离子膜烧碱开题报告

1、 本科毕业设计(论文)开题报告题目： 年产量15万吨烧碱车间中 离子膜法制烧碱的模拟设计课 题 类 型： 设计 eq oac(,) 论文学 生 姓 名： 戴兵兵 学 号： 3080404144专 业 班 级： 化工081学 院： 生物与化学工程学院指 导 教 师： 开 题 时 间： 3月 日2012年 3月 9 日氯碱工业离子膜法制烧碱的研究一内容及研究意义内容本设计是对烧碱车间电解工段中，用离子膜法制烧碱的研究。要求年产量：15万吨。离子膜法制烧碱就是采用离子交换膜法电解食盐水而制成烧碱（即氢氧化钠）。其主要原理是因为使用的阳离子交换膜，该膜有特殊的选择透过性，只允许阳离子通过而阻止阴离子和

2、气体通过，即只允许H、Na+通过，而Cl、OH和两极产物H2和Cl2无法通过，因而起到了防止阳极产物Cl2和阴极产物H2相混合而可能导致爆炸的危险，还起到了避免Cl2和阴极另一产物NaOH反应而生成NaClO影响烧碱纯度的作用。主要原料：饱和食盐水，但由于粗盐水中含有泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO42-等杂质，远不能达到电解要求，因此必须经过提纯精制。 离子交换膜法电解制碱的主要生产流程：精制的饱和食盐水进入阳极室；纯水（加入一定量的NaOH溶液）加入阴极室，通电后H2O在阴极表面放电生成H2，Na+则穿过离子膜由阳极室进入阴极室，此时阴极室导入的阴极液中含有NaOH；Cl则在阳极表

3、面放电生成Cl2。电解后的淡盐水则从阳极室导出，经添加食盐增加浓度后可循环利用1。 阴极室注入纯水而非NaCl溶液的原因是阴极室发生反应为2H+2e=H2；而Na+则可透过离子膜到达阴极室生成NaOH溶液，但在电解开始时，为增强溶液导电性，同时又不引入新杂质，阴极室水中往往加入一定量NaOH溶液。 2.研究的意义离子膜法制烧碱优点：(1)烧碱质量高，可满足化纤、制药等行业对高纯烧碱的质量要求。 ( 2)能耗低，国外离子膜法氯碱生产，每吨碱综合能耗(蒸汽消耗折算计入电耗中)为2250kW/h，比隔膜法的平均3 200 kW/h节省950 kW/h。 ( 3)投资节省，离子膜法制烧碱生产比水银法制

4、碱节省投资10%一15%，比石棉隔膜法制碱节省投资15%一25%。 ( 4)无污染，离子膜法氯碱生产没有废物，不存在水银法制碱的汞污染和隔膜法制碱的石棉废物等污染问题。 ( 5)氯气纯度高，通常氯气纯度99%，是很好的有机氯生产原料。 ( 6)氢气纯度高通常氢气纯度99%，可直接用于要求高纯氢的场合。 随着科学技术的迅猛发展，大量的新材料、新工艺、新方法在离子膜结构、电解槽设计和电解工艺等方面应用，给离子膜法制氯碱生产注入了新的活力2。二离子膜法制烧碱发展现状及趋势1.国外发展状况20世纪60年代，国外一些公司开始研究离子膜法氯碱生产技术。1966年，美国杜邦(Dupont)公司开发了化学稳定

5、性好，用于宇宙燃料电池的全氟磺酸阳离子交换膜，并于1972年以后开始转为民用。这种膜能耐电解食盐水制氯碱时高温、高腐蚀介质的苛刻条件，为离子膜法氯碱技术的工业化奠定了基础。1975年，日本旭化成(Asahi Iasei)公司首次将离了膜应用于氯碱生产中，实现了离子膜法氯碱生产的工业化。此后，发达国家竞相研究离子膜法氯碱生产技术，并取得了很大进展。目前，国外有8家公司掌握了包括生产电解槽在内整套的膜法氯碱生产技术3。它们是日本的旭化成(Asahi Glass ) ,氯工程公司（hlorine Engineering Company)、德山曹达(DS)，美国的西方化学(Oxychem )，英国的I

6、neOs(原ICI,Imperial Chemical Industry)，德国的伍德(U hde)和意大利的迪诺拉(De NOra)公司。与此同时，离子膜制烧碱法占世界烧碱总产量的比例也不断上升。1987年，离子膜烧碱占世界烧碱总产量的10% , 1990年上升到18% , 1993年达到23.6% ,2006年达到30%。预计到2012年，离子膜法烧碱将占世界烧碱总产量的40%。离子膜法制碱在能源费用较高的地区发展更加迅速。如在亚太地区，2005年的离子膜法烧碱已经占该地区全部烧碱总产量的67.5 %.2.国内的发展状况及瓶颈去年以来，有关离子膜烧碱项目评审开工投产的消息频频见诸报端：2月

7、，沙隆达年产5万吨离子膜烧碱通过评审；5月，东明石化集团15万吨/年离子膜烧碱项目建设进入实质阶段，计划在2006年底建成投产；6月，焦作昊华年产10万吨离子膜烧碱项目开工；二季度，上海天原的36万吨年新装置投产后，其烧碱年产规模达到76万吨；8月，唐山三友集团年产30万吨烧碱一期工程试生产;10月，山东东营市化工厂二期12万吨离子膜烧碱项目一次性送电成功，顺利投产据统计，仅今年上半年，全国烧碱总产量为717.83万吨，同比增长20%。其中，离子膜烧碱产量为218.58万吨，同比增长35%。种种迹象表明，离子膜烧碱行业目前正在掀起新一轮的投资热潮，我国也无可争议地成为世界第一大烧碱生产国，不少

8、企业已经乐观地等待着接下来赚个钵满盆盈了4。但是伴随着大批新建、扩建氯碱装置投产，预计未来烧碱供大于求的局面难以逆转，产能过剩必然引发市场的无序竞争，价格也会波动较大，将逐渐形成倒U 型的走势。长期以来，一说到离子膜烧碱的发展，技术困境总是被摆在最前面。不可否认，久而久之，好象影响离子膜烧碱健康发展的就只有一个技术问题。离子膜生产技术掌握在少数发达国家手中，这是中国氯碱行业的一块心病，威胁到我们产业的安全。但是，从离子膜烧碱的发展来看，国内企业所面临的远不只是技术问题。隐忧一：使用超前，研发滞后 在当前环保要求严格、油价上涨、能源紧缺的形势下，发展离子膜法烧碱已经成为氯碱企业调整产品结构、节能

9、降耗、保护环境、增强市场竞争力的主要措施，绝大多数企业将离子膜法装置作为扩建和新建氯碱装置的首选，因此，国内离子膜法烧碱的发展十分迅速。目前，国内离子膜法烧碱生产厂家全国共86家，产能排前4名的企业离子膜法烧碱产能均超过了20万吨/年，2009年底前还有3家企业的离子膜法烧碱产能达到或超过20万吨/年。据统计，在2010年底前投产的142.5万吨/年装置中有112.5万吨/年采用离子膜法，到2010年底，国内离子膜法烧碱达产装置能力达到794.7万吨/年，占总产能的49.34%。而到2011年，随着又一批新建、扩建氯碱装置的投产，国内离子膜法烧碱不仅在生产能力上将超过隔膜法烧碱，而且产量也将超

10、过隔膜法烧碱。 我国离子膜法烧碱发展十分迅速，彻底淘汰了水银法烧碱和部分石墨阳极隔膜法烧碱，大大提升和优化了我国氯碱工业的产品结构，促进了相关工业的迅速发展5。目前，世界上能生产离子交换膜法氯碱电解槽的7个生产厂其中包括北京化工机械厂生产的电解槽在国内均有使用厂家，代表当前离子膜法最先进水平的高电流密度、低电流消耗、大单元面积、自然循环工艺的电解槽在我国已有企业采用。但专家指出，与世界发达国家的先进水平尚有一定差距，国内离子膜烧碱行业在某种程度上存在着“使用超前，研发滞后”的问题。 目前国内离子膜法烧碱扩能速度过快，规划存在盲目性。得益于下游产品的市场行情好，和因企业缺盐、缺电限产造成的供不足

11、需，国内烧碱市场出现了近几年少有的火爆行情，其中离子膜法烧碱企业的规模也呈现飞速增长的趋势。但是随着大批新建、扩建装置的投产，烧碱下游产品及离子膜法副产品利用技术的发展速度跟不上，这种行情将不复存在。一些企业，特别是新建装置的企业，对上、下游市场及竞争环境缺乏长远、全面的分析，新增如此多的装置将使原本已过剩的烧碱市场更加不堪重负。另外，从全球的氯碱发展形势看，全球范围内烧碱过剩和产品同质化趋势使市场竞争变得更加激烈，这是各烧碱出口国面临的共同问题。而这也从另外一个方面制约了烧碱行业，特别是离子膜法烧碱的进一步发展。特别值得一提的是，扩能速度如此之快，而所用离子交换膜却全部要依靠进口。离子交换膜

12、是离子膜法烧碱的核心要素之一，目前，我国已建成投产的离子膜法烧碱装置所用离子交换膜仍全部依靠进口，且价格昂贵。进口离子膜按800美元/平方米计，平均2.5年为一更换周期，大约每年需要购膜费用折合人民币约2.756亿元，不但增加了离子膜法烧碱的生产成本，而且受制于人。 隐忧二：能耗高，膜使用寿命短 过去世界各国生产高纯碱都采用水银法。而上个世纪80年代发明了离子膜电解法，因其兼有环保和节能等特性，从90年代开始在世界氯碱行业范围内得到了广泛的推广，在目前几种电解工艺中占据领先的位置。在我国离子膜法烧碱所占比例也在逐年提高，到目前为止已经超过隔膜法，成为我国烧碱生产的主要工艺之一。在离子膜烧碱大规

13、模新增、扩建的浪潮中，更令人担忧的除了技术之外还有很多：虽然我国离子膜法烧碱生产装置在增多,装置技术水平在提高，少数企业的运行指标很先进，但总体运行水平并不高,如电耗、原盐消耗等，离子交换膜的使用寿命与国外先进水平相比还有较大差距。装置连续运行时间短，离子交换膜使用寿命不够长。我国采用离子膜法电解技术装置(无论是国外引进技术，还是国产化技术)已近20年，除少数几家技术水平、管理水平较高的企业之外，能够连续运行3个月以上的装置很少，各装置全年计划外停车次数少则几次，多则十几次，甚至达数十次。而国外发达国家先进水平的企业大多计划外停车全年只有二三次。同样的电槽，同样的膜，同样的电解工艺，我国的膜寿

14、命一般只有24年，平均2.5 年，而国外的膜寿命可达36年，甚至更长。我国计划外故障停车次数每年如能保持在二三次，则离子交换膜寿命有望超过4年6。能耗高于国外先进水平。我国离子膜法烧碱的平均电耗2286kWh/t，与国外先进水平相差17%43%。2011年，我国离子膜法制高纯烧碱的蒸汽消耗平均为0.67吨(折标煤95.7千克)。有些厂家未经蒸发而直接按30%液碱出售，而日本的蒸汽消耗只有0.343吨(折标准煤49千克)，综合能耗国内平均水平比国外高31%左右。盐耗也远高于国外先进水平。国外离子膜法烧碱的盐耗一般在1.5吨以下，国内盐耗一般在1.551.60吨，甚至有些厂高达1.671.76吨，

15、相差50千克左右。隐忧三：未来市场不容乐观 据全国氯碱工业信息中心统计，2010年，是国内新建、扩建装置投产的高峰期，预计在原有基础上还会新增产能261万吨；到2011年，扩产高潮稍有降温，但预计还会有合计产能达99万吨的装置投产，若规划中的几个重量级项目现在或稍后开始建设，2011年投产装置规模甚至还将超过2010年。而在新建和扩建装置中，离子膜法装置占绝对优势。2.发展趋势 分析显示，目前，包括离子膜法装置在内的国内新建和扩建氯碱装置主要有以下特点7：一是原有大型企业加紧扩产。2010年，齐鲁石化氯碱厂投产了20万吨年离子膜烧碱装置，其烧碱年产能力达到46万吨，位居全国首位。2011年，天

16、津大沽化工有限责任公司14万吨年离子膜烧碱装置投产后，烧碱年产能力也将达到46万吨。到2012年，上海天原的36万吨年新装置投产后，其烧碱年产规模将达到76万吨，将重居国内首位。据预测，到2012年，天津大沽化工有限责任公司烧碱年产能力也有可能超过50万吨。目前，国内排名第5的巨化股份有限公司电化厂还将有扩建装置投产。 二是新建装置中大项目多。如内蒙古亿利化学工业有限公司原规划项目年产规模为50万吨，宁夏西部聚氯乙烯有限公司规划项目年产规模为30万吨，陕西金泰氯碱化工有限公司规划项目年产规模为30万吨，三友集团氯碱有限责任公司规划项目年产规模为30万吨。 三是原厂搬迁后装置规模大多扩大。随着国

17、内城市建设速度加快，部分氯碱企业距离市区、居民生活区越来越近，已威胁到周围居民的人身安全，需要迁址重建。这一问题在江苏省显得尤为严重。江苏省有910家氯碱企业需要搬迁或正在搬迁，搬迁后的装置年产规模大多定为20万50万吨。其他省份的一些氯碱厂目前也面临搬迁问题，而且也计划在搬迁时扩大规模。四是原料丰富的地区新建装置。这一现象在山东省尤为突出。山东省盐业资源丰富，电力充足，建氯碱装置有明显的原料优势。据不完全统计，目前，山东省29家企业的氯碱年产能力合计达3195万吨，2010年至2011年有30万吨年扩建装置投产。除此之外，在2011年至2012年，预计山东省还将有5家企业（合计年产规模37万

18、吨）加入到氯碱行业。我国西部地区有丰富的煤炭、石灰石、天然气等资源，一批大规模氯碱项目正在建设或筹建，其中包括内蒙古亿利化学、宁夏西部聚氯乙烯、山西阳煤集团、陕西金泰、内蒙古晨宏力、内蒙古吉兰太等。五是下游产品市场广阔的地区建氯碱厂。这点值得其他氯碱企业关注。如电解铝是烧碱的主要下游产品之一，铝资源丰富的河南、广西均有新的氯碱装置正在建设中。由于烧碱市场的区域特征明显，这些装置的投产将对周边地区的原氯碱企业带来冲击。 根据目前我国烧碱消费水平和氯碱装置的现状，金属阳极隔膜法电解槽和离子膜法电解槽将会在今后较长时间共存(少则10年，多则20多年)。因为我国大部分DSA槽目前仍占有主导地位，而且扩

19、张式金属阳极隔膜法电解槽具有相当的先进水平和竞争力，企图短期内全部用离子膜槽转换或淘汰DSA槽是不现实的，也是极大的浪费。在目前国内市场消费情况下，除合成纤维、医药、试剂、水处理和石油化工等部门外，多数用户如造纸、肥皂、冶金、玻璃、化学品等行业在考虑生产成本的同时，只要隔膜法烧碱能满足使用要求，没有必要使用离子膜法烧碱。目前离子膜法烧碱产能完全能满足国内对高纯碱的需求，随着电解技术进步和创新发展，未来几年即将问世并可商品化的更加先进的氧(空气)阴极离子膜法烧碱，吨碱电耗只有1600千瓦时，对我国目前采用的活性阴极离子膜法烧碱的企业将是严峻的挑战。 专家建议，国家要高度重视，下大力量自主研发或花

20、费大量外汇直接引进国外先进制膜生产技术和装置，组织强大的科技力量，加大资金投入，对树脂合成、制膜工艺、膜表面处理、电槽考核和工业性试验等进行一条龙攻关，尽快实现我国氯碱生产用离子交换膜的国产化、规模化生产。据了解，离子交换膜的研发早已列入国家重点科研项目。作为国家“863”计划的重大科技攻关项目500吨/年全氟离子交换树脂和离子膜项目已在山东东岳国际氟硅材料工业园动工建设，这将对我国氯碱行业产生重大影响，使我国成为继美国、日本之后的第3个能够生产全氟离子交换膜的国家8。国家应实施总量控制，在我国未掌握制膜技术之前，根据国内实际情况，适时适度发展离子膜法烧碱。对于用来淘汰落后的石墨阳极和固定盒式

21、金属阳极隔膜法电解装置的离子膜法烧碱项目应予以大力支持，对于国家重点新建大型离子膜法烧碱项目，必须采用先进的离子膜法电解技术，以增强国际市场竞争力，提升我国氯碱工业的技术水平。同时，专家建议，我国今后新建、扩建离子膜法烧碱装置应由以国外引进为主逐步转向以国产化为主9。三离子膜法制烧碱的研究方案及工作计划1.研究方案10（1）一次盐水精制一次澄清盐水的制备是氯碱生产工艺至关重要的工段，精制效果的好坏直接影响产品的质量和产量。传统性的一次盐水精制工艺，采用配水、化盐、加精制剂反应、澄清、砂滤，然后再经炭素烧结管过滤器过滤。近几年新建氯碱装置一次盐水工艺大都采用膜过滤技术制取精制盐水，该工艺路线省去

22、了砂滤器、炭素烧结管过滤器。经生产实践证明，经膜过滤分离方法制得的一次盐水质量指标、设备投资等都比传统工艺理想。所以一次精制盐水工艺采用膜过滤器过滤工艺。 （2）二次盐水精制离子膜法电解槽使用的高度选择性离子交换膜要求入槽盐水的钙、镁离子含量低于20wtppb，普通的化学精制法只能使盐水中的钙、镁离子含量降到10wtppb左右。若使钙、镁离子含量降到20wtppb的水平，必须用螯合树脂处理。 二次盐水精制的主要工艺设备是螯合树脂塔，分二塔式和三塔式流程。塔的运行与再生处理及其周期性切换程序控制，可由程序控制器PLC实现，PLC与集散控制系统DCS可以实现数据通讯；也可以直接由DCS实现控制。伍

23、迪公司采用的就是二塔式，其他公司采用三塔式流程。建议采用三塔式流程。 （3）电解槽现在能够提供离子膜电解槽的专利商有旭化成、伍迪、氯工程、北化机等厂家，这几家公司的技术都是成熟的。槽型为复极式自然循环离子膜电解槽。 （4）淡盐水脱氯淡盐水脱氯有两种工艺路线：一种采用空气吹除法，该法脱氯效果欠佳，从淡盐水中分离出来的废氯气纯度低，无法汇入湿氯气总管送氯气处理工序，只能由烧碱液循环吸收，制成次氯酸钠溶液。另一种采用真空脱氯法，该法脱氯效果较好，通过蒸汽喷射器或真空泵提供的真空系统将含氯淡盐水中的游离氯抽出分离后进入湿氯气总管。建议采用真空法淡盐水脱氯工艺技术。 （5）氯氢处理氯气处理 由电解槽出来

24、的湿氯气，温度高并伴有大量的水蒸气和杂质，具有较强的腐蚀性，必须经过冷却、干燥和净化处理。 氯气处理系统分为冷却、干燥、输送三部分11。 冷却选用填料式洗涤塔，能够较好地除去湿氯气带出的盐雾，填料采用CPVC花环。氯气冷凝下来的氯水回收送淡盐水脱氯工序。 对于干燥部分，在实践应用中已采用过多种干燥塔型和不同的组合方式，比较典型的有： a、一段泡沫塔、二段泡沫塔； b、一段填料塔、二段泡沫塔； c、一段填料塔、二段泡罩塔。 国内采用最多的是填料塔和泡沫塔组合，这是两种典型的塔。 泡沫塔的特点是结构简单、造价低、塔板数多；缺点是操作弹性小、不便于增加硫酸循环量，操作弹性仅为15%，塔板阻力降大，一

25、般为100-200mmH2O，而且开孔的加工精度、酸泥沉积等因素易影响其操作稳定性。 填料塔操作弹性大，易操作，压降小，但投资大，有效塔板数少。 泡罩塔的特点介于泡沫塔与填料塔制碱，塔板数多，压降与泡沫塔相当，操作弹性比较大。 经过对以往经验的总结、比较，应选择二段干燥；一段为填料干燥塔，二段采用泡罩干燥塔。 目前氯气输送设备有两种形式，一种是液环泵，另一种是离心式压缩机。液环泵对氯气含水量要求不苛刻，但动力消耗大，输送量小，出口氯气压力低，适用于生产规模在5万吨/年烧碱能力以下的氯气输送。离心式压缩机具有输送量大、排气压力较高、运转平衡、得以改善工作环境等优点。该设备能量消耗与同气量液环泵相

26、比节电50%，但要求氯气中含水量100wtppm，适用5万吨/年烧碱规模以上的装置输送氯气。 建议氯气处理工艺方案：湿氯气经氯水洗涤，钛管换热器，氯气除盐、降温后经一段填料塔、二段泡罩塔干燥，使氯气含水量50wtppm，氯气输送选用大型离心式氯气压缩机。 氢气处理 由电解槽出来的氢气温度高、含水量大、且含碱雾，故必须进行冷却。冷却系统分直接冷却和间接冷却两种，建议选择氢气洗涤塔直接洗涤冷却降温、列管换热器间接冷却，水环式氢气压缩机输送。 （6）氯气液化通常根据氯气压缩机压力的不同，将氯气液化方式分为高压法、中压法和低压法三种。高压法消耗冷冻量少，不需要制冷机，能耗低。 2.工作计划查询相关资料与文献，在对烧碱电解工段以及整个烧碱车间的工艺的了解后，确定选择一套能够年产15万吨离子膜制烧碱工艺方法，在确定了原料来源地后，设计