离子膜盐水装置的精细化控制

宋伟

(新疆中泰化学(集团)阜康能源有限公司，新疆 乌鲁木齐 830009)

【盐 水】

离子膜盐水装置的精细化控制

宋伟*

(新疆中泰化学(集团)阜康能源有限公司，新疆 乌鲁木齐 830009)

盐水精制；预处理；膜过滤器；过滤压力

介绍新疆中泰化学(集团)阜康能源有限公司在粗盐水精制过程中以精细化管理为基础、以技术创新为抓手，持续提高工艺装置的可靠性，保证盐水装置稳定运行率和盐水质量的经验。

新疆中泰化学(集团)股份有限公司(以下简称“新疆中泰化学”)本部为建立于1958年的新疆氯碱厂，2001年改制成立股份制公司。目前已形成160万t/a聚氯乙烯、120万t/a离子膜法烧碱装置生产能力，属生产基本化工原料的氯碱企业，主营离子膜法烧碱、聚氯乙烯树脂、盐酸、次氯酸钠等化工产品，是自治区重点企业之一。新疆中泰化学阜康能源有限公司(以下简称“阜康能源”)循环经济60万t/a烧碱项目中一次盐水采用预处理+膜过滤工艺，从项目设计及后期运行期间以精细化管理和控制为出发点对装置做了一些优化创新。从运行效果上看，达到了提高装置可靠性的目的，盐水质量达到较好水平。下面就盐水装置的运行情况予以介绍。

1 盐水精制工艺

2 预处理+膜过滤工艺精细化管理

预处理+膜过滤工艺的控制核心是预处理系统，其中包括加压溶气系统、三氯化铁加入系统和预处理器。

2.1 预处理器工作原理

2.1.1 预处理器的结构

预处理器由盐水进口系统、凝聚搅拌室、凝聚反应室、斜板沉降室、沉泥斗、浮泥槽、精盐水收集室及溢流管、精盐水汇集槽等组成。从水流分布上可以分为凝聚搅拌区、凝聚反应区、上折流区、浮上区、浮渣区、稳流区；分别完成粗盐水与氢氧化铁充分混合，切向流冲击固体沉淀物沉淀，凝聚反应，浮上、沉降分离，以及溢流汇集等过程。

2.1.2 预处理器工作原理

预处理工艺实际是气浮法在盐水工艺中的应用，其过程为向反应后的粗盐水中通入空气，并以从盐水中析出的微小气泡为载体，使盐水中的氢氧化铁凝聚氢氧化镁。分解的有机物黏附在气泡上，随气泡上升到水面，形成气-盐水-颗粒混合体，通过拍泥的方式分离杂质。

处理过程为粗盐水进入预处理器凝聚区，切向进入的盐水在此形成旋流，其搅拌作用使盐水与三氯化铁混合均匀，同时向上的流速使固体不断被冲击向上，与盐水一起向上旋流，进入预处理器内的倒锥型凝聚反应区，借助盐水流速的逐渐下降，完成凝聚反应。粗盐水中的氢氧化镁等沉淀物与絮凝剂充分接触，凝聚成大小不等的絮团，浮出倒锥壳，进入上折流区。在这个区域，水流处于向上转为向下的不规则过程，然后进入浮上区，此区水流流速缓慢，浮泥向上浮动；浮泥进入浮渣区浮动汇集，一段时间后排出，分离掉浮泥的盐水进入斜板沉降区，盐水缓慢向下流动，未浮出的固体颗粒在此进行沉降，进一步被分离出去。分离沉降的盐泥沿斜板进入沉泥斗，富集一段时间后排出，较大而紧密的絮团折返，向下进入由倒置锥壳组构成的多道上宽下窄的环形沉降区。由于通道截面积逐渐缩小，而流速加快，进一步得到分离后的盐水进入下折流区，水流由向下折为向上进入澄清区。锥形结构使盐水流速逐渐加大，保证了完整分离。经桶外圆周围多个均布的外接排出管端溢流到环形集水槽，经清液上升管流出。

2.2 影响预处理器稳定运行的因素及措施

2.2.1 三氯化铁加入量及浓度控制

预处理工艺基本都采用三氯化铁作为絮凝剂，加入盐水中的三氯化铁絮凝剂首先发生水解反应：

此反应与温度、溶液的碱性有关，FeCl3溶液在pH值为11～12的粗盐水中生成Fe(OH)3；Fe(OH)3水溶液具有胶体的特性，Fe(OH)3表面形成双电层结构，在碱性溶液中带负电荷，会吸附带正电荷的钙离子和镁离子与水不溶物形成胶团，发生聚沉反应，主要吸附镁离子。因为氢氧化镁的溶解度比氢氧化钙小，更容易被吸附。这就使絮状悬浮在水中的氢氧化镁、氢氧化钙、水不溶物聚集成较大的颗粒沉降，起到絮凝剂的作用，对降低盐水中钙离子和镁离子浓度效果很好;同时,氢氧化铁对盐水中的微量硫化物、少量油污、被次氯酸钠分解的菌藻类、有机腐殖酸等都有去除作用。

若三氯化铁的加入量不足，去除镁离子和各种杂质物质不彻底，对二次盐水、电解离子膜的影响是渐进式积累。若三氯化铁加入量过大，改变了助沉性能，有分散剂的作用，造成预处理器反浑，加大了三氯化铁消耗，增加成本。盐水中铁离子含量升高，多余的絮凝剂形成的氢氧化铁胶体随着盐水进入凯膜过滤器，与未去除的氢氧化镁胶体黏附在凯膜上，造成过滤周期缩短，过滤压力升高。三氯化铁浓度过高或波动，容易造成絮凝剂加入量超标，预处理器反浑，因此要按频次观察预处理器浮泥颜色。在正常情况下，浮泥为土黄色；若颜色发红，说明絮凝剂加入过多(随着颜色的加深预处理器会出现反浑)；若颜色发白，说明絮凝剂加入偏少，影响除镁效果。

对于三氯化铁的配制，严格控制的配比质量分数在1.0%左右，三氯化铁储槽内液位打至最低液位(即槽容积的10%)时，方可向储槽内打入新配制的三氯化铁，并用压缩空气进行充分搅拌，使三氯化铁全部溶解，且每次必须将配制槽内的三氯化铁打完，保证每次配制的三氯化铁浓度稳定。三氯化铁现场存放量不得超过1 t，并制定三氯化铁使用台账记录，严格管控三氯化铁现场存放量和存放环境，防止失效；按照目前的原盐质量情况，质量分数为1.0%的三氯化铁溶液，每100 m3盐水中加入0.1 m3三氯化铁溶液，及时分析监控凯膜出口ICP铁离子含量，防止三氯化铁加入过多或偏低；同时还要根据原盐质量及预处理器的运行效果随时调整三氯化铁的加入量。如果盐水的流量过小，会导致三氯化铁在管线中的流速降低，使三氯化铁溶液发生水解后容易堵塞管道。

2.2.2 盐水浓度及温度

盐水浓度及温度变化的影响主要体现在3个方面：①盐水浓度变化引起密度变化；②盐水浓度变化引起盐水中杂质含量变化；③盐水温度变化引起浓度变化和杂质含量变化。盐水温度、浓度、密度、杂质含量之间相互关联，同时作用，加剧了预处理器的反浑。盐水浓度的变化会引起盐水密度的变化，密度不同的盐水进入预处理器会导致盐水反浑。盐水浓度波动主要原因是上盐不及时、盐水温度波动大、切换化盐桶、盐水流量波动。上盐不均匀的情况下，精制剂氢氧化钠的加入量调整不及时还会导致过碱量不稳定，影响除镁效果；同时还会造成盐水中氢氧化镁沉淀的产生量不均匀，预处理器气浮不均匀导致预处理器反浑，造成镁离子含量偏高或超标。

在盐水温度不稳定的情况下，密度差会导致对流的形成，同时温度差也会形成传热对流，使预处理器反浑；另外，化盐的温差变化过大会造成化盐不均匀，反而影响盐水的浓度和杂质的含量，进而引起盐水中过碱量、溶气量、絮凝剂含量的波动，进一步加大了预处理器的反浑。盐水温度不能控制得过低，否则影响化盐速度、盐水饱和度，同时也会对盐水中杂质离子的悬浮及沉降产生影响。杂质离子沉降速度与悬浮物的密度和清液的密度成正比。温度低使清液的密度和黏度上升，悬浮物的密度和清液密度之差降低，不利于杂质的悬浮及沉降。

在日常的控制和管理过程中，强化上盐管理，控制盐层高度的稳定。在开停车和季节变化过程中，严格控制化盐温度在63～65 ℃，确保盐水温度和盐水浓度的稳定。

2.2.3 过碱量的影响及控制

根据原盐质量采用配比加入碱，精制剂在盐水温度一定的情况下，如果粗盐水过碱量低，反应时间会适当延长；相反，如果粗盐水过碱量高，反应时间会相应缩短。过碱量的稳定是盐水预处理工序控制的关键。根据长期以来的生产经验，控制精盐水中NaOH过量的质量浓度为0.2～0.3 g/L，Na2CO3过量的质量浓度为0.6～0.7 g/L。为保持精盐水的过碱量达标，粗盐水折流槽出口NaOH过量的质量浓度为0.2～0.4 g/L，过滤器出口盐水中Mg2+质量浓度在0.01 mg/L以下。原盐中Ca2+、Mg2+的质量浓度分别为0.6 g/L和0.1 g/L，按照常规操作，只在后反应工序除钙。CaCO3生成量过大，会给凯膜过滤器带来较大负担，因此，须根据实际情况在预处理器先预除一部分Ca2+[2]。在正常情况下，化盐水折流槽Ca2+质量浓度为500 mg/L，预处理出口盐水的Ca2+质量浓度控制在250～300 mg/L。Ca2+含量过低，不利于CaCO3在凯膜表面形成架桥助滤层，造成小颗粒Mg(OH)2絮状沉淀物直接进入膜表面，堵塞膜微孔，升高压差，缩短过滤周期。出预处理器盐水中ρ(Ca2+)∶ρ(Mg2+)为10∶1时，过滤效果较好。

2.2.4 排泥影响

预处理器排泥周期长或排泥量不够，预处理器上部泥封层越来越厚，清液层下降，容易造成盐水反浑；排泥过频繁或排泥过多会破坏预处理器的泥封层，使泥封层变稀，同样容易造成盐水反浑。长期以来，阜康能源根据生产经验，对于排泥次数和泥量的控制为后反应槽和浮上桶上、下排泥按照每6 h排泥1次，排泥顺序为先对浮上桶上排泥，然后再下排泥；为防止在压泥过程中，过多的Mg(OH)2导致板框滤饼不易形成，控制盐泥中的钙镁配比，在浮上桶下排后，开始对后反应槽排泥。排泥量：根据浮上桶和后反应槽下排泥量控制渣池液位升高5%；浮上桶上排泥过程中必须观察浮上桶上部的浮泥颜色，检查上排泥是否彻底，直至浮泥排完为止。严禁通过渣池液位的变化控制浮上桶上排泥量。

2.2.5 原盐质量

阜康能源使用的原盐分别来自托克逊、和丰、吐鲁番、沈宏4个产地。这4个产地的原盐在几项主要指标上存在较大差异，质量分析结果如表1所示(100 g原盐溶到1 L水中，得到的溶液进行分析所得)。

表1 不同产地原盐杂质组分分析结果

原盐中钙离子含量高，会增加除钙精制剂碳酸钠的消耗，增大凯膜过滤器的处理负荷，使一次精盐水中钙离子含量升高。原盐中镁离子含量高，受预处理系统的限制，容易造成预处理器反浑，高镁盐水进入后反应系统，部分被碳酸钙沉淀包覆，部分微细氢氧化镁未被包覆。膜孔径≤0.5 μm，一般为0.2～0.5 μm，而氢氧化镁胶体颗粒为纳米级，很容易堵塞膜孔，进入膜体内部，造成凯膜过滤器的过滤压力上升，进而导致过滤器过滤周期缩短，酸洗频繁，膜使用寿命降低。对于镁离子含量较高且波动较大的原盐，其管理重点及核心应围绕预处理器开展。只有解决好预处理器的突出问题，才能确保凯膜过滤器的正常运行。对于钙离子含量较高且波动较大的原盐，其管理重点及核心应围绕凯膜过滤器开展。对于有机物含量偏高或超标的原盐，应以首反应为重点，针对原盐中的硫酸根有单独的除硝装置，在原盐波动过程中要紧紧抓住问题的核心，强化和细化原盐掺混管理，最大化发挥装置的处理能力，优化工艺指标控制，确保盐水质量稳定。

3 结语

随着氯碱行业盐水装置和工艺的广泛应用，在生产过程中各种问题得到了认真的研究和解决，装置运行平稳率在提升，确保了盐水质量的稳定；同时也出现了一些影响平稳运行的新问题，如盐泥如何高效利用、装置对原盐质量较差的极端工况条件下处理能力弹性不足等问题，都须通过精细化控制，不断加深对装置的理解，并须研究各种问题之间的相互关系和规律，这是精细化管理的重点环节。

[1] 黄蔷蕾,呼世斌.无机及分析化学[M].北京:中国农业出版社,2004:129-132.

[2] 程殿彬,陈伯森,施孝奎.离子膜法制碱生产技术[M].北京:化学工业出版社,1998:412-432.

[编辑：费红丽]

Fine control of brine facility for ion-exchange membrane electrolysis

SONGWei,WANGShigang,HUANGXiaohu,QIRuisong,PEIBaoshuai

(Xinjiang Zhongtai Chemical (Group) Fukang Energy Co., Ltd., Urumqi 830009, China)

brine refining; pretreatment; membrane filter; filtration pressure

Xinjiang Zhongtai Chemical (Group) Fukang Energy Co., Ltd. continuously improved the reliability of brine refining facility through fine management of the refining of crude brine and technological innovation, and thus ensured the stable operation of the facility and the quality of brine. The experience was introduced.

*[作者简介] 宋伟(1985—)，男，工程师，2008年毕业于新疆农业大学，现任新疆中泰化学(集团)阜康能源有限公司电解车间副主任，曾参与2012年中泰化学阜康工业园一期80万t/a聚氯乙烯树脂、60万t/a离子膜法烧碱循环经济项目,2013年负责阜康能源氯碱厂一、二期膜法除硝装置由1 500 kg/h扩能至2 250 kg/h技改项目，取得国家发明专利授权1项、实用新型专利授权9项，先后发表专业论文17篇，申报自治区科技成果和自治区科技进步奖2项。

2016-09-22，王世刚，黄小虎，戚瑞松，裴宝帅

TQ114.261

B

1008-133X(2017)01-0004-04