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离子交换膜法电解制碱工艺

一、 离子膜电解制碱原理如下图。电解槽的阴极室和阳极室用阳离子交换膜隔开，精制盐水进入阳极室。通电时H20在阴极表面放电生成氢气，Na+离子通过离子膜由阳极室与OH-结合成NaOH;CL-离子则在阳极表面放电生成氯气。经电解后的淡盐水随氯气一起离开阳极室。氢氧化钠的浓度可利用进电解槽的纯水量来调节。

离子膜电解制碱原理
二、 盐水的二次精制
盐水的质量是离子膜电解槽正常生产的一个关键。它不仅影响离子膜的寿命，也是离子膜能否在高电流密度下运行得到高电流效率的至关重要的因素。电解槽所用的阳离子交换膜，具有选择和透过溶液中阳离子的特性。因此，它不仅能使Na+离子大量通过，而且也能让Ca2+、 Mg2+、 Fe2+ 、Ba2+、等离子通过，当这些杂质阳离子透过膜时，就和从阴极室反渗过来的微量OH-离子形成难溶的氢氧化物堵塞离子膜 。在盐水中氯酸根和悬浮物也能影响离子膜的正常运行。有的离子膜对盐水的I-离子的含量还有要求。因此，用于电解的盐水的纯度远远高于隔膜电槽和水银电槽，他必须在原来一次精制的基础上再进行第二次精制。
（一）二次盐水的过滤
一次盐水中的少量悬浮物，如果随盐水进入螯合树脂塔，将会堵塞树脂的微孔，甚至使树脂呈团状物，严重时有结块现象，从而降低树脂处理盐水的能力。因此，盐水精制时一般要求盐水中悬浮物（s.s）的含量小于1ppm。这样就必须经过过滤，如果采用传统的砂滤设备往往不能符合要求，目前常用的是碳素管式过滤器。碳素管式过滤器是由许多根烧结的碳素管组成，具有良好的耐腐蚀性，它由纯碳烧结而成，管壁上分布有均匀的微孔，孔径为100μ，气孔率为42%。过滤后的二次盐水能达到悬浮物（s.s）的含量小于1ppm的要求。（我们公司的不锈钢纤维烧结滤芯亦能满足这种过滤要求，我们可以开拓它在离子膜制碱中二次盐水过滤中的应用。）

1-澄清盐水槽；2-澄清盐水泵；3-助剂给料泵；4-助剂接料泵；
5-碳素过滤器；6-预涂泵；7-预涂槽；8-过滤盐水槽；9-过滤盐水泵
l 预涂 过滤前必须在碳素管的外表面预先涂上一层厚薄均匀的助滤剂
α-纤维素，以防止盐水中的悬浮物堵塞碳素管的微孔，以提高过滤器的过滤性能。因此，在过滤系统中要设置预涂槽。在预涂槽内将α-纤维素和过滤盐水配成一定浓度的α-纤维素溶液，然后用泵将此溶液送往过滤器，不断循环进行预涂操作，使涂层厚度达2~3mm即可。
l 助剂给料和助滤 由于一次盐水的悬浮物过于细微且有压缩性，为防止过滤元件表面的孔隙堵塞，使过滤元件表面的滤渣结构疏松，延长过滤周期。在一次盐水送往过滤器前，必须把一定浓度的α-纤维素作为助滤剂混入盐水中，这样在过滤过程中所形成的滤饼能保持一定的孔隙率，并且具有不可压缩性，从而降低过滤阻力和提高过滤速度。
l 清洗 切换下来的过滤器进行反洗时，将过滤后的精盐水打入过滤器的滤液室内，再通入压缩空气，过滤室内的精盐水受到压缩空气的压力后，迅速从管子的内侧流向管子的外侧，碳素管外的助滤剂和滤饼立即卸出。如此反洗四次后就可以达到再生效果。
在一般情况下，过滤器经过48小时后就要切换一次。
过滤盐水从盐水过滤器流出后，送往过滤盐水储槽，然后加酸调节其PH值在9±0.5范围内，送往二次盐水精制工序。
过滤后的二次盐水应达到下列指标：
NaCL浓度 290-310g/L PH值 9±0.5
悬浮物（s.s） ＜1ppm 温度 60±5℃
（二）二次盐水精制
二次盐水过滤后，钙、美含量大约在3ppm左右。但是，由于离子膜电解槽的盐水要求钙美含量必须低于20PPb。因此，盐水在一次精制的基础上还需进行二次精制。盐水的二次精制目前均采用螯合树脂法进行。

二次盐水精制工艺流程图
1-氯气冷却器；2-淡盐水换热器；3-盐酸贮槽；4-NaOH贮槽；
5-酸泵；6-碱泵；A-螯合树脂塔；B,C-生产塔
经过氯气冷却器、淡盐水热交换器的二次过滤盐水，送往螯合树脂塔（B）的顶部，自上而下经过树脂床，从塔底流出再到C塔。在塔内盐水中的Ca2+、 Mg2+与树脂发生离子交换反应。
在连续操作中，第一只塔作为“初塔”，除去盐水中大多数的钙和美，而第二只塔作为“精制”塔，来确保盐水中的钙美降低到控制指标以下。当塔内树脂床达到最大的吸附能力时，在流出塔的盐水中钙美离子会急剧增加。因此在树脂还未达到最大处理能力时就要再生。
经过精制后的盐水应达到如下质量指标：
NaCL浓度 290-310g/L
Ca2+、 Mg2+总量 ≤20PPb
Sr2+ ≤0.1ppm（当SiO2=1ppm时）
Sr2+ ≤0.06ppm（当SiO2=5ppm时）
Sr2+ ≤0.02ppm（当SiO2=15ppm时）
CLO3- ≤15 g/L
SO42- ≤5g/L
悬浮物（s.s） ＜1ppm
SiO2 ≤15ppm
其它重金属离子 ≤0.2ppm
三、精制盐水的电解

离子膜电解工艺流程图
1-淡盐水泵；2-淡盐水贮槽；3-分解槽；4-氯气洗涤塔；5-水雾分离器
6-氯气鼓风机；7-碱冷却器；8-碱泵；9-碱液受槽；10-离子膜电解槽；
11-盐水预热器；12-碱泵；13-碱液贮槽
二次精制盐水经盐水预热器预热后，以一定的流量送往电解槽的阳极室进行电解。于此同时，纯水从电解槽底部进入阴极室。通入直流电后，在阳极室产生的氯气和流出的淡盐水经分离器分离后，湿氯气进入氯气总管，经氯气冷却器与精制盐水热交换后，进入氯气洗涤塔洗涤，然后送到氯气处理部门；从阳极室流出的淡盐水中一般含NaCL 200-220g/L，还有少量氯酸盐、次氯酸盐及溶解氯。一部分补充精制盐水后流回电解槽的阳极室，另一部分进入淡盐水贮槽后，送往氯酸盐分解槽，用高纯盐酸进行分解。分解后的盐水中，常含有少量盐酸残余，将这种盐水再送回淡盐水贮槽，与未分解的淡盐水充分混合并调节pH值在2以下，送往脱氯塔脱氯。最后送到一次盐水工序去重新饱和。
在电解槽阴极室产生的氢气和浓度为32%左右的高纯液碱，同样也经过分离器分离后，氢气进入氢气总管，经氢气洗涤塔洗涤后，送至氢气适用部门。32%的高纯液碱一部分作为商品碱出售，或送到蒸发工序浓缩。另一部分则加入纯水后回流到电解槽的阴极室。
电解后获得的烧碱、氯气、氢气应达到如下质量指标：
烧碱 NaOH ≥32%（wt）
NaCL ≤40ppm(wt）
NaCLO3 ≤20ppm(wt）
Fe2O3 ≤5ppm(wt)
氯气 纯度(干基) ≥97.4%(vol)
O2 ≤2%((vol)
H2 ≤(0.03%vol)
CO2 ≤0.6%(vol)
氢气 纯度 ≥99.85%(vol)
四、淡盐水的脱氯
离子膜制碱工艺中从电解槽出来的淡盐水中，含有游离氯及少量次氯酸钠和氯酸钠，在螯合树脂塔中会导致树脂中毒，且无法再生。另外，游离氯、次氯酸根在管式过滤器中对碳素烧结管及其它设备均有腐蚀作用。因此，盐水在进入这些设备前必须先将这些杂质除去。
淡盐水脱氯一般采用真空脱氯和化学脱氧相结合的工艺。其流程图如下：

淡盐水脱氯工艺流程图
1-脱氯塔；2-回收氯冷却塔；3，5-气液分离器；4-真空泵；
6-氯水泵；7-氯水冷却器；8-脱氯淡盐水槽；9-脱氯淡盐水泵
从电解槽阳极室流出的淡盐水，先用盐酸分解其中的氯酸盐，然后送到脱氯塔的顶部，用真空脱氯方法使游离氯解吸脱出。经这样处理后的淡盐水中，游离氯的含量约50mg/L，送入脱氯淡盐水贮槽后，加氢氧化钠将盐水的PH值调节到7-11。然后，再用10%的Na2SO3溶液进一步除去残余的氯气后，送往一次盐水工段重新饱和。从脱氯塔分离出来的湿氯气，经冷却器冷却及分离器分离后，汇集到氯气总管。而氯水则送往脱氯塔循环或作真空泵的机械密封水。
脱氯后的淡盐水的质量指标为：
NaCL浓度 290-22 g/L
SO42- 离子 ≤6.6 g/L
游离氯 无
PH值 7—11
五、氯气的处理
从电解槽出来的湿氯气，一般温度较高，并伴随有大量的水蒸气及盐雾等杂质。这种湿氯气对钢铁及大多数金属有强烈的腐蚀作用，只有某些金属材料和非金属材料在一定的条件下才能耐湿氯气的腐蚀。例如金属钛、聚氯乙烯、酚醛树脂、陶瓷、玻璃、橡胶、聚酯、玻璃钢等。因而使得生产及输送极不方便。但干燥的氯气对钢铁及常用材料的腐蚀在通常情况下是较小的，所以湿氯气的干燥是生产及使用氯气过程中所必须的。
氯气干燥前通常先使氯气冷却，使湿氯气中的大部分水蒸气被冷凝除去，然后用干燥剂进一步除去水分。干燥后的氯气经压缩送至用户。
氯气处理系统的主要任务是：
u 将湿氯气干燥；
u 将干燥的氯气压缩送至用户；
u 稳定和调节电解槽阳极室内的压力，保证电解工序的劳动条件和干燥后氯气的纯度。
氯处理的工艺流程大致包括湿氯气的冷却、干燥脱水、净化和压缩、输送几个部分。
适用于氯气透平压缩机的氯气处理流程：
（一） 氯水循环—间接冷却—泡沫塔干燥氯气流程

氯水循环—间接冷却—泡沫塔干燥氯气流程
1- 水洗塔；2，3-分别为钛冷却器；4-除沫器；5，8-酸冷却器；6-稀酸高位槽；7-浓酸高位槽；9-除雾器；10-浓硫酸槽；11，12-分别为泡沫塔；
13-稀酸槽；14-稀酸循环泵；15-氯水槽；16-氯水泵；17-氯水冷却器
来自电解槽的湿氯气，进入水洗塔与冷却循环氯水直接接触进行热交换，然后进入钛冷却器（Ⅰ）（Ⅱ），分别用工业上水、冷冻水进行间接热交换后，湿氯气的温度为12-15℃。经钛丝除沫器除去水雾后，再去干燥。在冷却器内冷凝后的氯水进入氯水槽，一部分氯水经氯水冷却器冷却后，作为洗涤塔洗涤氯气用，另一部分氯水经脱氯后排放。冷却后的氯气进入两台串联的泡沫塔进行干燥，泡沫塔（Ⅱ）采用98%的浓硫酸，先将其经过冷却器用冷冻水冷却至10℃左右进入，通过四层筛板与氯气逆流接触，氯气被干燥，硫酸被稀释至浓度大约80%左右，流入稀酸槽，然后经冷却器冷却至10℃左右，用泵送至稀酸高位槽，在进泡沫塔（Ⅱ）泡沫塔（Ⅰ），从泡沫塔（Ⅰ）流出的废酸排入废酸槽。
（二） 氯水循环—鼓风机—填料塔串联干燥氯气流程

氯水循环—鼓风机—填料塔串联干燥氯气流程
1- 洗涤塔；2-冷却塔；3-除沫器；4，5，6，7-分别为干燥塔Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ；
8-除雾器；9，10，11，12-分别为冷却器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ；13-冷却器；
14-钛鼓风机；15-氯水冷却器；16，17，19-氯水泵；18-氯水槽；
20-稀硫酸槽；21-稀酸泵；22，23，24，25-分别为酸循环泵Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ；
26-浓硫酸槽；27-浓硫酸泵
来自电解槽的湿氯气，进入洗涤塔后与经工业上水冷却的循环氯水直接进行热交换，然后用钛鼓风机加压，使干燥处于正压下操作，以防止周围湿空气漏入，影响氯气的纯度和含水量。加压后的湿氯气进入冷却塔后用冷冻后的循环氯水喷淋冷却，经除沫后用硫酸将其干燥。在洗涤塔、冷却塔和除沫器中被冷凝下来的氯水进入氯水槽中，用泵送去脱氯后排放。
氯气干燥系统由四台填料塔串联组成，每台塔均配有酸循环泵、冷却器，自成一个循环系统。按氯气流向，最后一台塔的硫酸浓度最高，依次往前，最前一台塔排出的硫酸浓度为65%左右作为废酸外售。其余各塔的硫酸依次往前溢流，最后一塔补入98%的新酸。硫酸在循环过程中吸收水分温度上升，由冷却器将热量移去。干燥后的氯气再经除雾器除雾后，去透平压缩机。
(三) 氯气处理工艺控制指标：
控制点
控制项目
控制指标
1氯气
(1) 湿氯气含CL2
CO2
O2
H2
≥96%
≤2%
≤1%金属阳极≤2%
≤0.4%
(2) 干氯气含CL2
CO2
O2
H2
≥95%
≤2%
≤1%金属阳极≤2%
≤0.4%
(3)氯气纯度差（冷却前至分配台之间的差值）
≤1.5%
2氯气
冷却
(1)一段冷却器出口温度
30-40℃
(2)二段冷却器出口温度
12-15℃
(3)冷冻水温度
5-10℃
3干燥塔
(1)进干燥塔硫酸浓度
≥95%
(2)出干燥塔硫酸浓度
≥75%
(3)出干燥塔硫酸温度
≤20℃
4压缩机
电解槽氯气总管压力
0-49Pa(-5mmH2O柱
(1)纳氏泵 新酸浓度
98%
进口温度
≤45℃
换酸浓度
≤92%
循环酸液位
视镜1/2处
输送压力 小泵（Dg50）
101.3-162kPa
大泵（YLJ-750/3）
253.3-303.9kPa
(2)透平机 氯气含水
≤100ppm
氢气含水
＜50ppm
输送压力
303.3-354.6kPa
六、氢气的处理
从电解槽出来的氢气，其温度稍低于电解槽的槽温，含有大量的饱和水蒸气，同时还带有盐和碱的雾沫。所以在生产过程中应进行冷却和洗涤，然后再用风机输送到用氢部门。
（一） 氢处理的工艺流程
自电解槽来的氢气进入氢气-盐水热交换器，使氢气和盐水进行热交换，氢气温度可降至50℃左右，而盐水温度约能提高10℃。这样使氢气中所带出的一部分余热可得到回收。被冷却的氢气进入氢气洗涤塔内，用工业上水对其进行冷却和洗涤，氢气中大部分的固体杂质（盐雾和碱雾）及水蒸气被冷却水带走并排入下水道。氢气则从塔顶出来，经水气分离器分离后，由罗茨鼓风机送至氢气柜和用氢部门。

1-蝴蝶阀；2-氢气压力自动调节器；3-罗茨鼓风机；4-水气分离器；
5-氢气冷却塔；6-氢气自动放空器；7-氢气、盐水换热器
（二） 氢气处理工艺控制指标
电解槽氢气总管压力 98Pa(10mmH2O)
氢气纯度 ≥98%（V/V）
氢气出口压力 7.3kPa（55mmHg）
氢气冷却后温度 45℃
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