離子膜燒堿生產(chǎn)工藝的優(yōu)化分析

王慶天 高利平

摘要：離子交換膜燒堿生產(chǎn)工藝，是國內(nèi)乃至全世界最先進(jìn)的技術(shù)。然而，因為氯堿生產(chǎn)本身的高風(fēng)險和離子膜堿生產(chǎn)工藝的高度自動化，許多節(jié)點擁有較高的技術(shù)要求，一旦出現(xiàn)錯誤，就會導(dǎo)致非常嚴(yán)重的安全問題和大量的財產(chǎn)損失。本文首先介紹了離子膜燒堿的生產(chǎn)工藝，簡要介紹了傳統(tǒng)離子膜燒堿法的主要缺點，并詳細(xì)介紹了離子膜燒堿生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，并將兩種優(yōu)化方式與傳統(tǒng)工藝對比，施行了總體評價。

關(guān)鍵詞：離子膜法;燒堿;生產(chǎn)工藝;優(yōu)化分析

一、前言

華夏是世界上最大的燒堿生產(chǎn)國和消費國，就燒堿生產(chǎn)工藝仍有很大的改進(jìn)余地。我們一直追求的目標(biāo)是不斷改善的生產(chǎn)工藝流程，科學(xué)地提升國內(nèi)燒堿的生產(chǎn)水準(zhǔn)。離子交換膜的生產(chǎn)工藝存在工藝復(fù)雜、原料浪費較多、安全隱患大等缺點。安全有效地解決這些問題，是提升燒堿生產(chǎn)技術(shù)水準(zhǔn)的有效途徑。國內(nèi)燒堿工業(yè)已經(jīng)歷了從最初的膜電解到后期吸附沉淀膜電解槽的復(fù)雜過程，然后，是在改革開放后離子膜燒堿生產(chǎn)的迅速發(fā)展。華夏燒堿總量居世界首位，但生產(chǎn)工藝相對較落后。燒堿生產(chǎn)工藝的改進(jìn)是燒堿提能降耗的方向。目前，我們所使用的離子交換膜法生產(chǎn)燒堿存在原料浪費的問題。因為工藝復(fù)雜，仍存有一定的不安全因素需要解決。

二、燒堿的用途

燒堿（學(xué)名：氫氧化鈉）是一種可溶性強(qiáng)堿，是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)的化工產(chǎn)品。在冶金工業(yè)里，礦石里的活性成分通常轉(zhuǎn)化為可溶性鈉鹽，以除掉不溶性雜質(zhì)。所以，通常需要添放純堿，有時添放燒堿[1]。例如，在鋁冶煉過程里，使用純堿和苛性鈉制備冰晶石并處置鋁土礦。在鎢冶煉過程里，首先將精礦和純堿焙燒成可溶性鎢酸鈉，然后，經(jīng)過酸沉淀、脫水、還原等步驟制備鎢粉。在化學(xué)工業(yè)里，氫氧化鈉用于生產(chǎn)金屬鈉。燒堿用于生產(chǎn)許多無機(jī)鹽，尤其是在制備一些鈉鹽時。燒堿或純堿也用于染料、藥物和有機(jī)中間體的合成。由此可見，燒堿在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大作用。所以，優(yōu)良的燒堿生產(chǎn)工藝對于工業(yè)發(fā)展能夠起到促進(jìn)作用。經(jīng)過長期的研究和實踐，已經(jīng)證明離子膜燒堿法的優(yōu)越性。離子膜法制燒堿的生產(chǎn)工藝，是世界上最先進(jìn)的生產(chǎn)工藝。經(jīng)過對離子膜燒堿生產(chǎn)工藝的描述和優(yōu)化，進(jìn)一步闡述了新技術(shù)的優(yōu)越性。但國內(nèi)在運用這一方法施行燒堿生產(chǎn)時，仍存在很多問題，不僅浪費了大量資源，也降低了工作效率?；谶@種情況，就要對其施行有效的優(yōu)化。針對離子交換膜燒堿過程里存在的各種缺陷，科學(xué)優(yōu)化了系統(tǒng)設(shè)備，提升了影響產(chǎn)率的組分，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。另一方面，從效率的角度，減少維修時間和不必要的人力和材料消耗，科學(xué)規(guī)劃材料和產(chǎn)品的比例，嚴(yán)格控制生產(chǎn)參數(shù)，制定科學(xué)的管理制度，減輕勞動強(qiáng)度。下圖為離子膜燒堿。

三、離子膜燒堿生產(chǎn)工藝的過程

（一）配水

在電解過程里，需要除掉鹽水中的過量硫酸根。新輸送的鹽水由兩部分構(gòu)成：第一部分是由自動控制裝置調(diào)節(jié)的鹽水;第二部分是將上清液（沉淀后）儲存在儲罐中。將從其他工藝?yán)锘厥盏牡}水調(diào)節(jié)到所使用的水和從鹽泥中過濾的濾液，并以一定比例混合以形成化鹽水[2]。

（二）化鹽和鹽水的精制

調(diào)節(jié)鹽水溶液的溫度，以逆流方式接觸原鹽水池底部，添入氫氧化鈉溶液與逆流水中液體中的鎂離子反應(yīng)生成沉淀的氫氧化鎂，分離出有機(jī)物，會逐漸分解成較小的分子。攪拌機(jī)加壓的粗鹽水進(jìn)入預(yù)處置器，鹽水中的小分子和懸浮物質(zhì)作為沉淀和上浮泥除掉。凱膜分離后，反應(yīng)罐中的剩余水為合格的一次精制鹽水[3]。螯合樹脂是關(guān)鍵的鹽水二次精制工序，將過濾后的鹽水送到螯合樹脂塔施行離子交換，除掉鹽水中多余的Mg2+和Ca2+，然后，將合格的二次精鹽水送到電解工序施行電解處置[4]。

（三）電解

在二次精制鹽水進(jìn)入陽極室之后，在電流作用下將其分解，產(chǎn)生氯氣和淡鹽水，在汽水分離器中氯與淡鹽水分離。氯氣匯總至氯氣處置總管，然后，進(jìn)入氯氣處置工序。淡鹽水輸入脫氯工序，脫氯分為物理脫氯和化學(xué)脫氯。在陰極室電解產(chǎn)生的氫氣，被匯總輸送到氫氣處置裝置施行處置。鈉離子在電場作用下，從陽極室通過離子膜遷移至陰極室，與陰極室多余的氫氧根結(jié)合生成氫氧化鈉。圖2為離子膜燒堿電解槽。

（四）淡鹽水的脫氯

淡鹽水必需在離開電解槽后脫氯，因為鹽水中蘊(yùn)含游離氯，氯對管道和設(shè)備擁有很強(qiáng)的腐蝕性，尤其可使二次鹽水精制時的鰲和樹脂中毒失去鰲和能力。為了減少浪費和損失，必需除掉鹽水中的游離氯[5]。在鹽水中添入亞硫酸鈉等還原性物質(zhì)，以確保完全除去多余的游離氯。鹽溶液的pH值需要在進(jìn)入脫氯塔前施行調(diào)節(jié)，脫氯塔可脫除鹽水中過多的游離氯，脫除的游離氯投送到氯氣處置工序。在一次鹽水工序，再次施行水的分配和化鹽。

四、離子膜燒堿生產(chǎn)工藝具備的優(yōu)越性

離子膜燒堿是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新技術(shù)。與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝對照，擁有以下優(yōu)越性：

（一）工藝相對簡單，因為離子膜燒堿電解液的濃度相對較高。所以，可以在不蒸發(fā)的情況下獲得濃度大于30%的液體堿。

（二）生產(chǎn)過程里的能耗相對較低。因為不需要蒸發(fā)，所以，大大減少了能耗。此外，還減少了能耗和用水量，大大減少了總能耗。

（三）污染較低。用于生產(chǎn)離子交換膜燒堿的生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)生的廢棄物可以循環(huán)使用，對環(huán)境的污染較低。

（四）離子交換膜燒堿生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的液堿純度較高，一般能滿足紡織行業(yè)的需要。

（五）離子膜燒堿生產(chǎn)設(shè)備面積相對較小。

五、工藝施行優(yōu)化的依據(jù)

與傳統(tǒng)鹽水凈化工藝對照，離子膜燒堿工藝擁有很大的優(yōu)越性。在傳統(tǒng)工藝?yán)?，鹽水中殘留著大量的有機(jī)物、細(xì)菌和藻類。離子交換膜法制燒堿過程里游離氯得控制在一定范圍內(nèi)，粗鹽水中的有機(jī)物等易用游離氯處置。游離氯對生產(chǎn)設(shè)備有腐蝕作用，設(shè)備投入使用前必需采取防腐措施，在生產(chǎn)過程里，應(yīng)將游離氯控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，以避免進(jìn)一步腐蝕[6]。所以，科學(xué)控制淡鹽水中游離氯的含量，不僅可以有效地殺滅細(xì)菌和藻類，而且可以獲得滿足生產(chǎn)要求的鹽水。控制參數(shù)在科學(xué)的區(qū)間，不僅可以保證整體產(chǎn)業(yè)鏈穩(wěn)定運行，而且可以節(jié)約材料和能源，減少污染物排放。在工業(yè)生產(chǎn)過程里，在淡鹽水脫氯過程里經(jīng)常使用多種添放劑，這是造成廢水排放量大幅度增加的直接原因[7]。這不僅浪費了大量的能源，而且增加了操作和維護(hù)的成本，增加了設(shè)備正常運行的不穩(wěn)定因素。因為技術(shù)原因，華夏的生產(chǎn)工藝主要依靠引進(jìn)國外技術(shù)。但鹽水生產(chǎn)條件與生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)之間存在較大差距，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)的穩(wěn)定性。所以，迫切需要改進(jìn)生產(chǎn)工藝。下圖為離子膜法制燒堿的電解槽。

六、離子膜燒堿生產(chǎn)工藝優(yōu)化策略

（一）淡鹽水脫氯系統(tǒng)優(yōu)化

淡鹽水從離子膜電解槽流出，經(jīng)過脫氯處置后返回的淡鹽水可以保持相對穩(wěn)定，也可以減少一次鹽水工序的設(shè)備腐蝕，但要消耗純水和人力。一方面，增加了生產(chǎn)設(shè)備的投資;另一方面，因為系統(tǒng)硫酸根含量的增加，延長了一次鹽水工序工藝鏈。所以，需要做的是取消脫氯塔后面的亞硫酸鈉處置設(shè)備。同時，需要進(jìn)一步完善離子交換膜電解脫氯設(shè)備，調(diào)整相關(guān)工藝的操作流程，改變過程控制指標(biāo)和自動控制系統(tǒng)。對參數(shù)施行控制，使鹽水中保留一定量的游離氯，然后，將含一定量游離氯的鹽水直接輸送到一次鹽水工序中。具體改造包括取消亞硫酸鈉儲罐、準(zhǔn)備槽、自動控制閥和進(jìn)出口管道[8]。進(jìn)出口管道包括相應(yīng)的給排水管道，需要匹配相應(yīng)的離子膜電脫氯系統(tǒng)管道。改進(jìn)和進(jìn)一步調(diào)整脫氯系統(tǒng)的操作流程和控制指標(biāo)。脫氯塔取消相應(yīng)的亞硫酸鈉處置裝置后，回收的淡鹽水中剩余游離氯的含量必需保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，多余的游離氯必需回收，以保證生產(chǎn)過程系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。值得注意的是，對于所述離子交換膜燒堿生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，如果系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)需要自動控制和聯(lián)鎖，則整體過程指標(biāo)范圍必需能夠保持系統(tǒng)的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

（二）一次鹽水精制系統(tǒng)的優(yōu)化

在一次鹽水處置中，如果返回鹽水中游離氯的含量在規(guī)定范圍內(nèi)，則可以取消粗鹽水中次氯酸鈉的處置設(shè)備，從而提升一次鹽水的在線pH值。然后，對相應(yīng)的過程設(shè)備施行優(yōu)化和同步，調(diào)整相應(yīng)的過程操作模式，改變自動控制系統(tǒng)的過程控制指標(biāo)和控制參數(shù)。一次鹽水精制系統(tǒng)的優(yōu)化主要包括消除次氯酸鈉配制罐、消除入口和出口管線、修改泵閥、在線監(jiān)測設(shè)置、優(yōu)化和優(yōu)化計量裝置。增加一次性鹽水在線pH值，同時，優(yōu)化相應(yīng)的設(shè)備和管道。在一次鹽水生產(chǎn)過程里，添放次氯酸鈉的機(jī)械設(shè)備必需保證一次鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行。調(diào)整并科學(xué)設(shè)定鹽水中游離氯的含量，以保持鹽水中游離氯的含量。其目的是將其含量保持在固定范圍內(nèi)，以除去有機(jī)物、細(xì)菌和藻類[9]。如果一次鹽水的質(zhì)量指標(biāo)大幅波動，則二次鹽水系統(tǒng)也會大幅波動，這也嚴(yán)重影響進(jìn)入電解槽鹽水的質(zhì)量。

七、優(yōu)化效果評價

改進(jìn)后的離子膜燒堿工藝擁有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，其中在節(jié)約資源，穩(wěn)定系統(tǒng)，減少成本，保護(hù)環(huán)境等方面取得了長足的進(jìn)步，從而提升了國內(nèi)離子膜燒堿的生產(chǎn)工藝技術(shù)，使之達(dá)到一個新的水準(zhǔn)，具體效果主要映現(xiàn)在以下幾點：

（一）經(jīng)過一系列操作流程和相關(guān)設(shè)備轉(zhuǎn)換，控制5～50mgL-1中的游離氯鹽水滿足離子交換膜電解和一次鹽水處置之間的參數(shù)要求，既節(jié)省了原材料，人力和物力，又有益于提升燒堿生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性和可靠性。

（二）在粗鹽水中不再添放NaClO處置裝置，而是使用在線監(jiān)測設(shè)備，可以有效除掉細(xì)菌，藻類和有機(jī)物，同時，滿足相關(guān)質(zhì)量控制指標(biāo)。

（三）與鋇鹽法對照，膜法除硝工藝能有效地將硫酸還原到5ppm以下，尤其契合離子膜燒堿的工藝控制要求，尤其是零瀝青電解槽保護(hù)了離子膜電解槽，大大延長了其使用壽命。

（四）脫硝產(chǎn)品芒硝經(jīng)脫水干燥后可直接作為化工原料銷售，不會造成二次污染，增加二次處置成本。由此可以得出，優(yōu)化后的離子膜燒堿生產(chǎn)系統(tǒng)簡化了工藝操作，減少了資源消耗，節(jié)約了人力物力，達(dá)到了低投資，高效率，環(huán)保的關(guān)鍵生產(chǎn)目標(biāo)。

八、結(jié)論

鹽溶液經(jīng)過脫氯塔后，取消相應(yīng)的亞硫酸鈉處置設(shè)備，返回淡鹽水中可檢測到的游離氯，嚴(yán)格控制在一次鹽水處置和離子膜電解的科學(xué)指標(biāo)內(nèi)，為生產(chǎn)系統(tǒng)提供良好的環(huán)境。在原鹽水中消除了次氯酸鈉的添入，對鹽水檢測裝置施行了復(fù)位?？茖W(xué)除掉有機(jī)物可以使粗鹽水的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到要求，進(jìn)一步提升整體生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性。這項技術(shù)是在原有技術(shù)基礎(chǔ)上的重大創(chuàng)新，擁有廣闊的應(yīng)用遠(yuǎn)景，極大地促進(jìn)了氯堿工業(yè)的發(fā)展。從工業(yè)節(jié)約的原材料中可以看出良好的經(jīng)濟(jì)效益，對節(jié)能減排的貢獻(xiàn)映現(xiàn)了良好的環(huán)境效益。穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)提升了離子交換膜技術(shù)的水準(zhǔn)，促進(jìn)了工業(yè)的蓬勃發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]耿慶魯.40萬t/a離子膜法燒堿整流裝置的配置分析與優(yōu)化運行[J].氯堿工業(yè)，2017，472（03）：8-10.

[2]韓雪松.離子膜燒堿工藝?yán)锫葰夂繙y量的儀表選擇[J].石油化工自動化，2017（6）：63-65.

[3]傅建軍，付壘，萬堃.離子膜法燒堿生產(chǎn)用1拖2整流變壓器的運行與維護(hù)[J].氯堿工業(yè)，2019（6）.

[4]劉海.離子膜燒堿蒸發(fā)裝置運行總結(jié)[J].華夏氯堿，2018（6）.

[5]李云俏.硫氰酸汞光度法測定離子膜燒堿中氯化鈉含量的研究[J].生物化工，2017（6）：46-48.

[6]姜錦，辛丹，沙劍，何春文，劉陳.40萬t/a離子膜燒堿（二期）項目整流機(jī)組技術(shù)方案[J].華夏氯堿，2017（2）.

[7]許瓊武.燒堿蒸發(fā)系統(tǒng)堿性蒸汽冷凝水的循環(huán)利用[J].氯堿工業(yè)，2017，53（12）：41-42.

[8]李明.膜極距節(jié)能技術(shù)在燒堿裝置的應(yīng)用[J].氯堿工業(yè)，2019（3）：11-13.

[9]宗少杰，王學(xué)軍.國產(chǎn)氯堿離子膜的安全性保障[J].氯堿工業(yè)，2019（1）：11-13.

通訊作者：王慶天，1984年10月，男，漢，甘肅金昌人，金川集團(tuán)有限公司職工培訓(xùn)中心，化工工程師，碩士。主要研究方向：氯堿工業(yè)及其產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品生產(chǎn)加工。