離子膜電解制堿技術是 20 世紀 70 年代出現(xiàn)的技術, 與隔膜法和水銀法電解制堿相比, 具有技術先進、經濟合理、安全環(huán)保等優(yōu)點。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行生產, 鈦設備在離子膜制堿工業(yè)中有著廣泛的應用。

一、離子膜電解制堿工藝過程的特點

( 1 ) 離子膜電解制堿工藝, 對進槽鹽水的質量要求非常高,進槽鹽水除了要達到一定濃度( 305±5g/L ) 和溫度( 77.5±7.5℃ )外, 對其中雜質的含量有著極其嚴格的要求, 因此鹽水必須經過精制和加熱才能達到生產要求。

( 2 ) 采用離子膜電解制堿技術, 生產中要產生大量的高溫濕氯氣, 溫度在 75～90℃ , 需要經過冷卻和干燥才能使用。

( 3 ) 離子膜電解制堿過程中, 由于生產上的原因, 電解后的淡鹽水中將存在 NaOH 、 Na ₂ CO ₃ 、 Ba ²⁺ 、 ClO ^- 、 ClO ₃^- 等雜質; 電解后的淡鹽水溫度為 83～85℃ 左右; 陰極槽生產出的燒堿濃度為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^-等雜質以及高溫濕氯氣、燒堿等具有極強的腐蝕性, 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裝置及管道材料, 否則生產中會出現(xiàn)跑、冒、滴、漏等現(xiàn)象, 嚴重影響生產的正常進行和產品質量, 并將大幅增加設備維護和生產成本。

二、離子膜燒堿工業(yè)選用鈦設備的依據(jù)

( 1 ) 生產實踐證明, 鈦在 ≤140℃ 的范圍內, 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; 鈦具有很強的鈍化性, 并具有能迅速修復其受損的保護性氧化膜的能力; 工業(yè)純鈦對接觸腐蝕、點腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕等都不敏感; 鈦在高溫濕氯氣中耐腐蝕能力非常強, 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, 因而不易結垢, 比其他金屬要好。鈦的導熱系數(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, 鈦的表面不結垢, 使鈦的換熱性能顯著提高, 非常適合制作腐蝕性介質的換熱設備。

( 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)應用鈦設備具有顯著優(yōu)點: 首先, 延長設備的使用壽命, 減少設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, 增加有效生產時間。其次, 使用鈦設備及管道, 可以減少設備及管道的材料費用, 降低生產成本。使用鈦材, 雖然一次性投資較大, 但從全面看, 從長遠看是經濟的。

鈦材價格是不銹鋼的 6 倍, 但其密度僅為不銹鋼的 1/2( 鈦密度 4.51g/cm ³ , 不銹鋼密度 7.93g/cm ³ ) , 而且鈦的耐腐蝕性較不銹鋼強得多, 制造設備及管道時, 在滿足設計壓力的前提下, 可選用較不銹鋼更薄的壁厚, 鈦材的實際用量比不銹鋼減少很多。

由此可見, 鈦材的實際投資只有不銹鋼的兩倍左右, 由于鈦制品使用壽命長, 從而減少了設備及管道的更新費用和頻繁的維修費用, 實際上是節(jié)省開支, 降低了成本。每使用 1t 鈦材每年可獲得 10 萬元的經濟效益。由于鈦材可解決設備及管道的腐蝕問題, 避免了由于設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)鈦設備的廣泛應用提供有力支持。

根據(jù)以上所述, 鈦是能夠適應離子膜燒堿工業(yè)生產特點和全面滿足其使用要求的一種理想材料。

三、鈦設備的應用

公司離子膜燒堿生產裝置中, 鈦的主要應用有: 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; 除害系統(tǒng)的換熱器、除害風機; 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)生劇烈的化學反應, 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 ) 鈦制設備被鐵污染后, 將會降低其耐腐蝕能力, 使鈦更易吸氫, 并通過氫化作用而引起脆變, 被鐵污染越嚴重, 鈦的吸氫現(xiàn)象就越厲害。因此, 在加工、運輸、安裝、檢修和維護鈦設備時, 應盡可能不使用鋼質工具。

( 3 ) 鈦設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度脹加密封焊; 控制飽和食鹽水的溫度在 70～85℃ 之間。

五、結束語

鈦在地殼中的儲量雖然非常豐富, 但由于其化學活性很高,在高溫下化合能力極強, 可與氧、碳、氮以及其他許多元素化合。在進行鈦的冶煉時, 這些元素的存在, 將與鈦化合生成鈦的化合物, 使鈦變脆, 嚴重影響其力學性能, 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, 生產成本非常高, 使其應用受到限制。隨著鈦的冶煉技術的不斷改進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, 鈦設備在離子膜燒堿工業(yè)中的應用將會越來越廣。

作者通聯(lián): 平頂山神馬匯源氯堿有限公司設備組 河南平頂山市魯山縣匯源大道1號 467300

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