离子膜制碱工程项目工艺设计(全版)(共43页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上离子膜制碱工程项目工艺设计(全版）摘要主要论述了新建4万吨/年离子膜法制碱的生产工艺方法，设备选择及环境治理等。关键词：离子膜法，烧碱，工艺，设备，污染治理。With an annual output of 40,000 tons of ion-exchange membrane caustic soda production process design projects Guizhou University School of Chemical Engineering Chemical Technology Xu Demin 05 Abstract Focuses

2、 on the new 40,000 tons / year of the ion-exchange membrane legal base production process methods, equipment selection and environmental governance. Key words: ion-exchange membrane, caustic soda, technology, equipment, pollution control.1. 总 论氯碱工业是生产烧碱、氯气和氢气以及此衍生系列产品的基本化学工业，其产品广泛用于国民经济各个部门，对国民经济和国防

3、建设具有重要的作用。随着国民经济的快速发展，现有氯碱生产能力远未达到市场需求，产品供不应求，具有较好的经济效率。为此，拟在遵义碱厂内新建4万吨/年烧碱装置，以满足周边市场的需求。1.1设计项目概况本设计为年产4万吨离子膜制碱项目。在生产过程中产生的32液碱可直接销售，也可浓缩为2万吨/年50液碱，2万吨/年99片碱产品；副产品氯气和氢气主要合成氯化氢气体供PVC生产聚氯乙稀及产高纯酸，剩余的氯气生产液氯。1.1.1烧碱的物化性质1、化学式：NaOH2、分子量：39.9993、比重：2.13（20）。在熔融状态下，当温度为340500时其重度为1.81.9g/cm3。烧碱溶液的比重随浓度的提高而

4、增加。4、外观：纯净的烧碱为白色，呈羽毛状，为不透明固体结晶。一般工业品含有少量氯化钠和碳酸钠，呈白色稍带浅色光泽固体结晶。5、溶解度：易溶于水，15时为26.4克分子/升。在水中的溶解度随溶液的温度升高而增加，亦能溶于醇类、乙醚中。6、溶解热：10.10千卡/克分子（溶于200克分子水中）。烧碱溶于水时释放热量，浓度越高释放的热量越大，这种热量称为溶解热。如果把浓度的的烧碱浓缩、脱水需要吸收热量，这个热量称为脱水热。不同浓度时的脱水热也不同。7、生成热：101.99千卡/克分子8、熔点（凝固点）：318.4时能制得熔融的几乎不含水的烧碱，不同浓度的烧碱溶液具有不同的凝固点。在工业生产中，由于

5、固碱中含有少量氯化钠和少量水，因此其凝固点在320左右。9、沸点：1390不同浓度的烧碱溶液具有不同的沸点。同时溶液的沸点随着溶液面上的蒸汽压的降低而下降。10、比热：0.378千卡/千克（19100时的平均值）。烧碱溶液的比热随着溶液浓度的提高而下降，同时升高溶液温度，比热也有所下降。11、熔融热：0.495千卡/千克（熔融319）12、汽化热：31.6千卡/克分子13、导热系数：0.87千卡/米·小时（熔融400）14、固体烧碱吸湿性很强，放置空气中能吸收大气中的水分变成液碱，这种现象成为潮解。15、烧碱及其水溶液对动物和植物组织（如皮肤、织物、纸张等）有机物质有强烈的腐蚀作用。

6、它也称为苛性钠或苛性苏打，易从空气中吸收二氧化碳而逐渐变成碳酸钠。因此，固体烧碱必须贮于密闭的铁罐或塑料的包装袋中。1.1.2烧碱的主要用途烧碱是国民经济各部门用途极广的基本化工原料。根据各使用部门对烧碱质量的不同要求，或因运输于储存等原因，而选择使用液碱或固碱。其主要用途如下：轻纺工业：如造纸、合成洗涤剂、玻璃、瓷器、肥皂生产、粘胶纤维生产、印染、人造丝及棉织品的加工等。化学工业：如农药、染料、塑料、橡胶、漂白剂、助溶剂、合成纤维品、石油化学品及化肥生产等。石油工业：如精炼石油、油脂、提炼焦油、石油钻探等。其它：如国防工业、机械工业、木材加工、冶金工业、医药工业、城市建设等。1.1.3项目主

7、要原料及规格电解法生产烧碱的主要原料是工业盐，其化学名称叫氯化钠，化学分子式为NaCL，分子量为58.5，假比重0.71.2，生成热为97.7千卡/克分子，溶解热为1.281千卡/克分子，熔点804，沸点1439，平均比热为0.207千卡/千克，熔融热7.25千卡/千克，汽化热为40.81千卡/克分子。 世界上的盐大部分存在于海水中，海洋中氯化钠的浓度平均为3336g/l，由于地壳变化，海洋的一部分分离成为内陆海，因此原盐有海盐、湖盐、井盐和矿盐四种，世界上主要产盐的国家为美国、中国、前苏联地区、德国和印度等国。目前我国氯碱厂所用工业盐以海盐为主，内地氯碱厂也有用当地的湖盐和井盐。其主要产地和

8、组成见下表。表1.1 我国主要海盐及组成NaClCa2Mg2SO42可溶杂质水不溶物水份长芦盐96.610.100.300.500.401.77营口盐92.111.070.564.30淮盐94.670.200.540.5410873.87浙盐91.780.160.630.631.6闽盐92.00.150.50.500.510.435.25表12 我国主要井盐及组成NaClCa2Mg2SO42可溶杂质水不溶物水份蓬海盐97.250.860.110.350.071.20大安盐96.020.200.171.160.071.61五通桥盐97.520.310.120.880.031.51自贡盐93.07

9、0.160.350.15本项目对工业盐质量的要求为：（1）氯化钠含量要高；（2）化学杂质要少；（3）不溶水的机械杂质要少；（4）盐颗粒要粗。贵州不产原盐，但邻近省份四川、云南等地盛产井盐。本项目需原盐大约6.1万吨/年，购自四川自贡井盐。1.1.4燃料要求采用瑞士伯特蒸发器生产99片碱时，用重油对熔盐进行加热，重油需求量不大，可由市场采购。重油必须纯度较高，具有良好的热值，以满足生产要求。1.1.5 烧碱在国民经济中的重要性烧碱是最重要的基本化工原料之一，其最初的用途是从制造肥皂开始，逐渐用于轻工、纺织、化工等领域。随着制铝工业及石油化学工业的发展，其应用范围更加广泛，下游产品已达到900多种

10、。另外，在烧碱生产过程中所联产的氯气、氢气也是重要的基本化工原料，在化肥、精细化工、轻工、纺织等行业也得到广泛应用。近年来随着我国经济的快速发展，对化肥、精细化工、轻工、纺织等有强劲的需求。1.2建厂位置选择年产4万吨离子膜制碱项目建厂位置选择在遵义市南边舟水桥城乡接合处,原遵义碱厂厂区内，厂址的地理位置、地形、地貌、工程地质、水文地质概况如下：贵州省遵义碱厂位于遵义市东南郊舟水桥新店子工业区，南靠遵义铁合金、遵义钛厂，东北侧有遵义第二化工厂、遵义食品总公司，距南门关约2.5km，遵义火车南站（货运站）约1.5km，遵义到瓮安公路从厂区大门前通过，厂内有铁路专用线与川黔线南宫山站相连，交通运输

11、极为便利。遵义市位于大娄山脉东南山麓地带，地势由西北向东南倾斜，境内西北部以丘陵为主，东、中、南部以河谷、盆地为主。新店子区域位于舟水桥间斜中段，地层属三迭系，其地貌为浅切割构造溶蚀低山。舟水桥区域共有地下水溶洞11个，厂区附近无活动性断层山崩滑坡及泥石流存在。主要的地表水为湘江，湘江属于长江流域乌江系。湘江自北而南蜿蜒穿过城区，在城南龙溪桥下游约100m处与另一支流洛江汇合，继续向南，从舟水桥工业区东侧流过。湘江属于长江流域乌江水第，在遵义县转东与湄江汇合后纳入乌江。湘江属于山区性河流，多年平均流量为8.48m3/s，年径流量2.67亿立方米。湘江流域的丰水期为57月，平水期为4月及811月

12、，枯水期为12月至次年3月。遵义市地处北纬27042'、东经'，属北亚热带，春夏湿润气候区，海拔843.90m。常年主导风向为东风，夏季盛行南风，冬季盛行东风，全年平均风速为1.1m/s；年平均气温15.2，极端最高气温38.7，极端最低气温-7.1；年平均降雨量1097.80mm，最大一日降雨量141.30mm；年平均雷暴日53.3天，年相对湿度为80%，全年平均雾日数21.4天；大气压为：冬季693mmHg，夏季684 mmHg。项目位置四周环山对城市的污染较小，有较好的交通运输条件，地式宽阔，几公里附近就有高速公路和铁路，同时项目位于遵义市湘江河的下游，而湘江河年平均流水

13、量非常大，水源充足，完全能够满足项目的用水要求。运输物资方便迅捷，各地的铁路专线对原材料及产品的输进输出比较方便；原料工业盐来自四川自贡，利用铁路输送，运输费用较低，生产的烧碱主要销往本省附近及华东地区，产品销售成本相对较高，同时由于贵州工业经济的快速发展，特别是氧化铝和电解铝新项目大型化发展，烧碱的销售可望直接在贵州市场解决，产品销售运输费用可以有所下降。我省遵义市煤电资源丰富，有桐梓、金沙等煤区，距离都比较近，在100公里以内，所需重油量不大，可利用火车从外地购入，相对于东部地区有较大优势；遵义具有比较大的电网，完全能满足生产用电，同时还可以煤电化联盟，利用煤炭进行发电，获得氯碱、PVC车

14、间所需蒸汽和电力，这样项目生产成本更具优势。综上所述，厂址选择是可行的。1.3全厂生产路线选择论证目前世界上生产烧碱的方法有四种：隔膜法、水银法、离子膜法、苛化法。隔膜法、水银法和离子膜法都是通过电解盐水生产烧碱；而苛化法则是以石灰石和纯碱为原料制取烧碱。苛化法仅在少数有天然纯碱资源的地区采用。离子膜法是20世界80年代发展的新技术，能耗低，产品质量高，且无有害物质的污染，是较理想的烧碱生产方法，与隔膜法和水银法相比，离子膜法具有工艺流程简单、能耗低、产品纯度高、装置占地少、生产稳定、安全性高、操作维修简单、劳动强调低等优点，在当前环保要求严格、油价上涨、能源紧缺的形式下，发展离子膜烧碱已经成

15、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，因此近几年国内外新建和扩建烧碱装置一般均采用离子膜法工艺。我国自1986年首次引进离子膜电解技术以来，几乎世界所有离子膜法的专利技术在国内均有引进。另外，随着国产化电解槽的多套投入运行，在中国与离子膜电解槽配套的部件也已基本实现了国产化，实现了离子膜法烧碱生产装置的成套供货。本项目采用当今世界最先进的离子膜法电解法工艺生产烧碱。本项目烧碱装置分为一次盐水精制、二次盐水精制、离子膜电解、离子膜真空脱氯、氯氢处理、氯化氢合成、高纯盐酸、液氯及包装、液碱蒸发和固碱等工段。本项目离子膜法烧碱生产路线如下：盐水一次盐水精制二次盐水盐水

16、工业盐离子膜电解32液碱盐泥32液碱氯气、氢气氯氢处理氯气液氯液氯液碱蒸发50液碱固体片碱固体片碱氯气、氢气氯化氢合成氯化氢高纯盐酸氯化氢高纯盐酸50液碱1.4 年工作日和工作制度项目具有化工生产高温、高压、易燃易爆、深冷负压、操作连续性强等特点，所以在生产过程中要求操作工必须坚守岗位，精细操作，认真作好交接班制度，遵守“六严格”制度，倒班职工施行“四班三倒”；各生产管理人员和技术管理人员必须经常深入现场，了解生产情况，对整个生产起负责及监督管理的作用。2.工艺部份2.1离子膜法制碱生产的基本原理离子交换膜法电解制碱，就是利用阳离子交换膜把电解槽阳极室和阴极室隔开（这种膜只允许阳离子通过），然

17、后向阳极室提供盐水，向阴极室提供纯水，通直流电进行电解制得烧碱、氯气和氢气。饱和的盐水加入阳极室，纯水加入阴极室，在通电时，钠离子透过阳离子交换膜，迁移到阴极室，与水分解所生成的OH-反应生成NaOH（由外部供给阴极室纯水来保持一定的烧碱浓度），H+在阴极表面放电产生氢气逸出，Cl-则在阳极表面放电产生氯气逸出。电解槽中的电化学和化学反应如下：阳极反应：2Cl- - 2e Cl2 4OH- - 4e O2 + 2H2O 6ClO- + 3H2O 6e 2ClO3- + 4Cl- + 6H+ + 3/2O2阳极室反应：A、生成的氯气在电解液中的溶解。 B、生成的氯气与阳极液中的水反应：Cl2 +

18、 H2O HCl + HClO C、溶解的氯气与从阴极室反渗过来的NaOH反应： Cl2 + 2NaOH 1/3NaClO3 + 5/3NaCl + H2O Cl2 + 2NaOH 1/2O2 + 2NaCl + H2O HClO + NaOH 1/2O2 + NaCl + H2O阴极与阴极室的反应：2H2O + 2e H2+ 2OH- OH- + Na+ NaOH进入阳极室的盐水，由于上述反应，其NaCl消耗大约为50%，变为淡盐水，流出阳极室。2.2氯碱的生产方法选择论证2.2.1一次盐水盐水精制工艺本项目以固体盐为原料生产烧碱，目前盐水精制有传统的澄清桶工艺与薄膜液体过滤工艺两种工艺。传

19、统的盐水精制工艺是先将粗盐水加精制剂反应后经澄清桶澄清，再经砂滤器和-纤维素预涂型过滤器过滤后进入螯合树脂塔系统。该工艺所需澄清桶庞大、占地多。此外，该工艺对原盐品质要求较高，为了达到好的澄清效果，原盐中Ca/Mg要大于1，该工艺的优点是工艺成熟、可靠、操作简单、运行稳定。薄膜液体过滤工艺特点是流体经过滤元件，固液分离一次完成，得到几乎不含固态物质的液体。与传统的澄清桶工艺相比，薄膜液体过滤工艺改变传统的钙镁同时去除，而是先除镁和有机杂质，然后用膜过滤除去钙离子。也正由于粗盐水中的杂质是分别去除的，该工艺对原盐的要求低于传统澄清桶工艺，能克服国内盐质不佳(大部分原盐镁含量较高)且不稳定的缺点。

20、其缺点是流程较长、操作较复杂。上述两种工艺各有优缺点，国内氯碱厂中均有使用。从投资和运行费用比较来看，两种工艺基本相当，薄膜液体过滤工艺的投资比澄清桶工艺略高，但运行费用略低于澄清桶工艺。根据最近几年薄膜过滤工艺在国内氯碱厂中的广泛使用情况，本项目推荐采用薄膜液体过滤工艺，凯膜技术。凯膜过滤工艺采用膜表面过滤取代传统的澄清、过滤设备，排除了大截面澄清设备对盐水温度、流量等因素变化适应能力差等对盐水质量的影响，具有以下优点：1）工艺简单，流程短，盐水中的悬浮物从100010000mg/L降低至1mg/L以下，直接进入离子交换树脂塔。2）过滤精度稳定、盐水质量稳定。3）处理能力大，减少了企业的资金

21、投入。4）操作简单，全自动控制，与传统工艺比较，省去了清理澄清桶、纤维素预涂过滤器或砂滤器的工作量，大大降低了工人的劳动量。5）占地面积较小，这对于老厂改造项目及新建项目均较有利。6）采用预处理器消除了原盐、卤水中絮状水不溶物、高镁及有机物的影响，并且减缓了操作的波动对后续精制的影响。7）降低了对原盐的质量要求，拓宽了选盐的范围，将给企业带来非常可观的经济回报。8）高质量的盐水，延长了膜的寿命，降低了电耗。2.2.2离子膜电解（含二次盐水及淡盐水脱氯）1）二次盐水离子膜电解对盐水的质量要求高，经薄膜液体过滤工艺精制的一次精盐水还需经过离子交换，进一步降低Ca、Mg等离子含量。离子交换树脂塔有两

22、塔流程和三塔流程之分。本项目采用三塔流程，两台串联操作，一台进行再生。2）电解技术电解工序采用食盐溶液电解制烧碱、氯气和氢气的方法有三种，即水银法、隔膜法和离子膜法。各种方法比较如下：基建投资 表2.1三种电解方法基建投资比较（万吨级） 单位：%离子膜法汞 法隔膜法离子膜法汞 法隔膜法盐 水电 解蒸 发8.855.95.911.863.10.07.348.035.3配 电公害处理合 计9.40.0809.411.295.59.40.0100离子膜法比水银法投资节省约10%15%，比隔膜法节省约15%25%，目前国内离子膜法投资比水银法或隔膜法反而高，其主要原因是离子膜法制碱技术和主要设备及膜均

23、是从国外引进的，因此整个成本高。随着离子膜法制碱技术和装置的国产化率提高，其投资成本将会逐渐降低，并最终会低于水银法隔膜法的投资成本。出槽NaOH浓度早期的离子膜法出槽NaOH浓度为10%20%（wt）,目前出槽NaOH浓度为30%35%（wt），预计今后出槽NaOH浓度将会达到40%50%（wt）；隔膜法的NaOH浓度为10%（wt）左右，浓度低，综合消耗高；水银法的NaOH浓度达到40%50%（wt），但是有水银污染。能耗 表2.2 三种电解方法总能耗离子膜法汞 法隔膜法复极式单极式金属阳极改性膜、扩张阳极、四效蒸发电流密度 hA/m2槽电压 V碱液浓度 平均电流效率 %电解电力（AC）k

24、Wh/t电解电力（DC）kWh/t动力电（AC）kWh/t蒸汽（AC）kWh/t总能耗（AC）kWh/t4.03.3303294952250235022002300100150 250026003.43.232359495225023502200230090120 2460256012.04.5509732803200803033902.153.411949525302450200470 3200注：1t蒸汽（AC）按250kWh/t计由表2.2可知，目前离子膜法制碱直流电耗是22002300kWh/t，同隔膜法电解工艺相比，可节约150250kWh/t，同汞法电解工艺相比，可节约900100

25、0kWh/t。同汞法电解制碱相比，总能耗可节约20%25%（wt），同隔膜法电解制碱相比，总能耗可节约10%15%（wt）。NaOH质量 表2.3 三种方法生产NaOH质量 单位：%（wt）隔膜法汞 法离子膜法隔膜法汞 法离子膜法NaOHNa2CO3NaCl500.091.01.2500.030.003500.040.005NaClO3SO42Fe2O30.050.0150.030.0040.0010.0010.0030.00040.0010.0050.0004 离子膜法电解制碱出槽电解液中一般含NaCl为2035mg/L，50%（wt）成品NaOH中含NaCl一般为4575mg/L，99%（

26、wt）固体NaOH含NaCl100×10-6，可用于合成纤维、医药、水处理及石油化工工业等部门。 氯气、氢气离子膜法电解氯气纯度高达98.5%99%（v）,进槽盐水氯中含氧0.8%1.5%（v），能提高电石法聚氯乙烯和合成盐酸纯度。氯中含氢约在0.1%（v）以下，不仅能保证液氯生产的安全，而且能提高液化效率；离子膜法电解氢气纯度可高达99.9%（v），对合成盐酸和PVC生产提高氯化氢纯度极为有利。污染情况离子膜法电解可以避免水银和石棉对环境的污染。离子膜具有较稳定的化学性能，几乎无污染和毒害。综合比较表2.4三种电解方法综合比较项目隔膜法汞 法离子膜法投资 %能耗 %运转费用 %Na

27、OH浓度 %（wt）50%（wt）碱中含盐 mg/L50%（wt）碱中含汞 mg/LCl2纯度 %（v）氯中含氧 %（v）氯中含氢 %（v）氢气纯度 %（v）100100100102015000无95961.52.00.40.5 98.585100958510510050450.04598.5990.30.399.9857580759585303545无98.5990.81.50.199.9离子膜法电解制碱具有诸多优点，但也存在以下缺点：离子膜法电解制碱对盐水的要求远远高于隔膜法和水银法，因此要增加盐水精制，即增加设备投资费用；离子膜本身的费用也非常昂贵，容易损坏，需精心维护，精心操作。综上所

28、述，由于离子膜法具有节能、产品浓度和纯度高，又无公害，加之投资、运转费用较低，因此采用离子膜法制碱技术。离子膜电解技术又分为复极式和单极式两类。复极式电解槽和单极式电解槽主要特点比较见下表：表2.5复极槽和单极槽的特点比较表槽型项目复极式单极式通电情况小电流、高电压大电流、低电压槽间电流分布均匀欠均匀汇流铜排电槽之间用量较少较多电解槽容量便于加大容量不易电槽占地面积同样规模较小较大电槽组装、折卸较简单较复杂整流效率较高较低电流泄漏较大（可加措施）较小膜利用率较高较低阴、阳极材料均好均好投资较低较高从目前国内采用的离子膜法电解技术看，无论是单极槽还是复极槽，技术上均已成熟、可靠，主要技术指标各有

29、所长，没有绝对优势。从经济角度出发，中等以上规模选用复极槽对整流器选型有利。另外从当前世界离子膜烧碱技术发展看，采用自然循环复极电解槽，高电流密度，大型化是其方向，所以本项目选用北化机自然循环高电流密度复极槽技术。3）淡盐水脱氯离子膜电解槽排出的淡盐水含有游离氯，腐蚀性高，必须脱除游离氯后才能送回一次盐水工序进行重饱和。淡盐水脱氯目前有下述几种方法：压缩空气吹除法机械真空脱氯法空气吹除法是利用鼓风机将大量的空气通入淡盐水中，与淡盐水充分混合接触，破坏气液界面的平衡浓度，使液相溶解的氯气转移到气相中，并由空气带走，从而达到脱氯的目的。此法具有工艺流程短、设备及仪表少、结构简单、脱氯效率高、亚硫酸

30、钠耗量少等优点，但要耗用大量空气并增设吸收装置，产生大量的次氯酸盐副产品，消耗大量的氢氧化钠或氢氧化钙，且得到氯气的浓度低，降低了氯气利用率。因此,该法只适用于生产规模较小、次氯酸盐销路比较有保证的氯碱企业。机械真空法就是以机械真空泵为动力，形成淡盐水脱氯工序的真空系统，根据氯气在盐水中不同压力下溶解度不同的原理，使溶解在盐水中的氯气在减压下逸出，与水蒸气形成混合汽体，借助真空泵将这种混合汽体抽入冷凝器，使水蒸气大部分冷凝成水，氯气则通过真空泵回收利用。用这种方法回收的氯气纯度较高，达到95 %以上,可并入电解槽出来的氯气总管送往氯气处理系统。机械真空脱氯法根据泵的不同又分为机械真空泵脱氯工艺

31、和水环真空泵脱氯工艺，从节能和运行稳定出发，采用能耗较低、操作稳定的水环真空泵作为真空源。脱氯设备又分填料塔、筛板塔和卧式脱氯槽，本项目选用的脱氯塔为填料塔。经真空脱氯后的淡盐水含游离氯50mg/l，然后加亚硫酸钠进行化学脱氯以除净游离氯。2.2.3液氯及包装通常根据氯气压缩机压力的不同，将氯气液化方式分为高压法、中压法和低压法三种。高压法消耗冷冻量少，不需用制冷机，能耗低。但对氯气处理工艺、氯气输送设备的要求较高，增加投资费用。因此国内一般采用中、低压液化方法生产液氯。低压法一般用氨或氟里昂制冷。氨制冷是国内老企业传统性的工艺技术，其设备多，占地面积大，工艺流程长。氟里昂制冷是国内近十几年来

32、多采用的技术，在设备数量、占地面积、能耗方面均优于氨制冷。本项目选择R22作为制冷工作介质，螺杆式压缩机组制冷，氯气经列管式换热器被R22间接冷凝液化的工艺流程，即氟里昂制冷技术。螺杆式压缩机是一种高速回转容积式压缩机，通过工作容积缩小使气体压缩，除两个高速回转的螺杆转子外，无其它运动部件，兼有回转式压缩机和往复式压缩机各自的优点，如体积小、重量轻、运转平稳、易损件少、效率高，单级压缩比大，能量无级调节等优点。选用带经济器补偿的成套机组，经济器为液体过冷器，因此带经济器螺杆压缩机的运行效果相当于双级压缩制冷循环，而与双级压缩制冷循环比，其制冷系统大大简化。液氯包装采用液氯泵直接提压汽化进行包装

33、。2.2.4氯化氢合成及盐酸氯化氢合成一般采用二合一炉直接生产氯化氢气体，一种是老式的铁炉子合成，另外一种是石墨合成炉合成。前者设备投资低，因其是通过热辐射，利用空气将反应热带走的工艺，因而可以节省循环水用量，但是此工艺占地面积大，由于热辐射现场操作环境相当恶劣，已被逐渐淘汰。石墨合成炉生产氯化氢是里面用石墨包住氯化氢燃烧的火焰，外面用循环水冷却，或者通入纯水副产蒸汽，再用循环水冷却到40的工艺。本项目主要以氯化氢气体作聚氯乙烯原料为主，盐酸以自用为目的。即采用二合一石墨合成炉加一段冷却工艺合成氯化氢。2.2.5氯氢处理氯气处理冷却有氯水循环洗涤塔冷却和无氯水循环洗涤冷却和二段钛冷等，在氯水洗

34、涤工艺中氯气杂质少，不宜堵塞管道、除雾装置，不会急速造成泵前真空加大，便于生产平稳运行；氯气干燥有填料塔+泡沫塔，三台或四台填料塔及填料塔+泡罩塔等处理流程。由于填料塔+泡沫塔流程，含水量高（在200ppm以上），达不到透平机要求，只有小规模生产装置还有使用。而三台或四台填料塔工艺流程，其设备多、占地大、投资高。填料塔+泡罩塔流程技术有以下优点： 氯气干燥效率高（可使氯气中含水小于50ppm），因而大大延长了设备操作运行寿命，减少了维修工作量。 设备台数少，整个系统只有1台填料干燥塔、1台泡罩干燥塔、1+1台循环泵、1台板式换热器，与要达到相同效果的三台或四台填料塔相比，少79台设备。因而占地

35、小、投资省、操作简单。中国成达工程公司通过消化吸收并自行开发了高效的填料塔+泡罩塔的氯气干燥技术，该技术现已系列化和大型化。本项目采用氯水循环洗涤、二段钛冷和填料塔+泡罩塔干燥技术。氢气处理工艺由于电解槽出来的氢气温度较高，其中含有大量饱和水蒸汽，同时还带有碱雾等杂质。需经过洗涤和冷却，使其中所带的碱雾被洗涤掉，同时气体温度也得到降低，所含的饱和水蒸汽被冷凝下来，使氢气得到净化。目前国内大多数氯碱厂采用的是生产上水或含碱循环水直接喷淋洗涤冷却的方法，如用生产上水，排水量大，只能在小规模装置使用，如采用含碱循环水，需要单独设置循环水系统，必将增加投资。为此本项目采用生产上水直接喷淋洗涤冷却以节约

36、投资。2.2.6 液碱蒸发（固碱）（1）碱液浓缩碱液浓缩有顺流和逆流之分，也有单效、双效、三效之别，考虑到简化流程设备、简化工艺操作、技术先进可靠、节省投资、成品碱的结构以及能耗与经常费用等综合因素，对于本工程，采用降膜双效逆流蒸发流程。该流程是国外离子膜烧碱蒸发中常被采用的流程。它具有能力大、强度高、工艺操作简单等特点。国内一些企业近年来已相继引进了该流程，并在实际生产中取得了较好的效果。本项目引进使用瑞士博特化工装置有限公司的降膜蒸发装置。（2）固碱固碱生产有大锅法和降膜法两种工艺。传统的大锅法虽有操作简单、成熟可靠等特点而被用于隔膜电解法生产的碱液为原料的固碱生产。但是由于其操作强度大、

37、生产条件恶劣、条件差、不安全、间断生产、能耗高等特点，在国外已被淘汰。另外采用离子膜法电解工艺制得为高纯度的碱液，如使用大锅法还存着产品高纯度碱被污染而变成含多种重金属的固碱，降低了在市场中的竞争力。在七十年代以降膜法生产固碱的技术被开发以来，已广泛用于固碱的生产。降膜法生产固碱的能耗低于大锅法，而且生产环境好、连续生产便于控制。固碱的加工有桶碱、片碱和粒碱三种方法。桶碱包装容易但使用非常麻烦，浪费大量高质量的镀锌铁皮还有被污染的危险。粒碱加工较复杂，投资高、占地大、能耗高，但使用方便，在国外有较好的市场需求。片碱加工方便，投资省，国内大多数固碱的加工采用片碱方法。本项目引进使用瑞士博特化工装

38、置有限公司的片碱装置。2.3氯碱生产设备的选择论证2.3.1一次盐水过滤器薄膜液体过滤工艺主要包括戈尔膜、凯膜、西恩过滤。其中戈尔膜虽具有过滤效果好，操作简便，但是该膜柔韧性较差，在较短时间里会坏掉，而不得不停车进行检修，增加了运行费用，同时还要备用，增加投资费用，否则将影响生产的正常运行；凯膜相对于戈尔膜同样具有过滤效果好，操作简便，比戈尔膜膜柔韧性较好，使用时间长等优点；西恩过滤在其它行业使用较多，去年才在氯碱行业使用，该法过滤效果较好，运行费用低，但是由于使用单位少，技术不是很成熟，故本项目选用凯膜过滤。本项目一次盐水量正常处理为50m3，异常时为60m3；选择HVM膜过滤器(F=100

39、M2)1台。2.3.2螯合树脂塔离子交换树脂塔共有3台，塔内装填有螯合树脂。三台离子交换树脂塔轮回式运转，两台在线运转，剩下的一台离线进行螯合树脂再生。第一台离子交换树脂塔的作用是除去多价阳离子，第二台起保护检查把关作用。离子交换树脂塔每隔24小时进行次自动切换。树脂塔为立式，1500×3400（三台）。2.3.3电解槽进口离子膜技术/电槽与北化机技术/电槽的技术性能比较 离子膜电解槽是离子膜技术的关键设备。目前世界上拥有离子膜法烧碱生产技术的电槽制造商很多，如德国伍德公司、伍德公司和意大利迪诺拉公司合资的伍德诺拉公司、日本的旭化成、日本氯工程公司CEC、英国INEOS公司以及北京化

40、工机械厂从日本旭化成公司引进技术、经消化吸收和改进并在国内生产的北化机电槽等。其中，旭化成、氯工程公司和伍德诺拉公司以其在离子膜电解工艺专利技术、高性能电解槽、稳定的质量、较高的性价比及良好的售后服务，在中国的离子膜烧碱项目中得到了较多的合同项目。 A伍德及伍德诺拉电解槽特点 阳极半壳和阴极半壳以及离子膜组成的“独立单元”设计结构，易于更换电槽，维修时间短，主装好的单元最长存放时间可达2年。 电槽单元的焊接由激光自动焊接，均匀，电流接触好，使用寿命稳定，有益于高电流密度下运行。 电解槽材料使用好，阳极用钛材制成，阴极由镍材制成，使用寿命长。 单元面积2.7 m2，操作电流密度一般为56KA/

41、m2适于高电流密度下运行。 系统设计报警连锁多，安全性考虑周到。 B氯工程公司BiTAC®电槽特点 复极式电解装置，结构简单。 电极波浪式结构，电解液分布和电流分布较均匀，较低的电压降，功率消耗低，高电流密度操作。 操作压力低，溢流式，操作较安全 电解槽材料好，阳极用钛材制成，阴极由镍材制成，使用寿命长。 单元面积3.276 m2，操作电流密度一般56KA/m2适于高电流密度下运行。 C日本旭化成复极NCH型电解槽特点旭化成是世界上唯一能同时向客户提供离子膜法电解技术，以及离子交换膜的公司。 电槽板框为压滤机型（由许多单元槽串联组成），独立组成供电线路。 电解槽操作压力是各家公司中最

42、高的，有益于后工序处理。 电解槽材料好，阳极用钛材制成，阴极由镍材制成，使用寿命长。 单元面积 2.7m2，适于的电流密度 4.55.5KA/m2。 D北化机电解槽从1984年开始，北京化工机械厂在国家计委批准下，先后引进了日本旭化成和旭硝子公司的离子膜电槽制造技术，采用国外进口材料配套制造离子膜电解槽，日前已发展到离子膜电解槽可全部进行国产化设计制造阶段。该厂氯碱装备设计研究所自行开发、设计的第一套MBC-2.7型复极式离子膜电槽，于1993年7月在沧州投入运行，经过多年来不断的改进和完善技术水平得以提高，特别是近23年通过引进日本旭化成的高电流密度自然循环复极式电解槽制造技术，生产出的电槽

43、已接近国际先进水平，适于的电流密度为4.5KA/m2。EINEOS电解槽特点 槽电压较低，电耗低：每个单元槽具有512个十字导电爪，电流分布均匀。 电解槽材料使用好，镍材多，钛材少，其电耗及维修费用低。 电流效率高，离子膜寿命长。电槽阴极室内部设有挡板，以增强电解液的混合，完全浸润的离子膜，能充分利用膜的有效面积。 电解槽操作简单，停车时间少。其单元槽采用螺栓紧固，单元槽之间压紧要求不严，只要求保证通电，每个单元槽的密封都是单独的，膜更换时间短。 单元面积2.895 m2，操作电流密度一般为56KA/ m2适于高电流密度下运行。 上述各家电槽技术各有特点，没有绝对优势，考虑国产化的优点。选择北

44、化机生产的自然循环高电流密度复极槽ZMBCH-2.7型2台。2.3.4氯气、氢气泵对于氯气压缩，如引进国外氯压机，运行好，但价格昂贵，维护、维修要求高；采用国产(如锦化机、杭州振兴等)的透平机，运行效果较好，从投资看，费用比国外低约40%，本项目采用杭州振兴LYJ-2000/0.36型一台透平机即可，无需备机。氢气泵选用滨海制造的YLJ-2000/0.45型一台即可。2.3.5氯化氢合成炉氯化氢合成炉主要有钢制合成炉，石墨合成炉。钢制合成炉投资低，但是占地大，操作环境相当恶劣；石墨合成炉生产氯化氢投资较高，但操作条件好，同时很好地利用了热源。本项目采用“二合一”石墨合成炉，开一备一。高纯盐酸工

45、艺高纯盐酸的生产方法有两种，即三合一工艺和二合一工艺。考虑本项目高纯盐酸主要以装置自用为目的，为节省建设投资，本项目采用三合一合成炉，开一备一。 2.3.6液碱蒸发及固碱装置本工程液碱蒸发及固碱引进使用瑞士博特化工装置有限公司（Bertrams Chemical Plants Ltd）的降膜蒸发装置。2.4工艺操作条件的确定阴极液NaOH浓度随着阴极室中NaOH浓度的升高，阴极一侧的膜的含水率减少，固定离子浓度增大，因此电流效率随之增加，但是随着NaOH浓度的继续升高，膜中OH-浓度增大，当NaOH浓度超过35-36%以后，膜中OH-浓度增大的影响起决定作用，使电流效率明显下降。阴极液中NaO

46、H浓度与电流效率的关系存在一个极大值和极小值，这一现象不仅存在于全氟磺酸膜中，而且也存在于全氟羧酸膜中。交换容量越高的膜，电流效率的极大值也越偏向于高浓度一侧，这样的膜比较适合于制取高NaOH浓度。要在制取高浓度时获得高的电流效率，就必须提高膜中离子交换基团的活度（R-）m值，亦即必须采用高交换容量和低含水率的膜。但是交换容量提高之后，膜的结晶性将变坏，膨胀和收缩也增大。为了获得较高的电流效率，对不同的制碱浓度要使用不同交换容量的膜。例如，旭哨子的Flemion430膜，其IEC1.20mmol/g，该膜用于制造2228%的NaOH时，可以得到较高的电流效率，但是在高的碱浓区，其电流效率下降；

47、与其相对应，Flemion230膜，其IEC1.44mmol/g，用于35制造%左右浓度的NaOH时，可以得到较高的电流效率，而用于制造浓度低浓度的NaOH时，其电流效率反而下降。膜的电阻率随NaOH浓度的提高而增加，使槽电压上升。阴极液电阻随其浓度增加而上升，故亦使槽电压升高。在高浓度NaOH及低槽温长期运转对膜的性能影响很大。在长期处于低温下运转时，羧酸层中的COO-会与Na+形成COONa而使离子交换难以进行，或导致离子交换容量下降而使膜的性能恶化。由于膜的阴极一侧脱水而使膜的微观结构遭到不可逆的改变，导致膜对OH-反渗的阻挡作用下降，而且膜的电流效率下降后将再难以恢复到以前的水平。因此

48、电解的操作温度不能低于70。因此，长期稳定地控制NaOH最佳浓度是非常重要的。目前离子膜电解槽出口碱液NaOH浓度控制范围因膜的种类而有所差别。旭化成膜为30-33%，旭哨子膜为32-35%，杜邦膜为32-33%。阳极液NaCl浓度阳极液中NaCl浓度对电流效率的影响随淡盐水浓度的降低，电流效率也下降，这是由于淡盐水浓度的降低，将使膜中含水率W增高，导致OH-反渗速度增加，使电流效率下降。如果长时间地在低的NaCl浓度下运转，会使膜发生膨胀，严重时导致起泡、分层，出现针孔而使膜遭到破坏。双层复合膜比较容易产生水泡，但可以提高膜的性能。在双层复合膜的磺酸羧酸交界面上，适当地降低羧酸含有量的梯度，

49、可以较为有效地防止膜中水泡的产生。目前离子膜电解槽出口阳极液NaCl浓度，强制循环一般控制在190200g/l，自然循环一般控制在200-220g/l。电流密度A、电流密度在很大范围内变化对电流效率影响都很小，这一点具有很大的实际意义，使电解槽可以有很大的操作弹性。当然在实际生产中，要随电流负荷的改变及时调整工艺控制指标，一般都采用微机自动控制。B、膜的电压降直接受到电流密度的影响。一般来说，膜的电压降应正比于电流密度，并呈线性关系。电流密度不仅影响膜的电压降，而且还会影响气泡效应，影响阳极和阴极的过电压，影响溶液及导体电压降，总的效果是，随电流密度的升高，槽电压也逐渐升高。C、随电流密度的升

50、高，膜电阻及膜电位也随之上升，电场对氯离子的吸引力也会随之增加，从而使氯向阴极一侧的移动增加了困难。离子膜电解槽电流密度为4.5KA/m2。阳极液PH值阴极液中OH-通过离子膜向阳极室反渗，不仅直接降低阴极电流效率，而且反渗到阳极室的OH-还会与溶解于盐水中的氯发生一系列副反应。这些反应导致阳极上析氯的消耗，使阳极效率下降。采取向阳极液中添加盐酸的方法，可以将反渗过来的OH-与HCl反应除去，从而提高阳极电流效率。当今工业化离子膜，绝大多数是全氟磺酸和全氟羧酸复合膜。全氟羧酸在有COO-Na+存在的情况下，具有优良的性能，如果羧酸基变为COOH型，它就不能作为离子膜工作了，因此必须使阳极液PH

51、值高于一定值，否则膜内部就要因发生水泡而受到破坏，使膜的电阻上升，电解槽电压就要急剧升高。因此，阳极液加酸不能过量且要均匀，严格控制阳极液的PH值不低于2，最好采用联锁装置，当盐水停止或电源中断时，盐酸立即自动停止加入。采取向阳极液中添加盐酸的方法，可以将反渗过来的OH-与HCl反应除去，不仅可提高阳极电流效率，而且可降低氯中含氧和阳极液氯酸盐含量。电解槽加酸，氯中含氧1%，不仅可以满足氧氯法生产PVC的需要，而且还能延长阳极涂层的寿命。离子膜电解槽对出槽阳极液PH值进行控制，电解槽加酸一般PH值为23，电解槽不加酸一般PH值为35。电解液的温度每一种离子膜都有一个最佳操作温度范围，在这一范围

52、内，温度的上升会使离子膜阴极一侧的孔隙增大，使钠离子迁移娄增多，有助于电流效率的提高，每一种电流密度下都有一个取得最佳效率的温度点。但是，当电解温度降到65以下时，电流效率下降很迅速，以后即使温度再上升，电流效率也难以恢复到原来的位置上。温度上升，将使膜的孔隙增大，有助于提高膜的导电度，从而可以降低槽电压。离子膜电解槽出口阴极液的温度一般控制为85-90，各类不同电解槽温度控制稍有差别，但开动电流密度不同，温度控制差别很大。电解液流量在一般离子膜电解槽中，气泡效应对槽电压的影响是明显的。当电解液循环量减少时，槽内的液体中气体率将增加，气泡在膜上及电极上的附着量也将增加，从而导致槽电压上升。无论

53、是单极槽自然循环，还是复极槽自然循环，虽然进槽电解液流量很小，但电解液循环量还是很大的。另外，电解过程中产生的热量，主要由电解液带走，因此必须保持电解液有充分的流动，除去多余的热量，将电解液温度控制在一定的水平。以1万t/a计，强制循环阴、阳极流量皆为3295m3/h，部分强制循环阴极液流量为20 m3/h，阳极液自然循环流量为1114 m3/h。电解槽压力和压差增加电解槽压力，电解液中气体体积缩小，因气泡发生而引起的电解液电阻下降，电解槽电压降低。但电解槽压力过大，对其强度要求也就高了，并易漏，因此电解槽气体压力应控制在一定范围内。电解槽正压差比负压差降低槽压大，主要因为阳极液电导率远远小于

54、阴极液电导率。若正压差过大，将会使阳极永久变形，极距增大，电压上升，而且易损坏膜；若正压差过小，不仅易使槽电压上升，而且使压差波动，膜因振动而使膜受到损伤。在开停车，特别是紧急停车时，操作不当或设备有问题，最易出现负压差，不仅使槽电压上升，而且使平时贴向阳极一边的膜反移贴向阴极，阴极表面铁锈（磁粉）和其它沉淀物，不仅污染膜，而且易使膜因移动而受到损坏。强制循环复极电解槽压差是电解槽操作之关键。压差的变化，频繁的波动，会使离子膜同电极反复摩擦受到机械损伤，特别是离子膜已经有皱纹时，就容易在膜上产生裂纹，因此除了电极表面要做得光滑，而且还要阴极室的压力大于阳极室的压力，使膜紧贴阳极，同时要自动调节阴极室和阳极室的压差，使其保持在一定范围内，以防止膜颤动而造成损伤。2.5物料、能量衡算2.5.1物料衡算2.5.1.1一次盐水1、计算依据：（1）以年产4万吨100%离子膜烧碱，年运行时间为8000小时计，则每小时生产5吨100%离子膜烧碱为计算基准，一次盐水精制采用烧碱-纯碱法。（2）原盐的组成NaClC195.5%CaCl2C20.2%MgCl2C30.2%MgSO4C40.3%Na2SO4C50.1%水不溶物C60.2%水分C73.5%（3）回收盐水的组成及数量G24.8×5=24m3/t·100%NaOH其中：NaClX1210g/LNaO