氯堿化工中膜法冷凍脫硝工藝設計與應用

新疆天智辰業化工有限公司 新疆 石河子 832012

1 引言

鑒于氯化鋇的有毒性、環境污染性以及價格高的原因,對大型氯堿企業來說無法承受,直接影響到企業的未來發展以及生產成本。采用納濾膜法(簡稱“膜法”)脫除工藝,成為氯堿行業的首選工藝。

2 膜工作原理及工藝流程設計

2．1 膜工作原理 目前工業上使用的分離膜分為反滲透膜、納濾膜、超濾膜、微濾膜等,根據不同類型的分離膜截流率比較,只有納濾膜和寬松反滲透膜可以在脫除工藝中使用,其它兩種膜完全起不到有效分離的作用。

納濾膜對硫酸鈉的截流率能達到99%,而對氯化鈉的截流率要小得多。這是因為納濾膜的工作原理是滿足道南效應的,對離子具有選擇截流性,對兩價或多價離子具有極高的截流率,同時對一價離子具有較低的截流率;而寬松反滲透膜則要差一些。因此,在膜的選擇上最好使用納濾膜。

納濾膜在使用過程中,為增加單只膜的膜面積,通常以螺旋纏繞的結構制成圓柱形的卷式膜元件。

在氯堿化工中,納濾膜通常用于處理從離子膜電解槽來的脫氯淡鹽水。因為在這個部位,返回的鹽水中的Na2SO4濃度最高(10－12g/l),而NaCl濃度則最低(190－200g/l)。通常,僅需1/3淡鹽水通過納濾膜裝置,其它部分則由旁路返回到化鹽系統。

在膜過濾單元內,脫氯淡鹽水被分離為兩股流體:滲透液和濃縮液。滲透液的硫酸根濃度較低,從每一級過濾組件中低壓流出。從每個過濾組件中流出的滲透液匯入總管,返回到化鹽系統。經過幾級串聯的過濾組件逐級過濾后,濃縮液中的硫酸根濃度不斷增加。硫酸鈉含量達到80－100 g/l時進入冷凍除硝單元作為原料備用。(圖1)

圖1 膜法脫除總流程簡圖

2．2．1 預處理單元 根據所選用納濾膜的特點,進膜之前原料液(脫氯淡鹽水)必須滿足三個條件:

1)脫氯淡鹽水中游離氯必須為零。

2)脫氯淡鹽水PH值控制到4．5－7。

3)脫氯淡鹽水溫度控制到45－50℃。

2．2．2 膜處理單元 將預處理后的淡鹽水通過高壓泵送入到膜裝置,利用膜分離的特性將一價的鈉離子和氯離子與二價的分離,得到含有少量的滲透鹽水(硫酸鈉含量≤5g/l)和含有較多的濃縮鹽水(硫酸鈉含量≥75g/l),其中滲透鹽水回到化鹽系統循環使用;濃縮鹽水送入冷凍除硝單元進一步處理得到芒硝。

2．2．3 冷凍除硝單元 依據NaCL－Na2SO4－H2O在不同溫度時的共飽和溶解度表,則濃度為75g/L的硫酸鈉在200g/l左右氯化鈉溶液中的最佳結晶溫度－6℃～－15℃范圍。將濃縮鹽水(45～－50℃、PH4．5～－7)PH值控制到7～－9,進入濃硝鹽水儲罐,通過換熱器降溫至－6℃～ －15℃范圍,進入鹽水結晶沉降器,沉積罐底的十水硫酸鈉(芒硝)經過離心機分離處理,得到十水硫酸鈉結晶體包裝送出。最終達到廢液零排放的要求。

3 裝置處理能力設計

在氯堿化工中,膜裝置處理能力的設計,由兩部分組成:一是工業鹽帶入的;二是淡鹽水中游離氯與亞硫酸鈉反應生成的硫酸鈉。兩者之和與納濾膜截留率之比即為膜裝置的處理能力。

經過膜裝置后的濃縮液中硫酸鈉的含量為≥75g/l即≥75kg/m3,故濃縮液的最大流量為:(膜裝置的處理能力/75)m3/h,一般取放大系數為1．2,則進入冷凍單元的濃縮液設計值為1．2×(膜裝置的處理能力/75)m3/h。

4 納濾膜法與氯化鋇法工藝運行費用比較

按32萬噸/年離子膜燒堿生產裝置為例進行計算分析:

4．1 采用氯化鋇法

根據年產16萬噸燒堿消耗氯化鋇12噸/天計算,則年產32萬噸燒堿規模下,每年消耗氯化鋇約7920噸,氯化鋇價格為:2700元/噸,則每年的采購費用為2138萬元

所以氯化鋇法每年的運行費用在2200萬元左右。

4．2 采用納濾膜法

一次性投資:約1200萬元

其中膜費用為400萬左右。膜可以使用兩年,平均每年200萬元

電費:預處理和膜裝置:286KW/h、冷凍部分:168KW/h,按每年8000小時計算,每年的運行費用為:181．6萬元

4．3 兩種工藝綜合數據對比如下 通過以上數據分析,可以明顯說明膜法脫除裝置的優勢所在,具體表現在:

1)降低運行費用,第一年節省操作費用約700萬。

2)避免有毒作業。

3)操作簡單,降低勞動強度。

4)成本穩定。氯化鋇的價格隨市場波動;而納濾膜法主要消耗電力,變動較小。

5)無須處理廢渣。

6)安全環保,符合國家產業政策。

總之,清潔生產、節能高效一直是化工企業經濟發展的重頭戲,通過此套裝置的成功運用,可實現氯堿化工中處理方法上零排放的目標。