氯堿化工中膜法冷凍脫硝工藝設(shè)計(jì)與應(yīng)用

新疆天智辰業(yè)化工有限公司 新疆 石河子 832012

1 引言

鑒于氯化鋇的有毒性、環(huán)境污染性以及價(jià)格高的原因,對(duì)大型氯堿企業(yè)來說無法承受,直接影響到企業(yè)的未來發(fā)展以及生產(chǎn)成本。采用納濾膜法(簡(jiǎn)稱“膜法”)脫除工藝,成為氯堿行業(yè)的首選工藝。

2 膜工作原理及工藝流程設(shè)計(jì)

2．1 膜工作原理 目前工業(yè)上使用的分離膜分為反滲透膜、納濾膜、超濾膜、微濾膜等,根據(jù)不同類型的分離膜截流率比較,只有納濾膜和寬松反滲透膜可以在脫除工藝中使用,其它兩種膜完全起不到有效分離的作用。

納濾膜對(duì)硫酸鈉的截流率能達(dá)到99%,而對(duì)氯化鈉的截流率要小得多。這是因?yàn)榧{濾膜的工作原理是滿足道南效應(yīng)的,對(duì)離子具有選擇截流性,對(duì)兩價(jià)或多價(jià)離子具有極高的截流率,同時(shí)對(duì)一價(jià)離子具有較低的截流率;而寬松反滲透膜則要差一些。因此,在膜的選擇上最好使用納濾膜。

納濾膜在使用過程中,為增加單只膜的膜面積,通常以螺旋纏繞的結(jié)構(gòu)制成圓柱形的卷式膜元件。

在氯堿化工中,納濾膜通常用于處理從離子膜電解槽來的脫氯淡鹽水。因?yàn)樵谶@個(gè)部位,返回的鹽水中的Na2SO4濃度最高(10－12g/l),而NaCl濃度則最低(190－200g/l)。通常,僅需1/3淡鹽水通過納濾膜裝置,其它部分則由旁路返回到化鹽系統(tǒng)。

在膜過濾單元內(nèi),脫氯淡鹽水被分離為兩股流體:滲透液和濃縮液。滲透液的硫酸根濃度較低,從每一級(jí)過濾組件中低壓流出。從每個(gè)過濾組件中流出的滲透液匯入總管,返回到化鹽系統(tǒng)。經(jīng)過幾級(jí)串聯(lián)的過濾組件逐級(jí)過濾后,濃縮液中的硫酸根濃度不斷增加。硫酸鈉含量達(dá)到80－100 g/l時(shí)進(jìn)入冷凍除硝單元作為原料備用。(圖1)

圖1 膜法脫除總流程簡(jiǎn)圖

2．2．1 預(yù)處理單元 根據(jù)所選用納濾膜的特點(diǎn),進(jìn)膜之前原料液(脫氯淡鹽水)必須滿足三個(gè)條件:

1)脫氯淡鹽水中游離氯必須為零。

2)脫氯淡鹽水PH值控制到4．5－7。

3)脫氯淡鹽水溫度控制到45－50℃。

2．2．2 膜處理單元 將預(yù)處理后的淡鹽水通過高壓泵送入到膜裝置,利用膜分離的特性將一價(jià)的鈉離子和氯離子與二價(jià)的分離,得到含有少量的滲透鹽水(硫酸鈉含量≤5g/l)和含有較多的濃縮鹽水(硫酸鈉含量≥75g/l),其中滲透鹽水回到化鹽系統(tǒng)循環(huán)使用;濃縮鹽水送入冷凍除硝單元進(jìn)一步處理得到芒硝。

2．2．3 冷凍除硝單元 依據(jù)NaCL－Na2SO4－H2O在不同溫度時(shí)的共飽和溶解度表,則濃度為75g/L的硫酸鈉在200g/l左右氯化鈉溶液中的最佳結(jié)晶溫度－6℃～－15℃范圍。將濃縮鹽水(45～－50℃、PH4．5～－7)PH值控制到7～－9,進(jìn)入濃硝鹽水儲(chǔ)罐,通過換熱器降溫至－6℃～ －15℃范圍,進(jìn)入鹽水結(jié)晶沉降器,沉積罐底的十水硫酸鈉(芒硝)經(jīng)過離心機(jī)分離處理,得到十水硫酸鈉結(jié)晶體包裝送出。最終達(dá)到廢液零排放的要求。

3 裝置處理能力設(shè)計(jì)

在氯堿化工中,膜裝置處理能力的設(shè)計(jì),由兩部分組成:一是工業(yè)鹽帶入的;二是淡鹽水中游離氯與亞硫酸鈉反應(yīng)生成的硫酸鈉。兩者之和與納濾膜截留率之比即為膜裝置的處理能力。

經(jīng)過膜裝置后的濃縮液中硫酸鈉的含量為≥75g/l即≥75kg/m3,故濃縮液的最大流量為:(膜裝置的處理能力/75)m3/h,一般取放大系數(shù)為1．2,則進(jìn)入冷凍單元的濃縮液設(shè)計(jì)值為1．2×(膜裝置的處理能力/75)m3/h。

4 納濾膜法與氯化鋇法工藝運(yùn)行費(fèi)用比較

按32萬噸/年離子膜燒堿生產(chǎn)裝置為例進(jìn)行計(jì)算分析:

4．1 采用氯化鋇法

根據(jù)年產(chǎn)16萬噸燒堿消耗氯化鋇12噸/天計(jì)算,則年產(chǎn)32萬噸燒堿規(guī)模下,每年消耗氯化鋇約7920噸,氯化鋇價(jià)格為:2700元/噸,則每年的采購費(fèi)用為2138萬元

所以氯化鋇法每年的運(yùn)行費(fèi)用在2200萬元左右。

4．2 采用納濾膜法

一次性投資:約1200萬元

其中膜費(fèi)用為400萬左右。膜可以使用兩年,平均每年200萬元

電費(fèi):預(yù)處理和膜裝置:286KW/h、冷凍部分:168KW/h,按每年8000小時(shí)計(jì)算,每年的運(yùn)行費(fèi)用為:181．6萬元

4．3 兩種工藝綜合數(shù)據(jù)對(duì)比如下 通過以上數(shù)據(jù)分析,可以明顯說明膜法脫除裝置的優(yōu)勢(shì)所在,具體表現(xiàn)在:

1)降低運(yùn)行費(fèi)用,第一年節(jié)省操作費(fèi)用約700萬。

2)避免有毒作業(yè)。

3)操作簡(jiǎn)單,降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

4)成本穩(wěn)定。氯化鋇的價(jià)格隨市場(chǎng)波動(dòng);而納濾膜法主要消耗電力,變動(dòng)較小。

5)無須處理廢渣。

6)安全環(huán)保,符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策。

總之,清潔生產(chǎn)、節(jié)能高效一直是化工企業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重頭戲,通過此套裝置的成功運(yùn)用,可實(shí)現(xiàn)氯堿化工中處理方法上零排放的目標(biāo)。