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        降低離子膜電解槽電壓的方法

        2022-12-18 05:17:54霍文靜
        氯堿工業(yè) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:電流效率電解槽陰極

        霍文靜

        (石河子天域新實化工有限公司,新疆 石河子 832000)

        隨著我國科學技術(shù)的快速發(fā)展,氯堿企業(yè)采用離子膜法裝置制備燒堿,大大提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量,降低企業(yè)生產(chǎn)成本,為提高企業(yè)的經(jīng)濟效益奠定良好的基礎(chǔ)。

        1 離子膜工藝簡介

        從一次鹽水送過來的精鹽水經(jīng)過樹脂塔進行二次精制,精制后的鹽水通過高位槽送入電解槽。氯化鈉被電解成鈉離子和氯離子。氯離子在陽極室放電轉(zhuǎn)變?yōu)槁葰狻M瑫r,鈉離子通過離子交換膜移到陰極室。陽極液被送到陽極循環(huán)槽,氯氣進入陽極循環(huán)槽頂部,然后送到氯氫處理工序。淡鹽水從陽極循環(huán)槽排出并送到脫氯工序進行脫氯。陰極液通過陰極高位槽,進入電解槽的入口總管,產(chǎn)出氫氣和燒堿。液體被送到陰極循環(huán)槽,送到片堿工序,氫氣進入陰極循環(huán)槽頂部,然后送到氫處理工序。

        離子膜電解的化學方程式及原理如下。

        總反應(yīng)式:

        2NaCl+2H2O=Cl2↑+H2↑+2NaOH。

        2 利用設(shè)備改造來降低電解槽電壓

        離子膜電解槽的槽電壓升高與降低均受電解槽的結(jié)構(gòu)及離子膜的各種操作條件的影響。在離子膜電解槽生產(chǎn)過程中,降低電解槽電壓及電耗,提高電流效率,對整個燒堿生產(chǎn)具有重大意義。

        石河子天域新實化工有限公司(以下簡稱“天域新實化工”)以前用有極距的電解槽,離子膜緊貼在陽極網(wǎng)面,與陰極網(wǎng)面大約有2 mm的距離。有極距電解槽槽電壓過高、電流效率下降過快,因此將有極距電解槽改為膜極距電解槽。電解槽陰陽極間距越小,單元槽電壓越低,電耗也越低,在相同的電流密度下,單元槽電壓比一般有極距單元槽電壓大約降0.15 V。

        粘貼墊片時嚴格按照操作規(guī)程進行。如果墊片位置粘貼不正確,膜易發(fā)生鹽泡,并易發(fā)生針孔。在涂抹膠及黏合劑時,如涂抹過多,流到電解網(wǎng)面附著在膜上,使電解性能下降,也會使槽電壓上升。

        裝膜時也要特別注意,膜不能裝反,裝反的話會使整張膜發(fā)生水泡,電解時槽電壓會急劇上升。

        換完膜后,電解崗位人員必須每天重新擠壓和鎖定電解槽,持續(xù)7天;每星期重新擠壓和鎖定電解槽,持續(xù)1個月;然后,每個月重新擠壓和鎖定電解槽。由于新墊片比舊墊片厚,彈性大,剛開始運行時,槽電壓會增加,經(jīng)過定期對新墊片的擠壓,越來越縮小極間距,使槽電壓降低。

        3 工藝控制操作及注意事項

        3.1 陰極液濃度

        槽電壓與陰極液中NaOH濃度有關(guān)。隨著NaOH濃度的升高,NaOH含鹽量也隨之下降,膜的電阻隨NaOH濃度的提高而增加,使槽電壓上升。因此,長期穩(wěn)定地控制NaOH最佳濃度是非常重要的。經(jīng)過平時對陰極液濃度及槽電壓的對比和以往控制陰極液濃度的經(jīng)驗,可以得知,將陰極液質(zhì)量分數(shù)控制在32.1%~32.4%時,觀察到的槽電壓是最低的,但如果質(zhì)量分數(shù)超過34%,則會使電流效率下降,槽電壓上升。

        3.2 鹽水溫度及槽溫

        進入樹脂塔前鹽水一般控制在(60±5) ℃。低于這個溫度,槽電壓上升,樹脂塔中的螯合樹脂就會失去活性,樹脂的交換能力下降 ,電解液和膜的電阻會隨著它們溫度的上升而降低。

        提高槽溫的辦法就是提高鹽水的溫度,溫度上升,使膜的孔隙增大,有利于提高膜和電解液的導電度,降低溶液電壓降,從而降低槽電壓。一般,槽溫上漲1 ℃,單槽電壓會降低10 mV。在實際電解中,在90 ℃時觀察到的槽電壓最低,但如果槽溫高于90 ℃時,水的蒸發(fā)量增加,導致氣液比率增加,使槽電壓上升。

        3.3 電流密度對槽電壓的影響

        槽電壓降直接受到電流密度的影響,一般來說,槽電壓與電流密度成正比,一張離子膜的面積為2.7 m2,電流密度為4.5 m2/kA,則理想電流為2.7×4.5=12.15 (kA)。如果超過了極限電流密度(電流密度為5.5 m2/kA),不僅使電壓上升,電流效率下降,而且易使膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到損壞。電流密度不僅影響膜的電壓降,而且影響陽極和陰極的過電壓,影響溶液及導體的電壓降,總的效果是,隨著電流密度的升高,槽電壓也會逐漸升高。

        3.4 鹽水中的雜質(zhì)

        進入電解槽的鹽水質(zhì)量是離子膜制堿技術(shù)的關(guān)鍵,其對離子膜的壽命、槽電壓和電流效率及產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的影響。

        離子膜二次鹽水的樹脂塔是為了進一步去除精鹽水中的雜質(zhì),電解時,它們會透過離子交換膜,會同陰極室反遷移過來的OH-反應(yīng)生成不溶性的氫氧化物沉淀,堵塞離子膜,使膜電阻增加,槽電壓上升,膜性能惡化和壽命的縮短。

        對膜影響最明顯的是鈣鎂離子,少量的Fe+2和Fe+3主要對槽電壓有影響,對電流效率影響不大,但當鹽水中鈣鎂鐵等雜質(zhì)含量增加時,可以明顯地觀察到電流效率下降。長期的鈣鎂鐵等雜質(zhì)含量超過指標,將造成膜性能不可逆的惡化,從而縮短膜的使用壽命。因此,在生產(chǎn)中加強檢測能力,提供合格的鹽水(ρ(Ca2+)≤0.02 mg/L,ρ(Mg2+)≤0.02 mg/L,ρ(Fe3+)≤0.02 mg/L)。

        3.5 陽極液濃度及pH值

        陽極液濃度偏低時會導致電流效率下降,堿含鹽量上升,當濃度過低時,膜的含水率增高,導致OH-反滲速度增加,離子膜將會出現(xiàn)鼓泡,過多的鼓泡則導致槽電壓上升和電流效率的下降,如濃度低至某一極限,離子膜則會發(fā)生膨脹、分層,出現(xiàn)針孔,導致膜遭到破壞。陽極液的控制指標為205~230 g/L,但是在平時的操作中觀察的陽極液濃度一般控制在210~215 g/L時,槽電壓為最佳值。

        當今工業(yè)化用的離子膜,絕大多數(shù)是全氟磺酸和全氟羧酸復合膜。全氟羧酸在有Na+存在的情況下,具有優(yōu)良的性能,如果羧酸基變成了H+型,它就不能作為離子膜工作了,因此必須使陽極液pH值控制在2~4之間,否則膜內(nèi)部就要因發(fā)生水泡而受到破壞,使膜電阻上升,槽電壓就要急劇升高,所以,陽極液加酸不能過量,將陽極液出口酸度控制在0.005 0 mg/L以下,且在單槽電流為4.1 kA以下時,加酸閥自動關(guān)閉,停止加酸。

        3.6 電槽壓力及壓差

        通過提高電解槽壓力,電解液氣體體積縮小,因氣泡發(fā)生而引起的電解液電阻下降,電解槽電壓降低。壓差有效的降低槽電壓,相反的,負壓差增加槽電壓,每片增加0.4~0.5 V,在實際操作中,陰極室和陽極室的壓差是4 kPa。若壓差超額,正壓差高于95 kPa時,將使陽極永久變形,極距增大,電壓上升;若壓差過小,不僅易使槽電壓上升,而且,壓差波動頻繁,使膜受到振動而損傷,特別是開停車時,由于操作不當,最易出現(xiàn)負壓差,膜就會緊貼到陰極網(wǎng)面,使膜受到摩擦而損壞,槽電壓上升。所以平時操作中維持壓差在40 kPa左右。

        4 結(jié)語

        離子膜電解槽的操作關(guān)鍵是使離子膜能夠長期穩(wěn)定地保持較高的電流效率和較低的槽電壓,進而穩(wěn)定直流電耗,延長離子膜的使用壽命,盡量避免非計劃停車的次數(shù),將各項參數(shù)指標控制在合格范圍內(nèi),不因誤操作而使膜受到嚴重的損傷,同時也能提高產(chǎn)品質(zhì)量。

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