第二代膜极距技术在老结构电解槽改造上的应用

张丽蕊，宗子超，刘 蕾，刘秀明

（蓝星（北京）化工机械有限公司，北京 100176）

随着氯碱行业的不断发展，人们对电解装置的运行水平要求也越来越高。通过对装置不断深入的研究，以及对装置运行企业诉求的充分理解，蓝星（北京）化工机械有限公司将如何把更为先进的技术应用在早期的老结构电解槽上列为一项重要课题，努力为用户达到产品无障碍升级的目标，以提高装置的运行安全稳定性、进一步延长氯碱生产装置的使用寿命。

1 第二代膜极距技术的结构特点

电解槽内部结构对其运行效果起到极为关键的作用，想要获得更加良好的电解槽运行性能，需要对电解槽的结构进行深入的研究并加以完善。

1.1 优化气液分离结构

随着运行电密升高，阴阳极的气液量也相应增加，如果大量气液在排出时不能有效地进行分离，且有部分分离后的液体会产生回流趋势，从而产生喘动。因此，对阴阳极气液分离结构均进行了优化，改善了气液分离效果，同时确保生成物能够及时导出，避免在电解室内发生局部聚集，给离子膜提供稳定的槽内运行压力。

1.2 阳极循环结构

实践证明，电解室内部自然循环流动结构的优化改造可以使更高电流密度下的传质状态得到改善，从而有效地减小电解室内浓差梯度和温差梯度，更加均匀的电解质浓度和温度可以提高反应效率，降低电耗，延长离子膜的寿命周期。结构优化前后电解槽内部循环量对比见表1。

表1 结构优化前后电解槽内部循环量对比

表1为对优化后的循环结构进行的模拟计算验证数据。通过数据对比及试验验证效果均证明，优化后的结构相比于优化前，循环量随之提高，使电解液的传质条件得到改善，使传质传热更加均匀，为离子膜创造“温和”的运行环境。

1.3 弹性阴极结构

作为膜极距结构的核心结构之一，弹性阴极结构的性能至关重要。

首先作为弹性阴极的支撑体，阴极底网的强度会影响到弹性体的实际使用厚度，若底网强度差产生凹陷，极有可能会在阴阳极间造成局部产生间隙，影响膜极距效果。新的阴极底网网型更加牢固，强度更高，其抗压力变形能力更强，为弹性阴极提供了强有力的支撑。

而作为弹性阴极的形成者—阴极弹性体，其弹性性能直接决定了膜极距结构的稳定性和对膜的作用效果。弹性体存在一个弹性变形区间，选用什么样的弹性体则需要将弹性变形区间与极间距相匹配，若弹性体设计或选取与极间距差异过大，极有可能会因弹性体弹性过小形成局部有极距，从而造成膜极距结构失效，或是因弹性区间超出极间距使其造成过大的对膜压强。以上两种情况都是设计者需要避免的。匹配的弹性阴极根据用户的实际需求进行设计，使其在具有优良弹性的同时具有适宜的对膜压强，能够将离子膜贴在阳极侧而又能承受一定的反向压力，使其具有足够的弹性性能来维持膜极距结构的稳定性。

阴极作为电解中的关键部件，其电化学性能和使用寿命将直接关乎到电解装置的运行性能。膜极距电解槽采用的是柔性阴极设计，能够充分适应阳极表面的微量变形，使电解面积内完全达到电极间的膜极距。柔性阴极一般采用镍丝编织，可以确保电极的柔软，但同时也对其强度提出了挑战。通过对阴极基材的完善，可以确保其柔性结构的同时改善其使用寿命。

同时对阴极组装结构进行了进一步的完善，旧的镍带组装形式在密封面会形成局部的压力集中区，对此处的离子膜会产生过大压强，早先的应对方法是通过改善垫片结构来适应阴极结构，但这不仅降低了部件的通用性，也没有解决压力集中的根本问题。通过改善阴极的组装形式，不仅解决了压力集中的问题，去除了原本阻挡气液流通通道的密集的极网，改善了上部气液易聚集区域的流通状态。

1.4 新型阴阳极涂层技术

蓝星北化机通过对内部结构、制造精度等方面的优化改造，改善离子膜的运行环境，使装置能够在膜极距条件下具有良好的运行稳定性。

2 新技术在老结构电解槽改造上的应用

面对目前老技术产品电极寿命即将到期进行返厂检修改造的现状，将新技术及改造技术的制造工艺进行结合，把新的二代关键技术点进行拆分细化，对其加工通用性进行研究。例如对阳极循环结构、气液分离通道等关键结构的加工工艺进行拓展开发，重点解决了在已成型电解槽上的结构再加工，两者的工艺流程简图见图1。

图1 左：普通膜极距改造工艺流程简图右：二代化改造工艺流程简图

与原有电解槽的升级改造相比，新技术的应用工艺流程并不复杂。常规进行电极返厂改造更换的电解槽工序中，在其中穿插部分内部结构改造的工序，首先在前处理工序对老结构的电解槽进行二代化改造的准备工作，包括对旧的阳极网和阴极膜极距的拆除、旧的阳极循环结构的拆除等。再在后续工序中增加对老结构的预处理和加工以便对其余新技术的部件进行组装应用。

目前全新的膜极距二代技术在老结构电解槽上的应用已完成技术攻关，工艺成熟，完成了工业化的应用。改造的可应用范围广泛，可根据用户实际改造条件进行全部或部分技术的应用，应用范围见表2。

表2 新技术在老结构电解槽改造的应用范围

经过前期大量的技术改造工艺准备工作，使得老结构电解槽的二代化改造工作成本大大降低。经核算，若用户在进行阴阳极电极更换的同时，选择进行二代化技术改造，成本在全部改造费用中占比不到10%，其费用相对于采购全新的第二代膜极距电解槽更是微乎其微。

此外，对于一些新的技术理念我们也进行了拓展应用，如弹性阴极的匹配性设计、阴极电极的组装优化、阳极循环结构的研究和拓展应用等，都可以根据用户的电解槽槽型结构特点进行配套的技术开发和应用。近年开车第二代膜极距新槽膜泄漏率统计（部分）见表3。

3 技术改造的应用效果

通过结构的优化，使离子膜的运行更加稳定，使离子膜的寿命得以提高。对第二代膜极距电解槽进行数据跟踪，并与二代化改造槽数据进行对比。

将收集到的数据按照离子膜的运行年限进行分类统计，并与老结构应用新技术的二代化改造槽运行数据进行对比，其平均膜泄漏率见图2。

其中，旧结构二代化改造样本量为6.5万t/a产能，二代新槽样本量为87万t/a产能。从图2中我们可以看出，二代新槽开车三年的平均膜泄漏率在0.3%，进行二代化改造的电解槽其运行也极为平稳，目前运行近两年还未发生膜泄漏，但鉴于改造槽样本量较小，后期还将持续增加样本统计量并继续关注运行效果。

表3 近年开车第二代膜极距新槽膜泄漏率统计（部分）

图2 二代化技术的平均膜泄漏率统计（部分）