离子膜电解槽故障成因分析.doc

第十七届氯碱技术年会论文专辑21离子膜电解槽故障成因分析李楚新 (岳阳石油化工总厂环氧树脂厂，岳阳414014)摘 要 以我厂2万ta离子膜装置为例，对旭化成强制循环离子膜工艺的电 解槽结构进行综述：针对电解槽在运行过程中出现的膜漏、膜穿孔、膜针孔、槽框极板 击穿、槽框泄漏、垫片老化等现象的成因进行了具体分析，并提出了相应的解决问题 的办法，要尜建立时离子膜电解槽表征的主要工艺参数(如：槽电压、电流效率，直流 电耗)进行定期检测制度，为以后离子膜装置的工艺操作提供可操作性依据。针对出 现的问题进行及时处理确保离子膜电槽长时期高电效、低电耗平稳运行。关键词 电解槽故障 离子变换膜成因槽框前言 12生产实际中造成的槽框故障分析离子膜电解槽是整个离子膜工艺的核心， 离子膜电解槽槽框故障主要表现为：槽框 离子膜电解槽的核心部件由槽框、离子交换膜、 泄漏阳极、阴极焊点松脱，阳极面板腐蚀穿 垫片等附件组成。随着离子膜装置运行时间的 孔，涂层脱落等。某厂1万“a A套离子膜装 延长。离子膜电解槽的故障也日益出现(垫片的 置于1998年5月份进行了一次性全部换膜， 老化脱落、槽框泄褥、膜漏、膜起泡、膜针孔、阴 在换膜过程中对出现故障的梧框进行了维修 阳极网的穿孔等故障)。直接制约离子膜装置 及更换，发现焊点松脱严重，特别是阳极侧，几 的稳定生产。针对电解槽故障成因进行了具体 乎每块槽框均有焊点松动，这与旭化成强制循 分析，为以后现场工艺调整提供参考。 环工艺有关，特别是开停车次数多的情况下，l离子膜电解槽槽框故障成因分析 槽内压差变化大，易造成槽内阴、阳极扳的变11旭化成强制循环电解槽单元槽的结构 形使焊点松动，破坏离子交换膜。 这种单元糟舶中间隔板是一块8 rnIn厚 阳极面板腐蚀穿孔，1998年8月，发现1的TiFeSus三层复合板。外框条是Sus 万a B套离子膜装置的第3、19、42槽框均在316L与复合板条组组焊而成。阳极侧的衬阳极侧靠上边缘部位被腐蚀穿孔，穿孔面积一 扳、筋板、厚扳均为Ti材，阴极侧为不锈钢。般在35 cl#，发现槽框穿孔之前，一般表现 而旭化成改进型阳极槽的单元槽，主要改进就为膜漏，槽电压异常下降，最后造成槽框的穿是中间的三层复合板改为钛板、板压制的盘，孔，这主要是因为膜漏造成阴极NaOH液进入 外框的材质由不锈钢改为碳钢，改进主要目的阳极侧，高能极化槽框电化腐蚀造成、， 是降低原材料成本。单元槽外形尺寸为2 400 13零电位的漂移造成槽框的腐蚀1Timl 200 rflill，厚度为60 mm，密封面宽度 不雅发现每台电解槽在设计时总是以双2123lnrn，单元槽有效面积为27秆，采用 数膜运行为佳，其实，这是为了防止漏电流对 多孔光滑阳极板，使交换膜平稳贴在阳极板 槽框的腐蚀，如果是双数膜运行，那幺包括端 上，既保护了膜又减少液体电阻。阴极是在抗 框在内就会是单数槽框，这样最中闻的槽框就 腐蚀的导体基体上喷涂Nio电催化剂和稳定 是零电位处槽框，正负漏电流为零，这样槽框 剂制成较粗糙的阴极网板，其特点是氢过电压 将不会被腐蚀。反之，易使零电位漂移，总会 低、成本低、寿命长。 有一块槽框被腐蚀。在生产中，B套第47块22 第十七届氧碱技术年会论丈专辑 槽框在7个月中连续被更换5次之多，后来通同时伴随着H：O分子的大量迁移，而OH一、过增加槽框，使运行的离子膜达到双数，此现 Cl受同离子相斥的作用被分别排斥在阳极 j，j叫jj，J蚓0 象也就没有了。另外，正、负漏电流半区的槽室，从而达到生成NaOH液不迁移到阳极室 框位置放错，也会造成槽框的电化腐蚀，槽框 而降低电效，并且CI不致于迁移到阴极室 的极板轻微穿孔。 而污染产品烧碱，这也正是离子膜法翩碱的14电解槽槽框的维护及保养最大工艺优点。旭化成工艺的离子膜装置一般为1万“a22离子交换膜故障原因分析 的单元槽框装置，每套一般设计100张复合 当离子膜工艺的核心部件离子交换膜出 膜，为了确保生产的平稳性，每套装置必须有现故障时，将直接影响整个装置的平稳运行，810个备用单元槽框，随时对出现故障的 而离子交换膜故障主要表现在膜穿孔(膜 单元槽框进行更换。大多数企业的备用槽框 漏)、膜针孔、膜起水泡等现象，这些故障导致 均露置在厂房内，这样阴、阳极板长期处于酸 电流效率下降，直流电耗上升，槽电压上升， 性空气中易被腐蚀，使涂层失活，般应将阴 产品烧碱含Naa量上升，下面就影响离子 阳两极对接并密封。再以稀碱液保养为佳，阴交换膜的具体原因进行分析。 极、阳极对接通氮气保护为宜，确保备用槽的22t盐水质量的波动导致交换膜的性能下降 使用寿命；为了方便也可以做一个大型密封盐水质量始终是离子膜平稳运行的关 箱使备用框长期处于惰性气体(N：)的野境 键因素，盐水通过一次、=次精制后，使含D中，防止槽框极板的氧化腐蚀。(NaCl)3059L、含金属离子m(ca”)22离子交换膜故障原因分析10。8、(M92)2 x 108、山(F?+)221离子交换膜的结构及工作原理10一，合格的精制盐水进入电解槽的阳极室， 离子交换膜是整个离子膜电解制碱生产如果盐水质量下降，特别是金属离子含量超 装置的核心可以说，整个盐水的精制其目的 。标，在电槽内由于电场的作用，这些阳离子吸 就是为了保护离子交换膜，延长其使用寿命，向交换膜内，与阴极室内反迁的oH一形成结 使其长期处于高电效、低电耗的工作状态。晶状的Ca(OH)2、Mg(OH)：，Fe(oH)3沉淀，目前国内使用的离子交换膜有Flemion、Aci堵塞膜孔隙，从而影响Na+的迁移，膜电流p|ex和Nafion等型号。尽管品牌不一样，但 效率下降，同时膜电阻上升造成槽电压上升， 其结构和工作原理是相似的，属于一种阳离 最终导致电耗上升及制碱成本上升。 子选择性交换膜，并且多为两层膜压台而成222槽差压的波动造成膜的使用性能下降 的，其中羧酸层较薄，该层有高密度的离子交一般阴极室的压力都大于阳极室，使离 换基团，对Na有高度的选择性而排斥子交换膜平稳贴在光滑的阳极网上。避免了 OH一、CI一，这一层具有较高的电阻；磺酸层 膜的机械损伤。在生产过程中，特别是在开较厚，主要起机械加固作用，前者具有选择 停车的过程中，阴、阳极室的差压波动频繁， 性，主要控制膜的电流效率后者对膜的电压 使离子交换膜震动强烈，特别是当差压小于 起到关键性控制作用，这两层的使用性能直 零时交换膜会用力贴向粗糙的阴极网上。这 接表现在膜电流效率及膜的电压降。当离子 样会对交换膜造成严重危害，使膜出现针孔， 交换膜处在直流电负荷产生的电场工作状态 长期如此会造成膜漏，表现为出液管变色，单 时，盐水(阳极液)中的Na+从一个固定负电 槽电压明显下降，碱中NaCJ含量上升，最终 荷(一SO。一)向下一个固定负电荷迁移，Na+ 不得不停车换膜。 以这种方式从电解槽阳极室向阴极室迁移，223电解擅的泄鬟造成离子交接膜的掼寄第十七届氯碱技术年套论文专辑23我厂2万“a离子膜烧碱装置采用油压 频繁，使膜震动严重，槽框极板上的焊点毛刺易 系统对电解槽进行严格密封，这既是安全生 使泡破裂，造成复合膜羧酸层阻挡OH一和a一 产的需要，又是离子膜本身的要求，这样可以 的能力形成“短路”。使更多的a一渗透到阴极 防止高流速循环电解液及碱液泄漏，同时也 液中去，使NaOH中Nao含量上升，电流效率 防止有毒有害氯气及易燃易爆氢气的泄褥。 也下降(发现起泡的膜，若未破，对电流效率、 随着电解槽运行期的延长，油压系统的故障NaOH中Naa含量影响甚微)。另外+由于电 出现概率也越来越大，如果不加强巡检、及时 解槽本身结构不合理，复台膜本身有质量问题 停车维修，易造成危害性事故，对离子交换膜 也可造成起泡，并且膜起泡的部位及起泡程度 也会造成永久性的损害。某厂曾因电解槽泄 都差不多。 编造成离子交换膜的损害。1998年5月份表1 事敞前后t要工艺指标 对1993年投产的A套1万ta离子膜装置 墨堂 i ! ! ! ! 一次性全部换膜，于5月下旬一次性开车成 19 000 9 000 9 000 9 O9 000 9 000 9 0。0 9 000 9 000 9 000 功，开车后各项指标都达到较好水平，电流效 n严308 3096 311 o 311 5 311 3 311 3 315 317 317 s 322率平均在96，5左右，阴极室的HCl加入量896759650 96 43 96，22 95 48 95 48 95 21 95 07 94 88 9457在90Lh左右，可以平稳控制阳极液pH值在253，0之间。10月份，由于油压系统I弘5 957 9600 10251l Io7 5 H2，s 156080的引压管破裂造成未锁定(因电槽刚刚降负：296 96 96 96 96 9696 96粥荷)的A槽在第9、10号槽处氢气及碱液的泄漏，导致轻微的氢气起火，最终导致该装置3垫片的老化松脱造成的电解槽泄漏紧急停车，通过紧急抢修后开车，之后膜明显 故障分析 表现为电流效率下降到9485左右，阳极 阴、阳极垫片通过高强度粘合剂粘合在 室加HCl上升至150160 Lh才能维持阳槽框边缘光滑的边界面上，它保证了槽框严 极液pH值在2530之间。据取样分析，格密封，随着离子膜电解槽使用期的延长会 离子交换膜在部分面积形成针L，这是由于发生电解槽垫片处时有轻微泄漏电解液或 电解槽的泄漏，造成槽内压差瞬时波动，致使NaOH液，不得不停车进行维修，因为不及时 交换膜强烈震动造成的，这样阴极室的OH一维修会造成漏电流，导致此处槽框腐蚀，引起 返迁量明显增多，而膜对Na+的选择性明显膜起泡甚至膜漏。另外电解液的泄漏会造成f降，表现为电流效率的下降，表1是事故前 次氯酸局部腐蚀，使垫片老化、脱落。去年我后重要工艺指标的部分原始数据。厂在对1万La A套离子膜进行换膜及换垫224复台膜起泡的成因分析片过程中发现曾经泄漏过的垫片处几乎有 一般阳极液浓度应控制盐水含a在98的垫片老化脱落，不得不进行重新更换。 (馋51)，也就是196-205 gI，如果进槽盐其次，由于阳极液进槽软管的堵塞，造成 水浓度偏低(290 dL)，易造成阳极液浓度偏 槽内短时间盐水中断，使槽内压差迅建增大， 低，如果浓度偏低时间过长由于水分在复合膜然后由于某种因素又使该处软管通畅，此时两层中的渗透速度不同(磺酸层大于羧酸层)， 由于槽内压差的大幅度波动，易造成垫片冲 易在复合膜界面层中破坏水渗透量的平衡，使 掉，使槽内电解液或碱液严重泄漏由于设计 膜起泡。并且在电槽运行时，泡内为NaOH和 结构不尽合理，单元槽内循环状甚至造成严 Naa水溶液，停车排液洗槽后，泡内为水。如 重的安全事故。因此，只要发现某单元槽阳果因操作有误或开停车频繁，导致槽差压波动极液进口软管堵塞，应紧急停(下转第34页)34 第十七届氯碱技术年套论文专辑 由于设计结构不尽合理，单元槽内循环状态 工艺、设计、安装、操作以及运行管理一整套技不良，导致电解液浓度不均，一般运行半年后术，多年的生产实践证实丁离子膜电解技术碡 即出现膜大量起泡而破裂。为此，北京化工 实是一项节能的换代技术，并具有良好的经济机械厂正进行着不懈的试验研究工作。根据 效益。通过离子膜电解槽制造技术的引进、消目前的试验进展预计在不太久的时间内将 化、吸收，我国掌握了离子膜电解槽由设计、制吲_翻一攻破难关，设计并制造出能推向氯碱工业用 造到检验的全套技术，并成功地开发出具有中的自然循环复极槽。在进行这些工业化试验 国特色的国产化离子膜电解槽。 的工作中，北京化工机械厂得到了氯碱厂的国产化离子膜电解槽的成功开发结束了 大力协作与支持。试验工作能有进展，是与我国离子膜电解槽依赖进口的局面，为国家 这些氯碱厂的通力合作密不可分的。节约了采用成套引进方式所需花费的大量外目前用于国内的迪诺拉电解槽，在运转 汇，或采用引进技术制造离子膜电解槽需向 一段时间以后，出现大量的单元槽泄漏以至外商交付的制造提成费，更为国内用户节省 影响电解槽的正常运行，该电解槽由于存在 了重复交给外商提供离子膜烧碱生产工艺的 设计结构的问题，槽体出现泄漏后，无法进行 专利和技术秘密使用费、基础设计费和技术 有效的修理，丽订购国外的备件价格叉甚高。 服务费等。 为此，北京化工机械厂与有关用户密切合作，目前，国产化离子膜电解槽的价格已与 正在开发用于该电解槽上的具有国产化结构 国际价格接轨，这就意味着用户采用国产化 特色的单元电解槽，预计其价格4一七进口的 离子膜电解槽将可节约占电解槽价值约 备件价格大幅度降低，而其性能不低于进口25左右的诸项进口关税，为用户节约大量 的备件性能，其长期稳定的耐用性将超过进 的投资费用。由以上情况可见，为摆脱我国口品。离子膜烧碱发展的困境，应迸一步大力推广4结束语应用国产化电解槽。这也是进一步实现我国自】986年起至今的十儿年里，离子膜法 氯碱工业现代化的必由之路，是使我国氯碱电解制碱技术在我国氯碱工业领域经历了从工业立足于世界先进之林的需要。因此国产无到有并得到迅速推广应用的过程，在这个过化离子膜电解槽的进一步推广应用具有重大 程中，我国逐步掌握了离子膜制碱技术的全部的经侪效益和深远的历史意义。gn毪dd!d!砖5dd垂dh