化工毕业设计离子膜法制烧碱课程设计(编辑修改稿)

化工毕业设计离子膜法制烧碱课程设计(编辑修改稿)内容摘要：

种型号规格的离子膜电解槽数十种。 至今个别地区仍在重复引进，而我国国产化离子膜电解槽已基本达到国际先进水平。 氯碱工业的特点除原料易得、生产流程较短外，主要还有三个突出问题 : 攀枝花学院专科毕业设计 1 概述 3 （ 1）．能源消耗大 氯碱生产的耗电量仅次于电解法生产铝．按照目前国内生产水平，每生产 1吨 100％烧碱需耗电 2580 度，耗汽 5吨，总能耗折标准煤为 吨。 1988 年我国氯碱工业用电量占全国总发电量的 ％。 因此，电力供应情况和电价对氯碱产品的生产成本影响很大。 重视选用先进工艺，提高电解槽的电、能效率和碱液蒸发热能的利用率，以降低烧减的电耗和蒸汽消耗，始终是氯减生产企业的一项核心工作 [3]。 （ 2）．氯与碱的平衡 电解食盐水溶液时，按固定质量比例 (1:)同时产出烧碱和氯气两种产品。 在一个国家和地区，对烧碱和氯气的需求量不一定符合这一比例。 因此就出现了烧碱和氯气的供需平衡问题。 氯与 碱的平衡是氯碱工业发展的关键，在 20世纪 80 年代，是以碱定氯，通常把氯气作为生产烧碱的副产品；而到了 20 世纪 90 年代，由于氯产品的应用越来越广泛，氯碱工业逐步发展为以氯定碱，烧碱逐渐被一些业内人士称为副产品了。 近十几年来由于我国氯碱工业的盲目扩建，使烧碱产能增长过快，而下游相关产业发展滞后，氯与碱的需求不平衡问题越来越突显。 在一定情况下，发展中国家在工业发展初期用氯量较少。 由于氯气不宜长途运输，所以总是以氯气的需要量来决定烧碱的产量，因此往往会出现烧减短缺现象。 在石油化工和基本有机原料发展较快的国家和地 区，氯的用量就较大，因此就出现烧碱过剩。 总之烧碱和氯气的平衡始终是氯碱工业发展中的一个恒定的矛盾 [4]。 （ 3）．腐蚀和污染 氯碱产品如烧碱、盐酸等均具有强腐蚀性，在生产过程中使用的原材料如石棉、汞和所产生的含氯废气都可能对环境造成污染，因此防止腐蚀和三废处理也一直是氯碱工业的努力方向 [5]。 选择正确的防腐材料 ,选择有资格 ,有经验的施工单位 ,不但可以确保良好的施工质量 ,起到应有的防腐效果 ,从而大大延长设备的使用寿命 ,为企业降低生产成本和维修费用 ,创造更大的利润 .这也是防腐专业人员的价值所在 [6]。 食盐电解联产的烧碱、氯气和氢气，在国民经济的所有部门均很需要，除应用于化学工业本身外，在轻工、纺织、石油化工、有色金属冶炼和公用事业等方面均有很大用途，作为基本化工原料的 “ 三酸二碱 ” 中，盐酸、烧碱就占其中两种，而且氯气和氢气还可进一步加工成许多化工产品。 所以氯碱工业及相关产品几乎涉及到国民经济及人民生活的各个领域 [7]。 烧碱是基本化工原料之一，它的主要用途最早从制造肥皂开始，后来逐渐用攀枝花学院专科毕业设计 1 概述 4 于造纸、纺织、印染等工业。 六十年代后，随着石油化工的发展，进一步扩大了烧碱的用途。 因 此，烧碱在国民经济中占有重要地位。 烧碱在棉纤维的纺织、印染中，主要用作棉布的退浆剂、煮炼剂和丝光剂。 在生产：粕波纤维时，需用烧碱处理含纤维素的原料，将其中的半纤维索、本质素除去。 每生产 1吨粘胶纤维需要高纯烧碱 1吨左右。 生产 1吨肥皂约需要烧碱180kg， 1 吨合成洗涤剂则需要烧碱 150 公斤左右。 在制皂工业中，烧碱是制造肥皂、合成洗涤剂的原料。 在造纸工业上，烧减的用量亦很大，在我国约占全年产量的三分之一左右。 中国氯碱工业始于 20世纪 20年代末。 1949 年前，烧碱平均年产量仅 15kt，氯产品仅盐酸、漂白粉、液氯等少数品种。 1949 年后，在提高设备生产能力的基础上，对电解技术和配套设备进行了一系列改进。 50 年代初，建成第一套水银电解槽，开始生产高纯度烧碱。 不久，又研制成功立式吸附隔膜电解槽，并在全国推广应用。 50 年代后期，新建长寿、株洲、北京、葛店等十多个氯碱企业及其他小型氯碱厂，到 60 年代全国氯碱企业增至 44 个。 70 年代初，氯碱工业中阳极材料进行了重大革新，开始在隔膜槽和水银槽中用金属阳极取代石墨阳极。 80年代初，建成年产 100kt 烧碱的 47－ Ⅱ 型金属阳极隔膜电解槽系列及其配套设备。 至此，全国金属阳极电解槽年生产能力达 800kt 碱，约占生产总量的1/3。 在此期间，氯碱工业中的整流设备、碱液蒸发，以及氯气加工、三废处理等工艺也都先后进行了改革。 1983 年烧碱产量为 2123kt，仅次于美国、联邦德国、日本、苏联。 氯碱工业，在我国国民经济中占有重要的地位。 然而近年来，由于市场的竞争日益激烈，我国各氯碱企业为了提高自身的竞争力，纷纷扩大烧碱装置规模，从 1999 年开始，掀起了一轮烧碱扩建高潮，到 20xx 年其生产能力已从 1998 年的 6 860 kt/a 增至 8 000 kt/a，目前我国烧碱的总生 产能力已经达到 8 620 kt/a，居世界第 2 位。 如此快速的增长，使国内烧碱市场趋于饱和状态，而且这种扩建热潮目前还在继续，齐鲁石化公司氯碱厂正在扩建的 200 kt/a 的离子膜装置，上海氯碱化工股份有限公司计划再建 400 kt/a 的装置，其他的一些厂家的计划项目估计还有 700 kt/a, 如果这些计划项目得以实施，我国的烧碱生产能力将达到近 10 000 kt/a。 随着生产能力的不断增加，近年来烧碱的产量也不断增加， 20xx 年全国烧碱产量达 8 089 kt，为历史最高纪录，与20xx 年的 7 kt相 比，增长幅度为 %。 目前烧碱的生产方法几乎全部采用电解食盐水的方法，这样，每生产 1 t 烧碱则联产 t 氯气。 20xx 年在生产烧碱的同时，产出氯气 6 280 kt； 20xx 年则同时产出氯气 7 120 kt。 随着离子膜法新装置的建成，造成严重环境污染的水银法已停止生产，苛化攀枝花学院专科毕业设计 1 概述 5 法的产量也相当少，我国目前烧碱的主要生产方法是隔膜法和离子膜法。 我国氯碱产业目前正处于成长期向成熟期过渡的阶段，其主要特点是产业增长速度将有所减慢，技术趋于成熟，产品差异化程度较低，行业进入门槛降低 ,电力、煤炭、制盐、塑料加工 等行业的企业开始大量介入。 今后几年，国内氯碱产业的市场竞争将进一步加剧 ,成本竞争将成为最主要的竞争方式。 我国氯碱产业通过这一轮高速发展 ,形成了较为雄厚的产业基础 ,呈现出向大规模、集约化方向发年 ,全国烧碱企业平均产能约七万展的趋势。 20xx 吨 ,预计到 20xx 年将达 10 万吨以上 ,重点企业烧碱产能将向 20 万～ 30 万吨发展。 氯碱产业是基本化工原材料产业，其主要产品烧碱、氯气和氢气 ,广泛应用于轻工、化工、纺织、建材、国防、冶金等各个领域。 目前发达国家氯碱产品人均消费量约 25～ 30kg/a ，而我国仅为 ～ 有很大的发展潜力。 但也应看到，目前国内氯碱产业的发展存在一定程度的过热和无序，今后一段时期将可能出现较为激烈的竞争局面。 今后，原料和能源供应仍将成为影响我国氯碱产业发展的重要因素。 原盐将从供应充裕转为供应相对不足，卤水和进口盐使用量将显著增加，盐碱联合将成为发展趋势；乙烯供应仍将成为制约我国 PVC 发展的主要因素之一；电石将成为比乙烯更为重要的氯碱原料，在山西、内蒙古、宁夏、陕西等西部地区，由于有丰富的煤炭、石灰石资源，且能源供应价格便宜，电石法 PVC 和烧碱项目将有明 显的竞争优势。 氯碱产业属高耗能产业，电力成本占总成本的百分之六十左右。 近几年，我国大范围的电力紧张和电价上涨，直接影响了氯碱产业的经济效益。 采用热电联产可充分利用能源，大大降低氯碱产品生产成本。 此外，氯碱企业与电力企业建立战略联盟 ,实施点对点的直供电，也可有效降低氯碱生产成本。 今后，以热电联产和直供电为主要方式的电 碱联合将成为氯碱产业的重要发展趋势。 未来我国氯碱行业的产业格局应当是以区域性、功能型企业集团为主体的市场竞争格局，届时两种类型的企业在市场上将具有竞争力。 一种类型是同时拥有生产原料优势、生产 成本优势的企业，发展成为产业链一体化的大型生产型氯碱企业；另一种类型是处于具有特殊资源地区的企业，如贴近最大的消费市场 ,或紧靠大型港口，以发展服务型业务为主，掌握一定的国际国内流通市场的话语权。 从长远看，随着电力、盐业体制改革深入，我国氯碱产业的资源优势将会逐步显现出来。 同时 ,国内氯碱企业将更多地关注上游产业，优化配置资源，上下游一体化，形成合理的产业链 ,提高核心竞争力。 碱电联合、碱盐联合将成为发展趋势，有条件的企业甚至可以采取煤、盐 电 碱 塑料加工及建材的大联合模式 [8]。 攀枝花学院专科毕业设计 1 概述 6 发展循环经济，提高资源利用 率，是实施可持续发展战略的重要途径。 其基本特征就是低消耗，低排放，高效率，是对大量生产，大量消费，大量废弃的传统增长模式的根本变革。 近年来，化工企业在推动国民经济切实走新型工业化道路 ,坚持节约发展，清洁发展，安全发展等方面发挥了核心作用。 在生产中运用减量，再利用，再循环的基本原则，成为实现循环经济可持续发展的主要动力 [9]。 烧碱的生产 隔膜法制碱可分为普通隔膜和改性隔膜。 普通隔膜存在隔膜厚、隔膜电阻高、运行寿命短、易溶胀、易出现氯中氢含量高、抗运行条件变化能力差、 安全性能差等缺点；改性隔膜因添加了改性剂，其性能得到很大改善。 常用改性剂有乳液和纤维等品种。 目前国内使用的改性隔膜大部分是聚四氟乙烯乳液法改性隔膜。 隔膜法的特点是用多孔渗透性的隔膜把阳极室和阴极室隔开，隔膜能阻止气体通过，这就阻止了阳极产物与阴极产物混合，但能让水和离子通过。 这样既能防止阴极产生氢气和阳极产生的氯气相混合而引起爆炸，又能避免氯气与氢氧化钠反应生成次氯酸钠，而影响烧碱的质量。 隔膜法的缺点在于投资和能耗较高，产品烧碱中会含有食盐。 水银法所用的电解槽由电解室和解汞室组成。 它的特点是以汞为阴极， Na+得到电子生成液态的钠和汞的合金，在解汞室中，这种合金与水作用生成氢氧化钠和氢气，析出的汞又送回电解室循环使用。 水银法制碱的特点是碱液浓度高，质量好，成本低，因此获得广泛应用，但这种方法最大的缺点是酿成汞对环境的污染。 因此，此法已逐渐减少使用。 隔膜法和水银法电解所用阳极以前一直采用石墨，它的缺点是消耗快，耗电多。 1965 年，发明了在钛表面涂钛、钌等氧化物涂层的金属阳极，这种金属阳极降低了电耗，而且电流密度可成倍增长，使电解产量大幅度增加。 离子交换膜法是新开发出的方法，这 种方法用有选择性的离子交换膜将阳极室和阴极室隔开，能够得到高纯度的烧碱溶液。 离子膜法在电能消耗、建设费用、产品质量和解决环境污染方面都比隔膜法和水银法优越，被公认是现代氯碱工业的发展方向。 近几年来，国内氯碱企业普遍进行了以离子膜烧碱为中心的技术改造，电气部门配合电解新工艺重新布局，引入了一系列的新技术新设备，从而提高了整流装置的技术档次和电气综合自动化水平。 但在整流装置的设计中也存在一些问题 [11]。 电解工序综合能耗约占烧碱总能耗的 53. 2%,电耗约占烧碱电耗的90%[12]。 因此先进的电解节能技术就显得 犹为的重要。 攀枝花学院专科毕业设计 1 概述 7 2Cl （ 1）．基本原理 离子交换膜 (IEM 或 IM)是对溶液中离子有选择性透过的高分子材料膜。 氯碱电解槽选用的是阳离子交换膜，它能使阳离子 (Na+)通过，而排斥带负电的阴离子 (Cl175。 )。 离子交换膜电解与普通隔膜电解的比较示于图 11。 Cl175。 不能透过离子交换膜 ,阴极室得到的是不含 NaCl、高纯度的烧碱溶液 [13]。 目前工业采用的离子交换膜有全氟磺酸型和全氟羧酸型阳离子交换树脂。 对离子交换膜的工艺要求是：化学稳定性好，能够耐 C1 ClO175。 和酸碱腐蚀；机械稳定性好，保持尺寸稳定和膜面平整阳离子选择 透过性好，能透过 Na175。 和 H3O＋，阻止 Cl175。 进入阴极室，对 OH175。 进入阳极室也起一定阻止作用；膜电阻低 [14]。 H2 图 11 离子膜电解示意图 （ 2）．离子膜电解槽 工业化的离子膜电解槽是由多个单元组装而成的 [15]。 根据单元的结构不同，分为单极式和复极式 (双极式 )。 单极式是将阳极和阴极各自组成可拆卸的单元，如同板框压滤机中板和框一样，将 “ 阴极 框 膜 框 阳极 框 ” 顺序组装而成离子膜电解槽，各单元可用并联或串联组成一组电 解槽。 单极式电解槽各单元间要用导线联接，耗用材料多，电阻大。 复极式电解槽按 “ 阴极 空间 厢板 空间 阳极 ” 组成一个单元。 组装时。