氯堿行業(yè)離子膜電解槽電壓測(cè)量裝置

工業(yè)上用電解飽和NaCl溶液的方法來制取NaOH、Cl2和H2，并以它們?yōu)樵仙a(chǎn)一系列化工產(chǎn)品，稱為氯堿工業(yè)。氯堿工業(yè)是最基本的化學(xué)工業(yè)之一，它的產(chǎn)品除應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)本身外，還廣泛應(yīng)用于輕工業(yè)、紡織工業(yè)、冶金工業(yè)、石油化學(xué)工業(yè)以及公用事業(yè)，我公司在此行業(yè)有很強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和工程能力。

一、 電解飽和食鹽水反應(yīng)原理

【實(shí)驗(yàn)】 在U型管里裝入飽和食鹽水，用一根碳棒作陽極，一根鐵棒作陰極（如右圖）。同時(shí)在兩邊管中各滴入幾滴酚酞試液，并把濕潤(rùn)的碘化鉀淀粉試紙放在陽極附近。接通直流電源后，注意觀察管內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象及試紙顏色的變化。

從實(shí)驗(yàn)可以看到，在U型管的兩個(gè)電極上都有氣體放出。陽極放出的氣體有刺激性氣味，并且能使?jié)駶?rùn)的碘化鉀淀粉試紙變藍(lán)，說明放出的是Cl2；陰極放出的氣體是H2，同時(shí)發(fā)現(xiàn)陰極附近溶液變紅，這說明溶液里有堿性物質(zhì)生成。

這是因?yàn)镹aCl是強(qiáng)電解質(zhì)，在溶液里完全電離，水是弱電解質(zhì)，也微弱電離，因此在溶液中存在Na+、H+、Cl-、OH-四種離子。當(dāng)接通直流電源后，帶負(fù)電的OH-和Cl-向陽極移動(dòng)，帶正電的Na+和H+向陰極移動(dòng)。在這樣的電解條件下，Cl-比OH-更易失去電子，在陽極被氧化成氯原子，氯原子結(jié)合成氯分子放出，使?jié)駶?rùn)的碘化鉀淀粉試紙變藍(lán)。

陽極反應(yīng)：2Cl-－2e-=Cl2↑（氧化反應(yīng)）

H+比Na+容易得到電子，因而H+不斷地從陰極獲得電子被還原為氫原子，并結(jié)合成氫分子從陰極放出。

陰極反應(yīng)：2H+＋2e-＝H2↑（還原反應(yīng)）

在上述反應(yīng)中，H+是由水的電離生成的，由于H+在陰極上不斷得到電子而生成H2放出，破壞了附近的水的電離平衡，水分子繼續(xù)電離出H+和OH-，

H+又不斷得到電子變成H2，結(jié)果在陰極區(qū)溶液里OH-的濃度相對(duì)地增大，使酚酞試液變紅。因此，電解飽和食鹽水的總反應(yīng)可以表示為：

工業(yè)上利用這一反應(yīng)原理，制取燒堿、氯氣和氫氣。

在上面的電解飽和食鹽水的實(shí)驗(yàn)中，電解產(chǎn)物之間能夠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如NaOH溶液和Cl2能反應(yīng)生成NaClO、H2和Cl2混合遇火能發(fā)生爆炸。在工業(yè)生產(chǎn)中，要避免這幾種產(chǎn)物混合，常使反應(yīng)在特殊的電解槽中進(jìn)行。

二、 離子交換膜法制燒堿

目前世界上比較先進(jìn)的電解制堿技術(shù)是離子交換膜法。這一技術(shù)在20世紀(jì)50年代開始研究，80年代開始工業(yè)化生產(chǎn)。

離子交換膜電解槽主要由陽極、陰極、離子交換膜、電解槽框和導(dǎo)電銅棒等組成，每臺(tái)電解槽由若干個(gè)單元槽串聯(lián)或并聯(lián)組成。右圖表示的是一個(gè)單元槽的示意圖。電解槽的陽極用金屬鈦網(wǎng)制成，為了延長(zhǎng)電極使用壽命和提高電解效率，鈦陽極網(wǎng)上涂有鈦、釕等氧化物涂層；陰極由碳鋼網(wǎng)制成，上面涂有鎳涂層；陽離子交換膜把電解槽隔成陰極室和陽極室。陽離子交換膜有一種特殊的性質(zhì)，即它只允許陽離子通過，而阻止陰離子和氣體通過，也就是說只允許Na+通過，而Cl-、OH-和氣體則不能通過。這樣既能防止陰極產(chǎn)生的H2和陽極產(chǎn)生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO而影響燒堿的質(zhì)量。下圖是一臺(tái)離子交換膜電解槽（包括16個(gè)單元槽）。

精制的飽和食鹽水進(jìn)入陽極室；純水（加入一定量的NaOH溶液）加入陰極室。通電時(shí)，H2O在陰極表面放電生成H2，Na+穿過離子膜由陽極室進(jìn)入陰極室，導(dǎo)出的陰極液中含有NaOH；Cl-則在陽極表面放電生成Cl2。電解后的淡鹽水從陽極導(dǎo)出，可重新用于配制食鹽水。

離子交換膜法電解制堿的主要生產(chǎn)流程可以簡(jiǎn)單表示如下圖所示：

電解法制堿的主要原料是飽和食鹽水，由于粗鹽水中含有泥沙、

精制食鹽水時(shí)經(jīng)常加入Na2CO3、NaOH、BaCl2等，使雜質(zhì)成為沉淀過濾除去，然后加入鹽酸調(diào)節(jié)鹽水的pH。例如：

加入Na2CO3溶液以除去Ca2+：

加入NaOH溶液以除去Mg2+、Fe3+等：

Mg2+＋2OH-＝Mg(OH)2↓

Fe3+＋3OH-＝Fe(OH)3↓

以除去過量的Ba2+：

這樣處理后的鹽水仍含有一些Ca2+、Mg2+等金屬離子，由于這些陽離子在堿性環(huán)境中會(huì)生成沉淀，損壞離子交換膜，因此該鹽水還需送入陽離子交換塔，進(jìn)一步通過陽離子交換樹脂除去Ca2+、Mg2+等。這時(shí)的精制鹽水就可以送往電解槽中進(jìn)行電解了。

離子交換膜法制堿技術(shù)，具有設(shè)備占地面積小、能連續(xù)生產(chǎn)、生產(chǎn)能力大、產(chǎn)品質(zhì)量高、能適應(yīng)電流波動(dòng)、能耗低、污染小等優(yōu)點(diǎn)，是氯堿工業(yè)發(fā)展的方向。

三、 以氯堿工業(yè)為基礎(chǔ)的化工生產(chǎn)

NaOH、Cl2和H2都是重要的化工生產(chǎn)原料，可以進(jìn)一步加工成多種化工產(chǎn)品，廣泛用于各工業(yè)。所以氯堿工業(yè)及相關(guān)產(chǎn)品幾乎涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)及人民生活的各個(gè)領(lǐng)域。

由電解槽流出的陰極液中含有30％的NaOH，稱為液堿，液堿經(jīng)蒸發(fā)、結(jié)晶可以得到固堿。陰極區(qū)的另一產(chǎn)物濕氫氣經(jīng)冷卻、洗滌、壓縮后被送往氫氣貯柜。陽極區(qū)產(chǎn)物濕氯氣經(jīng)冷卻、干燥、凈化、壓縮后可得到液氯。

以氯堿工業(yè)為基礎(chǔ)的化工生產(chǎn)及產(chǎn)品的主要用途見下圖。

隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)以氯堿工業(yè)為基礎(chǔ)的化工生產(chǎn)過程中所造成的污染及其產(chǎn)品對(duì)環(huán)境造成的影響越來越重視。例如，現(xiàn)已查明某些有機(jī)氯溶劑有致癌作用，氟氯烴會(huì)破壞臭氧層等，因此已停止生產(chǎn)某些有機(jī)氯產(chǎn)品。我們?cè)诔浞职l(fā)揮氯堿工業(yè)及以氯堿工業(yè)為基礎(chǔ)的化工生產(chǎn)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用的同時(shí)，應(yīng)盡量減小其對(duì)環(huán)境的不利影響。

我國(guó)最早的氯堿工廠是1930年投產(chǎn)的上海天原電化廠（現(xiàn)上海天原化工廠的前身），日產(chǎn)燒堿2t。到1949年解放時(shí)，全國(guó)只有少數(shù)幾家氯堿廠，燒堿年產(chǎn)量?jī)H1.5萬噸，氯產(chǎn)品只有鹽酸、液氯、漂白粉等幾種。

近年來，我國(guó)的氯堿工業(yè)在產(chǎn)量、質(zhì)量、品種、生產(chǎn)技術(shù)等方面都得到很大發(fā)展。到1990年，燒堿產(chǎn)量達(dá)331萬噸，僅次于美國(guó)和日本，位于世界第三位。1995年，燒堿產(chǎn)量達(dá)496萬噸，其中用離子交換膜電解法生產(chǎn)的達(dá)56.2萬噸，占總產(chǎn)量的11.3％。到2000年，燒堿年產(chǎn)量將達(dá)540萬噸，其中用離子膜電解法生產(chǎn)的將達(dá)180萬噸，占33.3％。

四、 電解槽電壓監(jiān)控程序

以某廠電解工序?yàn)槔?，共?臺(tái)電解槽，Ⅰ期5臺(tái)串聯(lián)，Ⅱ期4臺(tái)串聯(lián)，分別由12.5KA和15.8KA二套整流裝置供電，每臺(tái)電解槽均由29個(gè)單元槽組成。

離子膜制堿裝置的電槽運(yùn)行是否良好、安全，可以通過電解槽電壓監(jiān)控程序得到反映。為此系統(tǒng)須分別對(duì)二套裝置的單元槽電壓全程監(jiān)控，當(dāng)任一單元電壓≥4V時(shí)，觸發(fā)停整流聯(lián)鎖，同時(shí)每臺(tái)電解槽有獨(dú)立的電壓監(jiān)控程序，該程序?qū)?shí)測(cè)的電槽電壓根據(jù)當(dāng)前的整流負(fù)荷和陰極液溫度進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算后，與理論電壓比較，當(dāng)其偏差超出某一值后，進(jìn)行報(bào)警處理。工藝人員可以根據(jù)電槽的實(shí)際情況，調(diào)整參數(shù)Ko，Dvo以及偏差報(bào)警限D(zhuǎn)Vst – DVth。

電壓監(jiān)控程序框圖如下：

五、 對(duì)控制設(shè)備的要求

在離子膜制堿工藝中有較多的聯(lián)鎖控制，如在整流、壓力、液位、溫度、流量、PH、REDOX、泵、風(fēng)機(jī)、調(diào)節(jié)閥、ON/OFF閥之間有許多復(fù)雜的安全聯(lián)鎖。這里舉例介紹緊急停整流聯(lián)鎖和氫氣切斷閥緊急開關(guān)聯(lián)鎖。

1． 緊急停整流和整流停的聯(lián)鎖

2． 系統(tǒng)要有較強(qiáng)的PLC的程控功能

二套裝置中有鹽水一次精制、二次精制，電槽電壓監(jiān)控等5個(gè)較大規(guī)模的控制程序及較復(fù)雜的安全連鎖程序。為了統(tǒng)一監(jiān)控和操作，同時(shí)為了降低系統(tǒng)成本，故要求全部功能在一套DCS中實(shí)現(xiàn)。

3． 抗強(qiáng)磁場(chǎng)干擾能力

由于現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，控制室環(huán)境比較惡劣，有二個(gè)近距離的1.25萬和1.58萬安的大直流電，還有一個(gè)離開約5m的5.7萬安大直流電流（隔膜槽）的強(qiáng)磁場(chǎng)干擾，故對(duì)控制系統(tǒng)的抗強(qiáng)磁場(chǎng)干擾能力、安全穩(wěn)定性、可靠性、實(shí)時(shí)控制精度等要求高。

4． 抗強(qiáng)共模電壓干擾

電槽單元電壓對(duì)于保護(hù)昂貴的離子膜是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)，需采集每個(gè)單元電壓并參加報(bào)警、連鎖。DD復(fù)極槽裝置是5臺(tái)串聯(lián)，DN復(fù)極槽是4臺(tái)串聯(lián)，而每臺(tái)電槽由29個(gè)電槽單元組成，正常時(shí)每個(gè)單元電壓約為3.25V，這樣電槽單元電壓測(cè)量信號(hào)的共模輸入電壓最高可達(dá)500V以上。按照慣例，每個(gè)電壓信號(hào)要配置一個(gè)隔離器以隔離共模干擾信號(hào)，若信號(hào)直接接入DCS，信號(hào)極易受到干擾，而且對(duì)DCS板卡是一個(gè)極大的考驗(yàn)。

六、 M-SYSTEM產(chǎn)品在氯堿行業(yè)的應(yīng)用

(一) M5VS在氯堿行業(yè)電解槽電壓監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

M-SYSTEM M5系列隔離器在氯堿行業(yè)的電解槽槽電壓監(jiān)測(cè)方面有廣泛的應(yīng)用。因?yàn)槁葔A行業(yè)電解槽槽電壓監(jiān)測(cè)的行業(yè)特殊性，對(duì)隔離器的要求相對(duì)也比較高。例如：隔離器的零漂應(yīng)盡可能的??；穩(wěn)定性要好；重復(fù)性要好。這樣才能直觀的反映出每個(gè)電解槽的運(yùn)行狀態(tài)和可用性狀態(tài)。若隔離器的指標(biāo)達(dá)不到預(yù)期要求將會(huì)直接影響到生產(chǎn)過程，造成不必要的停車。

(二) 遠(yuǎn)程IO R3在氯堿行業(yè)電壓監(jiān)測(cè)方面的的應(yīng)用

M-SYSTEM R3系列遠(yuǎn)程IO采用通訊方式，為多點(diǎn)的信號(hào)傳送提供了一個(gè)最經(jīng)濟(jì)的解決方案。將多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)通過通訊線傳送到控制室，可以節(jié)省大量用戶現(xiàn)場(chǎng)安裝費(fèi)用，另外還可以為用戶節(jié)省DCS的轉(zhuǎn)換卡件、DCS的規(guī)模授權(quán)費(fèi)用、信號(hào)電纜及機(jī)柜安裝空間。

M-SYSTEM R3系列遠(yuǎn)程IO為現(xiàn)場(chǎng)安裝，由現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)接線柜、安裝底板、電源卡件、通訊卡件、IO卡件組成。槽電壓測(cè)點(diǎn)通過安裝在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜中的IO模塊連接，并將采集的槽電壓信號(hào)以數(shù)字方式傳送到控制室。另外，電源和通訊可分別或全部可采用冗余配置。

電源卡件的的供電采用220AC或24DC，通訊電纜采用屏蔽雙絞線。在不加中繼器的情況下最大可傳輸1200m。通訊的波特率從300到19200bps可選。通訊卡件同DCS的通訊協(xié)議根據(jù)要求選擇，通訊卡件可直接與絕大部分DCS 系統(tǒng)（如Honeywell,Yokogawa,ABB，Emerson,Foxboro等）進(jìn)行通訊連接

1) 特點(diǎn)：

M-SYSTEM R3系列遠(yuǎn)程IO是一種先進(jìn)的總線方式傳送的系統(tǒng)，它可以大大節(jié)省用戶的補(bǔ)償電纜和電纜的施工費(fèi)用。M-SYSTEM R3系列遠(yuǎn)程IO的特點(diǎn)如下：

1， 傳感器信號(hào)就地接入遠(yuǎn)程IO系統(tǒng)，通過通訊總線和DCS連接，節(jié)省大量的信號(hào)電纜。

2， M-SYSTEM R3系列遠(yuǎn)程IO同DCS的通訊方式是：一個(gè)DCS 的Modbus卡可以帶3個(gè)R3節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的IO通道數(shù)為8*13=104點(diǎn)，所以使用M-SYSTEM R3系列遠(yuǎn)程IO可以節(jié)省大量的DCS I/O卡件。

3， 同上為機(jī)的通訊采用開放的協(xié)議，可以同各家DCS （Honeywell,Yokogawa,ABB，Emerson,Foxboro等）進(jìn)行通訊連接。

4， 現(xiàn)場(chǎng)R3節(jié)點(diǎn)與中控室可采用冗余的方式通訊，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2) 結(jié)構(gòu)圖和系統(tǒng)配置

1.結(jié)構(gòu)圖

2.系統(tǒng)配置

若R3放置在現(xiàn)場(chǎng)，整個(gè)R3節(jié)點(diǎn)安裝在CT4的防爆箱內(nèi)。若放在控制室，可安裝在控制柜中。

3．M-SYSTEM R3 系列技術(shù)指標(biāo)

特點(diǎn)：

●全隔離（輸入－通訊總線－電源－大地間）1500V AC@1分鐘

●端子接線構(gòu)造

●卡件可帶電插拔

●滿足CE指令

●帶電源和運(yùn)行顯示燈

4、R3遠(yuǎn)程IO系統(tǒng)的可靠性評(píng)估

每個(gè)R3節(jié)點(diǎn)可配置兩個(gè)電源卡件，卡件的供電來自不同的電源，可保證在一路電源故障的情況下仍能正常工作。R3可用兩條冗余通訊電纜同DCS進(jìn)行通訊，如果一個(gè)通訊口發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)進(jìn)行自動(dòng)切換，從而保證數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。M-SYSTEM中國(guó)公司在近幾年的推廣中同各家DCS都用成功的應(yīng)用實(shí)例。