【电 解】
单极式与复极式离子膜电解槽对比
洪亮
(锦化化工(集团)有限责任公司,辽宁葫芦岛125001)
[关键词]离子膜电解槽;单极式;复极式;AZEC -F 2;AZ EC -B 1
[摘 要]从电解槽总体、工艺流程及控制、电解槽结构、仪表与电器系统、联锁系统设置等方面对比了日本旭硝子公司的AZEC -F 2和AZ EC -B 1型电解槽。
[中图分类号]T Q114.262.3 [文献标识码]B [文章编号]1008-133X (2001)08-0010-05
The comparison between monopolar type and bipolar type ion exchange membrane cells
HONG Liang
(Jinhua Chemical Industry (Group )Co .,Ltd .,Huludao 125001,China )
Key words :ion
ex change membrane cell ;monopolar ty pe ;bipolar ty pe ;AZEC -F 2;AZEC -B 1
A bstract :The AZEC -F 2cell and the AZEC -
B 1cell ,bo th of w hich are produced by Asahi Glass Co .,Ltd .,are compared in fields of the overall of c ell ,structure ,flow path and operation control ,in -strument and electrical system ,interlocking device ,and so on .
前言
锦化化工(集团)有限责任公司分别于1998年8月26日、2000年10月31日投产了8万t /a 离子膜碱与12万t /a 离子膜碱生产装置。这2套装置分别采用了日本旭硝子公司的AZEC -F 2型电解槽与AZEC -B 1型电解槽。离子膜电解法是国际上先进的制碱方法,它替代了我公司原有的水银电解与隔膜电解法,具有投资省、出碱浓度高、质量好、能耗低、无污染等优点。这2套装置的投产为我公司今后的发展注入了较大活力,为锦化的腾飞奠定了坚实基础;但同时离子膜制碱也存在着对盐水质量要求高、膜本身费用非常昂贵、所占成本比例大、容易损坏、目前国内尚不能制造及需精心维护等缺点。因此需提高膜利用率,延长膜使用寿命,达到降低生产成本的目的。上述2种类型电解槽针对提高膜使用寿命、降低电耗、提高电流效率均采取了各自不同的方法。下面就以上两种槽型的特点做如下对比。
1 两种离子膜电解槽总体对比
两种离子膜电解槽总体情况对比见表1。
表1 2种电解槽结构特性对比表
项目AZEC -F 2(6,7)A ZEC -B 1电解槽类型单极式复极式循环方式
自然循环半强制循环1万t /a 所需台数41有效面积/(m 2
/单元槽)1.712.88单元槽数/台36
701台槽总面积/m 261.56201.6万t 级总面积/m 2251227阳极框材质Ti -Pb 合金Ti -Pb 合金阴极框材质S US310S
Ni
阳极网材质Ti +R uO 2活性涂层Ti +R uO 2活性涂层阴极网材质Cu 镀Ni +R a -Ni 涂N i N 2+R a -Ni 涂层阳极孔形菱形冲孔菱形冲孔阳极涂层成分
R u 、Ir 四元涂层R u 、Ir 四元涂层阳极电极电位(初期)/V ≤1.10V ≤1.10V 阳极涂层寿命/a 66阳极网厚/mm 22阴极网厚/mm 11阴极孔形拉网菱形拉网菱形阴极涂层寿命/a 66阴极涂层主要成分R a 、Ni R a 、N i 阴极电极电位(初期)/V ≥-1.26V ≥-1.26V 槽框寿命/a 1010设计电流/kA
72.111.5设计电流密度/(A /d m 2
)35.139.9折标电耗/(kW ·h /t )21652155膜型号F -893F -893膜利用率
83.82%
87.27%
从表1可看出,单极槽万t 级烧碱装置的总面
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第8期2001年8月 氯碱工业Chlo r -Alkali Industry No .
8Aug .,2001 [收稿日期]2000-03-01
积比复极槽要多10.6%,单极槽膜利用率比复极槽低3.45%,复极槽比单极槽电流密度高4.8A /dm 2
。由于都是旭硝子公司技术,所以阴、阳极材质
大致相同,阳极涂层寿命长;又由于F 2型槽结构不同,阴极网采用铜镀镍便于电流分布均匀,B 1型槽阴极网采用镍镀Ra -Ni 活性阴极电位较低,阳极
基材为钛。阳极活性涂层主要成分是Ru 、I r ,钛为主体,电流密度每升高1A /dm 2,电极电位大约只升高20mV 。
2 工艺流程及控制对比
2.1 单极槽与复极槽工艺流程叙述
单极槽和复极槽流程大致相同(详见图1、2)
。
1盐水过滤器S P -101A 、B ;2过滤盐水罐VE -105;3螯合树脂塔TW -201A 、B 、C ;4二次精制盐水罐VE -203;
5电解槽;6淡盐水制贮罐VE -301;7脱氯塔;832%碱罐
图1 旭硝子单极槽离子膜
电解工艺流程简图
1盐水过滤器S P -101A 、B ;2过滤盐水罐VE -105;3螯合树脂塔TW -201A 、B 、C ;4二次精制盐水罐VE -203;
5电解槽;6循环碱罐VE -302;7碱换热器HE -304;8淡盐水贮罐VE -301;9脱氯塔
图2 旭硝子复极槽离子膜电解工艺流程简图
二者的共同点是:由一次精制盐水来的盐水首先经SP -101A 、B 碳素烧结管过滤器过滤去掉大部分固体悬浮物SS (使SS 不高于10-6),然后进入过滤盐水罐VE -105,在其入口管路加盐酸,出口管路加碱调节pH 值,经氯气冷却器换热后加入树脂塔,由螯合树脂吸附盐水中的Ca 2+、Mg 2+等金属离子,确保上槽盐水Ca 2+、Mg 2+总和不大于2×10-8(以Ca 2+计)。通过二次精制盐水罐由上槽盐水管
路加入到电解槽阳极侧,在阳极侧电解产生氯气和淡盐水,氯气去往氯干燥工序,淡盐水去脱氯工序,脱去游离氯后返回一次盐水工序。
在电解槽阴极侧加入纯水调节碱浓度,电解产生氢气送往氢气站,32%碱液送往蒸发。
虽然流程大体相同,但由于槽型不同又各有不同特点。
2.2 二次盐水工序的pH 值调节
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第8期
2001年8月
洪亮:单极式与复极式离子膜电解槽对比 电 解
两种槽在二次盐水工序最大不同之外在于V E -105罐入口pH值调节,详见表2。
表2 VE-105罐入口、出口pH值
电解槽入口pH值出口pH值
单极槽复极槽9±0.5
3～3.5
9±0.5
9±0.5
从表2可以看出,复极槽VE-105罐入口pH 值控制在3～3.5,目的是由于复极槽在上槽盐水管路上加盐酸,盐酸将和盐水中过量的NaHCO3、Na2CO3反应产生CO2气体。CO2气体随上槽盐水通过电解槽盐水入口软管加入槽内,由于单槽盐水入口管很细,内径Υ6,容易在软管内形成气堵,影响上槽盐水量,严重时会出现单元槽断流现象,同时氯气纯度也将下降。所以必须在上槽盐水加酸前就把NaHCO3、Na2CO3除去,故在VE-105罐入口调节pH值为3～3.5。出口为满足树脂吸附需要加碱调节pH值为9±0.5。
单极槽盐酸加在阳极气液分离器上,所以不会出现由于CO2气体造成断流现象,故pH值调节不同。
2.3 碱液走向不同
单极槽由阴极侧产生的32%碱通过碱断电器靠位差溢流到VE-302送至蒸发工段。
复极槽阴极侧靠循环碱泵PU-302进行碱液循环,单槽循环碱28m3/h,循环碱来自VE-302罐,在循环管线上加入纯水配成30.5%～31.5%的淡碱上槽循环产生32%碱回到VE-302,达到强制循环的目的。少部分碱送至蒸发工段。
2.4 电解槽压力、压差
氯气、氢气压力控制如表3所示。
表3 氯气、氢气压力控制 Pa
电解槽氯气压力氢气压力
单极槽(F2)复极槽0±100
0±100
2500±100
4000±100
上槽盐水与碱系统压力如表4所示。
表4 上槽盐水、上槽纯水、循环碱压力 kPa
电解槽上槽盐水压力上槽纯水压力循环碱压力
单极槽(F2)复极槽70～120
150
70～120
200
从表3、4对比可以看出,复极槽运行的压力和压差控制高于单极槽,压力高使槽内气体体积减小,不但使电解槽内电解液的充气度减小,而且能使电流密度在膜的上、中、下各部分布更均匀,并有利于电解槽整体电耗的下降。但因进出槽电解液流量和压力大,对电解槽的密封要求更严格,而且对电解槽操作也要进一步强化,以免膜受到损伤。
2.5 阴、阳极两侧温差
由于单极槽槽框结构不同,阳极框是由边框和两侧阳极网构成,阴极框同样属于单极式槽框,所以对阴、阳极温差要求不大。
复极槽槽框由阳极网、阳极边框、复合板阴极边框、阴极网构成,复合板两侧材质不同,膨胀特性不一样。为防止温差过大使极框变形,导致电槽渗漏,阴、阳极两侧温差要求小于15℃。
2.6 碱换热器
由于复极槽为碱液强制循环,为控制好槽温,增设了碱换热器H E-304,既可给循环碱升温,又可降温,从而较好地调节电槽温度。
3 电解槽结构对比
3.1 电解槽构成
AZEC-F2-6,7型单极槽主要构件由紧固拉杆、阴阳极气体分离器,阴、阳极液循环管,阴、阳极槽框导电铜排,离子交换膜及其它部分组成,每台F2型电解槽由3个独立的小电解槽组成,由绝缘中间板隔开,每个小电解槽由12个单元槽组成,单元槽之间并联,3个小电解槽串联形成电解槽整体。
AZEC-B2型复极槽主要由4根紧固压杆,阴、阳极顶部集液管,阴、阳极底部集液管,阴、阳极端框,69个复合框,70张离子交换膜及其它部分组成,每一个AZEC-B1型电解槽由70个单元槽串联组成电解槽整体。
3.2 循环方式
F2型单极槽是自然循环、B1型复极槽是半强制循环,F2型槽电解液循环通过电解槽外部阴、阳极液循环管,使产出的淡盐水、碱液大部分回流而形成自然循环;同时电解槽内部由于气体搅拌形成一定量内循环,使电解槽整体浓度均一。B1型电解槽半强制循环即阴极侧靠循环碱泵强制循环,阳极侧靠内部特殊设计(降液管和折流板)进行自然循环,达到电解槽浓度均一的目的。
强制循环使液体在离子膜表面产生足够的湍动以使滞留边界层厚度降到最小,使整张离子膜的电流密度和液体浓度均匀一致,可以完全避免浓差极化并具有较高I/C比值,提高了运行电流密度和膜利用率。B1型槽满负荷电流密度为39.9A/dm2,最高为50A/dm2。此外采用强制循环以较大流量的物料流入电解槽,能把电解槽中生成的物质及时带出,对防止电解室内气体滞留起到有效作用;另一
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电 解 氯碱工业 2001年第8期
方面保证电解槽内不缺液体,使整张膜处于液相之中,消除了气相对膜的影响,从而降低电耗。自然循环靠外加循环管(或特殊设计)使电解液
循环达到电解槽浓度均匀,不需外加动力降低能量消耗。此外,阴、阳极两侧压差小,膜振动小,降低了膜磨损,延长了膜的使用寿命。
B 1型电解槽具备了自然循环和强制循环的特点,结构上具有一定优势。
3.3 电解槽内部电流分布方式不同
F 2型电解槽单元槽之间并联在阳极框内(如图3)。电流由槽间铜排传导到6根钛铜复合棒上,再通过9块筋块均匀分配到两侧阳极网上,使电流均匀分布。由于阴极网材质主要是导电性能优良的铜网,所以阴极板框由两侧阴极网汇集到导电铜柱上,再通过槽间铜排传导到下一组电解槽。单极槽电流径向分布,靠导电筋板使电流均匀分布
。
图3 AZ EC -F 2阳极框结构
B 1型电解槽主要靠槽框内的帽形筋板导电。电流通过槽间铜排到阳极端框的复合板,通过12×2个帽形筋板均布到阳极网上,通过离子交换膜到阴极网,再通过帽形筋板将复合板传导到下一个单元槽(详见图4)
。
图4 AZ EC -B 1复合框结构
复极槽电流轴向分布。由于极网面积较大,通
过帽形筋板的分布使电流更加均布,电流分布比单极槽更为良好。
3.4 电解槽槽框的边框结构各异
F 2型电解槽槽框结构(如图5)是:阳极框底部边框设置10个Υ7.5孔用于阳极液分布,顶部边框设置10个Υ25孔便于淡盐水、氯气混合相产出。同时防止电解槽顶部通电部位出现气相密集区,影响电流分布。阴极框顶部边框设有12个Υ25孔,底部边框设有12个Υ12孔,作用同于阳极框
。
图5 AZ EC -F 2槽框边框结构
B 1型电解槽复合框结构如图6所示,在复合框顶部阴、阳极两侧均设有溢流堰,在溢流堰内气液混合相先进行初步分离,它的设置使膜完全浸泡在液相当中,防止膜表面出现干区,避免了因气体流动引起的膜振动。
图6 AZEC -B 1复合框边框结构
这2种槽型的设计都有较好的防止电解槽通电区域内气体阻滞及膜振动、防止膜损伤的作用。
3.5 电解槽的检修与维护
F 2型电解槽设有电解槽维修区,检修时需用吊车把电解槽吊至维修区检修。并配备了1台可移动除槽开关及连接铜排,同时还设有固定式油压紧固
机等部件,操作维修相对容易。
B 1型电解槽设有活动维修平台并配有可移动油压紧固机,可在该槽槽位上检修,灵活性强。14
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洪亮:单极式与复极式离子膜电解槽对比 电 解
台电解槽各有1台除槽转换开关,可单独控制1台电解槽运行,操作维修相对繁琐。
4 仪表、电器系统
4.1 DCS 系统
我车间DCS 系统先后使用了Fisher -Rose -mount 公司的PROCOX 系统和Deltav 系统对整套装置进行监控。对电解槽的槽温、槽电压等操作指标既有瞬时监测,又有历史趋势记录,对电解槽管理实现了系统化。Deltav 系统采用了三维立体画面,效果更好;并可同时调控多个控制点,更具优势。4.2 电器装置
4.2.1 变电系统
单极式电解槽由于运行电流较高,采用硅整流。共3台变压器运行,可停1台,用另外2台供电,调节电流输出精度较小。
复极式电解槽由于运行电流偏低,采用可控硅整流。共4台变压器,7台整流器,1#变压器带1#整流器,2#～4#变压器各带2台整流器,1台整流器给2台电解槽供电,可控硅调节精度高,可靠性相对不高。
4.2.2 总体供电方式
由图7单极槽直流供电方式可知,单极槽外部供电方式是串联,在1台单极槽内部供电方式是并联的,因此通过各个单元槽的电流之和即为单极槽的总电流,各单元槽电压相等。所以单极槽特点是低电压、大电流操作
。
图7 单极槽直流供电方式
图8给出复极槽直流供电方式,可见B 1型复极槽有4台变压器,7台整流器,整流器之间并联,1台整流器带2台电解槽,这2台电解槽串联,1台复极槽内部供电方式是串联的,电流相等,电解槽总电压等于各单元槽电压之和,所以复极槽的特点是低电流、高电压操作运行
。
图8 复极槽直流供电方式
4.2.3 辅助电器设施
B 1型复极式电解槽为防止停车时反向电流对电解槽极片涂层造成腐蚀,还特别设置了极化整流器。极化整流器主要用于停车期间维持电解槽正向
电压120～130V ,最大值小于140V ,极化电流10A 左右,外加正向电压可有效防止反向电流对阴极涂层造成腐蚀。
5 联锁系统设置
单极槽、复极槽为保护膜及电解槽在紧急状态下不受损伤所设置的联锁点大致相同,即都包括装置电源故障、整流器全停、鼓风机停、氯压机停、氯气压力高等。其主要区别在于槽电压联锁。
F 2型电解槽槽电压联锁条件是当相邻两槽(如EM -301、302或EM -303、304等)槽电压之和高于21V 时,则整套装置联锁停车。
B 1型复极槽设置了槽电压低低联锁和槽电压高高联锁。1台B 1型电解槽由70个单元槽串联组成,每10个单元槽为1组,共设7个槽电压监测点,若任意一组槽电压高于V HH 报警值或低于V LL 报警值则与这台电解槽相连接的整流器联锁停,即同一回路中2台电解槽同时停止运行。V HH 、V LL 可按下式计算:
V H H =V 0/70×10+2;V LL =V 0/70×10-2。计算机逻辑计算随机给出,不同电流、不同运转状态下的值不同。
此外,复极槽增设了循环碱泵停联锁。联锁系统的设置对保证电解槽安全运行,防止
突发事故如动力停电、断盐水等对电解槽造成严重损害起到很大作用,如果工艺条件满足不了联锁控制条件,系统将联锁停车。
[编辑:蔡春艳]
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