氯碱行业离子膜电解槽电压测量装置

工业上用电解饱和NaCl溶液的方法来制取NaOH、Cl2和H2，并以它们为原料生产一系列化工产品，称为氯碱工业。氯碱工业是最基本的化学工业之一，它的产品除应用于化学工业本身外，还广泛应用于轻工业、纺织工业、冶金工业、石油化学工业以及公用事业，我公司在此行业有很强的现场经验和工程能力。

一、 电解饱和食盐水反应原理

【实验】 在U型管里装入饱和食盐水，用一根碳棒作阳极，一根铁棒作阴极（如右图）。同时在两边管中各滴入几滴酚酞试液，并把湿润的碘化钾淀粉试纸放在阳极附近。接通直流电源后，注意观察管内发生的现象及试纸颜色的变化。

从实验可以看到，在U型管的两个电极上都有气体放出。阳极放出的气体有刺激性气味，并且能使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝，说明放出的是Cl2；阴极放出的气体是H2，同时发现阴极附近溶液变红，这说明溶液里有碱性物质生成。

这是因为NaCl是强电解质，在溶液里完全电离，水是弱电解质，也微弱电离，因此在溶液中存在Na+、H+、Cl-、OH-四种离子。当接通直流电源后，带负电的OH-和Cl-向阳极移动，带正电的Na+和H+向阴极移动。在这样的电解条件下，Cl-比OH-更易失去电子，在阳极被氧化成氯原子，氯原子结合成氯分子放出，使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝。

阳极反应：2Cl-－2e-=Cl2↑（氧化反应）

H+比Na+容易得到电子，因而H+不断地从阴极获得电子被还原为氢原子，并结合成氢分子从阴极放出。

阴极反应：2H+＋2e-＝H2↑（还原反应）

在上述反应中，H+是由水的电离生成的，由于H+在阴极上不断得到电子而生成H2放出，破坏了附近的水的电离平衡，水分子继续电离出H+和OH-，

H+又不断得到电子变成H2，结果在阴极区溶液里OH-的浓度相对地增大，使酚酞试液变红。因此，电解饱和食盐水的总反应可以表示为：

工业上利用这一反应原理，制取烧碱、氯气和氢气。

在上面的电解饱和食盐水的实验中，电解产物之间能够发生化学反应，如NaOH溶液和Cl2能反应生成NaClO、H2和Cl2混合遇火能发生爆炸。在工业生产中，要避免这几种产物混合，常使反应在特殊的电解槽中进行。

二、 离子交换膜法制烧碱

目前世界上比较先进的电解制碱技术是离子交换膜法。这一技术在20世纪50年代开始研究，80年代开始工业化生产。

离子交换膜电解槽主要由阳极、阴极、离子交换膜、电解槽框和导电铜棒等组成，每台电解槽由若干个单元槽串联或并联组成。右图表示的是一个单元槽的示意图。电解槽的阳极用金属钛网制成，为了延长电极使用寿命和提高电解效率，钛阳极网上涂有钛、钌等氧化物涂层；阴极由碳钢网制成，上面涂有镍涂层；阳离子交换膜把电解槽隔成阴极室和阳极室。阳离子交换膜有一种特殊的性质，即它只允许阳离子通过，而阻止阴离子和气体通过，也就是说只允许Na+通过，而Cl-、OH-和气体则不能通过。这样既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO而影响烧碱的质量。下图是一台离子交换膜电解槽（包括16个单元槽）。

精制的饱和食盐水进入阳极室；纯水（加入一定量的NaOH溶液）加入阴极室。通电时，H2O在阴极表面放电生成H2，Na+穿过离子膜由阳极室进入阴极室，导出的阴极液中含有NaOH；Cl-则在阳极表面放电生成Cl2。电解后的淡盐水从阳极导出，可重新用于配制食盐水。

离子交换膜法电解制碱的主要生产流程可以简单表示如下图所示：

电解法制碱的主要原料是饱和食盐水，由于粗盐水中含有泥沙、

精制食盐水时经常加入Na2CO3、NaOH、BaCl2等，使杂质成为沉淀过滤除去，然后加入盐酸调节盐水的pH。例如：

加入Na2CO3溶液以除去Ca2+：

加入NaOH溶液以除去Mg2+、Fe3+等：

Mg2+＋2OH-＝Mg(OH)2↓

Fe3+＋3OH-＝Fe(OH)3↓

以除去过量的Ba2+：

这样处理后的盐水仍含有一些Ca2+、Mg2+等金属离子，由于这些阳离子在碱性环境中会生成沉淀，损坏离子交换膜，因此该盐水还需送入阳离子交换塔，进一步通过阳离子交换树脂除去Ca2+、Mg2+等。这时的精制盐水就可以送往电解槽中进行电解了。

离子交换膜法制碱技术，具有设备占地面积小、能连续生产、生产能力大、产品质量高、能适应电流波动、能耗低、污染小等优点，是氯碱工业发展的方向。

三、 以氯碱工业为基础的化工生产

NaOH、Cl2和H2都是重要的化工生产原料，可以进一步加工成多种化工产品，广泛用于各工业。所以氯碱工业及相关产品几乎涉及国民经济及人民生活的各个领域。

由电解槽流出的阴极液中含有30％的NaOH，称为液碱，液碱经蒸发、结晶可以得到固碱。阴极区的另一产物湿氢气经冷却、洗涤、压缩后被送往氢气贮柜。阳极区产物湿氯气经冷却、干燥、净化、压缩后可得到液氯。

以氯碱工业为基础的化工生产及产品的主要用途见下图。

随着人们环境?；ひ馐兜脑銮?，对以氯碱工业为基础的化工生产过程中所造成的污染及其产品对环境造成的影响越来越重视。例如，现已查明某些有机氯溶剂有致癌作用，氟氯烃会破坏臭氧层等，因此已停止生产某些有机氯产品。我们在充分发挥氯碱工业及以氯碱工业为基础的化工生产在国民经济发展中的作用的同时，应尽量减小其对环境的不利影响。

我国最早的氯碱工厂是1930年投产的上海天原电化厂（现上海天原化工厂的前身），日产烧碱2t。到1949年解放时，全国只有少数几家氯碱厂，烧碱年产量仅1.5万吨，氯产品只有盐酸、液氯、漂白粉等几种。

近年来，我国的氯碱工业在产量、质量、品种、生产技术等方面都得到很大发展。到1990年，烧碱产量达331万吨，仅次于美国和日本，位于世界第三位。1995年，烧碱产量达496万吨，其中用离子交换膜电解法生产的达56.2万吨，占总产量的11.3％。到2000年，烧碱年产量将达540万吨，其中用离子膜电解法生产的将达180万吨，占33.3％。

四、 电解槽电压监控程序

以某厂电解工序为例，共有9台电解槽，Ⅰ期5台串联，Ⅱ期4台串联，分别由12.5KA和15.8KA二套整流装置供电，每台电解槽均由29个单元槽组成。

离子膜制碱装置的电槽运行是否良好、安全，可以通过电解槽电压监控程序得到反映。为此系统须分别对二套装置的单元槽电压全程监控，当任一单元电压≥4V时，触发停整流联锁，同时每台电解槽有独立的电压监控程序，该程序对实测的电槽电压根据当前的整流负荷和阴极液温度进行补偿计算后，与理论电压比较，当其偏差超出某一值后，进行报警处理。工艺人员可以根据电槽的实际情况，调整参数Ko，Dvo以及偏差报警限DVst – DVth。

电压监控程序框图如下：

五、 对控制设备的要求

在离子膜制碱工艺中有较多的联锁控制，如在整流、压力、液位、温度、流量、PH、REDOX、泵、风机、调节阀、ON/OFF阀之间有许多复杂的安全联锁。这里举例介绍紧急停整流联锁和氢气切断阀紧急开关联锁。

1． 紧急停整流和整流停的联锁

2． 系统要有较强的PLC的程控功能

二套装置中有盐水一次精制、二次精制，电槽电压监控等5个较大规模的控制程序及较复杂的安全连锁程序。为了统一监控和操作，同时为了降低系统成本，故要求全部功能在一套DCS中实现。

3． 抗强磁场干扰能力

由于现场条件的限制，控制室环境比较恶劣，有二个近距离的1.25万和1.58万安的大直流电，还有一个离开约5m的5.7万安大直流电流（隔膜槽）的强磁场干扰，故对控制系统的抗强磁场干扰能力、安全稳定性、可靠性、实时控制精度等要求高。

4． 抗强共模电压干扰

电槽单元电压对于?；ぐ汗蟮睦胱幽な且桓龊芄丶牟问?，需采集每个单元电压并参加报警、连锁。DD复极槽装置是5台串联，DN复极槽是4台串联，而每台电槽由29个电槽单元组成，正常时每个单元电压约为3.25V，这样电槽单元电压测量信号的共模输入电压最高可达500V以上。按照惯例，每个电压信号要配置一个隔离器以隔离共模干扰信号，若信号直接接入DCS，信号极易受到干扰，而且对DCS板卡是一个极大的考验。

六、 M-SYSTEM产品在氯碱行业的应用

(一) M5VS在氯碱行业电解槽电压监测方面的应用

M-SYSTEM M5系列隔离器在氯碱行业的电解槽槽电压监测方面有广泛的应用。因为氯碱行业电解槽槽电压监测的行业特殊性，对隔离器的要求相对也比较高。例如：隔离器的零漂应尽可能的?。晃榷ㄐ砸?；重复性要好。这样才能直观的反映出每个电解槽的运行状态和可用性状态。若隔离器的指标达不到预期要求将会直接影响到生产过程，造成不必要的停车。

(二) 远程IO R3在氯碱行业电压监测方面的的应用

M-SYSTEM R3系列远程IO采用通讯方式，为多点的信号传送提供了一个最经济的解决方案。将多个现场信号通过通讯线传送到控制室，可以节省大量用户现场安装费用，另外还可以为用户节省DCS的转换卡件、DCS的规模授权费用、信号电缆及机柜安装空间。

M-SYSTEM R3系列远程IO为现场安装，由现场防护接线柜、安装底板、电源卡件、通讯卡件、IO卡件组成。槽电压测点通过安装在现场机柜中的IO?？榱?，并将采集的槽电压信号以数字方式传送到控制室。另外，电源和通讯可分别或全部可采用冗余配置。

电源卡件的的供电采用220AC或24DC，通讯电缆采用屏蔽双绞线。在不加中继器的情况下最大可传输1200m。通讯的波特率从300到19200bps可选。通讯卡件同DCS的通讯协议根据要求选择，通讯卡件可直接与绝大部分DCS 系统（如Honeywell,Yokogawa,ABB，Emerson,Foxboro等）进行通讯连接

1) 特点：

M-SYSTEM R3系列远程IO是一种先进的总线方式传送的系统，它可以大大节省用户的补偿电缆和电缆的施工费用。M-SYSTEM R3系列远程IO的特点如下：

1， 传感器信号就地接入远程IO系统，通过通讯总线和DCS连接，节省大量的信号电缆。

2， M-SYSTEM R3系列远程IO同DCS的通讯方式是：一个DCS 的Modbus卡可以带3个R3节点，每个节点的IO通道数为8*13=104点，所以使用M-SYSTEM R3系列远程IO可以节省大量的DCS I/O卡件。

3， 同上为机的通讯采用开放的协议，可以同各家DCS （Honeywell,Yokogawa,ABB，Emerson,Foxboro等）进行通讯连接。

4， 现场R3节点与中控室可采用冗余的方式通讯，提高了系统的可靠性。

2) 结构图和系统配置

1.结构图

2.系统配置

若R3放置在现场，整个R3节点安装在CT4的防爆箱内。若放在控制室，可安装在控制柜中。

3．M-SYSTEM R3 系列技术指标

特点：

●全隔离（输入－通讯总线－电源－大地间）1500V AC@1分钟

●端子接线构造

●卡件可带电插拔

●满足CE指令

●带电源和运行显示灯

4、R3远程IO系统的可靠性评估

每个R3节点可配置两个电源卡件，卡件的供电来自不同的电源，可保证在一路电源故障的情况下仍能正常工作。R3可用两条冗余通讯电缆同DCS进行通讯，如果一个通讯口发生故障时，另一个进行自动切换，从而保证数据不会丢失。M-SYSTEM中国公司在近几年的推广中同各家DCS都用成功的应用实例。