王慶天 高利平

摘要：離子交換膜燒堿生產(chǎn)工藝，是國(guó)內(nèi)乃至全世界最先進(jìn)的技術(shù)。然而，因?yàn)槁葔A生產(chǎn)本身的高風(fēng)險(xiǎn)和離子膜堿生產(chǎn)工藝的高度自動(dòng)化，許多節(jié)點(diǎn)擁有較高的技術(shù)要求，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤，就會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的安全問(wèn)題和大量的財(cái)產(chǎn)損失。本文首先介紹了離子膜燒堿的生產(chǎn)工藝，簡(jiǎn)要介紹了傳統(tǒng)離子膜燒堿法的主要缺點(diǎn)，并詳細(xì)介紹了離子膜燒堿生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，并將兩種優(yōu)化方式與傳統(tǒng)工藝對(duì)比，施行了總體評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：離子膜法;燒堿;生產(chǎn)工藝;優(yōu)化分析

一、前言

華夏是世界上最大的燒堿生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，就燒堿生產(chǎn)工藝仍有很大的改進(jìn)余地。我們一直追求的目標(biāo)是不斷改善的生產(chǎn)工藝流程，科學(xué)地提升國(guó)內(nèi)燒堿的生產(chǎn)水準(zhǔn)。離子交換膜的生產(chǎn)工藝存在工藝復(fù)雜、原料浪費(fèi)較多、安全隱患大等缺點(diǎn)。安全有效地解決這些問(wèn)題，是提升燒堿生產(chǎn)技術(shù)水準(zhǔn)的有效途徑。國(guó)內(nèi)燒堿工業(yè)已經(jīng)歷了從最初的膜電解到后期吸附沉淀膜電解槽的復(fù)雜過(guò)程，然后，是在改革開(kāi)放后離子膜燒堿生產(chǎn)的迅速發(fā)展。華夏燒堿總量居世界首位，但生產(chǎn)工藝相對(duì)較落后。燒堿生產(chǎn)工藝的改進(jìn)是燒堿提能降耗的方向。目前，我們所使用的離子交換膜法生產(chǎn)燒堿存在原料浪費(fèi)的問(wèn)題。因?yàn)楣に噺?fù)雜，仍存有一定的不安全因素需要解決。

二、燒堿的用途

燒堿（學(xué)名：氫氧化鈉）是一種可溶性強(qiáng)堿，是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)的化工產(chǎn)品。在冶金工業(yè)里，礦石里的活性成分通常轉(zhuǎn)化為可溶性鈉鹽，以除掉不溶性雜質(zhì)。所以，通常需要添放純堿，有時(shí)添放燒堿[1]。例如，在鋁冶煉過(guò)程里，使用純堿和苛性鈉制備冰晶石并處置鋁土礦。在鎢冶煉過(guò)程里，首先將精礦和純堿焙燒成可溶性鎢酸鈉，然后，經(jīng)過(guò)酸沉淀、脫水、還原等步驟制備鎢粉。在化學(xué)工業(yè)里，氫氧化鈉用于生產(chǎn)金屬鈉。燒堿用于生產(chǎn)許多無(wú)機(jī)鹽，尤其是在制備一些鈉鹽時(shí)。燒堿或純堿也用于染料、藥物和有機(jī)中間體的合成。由此可見(jiàn)，燒堿在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大作用。所以，優(yōu)良的燒堿生產(chǎn)工藝對(duì)于工業(yè)發(fā)展能夠起到促進(jìn)作用。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究和實(shí)踐，已經(jīng)證明離子膜燒堿法的優(yōu)越性。離子膜法制燒堿的生產(chǎn)工藝，是世界上最先進(jìn)的生產(chǎn)工藝。經(jīng)過(guò)對(duì)離子膜燒堿生產(chǎn)工藝的描述和優(yōu)化，進(jìn)一步闡述了新技術(shù)的優(yōu)越性。但國(guó)內(nèi)在運(yùn)用這一方法施行燒堿生產(chǎn)時(shí)，仍存在很多問(wèn)題，不僅浪費(fèi)了大量資源，也降低了工作效率?；谶@種情況，就要對(duì)其施行有效的優(yōu)化。針對(duì)離子交換膜燒堿過(guò)程里存在的各種缺陷，科學(xué)優(yōu)化了系統(tǒng)設(shè)備，提升了影響產(chǎn)率的組分，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。另一方面，從效率的角度，減少維修時(shí)間和不必要的人力和材料消耗，科學(xué)規(guī)劃材料和產(chǎn)品的比例，嚴(yán)格控制生產(chǎn)參數(shù)，制定科學(xué)的管理制度，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。下圖為離子膜燒堿。

三、離子膜燒堿生產(chǎn)工藝的過(guò)程

（一）配水

在電解過(guò)程里，需要除掉鹽水中的過(guò)量硫酸根。新輸送的鹽水由兩部分構(gòu)成：第一部分是由自動(dòng)控制裝置調(diào)節(jié)的鹽水;第二部分是將上清液（沉淀后）儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中。將從其他工藝?yán)锘厥盏牡}水調(diào)節(jié)到所使用的水和從鹽泥中過(guò)濾的濾液，并以一定比例混合以形成化鹽水[2]。

（二）化鹽和鹽水的精制

調(diào)節(jié)鹽水溶液的溫度，以逆流方式接觸原鹽水池底部，添入氫氧化鈉溶液與逆流水中液體中的鎂離子反應(yīng)生成沉淀的氫氧化鎂，分離出有機(jī)物，會(huì)逐漸分解成較小的分子。攪拌機(jī)加壓的粗鹽水進(jìn)入預(yù)處置器，鹽水中的小分子和懸浮物質(zhì)作為沉淀和上浮泥除掉。凱膜分離后，反應(yīng)罐中的剩余水為合格的一次精制鹽水[3]。螯合樹(shù)脂是關(guān)鍵的鹽水二次精制工序，將過(guò)濾后的鹽水送到螯合樹(shù)脂塔施行離子交換，除掉鹽水中多余的Mg2+和Ca2+，然后，將合格的二次精鹽水送到電解工序施行電解處置[4]。

（三）電解

在二次精制鹽水進(jìn)入陽(yáng)極室之后，在電流作用下將其分解，產(chǎn)生氯氣和淡鹽水，在汽水分離器中氯與淡鹽水分離。氯氣匯總至氯氣處置總管，然后，進(jìn)入氯氣處置工序。淡鹽水輸入脫氯工序，脫氯分為物理脫氯和化學(xué)脫氯。在陰極室電解產(chǎn)生的氫氣，被匯總輸送到氫氣處置裝置施行處置。鈉離子在電場(chǎng)作用下，從陽(yáng)極室通過(guò)離子膜遷移至陰極室，與陰極室多余的氫氧根結(jié)合生成氫氧化鈉。圖2為離子膜燒堿電解槽。

（四）淡鹽水的脫氯

淡鹽水必需在離開(kāi)電解槽后脫氯，因?yàn)辂}水中蘊(yùn)含游離氯，氯對(duì)管道和設(shè)備擁有很強(qiáng)的腐蝕性，尤其可使二次鹽水精制時(shí)的鰲和樹(shù)脂中毒失去鰲和能力。為了減少浪費(fèi)和損失，必需除掉鹽水中的游離氯[5]。在鹽水中添入亞硫酸鈉等還原性物質(zhì)，以確保完全除去多余的游離氯。鹽溶液的pH值需要在進(jìn)入脫氯塔前施行調(diào)節(jié)，脫氯塔可脫除鹽水中過(guò)多的游離氯，脫除的游離氯投送到氯氣處置工序。在一次鹽水工序，再次施行水的分配和化鹽。

四、離子膜燒堿生產(chǎn)工藝具備的優(yōu)越性

離子膜燒堿是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)。與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝對(duì)照，擁有以下優(yōu)越性：

（一）工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)殡x子膜燒堿電解液的濃度相對(duì)較高。所以，可以在不蒸發(fā)的情況下獲得濃度大于30%的液體堿。

（二）生產(chǎn)過(guò)程里的能耗相對(duì)較低。因?yàn)椴恍枰舭l(fā)，所以，大大減少了能耗。此外，還減少了能耗和用水量，大大減少了總能耗。

（三）污染較低。用于生產(chǎn)離子交換膜燒堿的生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)生的廢棄物可以循環(huán)使用，對(duì)環(huán)境的污染較低。

（四）離子交換膜燒堿生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的液堿純度較高，一般能滿足紡織行業(yè)的需要。

（五）離子膜燒堿生產(chǎn)設(shè)備面積相對(duì)較小。

五、工藝施行優(yōu)化的依據(jù)

與傳統(tǒng)鹽水凈化工藝對(duì)照，離子膜燒堿工藝擁有很大的優(yōu)越性。在傳統(tǒng)工藝?yán)铮}水中殘留著大量的有機(jī)物、細(xì)菌和藻類(lèi)。離子交換膜法制燒堿過(guò)程里游離氯得控制在一定范圍內(nèi)，粗鹽水中的有機(jī)物等易用游離氯處置。游離氯對(duì)生產(chǎn)設(shè)備有腐蝕作用，設(shè)備投入使用前必需采取防腐措施，在生產(chǎn)過(guò)程里，應(yīng)將游離氯控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，以避免進(jìn)一步腐蝕[6]。所以，科學(xué)控制淡鹽水中游離氯的含量，不僅可以有效地殺滅細(xì)菌和藻類(lèi)，而且可以獲得滿足生產(chǎn)要求的鹽水?？刂茀?shù)在科學(xué)的區(qū)間，不僅可以保證整體產(chǎn)業(yè)鏈穩(wěn)定運(yùn)行，而且可以節(jié)約材料和能源，減少污染物排放。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程里，在淡鹽水脫氯過(guò)程里經(jīng)常使用多種添放劑，這是造成廢水排放量大幅度增加的直接原因[7]。這不僅浪費(fèi)了大量的能源，而且增加了操作和維護(hù)的成本，增加了設(shè)備正常運(yùn)行的不穩(wěn)定因素。因?yàn)榧夹g(shù)原因，華夏的生產(chǎn)工藝主要依靠引進(jìn)國(guó)外技術(shù)。但鹽水生產(chǎn)條件與生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)之間存在較大差距，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)的穩(wěn)定性。所以，迫切需要改進(jìn)生產(chǎn)工藝。下圖為離子膜法制燒堿的電解槽。

六、離子膜燒堿生產(chǎn)工藝優(yōu)化策略

（一）淡鹽水脫氯系統(tǒng)優(yōu)化

淡鹽水從離子膜電解槽流出，經(jīng)過(guò)脫氯處置后返回的淡鹽水可以保持相對(duì)穩(wěn)定，也可以減少一次鹽水工序的設(shè)備腐蝕，但要消耗純水和人力。一方面，增加了生產(chǎn)設(shè)備的投資;另一方面，因?yàn)橄到y(tǒng)硫酸根含量的增加，延長(zhǎng)了一次鹽水工序工藝鏈。所以，需要做的是取消脫氯塔后面的亞硫酸鈉處置設(shè)備。同時(shí)，需要進(jìn)一步完善離子交換膜電解脫氯設(shè)備，調(diào)整相關(guān)工藝的操作流程，改變過(guò)程控制指標(biāo)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。對(duì)參數(shù)施行控制，使鹽水中保留一定量的游離氯，然后，將含一定量游離氯的鹽水直接輸送到一次鹽水工序中。具體改造包括取消亞硫酸鈉儲(chǔ)罐、準(zhǔn)備槽、自動(dòng)控制閥和進(jìn)出口管道[8]。進(jìn)出口管道包括相應(yīng)的給排水管道，需要匹配相應(yīng)的離子膜電脫氯系統(tǒng)管道。改進(jìn)和進(jìn)一步調(diào)整脫氯系統(tǒng)的操作流程和控制指標(biāo)。脫氯塔取消相應(yīng)的亞硫酸鈉處置裝置后，回收的淡鹽水中剩余游離氯的含量必需保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，多余的游離氯必需回收，以保證生產(chǎn)過(guò)程系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。值得注意的是，對(duì)于所述離子交換膜燒堿生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，如果系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)需要自動(dòng)控制和聯(lián)鎖，則整體過(guò)程指標(biāo)范圍必需能夠保持系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

（二）一次鹽水精制系統(tǒng)的優(yōu)化

在一次鹽水處置中，如果返回鹽水中游離氯的含量在規(guī)定范圍內(nèi)，則可以取消粗鹽水中次氯酸鈉的處置設(shè)備，從而提升一次鹽水的在線pH值。然后，對(duì)相應(yīng)的過(guò)程設(shè)備施行優(yōu)化和同步，調(diào)整相應(yīng)的過(guò)程操作模式，改變自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)程控制指標(biāo)和控制參數(shù)。一次鹽水精制系統(tǒng)的優(yōu)化主要包括消除次氯酸鈉配制罐、消除入口和出口管線、修改泵閥、在線監(jiān)測(cè)設(shè)置、優(yōu)化和優(yōu)化計(jì)量裝置。增加一次性鹽水在線pH值，同時(shí)，優(yōu)化相應(yīng)的設(shè)備和管道。在一次鹽水生產(chǎn)過(guò)程里，添放次氯酸鈉的機(jī)械設(shè)備必需保證一次鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。調(diào)整并科學(xué)設(shè)定鹽水中游離氯的含量，以保持鹽水中游離氯的含量。其目的是將其含量保持在固定范圍內(nèi)，以除去有機(jī)物、細(xì)菌和藻類(lèi)[9]。如果一次鹽水的質(zhì)量指標(biāo)大幅波動(dòng)，則二次鹽水系統(tǒng)也會(huì)大幅波動(dòng)，這也嚴(yán)重影響進(jìn)入電解槽鹽水的質(zhì)量。

七、優(yōu)化效果評(píng)價(jià)

改進(jìn)后的離子膜燒堿工藝擁有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，其中在節(jié)約資源，穩(wěn)定系統(tǒng)，減少成本，保護(hù)環(huán)境等方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，從而提升了國(guó)內(nèi)離子膜燒堿的生產(chǎn)工藝技術(shù)，使之達(dá)到一個(gè)新的水準(zhǔn)，具體效果主要映現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（一）經(jīng)過(guò)一系列操作流程和相關(guān)設(shè)備轉(zhuǎn)換，控制5～50mgL-1中的游離氯鹽水滿足離子交換膜電解和一次鹽水處置之間的參數(shù)要求，既節(jié)省了原材料，人力和物力，又有益于提升燒堿生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性和可靠性。

（二）在粗鹽水中不再添放NaClO處置裝置，而是使用在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，可以有效除掉細(xì)菌，藻類(lèi)和有機(jī)物，同時(shí)，滿足相關(guān)質(zhì)量控制指標(biāo)。

（三）與鋇鹽法對(duì)照，膜法除硝工藝能有效地將硫酸還原到5ppm以下，尤其契合離子膜燒堿的工藝控制要求，尤其是零瀝青電解槽保護(hù)了離子膜電解槽，大大延長(zhǎng)了其使用壽命。

（四）脫硝產(chǎn)品芒硝經(jīng)脫水干燥后可直接作為化工原料銷(xiāo)售，不會(huì)造成二次污染，增加二次處置成本。由此可以得出，優(yōu)化后的離子膜燒堿生產(chǎn)系統(tǒng)簡(jiǎn)化了工藝操作，減少了資源消耗，節(jié)約了人力物力，達(dá)到了低投資，高效率，環(huán)保的關(guān)鍵生產(chǎn)目標(biāo)。

八、結(jié)論

鹽溶液經(jīng)過(guò)脫氯塔后，取消相應(yīng)的亞硫酸鈉處置設(shè)備，返回淡鹽水中可檢測(cè)到的游離氯，嚴(yán)格控制在一次鹽水處置和離子膜電解的科學(xué)指標(biāo)內(nèi)，為生產(chǎn)系統(tǒng)提供良好的環(huán)境。在原鹽水中消除了次氯酸鈉的添入，對(duì)鹽水檢測(cè)裝置施行了復(fù)位。科學(xué)除掉有機(jī)物可以使粗鹽水的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到要求，進(jìn)一步提升整體生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性。這項(xiàng)技術(shù)是在原有技術(shù)基礎(chǔ)上的重大創(chuàng)新，擁有廣闊的應(yīng)用遠(yuǎn)景，極大地促進(jìn)了氯堿工業(yè)的發(fā)展。從工業(yè)節(jié)約的原材料中可以看出良好的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)節(jié)能減排的貢獻(xiàn)映現(xiàn)了良好的環(huán)境效益。穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)提升了離子交換膜技術(shù)的水準(zhǔn)，促進(jìn)了工業(yè)的蓬勃發(fā)展。

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通訊作者：王慶天，1984年10月，男，漢，甘肅金昌人，金川集團(tuán)有限公司職工培訓(xùn)中心，化工工程師，碩士。主要研究方向：氯堿工業(yè)及其產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品生產(chǎn)加工。