氯堿生產過程節能控制技術研究

趙利軍

摘 要：節能降耗的化工行業深化改革已成為下步行業的明確發展方向。如何進行當前工況下的優化，在不擴建、少改建的前提下保證產品質量達標，能耗進一步降低成為各生產企業急需解決的問題。以膜過濾技術、膜法脫硝技術和離子膜法電解槽制燒堿技術為代表的低成本解決方案為規模以上的企業提供了解決方案。而中小型企業可以通過工藝優化和附屬產品充分利用提高運營利潤，在后期項目上馬時順便進行節能降耗產品的更替或者添加，形成中長期目標對企業的發展有著深遠的意義。

關鍵詞：氯堿;生產過程;節能控制技術

1 氯堿生產工藝

在流程工業中，氫氧化鈉（NaOH）、氯（Cl2）和氫（H2）是使用電解飽和的氯化鈉溶液制備的，該溶液用作氯堿工業的原料，用于生產一系列化學產品。氯堿工業是最基礎的化學工業之一，不僅廣泛用于化學工業，而且廣泛用于輕工業、紡織工業、冶金工業、石化工業和公共設施。主要過程有三個：隔膜法、雙電解池法和汞電解池法。中國最早的氯堿工廠是上海天元化工廠（現為上海天元化工廠的前身），該廠于1930年投入運營，每天生產2t苛性鈉。1949年解放時，氯堿工廠很少，苛性鈉的年產量僅為15000t，氯產品僅是鹽酸，液氯和漂白粉，典型氯堿生產工藝流程圖（圖1）。

反應原理為電解，而具體反應式為：陽極反應：2Cl--2e-=Cl2↑（氧化反應）H+比Na+容易得到電子，因而H+不斷地從陰極獲得電子被還原為氫原子，并在氫分子的結合過程中成陰極釋放趨勢。相關的陰極反應：2H++2e-=H2↑（還原反應）在上述反應中，H+是由水的電離生成的，由于H+在陰極上不斷得到電子而生成H2放出，破壞了附近的水的電離平衡，水分子繼續電離出H+和OH-，H+又不斷得到電子變成H2，結果在陰極區溶液里OH-的濃度相對地增大，使酚酞試液變紅。總反應可以表示為：

2NaCl+2H2O=通電=2NaOH+Cl2↑+H2↑

依據該原理可以借助相關設備進行燒堿、氯氣和氫氣的工業化連續制取。在中國限于歷史原因，主要運用食鹽水溶液的電解方法進行相關產品的制備。而較為典型的辦法有隔膜法，其工業化生產流程為：通過相關多孔隔膜在固定反應槽中將陽極區和陰極區進行分割并開始獨立電化學反應。其中為促進充分反應過程需要避免任何情況下的兩極產物混合。飽和鹽水通過管匯灌入陽極區，陰極區隨即開始產生堿半產品，同時保證一定流量的未分解鹽水陸續外排。通過工藝控制調節鹽水流量，確保相關陽極區的液位顯著高于陰極最低液面，確保靜壓差連續而適中，使陽極液透過隔膜流向陰極室，其流向恰與陰極區OH-向陽極區的電遷及擴散方向相反，從而大大減少進入陽極區的OH-數量，抑制析氧反應及其他副反應的發生，陽極效率提高到90%以上。而陰極區由于OH-流失減少，堿液質量濃度可提高到100～140g/L。

2 濕氯氣預熱過濾鹽水

2.1 工藝流程簡述

電解槽陽極室產出的濕氯氣和淡鹽水經氣液分離器分離后，氯氣進入氯氣總管，溫度約在80℃，并且被水蒸氣所飽和，內含大量熱能不但沒有被利用，而且要消耗大量自來水將這部分熱能移除。另一方面進螯合樹脂塔過濾鹽水溫度需達到60～65℃，而從化鹽工序輸送到二次鹽水精制工序的過濾鹽水溫度約50℃，要用大量蒸汽將其加熱至63℃左右。在電解槽至氯氣洗滌塔之間安裝鈦材質（Φ500mm×6754mm，F=90m2）列管換熱器1臺，鹽水走管程，氯氣走殼程，利用從電解槽產出的高溫濕氯氣預熱過濾鹽水，將過濾鹽水溫度提升至65℃左右，不再使用蒸汽加熱。

2.2 濕氯氣預熱過濾鹽水經濟效果評價

改造完成投入使用后，氯水洗滌塔溫度由原來60℃降至40～45℃，過濾鹽水經濕氯氣預熱后，溫度由原來50℃提升至62～65℃，降低蒸汽消耗，且氯水洗滌塔冷卻負荷大大降低。

改造后過濾鹽水平均溫升為13℃，每小時利用熱量Q=24×13×3886kJ/（m3·℃）=1212432（kJ）。折0.3MPa

低壓蒸汽計（汽化潛熱為2163.7kJ/kg），每小時節汽G=

1212432÷2163=560.41（kg）。年可節約蒸汽0.56×8000=

4480（t），年降成本約為62.7萬元。設備及安裝總投資21.4萬元，半年內即可收回投資。

3 膜法脫硝技術

膜法脫硝技術原理簡單，分為濃縮和冷凍解除兩大部分。原料液（鹽水）首先通過膜過濾將SO42-離子進行濃縮液阻斷。使其原液中原始狀態下的10g/L濃度進行處理后40g/L的Na2SO4溶液濃縮強化。然后經過機械過濾后進入冷凍換熱器解除Na2SO4溶液中濃度SO42-將其結晶分離。以至于徹底脫除SO42-并得到重要中間產品芒硝。運用濃縮阻斷原理能為后續的原料液冷凍提供充要條件，且減少硫酸鋇和鹽泥的排放和消耗。

4 離子膜法電解槽制燒堿

隨著膜技術的成熟，以濃度可調，附屬工藝可選擇的靈活搭配工藝全面體現在離子膜法電解槽制燒堿的相關工藝當中。相關工藝的運行能在整流、二次鹽水精制和后續的電解、脫氯環節進行優化。全面提升系統利用率，其中作為系統核心元件的全氟離子膜是電解槽的運行關鍵。相關行業中杜邦公司的膜產品能在SPE（固體聚合物電解法）環節優化降低30%的電耗。而在工藝上進一步優化還可以基于當前工況進行反應液雜質、原液濃度、電解液酸度、陽極液濃度、工藝控制溫度、流程操作連貫性等方面進行因素分析并進行動態工況優化，確保工藝指標完善，各控制點參數穩定，系統工程安全運行。

5 氯堿生產節能控制展望

添加冷水箱并泵入冷水箱。DCS控制系統用于自動調節冷水箱中的水溫和液位。開車后在生產過程中完全重復使用多余的回收水。后續隨著生產規模的不斷擴大和更多設備的安裝，電能消耗繼續增加。當前的主要方法是拆除不必要的單元設備，減少了電力浪費。也可以采用跨多個鏈路使用具有相同功能的設備的節能方法。修改輸水輸送系統也是一種更有效的方法。通常這包括引入管道。它是通過完成堿板式換熱器的出口在電解部分實現的，同時安裝了一個閥以連接電解部分和干燥部分，并且管道通常安裝在室內以節省壓縮空氣并確保堿性液體的輸送。換句話說，它消除了不必要的設備來發電和節約用水。同時，減少壓縮空氣以節省能源。

在生產工藝余熱利用方面，根據季節的不同，剩余的生產過程中會使用過多的熱量。氯乙烯和合成熱水可以為其他設備和冬季提供足夠的火力。來自合成爐的熱水和氯乙烯可以為工廠提供熱量。因此，在合成HCl時，不會在氯堿生產過程中浪費熱能。發出的熱水高于所需溫度，多余的熱水可為其他設備供電。熱水為生產工廠提供熱量。使用逆流循環采取的主要措施是安裝廢熱利用設備，包括循環水泵，用于加熱的熱水箱和輸送泵。同時，可以根據季節選擇不同類型的蒸汽爐，實現蒸汽的回收利用，并向工廠區域供熱。在氯乙烯的過程中，熱水箱中的熱水為轉換器和預熱器提供足夠的熱量。當合理保證溫度時，可獲得最佳熱量。轉爐運行過程中氯乙烯的熱廢熱可確保冬季使用溴化鋰裝置。氯乙烯熱水還可以在生產工廠的較小區域內提供加熱。

6 結論

降低生產過程中的能源消耗不僅是企業降低生產成本，提高產品競爭力的需要，也是響應國家“節能減排”和“可持續發展”的需要。通過技術改造將生產過程中產生的能源再利用到生產過程中去實現能源的循環利用，以達到節能降耗的目的。

參考文獻：

[1]曹亞格.膜極距改造的降耗效果和經濟分析[J].氯堿工業，2019，51（1）：20-21.

[2]李向青，田廣.國產高電密離子膜電解槽的應用[J].中國氯堿，2018（6）：30-31+46.