宋偉

(新疆中泰化學(集團)阜康能源有限公司，新疆 烏魯木齊 830009)

【鹽 水】

離子膜鹽水裝置的精細化控制

宋偉*

(新疆中泰化學(集團)阜康能源有限公司，新疆 烏魯木齊 830009)

鹽水精制；預處理；膜過濾器；過濾壓力

介紹新疆中泰化學(集團)阜康能源有限公司在粗鹽水精制過程中以精細化管理為基礎、以技術創(chuàng)新為抓手，持續(xù)提高工藝裝置的可靠性，保證鹽水裝置穩(wěn)定運行率和鹽水質量的經驗。

新疆中泰化學(集團)股份有限公司(以下簡稱“新疆中泰化學”)本部為建立于1958年的新疆氯堿廠，2001年改制成立股份制公司。目前已形成160萬t/a聚氯乙烯、120萬t/a離子膜法燒堿裝置生產能力，屬生產基本化工原料的氯堿企業(yè)，主營離子膜法燒堿、聚氯乙烯樹脂、鹽酸、次氯酸鈉等化工產品，是自治區(qū)重點企業(yè)之一。新疆中泰化學阜康能源有限公司(以下簡稱“阜康能源”)循環(huán)經濟60萬t/a燒堿項目中一次鹽水采用預處理+膜過濾工藝，從項目設計及后期運行期間以精細化管理和控制為出發(fā)點對裝置做了一些優(yōu)化創(chuàng)新。從運行效果上看，達到了提高裝置可靠性的目的，鹽水質量達到較好水平。下面就鹽水裝置的運行情況予以介紹。

1 鹽水精制工藝

2 預處理+膜過濾工藝精細化管理

預處理+膜過濾工藝的控制核心是預處理系統(tǒng)，其中包括加壓溶氣系統(tǒng)、三氯化鐵加入系統(tǒng)和預處理器。

2.1 預處理器工作原理

2.1.1 預處理器的結構

預處理器由鹽水進口系統(tǒng)、凝聚攪拌室、凝聚反應室、斜板沉降室、沉泥斗、浮泥槽、精鹽水收集室及溢流管、精鹽水匯集槽等組成。從水流分布上可以分為凝聚攪拌區(qū)、凝聚反應區(qū)、上折流區(qū)、浮上區(qū)、浮渣區(qū)、穩(wěn)流區(qū)；分別完成粗鹽水與氫氧化鐵充分混合，切向流沖擊固體沉淀物沉淀，凝聚反應，浮上、沉降分離，以及溢流匯集等過程。

2.1.2 預處理器工作原理

預處理工藝實際是氣浮法在鹽水工藝中的應用，其過程為向反應后的粗鹽水中通入空氣，并以從鹽水中析出的微小氣泡為載體，使鹽水中的氫氧化鐵凝聚氫氧化鎂。分解的有機物黏附在氣泡上，隨氣泡上升到水面，形成氣-鹽水-顆?；旌象w，通過拍泥的方式分離雜質。

處理過程為粗鹽水進入預處理器凝聚區(qū)，切向進入的鹽水在此形成旋流，其攪拌作用使鹽水與三氯化鐵混合均勻，同時向上的流速使固體不斷被沖擊向上，與鹽水一起向上旋流，進入預處理器內的倒錐型凝聚反應區(qū)，借助鹽水流速的逐漸下降，完成凝聚反應。粗鹽水中的氫氧化鎂等沉淀物與絮凝劑充分接觸，凝聚成大小不等的絮團，浮出倒錐殼，進入上折流區(qū)。在這個區(qū)域，水流處于向上轉為向下的不規(guī)則過程，然后進入浮上區(qū)，此區(qū)水流流速緩慢，浮泥向上浮動；浮泥進入浮渣區(qū)浮動匯集，一段時間后排出，分離掉浮泥的鹽水進入斜板沉降區(qū)，鹽水緩慢向下流動，未浮出的固體顆粒在此進行沉降，進一步被分離出去。分離沉降的鹽泥沿斜板進入沉泥斗，富集一段時間后排出，較大而緊密的絮團折返，向下進入由倒置錐殼組構成的多道上寬下窄的環(huán)形沉降區(qū)。由于通道截面積逐漸縮小，而流速加快，進一步得到分離后的鹽水進入下折流區(qū)，水流由向下折為向上進入澄清區(qū)。錐形結構使鹽水流速逐漸加大，保證了完整分離。經桶外圓周圍多個均布的外接排出管端溢流到環(huán)形集水槽，經清液上升管流出。

2.2 影響預處理器穩(wěn)定運行的因素及措施

2.2.1 三氯化鐵加入量及濃度控制

預處理工藝基本都采用三氯化鐵作為絮凝劑，加入鹽水中的三氯化鐵絮凝劑首先發(fā)生水解反應：

此反應與溫度、溶液的堿性有關，F(xiàn)eCl3溶液在pH值為11～12的粗鹽水中生成Fe(OH)3；Fe(OH)3水溶液具有膠體的特性，F(xiàn)e(OH)3表面形成雙電層結構，在堿性溶液中帶負電荷，會吸附帶正電荷的鈣離子和鎂離子與水不溶物形成膠團，發(fā)生聚沉反應，主要吸附鎂離子。因為氫氧化鎂的溶解度比氫氧化鈣小，更容易被吸附。這就使絮狀懸浮在水中的氫氧化鎂、氫氧化鈣、水不溶物聚集成較大的顆粒沉降，起到絮凝劑的作用，對降低鹽水中鈣離子和鎂離子濃度效果很好;同時,氫氧化鐵對鹽水中的微量硫化物、少量油污、被次氯酸鈉分解的菌藻類、有機腐殖酸等都有去除作用。

若三氯化鐵的加入量不足，去除鎂離子和各種雜質物質不徹底，對二次鹽水、電解離子膜的影響是漸進式積累。若三氯化鐵加入量過大，改變了助沉性能，有分散劑的作用，造成預處理器反渾，加大了三氯化鐵消耗，增加成本。鹽水中鐵離子含量升高，多余的絮凝劑形成的氫氧化鐵膠體隨著鹽水進入凱膜過濾器，與未去除的氫氧化鎂膠體黏附在凱膜上，造成過濾周期縮短，過濾壓力升高。三氯化鐵濃度過高或波動，容易造成絮凝劑加入量超標，預處理器反渾，因此要按頻次觀察預處理器浮泥顏色。在正常情況下，浮泥為土黃色；若顏色發(fā)紅，說明絮凝劑加入過多(隨著顏色的加深預處理器會出現(xiàn)反渾)；若顏色發(fā)白，說明絮凝劑加入偏少，影響除鎂效果。

對于三氯化鐵的配制，嚴格控制的配比質量分數在1.0%左右，三氯化鐵儲槽內液位打至最低液位(即槽容積的10%)時，方可向儲槽內打入新配制的三氯化鐵，并用壓縮空氣進行充分攪拌，使三氯化鐵全部溶解，且每次必須將配制槽內的三氯化鐵打完，保證每次配制的三氯化鐵濃度穩(wěn)定。三氯化鐵現(xiàn)場存放量不得超過1 t，并制定三氯化鐵使用臺賬記錄，嚴格管控三氯化鐵現(xiàn)場存放量和存放環(huán)境，防止失效；按照目前的原鹽質量情況，質量分數為1.0%的三氯化鐵溶液，每100 m3鹽水中加入0.1 m3三氯化鐵溶液，及時分析監(jiān)控凱膜出口ICP鐵離子含量，防止三氯化鐵加入過多或偏低；同時還要根據原鹽質量及預處理器的運行效果隨時調整三氯化鐵的加入量。如果鹽水的流量過小，會導致三氯化鐵在管線中的流速降低，使三氯化鐵溶液發(fā)生水解后容易堵塞管道。

2.2.2 鹽水濃度及溫度

鹽水濃度及溫度變化的影響主要體現(xiàn)在3個方面：①鹽水濃度變化引起密度變化；②鹽水濃度變化引起鹽水中雜質含量變化；③鹽水溫度變化引起濃度變化和雜質含量變化。鹽水溫度、濃度、密度、雜質含量之間相互關聯(lián)，同時作用，加劇了預處理器的反渾。鹽水濃度的變化會引起鹽水密度的變化，密度不同的鹽水進入預處理器會導致鹽水反渾。鹽水濃度波動主要原因是上鹽不及時、鹽水溫度波動大、切換化鹽桶、鹽水流量波動。上鹽不均勻的情況下，精制劑氫氧化鈉的加入量調整不及時還會導致過堿量不穩(wěn)定，影響除鎂效果；同時還會造成鹽水中氫氧化鎂沉淀的產生量不均勻，預處理器氣浮不均勻導致預處理器反渾，造成鎂離子含量偏高或超標。

在鹽水溫度不穩(wěn)定的情況下，密度差會導致對流的形成，同時溫度差也會形成傳熱對流，使預處理器反渾；另外，化鹽的溫差變化過大會造成化鹽不均勻，反而影響鹽水的濃度和雜質的含量，進而引起鹽水中過堿量、溶氣量、絮凝劑含量的波動，進一步加大了預處理器的反渾。鹽水溫度不能控制得過低，否則影響化鹽速度、鹽水飽和度，同時也會對鹽水中雜質離子的懸浮及沉降產生影響。雜質離子沉降速度與懸浮物的密度和清液的密度成正比。溫度低使清液的密度和黏度上升，懸浮物的密度和清液密度之差降低，不利于雜質的懸浮及沉降。

在日常的控制和管理過程中，強化上鹽管理，控制鹽層高度的穩(wěn)定。在開停車和季節(jié)變化過程中，嚴格控制化鹽溫度在63～65 ℃，確保鹽水溫度和鹽水濃度的穩(wěn)定。

2.2.3 過堿量的影響及控制

根據原鹽質量采用配比加入堿，精制劑在鹽水溫度一定的情況下，如果粗鹽水過堿量低，反應時間會適當延長；相反，如果粗鹽水過堿量高，反應時間會相應縮短。過堿量的穩(wěn)定是鹽水預處理工序控制的關鍵。根據長期以來的生產經驗，控制精鹽水中NaOH過量的質量濃度為0.2～0.3 g/L，Na2CO3過量的質量濃度為0.6～0.7 g/L。為保持精鹽水的過堿量達標，粗鹽水折流槽出口NaOH過量的質量濃度為0.2～0.4 g/L，過濾器出口鹽水中Mg2+質量濃度在0.01 mg/L以下。原鹽中Ca2+、Mg2+的質量濃度分別為0.6 g/L和0.1 g/L，按照常規(guī)操作，只在后反應工序除鈣。CaCO3生成量過大，會給凱膜過濾器帶來較大負擔，因此，須根據實際情況在預處理器先預除一部分Ca2+[2]。在正常情況下，化鹽水折流槽Ca2+質量濃度為500 mg/L，預處理出口鹽水的Ca2+質量濃度控制在250～300 mg/L。Ca2+含量過低，不利于CaCO3在凱膜表面形成架橋助濾層，造成小顆粒Mg(OH)2絮狀沉淀物直接進入膜表面，堵塞膜微孔，升高壓差，縮短過濾周期。出預處理器鹽水中ρ(Ca2+)∶ρ(Mg2+)為10∶1時，過濾效果較好。

2.2.4 排泥影響

預處理器排泥周期長或排泥量不夠，預處理器上部泥封層越來越厚，清液層下降，容易造成鹽水反渾；排泥過頻繁或排泥過多會破壞預處理器的泥封層，使泥封層變稀，同樣容易造成鹽水反渾。長期以來，阜康能源根據生產經驗，對于排泥次數和泥量的控制為后反應槽和浮上桶上、下排泥按照每6 h排泥1次，排泥順序為先對浮上桶上排泥，然后再下排泥；為防止在壓泥過程中，過多的Mg(OH)2導致板框濾餅不易形成，控制鹽泥中的鈣鎂配比，在浮上桶下排后，開始對后反應槽排泥。排泥量：根據浮上桶和后反應槽下排泥量控制渣池液位升高5%；浮上桶上排泥過程中必須觀察浮上桶上部的浮泥顏色，檢查上排泥是否徹底，直至浮泥排完為止。嚴禁通過渣池液位的變化控制浮上桶上排泥量。

2.2.5 原鹽質量

阜康能源使用的原鹽分別來自托克遜、和豐、吐魯番、沈宏4個產地。這4個產地的原鹽在幾項主要指標上存在較大差異，質量分析結果如表1所示(100 g原鹽溶到1 L水中，得到的溶液進行分析所得)。

表1 不同產地原鹽雜質組分分析結果

原鹽中鈣離子含量高，會增加除鈣精制劑碳酸鈉的消耗，增大凱膜過濾器的處理負荷，使一次精鹽水中鈣離子含量升高。原鹽中鎂離子含量高，受預處理系統(tǒng)的限制，容易造成預處理器反渾，高鎂鹽水進入后反應系統(tǒng)，部分被碳酸鈣沉淀包覆，部分微細氫氧化鎂未被包覆。膜孔徑≤0.5 μm，一般為0.2～0.5 μm，而氫氧化鎂膠體顆粒為納米級，很容易堵塞膜孔，進入膜體內部，造成凱膜過濾器的過濾壓力上升，進而導致過濾器過濾周期縮短，酸洗頻繁，膜使用壽命降低。對于鎂離子含量較高且波動較大的原鹽，其管理重點及核心應圍繞預處理器開展。只有解決好預處理器的突出問題，才能確保凱膜過濾器的正常運行。對于鈣離子含量較高且波動較大的原鹽，其管理重點及核心應圍繞凱膜過濾器開展。對于有機物含量偏高或超標的原鹽，應以首反應為重點，針對原鹽中的硫酸根有單獨的除硝裝置，在原鹽波動過程中要緊緊抓住問題的核心，強化和細化原鹽摻混管理，最大化發(fā)揮裝置的處理能力，優(yōu)化工藝指標控制，確保鹽水質量穩(wěn)定。

3 結語

隨著氯堿行業(yè)鹽水裝置和工藝的廣泛應用，在生產過程中各種問題得到了認真的研究和解決，裝置運行平穩(wěn)率在提升，確保了鹽水質量的穩(wěn)定；同時也出現(xiàn)了一些影響平穩(wěn)運行的新問題，如鹽泥如何高效利用、裝置對原鹽質量較差的極端工況條件下處理能力彈性不足等問題，都須通過精細化控制，不斷加深對裝置的理解，并須研究各種問題之間的相互關系和規(guī)律，這是精細化管理的重點環(huán)節(jié)。

[1] 黃薔蕾,呼世斌.無機及分析化學[M].北京:中國農業(yè)出版社,2004:129-132.

[2] 程殿彬,陳伯森,施孝奎.離子膜法制堿生產技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,1998:412-432.

[編輯：費紅麗]

Fine control of brine facility for ion-exchange membrane electrolysis

SONGWei,WANGShigang,HUANGXiaohu,QIRuisong,PEIBaoshuai

(Xinjiang Zhongtai Chemical (Group) Fukang Energy Co., Ltd., Urumqi 830009, China)

brine refining; pretreatment; membrane filter; filtration pressure

Xinjiang Zhongtai Chemical (Group) Fukang Energy Co., Ltd. continuously improved the reliability of brine refining facility through fine management of the refining of crude brine and technological innovation, and thus ensured the stable operation of the facility and the quality of brine. The experience was introduced.

*[作者簡介] 宋偉(1985—)，男，工程師，2008年畢業(yè)于新疆農業(yè)大學，現(xiàn)任新疆中泰化學(集團)阜康能源有限公司電解車間副主任，曾參與2012年中泰化學阜康工業(yè)園一期80萬t/a聚氯乙烯樹脂、60萬t/a離子膜法燒堿循環(huán)經濟項目,2013年負責阜康能源氯堿廠一、二期膜法除硝裝置由1 500 kg/h擴能至2 250 kg/h技改項目，取得國家發(fā)明專利授權1項、實用新型專利授權9項，先后發(fā)表專業(yè)論文17篇，申報自治區(qū)科技成果和自治區(qū)科技進步獎2項。

2016-09-22，王世剛，黃小虎，戚瑞松，裴寶帥

TQ114.261

B

1008-133X(2017)01-0004-04