重庆天原化工有限公司离子膜电解培训教材重庆天原化工有限公司离子膜电解工序培训教材编写：审核：重庆天原化工有限公司二○○六年十月第一章 概 述第一节 电解槽介绍一、电槽规格1 类型 ： BiTAC®-8882 离子膜类型 ： Flemion“ 8020”（F8020）3 单元槽数量 ： 884 阳极有效面积 ： 3.276 m2 × 885 阳极 ： DSA®6 阴极 ： 活性阴极7 额定电流 ： 14.795 kA (Max最大.17.8 kA)8 额定电流密度 ： 4.516 kA/m2 (Max. 5.4 kA/m2)9 重量（净重） ： 大约22.5 吨/槽10 重量（运行重量） ： 大约39.7 吨/槽11 电解槽数量 ： 4 台二、结构BiTAC®-888由一个阳极端框、87个中框和一个阴极端框通过一套拉杆组合而成在阳极使和阴极室间装备88张离子膜，以及特殊的垫片见如下插图BiTAC®槽容易并且能快速装配和解体，这是因为电解槽部件少，重量较轻三、电解槽电回路4台套BiTAC®-888型离子膜电解槽和4个独立的回路。
4台电解槽设计成一个电解槽回路，按4行布置，通过母排连接到一台整流变压器上，该整流变压器可提供用于电化学反应的直流电来自整流器正极的电流通过电解槽阳极端框、中框和阴极端框回到整流器的负极电解槽回路和地面作电气隔离，避免电流漂移每台电解槽安装在侧梁上,单元槽支架和侧梁间用特氟隆制垫片隔离此外，在侧梁上还安装有4个绝缘垫，确保和大地的绝缘在电解槽回路上有88个单元槽，整流器正负极接线端子的直流电额定电位差为280V，来自整流器正极侧的DC(直流)接线端子的电流和大地间的电位差为140 V，电流到达下一个单元槽，与大地的电位差降低，在回路的中性点，电压为0，然后电位开始递减，在整流器DC(直流)接线端子的负极为负140V回路的中性点可能会漂移，因为每台单元槽有一个单元电位差四、电解槽的特性在装置中，离子膜电解槽是关键设备，采用CEC（氯工程公司）新型的BiTAC®电解槽1、 能耗低2、 高电流密度运行3、 原料盐水添加HC14、 方便的维护5、 电解槽的耐用材料6、 溢流形式对于BiTAC®电解槽，在每个中框的上方设置了分离空间，气体和电解液在其中被分离，以较低压力波动的溢流方式从单元室流出。
因此，需维持每个单元槽上部空间阳极液和阴极液的液位，并且离子膜不得暴露在气相中7、 流体可视8、 上部电解液的分布均匀9、 防止漏电的措施BiTAC®采用特殊设计的树脂制成的分歧管，防止漏电，特氟隆制的原料管较长单元槽厂房内电解液总管采用了电腐蚀防护，并作最佳设计第二节 生产原理一、概述本装置采用了日本CEC公司的BiTAC®888高电密自然循环复极式电解槽，界区包括过滤盐水二次精制、电解和脱氯等工序盐水的二次精制采用三塔运行工艺，切换和再生由现场PLC控制盘实行自动控制电解槽采用的离子膜为日本旭硝子8020磺酸羧酸复合膜，具有槽电压低、适应高电流密度运行（达到6.0KA/m2）的特点，电解槽采用了独特的结构，波纹状的阴阳极室，将常见的隔板和导电筋板结合在一起，改善了电解槽内部的循环，保证了电解液浓度的均匀脱氯工序采用了真空脱氯＋化学脱氯的工艺，脱氯及氯酸盐分解所产生的氯气进入氯气总管二、基本原理（一）盐水二次精制原理由于过滤盐水中还含有少量的金属阳离子如Ca２+ 、Mg２+等，会沉积于膜表面或内部，堵塞离子膜的交换通道，造成槽电压上升，电流效率下降，因此，必须对过滤盐水进行二次精制，除去金属离子，满足离子膜电解槽的要求。
盐水的二次精制采用了螯合树脂吸附的方法，螯合树脂结构为苯乙烯—二乙烯基苯共聚物作为母体的氨基磷酸基官能团、亚胺基乙酸、亚胺二乙酸基、胺基磷酸型等，苯乙烯—二乙烯基苯共聚物作为母体的氨基磷酸基官能团它的堆比重0.1—0.3g/ml，总容量1.3N/l，其化学式为：RCH2NHCH2PO3Na2，树脂中的钠易被金属离子特别是二价阳离子所取代，难易程度顺序为 Cu２+＞Pb２+＞Zn２+＞Ca２+＞Mg２+＞Ni２+＞Ba２+＞Na+例如2 RCH2NHCH2PO3Na2+ Ca2+→（RCH2NHCH2PO3）2 Ca Na2+2 Na+螯合树脂吸附阳离子后可以用盐酸及烧碱再生，再生方法是将盐酸用脱盐水稀释至4%后送入树脂塔再生，达到再生时间后，用脱盐水冲冼，分析再生合格后，再用5%NaOH再生，目的是使树脂转型，方法与酸相同其反应方程式如下：（RCH2NHCH2PO3）2 Ca Na2+4HCl→2 RCH2NHCH2PO3 H2+CaCl2+2NaClRCH2NHCH2PO3 H2+2NaOH→RCH2NHCH2PO3Na2+2H2O三塔运行的模式，即二塔串联运行，在运行一定时间后，主塔离线进行再生。
三塔运行顺序如下：时间 第一塔 第二塔 再生塔（脱机）0—24 T—1501A T—1501B T—1501C 24—48 T—1501B T—1501C T—1501A 48—72 T—1501C T—1501A T—1501B 72—96 T—1501A T—1501B T—1501C （二）电解基本原理在一台离子交换膜电解槽中，超纯盐水发生下列主要的电化学反应来生成烧碱（NaOH）1、在阳极室，氯化钠在盐水中离解以离子状态存在，反应方程式如下：NaC1 →Na+ + C1-阳极主要的反应是阴离子Cl- 氧化成气态的Cl2 2C1- →C12 + 2e阳极室的阳离子Na+携带部分水通过离子交换膜到达阴极室2、阴极室中的水被电解，阴极的主要反应是阳离子H+还原生成了产品H2，同时生成氢氧根离子，钠离子Na+ 和OH-结合生成NaOH。
反应方程式如下：2H2O + 2e → H2 + 2OH-Na+ + OH-→ NaOH3、总的电化学反应方程式为：2NaCl + 2H2O →2NaOH + Cl2 ↑+ H2↑离子膜电解采用了磺酸羧酸复合膜，离子交换膜的膜体中有活性基团，由带负电荷的固定离子如SO3-、COO-，与一个带正电荷的对Na+形成静电健由于磺酸基团具有亲水性，能使离子膜在溶液中溶胀，膜体结构变松，形成许多细微弯曲的通道，使其活性基团中的对Na+可以与水溶液中的同电荷的Na+进行交换同时膜中的活性基团中固定离子具有排斥Cl-和OH-的特性，从而制成高纯度的氢氧化钠溶液在运行期间，阳极液中会有部分Cl-离子通过离子交换膜渗透到阴极室，生成少量的盐通常情况下，离子膜的电流效率较低，阴极室生成的盐就会较高在电解期间，由于电场的作用，OH-从阴极室反迁移到阳极室，电解槽电流效率降低，阳极和阴极的效率都会降低，直接损失OH-在循环NaOH管道中加入脱盐水，以调节阴极室的烧碱液浓度从阳极中放出含有Cl2的淡盐水从阴极室中放出含有H2的成品烧碱液用脱盐水稀释循环烧碱液，然后返回进入阴极室由于阴极液OH-浓度升高，电流效率会降低，因此，成品NaOH的浓度是有限度的，根据采用的离子膜类型，一般为32 ～ 35 wt%。
新安装的离子膜允许携带少量OH- 和Cl-的Na+通过，但是，随着离子膜运行时间的增长，离子膜会出现老化，阴离子通过离子膜泄漏量将增加，引起电流效率下降和阳极液PH升高，见下列电极反应方程式1） H2O被氧化生成氧气H2O→1/2 O2(g) + 2H+ + 2e-4、电解过程主要付反应（1）氯气不分解C12(g) ↔ C12(aq) Eq. (1)（2）游离氯在水中离解C12(aq) + H2O↔ HClO (aq) + H+ + Cl- Eq. (2)（3）次氯酸的离解HClO (aq)↔ ClO- + H+ Eq. (3)（4）反应式 (2) 和 (3)相加C12(aq) + H2O↔2H+ + C1O- +C1- Eq. (4)（5） C1O3-的产生2HClO (aq) + OCl- ↔ClO3- + 2H+ + 2Cl- Eq. (5)（6）反应式 (4) 和 (5)相加3C12(aq) + 3H2O ↔C1O3- + 6H+ + 5C1- Eq. (6)（7） H+和阴极室反迁移过来的OH-发生中和反应H++OH-→ H2O（8）超纯盐水中的碳酸钠和阳极液中的H+作用，生成盐和二氧化碳，可能会影响氯气的纯度。
Na2CO3 + 2HC1 →2NaC1 + H2O + CO2NaHCO3 + HC1 →NaC1 + H2O+ CO2在阳极室生成氯气的电流效率为92.5 -97%时，正常的烧碱阴极电流效率为94 ~ 97%在阴极室生成氢气的电流效率一般接近100％当氯气和氢气分别在阳极室和阴极室产生时，Gibbs（吉布斯）自由能转变为电极反应，作用于电极，离子交换膜的分解电压降如下：名 称电压（V）分解2.25液体接触0.06阳极过电压0.04阴极过电压0.13离子膜0.33溶液0.02气泡效应＋结构0.23电阻降总电压3.06在 4.0 kA/m2, 90℃, 32 wt% NaOH当电解槽新装配后，上述总电压显示的是阳极和阴极接线端子间的电压引起电压降损失的电压消耗如下：（1） 阳极活性衰减（2） 阴极活性衰减（3） 阳极表面被超纯盐水中的杂质覆盖（4） 因为超纯盐水杂质的污染，离子膜电阻增大（5） 产生的氧使电流效率下降（三）脱氯及氯酸盐分解基本原理1、淡盐水脱氯本装置采用真空脱氯加化学处理的工艺从离子膜电解槽出来的淡盐水含有游离氯，以二种形式存在一部分是溶解氯，其溶解量与淡盐水的温度、浓度、溶液上部的气相分压有关。
另一部分是阴极室OH-返迁移到阳极室进行副反应消耗的氯，其反应量与返迁移OH- 浓度有关，电流效率越低，返迁移的OH- 越多，生成的ClO-也越多在进脱氯塔前加入一定量的盐酸，利用同离子效应的原理，使平衡向有利于氯气解析出来的方向移动，解析出来的氯气用脱氯真空泵抽出并入氯气总管，反应方程式为：经过真空脱氯后的淡盐水仍含有少量的氯气，这些残余的氯气用亚硫酸钠和少量的碱进行中和，反应方程式为：2、氯酸盐分解盐水在电解过程中会产生氯酸盐(NaClO3)，它是电解生产中不允许的副产物氯酸盐产生的速率受电解槽运行的电流效率影响原料盐水含NaClO3过高对离子膜性能会产生危害因此，原料盐水NaClO3的含量一般控制在20 g/l以下装置中氯酸盐分解过程按照下。