1 离子膜烧碱工艺介绍
离子膜电解法又称膜电槽电解法, 是利用阳离子交换膜将单元电解槽分隔为阳极室和阴极室, 使电解产品分开的方法。离子膜电解法是在离子交换树脂 (见离子交换剂) 的基础上发展起来的一项新技术。利用离子交换膜对阴阳离子具有选择透过的特性, 容许带一种电荷的离子通过而限制相反电荷的离子通过, 以达到浓缩、脱盐、净化、提纯以及电化合成的目的。这项技术已经用于氯碱的生产, 海水和苦咸水的淡化, 工业用水和超纯水的制备, 酶、维生素与氨基酸等药品的精制, 电镀废液的回收, 放射性废水的处理等方面, 其中应用最广泛、成效最显著的是氯碱工业。在氯碱工业中, 利用阳离子交换膜电解槽电解食盐或氯化钾水溶液来制造氯气、氢气和高纯度的烧碱 (氢氧化钠) 或氢氧化钾。1975年日本旭化成工业公司制成全氟羧酸型离子交换膜, 首先实现离子膜电解法制烧碱, 同年日本实现工业化生产。
工艺流程:经过两次精制的浓食盐水溶液连续进入阳极室, 钠离子在电场作用下透过阳离子交换膜向阴极室移动, 进入阴极液的钠离子连同阴极上电解水而产生的氢氧离子生成氢氧化钠, 同时在阴极上放出氢气。食盐水溶液中的氯离子受到膜的限制, 基本上不能进入阴极室而在阳极上被氧化成为氯气。部分氯化钠电解后, 剩余的淡盐水流出电解槽经脱除溶解氯, 固体盐重饱和以及精制后, 返回阳极室, 构成与水银法类似的盐水环路。离开阴极室的氢氧化钠溶液一部分作为产品, 一部分加入纯水后返回阴极室。碱液的循环有助于精确控制加入的水量, 又能带走电解槽内部产生的热量。
2 浅谈烧碱工艺中能耗问题
电解液中影响到能耗问题的因素有很多种, 但是在当前设备条件下, 由于材料杂质过多和设备损耗导致的能耗暂居烧碱工艺中最主要的地位, 因此在实际生产过程当中如何减少该类的问题, 将是企业研究和改进的主要方式。
2.1 电解液中电耗能的问题。
产生电耗过大的问题, 主要是因为在整个离子膜的电解过程中, 电解质中在不断电解过程中会增加了大量的杂质, 而在生产中影响的有NH4对电解槽的电流效率有影响的Ca2+、Sr2+、Ba2+、Al3+、Hg2+、I、SO42-、Si O2, 会导致电压升高的Mg2+、Ni2+、Fe2+、Al3+、Si O2。特别是在电解压处理过程中, 企业使用除I-技术I-与盐水中的Ba2形成碘酸钡和高碘酸钡, 此化合物阻止了Ba SO4沉淀的形成, 又阻止了螯合树脂的吸附, 它们随精盐水进入电解槽, 渗透到离子膜内部, 从而影响电解槽的电流效率, 造成能耗过大。因此, 虽然各生产企业使用电解液的质量 (如海盐、井矿盐、湖盐) 、电解槽电解过滤能力不同, 其中所杂质含量各有区别, 但离子膜法电解系统对电解液的要求基本一致。电解液精制是将电解液中的有害物质通过特定工艺技术除掉, 以达到离子膜电解槽的使用要求。
2.2 蒸发工段能耗问题
在企业实际的生产过程当中, 一次实际的离子膜烧碱过程如下:在电解液精制反应器内加入纯碱、烧碱, 使电解液中的Ca2+、Mg2+生成沉淀, 经过道尔澄清桶沉降分离, 再经过砂滤器过滤大量的杂质。一次盐水经涂有α-纤维素的碳素烧结管过滤器, 除去固体悬浮物。Na2SO3加入盐水中, 去除其中的游离氯;配制好的α-纤维素先预涂碳素烧结管, 另一部分与盐水一起加入过滤器, 以防止过滤元件堵塞和延长过滤周期, 过滤器交替使用, 定期反洗。电解过程中通过蒸发过滤杂质, 就需要增加大量的加热和冷却, 但传统初冷器冷却一般都采用水池、冷却塔、水泵及连接管道组成的敞开式冷却系统, 冷却效果差、能耗高、焦油产量低。
3 能耗问题的解决方法
烧碱行业, 离子膜碱比隔膜碱每吨可降低能耗0.41t标准煤, 现在我国离子膜碱比例只有30%, 如果提高10%, 就可节能50万t标准煤。因此提高烧碱能耗, 增加产量是当前我国研发产品的重任。
3.1 解决电解液杂质的方法
去除这些杂质离子的技术有很多, 近年来采用膜过滤法处理盐水和SO42-去除技术提高了氯碱企业的整体技术装备水平, 也为高电流密度电解槽的应用打下了良好的基础。
(1) 除铵技术。盐水中的少量铵, 特别是采用掺卤或全卤工艺时铵含量更高, 在电解槽阳极室内与Cl2反应生成NCl3, 而NCl3是一种易爆炸的含氮化合物, 它的存在给氯碱生产带来安全隐患。盐水除氨技术:粗盐水进入折流槽, 加入一定量的Na Cl O, 在除氨反应槽中完成反应, 生成单氯胺, 向氨吹除塔通压缩空气, 单氯胺被空气带出系统, 盐水中铵的质量分数小于1×10-6。 (2) 除碘技术。虽然在市面上有着多种除碘方法, 将I-氧化成分子形式, 再吸附出来;采用离子膜法烧碱装置与隔膜法烧碱装置联合运行的方式, 通过隔膜法烧碱带出部分碘;通过离子交换树脂吸附的方式除去碘。但是就成熟程度而言企业可以采用采用离子膜法烧碱装置与隔膜法烧碱装置联合运行的方式, 通过隔膜法烧碱带出部分碘。这样就可以在一定程度上优化电解液, 进而节约成本。 (3) 新的冷却技术。除了使用传统的水冷器之外, 企业还可以采用先进的水膜蒸发传热技术, 将水冷与空冷、传热与传质融为一体, 通过管外水膜的蒸发, 强化管外传热。与传统初冷器不同的是, 蒸发式水冷器是工艺介质走管内, 水和空气走管外, 运行水温低, 所以不易堵塞、结垢, 保证了设备的平稳安全运行, 就可以减少能耗增加企业效益。因此通过各种离子分离技术的支持, 就可以提供离子膜烧碱的工艺中的能耗, 达到节能效果。
3.2 解决设备的问题
使用新型烧碱工艺特点:优点, 原理简单、运行稳定、维修费用低;缺点, 装置占地面积大、自动化控制程度低、操作复杂、α-纤维素运行费用高, 特别是砂滤器中的Si O2给系统增加了新的节约能耗。当然在设备的使用上, 操作者必需要对可能发生事故做好安全对策, 并制定的措施应能够完全实施到位, 并应与主体装置同时设计、同时施工、同时投用。这样才能够在减少能耗的基础之上, 防止或减少事故的发生。
4 结语
使用离子膜进行烧碱工艺是未来烧碱工艺的新方向, 他相对于其他烧碱工艺来说, 具有节能、快速的方式, 但是由于我国烧碱工艺起步慢, 使用离子膜烧碱还存在着不少问题, 在能耗问题上也存在着种种的不足, 本文就离子膜烧碱能耗问题进行了初步的探讨, 主要通过分析烧碱工艺中的电解质和电解设备导致了能耗的问题。
摘要：近年来由于我国经济在不断发展, 导致了离子膜法制碱发展迅猛, 各地争相新建、扩建离子膜生产装置, 但是快速发展可能会造成国内烧碱市场供过于求的局面, 而且国内大多数离子膜生产厂家也存在着使用超前、研发滞后以及产品消耗水平较高, 离子交换膜使用寿命短等诸多问题, 因此, 文章认为应该根据实际情况适时适度发展离子膜法制碱, 同时在制造离子交换膜制造过程中的能耗问题, 以便达到使用最低的能耗生产出最多的离子膜的方法。
关键词：经济,使用寿命,能耗
参考文献
[1] 程殿彬.离子膜法制烧碱生产技术[M].北京:化学工业出版社, 2004.
[2] 武汉大学.化学分析.下[M].北京:教育出版社, 1997.
[3] 徐平, 陈关文.分离膜应用与工程案例[M].北京:国防工业出版社, 2007.