離子膜電解制堿技術是20世紀70年代出現的技術,與隔膜法和水銀法電解制堿相比,具有技術先進、經濟合理、安全環保等優點。離子膜電解制堿工藝,在我國氯堿工業中已具有較大規模。離子膜燒堿采用鹵水為原料進行生產,鈦結晶器、鈦列管式換熱器等鈦設備在離子膜制堿工業中有著廣泛的應用。
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、Na2CO3、Ba2+、ClO-、ClO3-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,否則生產中會出現跑、冒、滴、漏等現象,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、離子膜燒堿工業選用鈦設備的依據
(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。鈦的導熱系數比碳鋼和銅低,與不銹鋼相似,但鈦具有優異的耐腐蝕性能,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)由于鈦具有優異的耐腐蝕性能,所以離子膜燒堿工業應用鈦設備具有顯著優點: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/cm3,不銹鋼密度7.93g/cm3),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鈦設備的廣泛應用提供有力支持。
根據以上所述,鈦是能夠適應離子膜燒堿工業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:陽極系統的陽極液槽;濃鹽水系統的加熱器,濃鹽水泵;淡鹽水系統的淡鹽水泵、脫氯塔、淡鹽水分配器、儀表、冷卻器;次氯酸鈉系統的冷卻器、吸收塔、分離器;氯氣處理系統的濕氯冷卻器;鹽水系統的液面計;除害系統的換熱器、除害風機;堿液系統的堿液循環泵、堿液冷卻器以及上述各系統的管道。
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生縫隙腐蝕,尤其是寬度為0.5mm左右的縫隙更易發生腐蝕。縫隙腐蝕常發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;采用鈦鈀合金法蘭焊環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的發展壯大,相信在不久的將來,鈦設備在離子膜燒堿工業中的應用將會越來越廣。
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