旭化成离子膜烧碱工艺的控制方案

旭化成离子膜烧碱工艺的控制方案说明

一、离子交换膜法制碱的工艺原理

在生产烧碱的离子交换膜工艺中，选择性渗透的阳离子交换膜安装在阳极和阴极之间。
当盐水在阳极室循环和碱液通过阴极室时进行电解：

阳极：Cl－
         

Cl2+e
－

阴极：H2O+e－
         

H2+OH
－

方程式：
NaCl+ H2O
NaOH+

Cl2+

H2
氯化钠被电离成钠离子和氯离子。氯离子在阳极室放电转变这氯气。同时钠离子通过离子交换膜移到阴极室。在阴极室，转变为氢气和氢氧根。钠离子和氢氧根反应生成氢氧化钠。其反应和传统的隔膜工艺本质上是相同的。但是在离子膜工艺中，纯烧碱能够通过电解液和钠离子的选择渗透获得。
离子交换膜在通电的作用下带有负电荷，阳极室的钠离子和膜带有不同的电荷参生亲和性，它们能够通过膜进入到阴极室。氯离子有与膜相似的负电荷，膜对它产生排斥，所以它们不能通过膜。
当给膜以电位时，不仅阳离子而且水也能从阳极室转移到阴极室。当电流为12.2KA（4.5KA/M2），它大约是3.5m3/hr。
因在电解时，有一些数量的OH-离子能存在于膜中，如果在阳极液中含有金属阳离子如Ca++、Mg++、Fe++、Al++、Ni++，它们将以氢氧化物的形式沉积在膜上或膜中，引起操作电压的升高和电流效率的降低。因此有必要清除这些金属阳离子，总是保持阳极液不含这些金属离子。

二、树脂塔的控制

一次盐水送到树脂塔内清除二价金属阳离子。
三台离子交换塔T-160A/B/C其中两台串联运行，一台下线再生。24小时后，第一台串联运行的塔下线再生，第二台塔作为第一台，再生完成的塔作为第二台继续串联运行。下线塔中的树脂吸附了大量的多价阳离子，需用盐酸和烧碱再生。通常离子交换树脂塔的切换和再生由程序控制每24小时进行一次，每一个塔运行48小时下线一次。
树脂塔的再生过程：
第一步：水洗。下线塔中的剩余盐水用纯水置换。纯水从塔顶进入，废盐水回收到废盐水槽D-165中。
第二步：反洗。水从塔底进入。树脂颗粒得到疏松，小的树脂颗粒被带走，废水排至树脂捕集器Z-164
第三步：酸再生。盐酸被稀释后送入树脂塔中，将树脂塔中的二价金属离子用H+置换。
第四步：洗。塔中剩余的盐酸被纯水置换。废水流入废水槽D-166。
第五步：NaOH再生。烧碱被水稀释送入树脂塔中，Na+离子将H+离子置换出来。废水送至D-166。
第六步：水冼。塔中剩余的烧碱为纯水置换。
第七步：置换。塔中剩余的水被从塔底KV-162供应的盐水置换，废水排至交换树脂捕集器Z-164。
树脂塔的动行有三种模式：自动、半自动、手动，自动模式下树脂塔的切换和再生都是自动进行的，半自动模式下下线的树脂塔再生是自动进行的，但塔的切换手动进行，手动模式下树脂塔的切换和再生都是手动的，但在选择好要工作的步骤后运行程控阀自动打开或关闭，此步骤运行完成后，DCS将所有再生线上的KV阀自动关闭。
在再生的过程中当流量计检测到异常流量时，DCS将发出报警，这一步的计时器暂停，当流量恢复正常后，计时器将恢复计时。流量的异常检测在再生和塔切换步骤结束后的1分种以内不进行，这个1分钟的时间DCS用TIM011进行设置。
控制阀KV的故障报警，当任何一个KV阀DCS检测到异常时，DCS就会出现报警，这个KV阀在显示器就会在控制面板上闪烁。上述动作在再生步骤结束或一个塔切换步骤结束的1分钟内不进行，这个1分钟的时间DCS用TIM-KV进行设置。
再生时KV阀的连锁：
1、
下面的KV阀在每个塔再生时全部关闭。如果下面阀门中的任何一个，在每台塔再生时打开，那么除KV-169-3外，所有的阀门将关闭。为了等待关闭KV-162，在完成充填盐水后1分钟内，KV-162的状态被忽略，这一分钟DCS在计时器TIM016中设置。
A塔：KV-161A、KV-164A、KV-165A、KV-164B、KV-161C、KV-165C、KV-162
B塔：KV-161B、KV-164B、KV-165B、KV-164C、KV-161A、KV-165A、KV-162
C塔：KV-161C、KV-164C、KV-165C、KV-164A、KV-161B、KV-165B、KV-162
注意：在盐水填充这一步，KV-162盐水阀不连锁。
2、
注入盐酸时的KV阀的连锁
1）
在KV-169-3关闭一分钟后，打开KV-169-1和KV-169-2，这一分钟由DCS在计时器TIM014上设置。
2）
在KV-169-1和KV-169-2关闭一分钟后，打开KV-169-3，这一分钟由DCS在计时器TIM013上设置。
3）
在盐酸再生过程中，当FICA-162（纯水）的流量低时关闭KV-169-2。当流恢复下常后打开KV-169-2。
3、
碱再生时KV阀的连锁
在烧碱再生的过程中，当FICA-162（纯水）的流量低时关闭KV-168。当流恢复下常后打开KV-168。
4、
断电时
断电时所有的KV阀将关闭，计时器暂停计时，保持再生状态。当供电恢复正常后按开始按钮，再生过程从停电状态开始继续。
5、
打开再线的KV阀
对于树脂塔的切换，关闭进入下线状态的KV阀一分钟以后，打开再生塔的KV阀，这一分钟在软件TIM010上设置。
停止报警：当T-160操作被停止按钮所停止或程序不正常时，DCS将产生报警。

三、工艺指示的控制

1、阳极液浓度的控制
在离子交换膜电解中，膜中钠离子迁移的数目比在阳极液中迁移的数目多，因此在膜的表面和附近，钠离子的含量比在阳极液中小，钠离子的需要必须通过扩散供应。在一定的电流下，当阳极液的浓度降到临界值以下，操作电压将急速上升并且氯气的纯度将降低，水发生自身分解在膜上将产生水泡。另一方面，如果阳极液的浓度增加到一定值，由于膜的收缩，操作电压将增加，回此，将阳极液浓度保持在指定值是必要的。在电解槽阳极室结构中，设置的导流板就是用以阳极液加速内部的循环。
在阳极液中，保持酸度在一个确定值决定了阳极液的流量。
从阳极液循环槽排出的淡盐水通过再线的浓度分析仪，淡盐水浓度小于设定值时，要增加精制盐水进电解槽的流量FICZA-231x，当淡盐水浓度大于设定值时，要减少精制盐水进电解槽的流量FICZA-231x，进电解槽盐水的流量是根据电流进行自动调节的。
2、阴极液的浓度
如果阴极液浓度超过34％，操作槽电压将变高。膜的这种设计使电流效率在浓度为32％时显示最佳值。阴极室的内部流速由氢气来增加。
3、循环量
为避免水泡的产生，电解液在膜附近的浓度保持均匀是必要的。在电解期间，氢气和氯气在单元槽中产生，单元槽和电极是为了有效的释放电极和膜表面产生的气体而设计的。如果电解液流速降低，槽电压将因气液比率而增加。因此，电解液必须有足够的循环量。
另外电解产生的热量通过钠离子和不的迁移从阳极室转移到阴极室。热量必通过电解液的冷却而消除。因此充分电解液的流量对于维持膜的温度均匀是必要的。
4、阳极液酸度
OH－从阴极室反迁移到阳极室，为中和OH－在要向阳极液中加入适量的盐酸。旭化成公司的膜是全氟羧酸型，在-COONa＋的状态，膜将显示出它的优越性能，如果羧基变成了-COOH类型，它就不能作为离子交换膜来工作了。阳极反应是Cl－和OH－的竞争，分别产生Cl2和O2 ，如果阳极液中酸度降低，氧气降在氯气中的含量将增加。若入口酸度高于0.15N，在阳极液入口管头的辅助阳极将被破坏和溶解，膜上将会产生一些水泡。因此，维持阳极液酸度在一定值或维持阳极液PH在一定值是重要。
在低电流时通过膜迁移的氢氧根数目小，电流的大小和氢氧根迁移通过膜数目有一定关系，因此电解槽内加酸的多少是根据电流密度来确定的。
5、膜的压差控制
正的槽压差会有效的减少槽电压。相反负的槽压差将槽电压增加0.4到0.5 VDC。如压差太大阳极将变形。压差太低或为负，在短时间的操作中，膜将有阴极和阳极坚硬的摩擦而出现针孔。回此DCS将阴阳极的压差控制在0.4mH2O。在槽顶的压差取决于氢气和氯气在出口总管的压力。
6、气体的压力
增加槽的压力，在电解液中气体的体积减少，有利槽电压降低，但压力增加，在单元槽和其他相关设备的设计上就要有较高的要求。为满足这些要求气体压力要控制一个特定的值，氯气压力控制为4 mH2O。
7、电解液的温度
当电解液的温度增加时，它们的电阻将降低。但水高于90℃蒸发加快，会引起大的气液比。在实际操作中，电解液在90℃槽电压最低，槽电压和温度是线性关系。电解液的大部热量从阳极液转移到阴极室，阴极液的温度必须通过阴极冷却器进行冷却。

四、安全连锁装置

为确保电解设备的安全，安装了下列连锁装置
整流的自动关闭
每个电解槽的电解动力直流电在下面条件时是自动关闭的。
1、
电解槽的电位差异常（EdIZA-230），电位差的异常意味单元槽的操作不稳定，电压的升高、短路、压力的波动、膜漏等，当它达到极限值时自动跳闸。在电解开车时，因电解运行还不稳定，特别要求关闭此连锁。开车稳定后，通过可变电阻将此电位调整为0后，将此连锁投入。
2、
电解槽的直流电流超过正常电流（IIZA-230）
3、
电解槽接电（来自整流），电解槽的中心和地面有相同的电位，如果电解槽的某些位置接地，接地电压表显示波动，当波动超过规定范围时整流停止。
4、
盐水或碱液的流量不足（FICA-231、FIZA-232）
5、
新鲜盐水输送阀打开（ZV-241）
在下面情况直所有电解槽的电解动力直流是自动关闭的。
1、氯气和氢气之间的压差影响阳极室和阴极室之间的压差，氯气或氢气的压力过高（PICA-216、PIZA-217、PICA-226、PIZA-227）时，所有的电解直流电源通过连锁系统自动停止。
2、气体压力的异常差别（PDIZA-200）
3、阳极液循环槽或阴极液循环槽的液位异常（LICA-260、LICA-270）
4、仪表电源的停止（YL-100）
5、仪表气的停止（PIZA-520）
6、紧急停止按扭（YL-103）
7、下游工序故障。
其它联锁系统
1、当一个整流器停止时，对应盐酸供应阀（FCV-211）的模式改为手动这个阀通过电磁阀快速关闭，并且信号保持在少于1.25mA，以防止酸液对膜的腐蚀。
2、当一个整流器停止时，对应盐水供应阀（FCV-231）模式由串级改为自动，保持一个正常流量15m3/hr、并且LICZA-260在HH报警时关闭。
3、当一个整流器停止时，对应盐水供应阀（ZV-231）切换到精盐水阀（ZV-241），以保证阳极室中Cl2的消除。
4、当所有整流器停止时，下面的设备同时工作
通过二次盐水的淡盐水供应阀（FCV-265）的模拟输出信号小于1.25mA将阀关闭；HCl主阀（FCV-425）的通过电磁阀快速关闭，并且信号保持在少于1.25mA关闭；纯水阀（FCV-221）的模式改为手动，并且模拟输出信号小于1.25mA将阀关闭；N2气阀（ZV-279）打开。
紧急电源
电解槽挤压机的液压油泵，纯水泵，氯气吸收鼓风机，氯气吸收器的碱液循环泵。
当TICZA-153、TIZA-161为“HH”时，TCV-153的控制阀变为手动，并且这个阀通过电磁阀完全关闭，模拟输出信号小于1.25mA。

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