离子膜烧碱工艺设计改进探讨

于凤刚，姜　锦，马旻锐，常艳琴

（金川集团公司化工厂，甘肃 金昌 737100）

离子膜烧碱工艺设计改进探讨

于凤刚，姜锦，马旻锐，常艳琴

（金川集团公司化工厂，甘肃 金昌 737100）

针对离子膜烧碱装置传统工艺中存在的问题，提出相关的解决措施，对离子膜烧碱装置的工艺设计有借鉴意义。

离子膜；烧碱；脱氯；设计；淡盐水

甘肃金川集团股份有限公司化工厂40万t/a离子膜法烧碱项目分两期建设。一期工程于2009年10月正式投产，选用蓝星（北京）化工机械有限公司高电流密度自然循环复极式离子膜电解槽，装置生产能力为20万t/a；二期工程于2012年5月正式启动建设，选用北化机自然循环高电流密度复极式膜极距电解槽。两期项目的设计均由同一设计院承担，根据一期系统运行出现的问题，在二期项目设计过程中做了如下改进。

1　一次盐水精制

1.1化盐池设计改进

常用的化盐方式有地上式化盐桶、地下式化盐池两种。传统地上式化盐桶，化盐能力小、细盐容易被水冲出来；地下式化盐池存在易集泥、利用效率不高、布水系统偏流等的问题。

化盐池设计为半地上式、适当缩小化盐池的截面积、布水管采用“曰”字形分布，在每根布水管上均匀设置菌帽。化盐池设计成半地上式，有利于铲运机上盐；缩小化盐池的截面积，提高水流比，可有效解决地下化盐池内集泥问题；水管采用“曰”字形分布，可以有效解决化盐池内布水不均、偏流等问题；菌帽可有效防止盐泥进入布水管内，防止布水管堵塞。

1.2精制剂溶解装置设计改进

地上式溶解槽，精制剂搬运不方便，劳动强度高；地下式溶解槽、液下泵输送，存在溶解槽效率低、输送泵易堵塞。将化学品溶解池更改为地下式溶解池，溶解池内壁采用瓷砖防腐，溶解液输送采用离心泵+自引罐形式+管道过滤器输送。采用地下式溶解池，精制剂配置劳动强度低，设置自引罐+管道过滤器的输送方式，可有效解决溶液中杂质堵塞输送泵、管道等问题。

1.3预处理器的改进

传统预处理器运行过程中出现中心筒集泥、返混等问题。

在预处理器中心筒设置排泥管、配置冲洗管道，根据需要随时将中心筒内的集泥排出并对中心筒进行冲洗；同时，在预处理器的检修时保证中心筒与预处理器内的液位同时下降，避免因预处理器排水不当导致内部用力增加破坏预处理器的结构、防腐。

1.4精制剂加入方式的改进

传统后反应槽内碳酸钠定点加入，后反应槽内碳酸钠分布不均、反应不完全，导致盐水过碱量高、盐水中钙离子超标等问题。

在后反应槽顶部周围设置折流槽，碳酸钠加入盐水后经由折流槽混合均匀后进入后反应槽；在后反应槽下半段设置强制循环泵，当盐水流量较大时通过混流泵强制循环，保证盐水中的钙离子与碳酸根离子充分反应。

通过对后反应槽结构形式、混合形式的改造，可以使碳酸钠与盐水混合均匀，增加钙离子与碳酸根离子有效反应时间，提高钙离子去除率，降低过滤精盐水过碱量。

2　脱硝工序

2.1加酸工艺的改进

传统的脱硝工艺中，采用一次加酸工艺，运行过程中pH值波动大、跳车频繁。采用2级加酸工艺。脱氯淡盐水进入淡盐水储槽前设置第一加酸点，对淡盐水粗调pH值，控制其pH值为8~9。淡盐水贮槽出口设置第二加酸点，精细调节淡盐水pH值，控制其pH值为5~7，盐酸加入量与pH仪表信号联锁，再定量添加亚硫酸钠使其完全中和余氯。为保证盐酸、亚硫酸钠加入量稳定，采用“高位槽+自动调节阀+流量计”的形式加入，采用盐酸、亚硫酸钠高位槽，有利于保证出口压力稳定。

2.2增设活性炭过滤器

传统预处理工艺中没有活性炭过滤装置，运行过程中由于盐水中游离氯超标、氯酸根超标等情况，导致纳滤膜被氧化，降低纳滤膜的使用寿命。

经过“二级钛板换热器”降温后的淡盐水进入活性炭过滤器，其内部装填的滤料是椰壳（或果壳）活性炭颗粒，该颗粒的多微孔结构可吸附水中有机物和游离氯，确保淡盐水余氯值不超标，可使纳滤膜的使用寿命提高至2年以上。

2.3提高富硝盐水中硫酸钠浓度

传统脱硝经膜法系统后浓缩液含Na2SO440 g/L。设置2级膜过滤系统。一级膜法系统的浓缩液含Na2SO460 g/L左右，再通过二级系统进一步浓缩，Na2SO4含量上升至80~100 g/L，提高结晶槽温度至5℃。

2.4富硝盐水冷冻系统改进

传统脱硝冷冻换热器采用列管式换热器，冷冻机组采用氟压机，结晶系统设置兑卤槽与沉硝槽，兑卤槽内盐水控制在-3~-5℃。冷冻系统运行过程中存在列管式换热器堵塞、换热器被腐蚀内漏、热损失大等问题。

针对传统冷冻系统的问题，脱硝冷冻系统采用板式换热器、冷冻机组采用冷水机组，并采用乙二醇作为冷媒对富硝盐水降温，根据板式换热器内富硝盐水运行压力自动清洗。

通过恒定低温乙二醇来控制交换水温，避免了浓缩液直接与冷媒的交换，减少交换温差，减少出现局部低温结晶堵塞的几率；通过设置板式换热器自动冲洗装置有效防止了硫酸钠结晶堵塞换热器。

3　电解工序

3.1电解加酸系统改进

传统电解工艺中，电解槽加酸、脱氯系统、树脂塔再生、氯酸盐分解共用一套加酸装置，电解槽加酸与脱氯系统、树脂塔再生氯酸盐分解相互影响，导致电解槽加酸流量不稳定、脱氯系统pH值不稳定。

将氯酸盐分解、脱氯塔用酸与装置区分开来，分别设置31%盐酸贮槽、盐酸给料泵，17%盐酸贮槽、盐酸给料泵。氯酸盐分解、脱氯塔用酸均由31%加酸系统供给，树脂塔再生、电解槽加酸均由17%加酸系统供给。改进后氯酸盐分解、脱氯塔用酸与树脂塔再生、电解槽加酸不再相互影响，有利于稳定电解槽加酸量和脱氯淡盐水pH值。

3.2设置隔槽水封系统

电解装置都有多台电解槽组成，当其中某一台电解槽出现故障需要检修时，如何对该台电解槽实施安全、平稳停车是一大难点。目前通常的方法有两种：（1）降低氯氢总管的压力至平压，然后隔离该电解槽。该方法需要把总管压力调整至0；因操作过程中气相压力控制点多，稍有不慎就会造成电解槽跳车。（2）不降低氯氢总管压力，将电解槽封槽，稍开电解槽至废气的阀门，使电解槽内气相压力至平压。该方法操作过程中不会对总管产生冲击，但是泄压过程中单台电解槽压差难以控制，稍有不慎就会因压力冲击造成离子膜破裂或者电解槽极网变形。

设置隔离电解槽用的氯气、氢气泄压水封，水封注满水时可以承受与电解槽相同的气相压力，氢气氯气水封压差为4 kPa，两台水封液位可同时下降。当水封气相与需隔离电解槽连通后，电解槽内阴阳极气相压力随着水封内液位的下降而降低，最终降至平压。操作过程，电解槽内压力稳定，不会出现压力波动。

3.3二次盐水精制系统改造

传统二次盐水树脂塔在运行过程中，塔内运行压力大导致塔中树脂破碎量较大；盐水经由树脂塔后直接进入盐水高位槽，树脂塔系统出现问题后没有缓冲能力。

在树脂塔后设置超纯盐水贮槽，盐水经由树脂塔后进入超纯盐水贮槽，再经由超纯盐水泵输送至盐水高位槽。通过增加超纯盐水贮槽，降低了树脂塔内运行压力、为树脂塔出现故障提供缓冲时间。

3.4正负压水封系统

电解系统运行过程中，90%以上的联锁停车由氯氢压差超标导致。

根据电解槽的运行压力，在氯气总管PCV216后设置正负压水封，通过正负压水封可以将氯气压力稳定控制在一定的范围内，有利于稳定氯氢压差。

3.5氯酸盐分解与氯水系统

传统氯酸盐分解工艺：淡盐水循环槽内的淡盐水经由板式换热器加热至95℃，加酸调节pH值后输送至氯酸盐分解槽，分解后的淡盐水溢流至氯水槽，经由氯水泵输送至脱氯塔内，氯水槽同时收集系统运行过程中产生的氯水。运行过程中，氯水泵经常出现汽缚、不上液等情况，导致氯酸盐分解系统停运、氯水槽冒槽、脱氯系统运行效果差等情况。

改造后氯酸盐分解工艺：取消氯水槽，以阳极液排放槽收集系统产生的氯水，并在氯水泵出口增加板式换热器，将输送的淡盐水加热至90℃后输送至脱氯塔内；将氯酸盐分解槽置于脱氯框架二楼，在脱氯框架一楼内单独设置氯酸盐分解泵，单独输送氯酸盐分解后的淡盐水。经过工艺改进后，可使进入脱氯塔内的盐水温度维持在88~90℃，阳极液排放槽较大的容积可以有效缓冲阳极液排放泵不上液的处理时间；阳极液收集的淡盐水温度较低，可消除阳极液输送泵气缚现场。氯酸盐分解槽与氯酸盐分解泵之间的位差，有助于消除氯酸盐分解泵汽缚现象。

3.6氯氢总管压力控制方式的改进[2]

传统氯氢压力控制以单台压力变送器（PI216、 PI226）的显示作为参考值，当PI216、PI226器测量值与实际不符，造成系统意外停车，或导致系统实际压差超过了电解槽可承受的范围，但系统未发出联锁停车指令，过大的压差造成离子膜泄漏、电解槽变形，引发安全事故。

在氯气、氢气总管上各设置3台压力变送器，取3台压力变送器读值得中间值参入系统的压力控制。与传统的氯氢压差控制方式相比，该控制方式氯氢压力取值更合理、可靠，通过DCS系统比较取值后，可以避免因某个压力变送器或差压器信号错误而导致系统的误操作。

4　氯氢处理工序

两期氯氢系统并网。传统分两期建设的烧碱系统，氯气、氢气共用一个分配台。运行过程中，当其中一套装置意外跳车后会导致另一装置压力波动跳车。

对两期烧碱系统氯氢并网做如下改造：在两个分配台出口分别设置1台具有快关功能的自动调节阀、两个分配台上各设置1台压力变送器、两个分配台之间设置1个缓冲罐、气体缓冲罐上设置1台压力变送器、缓冲罐出口至下游装置管道上设置1台自动阀。气体分配台上的压力变送器的取值与气体分配台出口调节阀表串级控制，保持分配台压力稳定；系统电解装置跳车信号与气体分配台出口阀门连锁控制，系统电解装置跳车后，自动调节阀关闭。通过以上设置，可以有效减小2个系统跳车相互之间的影响，见图1。

图1　两期系统氯氢并网示意图

5　盐酸合成工序

采用副产蒸汽合成炉。传统二合一石墨采用循环水冷却，运行过程中产生的大量的热依靠循环水带走，造成能源浪费。

采用二合一副产蒸汽氯化氢合成炉，每合成1 t氯化氢气体可副产低压蒸汽0.6～0.7 t。以日产50 t氯化氢为例，氯化氢合成系统装置满负荷生产时日产蒸汽约32 t，同时可节省循环水280 m3/h。

6　液体罐区工序

6.1装车装置的改进

液体罐区传统装车采用机泵装车，机泵出口压力大、各个装车鹤管流量影响装车泵出口压力，存在不安全因素。

将液体罐区烧碱贮槽、盐酸贮槽的基础顶高离地面3 m，设计全自压装车，所设机泵用于酸碱倒罐。提高酸碱装车的安全系数，减少酸碱装车的电耗。

6.2液体罐区的改进

在液体罐区设置酸碱回收池及回收泵，当液体罐区出现酸碱泄漏时，可以利用酸碱回收泵对泄漏的物料进行回收。

7　结语

通过以上工艺改进，系统运行稳定，故障率降低，节能效果明显。

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