离子膜烧碱开题报告

本科毕业设计(论文)开题报告

题目： 年产量15万吨烧碱车间中

离子膜法制烧碱的模拟设计

课 题 类 型： 设计□√ 论文□

* * * 名： ***

学 号： **********

专 业 班 级： 化工081

学 院： 生物与化学工程学院

指 导 教 师：

开 题 时 间： 3月 日

2012年 3月 9 日

氯碱工业——离子膜法制烧碱的研究

一．内容及研究意义

内容

本设计是对烧碱车间电解工段中，用离子膜法制烧碱的研究。要求年产量：15万吨。

离子膜法制烧碱就是采用离子交换膜法电解食盐水而制成烧碱（即氢氧化钠）。其主要原理是因为使用的阳离子交换膜，该膜有特殊的选择透过性，只允许阳离子通过而阻止阴离子和气体通过，即只允许H＋、Na+通过，而Cl－、OH－和两极产物H2和Cl2无法通过，因而起到了防止阳极产物Cl2和阴极产物H2相混合而可能导致爆炸的危险，还起到了避免Cl2和阴极另一产物NaOH反应而生成NaClO影响烧碱纯度的作用。

主要原料：饱和食盐水，但由于粗盐水中含有泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO42-等杂质，远不能达到电解要求，因此必须经过提纯精制。

离子交换膜法电解制碱的主要生产流程：精制的饱和食盐水进入阳极室；纯水（加入一定量的NaOH溶液）加入阴极室，通电后H2O在阴极表面放电生成H2，Na+则穿过离子膜由阳极室进入阴极室，此时阴极室导入的阴极液中含有NaOH；Cl－则在阳极表面放电生成Cl2。电解后的淡盐水则从阳极室导出，经添加食盐增加浓度后可循环利用[1]。

阴极室注入纯水而非NaCl溶液的原因是阴极室发生反应为2H++2e－=H2↑；而Na+则可透过离子膜到达阴极室生成NaOH溶液，但在电解开始时，为增强溶液导电性，同时又不引入新杂质，阴极室水中往往加入一定量NaOH溶液。

2.研究的意义

离子膜法制烧碱优点：(1)烧碱质量高，可满足化纤、制药等行业对高纯烧碱的质量要求。 ( 2)能耗低，国外离子膜法氯碱生产，每吨碱综合能耗(蒸汽消耗折算计入电耗中)为2250kW/h，比隔膜法的平均3 200 kW/h节省950 kW/h。 ( 3)投资节省，离子膜法制烧碱生产比水银法制碱节省投资10%一15%，比石棉隔膜法制碱节省投资15%一25%。 ( 4)无污染，离子膜法氯碱生产没有废物，不存在水银法制碱的汞污染和隔膜法制碱的石棉废物等污染问题。 ( 5)氯气纯度高，通常氯气纯度>99%，是很好的有机氯生产原料。 ( 6)氢气纯度高通常氢气纯度>99%，可直接用于要求高纯氢的场合。 随着科学技术的迅猛发展，大量的新材料、新工艺、新方法在离子膜结构、电解槽设计和电解工艺等方面应用，给离子膜法制氯碱生产注入了新的活力[2]。

二．离子膜法制烧碱发展现状及趋势

1.国外发展状况

20世纪60年代，国外一些公司开始研究离子膜法氯碱生产技术。1966年，美国杜邦(Dupont)公司开发了化学稳定性好，用于宇宙燃料电池的全氟磺酸阳离子交换膜，并于1972年以后开始转为民用。这种膜能耐电解食盐水制氯碱时高温、高腐蚀介质的苛刻条件，为离子膜法氯碱技术的工业化奠定了基础。1975年，日本旭化成(Asahi Iasei)公司首次将离了膜应用于氯碱生产中，实现了离子膜法氯碱生产的工业化。此后，发达国家竞相研究离子膜法氯碱生产技术，并取得了很大进展。目前，国外有8家公司掌握了包括生产电解槽在内整套的膜法氯碱生产技术[3]。它们是日本的旭化成(Asahi Glass ) ,氯工程公司（hlorine

Engineering Company)、德山曹达(DS)，美国的西方化学(Oxychem )，英国的IneOs(原ICI,Imperial Chemical Industry)，德国的伍德(U hde)和意大利的迪诺拉(De NOra)公司。与此同时，离子膜制烧碱法占世界烧碱总产量的比例也不断上升。1987年，离子膜烧碱占世界烧碱总产量的10% , 1990年上升到18% , 1993年达到23.6% ,2006年达到30%。预计到2012年，离子膜法烧碱将占世界烧碱总产量的40%。离子膜法制碱在能源费用较高的地区发展更加迅速。如在亚太地区，2005年的离子膜法烧碱已经占该地区全部烧碱总产量的67.5 %.

2.国内的发展状况及瓶颈

去年以来，有关离子膜烧碱项目评审开工投产的消息频频见诸报端：2月，沙隆达年产5万吨离子膜烧碱通过评审；5月，东明石化集团15万吨/年离子膜烧碱项目建设进入实质阶段，计划在2006年底建成投产；6月，焦作昊华年产10万吨离子膜烧碱项目开工；二季度，上海天原的36万吨／年新装置投产后，其烧碱年产规模达到76万吨；8月，唐山三友集团年产30万吨烧碱一期工程试生产;10月，山东东营市化工厂二期12万吨离子膜烧碱项目一次性送电成功，顺利投产……据统计，仅今年上半年，全国烧碱总产量为717.83万吨，同比增长20%。其中，离子膜烧碱产量为218.58万吨，同比增长35%。种种迹象表明，离子膜烧碱行业目前正在掀起新一轮的投资热潮，我国也无可争议地成为世界第一大烧碱生产国，不少企业已经乐观地等待着接下来赚个钵满盆盈了[4]。

但是伴随着大批新建、扩建氯碱装置投产，预计未来烧碱供大于求的局面难以逆转，产能过剩必然引发市场的无序竞争，价格也会波动较大，将逐渐形成倒U 型的走势。

长期以来，一说到离子膜烧碱的发展，技术困境总是被摆在最前面。不可否认，久而久之，好象影响离子膜烧碱健康发展的就只有一个技术问题。离子膜生产技术掌握在少数发达国家手中，这是中国氯碱行业的一块心病，威胁到我们产业的安全。但是，从离子膜烧碱的发展来看，国内企业所面临的远不只是技术问题。

隐忧一：使用超前，研发滞后 在当前环保要求严格、油价上涨、能源紧缺的形势下，发展离子膜法烧碱已经成为氯碱企业调整产品结构、节能降耗、保护环境、增强市场竞争力的主要措施，绝大多数企业将离子膜法装置作为扩建和新建氯碱装置的首选，因此，国内离子膜法烧碱的发展十分迅速。

目前，国内离子膜法烧碱生产厂家全国共86家，产能排前4名的企业离子膜法烧碱产能均超过了20万吨/年，2009年底前还有3家企业的离子膜法烧碱产能达到或超过20万吨/年。据统计，在2010年底前投产的142.5万吨/年装置中有112.5万吨/年采用离子膜法，到2010年底，国内离子膜法烧碱达产装置能力达到794.7万吨/年，占总产能的49.34%。而到2011年，随着又一批新建、扩建氯碱装置的投产，国内离子膜法烧碱不仅在生产能力上将超过隔膜法烧碱，而且产量也将超过隔膜法烧碱。

我国离子膜法烧碱发展十分迅速，彻底淘汰了水银法烧碱和部分石墨阳极隔膜法烧碱，大大提升和优化了我国氯碱工业的产品结构，促进了相关工业的迅速发展[5]。目前，世界上能生产离子交换膜法氯碱电解槽的7个生产厂其中包括北京化工机械厂生产的电解槽在国内均有使用厂家，代表当前离子膜法最先进水平的高电流密度、低电流消耗、大单元面积、自然循环工艺的电解槽在我国已有企业采用。

但专家指出，与世界发达国家的先进水平尚有一定差距，国内离子膜烧碱行业在某种程度上存在着“使用超前，研发滞后”的问题。 目前国内离子膜法烧碱扩能速度过快，规划存在盲目性。得益于下游产品的市场行情好，和因企业缺盐、缺电限产造成的供不足需，国内烧碱市场出现了近几年少有的火爆行情，其中离子膜法烧碱企业的规模也呈现飞速增长的趋势。但是随着大批新建、扩建装置的投产，烧碱下游产品及离子膜法副产品利用技术的发展速度跟不上，这种行情将不复存在。一些企业，特别是新建装置的企业，对上、下游市场及竞争环境缺乏长远、全面的分析，新增如此多的装置将使原本已过剩的烧碱市场更加不堪重负。另外，从全球的氯碱发展形势看，全球范围内烧碱过剩和产品同质化趋势使市场竞争变得更加激烈，这是各烧碱出口国面临的共同问题。而这也从另外一个方面制约了烧碱行业，特别是离子膜法烧碱的进一步发展。

特别值得一提的是，扩能速度如此之快，而所用离子交换膜却全部要依靠进口。离子交换膜是离子膜法烧碱的核心要素之一，目前，我国已建成投产的离子膜法烧碱装置所用离子交换膜仍全部依靠进口，且价格昂贵。进口离子膜按800美元/平方米计，平均2.5年为一更换周期，大约每年需要购膜费用折合人民币约2.756亿元，不但增加了离子膜法烧碱的生产成本，而且受制于人。

隐忧二：能耗高，膜使用寿命短 过去世界各国生产高纯碱都采用水银法。而上个世纪80年代发明了离子膜电解法，因其兼有环保和节能等特性，从90年代开始在世界氯碱行业范围内得到了广泛的推广，在目前几种电解工艺中占据领先的位置。在我国离子膜法烧碱所占比例也在逐年提高，到目前为止已经超过隔膜法，成为我国烧碱生产的主要工艺之一。

在离子膜烧碱大规模新增、扩建的浪潮中，更令人担忧的除了技术之外还有很多：虽然我国离子膜法烧碱生产装置在增多,装置技术水平在提高，少数企业的运行指标很先进，但总体运行水平并不高,如电耗、原盐消耗等，离子交换膜的使用寿命与国外先进水平相比还有较大差距。

装置连续运行时间短，离子交换膜使用寿命不够长。我国采用离子膜法电解技术装置(无论是国外引进技术，还是国产化技术)已近20年，除少数几家技术水平、管理水平较高的企业之外，能够连续运行3个月以上的装置很少，各装置全年计划外停车次数少则几次，多则十几次，甚至达数十次。而国外发达国家先进水平的企业大多计划外停车全年只有二三次。同样的电槽，同样的膜，同样的电解工艺，我国的膜寿命一般只有2～4年，平均2.5 年，而国外的膜寿命可达3～6年，甚至更长。我国计划外故障停车次数每年如能保持在二三次，则离子交换膜寿命有望超过4年[6]。

能耗高于国外先进水平。我国离子膜法烧碱的平均电耗2286kW•h/t，与国外先进水平相差17%～43%。2011年，我国离子膜法制高纯烧碱的蒸汽消耗平均为0.67吨(折标煤95.7千克)。有些厂家未经蒸发而直接按30%液碱出售，而日本的蒸汽消耗只有0.343吨(折标准煤49千克)，综合能耗国内平均水平比国外高31%左右。

盐耗也远高于国外先进水平。国外离子膜法烧碱的盐耗一般在1.5吨以下，国内盐耗一般在1.55～1.60吨，甚至有些厂高达1.67～1.76吨，相差50千克左右。

隐忧三：未来市场不容乐观 据全国氯碱工业信息中心统计，2010年，是国内新建、扩建装置投产的高峰期，预计在原有基础上还会新增产能261万吨；到2011年，扩产高潮稍有降温，但预计还会有合计产能达99万吨的装置投产，若规划中的几个重量级项目现在或稍后开始建设，2011年投产装置规模甚至还将超过2010年。而在新建和扩建装置中，离子膜法装置占绝对优势。

2.发展趋势

分析显示，目前，包括离子膜法装置在内的国内新建和扩建氯碱装置主要有以下特点[7]：

一是原有大型企业加紧扩产。2010年，齐鲁石化氯碱厂投产了20万吨／年离子膜烧碱装置，其烧碱年产能力达到46万吨，位居全国首位。2011年，天津大沽化工有限责任公司14万吨／年离子膜烧碱装置投产后，烧碱年产能力也将达到46万吨。到2012年，上海天原的36万吨／年新装置投产后，其烧碱年产规模将达到76万吨，将重居国内首位。据预测，到2012年，天津大沽化工有限责任公司烧碱年产能力也有可能超过50万吨。目前，国内排名第5的巨化股份有限公司电化厂还将有扩建装置投产。