现代氯碱技术手册

1.目前国内氯碱行业大型专业性工具书。

 

本书在概述食盐电解制烧碱、氯气和氢气的基本电化学理论、工艺和方法的基础上，重点介绍了当前离子膜电解工艺的相关技术和装置操作，涉及工艺过程中的盐水制备、氯氢处理、盐酸合成、纯水制备、整流变电、自控仪表和分析方法等内容，并对总图规划、环境保护和材料防腐做了有针对性的介绍。另外，本书基本覆盖了离子膜电解制烧碱工艺设计生产的相关内容，反映了当代氯碱工业的基本情况和*进展。本书可供化工行业特别是氯碱领域的科技人员，以及相关院校化工类专业师生阅读参考。

刘国桢，教授级高工，历任沈阳化工股份有限公司技术部部长，副总工程师，现任蓝星沈阳轻工机械设计研究所总工程师，中国氯碱工业协会烧碱专家组组长，我国知名的化工领域学者。一直致力于我国氯碱、烧碱工业生产与工艺技术的研究与工程技术推广，先后主持多项氯碱化工攻关项目，均取得了较大的研究成果。

1氯碱工业综述001

1.1氯碱工业基本情况001

1.2基本氯碱产品及性质002

1.2.1烧碱的性质与应用002

1.2.2氯的性质与应用002

1.2.3氢的性质与应用003

1.3中国氯碱工业发展现状004

1.3.1烧碱产能和产量概况004

1.3.2行业布局概况004

1.3.3行业集中度概况005

1.3.4中国氯碱工业发展特点005

1.4氯碱工业的生产技术006

1.4.1氯碱早期生产方法006

1.4.2氯碱电解方法发展简述006

1.4.3中国氯碱生产方法和技术007

参考文献008

2盐水系统009

2.1氯化钠及氯化钠水溶液009

2.1.1固体氯化钠的性质009

2.1.2氯化钠水溶液的性质009

2.1.3盐的种类和生产010

2.1.4原盐的运输和储存013

2.2饱和盐水的制备015

2.2.1盐水的制备过程015

2.2.2化盐工艺015

2.2.3化盐的工艺控制016

2.2.4化盐设备017

2.3盐水精制的原理019

2.3.1盐水精制的目的019

2.3.2盐水精制分类019

2.3.3盐水中的杂质对电解生产的影响019

2.3.4盐水中各杂质去除原理023

2.3.5固液分离精制分类027

2.3.6固液分离精制的工艺方法028

2.4传统固液分离精制029

2.4.1传统固液分离精制工艺流程简述029

2.4.2一次盐水控制指标030

2.4.3一次盐水精制的工艺控制030

2.4.4传统的盐水固液分离032

2.5高分子膜盐水精制工艺047

2.5.1高分子膜盐水精制工艺概述047

2.5.2几种典型的膜法盐水精制工艺049

2.5.3膜法过滤工艺异常情况055

2.6陶瓷膜过滤精制057

2.6.1陶瓷膜精制工艺原理057

2.6.2陶瓷膜工艺流程概述058

2.6.3陶瓷膜盐水精制工艺的特点058

2.6.4陶瓷膜盐水精制工艺的注意事项059

2.6.5工艺及操作控制指标060

2.6.6陶瓷膜的结构060

2.6.7陶瓷膜过滤器选型原则062

2.6.8陶瓷膜过滤器开停车程序062

2.6.9陶瓷膜操作要点064

2.6.10主要故障处理065

2.7HW盐水精制工艺067

2.7.1HW盐水精制工艺简介067

2.7.2HW盐水精制的流程原理067

2.7.3HW工艺特点067

2.7.4HW工艺操作注意事项068

2.8盐泥的洗涤、过滤和利用069

2.8.1盐泥的洗涤069

2.8.2盐泥的过滤069

2.8.3盐泥的回收利用070

2.9盐水的二次精制070

2.9.1盐水的二次精制的目的070

2.9.2二次精制原理071

2.9.3螯合树脂071

2.9.4盐水二次精制工艺074

2.9.5盐水二次精制的正常操作077

2.9.6盐水二次精制的正常开车程序081

2.9.7盐水二次精制的正常停车程序081

2.9.8树脂塔的结构081

2.9.9树脂塔操作过程中异常情况处理083

2.9.10螯合树脂的交换能力084

2.10盐水工艺技术对比085

2.10.1盐水化盐工艺技术085

2.10.2固液分离精制工艺对比086

2.10.3离子交换精制工艺对比086

参考文献087

3隔膜法电解及烧碱蒸发系统088

3.1隔膜法电解088

3.1.1隔膜法电解概述088

3.1.2改性隔膜技术090

3.1.3活性阴极技术091

3.1.4扩张阳极 改性膜电槽技术092

3.1.5隔膜电解系统工艺流程093

3.2隔膜法烧碱蒸发095

3.2.1隔膜法烧碱蒸发概述095

3.2.2烧碱蒸发原理、操作条件及影响因素095

3.2.3三效顺流蒸发工艺流程098

3.2.4三效四体顺流蒸发工艺流程100

3.2.5三效逆流蒸发工艺 103

参考文献104

4离子膜105

4.1离子膜概况105

4.1.1离子交换膜的定义、结构和分类105

4.1.2离子交换膜发展的历史105

4.1.3氯碱离子膜的发展和现状106

4.2氯碱离子膜结构、工作原理及性能109

4.2.1氯碱离子膜的结构109

4.2.2氯碱离子膜的工作原理112

4.2.3氯碱离子膜的性能及测试方法114

4.3氯碱离子交换膜的设计和操作要求121

4.3.1离子膜设计时考虑的因素121

4.3.2氯碱离子膜操作要求123

4.4离子膜实际使用规范132

4.4.1科慕公司离子膜使用规范132

4.4.2旭硝子系列离子膜使用规范133

4.4.3旭化成系列离子膜使用规范134

4.5国产氯碱离子膜的研发134

4.5.1国产氯碱离子膜的发展和现状134

4.5.2国产氯碱离子膜的结构、组成135

4.6氯碱离子膜研发发展和未来发展改进空间143

4.6.1提高离子膜抗杂质污染能力144

4.6.2提高安全经济运行碱浓度144

4.6.3提高离子膜安全经济寿命144

参考文献146

5离子膜电解原理148

5.1离子膜电解方法概述148

5.2离子膜电解148

5.2.1离子膜电解原理148

5.2.2食盐水电解过程反应热力学149

5.2.3平衡电极电位151

5.2.4离子膜电解槽主要化学反应153

5.2.5氧阴极电解技术154

5.3离子膜电解物料平衡155

5.4离子膜电解电流效率158

5.4.1电流及电流密度158

5.4.2电流效率159

5.5离子膜电解槽电压161

5.5.1槽电压的构成161

5.5.2影响槽电压的主要因素162

5.6离子膜电槽运行特性163

5.7电解电耗164

5.7.1电解电耗的计算164

5.7.2影响电解电耗的主要因素164

5.8复极式离子膜槽的电流泄漏164

5.9离子膜电解槽辅助系统167

5.9.1概述167

5.9.2膜密封系统167

5.9.3液体供应分配及循环系统168

5.9.4电槽的电流分布169

5.9.5气相压力控制169

5.9.6开停车及保护170

5.10离子膜电解槽的电极170

5.10.1电极电位和电极退化170

5.10.2电极种类172

5.10.3弹性阴极与膜极距174

参考文献175

6离子膜电解槽176

6.1离子膜电解槽历史与现状176

6.1.1单极槽与复极槽176

6.1.2自然循环与强制循环177

6.1.3单元槽有效电解面积177

6.1.4极间距的不断减小178

6.2历史上的几种离子膜电解槽178

6.2.1单极式离子膜电解槽178

6.2.2复极式离子膜电解槽181

6.3现代离子膜电解槽系统184

6.3.1日本旭化成NCH型离子膜电解槽184

6.3.2蓝星北化机复极式自然循环离子膜电解槽184

6.3.3蒂森克虏伯伍迪氯工程离子膜电解槽188

6.3.4英力士Bichlor复极式电解槽193

6.4各电解槽参数比较194

6.5离子膜电解槽技术发展194

6.5.1膜极距离子膜电解槽194

6.5.2氧阴极离子膜电解槽195

参考文献196

7淡盐水脱氯系统197

7.1概述197

7.1.1游离氯的产生197

7.1.2游离氯的危害性及利用199

7.1.3盐水脱氯的方法200

7.2盐水脱氯原理200

7.2.1淡盐水中相关物质的化学性质200

7.2.2脱氯原理201

7.2.3脱氯工艺数据203

7.3盐水脱氯工艺方法204

7.3.1真空法脱氯204

7.3.2空气吹除法209

7.3.3化学法脱氯211

7.4氯酸盐分解213

7.4.1概述213

7.4.2消除氯酸盐的有效途径214

7.4.3氯酸盐分解原理214

7.4.4氯酸盐浓度控制方法215

7.4.5氯酸盐分解条件的确定215

7.4.6工艺流程及主要设备217

7.4.7操作要点及工艺控制指标218

7.4.8正常开停车219

7.4.9异常情况的原因及处理方法219

7.5蒸汽机械再压缩（MVR）淡盐水浓缩工艺220

7.5.1MVR技术原理220

7.5.2MVR的优势和特点220

7.5.3脱氯淡盐水的特征221

7.5.4淡盐水处理方案221

7.5.5MVR淡盐水浓缩工艺过程221

7.5.6几种淡盐水处理全卤制碱工艺经济性对比225

参考文献225

8盐水硫酸根脱除系统226

8.1硫酸根的危害和脱除原理226

8.1.1硫酸根的性质与危害226

8.1.2硫酸根脱除原理和方法226

8.2氯化钡法脱除硫酸根227

8.3碳酸钡法脱除硫酸根227

8.4氯化钙法脱除硫酸根228

8.5冷冻法脱除硫酸根229

8.6膜法脱除硫酸根229

8.6.1膜法除硫酸根工艺230

8.6.2操作要点及注意事项230

8.6.3膜法与冷冻法结合工艺技术231

8.6.4膜法除硫酸根设计实例232

8.6.5膜法除硫酸根的工艺流程232

8.7各种硫酸根去除方法综合对比和能耗分析235

8.7.1各种除硫酸根方法综合对比235

8.7.2能耗分析235

参考文献236

9离子膜法碱蒸发和固碱237

9.1离子膜法碱液蒸发原理与特点237

9.1.1离子膜法碱液蒸发原理237

9.1.2离子膜法电解碱液蒸发特性239

9.2离子膜法碱液蒸发工艺245

9.2.1升膜蒸发245

9.2.2降膜蒸发250

9.3蒸发效间换热和余热利用256

9.3.1中间换热256

9.3.2三效逆流工艺的蒸汽余热利用256

9.4离子膜法固碱生产原理与特点257

9.4.1原理257

9.4.2离子膜固碱蒸发生产方法257

9.5锅式蒸发固碱258

9.5.1锅式蒸发原理258

9.5.2工艺流程259

9.5.3工艺操作条件259

9.5.4主要消耗定额260

9.5.5正常操作及故障处理260

9.6连续降膜浓缩固碱261

9.6.1生产原理261

9.6.2工艺流程262

9.6.3主要工艺控制指标263

9.6.4常见故障处理263

9.7闪蒸浓缩264

9.7.1生产原理264

9.7.2工艺流程264

9.8载热熔盐和燃料265

9.8.1载热熔盐265

9.8.2燃料267

9.8.3载热盐工作原理268

9.8.4载热盐性能曲线269

9.9固碱成型工艺270

9.9.1桶碱270

9.9.2片碱270

9.9.3粒碱271

9.10固碱主要设备273

9.10.1终浓缩器273

9.10.2闪蒸浓缩器276

9.10.3熔盐炉276

9.10.4片碱机277

9.10.5造粒装置278

9.11蒸发技术发展279

9.11.1低能耗279

9.11.2高可靠性281

参考文献283

10氯氢处理系统284

10.1氯气处理284

10.1.1概述284

10.1.2工艺原理284

10.1.3湿氯气的冷却287

10.1.4氯气干燥289

10.1.5稀硫酸的浓缩和循环利用292

10.1.6氯气压缩输送293

10.1.7氯气紧急处理系统298

10.2氢气处理300

10.2.1概述300

10.2.2物料性质300

10.2.3氢气的冷却301

10.2.4氢气压缩输送303

10.2.5氢气干燥304

10.2.6各工艺比较305

10.2.7氢气输送安全305

参考文献306

11氯化氢合成和纯酸系统307

11.1概述307

11.1.1氯化氢性质、用途及在工业中的地位308

11.1.2工艺原理311

11.1.3氯化氢合成工艺现状及发展方向313

11.2生产工艺方法314

11.2.1三合一炉法315

11.2.2二合一炉法321

11.2.3铁合成炉及膜式吸收法332

11.2.4四合一合成炉法338

11.2.5盐酸脱吸法342

11.2.6副产蒸汽式合成炉346

11.3高纯酸348

11.3.1高纯酸的质量要求348

11.3.2高纯酸的生产工艺348

11.3.3高纯酸的储藏和输送348

11.4三合一合成炉的自动控制与仪表系统349

11.4.1自动控制方案选择349

11.4.2安全联锁352

11.4.3仪表选型和自动技术选择353

11.4.4合成氯化氢比值控制和比值计算358

11.4.5仪表安装和控制系统投运366

11.4.6氯气、氢气自动配比应用366

参考文献369

12液氯和三氯化氮处理370

12.1概述370

12.1.1液氯生产的基本原理370

12.1.2温度和压力的关系370

12.1.3液化效率和传热370

12.2液氯生产工艺372

12.2.1低压法工艺372

12.2.2中压法工艺373

12.2.3高压法工艺374

12.2.4工艺评述375

12.3液氯蒸发375

12.3.1概述375

12.3.2釜式蒸发器377

12.3.3盘管式蒸发器377

12.3.4列管式蒸发器378

12.3.5缓冲分离罐操作378

12.4液氯尾气和三氯化氮的处理379

12.4.1三氯化氮的产生和危害379

12.4.2防止三氯化氮的累积380

12.4.3三氯化氮的处理382

12.4.4液氯尾气的处理和次氯酸钠382

12.5液氯的输送、包装和储存382

12.5.1液氯的运输382

12.5.2液氯的包装384

12.5.3液氯的计量387

12.5.4液氯的储运388

12.6液氯生产的安全389

12.6.1生产控制方法389

12.6.2液氯充装390

12.6.3液氯钢瓶的储运391

12.6.4液氯槽车的储运392

参考文献393

13纯水制备395

13.1概述395

13.2纯水标准396

13.3原料水预处理396

13.3.1概述396

13.3.2机械杂质去除397

13.3.3结垢控制397

13.4纯水制备工艺401

13.4.1离子交换工艺401

13.4.2电渗析工艺403

13.4.3反渗透工艺405

13.5纯水制备设备406

13.5.1阴阳离子交换塔406

13.5.2电渗析器414

13.5.3反渗透器415

13.6纯水制备工艺评述415

13.6.1离子交换工艺415

13.6.2电渗析工艺416

13.6.3反渗透工艺416

13.6.4组合工艺416

参考文献417

14整流变电系统418

14.1总述418

14.1.1氯碱工艺对整流供电的技术要求418

14.1.2氯碱整流技术的发展和现状419

14.1.3氯碱企业的供电电压等级和系统接线方案421

14.1.4氯碱生产电负荷用电特点423

14.1.5氯碱整流技术指标与电解工艺条件参数的关系423

14.2氯碱整流电路与整流设备425

14.2.1常用整流电路连接形式425

14.2.2整流系统的主要设备426

14.2.3整流变压器的技术特征427

14.2.4电化学用硅整流器428

14.2.5电解槽的极化整流器429

14.2.6整流装置的监控系统430

14.3氯碱整流装置的设计选型433

14.3.1装置的类别和结构形式433

14.3.2装置基本电气参数设计434

14.3.3整流柜与离子膜电解槽的接线及配置方式435

14.4整流装置调试及运行监控437

14.4.1整流与电解工艺DCS联锁保护的联动调试437

14.4.2整流装置运行操作程序438

参考文献438

15仪表、控制和信息化系统439

15.1概述439

15.1.1氯碱自动化与信息化系统发展综述439

15.1.2仪表系统439

15.1.3控制系统440

15.1.4信息化系统441

15.2烧碱装置控制室设计原则441

15.3烧碱装置中安全仪表系统(SIS/ESD)的应用443

15.3.1烧碱生产主要特点443

15.3.2烧碱生产安全控制系统现状及要求444

15.3.3烧碱过程安全仪表系统（SIS/ESD）的设计方案445

15.3.4烧碱SIS/ESD相关仪表的选型446

15.3.5离子膜电解主要联锁条件和动作447

15.3.6国内氯碱企业SIS/ESD使用情况及展望448

15.4现代氯碱先进控制及主要工艺控制系统449

15.4.1电解生产控制系统449

15.4.2氯气压缩机的喘振预报及小能耗防喘振方案455

15.4.3盐酸生产控制系统458

15.5氯碱企业安全管控一体化信息集成系统460

参考文献463

16环保安全节能和总图464

16.1概述464

16.2环境保护和循环经济464

16.2.1环境保护的意义和目的464

16.2.2现代氯碱装置污染源465

16.2.3污染源的治理措施468

16.2.4现代氯碱循环经济472

16.3安全防护475

16.3.1安全防护的意义和目的475

16.3.2现代氯碱危害和危险源476

16.3.3危害和危险源的治理措施481

16.3.4职业病危害及其防护487

16.4节能496

16.4.1现代氯碱能源消耗和能流图496

16.4.2节能潜力和技术496

16.4.3未来节能技术499

16.5总图设计499

16.5.1总图设计的意义和目的499

16.5.2总图设计的基本原则和方法500

16.5.3现代氯碱总图设计的特点和要求500

16.5.4影响总图设计的因素以及解决对策502

16.5.5总图设计在配电、建筑以及结构防腐蚀方面的特点和要求504

16.5.6典型氯碱总图范例507

16.6环境友好和社会责任 509

16.6.1环境友好型氯碱企业的意义和目的510

16.6.2环境友好型氯碱企业的标准和原则510

16.6.3建设环境友好型氯碱企业的方法511

16.6.4现代氯碱企业的社会责任511

参考文献512

17设备腐蚀与防护513

17.1概述513

17.1.1氯碱工业防腐蚀的重要意义513

17.1.2氯碱工业防腐蚀的特点513

17.1.3腐蚀的定义、本质和分类514

17.2氯碱腐蚀理论517

17.2.1食盐水溶液对金属的腐蚀517

17.2.2杂散电流的腐蚀521

17.2.3氯、次氯酸盐对金属的腐蚀523

17.2.4酸的腐蚀526

17.2.5烧碱的腐蚀528

17.3主要材料的腐蚀形态和防腐532

17.3.1钛的缝隙腐蚀532

17.3.2提高钛耐腐蚀能力的主要方法533

17.3.3奥氏体不锈钢的应力腐蚀533

17.3.4非金属的腐蚀535

17.4设备和管道腐蚀540

17.4.1盐水系统设备与管道腐蚀540

17.4.2电解系统设备与管道腐蚀544

17.4.3盐水脱氯系统设备和管道腐蚀547

17.5离子膜法烧碱装置的防腐蚀547

17.5.1对防腐蚀的要求548

17.5.2材料的要求和选择548

17.6蒸发与固碱设备腐蚀551

17.6.1蒸发设备552

17.6.2膜式法固碱设备554

参考文献554

18氯碱分析555

18.1概述555

18.2氯碱生产分析方法555

18.2.1容量分析555

18.2.2质量分析555

18.2.3仪器分析556

18.2.4在线分析556

18.3原辅材料分析556

18.4中间控制分析556

18.4.1盐水中氯化钠测定556

18.4.2盐水中次氯酸钠测定557

18.4.3盐水中硫酸根测定558

18.4.4盐水中游离氯测定558

18.4.5盐水中亚硫酸钠测定559

18.4.6盐水中钙、镁总量测定560

18.4.7盐水中钙测定560

18.4.8盐水中氢氧化钠和碳酸钠测定561

18.4.9盐水中悬浮固体物（SS）测定562

18.4.10盐水中微量金属离子测定562

18.4.11盐水中无机铵测定563

18.4.12盐水中总铵测定564

18.4.13盐水中碘测定565

18.4.14盐水中溴测定566

18.4.15盐水中碘、溴测定（ICP法）567

18.4.16盐水中有机物（总有机碳）测定（TOC法）567

18.4.17氯气纯度、氯内含氧、氯内含氢、氯化氢纯度和氢气纯度测定（气体分析法）568

18.4.18氯中含水量测定（电量法）568

18.4.19氯中三氯化氮测定（比色分析法）568

18.4.20氯内含氧、氢、氮、二氧化碳等杂质测定（气相色谱法）570

18.4.21高纯盐酸总酸度测定570

18.4.22高纯盐酸中游离氯测定571

18.5产品分析571

18.6安全分析571

18.6.1概述571

18.6.2动火分析572

18.6.3氧含量分析574

18.6.4有毒气体分析575

18.7环保分析576

18.7.1水和废水悬浮物测定576

18.7.2水和废水余氯测定577

18.7.3水和废水氯化物测定579

18.7.4水和废水化学需氧量测定581

18.7.5大气环境中氯测定584

18.7.6大气环境中氯化氢测定585

参考文献587

附录588

附录1主要氯碱技术供应商名录588

附录2烧碱化学和终产品的树状图590

附录3氯产品树状图591

附录4氢化学和终产品树状图592

本书是由中国氯碱工业协会组织、行业内多位知名专家编写、汇集的氯碱行业新技术、新工艺、新装备的专业技术书籍，体现了当代氯碱工业技术的发展现状和发展历史。本书根据行业多年的实践经验和理论研究成果，涵盖了国内外氯碱技术及与之相关的、较为全面的生产工艺技术及装备，为更加全面掌握现代氯碱生产技术提供了翔实的基础资料。全书包括氯碱工业综述、盐水系统、隔膜法电解及烧碱蒸发系统、离子膜、离子膜电解原理、离子膜电解槽、淡盐水脱氯系统、盐水硫酸根脱除系统、离子膜法碱蒸发和固碱、氯氢处理系统、氯化氢合成和纯酸系统、液氯和三氯化氮处理、纯水制备、整流变电系统、仪表控制和信息化系统、环保安全节能和总图、设备腐蚀与防护、氯碱分析共十八章。为体现氯碱工业的全面状况和为高含盐废水环保装置提供指导，本书保留了隔膜法电解和蒸发的章节。由于行业技术发展迅速，本书编写时间跨度大，许多内容经由多名专家编写并经过多次补充修改完善，终成稿。书稿全部编写完成后，由刘国桢收集整理，由刘国桢、李素改、郎需霞、唐必勇完成次校核，由张鑫、李素改、杨振伟、王学军、刘秀明、袁建华、刘国桢、薛卫东、张佳兴、郎需霞、王永升、程鹏、郭海军共同完成第二次校核，后根据定稿会意见，再次修改补充后定稿。编校人员分工情况：第1章由张鑫编写；第2章由刘立初组织编写，杨振伟修改补充；第3章由夏碧波组织编写，李素改修改完善；第4章由张永明、高自宏组织编写，王学军修改补充；第5章由吴彬组织编写，袁建华补充修改；第6章由康建忠组织编写，刘秀明补充修改；第7章由张英民、郎需霞编写，刘国桢修改完善；第8章由唐必勇编写，袁建华补充修改；第9章由薛卫东编写；第10章由王鸿东组织编写，张佳兴补充修改；第11章由郎需霞编写，张佳兴补充修改；第12章由王平组织编写，孙广军修改，郎需霞补充修改 ；第13章由王强组织编写，郎需霞补充修改；第14章由廖秀华组织编写，王永升修改完善；第15章由于现军组织编写；第16章由曾宇峰组织编写；第17章由程鹏组织编写；第15章、第16章、第17章由程鹏、李淑华等补充修改并完善；第18章由任运奎组织编写，倪留生修改。全书图例由郎需霞组织、青岛海湾集团有限公司工程设计院绘制。全书策划、统校及修改由刘国桢、李素改完成，孟祥龙整理。本书虽经编写、审校多次讨论、修改，力求在内容上更加严谨准确，更加符合现代氯碱发展的需要，随着技术的发展进步，仍然会存在不足，希望给读者提供有益的帮助和参考。编者2018年5月30日