石澤峰

摘? 要：離子膜法電解食鹽水是氯堿產(chǎn)品的主要生產(chǎn)方式之一，隨著氯堿工業(yè)離子膜技術(shù)的不斷改進(jìn)，離子膜電解槽的電流密度不斷提高，增大了生產(chǎn)能力，降低了生產(chǎn)成本。但是，高電流密度加快了氣體的生成速率，使產(chǎn)生的氣體在槽頂部滯留，極易發(fā)生膜針孔效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：電流密度;氯堿生產(chǎn)離子膜電解槽主要性能之一;

一、電解循環(huán)方式與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電解工藝循環(huán)方式是區(qū)分電解裝置類型的另外一個(gè)重要表征，可分為強(qiáng)制循環(huán)、外部自然循環(huán)。為了獲得良好的電化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)和優(yōu)良的電解性能，不同的電流密度和不同反應(yīng)室結(jié)構(gòu)需與相應(yīng)的工藝循環(huán)方式相匹配。

離子膜電解槽發(fā)展初期的近20年，復(fù)極式離子膜電解槽多采用強(qiáng)制循環(huán)工藝，每臺(tái)電解槽均設(shè)置有陰、陽(yáng)極液循環(huán)罐和大流量循環(huán)泵。強(qiáng)制循環(huán)工藝的陽(yáng)極反應(yīng)系統(tǒng)，每個(gè)陽(yáng)極電解室中，除了根據(jù)鹽水的分解率和電化當(dāng)量加入電解反應(yīng)所需的飽和鹽水之外，還將有數(shù)倍的淡鹽水被循環(huán)泵一同送入電解室，形成淡鹽水的大流量循環(huán)，使槽內(nèi)的介質(zhì)具有足夠的流速，使產(chǎn)生并聚集在電極表面影響反應(yīng)條件的氯氣得以更快的析出并快速?zèng)_散，使溫度傳導(dǎo)和離子交換速度得以滿足，從而大大減小了反應(yīng)室內(nèi)的濃差梯度和溫差梯度以及有效降低影響反應(yīng)效率和電解電壓的氣液比。

在陰極反應(yīng)系統(tǒng)，陰極表面產(chǎn)生的氫氣泡密度極小，飄逸性極強(qiáng)，可對(duì)介質(zhì)形成較強(qiáng)的氣舉作用，使介質(zhì)的流動(dòng)性較好，電極表面反應(yīng)條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于陽(yáng)極側(cè)。但在強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)中，為了使離子膜兩側(cè)的流場(chǎng)狀態(tài)更加平衡，除了反應(yīng)所需的有限的定量純水注入之外，仍需有與陽(yáng)極室匹配的堿液循環(huán)量，以保證陰、陽(yáng)極室適度和穩(wěn)定壓差，保證離子膜在有極距結(jié)構(gòu)條件下仍得以貼附在陽(yáng)極網(wǎng)面。由于強(qiáng)制循環(huán)工藝裝置每臺(tái)電解槽均需要配置陰陽(yáng)極循環(huán)槽和大流量循環(huán)泵，反應(yīng)室進(jìn)口壓力及槽內(nèi)液相壓力很高，循環(huán)泵和循環(huán)管路系統(tǒng)的噪聲和能耗很高，管路振動(dòng)和壓力波動(dòng)也較高。要使膜兩側(cè)陰陽(yáng)極室的正向壓差始終得以保持，需要控制槽內(nèi)和系統(tǒng)的氯氫壓差值達(dá)15kPa或更高，對(duì)離子膜和電極網(wǎng)的強(qiáng)度都需要有很高的要求，離子膜和電極要厚實(shí)，加之制造精度所需的陰陽(yáng)極極距，反應(yīng)電壓和噸堿電耗相對(duì)較高。由于大面積反應(yīng)室對(duì)傳質(zhì)、傳熱和傳速的要求較高，受電解槽的活性陰極技術(shù)、膜的制造技術(shù)、反應(yīng)結(jié)構(gòu)技術(shù)以及工藝控制技術(shù)等方面條件的制約，早期強(qiáng)制循環(huán)復(fù)極式離子膜電解槽的運(yùn)行電流密度一般只能在3kA/m2左右，萬(wàn)噸裝置需要近百個(gè)電解單元，裝置制造成本也很高，大型強(qiáng)制循環(huán)生產(chǎn)裝置的結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)在氯堿行業(yè)已經(jīng)基本被棄用現(xiàn)代主流是自然循環(huán)形式。

二、離子膜的選型，整流柜的選型及整體電解槽選型都要綜合考慮

電耗在離子膜法生產(chǎn)燒堿成本中占的比重很大，為降低生產(chǎn)成本，首先要從降低電耗入手，找出影響電耗的因素。影響電耗的因素有槽電壓和電流效率，要想降低電耗就要降低槽電壓和提高電流效率。生產(chǎn)操作中可以控制的影響離子膜電解槽電壓的主要因素為（1）電流密度;（2）堿濃度;（3）鹽水中雜質(zhì); （4）陰、陽(yáng)極液循環(huán)量;（5）溫度;（6）陽(yáng)極液濃度;（7）電解槽壓力和壓差;（8）陽(yáng)極液pH值;（9）開(kāi)、停車次數(shù)（10）整體配套設(shè)計(jì)水平及設(shè)計(jì)理念。

1. 電流密度

電流密度與膜電壓降的關(guān)系看出，在1.5-4.0 kA/m2這一常用電流密度范圍內(nèi)，二者呈直線關(guān)系，即隨著電流密度增加，槽電壓也逐漸升高，也就導(dǎo)致了電耗的增加，但是電流效率也會(huì)提高。所以在正常生產(chǎn)中，要綜合考慮，以期達(dá)到降低電耗的目的。一般生產(chǎn)中以控制電流密度不要超過(guò)電解槽及離子膜的最高電流密度是最經(jīng)濟(jì)的。

膜電壓降直接受電流密度的影響。一般情況下，膜電壓降應(yīng)正比于電流密度，并呈直線關(guān)系。稍稍偏離直線關(guān)系，在1.5～4.0l m2這一常用電流密度范圍內(nèi)，呈直線關(guān)系。如氯化鈉水溶液電解，高濃度，電解溫度需要保證82℃以上，膜的表面附近一般不會(huì)產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象。電流密度不僅影響膜的電壓降，還影響氣泡效應(yīng)、陽(yáng)極及陰極的過(guò)電位和溶液及導(dǎo)體的電壓降?？偟男Ч牵娏髅芏壬?，槽電壓也逐漸升高。可見(jiàn)，雖然槽電壓與電流密度呈正比關(guān)系，但隨著膜結(jié)構(gòu)性能的改變，電壓曲線的斜率發(fā)生了變化，導(dǎo)致膜電壓降的下降。

2.槽電壓和槽電流之間的關(guān)系

如果其他變量保持不變，槽電壓和槽電流兩者之間的關(guān)系可表達(dá)如下：

E 1 ： 電流I 1 時(shí)的槽電壓

E 2 ： 標(biāo)準(zhǔn)電流I 2 時(shí)的槽電壓I 2 （10.8 KA）

E 0 ： 常量 （2.42 V）

t 1 ： 操作溫度

t 2 ： 標(biāo)準(zhǔn)溫度 （90 °C）

通常取10.8 KA作為標(biāo)準(zhǔn)電流（I 2 = 10.8 KA） ，

取90 °C作為標(biāo)準(zhǔn)溫度（t 2 = 90 °C）。

陰極液濃度為32%時(shí)E 0 大約是2.42伏。

線型的梯度（如圖II-7所示）它取決于其他參數(shù)，如膜，陽(yáng)極和陰極。

電解槽電流密度增加后會(huì)使得陽(yáng)極壽命縮短，并且造成整流器由于負(fù)荷的增大容易調(diào)停，并且電流密度增大后槽壓升高，對(duì)電極的耗電有影響，并且在一定程度上增大了電解槽的危險(xiǎn)性，特別是對(duì)離子膜的損傷較大對(duì)于電流密度的提高必須有充分的試驗(yàn)基礎(chǔ)和理論基礎(chǔ)！

三、結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前主流電解槽以復(fù)極槽為主，如德國(guó)伍德，日本氯工程，日本旭化成，中國(guó)北化機(jī)等，電流密度不斷提高，普遍達(dá)到5KA/M2暫時(shí)無(wú)法突破6.0KA/M2由于電解槽及離子膜不斷探索提高電流密度，因?yàn)殡娏髅芏忍岣邏A產(chǎn)量將增加，堿產(chǎn)量增加對(duì)于生產(chǎn)成本沖抵非常明顯，因離子膜電解槽在中國(guó)發(fā)展近40年，現(xiàn)在能源管控有了新的配套標(biāo)準(zhǔn)，作為能耗大戶電解工藝必定要提高電流密度，相信在不久將來(lái)能開(kāi)發(fā)出能耗低的電解裝備。

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