的主反应和副反应4.2.1电解工序4在离子交换膜电解槽中发生下列电化反应，从而消耗二次盐水，生产出烧碱。在阳极室内氯化钠在盐溶液中电解，反应式如下：NaCl→Na++Cl-………………………………（11）阳极反应的基本原理是阴离子Cl-被氧化生成Cl2。2Cl-→Cl2+2e…………………………………………（12）阳极室的阳离子Na+随着水透过离子交换膜迁移到阴极室。水在阴极室内被电离，反应式如下：2H2O+2e→H2+2OH—……………………………………（13）阴极反应的基本原理是阳离子H+被还原为H2，并产生OH-阳离子Na+与2OH—结合生成NaOHNa++OH—→NaOH……………………………………(14)整个电化反映概括如下:2NaCl+2H2O→2NaOH+Cl2+H2…………………（15）电化学副反应H2O被氧化产生O2H2O→1/2O2(g)+2H++2e………………………………（16）化学副反应Cl2溶解（非电离）Cl2（g）＝Cl2(aq)………………………（17）游离Cl2溶于水Cl2(aq)+H2O＝HClO(aq)+H++Cl-………………………………（18）次氯酸分解HClO(aq)＝ClO-+H+………………………………（19）由反应（18）和（19）得出下面反应：Cl2(aq)+H2O＝2H++Cl-+ClO—………………………………（20）ClO—3的生成2HClO(aq)+ClO-＝ClO—3+2H++2Cl-………………………………（21）由反应（19）（20）和（21）得出下面反应：3Cl2(aq)+3H2O＝ClO—3+6H++5Cl-………………………………（22）副反应产生的H+由阴极液反向迁移的OH—进行中和：H++OH—＝H2O………………………………（23）二次盐水中的NaCO3与阴极液中的H+反应，生成NaCl和CO2,成为Cl2中的不纯物。NaCO3+HCl→2NaCl+H2O+CO2………………………………（24）NaHCO3+HCl→NaCl+H2O+CO2………………………………（25）正常情况下，烧碱的电流效率为94%～97%，而阳极室产生的氢气的电流效率为92.5%～97%，同时，阴极室产生的H2的电流效率接近100%。4.2.2淡盐水脱氯工序化学法脱除游离氯主要进行下列反应HClO+NaOH→NaClO+H2O………………………………(26)NaClO+Na2SO3→Na2SO4+NaCl………………………………(27)5.工艺流程5.1盐水二次精制工序5.1.1盐水二次精制工序包括两套螯合树脂塔吸附单元、超精制盐水罐及其附属设备。两套螯合树脂吸附单元工艺流程基本一致。5从盐水工段来的饱和盐水被送往1#盐水换热器和2#热水加热器，经加热后送往由三塔组成的螯合树脂吸附单元，以便以除去其中的钙镁离子来满足离子膜电解槽的要求。通常情况下，三塔中两塔串联运行，一塔再生。在设计能力下，每隔1个周期失去吸附能力的螯合树脂在PLC盘的控制下自动用酸、碱进行再生。由泵送来31%HCL与纯水在盐酸喷射器作用下自动配制成浓度为4%的稀HCL，然后送到螯合树脂塔中用于再生。而来自电解槽的32%NaOH用碱液喷射器与纯水混合混合成5%的烧碱，然后送到螯合树脂塔中再生。整个螯合树脂塔吸附单元全部由PLC自动控制（其PLC操作手册见附录C）。在装置运行中所破碎的树脂用树脂捕器集进行捕集。从螯合树脂吸附单元出来的二次盐水被送往超精盐水罐，然后用泵打入个离子膜电解槽中。5.1.2盐水二次精制工序的仪表控制进螯合树脂塔的盐水流量主要通过盐水二次精制工序的盐水流量调节阀自动控制。5.2电解工序5.2.1总的工艺描述5.2.1.1阳极液系统从盐水二次精制工序来的二次盐水（简称SFB）与循环淡盐水混合后进入电槽的进口分歧管，然后被分配到各个阳极室内，在直流电的作用下分解成氯离子和钠离子。淡盐水和湿氯气的两相流体从各阳极室的出口溢流出来，在分歧管出口处分离成淡盐水和氯气，但盐水靠自身重力流入阳极液罐，氯气经与盐水换热后送往氯处理工序。淡盐水进入阳极液罐前加入HCl使其酸化，酸化后的淡盐水经泵加压后分成两支：一只作为循环淡盐水返回电解槽，另一支送往脱氯工序的脱氯塔，从而脱除淡盐水中所含的游离氯。停车时，需向进槽的淡盐水管道中通入纯水，稀释阳极液，防止盐结晶；开车时，假如超精制盐水以调整阳极液浓度来满足离子膜的要求。5.2.1.2阴极液系统从泵出来的循环碱液在加入纯水后经换热器加热后送往各电槽的分歧管，然后被分配到各阴极室中，在直流电的作用下发生阴极反应，水电离成氢离子和氢氧根离子。碱液和氢气的两相流体从阴极室上不出口溢流出来，在分歧管口处分离成碱液和氢气。碱液靠自身重力流入碱液循环罐。经阴极液泵打出的碱分成两支：一支经成品碱冷却器冷却后送往成品碱罐区，另一只作为循环碱液返回电槽。为保持电槽的操作温度在85℃左右，用碱液加热器来加热或冷却循环碱液，并向碱液中加入纯水以保持出槽碱液浓度稳定，从而维持膜的最佳性能。5.2.1.3氯气系统从两套电槽出来的氯气在电解厂房内合并，经各自盐水加热器换热后，在合并成一路送往氯处理工序。参与氯氢压差控制的氯气压力信号取自电解厂房内合并后的氯气压力。5.2.1.4氢气系统从两套电槽出来的氢气在进入氢气放空罐前合并，合并后的一路经氯氢压差控制阀送往氢处理工序。参与氯氢压差控制的氢气压力信号取自合并后的氢气压力。合并后的氢气压力另一路氢气放空罐放空，由旁边管线上的远程控制阀调节放空量，从而稳定氢气压力。5.2.2.电解工序的仪表控制系统5.2.2.1超精制盐水为保持盐水流量恒定，在每个电槽回路的超精制盐水管线上都装有带高地位报警的流量控制阀，