離子膜電解制堿技術(shù)是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的技術(shù),與隔膜法和水銀法電解制堿相比,具有技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。離子膜電解制堿工藝,在我國氯堿工業(yè)中已具有較大規(guī)模。離子膜燒堿采用鹵水為原料進(jìn)行生產(chǎn),鈦結(jié)晶器、鈦列管式換熱器等鈦設(shè)備在離子膜制堿工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。
一、離子膜電解制堿工藝過程的特點(diǎn)
(1)離子膜電解制堿工藝,對進(jìn)槽鹽水的質(zhì)量要求非常高,進(jìn)槽鹽水除了要達(dá)到一定濃度(305±5g/L)和溫度(77.5±7.5℃)外,對其中雜質(zhì)的含量有著極其嚴(yán)格的要求,因此鹽水必須經(jīng)過精制和加熱才能達(dá)到生產(chǎn)要求。
(2)采用離子膜電解制堿技術(shù),生產(chǎn)中要產(chǎn)生大量的高溫濕氯氣,溫度在75～90℃,需要經(jīng)過冷卻和干燥才能使用。
(3)離子膜電解制堿過程中,由于生產(chǎn)上的原因,電解后的淡鹽水中將存在NaOH、Na2CO3、Ba2+、ClO-、ClO3-等雜質(zhì);電解后的淡鹽水溫度為83～85℃左右;陰極槽生產(chǎn)出的燒堿濃度為28%～32%,溫度為85℃左右。
(4)鹽水中的NaCl以及淡鹽水中的NaOH、Na2CO3、ClO-、ClO3-等雜質(zhì)以及高溫濕氯氣、燒堿等具有極強(qiáng)的腐蝕性,一般金屬材料不能承受此種腐蝕。這些因素決定了在離子膜電解制堿過程中,必須慎重選擇其生產(chǎn)裝置及管道材料,否則生產(chǎn)中會出現(xiàn)跑、冒、滴、漏等現(xiàn)象,嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量,并將大幅增加設(shè)備維護(hù)和生產(chǎn)成本。
二、離子膜燒堿工業(yè)選用鈦設(shè)備的依據(jù)
(1)生產(chǎn)實(shí)踐證明,鈦在≤140℃的范圍內(nèi),在各種濃度的氯化鈉溶液中幾乎不被腐蝕,比不銹鋼316L和銅鎳合金等都有高得多的耐腐蝕性能;鈦具有很強(qiáng)的鈍化性,并具有能迅速修復(fù)其受損的保護(hù)性氧化膜的能力;工業(yè)純鈦對接觸腐蝕、點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕等都不敏感;鈦在高溫濕氯氣中耐腐蝕能力非常強(qiáng),鈦在常溫的氯水中,腐蝕速率為0.000565mm/a;在溫度為80℃的氯水中,腐蝕速率為0.00431mm/a;在95%的濕氯氣中,常溫下鈦的腐蝕速率為0.00096mm/a。
(2)鈦由于表面氧化膜的浸潤性很差,表面光滑而又無腐蝕,因而不易結(jié)垢,比其他金屬要好。鈦的導(dǎo)熱系數(shù)比碳鋼和銅低,與不銹鋼相似,但鈦具有優(yōu)異的耐腐蝕性能,所以壁厚可以大大減薄,而且鈦表面與蒸汽的換熱方式為滴狀冷凝,減少了熱阻,鈦的表面不結(jié)垢,使鈦的換熱性能顯著提高,非常適合制作腐蝕性介質(zhì)的換熱設(shè)備。
(3)由于鈦具有優(yōu)異的耐腐蝕性能,所以離子膜燒堿工業(yè)應(yīng)用鈦設(shè)備具有顯著優(yōu)點(diǎn):首先,延長設(shè)備的使用壽命,減少設(shè)備及管道的維修頻率,從根本上解決跑、冒、滴、漏等問題,節(jié)約能源,增加有效生產(chǎn)時間。其次,使用鈦設(shè)備及管道,可以減少設(shè)備及管道的材料費(fèi)用,降低生產(chǎn)成本。使用鈦材,雖然一次性投資較大,但從全面看,從長遠(yuǎn)看是經(jīng)濟(jì)的。
鈦材價(jià)格是不銹鋼的6倍,但其密度僅為不銹鋼的1/2(鈦密度4.51g/cm3,不銹鋼密度7.93g/cm3),而且鈦的耐腐蝕性較不銹鋼強(qiáng)得多,制造設(shè)備及管道時,在滿足設(shè)計(jì)壓力的前提下,可選用較不銹鋼更薄的壁厚,鈦材的實(shí)際用量比不銹鋼減少很多。
由此可見,鈦材的實(shí)際投資只有不銹鋼的兩倍左右,由于鈦制品使用壽命長,從而減少了設(shè)備及管道的更新費(fèi)用和頻繁的維修費(fèi)用,實(shí)際上是節(jié)省開支,降低了成本。每使用1t鈦材每年可獲得10萬元的經(jīng)濟(jì)效益。由于鈦材可解決設(shè)備及管道的腐蝕問題,避免了由于設(shè)備及管道的腐蝕對鹽水及燒堿的污染。
(4)鈦在地殼中的儲量很高,僅次于鐵、鋁、鎂,居第四位,比常用金屬銅、鎳、鉛、鋅的總和還多十幾倍。我國的鈦資源極其豐富,已探明的儲量居世界首位,將為我國離子膜燒堿工業(yè)鈦設(shè)備的廣泛應(yīng)用提供有力支持。
根據(jù)以上所述,鈦是能夠適應(yīng)離子膜燒堿工業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)和全面滿足其使用要求的一種理想材料。
三、鈦設(shè)備的應(yīng)用
公司離子膜燒堿生產(chǎn)裝置中,鈦的主要應(yīng)用有:陽極系統(tǒng)的陽極液槽;濃鹽水系統(tǒng)的加熱器,濃鹽水泵;淡鹽水系統(tǒng)的淡鹽水泵、脫氯塔、淡鹽水分配器、儀表、冷卻器;次氯酸鈉系統(tǒng)的冷卻器、吸收塔、分離器;氯氣處理系統(tǒng)的濕氯冷卻器;鹽水系統(tǒng)的液面計(jì);除害系統(tǒng)的換熱器、除害風(fēng)機(jī);堿液系統(tǒng)的堿液循環(huán)泵、堿液冷卻器以及上述各系統(tǒng)的管道。
四、使用鈦設(shè)備必須注意的問題
(1)鈦不能用于干氯氣中。鈦在干氯氣中,即使溫度在0℃以下,也會發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng),生成四氯化鈦,再分解為二氯化鈦,甚至燃燒。只有氯氣中的含水量在0.5%以上時,鈦在其中才能保持可靠的穩(wěn)定性。
(2)鈦制設(shè)備被鐵污染后,將會降低其耐腐蝕能力,使鈦更吸氫,并通過氫化作用而引起脆變,被鐵污染越嚴(yán)重,鈦的吸氫現(xiàn)象就越厲害。因此,在加工、運(yùn)輸、安裝、檢修和維護(hù)鈦設(shè)備時,應(yīng)盡可能不使用鋼質(zhì)工具。
(3)鈦設(shè)備及管道在使用中易發(fā)生縫隙腐蝕,尤其是寬度為0.5mm左右的縫隙更易發(fā)生腐蝕。縫隙腐蝕常發(fā)生在換熱器的管子與管板的連接處、鈦與非金屬墊片的接觸處,另外在溫度高于120℃的飽和鹽水中也易發(fā)生縫隙腐蝕。
防止縫隙腐蝕可采取的措施有:
設(shè)備及管道上避免存在縫隙和積滯區(qū);采用鈦鈀合金法蘭焊環(huán)或者用鈦墊片及鈦包墊片;換熱用鈦管與管板的連接采用強(qiáng)度脹加密封焊;控制飽和食鹽水的溫度在70～85℃之間。
五、結(jié)束語
鈦在地殼中的儲量雖然非常豐富,但由于其化學(xué)活性很高,在高溫下化合能力極強(qiáng),可與氧、碳、氮以及其他許多元素化合。在進(jìn)行鈦的冶煉時,這些元素的存在,將與鈦化合生成鈦的化合物,使鈦?zhàn)兇?嚴(yán)重影響其力學(xué)性能,所以不論在冶煉、鑄造或者焊接的時候,都必須防止這些元素“侵襲”鈦。這就造成鈦的冶煉異常困難,生產(chǎn)成本非常高,使其應(yīng)用受到限制。隨著鈦的冶煉技術(shù)的不斷改進(jìn)和提高以及離子膜燒堿工業(yè)的發(fā)展壯大,相信在不久的將來,鈦設(shè)備在離子膜燒堿工業(yè)中的應(yīng)用將會越來越廣。
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