離子膜燒堿生產工藝的優化分析

王慶天 高利平

摘要：離子交換膜燒堿生產工藝，是國內乃至全世界最先進的技術。然而，因為氯堿生產本身的高風險和離子膜堿生產工藝的高度自動化，許多節點擁有較高的技術要求，一旦出現錯誤，就會導致非常嚴重的安全問題和大量的財產損失。本文首先介紹了離子膜燒堿的生產工藝，簡要介紹了傳統離子膜燒堿法的主要缺點，并詳細介紹了離子膜燒堿生產工藝的優化，并將兩種優化方式與傳統工藝對比，施行了總體評價。

關鍵詞：離子膜法;燒堿;生產工藝;優化分析

一、前言

華夏是世界上最大的燒堿生產國和消費國，就燒堿生產工藝仍有很大的改進余地。我們一直追求的目標是不斷改善的生產工藝流程，科學地提升國內燒堿的生產水準。離子交換膜的生產工藝存在工藝復雜、原料浪費較多、安全隱患大等缺點。安全有效地解決這些問題，是提升燒堿生產技術水準的有效途徑。國內燒堿工業已經歷了從最初的膜電解到后期吸附沉淀膜電解槽的復雜過程，然后，是在改革開放后離子膜燒堿生產的迅速發展。華夏燒堿總量居世界首位，但生產工藝相對較落后。燒堿生產工藝的改進是燒堿提能降耗的方向。目前，我們所使用的離子交換膜法生產燒堿存在原料浪費的問題。因為工藝復雜，仍存有一定的不安全因素需要解決。

二、燒堿的用途

燒堿（學名：氫氧化鈉）是一種可溶性強堿，是一種廣泛應用于工業的化工產品。在冶金工業里，礦石里的活性成分通常轉化為可溶性鈉鹽，以除掉不溶性雜質。所以，通常需要添放純堿，有時添放燒堿[1]。例如，在鋁冶煉過程里，使用純堿和苛性鈉制備冰晶石并處置鋁土礦。在鎢冶煉過程里，首先將精礦和純堿焙燒成可溶性鎢酸鈉，然后，經過酸沉淀、脫水、還原等步驟制備鎢粉。在化學工業里，氫氧化鈉用于生產金屬鈉。燒堿用于生產許多無機鹽，尤其是在制備一些鈉鹽時。燒堿或純堿也用于染料、藥物和有機中間體的合成。由此可見，燒堿在工業生產中發揮著巨大作用。所以，優良的燒堿生產工藝對于工業發展能夠起到促進作用。經過長期的研究和實踐，已經證明離子膜燒堿法的優越性。離子膜法制燒堿的生產工藝，是世界上最先進的生產工藝。經過對離子膜燒堿生產工藝的描述和優化，進一步闡述了新技術的優越性。但國內在運用這一方法施行燒堿生產時，仍存在很多問題，不僅浪費了大量資源，也降低了工作效率。基于這種情況，就要對其施行有效的優化。針對離子交換膜燒堿過程里存在的各種缺陷，科學優化了系統設備，提升了影響產率的組分，保證了系統的穩定運行。另一方面，從效率的角度，減少維修時間和不必要的人力和材料消耗，科學規劃材料和產品的比例，嚴格控制生產參數，制定科學的管理制度，減輕勞動強度。下圖為離子膜燒堿。

三、離子膜燒堿生產工藝的過程

（一）配水

在電解過程里，需要除掉鹽水中的過量硫酸根。新輸送的鹽水由兩部分構成：第一部分是由自動控制裝置調節的鹽水;第二部分是將上清液（沉淀后）儲存在儲罐中。將從其他工藝里回收的淡鹽水調節到所使用的水和從鹽泥中過濾的濾液，并以一定比例混合以形成化鹽水[2]。

（二）化鹽和鹽水的精制

調節鹽水溶液的溫度，以逆流方式接觸原鹽水池底部，添入氫氧化鈉溶液與逆流水中液體中的鎂離子反應生成沉淀的氫氧化鎂，分離出有機物，會逐漸分解成較小的分子。攪拌機加壓的粗鹽水進入預處置器，鹽水中的小分子和懸浮物質作為沉淀和上浮泥除掉。凱膜分離后，反應罐中的剩余水為合格的一次精制鹽水[3]。螯合樹脂是關鍵的鹽水二次精制工序，將過濾后的鹽水送到螯合樹脂塔施行離子交換，除掉鹽水中多余的Mg2+和Ca2+，然后，將合格的二次精鹽水送到電解工序施行電解處置[4]。

（三）電解

在二次精制鹽水進入陽極室之后，在電流作用下將其分解，產生氯氣和淡鹽水，在汽水分離器中氯與淡鹽水分離。氯氣匯總至氯氣處置總管，然后，進入氯氣處置工序。淡鹽水輸入脫氯工序，脫氯分為物理脫氯和化學脫氯。在陰極室電解產生的氫氣，被匯總輸送到氫氣處置裝置施行處置。鈉離子在電場作用下，從陽極室通過離子膜遷移至陰極室，與陰極室多余的氫氧根結合生成氫氧化鈉。圖2為離子膜燒堿電解槽。

（四）淡鹽水的脫氯

淡鹽水必需在離開電解槽后脫氯，因為鹽水中蘊含游離氯，氯對管道和設備擁有很強的腐蝕性，尤其可使二次鹽水精制時的鰲和樹脂中毒失去鰲和能力。為了減少浪費和損失，必需除掉鹽水中的游離氯[5]。在鹽水中添入亞硫酸鈉等還原性物質，以確保完全除去多余的游離氯。鹽溶液的pH值需要在進入脫氯塔前施行調節，脫氯塔可脫除鹽水中過多的游離氯，脫除的游離氯投送到氯氣處置工序。在一次鹽水工序，再次施行水的分配和化鹽。

四、離子膜燒堿生產工藝具備的優越性

離子膜燒堿是20世紀80年代發展起來的一種新技術。與傳統生產工藝對照，擁有以下優越性：

（一）工藝相對簡單，因為離子膜燒堿電解液的濃度相對較高。所以，可以在不蒸發的情況下獲得濃度大于30%的液體堿。

（二）生產過程里的能耗相對較低。因為不需要蒸發，所以，大大減少了能耗。此外，還減少了能耗和用水量，大大減少了總能耗。

（三）污染較低。用于生產離子交換膜燒堿的生產設備產生的廢棄物可以循環使用，對環境的污染較低。

（四）離子交換膜燒堿生產工藝生產的液堿純度較高，一般能滿足紡織行業的需要。

（五）離子膜燒堿生產設備面積相對較小。

五、工藝施行優化的依據

與傳統鹽水凈化工藝對照，離子膜燒堿工藝擁有很大的優越性。在傳統工藝里，鹽水中殘留著大量的有機物、細菌和藻類。離子交換膜法制燒堿過程里游離氯得控制在一定范圍內，粗鹽水中的有機物等易用游離氯處置。游離氯對生產設備有腐蝕作用，設備投入使用前必需采取防腐措施，在生產過程里，應將游離氯控制在適當的范圍內，以避免進一步腐蝕[6]。所以，科學控制淡鹽水中游離氯的含量，不僅可以有效地殺滅細菌和藻類，而且可以獲得滿足生產要求的鹽水?？刂茀翟诳茖W的區間，不僅可以保證整體產業鏈穩定運行，而且可以節約材料和能源，減少污染物排放。在工業生產過程里，在淡鹽水脫氯過程里經常使用多種添放劑，這是造成廢水排放量大幅度增加的直接原因[7]。這不僅浪費了大量的能源，而且增加了操作和維護的成本，增加了設備正常運行的不穩定因素。因為技術原因，華夏的生產工藝主要依靠引進國外技術。但鹽水生產條件與生產工藝標準之間存在較大差距，嚴重影響了生產的穩定性。所以，迫切需要改進生產工藝。下圖為離子膜法制燒堿的電解槽。

六、離子膜燒堿生產工藝優化策略

（一）淡鹽水脫氯系統優化

淡鹽水從離子膜電解槽流出，經過脫氯處置后返回的淡鹽水可以保持相對穩定，也可以減少一次鹽水工序的設備腐蝕，但要消耗純水和人力。一方面，增加了生產設備的投資;另一方面，因為系統硫酸根含量的增加，延長了一次鹽水工序工藝鏈。所以，需要做的是取消脫氯塔后面的亞硫酸鈉處置設備。同時，需要進一步完善離子交換膜電解脫氯設備，調整相關工藝的操作流程，改變過程控制指標和自動控制系統。對參數施行控制，使鹽水中保留一定量的游離氯，然后，將含一定量游離氯的鹽水直接輸送到一次鹽水工序中。具體改造包括取消亞硫酸鈉儲罐、準備槽、自動控制閥和進出口管道[8]。進出口管道包括相應的給排水管道，需要匹配相應的離子膜電脫氯系統管道。改進和進一步調整脫氯系統的操作流程和控制指標。脫氯塔取消相應的亞硫酸鈉處置裝置后，回收的淡鹽水中剩余游離氯的含量必需保持在規定的范圍內，多余的游離氯必需回收，以保證生產過程系統的正常穩定運行。值得注意的是，對于所述離子交換膜燒堿生產工藝的優化，如果系統中的關鍵參數需要自動控制和聯鎖，則整體過程指標范圍必需能夠保持系統的平穩運轉。

（二）一次鹽水精制系統的優化

在一次鹽水處置中，如果返回鹽水中游離氯的含量在規定范圍內，則可以取消粗鹽水中次氯酸鈉的處置設備，從而提升一次鹽水的在線pH值。然后，對相應的過程設備施行優化和同步，調整相應的過程操作模式，改變自動控制系統的過程控制指標和控制參數。一次鹽水精制系統的優化主要包括消除次氯酸鈉配制罐、消除入口和出口管線、修改泵閥、在線監測設置、優化和優化計量裝置。增加一次性鹽水在線pH值，同時，優化相應的設備和管道。在一次鹽水生產過程里，添放次氯酸鈉的機械設備必需保證一次鹽水生產系統的穩定安全運行。調整并科學設定鹽水中游離氯的含量，以保持鹽水中游離氯的含量。其目的是將其含量保持在固定范圍內，以除去有機物、細菌和藻類[9]。如果一次鹽水的質量指標大幅波動，則二次鹽水系統也會大幅波動，這也嚴重影響進入電解槽鹽水的質量。

七、優化效果評價

改進后的離子膜燒堿工藝擁有明顯的經濟效益和社會效益，其中在節約資源，穩定系統，減少成本，保護環境等方面取得了長足的進步，從而提升了國內離子膜燒堿的生產工藝技術，使之達到一個新的水準，具體效果主要映現在以下幾點：

（一）經過一系列操作流程和相關設備轉換，控制5～50mgL-1中的游離氯鹽水滿足離子交換膜電解和一次鹽水處置之間的參數要求，既節省了原材料，人力和物力，又有益于提升燒堿生產系統的安全性和可靠性。

（二）在粗鹽水中不再添放NaClO處置裝置，而是使用在線監測設備，可以有效除掉細菌，藻類和有機物，同時，滿足相關質量控制指標。

（三）與鋇鹽法對照，膜法除硝工藝能有效地將硫酸還原到5ppm以下，尤其契合離子膜燒堿的工藝控制要求，尤其是零瀝青電解槽保護了離子膜電解槽，大大延長了其使用壽命。

（四）脫硝產品芒硝經脫水干燥后可直接作為化工原料銷售，不會造成二次污染，增加二次處置成本。由此可以得出，優化后的離子膜燒堿生產系統簡化了工藝操作，減少了資源消耗，節約了人力物力，達到了低投資，高效率，環保的關鍵生產目標。

八、結論

鹽溶液經過脫氯塔后，取消相應的亞硫酸鈉處置設備，返回淡鹽水中可檢測到的游離氯，嚴格控制在一次鹽水處置和離子膜電解的科學指標內，為生產系統提供良好的環境。在原鹽水中消除了次氯酸鈉的添入，對鹽水檢測裝置施行了復位。科學除掉有機物可以使粗鹽水的技術指標達到要求，進一步提升整體生產過程的穩定性。這項技術是在原有技術基礎上的重大創新，擁有廣闊的應用遠景，極大地促進了氯堿工業的發展。從工業節約的原材料中可以看出良好的經濟效益，對節能減排的貢獻映現了良好的環境效益。穩定的產業結構提升了離子交換膜技術的水準，促進了工業的蓬勃發展。

參考文獻

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[9]宗少杰，王學軍.國產氯堿離子膜的安全性保障[J].氯堿工業，2019（1）：11-13.

通訊作者：王慶天，1984年10月，男，漢，甘肅金昌人，金川集團有限公司職工培訓中心，化工工程師，碩士。主要研究方向：氯堿工業及其產業鏈產品生產加工。