离子膜法制烧碱的生产工艺

离子膜法制烧碱的生产工艺

焦永秋

（山东东都农药厂271222）

摘要：离子膜法制烧碱是烧碱生产工艺的常用制法之一。本文着重介绍了离子膜法制烧碱的生产工艺及过程中的离子膜法碱液蒸发的特点，影响碱液蒸发的因素。

简介：离子膜法电解制碱是世界上工业化生产烧碱当中最先进的工艺方法，具有能耗低、三废污染少、成本低及操作管理方便等优点。副产的氯气和氢气，可以合成盐酸，或深加工氯下游产品如PVC、有机硅及甲烷氯化物等。烧碱广泛用于造纸、纺织、印染、搪瓷、医药、染料、农药、制革、石油精炼、动植物油脂加工、橡胶、轻工等工业部门，也用于氧化铝的提取和金属制品的加工。

主要原理：离子膜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。

生产工艺：氯碱工业的主要原料：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如下：

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。

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。

离子膜法制烧碱的工艺特点：

1、离子膜法碱液蒸发的特点

（1）、流程简单，简化设备，易于操作。由于离子膜碱液仅含有极微量的盐，所以，在其整个蒸发浓缩过程中，即使是生产99%的固碱，也无须除盐。这就是极大的简化了流程设备，即隔膜碱蒸发必须有的除盐的设备及工艺工程都被取消，而且，由于在蒸发过程中没有盐的析出，也就很难发生管道阻塞，系统打水问题，使操作轻易进行。

（2）、浓度高，蒸发水量少，蒸汽消耗低。离子膜法碱液的浓度高，一般在30%～33%，比隔膜法碱液的10%～11%要高很大，因而大量的减少了浓缩所用的蒸汽。若以32%的碱液为例，假如产品的浓度为50%，则每吨50%的成品碱需蒸出水量为：1000÷32%－1000÷50%＝1125千克

而隔膜法电解碱液若同样浓缩到50%，则一般要蒸出6.5t的水量。也就是说，浓缩到同样的50%，离子膜碱液蒸发比隔膜碱液蒸发少蒸出约5.4t水。由于蒸发水量的减少，蒸汽消耗就大幅度下降。以双效流程为例，一般仅耗汽0.73～0.78t/t，另外蒸汽的空间也相应的减少，使设备的投资也相应的降。

2、影响碱液蒸发的因素

（1）、生蒸汽压力。蒸汽是碱液蒸发中的主要热源，生蒸汽的压力高低对蒸发能力有很大的影响。通常较高的一次蒸汽压力，使系统获得较大的温差，单位时间所传递的热量也相应的增加，因而也使装备具有较大的生产能力。当然，蒸汽压力也不能过高，因为过高的蒸汽压力轻易使加热管内碱液温度上升过高，造成液体的沸腾，形成汽膜，降低了传热系数，反而使装备能力受到影响。同样，蒸汽压力偏低，经过加热器的碱液不能达到需要的温度，减少了单位时间内的蒸发量，使蒸发强度降低。

因此，选择适宜的蒸汽压力是保证蒸发强度的重要因素。另外，保持蒸汽的饱和度也是至关重要的。因为，饱和蒸汽冷凝潜热是其可提供的最大热量；再则，保持蒸汽压力的稳定也是保持操作的主要因素之一，因为，加热蒸汽压力的波动，就会使蒸发过程很不稳定，从而直接影响了进出口物料的浓度、温度，甚至影响液面、真空度、产品质量等。

（2）、蒸发器的液位控制。在循环蒸发器的蒸发过程中，维持恒定的蒸发器液位是稳定操作的必要条件。因为液位高度的变化，会造成静压头的变化，使蒸发过程变的极不稳定，液位高度低，蒸发及闪蒸剧烈，夹带严重，使大气冷凝器下水带碱，甚至跑碱；液位过高，会使蒸发量减小，进加热室的料液温度增高，降低了传热有效温差，另外也降低了循环速度，最终导致蒸发能力下降。

因此，稳定液位是提高循环蒸发器蒸发能力，降低碱损失，降低汽耗的重要环节。

（3）、真空度。真空度是蒸发过程中生产控制的一个重要的控制指标，它是在现有装置中挖掘，提高蒸发能力的重要途径，也是降低汽耗的重要途径。因为真空度的提高，将使二次蒸汽的饱和温度降低，从而提高了有效温度差，除外，也降低了蒸汽冷凝水的温度，因而也就更充分的利用了热源，使蒸汽消耗降低。真空度的高低与大气冷凝器的下水温度有关，也与二次蒸汽中的不凝气含量有关。

所以，提高真空度的途径之一是降低大气冷凝器下水温度，即降低其饱和蒸汽压，但水温过低，耗水量过大，会造成成本升高。一般控制水温在28～40℃。提高真空度的另一途径就是最大限度的排除不凝气体。通常的办法是：①采用机械真空泵；②采用蒸汽喷射泵；③采用水喷射泵。这三种办法中以①、②较佳，方法③因为受水压力的影响，很难获得较高的真空度。

（4）电解碱液浓度与温度。由于离子膜电解碱液的浓度较高，所以对其浓缩蒸发非常有利，其汽耗远比隔膜法低。我国从国外各公司引进的离子膜装置的电解碱液浓度略有差异，在30%～35%之间。但实际上除日本旭化成等少数公司外，大部分公司离子膜电解碱液都控制在32%～33%之间。

另外，尽管电解槽流出碱液温度都在85～90℃，但许多工厂，由于电解工序与蒸发工序不在一起，中间经常设有中间贮罐，这样，使实际进入蒸发器的碱液

温度下降，从而增加了能源消耗。

（5）蒸发完成液浓度。按照市场要求的商品规格，严格控制蒸发的完成液浓度，是在保证产品质量指标的前提下，减少蒸汽消耗的手段之一，同时也可以适当的降低高浓碱对设备的腐蚀。通常，国内的产品为42%、45%、50%三种。

（6）蒸发器的效数。蒸发器的效数是决定蒸汽消耗量的最要因素之一。采用多效蒸发是降低蒸发蒸汽消耗的最要途径，但是它受到设备投资的约束。在离子膜电解碱液蒸发中，目前经常采用的是双效流程。但是，随着能源价格的不断上涨，将会有愈来愈多的企业选择三效蒸发的工艺流程。

（7）蒸汽分离器。汽液分离器也称疏水器，是蒸发过程的一种辅助设备，往往被人忽视，但其性能的好坏，即对蒸发汽耗产生相当大的影响。在蒸发过程中，大量蒸汽在加热器内冷凝，需要及时排除，否则，不但阻碍传热，而且还会造成水锤，影响安全生产。而使凝水能顺利排除，又不带走蒸汽的设备就是汽液分离器。

汽液分离器性能的好坏，不仅仅影响蒸发器能力的发挥和正常使用，也直接与蒸汽消耗的高低有关，因为汽液分离器分离不好，跑汽、漏汽现象经常发生，造成大量蒸汽的流失，使汽耗升高，相反，汽液分离很好，但凝水排放不畅，将直接影响蒸发能力和安全。

所以设计选用合适的汽液分离器是不容忽视的问题，目前，常用的汽液分离器型式有：偏心热动式、浮子杆式、液面自控式三种，用于蒸发装置中一般用后两种。本设计选用液面自控式。

（8）热损失。蒸发过程是一个传热过程，因此，不可避免会有热的损失。这种热损失只要是通过系统内设备和管道的表面向外界散发热量以及蒸汽等物料能没有充分的被利用就排除而造成的热损失。通常，前者约占供入热量的2%～5%，后者则占10%～20%甚至更多。

因此，一方面选择优质价廉的保温材料减少散热损失，另一方面，最充分有效的利用介入蒸发系统的所有热物料的能量，最大限度的加以利用，减少流失，使排除系统的各种物料带走最小的热量，这些都是降低蒸汽消耗的重要途径。

发展现状、面临问题及解决办法：

1、发展现状