二级烧碱浓度在线控制与节能策略在离子膜装置中的应用

引言

随着对生产效率以及绿色发展有着更高要求的氯碱工业，在离子膜装置中二级烧碱浓度控制精度以及能耗问题日益凸显。在当前生产活动中，导致产品质量受到影响的浓度波动与生产成本有所增加的高能耗都成为了突出的状况。本文从理论与实践深入剖析，并提出了针对控制以及节能方面的策略，希望推动离子膜生产烧碱装置生产技术朝着优化升级方向不断前进。

一、二级烧碱浓度在线控制与节能策略的理论基础

1.1 离子膜装置工作原理

以离子交换膜的选择透过性为核心的离子膜装置实现烧碱生产，其中全氟磺酸 / 羧酸复合膜是一种选择性离子膜，只允许钠离子按照特定方向进行迁移，有效阻隔阳极所生成的氯气与阴极产生出来的氢气以及氢氧根离子透过离子膜，目的是为了保障产品的纯度与生产过程中的安全。在电解过程里经过精制处理的盐水进入到阳极室当中，氯离子在阳极室环境下发生氧化反应从而生成氯气，钠离子经过离子膜迁移到阴极室，在阴极室里的水分子受到直流电作用下还原产生氢气与氢氧根离子，二者结合后形成氢氧化钠溶液进而完成烧碱的电化学反应。

1.2 二级烧碱浓度在线控制原理

对于二级烧碱浓度的在线控制来说，所依赖的是多参数协同监测与智能调控技术结合，不仅能够凭借电导率传感器去测量溶液离子导电的能力，还能够利用密度仪根据折光率进行检测并结合卡尔曼滤波算法对数据加以融合，有效消除单一检测所产生的误差。在控制层面所采用的是模型预测控制策略，基于电解槽温度、电流密度、盐水流量等参数构建起来的动态模型，用来提前预测浓度变化趋势。通过在线监测阴极出碱浓度，实时调节阴极侧加入纯水的量等执行机构，实现对浓度的精准闭环控制，较传统 PID 控制相比，响应速度以及稳定性方面都有着显著的提升。

1.3 节能策略相关理论

围绕能量梯级利用及过程集成理论展开的节能策略，借助跨工艺热量相互耦合达成能效提高目标。根据热传导相关规律，凭借电解槽阳极处于高温状态（85℃）的氯气与温度较低盐水之间的温度差距，通过逆向流动进行热量交换实现显热回收利用以降低外管蒸汽加热负荷。按多效蒸发基本原理，在三效逆流工艺中构建起含“高温蒸汽潜热的利用 - 冷凝液余热的预热 - 热碱剩余温度回收”三个层级的热量梯级利用体系，充分利用蒸发二次蒸汽的潜热，最后二次蒸汽经冷却成冷凝液一部分返回电解系统，调节入槽阴极液浓度使用，一部分参与化盐，最终形成“能量输入 - 转化 - 回收 - 循环”封闭循环模型，有效减少单位产品对蒸汽与电能的消耗且为工艺优化给出理论支持。

二、离子膜生产烧碱装置中二级烧碱浓度控制与能耗存在的问题

2.1 浓度控制精度不足问题

在针对二级烧碱浓度进行检测的环节当中，传感器性能以及安装方式对测量准确性而言有着显著的影响。部分企业所采用的传统的电导率传感器，由于易受到溶液温度以及杂质离子干扰的缘故，所产生的测量值与实际浓度之间的偏差能够达到 ±1.5%，特别是在盐水当中钙镁离子超出标准时在电极表面很容易形成沉淀，使检测信号出现漂移的情况。在控制策略方面存在响应滞后的传统PID 控制算法，无法适应在电解过程中出现的电流密度突发变化、盐水流量产生波动等动态的工况，最终导致浓度调节会出现不同步的现象，使在实际生产当中浓度波动的范围常常会超出 的工艺要求。不同批次的离子交换膜当中存在差异的离子迁移率进一步加剧了浓度控制的难度，导致目前现有的控制模型难以精准地匹配膜性能所发生的变化。

2.2 能耗过高问题

离子膜装置能耗主要集中在对于电能与热能方面的消耗上，就电解环节来说因电极材料极化效应以及电解液电阻损耗，单位产品的直流电耗普遍比理论值高出 10% 甚至更高，部分使用时间较长且较为老旧的电解槽，在 5.5KA-6. 0KA/m2 的电流密度运行时，其槽电压高达3.1V，甚至更高，远远超过行业先进水平所对应的2.95V。

在蒸汽消耗方面，蒸发工序的多效蒸发器存在效间温差利用不足，二次蒸汽潜热回收效率仅 65%，导致每吨折百碱的蒸汽消耗达到 0.8t，相较于优化设计值高出 0.3t。盐水预热系统因换热器结垢、保温层老化而造成热量损失，其热量损失占比达到 12%，致使氯碱装置能耗偏高。

2.3 设备运行稳定性隐患

离子膜衰减与破损对浓度控制及能耗指标造成直接威胁，在膜后期、运行过程中，由于膜表面出现了因机械应力或者碱泡、盐泡、阴极网毛刺而导致的针孔，使钠离子迁移效率下降幅度达到 3-5%，引发阴极室 OH⁻ 反向渗透导致烧碱浓度下降且含盐量超标。电解槽附属设备故障影响生产连续性，淡盐水循环泵叶轮磨损等跳停易造成流量波动引发电解系统联锁停车，以及整流器谐波干扰导致电流输出波动加剧电极损耗。据统计，设备非计划停机带来浓度出现异常波动、增加设备维护成本与能耗损失占比达 40% 。

三、二级烧碱浓度在线控制与节能策略的实践应用

3.1 浓度控制精度提升策略

针对检测误差以及控制滞后的情况，采用多传感器与智能控制功能技术来实现精准的调控。一氯碱企业引入光纤传感技术、用于原位式测量浓度的检测仪设备，通过运用测量溶液近红外光谱吸收的方式达到消除温度以及杂质干扰的效果实现检测精度达到 ±0.3% ，且相较于传统电导率传感器提升 80%。部署分布式控制系统（DCS）与机器学习算法相互结合的预测控制模型，经过对历史生产数据进行分析，建立包含 20 余个工艺参数的浓度预测模型，实现提前 15 分钟就能够预判浓度变化。在实际运行过程当中该系统把二级烧碱浓度波动范围缩小到 ，让产品合格率从 92% 提升到 98. 5‰ 。为了适应离子膜性能逐渐衰减的状况，开发基于电化学阻抗谱技术、用于膜状态在线监测系统，实时获取膜电阻、离子交换容量等参数进而达成动态修正控制模型参数的结果，确保控制策略有效性能够得以达成。

3.2 能耗优化策略

在离子膜装置开展的节能相关实践工作中，重点在于实现热能的高效回收以及工艺达成集成状态。具体而言，运用电解槽阳极处于高温（温度大概在 85℃）的氯气与进入电解槽之前温度处于 55℃ \~65℃的盐水进行逆流换热的方式，可将进入电解槽盐水预热到 64℃\~68℃，而电解槽温度每上升 1℃，槽电压下降 5^～10mv ，同时随着氯气冷却降低了氯气处理工序洗涤压力，减少氯气冷却的冷量消耗，达到降低能耗的目的，最终达成每吨碱节约电耗约 58 万 KWh/ 月，节约蒸汽 120 吨 / 月。

在蒸发工序环节，通过选用三效逆流工艺对热能分配予以充分利用。

0.85MPa（表压）的饱和水蒸气经过进入到Ⅰ效蒸发器壳层，将潜热给管程中流下的碱液后冷凝。冷凝水经过纯蒸汽冷凝罐经自压流预热器和预热器分别加热 42wt% 碱和 37wt% 碱液后，温度被降到大约在74℃后送至界区外。

Ⅰ效分离罐碱蒸汽用工艺水加湿后进到Ⅱ效蒸发器壳程中，冷凝后，经过冷凝水分离罐和三效蒸发室蒸汽冷凝液一起进入到冷凝水罐

Ⅱ效分离罐和冷凝水分离罐排出的碱蒸汽，送到Ⅲ效蒸发器壳程中，将其潜热传给换热管中流下的碱液。Ⅲ效分离罐分离出来的蒸汽送至表面冷凝器中将水与真空系统泄漏进来的不可凝性气体以及液相进料中所含的空气等分离出来，成为液相工艺冷凝水排入到冷凝水罐，Ⅲ效蒸发器排出来的冷凝水被收集在冷凝水罐内。

所有冷凝水在冷凝水罐中混合后温度大约为 65℃，经冷凝水泵一部分至补充电解槽用水或去盐水系统化盐, 另一部分去二次汽加湿。

热的浓缩碱液由 50% 碱泵输送，通过两级预热器将其热量分别传给稀碱液 42wt% 碱和37wt% 碱液，从而实现热碱余热回收。

借助两级换热使蒸发过程中的气耗从 0.8 吨 / 吨折百碱降低至 0.5 吨 / 吨，按年产 25万吨 50% 碱计算，一年可节约大约 75000 吨蒸汽，从而为离子膜装置朝着低碳化方向运行提供可靠的工艺流程。

3.3 设备运维强化策略

为有效提升离子膜的使用寿命以及稳定性，一企业建立了基于大数据的、能够对膜寿命进行预测的模型，该企业历经收集 5 年运行数据、深入分析电流密度、pH 值、流量波动等 12 个对膜性能有着重要影响的因素后，采用 LSTM 神经网络进行构建，其预测准确率高达92%，据此制定出的个性化膜更换计划成功让膜的平均使用寿命从原本的2.5 年延长到了3.5年。针对整流器等关键设备可能存在的故障隐患，企业部署了振动监测、红外热成像等能够进行在线诊断的系统以便进行状态监测，通过振动频谱分析能够提前发现循环泵轴承出现的磨损故障，从而避免因非计划停机而造成的盐水浓度波动以及能耗的浪费，使设备的故障率下降了45%。

现场动设备的监控系统信息（马保）系统接入 DCS 系统且将动力泵的额定电流作为高报警值在 DCS 系统报警；对关键设备（淡盐水循环泵、烧碱循环泵）设有远程在线启动功能或者在运机器突停，备机自启动的功能。设有设备管理系统在线监测关键动设备的振动值、关键静设备及管线的壁厚，并附有趋势图、进行定期分析数据，以根据数据进行确认来及时维护设备和更新，保障装置的硬支撑安全可靠。淡盐水循环泵一开一备，运行泵停运 2min 内联锁开启备用泵，有效地保障了离子膜装置在运行过程当中的安全、稳定、优产。

结 语

本文针对离子膜装置二级烧碱浓度的在线控制以及节能方面的策略予以系统的、经过多方考量的研究，经理论分析、问题诊断以及案例实等环节后，提出能够实现精准控制以及能耗优化的方案，达成了在浓度稳定性以及能源利用率方面的有效提升。对于复杂工况环境之下的适应性以及策略本身所具备的普适性尚且有待进一步深入的研究，在后续的工作当中可探索人工智能和流程优化进行深度融合的方式，给氯碱工业朝着绿色高效方向发展提供更为优质的解决方案。

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作者简介：赵红霞 ( 1974.10--) 女，人，本科，工程师，主要从事离子膜氯碱生产运行管控。