離子膜燒堿工藝設(shè)計改進探討

于鳳剛，姜　錦，馬旻銳，常艷琴

（金川集團公司化工廠，甘肅 金昌 737100）

離子膜燒堿工藝設(shè)計改進探討

于鳳剛，姜錦，馬旻銳，常艷琴

（金川集團公司化工廠，甘肅 金昌 737100）

針對離子膜燒堿裝置傳統(tǒng)工藝中存在的問題，提出相關(guān)的解決措施，對離子膜燒堿裝置的工藝設(shè)計有借鑒意義。

離子膜；燒堿；脫氯；設(shè)計；淡鹽水

甘肅金川集團股份有限公司化工廠40萬t/a離子膜法燒堿項目分兩期建設(shè)。一期工程于2009年10月正式投產(chǎn)，選用藍星（北京）化工機械有限公司高電流密度自然循環(huán)復(fù)極式離子膜電解槽，裝置生產(chǎn)能力為20萬t/a；二期工程于2012年5月正式啟動建設(shè)，選用北化機自然循環(huán)高電流密度復(fù)極式膜極距電解槽。兩期項目的設(shè)計均由同一設(shè)計院承擔(dān)，根據(jù)一期系統(tǒng)運行出現(xiàn)的問題，在二期項目設(shè)計過程中做了如下改進。

1　一次鹽水精制

1.1化鹽池設(shè)計改進

常用的化鹽方式有地上式化鹽桶、地下式化鹽池兩種。傳統(tǒng)地上式化鹽桶，化鹽能力小、細鹽容易被水沖出來；地下式化鹽池存在易集泥、利用效率不高、布水系統(tǒng)偏流等的問題。

化鹽池設(shè)計為半地上式、適當(dāng)縮小化鹽池的截面積、布水管采用“曰”字形分布，在每根布水管上均勻設(shè)置菌帽。化鹽池設(shè)計成半地上式，有利于鏟運機上鹽；縮小化鹽池的截面積，提高水流比，可有效解決地下化鹽池內(nèi)集泥問題；水管采用“曰”字形分布，可以有效解決化鹽池內(nèi)布水不均、偏流等問題；菌帽可有效防止鹽泥進入布水管內(nèi)，防止布水管堵塞。

1.2精制劑溶解裝置設(shè)計改進

地上式溶解槽，精制劑搬運不方便，勞動強度高；地下式溶解槽、液下泵輸送，存在溶解槽效率低、輸送泵易堵塞。將化學(xué)品溶解池更改為地下式溶解池，溶解池內(nèi)壁采用瓷磚防腐，溶解液輸送采用離心泵+自引罐形式+管道過濾器輸送。采用地下式溶解池，精制劑配置勞動強度低，設(shè)置自引罐+管道過濾器的輸送方式，可有效解決溶液中雜質(zhì)堵塞輸送泵、管道等問題。

1.3預(yù)處理器的改進

傳統(tǒng)預(yù)處理器運行過程中出現(xiàn)中心筒集泥、返混等問題。

在預(yù)處理器中心筒設(shè)置排泥管、配置沖洗管道，根據(jù)需要隨時將中心筒內(nèi)的集泥排出并對中心筒進行沖洗；同時，在預(yù)處理器的檢修時保證中心筒與預(yù)處理器內(nèi)的液位同時下降，避免因預(yù)處理器排水不當(dāng)導(dǎo)致內(nèi)部用力增加破壞預(yù)處理器的結(jié)構(gòu)、防腐。

1.4精制劑加入方式的改進

傳統(tǒng)后反應(yīng)槽內(nèi)碳酸鈉定點加入，后反應(yīng)槽內(nèi)碳酸鈉分布不均、反應(yīng)不完全，導(dǎo)致鹽水過堿量高、鹽水中鈣離子超標(biāo)等問題。

在后反應(yīng)槽頂部周圍設(shè)置折流槽，碳酸鈉加入鹽水后經(jīng)由折流槽混合均勻后進入后反應(yīng)槽；在后反應(yīng)槽下半段設(shè)置強制循環(huán)泵，當(dāng)鹽水流量較大時通過混流泵強制循環(huán)，保證鹽水中的鈣離子與碳酸根離子充分反應(yīng)。

通過對后反應(yīng)槽結(jié)構(gòu)形式、混合形式的改造，可以使碳酸鈉與鹽水混合均勻，增加鈣離子與碳酸根離子有效反應(yīng)時間，提高鈣離子去除率，降低過濾精鹽水過堿量。

2　脫硝工序

2.1加酸工藝的改進

傳統(tǒng)的脫硝工藝中，采用一次加酸工藝，運行過程中pH值波動大、跳車頻繁。采用2級加酸工藝。脫氯淡鹽水進入淡鹽水儲槽前設(shè)置第一加酸點，對淡鹽水粗調(diào)pH值，控制其pH值為8~9。淡鹽水貯槽出口設(shè)置第二加酸點，精細調(diào)節(jié)淡鹽水pH值，控制其pH值為5~7，鹽酸加入量與pH儀表信號聯(lián)鎖，再定量添加亞硫酸鈉使其完全中和余氯。為保證鹽酸、亞硫酸鈉加入量穩(wěn)定，采用“高位槽+自動調(diào)節(jié)閥+流量計”的形式加入，采用鹽酸、亞硫酸鈉高位槽，有利于保證出口壓力穩(wěn)定。

2.2增設(shè)活性炭過濾器

傳統(tǒng)預(yù)處理工藝中沒有活性炭過濾裝置，運行過程中由于鹽水中游離氯超標(biāo)、氯酸根超標(biāo)等情況，導(dǎo)致納濾膜被氧化，降低納濾膜的使用壽命。

經(jīng)過“二級鈦板換熱器”降溫后的淡鹽水進入活性炭過濾器，其內(nèi)部裝填的濾料是椰殼（或果殼）活性炭顆粒，該顆粒的多微孔結(jié)構(gòu)可吸附水中有機物和游離氯，確保淡鹽水余氯值不超標(biāo)，可使納濾膜的使用壽命提高至2年以上。

2.3提高富硝鹽水中硫酸鈉濃度

傳統(tǒng)脫硝經(jīng)膜法系統(tǒng)后濃縮液含Na2SO440 g/L。設(shè)置2級膜過濾系統(tǒng)。一級膜法系統(tǒng)的濃縮液含Na2SO460 g/L左右，再通過二級系統(tǒng)進一步濃縮，Na2SO4含量上升至80~100 g/L，提高結(jié)晶槽溫度至5℃。

2.4富硝鹽水冷凍系統(tǒng)改進

傳統(tǒng)脫硝冷凍換熱器采用列管式換熱器，冷凍機組采用氟壓機，結(jié)晶系統(tǒng)設(shè)置兌鹵槽與沉硝槽，兌鹵槽內(nèi)鹽水控制在-3~-5℃。冷凍系統(tǒng)運行過程中存在列管式換熱器堵塞、換熱器被腐蝕內(nèi)漏、熱損失大等問題。

針對傳統(tǒng)冷凍系統(tǒng)的問題，脫硝冷凍系統(tǒng)采用板式換熱器、冷凍機組采用冷水機組，并采用乙二醇作為冷媒對富硝鹽水降溫，根據(jù)板式換熱器內(nèi)富硝鹽水運行壓力自動清洗。

通過恒定低溫乙二醇來控制交換水溫，避免了濃縮液直接與冷媒的交換，減少交換溫差，減少出現(xiàn)局部低溫結(jié)晶堵塞的幾率；通過設(shè)置板式換熱器自動沖洗裝置有效防止了硫酸鈉結(jié)晶堵塞換熱器。

3　電解工序

3.1電解加酸系統(tǒng)改進

傳統(tǒng)電解工藝中，電解槽加酸、脫氯系統(tǒng)、樹脂塔再生、氯酸鹽分解共用一套加酸裝置，電解槽加酸與脫氯系統(tǒng)、樹脂塔再生氯酸鹽分解相互影響，導(dǎo)致電解槽加酸流量不穩(wěn)定、脫氯系統(tǒng)pH值不穩(wěn)定。

將氯酸鹽分解、脫氯塔用酸與裝置區(qū)分開來，分別設(shè)置31%鹽酸貯槽、鹽酸給料泵，17%鹽酸貯槽、鹽酸給料泵。氯酸鹽分解、脫氯塔用酸均由31%加酸系統(tǒng)供給，樹脂塔再生、電解槽加酸均由17%加酸系統(tǒng)供給。改進后氯酸鹽分解、脫氯塔用酸與樹脂塔再生、電解槽加酸不再相互影響，有利于穩(wěn)定電解槽加酸量和脫氯淡鹽水pH值。

3.2設(shè)置隔槽水封系統(tǒng)

電解裝置都有多臺電解槽組成，當(dāng)其中某一臺電解槽出現(xiàn)故障需要檢修時，如何對該臺電解槽實施安全、平穩(wěn)停車是一大難點。目前通常的方法有兩種：（1）降低氯氫總管的壓力至平壓，然后隔離該電解槽。該方法需要把總管壓力調(diào)整至0；因操作過程中氣相壓力控制點多，稍有不慎就會造成電解槽跳車。（2）不降低氯氫總管壓力，將電解槽封槽，稍開電解槽至廢氣的閥門，使電解槽內(nèi)氣相壓力至平壓。該方法操作過程中不會對總管產(chǎn)生沖擊，但是泄壓過程中單臺電解槽壓差難以控制，稍有不慎就會因壓力沖擊造成離子膜破裂或者電解槽極網(wǎng)變形。

設(shè)置隔離電解槽用的氯氣、氫氣泄壓水封，水封注滿水時可以承受與電解槽相同的氣相壓力，氫氣氯氣水封壓差為4 kPa，兩臺水封液位可同時下降。當(dāng)水封氣相與需隔離電解槽連通后，電解槽內(nèi)陰陽極氣相壓力隨著水封內(nèi)液位的下降而降低，最終降至平壓。操作過程，電解槽內(nèi)壓力穩(wěn)定，不會出現(xiàn)壓力波動。

3.3二次鹽水精制系統(tǒng)改造

傳統(tǒng)二次鹽水樹脂塔在運行過程中，塔內(nèi)運行壓力大導(dǎo)致塔中樹脂破碎量較大；鹽水經(jīng)由樹脂塔后直接進入鹽水高位槽，樹脂塔系統(tǒng)出現(xiàn)問題后沒有緩沖能力。

在樹脂塔后設(shè)置超純鹽水貯槽，鹽水經(jīng)由樹脂塔后進入超純鹽水貯槽，再經(jīng)由超純鹽水泵輸送至鹽水高位槽。通過增加超純鹽水貯槽，降低了樹脂塔內(nèi)運行壓力、為樹脂塔出現(xiàn)故障提供緩沖時間。

3.4正負壓水封系統(tǒng)

電解系統(tǒng)運行過程中，90%以上的聯(lián)鎖停車由氯氫壓差超標(biāo)導(dǎo)致。

根據(jù)電解槽的運行壓力，在氯氣總管PCV216后設(shè)置正負壓水封，通過正負壓水封可以將氯氣壓力穩(wěn)定控制在一定的范圍內(nèi)，有利于穩(wěn)定氯氫壓差。

3.5氯酸鹽分解與氯水系統(tǒng)

傳統(tǒng)氯酸鹽分解工藝：淡鹽水循環(huán)槽內(nèi)的淡鹽水經(jīng)由板式換熱器加熱至95℃，加酸調(diào)節(jié)pH值后輸送至氯酸鹽分解槽，分解后的淡鹽水溢流至氯水槽，經(jīng)由氯水泵輸送至脫氯塔內(nèi)，氯水槽同時收集系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的氯水。運行過程中，氯水泵經(jīng)常出現(xiàn)汽縛、不上液等情況，導(dǎo)致氯酸鹽分解系統(tǒng)停運、氯水槽冒槽、脫氯系統(tǒng)運行效果差等情況。

改造后氯酸鹽分解工藝：取消氯水槽，以陽極液排放槽收集系統(tǒng)產(chǎn)生的氯水，并在氯水泵出口增加板式換熱器，將輸送的淡鹽水加熱至90℃后輸送至脫氯塔內(nèi)；將氯酸鹽分解槽置于脫氯框架二樓，在脫氯框架一樓內(nèi)單獨設(shè)置氯酸鹽分解泵，單獨輸送氯酸鹽分解后的淡鹽水。經(jīng)過工藝改進后，可使進入脫氯塔內(nèi)的鹽水溫度維持在88~90℃，陽極液排放槽較大的容積可以有效緩沖陽極液排放泵不上液的處理時間；陽極液收集的淡鹽水溫度較低，可消除陽極液輸送泵氣縛現(xiàn)場。氯酸鹽分解槽與氯酸鹽分解泵之間的位差，有助于消除氯酸鹽分解泵汽縛現(xiàn)象。

3.6氯氫總管壓力控制方式的改進[2]

傳統(tǒng)氯氫壓力控制以單臺壓力變送器（PI216、 PI226）的顯示作為參考值，當(dāng)PI216、PI226器測量值與實際不符，造成系統(tǒng)意外停車，或?qū)е孪到y(tǒng)實際壓差超過了電解槽可承受的范圍，但系統(tǒng)未發(fā)出聯(lián)鎖停車指令，過大的壓差造成離子膜泄漏、電解槽變形，引發(fā)安全事故。

在氯氣、氫氣總管上各設(shè)置3臺壓力變送器，取3臺壓力變送器讀值得中間值參入系統(tǒng)的壓力控制。與傳統(tǒng)的氯氫壓差控制方式相比，該控制方式氯氫壓力取值更合理、可靠，通過DCS系統(tǒng)比較取值后，可以避免因某個壓力變送器或差壓器信號錯誤而導(dǎo)致系統(tǒng)的誤操作。

4　氯氫處理工序

兩期氯氫系統(tǒng)并網(wǎng)。傳統(tǒng)分兩期建設(shè)的燒堿系統(tǒng)，氯氣、氫氣共用一個分配臺。運行過程中，當(dāng)其中一套裝置意外跳車后會導(dǎo)致另一裝置壓力波動跳車。

對兩期燒堿系統(tǒng)氯氫并網(wǎng)做如下改造：在兩個分配臺出口分別設(shè)置1臺具有快關(guān)功能的自動調(diào)節(jié)閥、兩個分配臺上各設(shè)置1臺壓力變送器、兩個分配臺之間設(shè)置1個緩沖罐、氣體緩沖罐上設(shè)置1臺壓力變送器、緩沖罐出口至下游裝置管道上設(shè)置1臺自動閥。氣體分配臺上的壓力變送器的取值與氣體分配臺出口調(diào)節(jié)閥表串級控制，保持分配臺壓力穩(wěn)定；系統(tǒng)電解裝置跳車信號與氣體分配臺出口閥門連鎖控制，系統(tǒng)電解裝置跳車后，自動調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。通過以上設(shè)置，可以有效減小2個系統(tǒng)跳車相互之間的影響，見圖1。

圖1　兩期系統(tǒng)氯氫并網(wǎng)示意圖

5　鹽酸合成工序

采用副產(chǎn)蒸汽合成爐。傳統(tǒng)二合一石墨采用循環(huán)水冷卻，運行過程中產(chǎn)生的大量的熱依靠循環(huán)水帶走，造成能源浪費。

采用二合一副產(chǎn)蒸汽氯化氫合成爐，每合成1 t氯化氫氣體可副產(chǎn)低壓蒸汽0.6～0.7 t。以日產(chǎn)50 t氯化氫為例，氯化氫合成系統(tǒng)裝置滿負荷生產(chǎn)時日產(chǎn)蒸汽約32 t，同時可節(jié)省循環(huán)水280 m3/h。

6　液體罐區(qū)工序

6.1裝車裝置的改進

液體罐區(qū)傳統(tǒng)裝車采用機泵裝車，機泵出口壓力大、各個裝車鶴管流量影響裝車泵出口壓力，存在不安全因素。

將液體罐區(qū)燒堿貯槽、鹽酸貯槽的基礎(chǔ)頂高離地面3 m，設(shè)計全自壓裝車，所設(shè)機泵用于酸堿倒罐。提高酸堿裝車的安全系數(shù)，減少酸堿裝車的電耗。

6.2液體罐區(qū)的改進

在液體罐區(qū)設(shè)置酸堿回收池及回收泵，當(dāng)液體罐區(qū)出現(xiàn)酸堿泄漏時，可以利用酸堿回收泵對泄漏的物料進行回收。

7　結(jié)語

通過以上工藝改進，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，故障率降低，節(jié)能效果明顯。

Design improvement of ion—exchange membrane caustic soda process

YU Feng-gang，JIANG Jin，MA MIN-rui，CHANG Yan-qin
（Chemical Plant of Gansu Jinchuan Group Co．，Ltd．，Jinchang 737100，China）

Aiming at the existing problem in the traditional process of ion-exchange membrane caustic soda plant，this paper put forward relevant solutions.This has important significance for the process design of ionic membrane caustic soda device.

ion—exchange membrane；caustic soda；chlorine removal；design；dilute brine

TQ114.26

B

1009－1785(2016)11-0009-03

2016-05-24