超高电流密度离子膜电解槽开发

摘要

氯碱行业属于基础化工原材料行业，通过电解氯化钠产生氢氧化钠、氯气和氢气，为很多行业提供了工业原料。我国氯碱产能大约4000万吨，占世界氯碱产能的一半左右，是我国化工基础材料的主要支柱之一。中国氯碱行业迅速发展始于2000年以后，受制于当时的电解结构和离子膜性能，开始每台电解槽最大产能为2万吨，每套装置最大不超过10万吨，后期每台电解槽最大产能提升到3万吨，每套装置最大不超过25万吨。目前早期整套装置已经到了更新换代的阶段，在不提高能耗的前提下，提高单台和整套装置的产能，可以为客户节约一次固定资产投入。单台电解槽的产能主要取决于电解槽运行电流密度、电解面积等，目前国内主流电解装置的设计电流密度在6KA/m2。通过本课题的研究，将设计电流密度提高到7KA/m2，再将电解面积适当扩充，将每台电解槽最大产能扩充到4.5万吨。
　　本文重点研究目标为电解装置电流密度的提升，涉及到导电结构及导电面积、气液分离、膜的利用率、内部循环和泄漏电流等五个方面展开研究。运行电流密度的提升，势必会造成电解槽电压的升高，通过对导电结构的核算，有效控制电解槽的结构电压降;超高电密下大量的气液混合生成物在电解室内集中，良好的气液分离结构可以有效引导生成物及时分离并排出电解室;合理的结构设计可以大大提高离子膜的利用率，也是产能提升的一个有效手段;电解反应越剧烈，越需要更多的电解液补充，也需要更加合理的内部循环结构使电解液传质更加均匀;降低泄漏电流，可以增加电流的利用率，同时保护设备的使用寿命。在进行以上研究的同时，对电解结构进行模型搭建，通过仿真模拟对关键结构进行验证，对关键结构进行实验设计，对关键因子的水平进行分析定义，确定设计过程中结构的设计范围，并通过合理的设计优化，确定结构方案。此外，结合实际生产工序，对新电解槽的设计制造做了有效尝试，制定了相关的制造工艺流程，对相关的运行工艺进行了研究和探讨，也希望能够设计制造出更有竞争力的产品，服务于广大氯碱客户。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 概述

1．1 氯碱行业的历史、现状和情况发展分析

1．1．1 几种工艺方法的发展历程和优缺点

1．1．2 阳离子交换膜法制烧碱技术发展与现状

1．2 电解设备供应商的产品技术介绍

1．2．1 蓝星北化机NBZ-2．7 Ⅱ型自然循环离子膜电解槽

1．2．2 氯工程公司nx-BiTAC型电解槽

1．3 离子膜电解槽的分类及其特征

第二章 超高电流密度电解槽的设计

2．1 电解槽设计基础

2．1．1 电解槽电流密度的界定

2．1．2 电解槽的结构构成

2．2 电解单元面积设计和适用性

2．3 研究与解决电解结构导电及对电耗的影响

2．4．1 计算流体力学及模拟方法

2．4．2 计算流体和模拟结果

2．4 电解槽内部环境及结构的研究

2．4．1 气液分离结构对离子膜平稳运行的综合设计

2．4．2 电解液的充分循环研究

2．5 泄漏电流装置的研究

第三章 生产制造工艺技术研究与试验验证阶段

3．1 结构强度试验

3．1．1 半内置气液分离结构的强度检验

3．1．2 边框结构强度试验

3．1．3 工艺试验

3．2 压差对离子膜影响

3．2．1 试验搭建

3．2．2 试验结果分析

3．2．3 结论

3．3 运行工艺条件研究

3．4 设计试验验证阶段

4．1 解决的主要技术难题

4．2 核心技术及创新点

4．2．1 核心技术

4．2．2 创新点

4．3 项目取得的成果

4．4 项目存在问题及改正措施

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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