第二代膜極距技術在老結構電解槽改造上的應用

張麗蕊，宗子超，劉 蕾，劉秀明

（藍星（北京）化工機械有限公司，北京 100176）

隨著氯堿行業(yè)的不斷發(fā)展，人們對電解裝置的運行水平要求也越來越高。通過對裝置不斷深入的研究，以及對裝置運行企業(yè)訴求的充分理解，藍星（北京）化工機械有限公司將如何把更為先進的技術應用在早期的老結構電解槽上列為一項重要課題，努力為用戶達到產品無障礙升級的目標，以提高裝置的運行安全穩(wěn)定性、進一步延長氯堿生產裝置的使用壽命。

1 第二代膜極距技術的結構特點

電解槽內部結構對其運行效果起到極為關鍵的作用，想要獲得更加良好的電解槽運行性能，需要對電解槽的結構進行深入的研究并加以完善。

1.1 優(yōu)化氣液分離結構

隨著運行電密升高，陰陽極的氣液量也相應增加，如果大量氣液在排出時不能有效地進行分離，且有部分分離后的液體會產生回流趨勢，從而產生喘動。因此，對陰陽極氣液分離結構均進行了優(yōu)化，改善了氣液分離效果，同時確保生成物能夠及時導出，避免在電解室內發(fā)生局部聚集，給離子膜提供穩(wěn)定的槽內運行壓力。

1.2 陽極循環(huán)結構

實踐證明，電解室內部自然循環(huán)流動結構的優(yōu)化改造可以使更高電流密度下的傳質狀態(tài)得到改善，從而有效地減小電解室內濃差梯度和溫差梯度，更加均勻的電解質濃度和溫度可以提高反應效率，降低電耗，延長離子膜的壽命周期。結構優(yōu)化前后電解槽內部循環(huán)量對比見表1。

表1 結構優(yōu)化前后電解槽內部循環(huán)量對比

表1為對優(yōu)化后的循環(huán)結構進行的模擬計算驗證數(shù)據。通過數(shù)據對比及試驗驗證效果均證明，優(yōu)化后的結構相比于優(yōu)化前，循環(huán)量隨之提高，使電解液的傳質條件得到改善，使傳質傳熱更加均勻，為離子膜創(chuàng)造“溫和”的運行環(huán)境。

1.3 彈性陰極結構

作為膜極距結構的核心結構之一，彈性陰極結構的性能至關重要。

首先作為彈性陰極的支撐體，陰極底網的強度會影響到彈性體的實際使用厚度，若底網強度差產生凹陷，極有可能會在陰陽極間造成局部產生間隙，影響膜極距效果。新的陰極底網網型更加牢固，強度更高，其抗壓力變形能力更強，為彈性陰極提供了強有力的支撐。

而作為彈性陰極的形成者—陰極彈性體，其彈性性能直接決定了膜極距結構的穩(wěn)定性和對膜的作用效果。彈性體存在一個彈性變形區(qū)間，選用什么樣的彈性體則需要將彈性變形區(qū)間與極間距相匹配，若彈性體設計或選取與極間距差異過大，極有可能會因彈性體彈性過小形成局部有極距，從而造成膜極距結構失效，或是因彈性區(qū)間超出極間距使其造成過大的對膜壓強。以上兩種情況都是設計者需要避免的。匹配的彈性陰極根據用戶的實際需求進行設計，使其在具有優(yōu)良彈性的同時具有適宜的對膜壓強，能夠將離子膜貼在陽極側而又能承受一定的反向壓力，使其具有足夠的彈性性能來維持膜極距結構的穩(wěn)定性。

陰極作為電解中的關鍵部件，其電化學性能和使用壽命將直接關乎到電解裝置的運行性能。膜極距電解槽采用的是柔性陰極設計，能夠充分適應陽極表面的微量變形，使電解面積內完全達到電極間的膜極距。柔性陰極一般采用鎳絲編織，可以確保電極的柔軟，但同時也對其強度提出了挑戰(zhàn)。通過對陰極基材的完善，可以確保其柔性結構的同時改善其使用壽命。

同時對陰極組裝結構進行了進一步的完善，舊的鎳帶組裝形式在密封面會形成局部的壓力集中區(qū)，對此處的離子膜會產生過大壓強，早先的應對方法是通過改善墊片結構來適應陰極結構，但這不僅降低了部件的通用性，也沒有解決壓力集中的根本問題。通過改善陰極的組裝形式，不僅解決了壓力集中的問題，去除了原本阻擋氣液流通通道的密集的極網，改善了上部氣液易聚集區(qū)域的流通狀態(tài)。

1.4 新型陰陽極涂層技術

藍星北化機通過對內部結構、制造精度等方面的優(yōu)化改造，改善離子膜的運行環(huán)境，使裝置能夠在膜極距條件下具有良好的運行穩(wěn)定性。

2 新技術在老結構電解槽改造上的應用

面對目前老技術產品電極壽命即將到期進行返廠檢修改造的現(xiàn)狀，將新技術及改造技術的制造工藝進行結合，把新的二代關鍵技術點進行拆分細化，對其加工通用性進行研究。例如對陽極循環(huán)結構、氣液分離通道等關鍵結構的加工工藝進行拓展開發(fā)，重點解決了在已成型電解槽上的結構再加工，兩者的工藝流程簡圖見圖1。

圖1 左：普通膜極距改造工藝流程簡圖右：二代化改造工藝流程簡圖

與原有電解槽的升級改造相比，新技術的應用工藝流程并不復雜。常規(guī)進行電極返廠改造更換的電解槽工序中，在其中穿插部分內部結構改造的工序，首先在前處理工序對老結構的電解槽進行二代化改造的準備工作，包括對舊的陽極網和陰極膜極距的拆除、舊的陽極循環(huán)結構的拆除等。再在后續(xù)工序中增加對老結構的預處理和加工以便對其余新技術的部件進行組裝應用。

目前全新的膜極距二代技術在老結構電解槽上的應用已完成技術攻關，工藝成熟，完成了工業(yè)化的應用。改造的可應用范圍廣泛，可根據用戶實際改造條件進行全部或部分技術的應用，應用范圍見表2。

表2 新技術在老結構電解槽改造的應用范圍

經過前期大量的技術改造工藝準備工作，使得老結構電解槽的二代化改造工作成本大大降低。經核算，若用戶在進行陰陽極電極更換的同時，選擇進行二代化技術改造，成本在全部改造費用中占比不到10%，其費用相對于采購全新的第二代膜極距電解槽更是微乎其微。

此外，對于一些新的技術理念我們也進行了拓展應用，如彈性陰極的匹配性設計、陰極電極的組裝優(yōu)化、陽極循環(huán)結構的研究和拓展應用等，都可以根據用戶的電解槽槽型結構特點進行配套的技術開發(fā)和應用。近年開車第二代膜極距新槽膜泄漏率統(tǒng)計（部分）見表3。

3 技術改造的應用效果

通過結構的優(yōu)化，使離子膜的運行更加穩(wěn)定，使離子膜的壽命得以提高。對第二代膜極距電解槽進行數(shù)據跟蹤，并與二代化改造槽數(shù)據進行對比。

將收集到的數(shù)據按照離子膜的運行年限進行分類統(tǒng)計，并與老結構應用新技術的二代化改造槽運行數(shù)據進行對比，其平均膜泄漏率見圖2。

其中，舊結構二代化改造樣本量為6.5萬t/a產能，二代新槽樣本量為87萬t/a產能。從圖2中我們可以看出，二代新槽開車三年的平均膜泄漏率在0.3%，進行二代化改造的電解槽其運行也極為平穩(wěn)，目前運行近兩年還未發(fā)生膜泄漏，但鑒于改造槽樣本量較小，后期還將持續(xù)增加樣本統(tǒng)計量并繼續(xù)關注運行效果。

表3 近年開車第二代膜極距新槽膜泄漏率統(tǒng)計（部分）

圖2 二代化技術的平均膜泄漏率統(tǒng)計（部分）