复极式离子膜电解槽工作原理推论及参数控制

2019-06-28孙中常胡顺程汪云云孔繁超

中国氯碱 2019年5期

孙中常，胡顺程，侯伟，汪云云，孔繁超

（1.新疆天业（集团）天伟化工有限公司，新疆石河子832000；2.新疆天业（集团）天域新实化工有限公司，新疆石河子832000；3.新疆天业（集团）天辰化工有限公司，新疆石河子832000）

离子膜电解槽是现代氯碱的核心设备，提高电解槽的电流效率和使用寿命是氯碱行业增加收益的重要手段。新疆天业集团自本世纪初进入氯碱行业以来，均以日本旭化成复极式离子膜电解槽作为氯碱的核心设备。先后投产生产能力为20 万t/a PVC 的天域新实化工责任有限公司、2 个生产能力为40 万t/a PVC 的天辰和天能化工责任有限公司，以及生产能力为20 万t/a 特种树脂的天伟化工责任有限公司，并配备与产能相匹配的离子膜烧碱装置。

1 电解工艺流程

盐水在树脂塔后加入高纯酸去除一次精制过程中未反应的碳酸根离子，充分反应后进入盐水高位槽。盐水在液位差的作用下自流进入阳极入口总管，并在单槽进口管线上进行二次加酸后，通过阳极入口软管进入电解槽进行电解。电解槽排出含有饱和氯气的淡盐水，经气液分离器进入阳极循环槽，由泵打到脱氯岗位，进一步脱除淡盐水中的氯气，达到工艺要求后去一次精制盐水岗位再次化盐。电解槽出来的32%液碱经气液分离器进入阴极循环槽，由泵打出，一路作为成品液碱去碱分厂，另一路去碱液高位槽经纯水稀释后在液位差作用下，作为电解液进入阴极入口总管，再通过阴极入口软管进入电解槽进行电解。电解槽出来的湿氯气和湿氢气经过丝网除雾器去氯氢处理岗位。

2 离子膜电解槽的区分

离子膜电解槽因供电方式不同分为单极式离子膜电解槽和复极式离子膜电解槽。因为两者结构不同，电解过程差别也很大。

2.1 复极式离子膜电解槽的组成

复极式离子膜电解槽主要由离子膜、槽框、阴阳极进口软管、阴阳极出口波纹管、阴阳极密封垫及油压单元组成，氯碱行业应用的离子膜有3 种：全氟羧酸膜、全氟磺酸膜、全氟羧酸/全氟磺酸复合膜。

槽框分阳极端框、阴极端框及单元框。阳极端框只有一个阳极室，与整流器的正极相连。阴极端框只有一个阴极室，与整流器的负极相连。单元框由复合金属隔板分成阴极室和阳极室，串联在阴、阳极端框之间。

每个极室边缘都贴有与之配套的密封垫，因为橡胶密封垫的间隔，各槽框之间无法形成电流，使电解槽由加热设备向电解设备的完美转变。离子膜夹在阴、阳极密封垫之间，磺酸层面向阳极室，羧酸层面向阴极室。油压单元给电解槽提供挤压压力，起到固定离子膜和防止电解液渗漏的作用。

2.2 单极式离子膜电解槽电解原理

单极式离子膜电解槽的结构与隔膜电解槽的结构相似，并沿袭了传统电解法，各槽框的电极是并联关系。阳极电极与整流器的正极相连，阴极电极与整流器的负极相连，离子膜在阴、阳电极之间。整流器将高压交流电变为低压直流电，当整流器为电解槽供电时，电极在膜两侧的形成电场。在电场力作用下，阳极室中的氯离子向阳极移动并在阳极释放电子生成氯气，反应方程式如下：

阳极室中钠离子在电场力作用下穿过膜进入阴极室，并在阴极得到由整流器流出的电子，生成钠原子，钠原子再和水反应生成氢氧化钠和氢气。反应方程式如下：

2.3 复极式离子膜电解槽工作原理推论

在复极式离子膜电解槽中阴、阳极网面被视为电解槽的电极，给阴极网面加装弹性体称为零极距改造，所以加装弹性体的复极式离子膜电解槽也被称为零极距或膜极距离子膜电解槽。而单元框并不与整流器相连，将网面视为电极确实牵强。

复极式电解槽中只有阳极端框和阴极端框与电源相连，以端框为电极，在两端框之间形成电场也能完整地推论整台复极式电解槽的电解过程。电解槽电解过程原理推论示意图见图1。

图1 电解槽电解过程原理推论示意图

在阳极端框中，钠离子在电场力作用下穿过膜进入相邻槽框阴极室。氯离子主要向阳极端框的背板方向移动，当氯离子定向移动被背板阻止时就会失电子生成氯气，电子流回整流器的正极。

在单元框的阳极室中，钠离子在电场力作用下，穿过膜进入相邻槽框的阴极室。氯离子在电场力的作用下向阳极端框方向移动，当氯离子定向移动被隔板阻止时就会失电子生成氯气，电子通过隔板传播到阴极室。在单元框的阴极室中的氢氧根离子在电场力作用下向阳极端框方向移动，移动至离子膜附近因为膜对阴离子具有排斥力，阻止了氢氧根离子进入阳极室。钠离子在电场力作用下向阴极端框方向移动，在隔板上得到氯离子失去的电子，生成钠原子，钠原子再和水反应生成氢氧化钠和氢气。在阴极端框中钠离子在电场力作用下，向阴极端框的背板方向移动，并得从整流器流出的电子生成钠原子，钠原子再和水反应生成氢氧化钠和氢气。

结合复极式离子膜电解槽独特的构造和特殊供电方式，将阳极端框和阴极端框视为电极似乎更合理，因为隔板附近是复极式电解槽运行时阴、阳离子的富集区，是电解过程发生的主要场所。阴、阳极网面的作用是降低电解槽在开停车操作和升降电流时电解液波动对离子膜造成的机械冲击。

3 复极式离子膜电解槽运行的重要参数

电解槽在生产中主要控制的工艺参数有：阴极液温度、配碱水流量、阳极入口酸度及阳极出口酸度。

3.1 控制阴极液温度和配碱水流量的目的

要严格控制电解槽阴极液温度和配碱水流量，进入电解槽的液碱浓度越小、温度越高，羧酸层含水率越高，对阴离子的排斥力越小。进入电解槽的液碱浓度越大、温度越低，羧酸层含水率越低，膜电阻越大，钠离子穿过膜所受的阻力就会增大，槽电压就会上升。温度太高还会加速离子膜老化，缩短离子膜使用寿命，增加生产成本。

3.2 控制阳极入口酸度的目的

（1）抑制阳极室的副反应

随着离子膜运行时间的增加，离子膜会自然老化出现针孔，阴极室中的氢氧根离子会通过针孔进入阳极室，如果没有足够的酸中和这些氢氧根离子，会使阳极室显碱性，高温条件下碱与氯气生成氯酸钠，反应方程式如下：

阳极系统中的氯酸盐具有较强的氧化性，会腐蚀管道、机泵、及盐水二次精制所用的螯合树脂，增加了设备维护成本，降低了设备和物料的使用寿命。

（2）增加氯气纯度

在氧化还原反应中氢氧根离子的失电子能力仅次于氯离子，电解过程中部分氢氧根离子也会失电子，生成水和氧气反应方程式如下：

生成的氧气会降低氯气纯度，影响氯化氢合成时氯气和氢气的配比，使氯化氢含水量升高，氯化氢纯度降低，氯中含氧升高还会威胁生产的安全进行。

控制阳极出口酸度的目的是因为在酸性环境下会加速离子膜的老化速度，使膜的韧性降低，机械强度变差，阴、阳极系统压力不稳和频繁地开停车会使老化的膜针孔快速增加，膜阻挡氢氧根离子的能力下降，大量氢氧根离子通过针孔进入阳极室，要中和氢氧根离子就要增加阳极系统的二次加酸量，增加的酸进一步加速离子膜的老化速度。因此在实际生产中一定要根据离子膜的运行状况，及时调整阳极入口酸度，尽量使电解槽在较低的阳极出口酸度下运行，以增加离子膜使用寿命。