钛设备在离子膜烧碱工业中的应用分析

离子膜电解制碱技术是 20 世纪 70 年代出现的技术, 与隔膜法和水银法电解制碱相比, 具有技术先进、经济合理、安全环保等优点。离子膜电解制碱工艺, 在我国氯碱工业中已具有较大规模。离子膜烧碱采用卤水为原料进行生产, 钛设备在离子膜制碱工业中有着广泛的应用。

一、离子膜电解制碱工艺过程的特点

( 1 ) 离子膜电解制碱工艺, 对进槽盐水的质量要求非常高,进槽盐水除了要达到一定浓度( 305±5g/L ) 和温度( 77.5±7.5℃ )外, 对其中杂质的含量有着极其严格的要求, 因此盐水必须经过精制和加热才能达到生产要求。

( 2 ) 采用离子膜电解制碱技术, 生产中要产生大量的高温湿氯气, 温度在 75～90℃ , 需要经过冷却和干燥才能使用。

( 3 ) 离子膜电解制碱过程中, 由于生产上的原因, 电解后的淡盐水中将存在 NaOH 、 Na ₂ CO ₃ 、 Ba ²⁺ 、 ClO ^- 、 ClO ₃^- 等杂质; 电解后的淡盐水温度为 83～85℃ 左右; 阴极槽生产出的烧碱浓度为28%～32% , 温度为 85℃ 左右。

( 4 ) 盐水中的 NaCl 以及淡盐水中的 NaOH 、 Na₂CO₃ 、 ClO ^- 、ClO₃^-等杂质以及高温湿氯气、烧碱等具有极强的腐蚀性, 一般金属材料不能承受此种腐蚀。这些因素决定了在离子膜电解制碱过程中, 必须慎重选择其生产装置及管道材料, 否则生产中会出现跑、冒、滴、漏等现象, 严重影响生产的正常进行和产品质量, 并将大幅增加设备维护和生产成本。

二、离子膜烧碱工业选用钛设备的依据

( 1 ) 生产实践证明, 钛在 ≤140℃ 的范围内, 在各种浓度的氯化钠溶液中几乎不被腐蚀, 比不锈钢 316L 和铜镍合金等都有高得多的耐腐蚀性能; 钛具有很强的钝化性, 并具有能迅速修复其受损的保护性氧化膜的能力; 工业纯钛对接触腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等都不敏感; 钛在高温湿氯气中耐腐蚀能力非常强, 钛在常温的氯水中, 腐蚀速率为 0.000565mm/a ; 在温度为 80℃ 的氯水中, 腐蚀速率为 0.00431mm/a ; 在 95% 的湿氯气中, 常温下钛的腐蚀速率为 0.00096mm/a 。

( 2 ) 钛由于表面氧化膜的浸润性很差, 表面光滑而又无腐蚀, 因而不易结垢, 比其他金属要好。钛的导热系数比碳钢和铜低, 与不锈钢相似, 但钛具有优异的耐腐蚀性能, 所以壁厚可以大大减薄, 而且钛表面与蒸汽的换热方式为滴状冷凝, 减少了热阻, 钛的表面不结垢, 使钛的换热性能显著提高, 非常适合制作腐蚀性介质的换热设备。

( 3 ) 由于钛具有优异的耐腐蚀性能, 所以离子膜烧碱工业应用钛设备具有显著优点: 首先, 延长设备的使用寿命, 减少设备及管道的维修频率, 从根本上解决跑、冒、滴、漏等问题, 节约能源, 增加有效生产时间。其次, 使用钛设备及管道, 可以减少设备及管道的材料费用, 降低生产成本。使用钛材, 虽然一次性投资较大, 但从全面看, 从长远看是经济的。

钛材价格是不锈钢的 6 倍, 但其密度仅为不锈钢的 1/2( 钛密度 4.51g/cm ³ , 不锈钢密度 7.93g/cm ³ ) , 而且钛的耐腐蚀性较不锈钢强得多, 制造设备及管道时, 在满足设计压力的前提下, 可选用较不锈钢更薄的壁厚, 钛材的实际用量比不锈钢减少很多。

由此可见, 钛材的实际投资只有不锈钢的两倍左右, 由于钛制品使用寿命长, 从而减少了设备及管道的更新费用和频繁的维修费用, 实际上是节省开支, 降低了成本。每使用 1t 钛材每年可获得 10 万元的经济效益。由于钛材可解决设备及管道的腐蚀问题, 避免了由于设备及管道的腐蚀对盐水及烧碱的污染。

( 4 ) 钛在地壳中的储量很高, 仅次于铁、铝、镁, 居第四位, 比常用金属铜、镍、铅、锌的总和还多十几倍。我国的钛资源极其丰富, 已探明的储量居世界首位, 将为我国离子膜烧碱工业钛设备的广泛应用提供有力支持。

根据以上所述, 钛是能够适应离子膜烧碱工业生产特点和全面满足其使用要求的一种理想材料。

三、钛设备的应用

公司离子膜烧碱生产装置中, 钛的主要应用有: 阳极系统的阳极液槽; 浓盐水系统的加热器, 浓盐水泵; 淡盐水系统的淡盐水泵、脱氯塔、淡盐水分配器、仪表、冷却器; 次氯酸钠系统的冷却器、吸收塔、分离器; 氯气处理系统的湿氯冷却器; 盐水系统的液面计; 除害系统的换热器、除害风机; 碱液系统的碱液循环泵、碱液冷却器以及上述各系统的管道。

四、使用钛设备必须注意的问题

( 1 ) 钛不能用于干氯气中。钛在干氯气中, 即使温度在 0℃以下, 也会发生剧烈的化学反应, 生成四氯化钛, 再分解为二氯化钛, 甚至燃烧。只有氯气中的含水量在 0.5% 以上时, 钛在其中才能保持可靠的稳定性。

( 2 ) 钛制设备被铁污染后, 将会降低其耐腐蚀能力, 使钛更易吸氢, 并通过氢化作用而引起脆变, 被铁污染越严重, 钛的吸氢现象就越厉害。因此, 在加工、运输、安装、检修和维护钛设备时, 应尽可能不使用钢质工具。

( 3 ) 钛设备及管道在使用中易发生缝隙腐蚀, 尤其是宽度为0.5mm 左右的缝隙更易发生腐蚀。缝隙腐蚀常发生在换热器的管子与管板的连接处、钛与非金属垫片的接触处, 另外在温度高于 120℃ 的饱和盐水中也易发生缝隙腐蚀。

防止缝隙腐蚀可采取的措施有: 设备及管道上避免存在缝隙和积滞区; 采用钛钯合金法兰焊环或者用钛垫片及钛包垫片;换热用钛管与管板的连接采用强度胀加密封焊; 控制饱和食盐水的温度在 70～85℃ 之间。

五、结束语

钛在地壳中的储量虽然非常丰富, 但由于其化学活性很高,在高温下化合能力极强, 可与氧、碳、氮以及其他许多元素化合。在进行钛的冶炼时, 这些元素的存在, 将与钛化合生成钛的化合物, 使钛变脆, 严重影响其力学性能, 所以不论在冶炼、铸造或者焊接的时候, 都必须防止这些元素“侵袭”钛。这就造成钛的冶炼异常困难, 生产成本非常高, 使其应用受到限制。随着钛的冶炼技术的不断改进和提高以及离子膜烧碱工业的发展壮大, 相信在不久的将来, 钛设备在离子膜烧碱工业中的应用将会越来越广。

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