离子膜电解槽的设计.pdf
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1、抓碱 工 业 一九 九四年第七期 离子膜电解槽的设 计 陈剑辉 北京化工机械厂研究所 子1 0 002 2 摘要 结合世 界各国离子膜电解槽的特点 对离子膜电解槽的设计问题进 行论 述 包括设 计 原则 基本参 数选择 槽型及基本结构 组装方式 材料选择及 防腐 电槽结构尺寸 电极设计 极距设 计 循环方式选择 安全设计等 关键词离子膜 电解槽设计 槽型 结构 当全氟聚 合 物离 子 膜在市场上 出现时 离子 膜 电解槽便也 开始了研 制 由于离 子膜 电解槽具有能耗低 产品纯度高 对环境污 染小等特 点 世界许多 氯碱生产厂和工程公 司争相 设计了具自己特点的离子 膜电槽 竞 争加速了技 术
2、进步 使电槽各方而都不 断得 到改进 其结构也趋于完善 在评价离子 膜电解槽性 能时 仅仅 比较 槽 电压 和特定离子 膜的电流效率是不够的 因为电解槽的性能同时取决于 离子 膜 和 电解 槽 结构的性 能 下 面仅就离子 膜 电解槽的结 构设 计中的几个 问题进行讨论 1 离子膜电解槽的设计原则 按照离子膜 法生产烧碱的电解工艺 设 计离子 膜 电 解槽 应遵循以 下原 则 1 1 总电能消耗 低 产 品纯度 高 1 采用高性能的离子交换膜 即选 用高电流效 率 低电 阻率 能满足生产高浓 度 高纯度烧碱 的离子膜 2 采用低过 电 压的高性能阴阳 极涂 层 并要求该阴极或阳极涂 层能够较长
3、时间 地保持其性能的稳定 3 减少 阴阳极之间电解液和气 体的 电 压损 失 即要求尽可能小的极距 4 减少 一类 导体 电 压降的损失 5 在电解液的循 环 和输送上 减 少 所需能量 6 有效地利用电解时 发生的热 量 1 2 使用寿命长 可靠性高 1 采用强 度高 寿命长的离子膜 2 采用 可靠性高并且 实用 的结构 3 不易产生 漏 液 漏气的结构 4 考虑电解槽的腐蚀问题 特别是 电化学腐蚀问题 1 3 制造成本低 l 电解槽结构简单 2 减少贵重金属材料 的使用 量 3 适合大批量生产的结构 4 具有较高的离子膜 有效利用率 1 4 易于组装 拆卸 和操作 在设计离子 膜电解槽过程
4、中 要 同时满 足 以上原 则是困难的 必 须综合考 虑各 因 素 达 到离子膜 电解槽的优化设计 2 离子膜电解糟设计参数的选择 2 1 经济 电流 密度的选择 一般称产品成本最低时的电解槽运行最 佳的电流密度为经 济 电流密度 如果电流密 度愈高 则每吨烧 碱的电解槽折旧提成率愈 低 而耗电量和 电费相 应升高 电流密度愈 低 则反之 因此 设 计 电解槽时 必须选 定 投资成本和运 行 成本最小的经济 电流 密 度 经烧碱 成本分析及推导 则 有以 下经 济 电流密度公式 M 又 D K 义 P x H 一九九四年第七期 氮碱工 业 式中 i 一 经济 电 流 密 度 单 位 A dm
5、Z M 一电解槽每平 方米的综合价格 单位 元 D 一折旧提成率 包括 大 修 费 折旧 费 固定资产占有率等 单位 K一电解槽特性系数 单位 P 一电费 单位 元 kw h H一年工作时间 单位h 由于用户的电费价格等条件的不 同 离 子膜 电解槽一般 均在3 0一4 0A dm 的高 电 流密度下 运行 2 2 总电解面积的计算 根据用户对 电解槽产量的不 同要求 应 汁算出用户所需烧碱产量的电解槽的电解总 面积 可以使用以下公式 M 1000T 1 4 92 x 1 x H 火 月 式中 M一总电解面积 单位 m T一烧碱 折10 0 N a O H 年 产 量 单位 t i一经 济电流
6、密度 单位kA m H一年工作时间 单位h 刀一平均电流效率 单位 各国每万吨烧碱装置的电解总面积一 般 在245一 s02m 之l d e 单元槽面积 为 2 7m 时 一般取243一265m 2 0 3 槽电压计算 离子 膜电解槽槽电压 可用下式表示 V V V n n阳 阴 I R液 I R金 式中 V一槽 电压 V 一理论分解电压 V D一离子 膜的 电压 降 月阳一阳极过电压 n阴一阴极过电压 IR液一溶 液中的欧姆 电压 降 I R金一金属导体中的欧姆 电 压降 离子 膜电解槽槽电压根据离子 膜和电解 槽结构的差 异 及电流 密 度而 不同 一 般为 2 9一3 2V左右 2 4
7、电流密度与槽 电压的关 系 电流密 度与槽电 压呈线性 直线 关 系 在 实用范 围内有以 下方程式 V V K i 式中 V一槽电压 单位V V 一 电解电 压 即理 论 分解电 压 与 阴阳极过 电压之 和 单位V K一 电槽特性 系 数 单 位 V dm A i一电流密度 单位A dm Z 其中电槽 特 性系数K值是指电解槽变化 单位电流 密 度时所 引起槽 电压上升或 下降 的 数值 K值越小 说明槽电压 随电流密度的 变化值也越 小 表示电槽性 能好 亦 即 电槽 在较高电流密度下 运行时 其耗电较低 3 离子膜电解槽槽型 及基本结构型式 按照单元槽 之间电的连 接方 式 离子膜 电
8、解槽 可分为单极 槽和 复极槽 在 单极型式 中 所有 阳极和 所 有阴 极是并联的 形 成一 个 大 电流 小 电压的电解槽 在复 极 型式 中 一个单元槽的 阴极与相邻 单元槽的阳极 相联 以此 下 去 即串联 形成 一个小电流 高 电压的电解槽 广义地讲还 可派 生 出第三种 形式 即单复极式电解槽 一卜 面 结合国外几 利 离子 膜 电解槽 说明离子 膜 电解槽的墓本 结构型式 3 1 单极式离子膜 电解槽 单极式离子膜 电解槽一 般分为槽框 式和 盘式两 种 它 们分别 以日本旭 硝子公司 的 A ZEC一M型离子 膜 电解槽 如 图l 和美 国西方技 术系统公司的MG C一6型离子
9、 膜电 解槽 如 图2 为代 表 单极槽中 无论是槽框 式还是盘式 它 们的共同点是相 邻的阳 极或阴极都是由同一 元件 供 电 如AZEC一M型电解槽是由给电 氯碱 一九 九四年第七期 白 离子膜 阴 L几润 尸一一 一 只祝 异冲 筱 阴 派 子 苏板 仁旦宣鲤夕 阳极槽拖阴极槽拖 勿尸 给电饵板 图3 T S E一27 0 型电解槽断面图 图1 AZE C一M型电解槽断 面图 分布悯 离子膜 栩桩盘 阳极盘 l l l 尸尸尸口口 图2MG C一6型电解槽断面图 铜板供电 MGC一6型 电解槽是由电 流分 布铜板同时向相邻 的 两张阳 极或 阴极 供电 位于底端的单元除外 3 2 复极式
10、离子膜电解槽 复极式离子 膜 电解槽也 可分为槽框式和 盘式两种 它 们分 别 以日本德山曹达T S E 一2 7 0型 电解槽 如 图3 和德国伍德公 司BM 2 7型电解槽 如图4 为代表 复 极槽中无论 是 槽框 式或盘式 它们 的 共同点是它们都由单元槽组成 且每个单元 槽同时具有阴阳极两个 极性 位于两端的单 元除外 3 3 单复极式 混联 离子膜电解槽 在生产能力 确定 后 为了提高 整 流 效 率 降低交流 电耗 在上述单极式和 复极式 图4 BM2 7型电解槽断面图 的基础上 还可派 生 出单 复 极式离子 膜 电解 槽 即同一台电解槽单元槽分为若干组 每 组单元槽串联 或并联
11、 各部分之间再并 联 或串联 每台电解槽相当于 几台复极 槽并联后与整流系统联接 或几台单极槽串 联后 与整 流系统 联接 意大 利迪诺拉公司和 德国伍德公 司 的离子膜 电解槽都设计成单复 极通用的单复极式电解槽 随着离 子膜电解技 术的发展 无论是单 极式或复极式离子膜电解槽 它们结构上各 有优缺点 各自的缺点可 以进行适当设计来 解决 现举几个例子说明 1 在复极式电解槽中 带有不同电 势的电解液从电解槽的流入流出 而 汇 人 总 管 导致 了泄漏 电流产生 的问题及 电化学腐 蚀问题 但 是这个问题可 以通过复极电解槽 的适 当设计来解决 一九九四年第七期 氛碱 工 业 2 单 极式电
12、解槽之间需要使用少 量 较贵重的铜材进行供电 但是较复极式电解 槽 它不需要使用把阴阳极 室分开 的中间 隔 板 而隔板一般是使 用钦材等贵重 金属制 成 也就是说单极式电解槽 使用了 大量铜 材 但同时又减 少 了中间隔 板用钦材的使用 量 4 离子膜电解槽几个结构方案的设计 4 1 电解槽组装方式 一般离子膜是被 垂直夹在网状金属的阴 阳极 之间 许多单元槽象压 滤机框一样叠 放 紧固后 构成一个相当生产能 力的电解槽 紧固方式一般分为拉杆方式 油压方式和丝 杆顶压方式 紧固性能的好坏直接关系到 电 解槽的密封性能和传导电流的性能 1 拉杆方式一般用于电解槽体积 比 较小的场合 如英国IC
13、I公司的 FM一2 1 型 电解槽和意大利迪诺拉公司的K 4o 型电解 槽 2 油压方式一般 用于电解槽体积比 较大的场合 如日本旭化成公 司电解槽 和日 本德山曹达公 司T SE一27 0 型电解槽 其中 油压方式中又可 分为单向挤压 和双向挤 压两 种 日本德山曹达公司T S E一27 0 型电槽采 用双向挤压方式 它的优点是挤压性能好 并且当一部分槽框需要检修时 另一半槽框 可 以继续运行 3 丝杆顶 压方式一 般只适用于 每 个 复极单元的一个 阳极和一个阴极 被组装成一 个独立组 在周边用许多螺栓相应紧固在一 起 每个复极单元独立密封在电解槽中 如 图4 这时丝杆顶压只起到使电传导性
14、能 维持良好 的作用 如德国伍德公 司BM 2 7型 电解槽采用的就是丝杆顶压方式 电解槽用拉杆方式紧固后能够保持槽框 之间密封垫片紧固量 的恒定 而油压方式能 够保持垫片紧固压力 的恒定 因此 当垫片 老化后 拉杆 方 式 1 电解槽 的密封压力将减 小 容易引起电解槽的泄 漏 可通过设计适 当垫 片和初始密封压 力解决 而油压 方式 能够保持密封压 力的恒定 随着垫 片的老 化 阴阳极间距离的缩小 或者在零极距电 解槽中 油压方式将 增大对离子膜的压 力 对离子膜产生不利影响 另外 油压方式较 其它紧固方式 需 要多配套一个较复杂的油压 系统 4 2 电解槽的材料选择及 防止腐蚀 在离子膜
15、 电解槽中 阴 阳极室 温度 为 9 0 左右 阳极室有氯气和食盐溶液 阴极 室 有3 0一35 w t 浓 度的烧碱 而 且离 子 膜电解槽一般运行电流密度为 3 一 4 0 A dm Z 如此苛刻的工况条件 在设计时 必 须充分考虑电解槽 的防腐结构并采 取 可靠的 防腐措施 腐蚀使电解液杂质升高 来源于 槽框或垫片 的阳极液杂质会 损坏离子 膜 阴 极 液杂质则会降低阴极液苛性 重 要的是腐 蚀将危 及电解槽的安全 生产 4 2 1 阳极部分材料选择 阳极部分是指阳极及阳极液接触部位 世 界 各国都毫无例外地选择了在阳极液中耐 腐蚀性能 良好的金属钦 或 钦合 金 这已 成为世界各国离子
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