与传统石棉隔膜制碱相比, 离子膜烧碱杂质含量低, 产品浓度高, 生产过程不影响人员健康, 三废排放较少, 对水质无污染, 且管理操作方便, 成本低, 耗能低, 广泛用于造纸、棉纺及食品工业。离子膜法原理、生产流程、工艺特点及影响碱液蒸发的因素是以下研究重点。
1 离子膜烧碱原理
离子膜法制烧碱, 是将食盐水电解成氢氧化钠, 离子交换膜是离子膜法生产烧碱的关键部件。借助所用阳离子交换膜的选择透过性特点, 仅允许Na+、H+等阳离子通过, 阻止Cl-、OH-等阴离子和两极产物Cl2、H2通过, 以此达到避免阴极产物H2和阳极产物Cl2互相混合, 便于分别收集的目的, 并有效避免Na OH和Cl2反应生成Na Cl O, 以免对烧碱纯度造成影响。饱和食盐水是氯碱工业生产主要原料, 但因粗盐水含杂质, 如SO42-、Ca2+、Fe3+、Mg2+和泥沙等, 达不到电解要求, 因此, 需要对其进行提纯精制[1]。
2 离子膜烧碱生产流程
饱和食盐水经提纯精制后, 进入阳极室;加入适量Na OH溶液的纯水进入阴极室;通电后, 阴极表面H2O放电而成H2, 而Na+由阳极室经离子膜进到阴极室;Na OH在阴极室富集;阳极表面Cl-放电而成Cl2。电解后, 可在阳极室淡盐水中添加食盐, 循环利用。阴极室不加入Na Cl, 而加纯水的原因在于, 阴极室反应2H++2e =H2↑, Na+可经离子膜进到阴极室, 成为Na OH溶液;而在电解开始时, 为增强阴极溶液导电性又不引入新的杂质, 则在阴极室水中加适量Na OH溶液。
3 离子膜烧碱工艺特点
(1) 蒸汽消耗低离子膜法烧碱产品浓度较高, 约为30% ~33%, 较传统方法 (10% ~11%) 大幅提高, 后续浓缩蒸汽大大减少。若产品浓度要求50%, 每吨成品碱仅需蒸出约0.5t水;而传统方法需蒸出水4t, 离子膜烧碱少蒸3.5t[2]。蒸发水量减少, 蒸汽消耗明显降低。
(2) 操作简单传统方法碱液中含盐约16%, 而离子膜碱液中含盐仅0.004%[3], 在蒸发浓缩的过程中, 即便生产固碱, 也无需除盐, 流程设备大大简化, 传统隔膜碱蒸发所用工艺流程及设备均可省略;且在蒸发时不析出盐, 不会引起管道阻塞等问题;操作较简单。
4 影响碱液蒸发的因素
(1) 蒸发器液位蒸发器液位恒定, 是确保循环蒸发器稳定有效操作的关键。液位高度的变化, 可引起静压头变化, 对蒸发稳定性有很大影响。液位偏低, 则闪蒸和蒸发剧烈, 夹带严重, 大气冷凝器的下水带碱, 或者出现跑碱现象;而液位偏高, 则传热有效温差减小, 循环速度降低, 从而降低蒸发能力。稳定液位对减少碱损失、提高蒸发能力和降低汽耗有重要作用。
(2) 蒸汽压力在碱液蒸发中, 蒸汽为主要热源, 其压力高低直接决定蒸发能力。使用高压蒸汽可保证较高的有效传热温差, 增加单位时间热量传递, 增强装备生产能力;但压力过高, 易引起加热管碱液温度猛然上升, 导致液体沸腾, 形成汽膜, 使传热系数降低, 影响装备能力。若压力过低, 与碱液沸点温差减小, 单位时间蒸发量降低, 蒸发强度降低。
除了保证蒸汽压力适宜外, 还应重视蒸汽饱和度。饱和蒸汽可提供较多热量, 同时对保持稳定操作有较大作用。加热压力波动, 会影响蒸发过程稳定性, 继而影响蒸发温度、真空度、蒸发器液面、以及产品纯度、浓度等。
(3) 电解碱液温度及浓度离子膜碱液浓度高, 利于蒸发浓缩, 且与隔膜法比汽耗低。电解槽流出的碱液温度一般为85 ~90℃, 但若经过缓冲罐后再进入蒸发器, 特别是缓冲罐有一定存放功能时, 则会导致实际进入蒸发器的碱液温度大大下降, 能源消耗增加[4]。
(4) 真空度在蒸发生产控制中, 真空度为重要指标。提高真空度, 可降低二次蒸汽饱和温度, 使有效温度差明显提高;同时蒸汽冷凝水温度也降低, 使热源利用更加充分, 降低了蒸汽消耗。真空度高低和二次蒸汽不凝气含量、大气冷凝器下水温度等相关。可通过蒸汽喷射泵、机械真空泵及水喷射泵等排除不凝气, 提高真空度。
(5) 热损失蒸发属传热过程, 热损失是不可避免的。热损失主要包括经管道或设备表面向外散发的热量, 以及没被充分利用而排出的蒸汽。一般来说, 前者占比较少, 约2% ~5% ;后者较多, 约10% ~20%。为此需进行热量衡算, 合理设计换热系统, 最大化利用蒸汽;同时, 也应选取价廉质优的保温材料, 尽量避免散热, 减少热损失。
5 结语
目前, 烧碱售价下降, 传统法制烧碱盈利能力降低, 离子膜法凭借其有利优势, 符合高新技术化要求, 对减少原料消耗、降低能耗、提升产品质量、避免三废排放有重要意义, 能够实现循环经济及清洁生产。笔者查阅有关的资料及文献, 对离子膜法烧碱蒸发浓缩生产工艺作出分析, 具有一定参考价值。
摘要：离子膜法电解制碱为先进的生产烧碱工艺方法, 所产烧碱在印染、石油精炼、轻工、医药、造纸、农药和纺织等领域应用较广, 副产氢气及氯气可合成盐酸, 深加工甲烷氯化物、PVC和有机硅等。此文从原理、生产流程、工艺特点及影响碱液蒸发的因素四方面对离子膜法烧碱蒸发浓缩生产工艺作出分析。
关键词：离子膜法,烧碱,生产工艺,蒸发
参考文献
[1] 郑纪东.离子膜法烧碱蒸发浓缩的生产工艺探讨[J].盐业与化工, 2014, 10:19-22.
[2] 乔玉元.隔膜法与离子膜法生产烧碱工艺对比分析[J].齐鲁石油化工, 2010, 02:108-110.
[3] 马玥琤.隔膜法烧碱改造为离子膜法烧碱的工艺讨论[J].氯碱工业, 2013, 12:7-10.
[4] 董雪英.离子膜烧碱的生产工艺及市场前景[J].江苏化工, 2008, 03:55-59.