電流密度是離子膜電解槽性能的最終考驗

石澤峰

摘? 要：離子膜法電解食鹽水是氯堿產(chǎn)品的主要生產(chǎn)方式之一，隨著氯堿工業(yè)離子膜技術(shù)的不斷改進(jìn)，離子膜電解槽的電流密度不斷提高，增大了生產(chǎn)能力，降低了生產(chǎn)成本。但是，高電流密度加快了氣體的生成速率，使產(chǎn)生的氣體在槽頂部滯留，極易發(fā)生膜針孔效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：電流密度;氯堿生產(chǎn)離子膜電解槽主要性能之一;

一、電解循環(huán)方式與結(jié)構(gòu)設(shè)計

電解工藝循環(huán)方式是區(qū)分電解裝置類型的另外一個重要表征，可分為強制循環(huán)、外部自然循環(huán)。為了獲得良好的電化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)和優(yōu)良的電解性能，不同的電流密度和不同反應(yīng)室結(jié)構(gòu)需與相應(yīng)的工藝循環(huán)方式相匹配。

離子膜電解槽發(fā)展初期的近20年，復(fù)極式離子膜電解槽多采用強制循環(huán)工藝，每臺電解槽均設(shè)置有陰、陽極液循環(huán)罐和大流量循環(huán)泵。強制循環(huán)工藝的陽極反應(yīng)系統(tǒng)，每個陽極電解室中，除了根據(jù)鹽水的分解率和電化當(dāng)量加入電解反應(yīng)所需的飽和鹽水之外，還將有數(shù)倍的淡鹽水被循環(huán)泵一同送入電解室，形成淡鹽水的大流量循環(huán)，使槽內(nèi)的介質(zhì)具有足夠的流速，使產(chǎn)生并聚集在電極表面影響反應(yīng)條件的氯氣得以更快的析出并快速沖散，使溫度傳導(dǎo)和離子交換速度得以滿足，從而大大減小了反應(yīng)室內(nèi)的濃差梯度和溫差梯度以及有效降低影響反應(yīng)效率和電解電壓的氣液比。

在陰極反應(yīng)系統(tǒng)，陰極表面產(chǎn)生的氫氣泡密度極小，飄逸性極強，可對介質(zhì)形成較強的氣舉作用，使介質(zhì)的流動性較好，電極表面反應(yīng)條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于陽極側(cè)。但在強制循環(huán)系統(tǒng)中，為了使離子膜兩側(cè)的流場狀態(tài)更加平衡，除了反應(yīng)所需的有限的定量純水注入之外，仍需有與陽極室匹配的堿液循環(huán)量，以保證陰、陽極室適度和穩(wěn)定壓差，保證離子膜在有極距結(jié)構(gòu)條件下仍得以貼附在陽極網(wǎng)面。由于強制循環(huán)工藝裝置每臺電解槽均需要配置陰陽極循環(huán)槽和大流量循環(huán)泵，反應(yīng)室進(jìn)口壓力及槽內(nèi)液相壓力很高，循環(huán)泵和循環(huán)管路系統(tǒng)的噪聲和能耗很高，管路振動和壓力波動也較高。要使膜兩側(cè)陰陽極室的正向壓差始終得以保持，需要控制槽內(nèi)和系統(tǒng)的氯氫壓差值達(dá)15kPa或更高，對離子膜和電極網(wǎng)的強度都需要有很高的要求，離子膜和電極要厚實，加之制造精度所需的陰陽極極距，反應(yīng)電壓和噸堿電耗相對較高。由于大面積反應(yīng)室對傳質(zhì)、傳熱和傳速的要求較高，受電解槽的活性陰極技術(shù)、膜的制造技術(shù)、反應(yīng)結(jié)構(gòu)技術(shù)以及工藝控制技術(shù)等方面條件的制約，早期強制循環(huán)復(fù)極式離子膜電解槽的運行電流密度一般只能在3kA/m2左右，萬噸裝置需要近百個電解單元，裝置制造成本也很高，大型強制循環(huán)生產(chǎn)裝置的結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)在氯堿行業(yè)已經(jīng)基本被棄用現(xiàn)代主流是自然循環(huán)形式。

二、離子膜的選型，整流柜的選型及整體電解槽選型都要綜合考慮

電耗在離子膜法生產(chǎn)燒堿成本中占的比重很大，為降低生產(chǎn)成本，首先要從降低電耗入手，找出影響電耗的因素。影響電耗的因素有槽電壓和電流效率，要想降低電耗就要降低槽電壓和提高電流效率。生產(chǎn)操作中可以控制的影響離子膜電解槽電壓的主要因素為（1）電流密度;（2）堿濃度;（3）鹽水中雜質(zhì); （4）陰、陽極液循環(huán)量;（5）溫度;（6）陽極液濃度;（7）電解槽壓力和壓差;（8）陽極液pH值;（9）開、停車次數(shù)（10）整體配套設(shè)計水平及設(shè)計理念。

1. 電流密度

電流密度與膜電壓降的關(guān)系看出，在1.5-4.0 kA/m2這一常用電流密度范圍內(nèi)，二者呈直線關(guān)系，即隨著電流密度增加，槽電壓也逐漸升高，也就導(dǎo)致了電耗的增加，但是電流效率也會提高。所以在正常生產(chǎn)中，要綜合考慮，以期達(dá)到降低電耗的目的。一般生產(chǎn)中以控制電流密度不要超過電解槽及離子膜的最高電流密度是最經(jīng)濟(jì)的。

膜電壓降直接受電流密度的影響。一般情況下，膜電壓降應(yīng)正比于電流密度，并呈直線關(guān)系。稍稍偏離直線關(guān)系，在1.5～4.0l m2這一常用電流密度范圍內(nèi)，呈直線關(guān)系。如氯化鈉水溶液電解，高濃度，電解溫度需要保證82℃以上，膜的表面附近一般不會產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象。電流密度不僅影響膜的電壓降，還影響氣泡效應(yīng)、陽極及陰極的過電位和溶液及導(dǎo)體的電壓降。總的效果是，電流密度升高，槽電壓也逐漸升高?？梢?，雖然槽電壓與電流密度呈正比關(guān)系，但隨著膜結(jié)構(gòu)性能的改變，電壓曲線的斜率發(fā)生了變化，導(dǎo)致膜電壓降的下降。

2.槽電壓和槽電流之間的關(guān)系

如果其他變量保持不變，槽電壓和槽電流兩者之間的關(guān)系可表達(dá)如下：

E 1 ： 電流I 1 時的槽電壓

E 2 ： 標(biāo)準(zhǔn)電流I 2 時的槽電壓I 2 （10.8 KA）

E 0 ： 常量 （2.42 V）

t 1 ： 操作溫度

t 2 ： 標(biāo)準(zhǔn)溫度 （90 °C）

通常取10.8 KA作為標(biāo)準(zhǔn)電流（I 2 = 10.8 KA） ，

取90 °C作為標(biāo)準(zhǔn)溫度（t 2 = 90 °C）。

陰極液濃度為32%時E 0 大約是2.42伏。

線型的梯度（如圖II-7所示）它取決于其他參數(shù)，如膜，陽極和陰極。

電解槽電流密度增加后會使得陽極壽命縮短，并且造成整流器由于負(fù)荷的增大容易調(diào)停，并且電流密度增大后槽壓升高，對電極的耗電有影響，并且在一定程度上增大了電解槽的危險性，特別是對離子膜的損傷較大對于電流密度的提高必須有充分的試驗基礎(chǔ)和理論基礎(chǔ)！

三、結(jié)語

當(dāng)前主流電解槽以復(fù)極槽為主，如德國伍德，日本氯工程，日本旭化成，中國北化機(jī)等，電流密度不斷提高，普遍達(dá)到5KA/M2暫時無法突破6.0KA/M2由于電解槽及離子膜不斷探索提高電流密度，因為電流密度提高堿產(chǎn)量將增加，堿產(chǎn)量增加對于生產(chǎn)成本沖抵非常明顯，因離子膜電解槽在中國發(fā)展近40年，現(xiàn)在能源管控有了新的配套標(biāo)準(zhǔn)，作為能耗大戶電解工藝必定要提高電流密度，相信在不久將來能開發(fā)出能耗低的電解裝備。

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