Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển bể điện phân màng trao đổi ion

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
............XW............

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
HỆ ĐIỀU KHIỂN BỂ ĐIỆN PHÂN MÀNG TRAO ĐỔI ION

ĐÀO QUÝ THỊNH

HÀ NỘI - 2009


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là do tôi tự hoàn thành dưới sự hướng
dẫn của thầy giáo PGS. TS BÙI QUỐC KHÁNH. Các số liệu kết quả trong luận văn là
hoàn toàn trung thực.
Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng các tài liệu đã ghi trong mục tài
liệu tham khảo, không sử dụng các tài liệu khác mà không được ghi trong phần tài liệu
tham khảo.
Học viên

Đào Quý Thịnh

1


LỜI MỞ ĐẦU
Trong một dịp đi công tác tại Nhà máy hóa chất thuộc Tổng công ty giấy Việt

Nam với nhiệm vụ: thiết kế hệ SCADA giám sát cho 53 ngăn điện phân bể điện phân
màng ion R230. Qua quá trình làm việc và tìm hiểu tác giả nhận thấy bể điện phân
màng ion là một đối tượng khá hấp dẫn: tồn tại nhiều quá trình cân bằng (vật chất,
năng lượng), có sự phản ứng thay đổi vật chất, hơn nữa đối tượng điều khiển lại không
đo được. Thực tế bể điện phân do Nhật chế tạo chất lượng rất tốt nhưng hệ điều khiển
lại do Trung Quốc chế tạo, với sự giảm thiểu tối đa về kinh tế nên chất lượng điều
khiển chưa cao, tính ổn định và bền vững của hệ thống thấp. Từ đó tác giả nảy ra ý
kiến là phải cải thiện nâng cao chất lượng và tính ổn định của hệ điều khiển bể điện
phân màng ion, nâng cao hiệu quả sử dụng vốn, đem lại lợi ích kinh tế cao hơn nữa.
Bản luận văn này giới hạn trong việc tìm hiểu, nghiên cứu dây truyền sản xuất
xút đặc biệt là công đoạn điện phân màng ion. Tác giả tập trung nghiên cứu bể điện
phân, tìm cách mô hình hóa đối tượng. Từ mô hình tìm được phân tích và đưa ra cấu
trúc điều khiển mới nâng cao chất lượng và tính ổn định của hệ điều khiển.
Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu tác giả đã có nhiều thuận lợi khi được
làm việc thực tế tại nhà máy. Được cung cấp rất nhiều tài liệu thống kê trong quá trình
vận hành rất hữu ích trong quá trình mô hình hóa đối tượng. Tôi chân thành cảm ơn
PGS.TS Bùi Quốc Khánh người có kinh nghiệm làm việc thực tế lâu năm trong lĩnh
vực công nghiệp giấy với kiến thức chuyên sâu đã chỉ dẫn nhiệt tình cho tôi trong quá
trình thực hiện luận văn này. Tôi cũng gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp của tôi đã
góp ý, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian qua.
Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2009
Học viên

Đào Quý Thịnh
2


MỤC LỤC
Lời cam đoan ....................................................................................................................1
Lời mở đầu........................................................................................................................2

Mục lục .............................................................................................................................3
Danh mục hình vẽ.............................................................................................................4
Chương 1: Công nghệ sản xuất xút bằng phương pháp điện phân màng ion...................6
1.1 Giới thiệu chung ...................................................................................................6
1.2 Công nghệ sản xuất xút.........................................................................................7
1.2.1 Công đoạn rửa hòa tan muối ........................................................................8
1.2.2 Công đoạn tinh chế nước muối lần 1............................................................8
1.2.3 Công đoạn tinh chế nước muối lần 2............................................................9
1.2.4 Công đoạn điện phân....................................................................................16
1.3 Quá trình điện phân...............................................................................................20
1.3.1 Quá trình hóa học .........................................................................................20
1.3.2 Công đoạn điện phân trong nhà máy............................................................23
1.3.3 Các thông số điều khiển ...............................................................................28
Chương 2: Hệ điều khiển Industrial IT 800 xA................................................................36
2.1 Tổng quan về tự động hóa quá trình sản xuất.......................................................36
2.2 Hệ điều khiển Industrial IT 800xA .......................................................................37
2.2.1 Giới thiệu chung hệ Industrial IT 800xA .....................................................37
2.2.2 Các thành phần hệ Industrial IT 800xA .......................................................38
2.2.3 Các gói phần mềm cho hệ Industrial IT 800xA ...........................................38
2.3 Hệ điều khiển dây truyền sản xuất xút .................................................................41
2.3.1 Cấu hình hệ thống điều khiển.......................................................................41
2.3.2 Các mạch vòng điều khiển và các điểm cảnh báo........................................44
Chương 3: Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bể điện phân màng trao đổi ion....56
3.1 Thực trạng hệ thống điều khiển bể điện phân màng trao đổi ion R230................56
3.1.1 Các quá trình cân bằng trong bể điện phân màng trao đổi ion.....................56
3.1.2 Thực trạng hệ điều khiển bể điện phân màng trao đổi ion ..........................60
3.2 Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bể điện phân màng trao đổi ion......62
3.2.1 Cải tiến cấu hình hệ thống............................................................................63
3.2.2 Cải tiến cấu trúc điều khiển .........................................................................66
3.2.3 Mô phỏng hệ thống.......................................................................................79

Kết luận .................................................................................................................90
Tài liệu tham khảo ................................................................................................91
3


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Quá trình điện phân.........................................................................................6
Hình 1.2: Sơ đồ công nghệ dây truyền sản xuất xút........................................................8
Hình 1.3: Công đoạn tinh chế nước muối lần 2 ............................................................10
Hình 1.4 Cấu tạo thùng điện phân R230......................................................................17
Hình 1.5 Mặt cắt phía trong của ngăn thùng điện phân. ..............................................18
Hình 1.6 Hiện tượng xảy ra trong ngăn thùng điện phân ............................................21
Hình 1.7 Sự thẩm thấu qua màng có lựa chọn của ion ................................................22
Hình 1.8 Mô tả quá trình điện phân ..............................................................................23
Hình 1.9: Công đoạn điện phân ....................................................................................27
Hình 1.10: Mối quan hệ giữa cường độ dòng điện và điện áp ngăn thùng ..................28
Hình 1.11: Sự trao đổi Cation qua màng ......................................................................30
Hình1.12: Sự ảnh hưởng của chênh lệch áp suất với điện áp ngăn thùng ...................33
Hình 1.13: Mối quan hệ giữa nhiệt độ của dịch điện giải và điện áp ngăn thùng. ......34
Hình 2.1: Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất..........36
Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc hệ Industrial IT.....................................................................37
Hình 2.3: Vị trí và vai trò cụ thể của từng phần mềm..................................................40
Hình 2.4: Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển dây chuyến sản xuất xút ở nhà...........41
máy hoá chất - Tổng công ty giấy Việt Nam .................................................................41
Hình 2.5: Cấu hình hệ thống điều khiển của quá trình sản xuất xút ...........................42
Hình 3.1: Mô hình thùng điện phân R320.....................................................................56
Hình 3.2: Sơ đồ điều khiển dòng điện hiện tại ..............................................................60
Hình 3.3: Cấu hình hệ điều khiển hiện tại.....................................................................61
Hình 3.4: Cấu hình hệ thống mạng Profibus-DP có dự phòng theo phương án 1 .......63
Hình3.5. Cấu hình hệ thống mạng Profibus-DP có dự phòng theo phương án 2.........64

Hình 3.6 Cấu hình hệ thống mạng Profibus-DP có dự phòng theo phương án 3.........65
Hình 3.7: Sơ đồ điều khiển dòng điện phân cải tiến .....................................................66
Hình 3.8: Sơ đồ mô phòng mạch vòng điều khiển dòng điện........................................67
Hình 3.9: Kết quả mô phỏng mạch vòng điều khiển dòng điện ....................................68
4


Hình 3.10: Các tham số ảnh hưởng đến quá trình........................................................69
Hình 3.11: Các cấu trúc điều khiển Feed Forward ......................................................70
Hình 3.12: Mô hình áp suất đầu ra thùng điện phân R320...........................................75
Hình 3.13: Mô hình nồng độ NaOH đầu ra thùng điện phân .......................................75
Hình 3.15: Công cụ lập trình Control Builder..............................................................79
Hình 3.17: Kết quả mô phỏng mạch vòng nước muối cấp............................................80
Hình 3.18: Mạch vòng điều khiển lưu lượng dòng NaOH 31%....................................80
Hình 3.19: Mạch vòng điều khiển áp suất khí Hydro ...................................................81
Hình 3.20: Mạch vòng điều khiển áp suất khí Clo........................................................81
Hình 3.21: Công cụ lập trình Process Portal A ............................................................82
Hình 3.22: Trang màn hình điều khiển số 1..................................................................83
Hình 3.23: Trang màn hình điều khiển số 2..................................................................84
Hình 3.24: Ba loại Faceplate điều khiển.......................................................................84
Hình 3.25: Đồ thị xu hướng Trend ...............................................................................85
Hình 3.26: Giao diện SCADA điện áp 53 ngăn điện phân............................................86
Hình 3.27: Nồng độ NaOH đầu ra tại dòng điện 9 kA khi bổ sung mạch vòng điều
khiển lưu lượng NaOH 31% ..........................................................................................87
Hình 3.28: Nồng độ NaOH đầu ra tại dòng điện 9 kA khi không có mạch vòng điều
khiển lưu lượng NaOH 31% ..........................................................................................87
Hình 3.29: Nồng độ NaOH đầu ra tại dòng điện 10 kA khi bổ sung mạch vòng điều
khiển lưu lượng NaOH 31% ..........................................................................................88
Hình 3.30: Nồng độ NaOH đầu ra tại dòng điện 10 kA khi không có mạch vòng điều
khiển lưu lượng NaOH 31% ..........................................................................................88

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Thống kê các Loop điều khiển ......................................................................44
Bảng 2.2: Thống kê các điểm hiển thị và cảnh báo .....................................................45
Bảng 2.3: Bố trí đầu vào ra tương tự và số..................................................................47
Bảng 3.1: Danh mục các thiết bị dự phòng cần thiết....................................................65

5


CHƯƠNG 1
CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XÚT BẰNG PHƯƠNG PHÁP
ĐIỆN PHÂN MÀNG TRAO ĐỔI ION
1.1. Giới thiệu chung
Hiện nay để sản xuất xút NaOH người ta sử dụng phương pháp điện phân muối
ăn (NaCl). Thực tế có 2 phương pháp điện phân, đó là:
1.

Điện phân màng ngăn bằng Amiăng.

2.

Điện phân màng trao đổi ion (đây là phương pháp điện phân mới, hiện

đại và được sử dụng ngày càng phổ biến)
Trong luận văn tốt nghiệp này tôi xin đề cập tới phương pháp điện phân bằng
màng trao đổi ion. Công nghệ cụ thể của nhà máy hóa chất thuộc Tổng công ty giấy
Việt Nam công suất thiết kế 7000 tấn /năm (8000 giờ và 100% NaOH).
Sơ đồ công nghệ chung của quá trình điện phân như hình 1.1
NaCl

NaCl loãng

anot

Cl2
H2
catot

NaOH

Đầu vào

Đầu ra
I

Hình 1.1. Quá trình điện phân
Đầu vào quá trình công nghệ là dung dịch muối ăn NaCl, khi được điện phân
bằng dòng điện một chiều với cường độ thích hợp NaCl loãng và khí Clo sẽ thoát ra ở
anot, xút và Hydro sẽ đi ra ở catot.
Công nghệ này cũng dùng để sản xuất khí Clo trong công nghiệp.

6


1.2. Công nghệ sản xuất xút

7

1.2.1. Công đoạn rửa hoà tan muối
Nguyên liệu: Muối công nghiệp với tỷ lệ NaCl đạt từ 90% trở lên.
Theo tiêu chuẩn thế giới, muối công nghiệp có chất lượng tốt là muối có:
+ Tỷ lệ NaCl trong muối đạt từ 98 - 99%
+ Tỷ lệ các chất có chứa Ca2+ phải đạt từ 0,1% - 0,2%
+ Tỷ lệ Mg2+ từ 0,05% - 0,1%
+ Tỷ lệ các hợp chất sulfat phải từ 0,3% - 0,6%....
Rửa và hoà tan muối bằng nước ở áp suất 4 - 6 at để thu được dung dịch nước
muối với nồng độ: 310 - 317 g/l.
1.2.2. Công đoạn tinh chế nước muối lần 1
− Loại hình công nghệ: thiết bị lọc khung bản.
− Lưu lượng thiết kế: 900 m3/giờ
− Điều kiện thiết kế của thiết bị lọc khung bản:
+ Số lượng thiết bị: 2 thiết bị lọc (Vận hành trong chế độ dự phòng redundant)
+ Phương thức lọc: dùng khung bản lọc và phương thức cấp liệu của chính thiết bị.

− Chu kỳ tái sinh: 48 giờ.
− Hiệu suất lọc tối đa: 1ppm (parts per million): một phần triệu.
− Đặc tính kỹ thuật của nước muối lần 1
Nước muối cung cấp tới quá trình tinh chế nước muối lần 2 trong dây chuyền của
Ashahi phải đạt được các đặc tính kỹ thuật sau:
Nồng độ:

305 ± 5 g/l tại 150C

Nhiệt độ:

Xấp xỉ 600C

PH:

9 – 11 tại 500C

Ca:

Max 10 mg/l

Mg:

Max 2 mg/l

Al:

Max 0,1 mg/l

I:

Max 0,2 mg/l

Sr:

Max 2,5 mg/l

Ba:

Max 1,0 mg/l

SO42-

Max 5 g/l

8


Si:

Max 2,3 mg/l

Clo tự do:

không

Chất rắn lơ lửng (S.S)

Max 10 mg/l

Áp suất:

0,2 MPa

1.2.3. Công đoạn tinh chế nước muối lần 2
Nước muối cho quá trình điện phân màng trao đổi ion được chuẩn bị bởi việc
hoà tan muối vào nước muối từ xưởng điện phân và được tinh chế trong một kiểu
thông dụng đối với loại ngăn thùng catốt thuỷ ngân của quá trình điện phân Clo kiềm. Quá trình này yêu cầu phải có quá trình tinh chế nước muối lần 2. Sau khi xử lý
với điều kiện cho phép. Nước muối đã được tinh chế với bộ lọc nước muối và các cột
trao đổi Ion để đạt được chất lượng nưóc muối phù hợp cho quá trình điện phân Clo kiềm màng trao đổi Ion.
− Loại hình công nghệ: Sử dụng nhựa tạo màng anpha Cellulose.
− Lưu lượng thiết kế: 9 m3/giờ.
− Điều kiện thiết kế của tháp nhựa tạo màng (Chelating Resin Tower)
− Số lượng thiết bị: 2 chiếc (Vận hành ở chế độ dự phòng redundance)
− Cơ chế tái sinh: vận hành tự động

+ Chu kỳ tái sinh

: 24 giờ.

+ Thời gian tái sinh : 6 giờ.

9


a. Công đoạn lọc chất rắn lơ lửng
Trong dây chuyền điện phân màng trao đổi Ion thì một lượng S.S (chắt rắn lơ
lửng ) trong nước muối đã lọc phải được giữ ở mức thấp vì S.S này sẽ bịt lỗ cột trao
đổi ion, và S.S chứa các kim loại dây tác hại đến các màng , để đảm bảo lượng S.S là
thấp, các bộ lọc bằng gốm được sử dụng với lớp tạo màng và chất trợ lọc.
Vì quá trình diễn ra của bộ lọc dựa trên các thành phần của bộ lọc, trực tiếp là
chất trợ lọc và chất tạo màng và việc cắp vào của chũng vì thế chúng phải được lựa
chọn phù hợp với số lượng, cấu tạo và hình thù của chất rắn S.S trong dây chuyền của
nhà máy hoá chất Asahi, chất Alpha-Celluloge thích hợp được sử dụng cho chất tạo
màng và chất trợ lọc.
Khi nước muối sơ bộ (Primary brine) sau tinh chế lần 1 đạt được các chỉ tiêu sau
thì nó bắt đầu được tinh chế lần 2 để phục vụ cho quá trình điện phân. Có hai bộ lọc
nước muối (M-140A và M-140B) được lắp đặt và vận hành luân phiên nhau. Các bộ
lọc là bộ lọc bằng gốm. Bộ lọc này bao gồm một hình trụ và các nguyên tố cacbon
nguyên chất xốp. Trước khi bộ lọc này được sử dụng các thành phần lọc phải được tạo
màng với chất anpha Cellulose. Lượng anpha Cellulose đã tạo màng trên các thành
phần lọc thông thường là 1 kg/m2 trên bề mặt bộ lọc.
Quá trình lọc nước muối xảy ra như sau:
− Bể chứa nước muối D110
+

Nước muối sơ bộ qua van LV101 được cấp tới bể D110, mức nước muối

trong bể D110 (được khống chế mức từ 50 - 60%) được đo bởi bộ chuyển đổi và
hiển thị mức (LIT-101). Lưu lượng nước muối vào bể D110 được khống chế bởi bộ
cảnh báo, điểu khiển và hiển thị mức (FICA 101) thông qua van LV101. Lưu lượng
dung dịch NaCl được đo bởi bộ chuyển đổi và hiển thị lưu lượng (FIT101).
+

Khi nồng độ NaCl vượt mức 310 + 5 (g/l) thì cần phải bổ xung nước sạch để

giảm nồng độ của NaCl .Do đó người ta sử dụng bộ điều khiển và hiển thị tỉ lệ
dòng chảy (FIC102) để điểu khiển pha trộn giữa nước và dd NaCl sao cho hợp lí và
thông qua van FV102. Lưu lượng nước được đo bởi bộ chuyển đổi và hiển thị lưu
lượng (FIT102) .

11


− Bể tạo màng D120:
+ Chứa Alpha Cellulose và các thành phần lọc (thường có khoảng 5 kg Alpha
Cellulose để đảm bảo cấp 1kg Alpha Cellulose/1m2 của bộ lọc M140A/B).
+ Cánh khuấy A120 để khuấy đều Alpha Cellulose và các thành phần lọc tạo
thành chất tạo màng cấp cho bộ lọc M140A/B.
+ Bơm P124 bơm chất tạo màng này từ bể D120 đến bộ lọc M140A/B
− Bể trợ lọc D130(bể trợ lọc) :
+ Alpha Cellulose và nước muối được trộn đều liên tục với nhau bởi cánh khuấy
A130 trong D130. Sau đó dung dịch này được bơm P134A/B bơm tới đầu ra
của bể D110.
+ Mức của bể D130 được đo bởi bộ LIA102.
+ Sau đó hỗn hợp : nước muối từ bể D110 và chất trợ lọc từ bể D130 được bơm

P114A/B đưa tới bộ lọc M140A/B.
− Bể lọc M140A/B
+ Lưu lượng đến bộ lọc được đo ,điều khiển và hiển thị trên màn hình điều
khiển bởi bộ điều khiển và hiển thị lưu lượng FIC-103.
+ Áp suất trong các bộ lọc M140A/B được đo bởi bộ PAH 103/PAL 103 và
PAH 104/ PAL 104.
+ Bộ lọc hoạt động bình thường khi áp suất của nó nhỏ hơn 0,1MPa. Khi áp suất
lớn hơn 0,1MPa thì bắt đầu quá trình tạo màng cho bộ lọc không vận hành để
chuẩn bị thay thế cho bộ lọc không vận hành.
− Bể chứa D150
X101 là bể thu hồi : nước muối từ M140A/B, từ tháp trao đổi Ion T160A/B, khí
nén. Nước muối ra khỏi bộ lọc M140A/B sẽ được đưa tới bể D150 và mức nước muối
trong đó được đo bởi bộ LIA-104. Mức của nó thường được khống chế khoảng 50%
b. Quá trình trao đổi Ion:
Ion Canxi và Magiê hoặc các Cation khác trọng nước muối là rất có hại đối với
màng trong quá trình điện giải. Nhìn chung các Cation này có thể được di chuyển tới
một vài khu vực bởi xử lý hoá chất và quá trình lắng đọng trong tinh chế muối sơ bộ.

12


Để quá trình điện phân diễn ra ổn định thì nước muối cần được tinh chế lần 2 bởi
các cột trao đổi Ion.
Kích thước của cột trao đổi Ion như sau:
Đường kính :

2200mm

Chiều cao :

2500mm

Lượng nhựa :

4000 lit

Chiều cao vành đỡ nhựa:

105cm

Các đặc tính chính của khu vực hạt nhựa như sau:
Hình dạng :

Hình khối cầu

Trọng lượng riêng :

Xấp xỉ 1,12 (dạng Na)

Tỉ trọng tương đối:

700 - 800 g/l

Kích thước ảnh hưởng:

0,45 – 0,6 mm

Tổng số khả năng trao đổi Ion:

1,26 eq/l - nhựa (Na)

Lượng bị vỡ :

0,5 eq/l - nhựa

Nhiệt độ vận hành:

50- 650ºC

Dải PH vận hành:

9 -12

Hạt nhựa sử dụng trong cột cho tinh chế nước muối lần 2 là ion Na của
SUNPEARL-SC-410 được thay thế với Ion kim loại, đặc biệt là với các cation phức
hợp, sự phù hợp với phương trình sau:

(RCH 2 NHCH 2 PO 3 Na )2 Na 2 + Ca 2 +

→ (RCH 2 NHCH 2 PO 3 Na )2 Ca + 2Na +

Sự dễ dàng quan hệ để thay thế của SUNPEARL –SC-401 cho nhiều Ion kim loại
là tương tự như đối với EDTA:
Cu 2 + ,Po 2 + >Zn 2 + >Ca 2 + ,Cd 2 + >Mg 2 + ,Ni 2 + >Sr 2 + >Ba 2 + >Na +
Sau đó hạt nhựa có thể được tái sinh với Axit HCl và NaOH, như thế hạt nhựa lại
trở lại dạng chất rắn dễ hấp thụ.
Thường thì hạt nhựa được đo dưới điều kiện của “Back Wash Settle” với nước đã
khử khoáng. Thông thường thì lượng hạt nhựa co lại khoảng 10-12%, so với lượng
thường đo lực nén bởi nước (được chảy xuống) và hấp thụ Cation phức hợp.

13


Trong một dạng khác là mối quan hệ giữa lượng hạt nhựa trong dạng Na thì bằng
khoảng 1,2 -1,4 thời gian nó trong dạng H. Điều này có nghĩa là hạt nhựa to lên trong
quá trình tái sinh bởi xút.
Trong quá trình xử lý hạt nhựa với Axit, một lượng dư HCl được yêu cầu để đảm
bảo chắc chắn cho phản ứng tái sinh xảy ra. Tỷ lệ giữa HCl được sử dụng và hệ số tỷ
lệ được yêu cầu trên thực tế là 2-3.
Để kiểm tra sự không đầy đủ qua trình tái sinh, Axit và kiểm trong chất lỏng thải được
đo tại thời điểm ổn định sau quá trình khở động bước tái sinh.
Trong hệ thống tinh chế nước muối lần 2 của nhà máy hóa chất ta nghiên cứu có
3 cột trao đổi ion T-160A/B/C. Hai cái chạy liên tục và cái thứ 3 thì dừng để tái sinh.
Sau 24 giờ cột sơ bộ (ban đầu) được dừng để tái sinh hạt nhựa, cột thứ hai được nâng
cấp thành cột ban đầu và cột đã tái sinh xong được chạy thành cột thứ hai.
Cột trao đổi ion dùng để loại bỏ các ion Mg2+, Ca2+ và các ion khác trong nước
muối vì chúng rất có hại đối với màng trong quá trình điện giải.
Công đoạn tinh chế nước muối lần 2 bao gồm cả việc khử clo trong nước muối.
Để tiến hành công việc này thì trong dây chuyền dùng bể D320 chứa Na 2SO 3 với
máy khuấy A322
Cụ thể quá trình khử ion diễn ra tuần tự trên hệ thống như sau:
− Bể D141
+ Một phần nước muối từ bể D150 được bơm P154A/B đưa tới bể D141 rồi từ bể
này nước muối được bơm P141 bơm quay trở lại cho bộ lọc M140A/B (để vệ
sinh bộ lọc) và D120, D130.
+ Mức trong bể D141 được đo bởi LIA-103 ( Khoảng 70% ).
+ Một lượng Natri Sunfít được bơm P324A/B bơm tới đầu ra của bể D150 để khử
Clo trong nước muối. Sau đó được bơm P154A/B đưa tới bộ gia nhiệt E-142 để
tăng nhiệt độ nước muối lên cỡ 60 đến 650C.
+ Nhiệt độ được đo ,điề khiển và chỉ thị bởi bộ cảnh báo,điều khiển và hiển thị

nhiệt độ TICA 101.

14


+ Nước muối đã gia nhiệt ( để kích thích quá trình trao đổi Ion ) được bơm P154
đưa tới tháp trao đổi ion T160A/B để lọc các ion như Ca2+,Ba2+ ,Mg2+ ,… Gây
hư hại cho màng điện phân.
− Tháp trao đổi ion T160A/B
+ Trong tháp T160A/B có hạt nhựa SUNPEARL-SC-401
(RCH2NHCH2PO3Na)2 Na2 + Ca2+ → (RCH2NHCH2PO3Na)2 Ca + 2Na+
+ Các ion khác như: Mg2+, Fe2+… cũng có phản ứng tương tự như trên làm tăng

được hàm lượng ion Na+.
+ Nước tinh khiết được bơm P434 đưa vào T160A/B.
+ HCl và NaOH 32% được bơm P402A/B, P274A/B đưa vào T160A/B để tái

sinh hạt nhựa:
Đầu tiên là phản ứng với HCl
(RCH2NHCH2PO3Na)2 Ca2 + 4 HCl → 2(RCH2NHCH2PO3H2) + CaCl2 + 2NaCl

Sau đó tiếp tục được tái sinh bằng NaOH
2(RCH2NHCH2PO3H2)+4NaOH → 2(RCH2NHCH2PO3Na2)+4H2O
2(RCH2NHCH2PO3Na2) → (RCH2NHCH2PO3Na)2Na2
− Sự tái sinh cho cột trao đổi ion
Sự tái sinh cho một cột trao đổi ion được thực hiện sau mỗi 48 giờ vận hành.
Bảng 1.1. Các yêu cầu với việc tái sinh
Số bước

Tên bước

Thời gian yêu cầu Các hóa chất cấp

Lưu lượng

1 giờ

Nước tinh khiết

11m3/giờ

Bước 2 Rửa ngược thông thường

0,5 giờ

Nước tinh khiết

17m3/giờ

Bước 3 Tái sinh với HCl

0,75 giờ

+ Nước tinh khiết

6,6m3/giờ

+ HCl 31%

1,7m3/giờ

Nước tinh khiết

9,5m3/giờ

Bước 1 Rửa lần 1

Bước 4 Rửa lần 2

2 giờ

Bước 5 Tái sinh với NaOH

1,5 giờ

3
+ Nước tinh khiết 7,5m /giờ

+ NaOH 32%

790m3l/giờ

Bước6 Rửa lần 3

1 giờ

Nước tinh khiết

9,5m3/giờ

Bước 7 Điền đầy nước muối

3 giờ

Nước muối

4,8m3/ giờ

Tổng:

9,75 giờ
15


+ Lưu lượng nước đi vào cột trao đổi được đo bởi bộ chuyển đổi và chỉ thị FIT301
sau đó được điểu khiển bởi bộ cảnh báo .điểu khiển và chỉ thị FICA301 thông
qua van FV301.
+ Lưu lượng NaOH đi vào được đo và hiển thị bởi bộ hiển thị và cảnh báo mức
thấp FIA303
+ Lưu lượng dd Axit HCl được đo và hiển thị bởi bộ hiển thị và cảnh báo mức thấp
FIA 303
+ Nước thải đi ra từ T160A/B được đưa tới bể nước thải X166. Mức của X166
được đo bởi LISA303
+ Z-164 là bể lọc các hại nhựa ra khỏi nước muối và nước khủ khoáng.Sau đó nước
muối sẽ được đưa tới bể nước muối thu hồiX101.
Nước muối qua T160A/B là đã đạt các tiêu chuẩn của quá trình tinh chế lần 2 rồi
nó được đưa tới bể D170 để tiến hành điện phân màng trao đổi ion. Để điểu khiển mức
của bể D170 người ta dung bộ điều khiển cảnh báo ,điều khiển và chỉ thị mức LICA
170 điều khiển thồng qua van LV170 được đặt ở đầu vào của các cột trao đổi Ion.
Kết thúc công đoạn tinh chế nước muối lần 2.

1.2.4 Công đoạn điện phân:
a.

Cấu tạo thùng điện phân:
Sử dụng công nghệ điện phân màng ion, dùng thùng điện phân ACILYZER –

ML kiểu cực kép do công ty ASAHIKASEI của Nhật Bản chế tạo. Đây là loại thùng
điện phân đời mới nhất, nó là loại thùng điện phân kiểu cực kép tiên tiến cho nên nó
giảm được tiêu hao khi vận hành ở mật độ dòng điện lớn, thao tác ổn định, thời gian sử
dụng lâu dài.
+ Mật độ dòng điện thiết kế cho thùng điện phân là: 6 kA/m2.
+ Mật độ dòng điện khi vận hành là: 1,5 – 4,92 kA/m2.
+ Đường ống chính của cực dương thùng điện phân làm bằng Titan.
+ Đường ống chính của cực âm thùng điện phân làm bằng Niken.
Thùng điện phân bao gồm:
+ 52 lưỡng cực, một cơ cấu đầu Anốt và một cơ cấu đầu Catốt. Cơ cấu lưỡng
cực được ngăn bởi tấm thép liền, chia nó thành 2 phần, một phần là ngăn
16


Anốt và một phần là ngăn Catốt. Bề mặt trong của ngăn Anốt được lót máng
Titan để chống clo hoá và bề mặt trong của ngăn Catốt được lót một máng
Niken để chống ăn mòn hoá với nồng độ và nhiệt độ cao. Các gân cho phần
anốt được làm bằng titan và catốt bằng niken. Mỗi ngăn có 2 vòi, vòi vào và
ra của dịch và một buồng để tách khí tại đỉnh mỗi ngăn.
+ 53 tấm màng trao đổi ion được giữ bởi lực ép thuỷ lực.

Hình 1.4 Cấu tạo thùng điện phân R230.
+ Các ống phân phối phụ để cấp dịch Anốt và Catốt.
+ Hệ thống 53 x 4 ống mềm để nối các ngăn với các ống góp và phân phối.

+ Các dây cáp điện được đấu nối tới các cơ cấu đầu lắp tại hai ngăn đầu và cuối
của thùng điện phân. Dòng điện cung cấp được điều chỉnh từ phòng điều
khiển. Dịch Anốt và Catốt được cấp tới thùng điện phân để bắt đầu quá trình
điện phân.
+ Để quan sát các mức của chất lỏng trong ngăn Anôt và Catốt trong suốt các
bước chuẩn bị để khởi động, sử dụng các ống trong suốt được lắp đặt cho cả
17


hai ngăn. Mức khác nhau này phải được giữ trong một dải nhất định để tránh
làm hỏng tấm cực và màng.
+ Khi thùng điện phân bị tháo dỡ hay không sử dụng hoặc dừng trong thời gian
quá 4 giờ thì cả khoang Anôt và Catốt phải tháo hết dịch điện giải ra khỏi
thùng điện phân. Trước ki tháo bỏ chất điện giải thì khí clo và hiđrô phải được
làm sạch bằng cách dùng nước muối và xút sạch cho riêng từng phần.
+ Khí clo được làm sạch và đưa tới bộ phận hấp thụ khí clo, khí Hiđrô được làm
sạch và đưa tới bộ phận ống thông hơi bằng khí nitơ.
+ Phần còn lại trong ngăn Anốt và Catốt được thổi xuống các bể dịch Anốt và
Catốt cho riêng mỗi phần. Bên trong thùng điện phân phải được rửa sạch bằng
nước đã khử khoáng sau khi tháo dịch điện giải. Sau khi thùng điện phân
được rửa sạch thì nước ở trong ngăn Anốt và Catốt phải được tháo sạch để
tránh phát sinh các vết phồng rộp trên màng.
+ Khi thùng điện phân được khởi động thì các ngăn Anồt và Catốt, ống phân
phối phải được điền đầy với nước muối tinh chế và xút cho riêng từng phần.

Hình 1.5 Mặt cắt phía trong của ngăn thùng điện phân.
18


b. Chế độ kỹ thuật của thùng điện phân R230:

* Dòng điện một chiều:
- Max: 11,66KA
- Báo động : 12,15KA
- Mất điện thùng điện phân: 12,7 KA
* Điện áp chênh lệch giữa phần dương và âm EDIZA-230
- Bình thường: 0V
- Cao: 0,5 V
- Thấp: -0,5V
- Mất điện thùng điện phân: ± 1 V
* Sự chênh lệch áp suất:
* PDISA 200: bình thường: 4kPa
* Điện áp Max: U = 190V
* Nhiệt độ nước muối sau E142: T = 45 ± 60 0C
c. Yêu cầu của sản phẩm đầu ra (NaOH, Cl2, H2):
* NaOH ( lấy ngoài thùng điện phân làm chuẩn):
NaOH

32 ± 1 %

Na2CO3

≤ 0,04 %

NaCl

≤ 0,04 %

Fe2CO3

≤ 0,03 %

* Cl2
Cl2

≥ 98 – 99 %

O2

≤ 0,5 – 1,5 %

H2

≤ 0,2 %

Nhiệt độ

80 – 90 0C

Áp suất

-30 ± 10 mm H2O

* H2
H2

≥ 99 %

Nhiệt độ

80 – 90 0C

Áp suất

270 ± 10 mm H2O
19


d. Công đoạn xử lý các sản phẩm điện phân:
Các sản phẩm sau khi điện phân gồm có: NaOH 32% ,Cl2 , H2.
Khí clo sau khi điện phân 1 phần sẽ được dùng để cùng với H2 đi vảo lò đốt
tổng hợp tạo lên axit HCl.Sau đó HCl sẽ pha với nước với tỉ lệ nhất định tạo ra dung
dich HCl và chứa vào kho chứa sau đó sẽ được bán phuc vự cho các ngành sản xuất
khác. Phần còn lại của khí Clo sẽ được làm lạnh sau đó sấy khô ,nén hóa lỏng ,cho
vào kho chứa chuẩn bị để đưa sang nhà máy giấy phục vụ cho quá trình tẩy trắng bột.
1 phần của Clo trong công đoạn này được sử dụng cho quá trình tổng hợp nước javen.
Sản phẩm NaOH 32% một phần sẽ được cho vào kho chứa và đem bán phục vụ
cho các ngành sản xuất khác .Phần còn lại sẽ được pha trộn để tạo ra NaOH 10% để
tạo ra nước javen và đưa sang nhà máy giấy phục vụ quá trình tẩy trắng bột.

20


1.3. Quá trình điện phân
1.3.1. Quá trình hóa học
− Các phản ứng hoá học chính:
Trong quá trình điện phân màng trao đổi Ion để sản xuất sút, các màng trao đổi
Cation qua lại được lắp đặt giữa 2 điện cực Catốt và Anốt. Sự điện giải được thực hiện
trong khi nước muối tuần hoàn trong phần Anốt và sút tuần hoàn trong phần Catốt. Clo
được tạo ra trong phần Anốt, H2 và sút được tạo ra trong phần Catốt theo phản ứng sau:

1
Cl2 + e2
1
H2O + e=>
H2 + OH2
1
1
NaCl + H2O => NaOH + Cl2 + H2
2
2
Cl-

Anốt:
Catốt:
Tổng quát:

=>

Cl2

H2

_

+

H

Cl

+

Na

NaCl

dd NaOH 32%

Hình 1.6 Hiện tượng xảy ra trong ngăn thùng điện phân
NaCl được Ion hoá thành Na+ và Cl-. Ion Cl- nạp điện tích và được giải phóng tại
cực Anốt để biến thành thể khí Clo. Trong lúc đó, các Ion Na+ được truyền qua màng
trao đổi Ion trong ngăn Catốt. Trong phần Catốt, nước chuyển thành khí H2 và Ion OHSút được tạo bởi phản ứng giữa Na+ và OH-, phản ứng chính ở trên về bản chất hoàn
toàn tương tự như một quá trình màng ngăn thông thường. Nhưng trong quá trình điện
phân màng này, sút nguyên chất có thể đạt được do việc tách của dịch điện giải và sự
thấm qua màng một cách có lựa chọn của các Ion Na+.
21


− Sự thấm qua màng có lựa chọn của Ion Na+:
Ion Na+ trong phần Anốt qua được màng tới Catốt bởi lực hút của chúng tới
màng. Khi Ion Cl- và OH- nạp các điện tích âm giống nhau và di chuyển tới màng,
chúng bị đẩy lui và không đi qua màng được.

Hình 1.7 Sự thẩm thấu qua màng có lựa chọn của ion
− Sự di chuyển của nước qua màng:
Với sức căng của lực hút tĩnh điện qua màng thì không chỉ các Cation mà còn
có lượng nước di chuyển qua màng từ ngăn Anốt sang ngăn Catốt. Mặc dù lượng nước
chuyển qua dựa vào màng và các điều kiện điện giải, nhưng nó được ước lượng vào
khoảng 1,655 m3/giờ tại dòng phụ tải là 11,66KA. Tỷ lệ phân ly của NaCl không thể
tính toán một cách đơn giản dựa trên nồng độ NaCl trong nước muối cung cấp và phần

trở lại Anốt.
− Sự kết tủa các Hydrô xít kim loại:
Trong quá trình điện giải, một số lượng Ion OH- có thể tồn tại ở màng vì số
truyền qua của Ion Na+ trong màng là không phải tuyệt đối là 1.0. Nếu ở đó có các
Cation kim loại như Ca++, Mg++, Fe++, Al3+, Ni++ ở dịch Anốt, chúng sẽ kết tủa ở trên
hoặc trong màng dưới dạng Hydrôxit nó gây sự tăng điện áp vận hành và làm giảm
hiệu suất dòng điện. Chính vì vậy cần thiết phải loại bỏ các Cation kim loại này và giữ
phía dịch Anốt không có các Cation này tại mọi thời điểm.
22


1.3.2. Công đoạn điện phân trong nhà máy

Hình 1.8 Mô tả quá trình điện phân
Phía Anot
Đầu vào
Nước muối được tinh chế sẽ được đưa đến đầu vào ống phân phối phụ của thùng
điện phân qua ống phân phối chính từ bể cao vị D170.Nước muối được cung cấp đến
ngăn Anote thông qua các ống dẫn được nối từ ống phân phối phụ tới tất cả các ngăn
thùng điện phân.
Lưu lượng của nước muối tinh chế được điều khiển bởi bộ điều khiển FISCA
231 dự vào giá trị dòng điện một chiều được cung cấp cho thùng điện phân (IISA230)
được lắp cho thùng điện phân.
Bên Cạnh đó thì một lượng dd HCl cũng được đưa vào từ thùng chứa HCl .Có
tác dụng duy trì độ axít của dịch Anot ổn định. Lưu lượng HCl được điểu khiển bởi bộ

23


điều khiển và hiển thị, cảnh báo FICA 211 dự trên trị số dòng điện có được ở bộ cảnh

báo và hiển thị dòng điện IISA 230
Trong khi điện giải, thì Anion OH - di chuyển từ ngăn Catốt sang ngăn Anốt qua
màng ngăn. Nước muối tinh chế sau khi được điện phân trong ngăn Anốt thì khí Clo
được sinh ra và nồng độ NaCl giảm xuống.
Đầu ra
Hỗn hợp giữa khí Clo và nước muối loãng đi ra ngoài qua các ống dẫn chuyển tới
ống góp phụ đi tới tháp tách sơ bộ. Hỗn hợp này được tách thành khí và dung dịch.
Khí Clo đã tách được thu vào trong ống góp chính và đưa tới đỉnh của bể D260.
Áp suất khí Clo được bởi bộ hiển thị và cảnh báo áp suất PIA217 và sau đó được đưa
tới bể chứa Clo. Áp suất Clo dược điều chỉnh bởi bộ điều khiển áp suất PICSA 216 và
được ghi nhận bởi bộ PR216.
Nước muối loãng được tháo ra từ bể D260 và đưa tới bộ phận xử lý nước muối
loãng nhờ bơm nước muối loãng P-264A/B. Một phần nước muối loãng được đưa vào
ống góp chính để bảo vệ ống Titan và lưu lượng này được điều khiển bởi bộ điều
khiển FICA 265.
Mức của bể D260 được đo bởi LT260 và được điều khiển bởi bộ LICSA 260
thông qua van nước muối loãng LV260.
Phía Catốt
Đầu vào
Dịch Catốt được cấp vào ống phân phối của thùng điện phân qua ống phân phối
chính từ bể cao vị D - 273.
Dịch Catốt được cấp tới các ngăn Catốt qua các ống dẫn, các ống dẫn này nối với
ống phân phối phụ với mỗi ngăn thùng điện phân.
Dung dịch NaOH đưa vào là NaOH 31% và được hiển thị bởi bộ FI232 ở hiện
trường. Tại phòng điều khiển nó được hiển thị và cảnh báo lưu lượng FISA 232.
Đầu ra
Khí H2 và sút được tạo ra bởi quá trình điện giải ở trong các ngăn Catốt hỗn hợp
khí H2 và sút đi ra từ các ngăn qua các ống dẫn và vào trong tháp tách sơ bộ ở đó hỗn
hợp được tách thành khí và dung dịch. Chất lỏng được đưa đến bể dịch Catốt D270.
24

Khí H2 đã tách trong ống góp phụ, được thu vào ống góp chính và đưa tới bộ lọc
mù ở đỉnh bể D270. Áp suất được đo bởi bộ PISA 227. Và được điều khiển bởi bộ
điều khiển áp xuất PICSA226. Áp suất này được ghi lại bằng PR206.
Áp suất Hidro được điều khiển khiển dựa trên độ lệch với áp suất khí Clo thông
qua van điều khiển PV226 và đưa tới bộ phận xử lý khí.
Sau khi từ thùng điện phân NaOH 32% lúc này được đưa đến bể chứa D270. Sau
đó được bơm Xút P-274A/B bơm trở lại bể cao vị D273. Một phần của xút được đưa
tới bể thành phẩm.
Mức của bể cao vị D273 được đo bởi LIT273 và được điều khiển bởi LICA273
thông qua van LV273. Trước khi vào bể D273,xút được làm lạnh bớt bởi bộ làm lạnh
E273 với sự điểu khiển nhiệt độ của bộ điều khiển TICA273 thông qua van TV237.
Trước khi quay trở lại thùng điện phân xút được hòa cùng với 1 lượng nước tinh
khiết được điều khiển bởi bộ điều khiển lưu lượng FICA221 dựa trên trị số của bộ
IISA 230. Để sao cho có được Nồng độ NaOH phù hợp (NaOH 31%).
Mức của bể chứa D270 được điều khiển bởi bộ điều khiển mức LICA270 thông
qua van LV270 đưa NaOH về bể thành phầm.
NaOH trong quá trình tới bể thành phẩm sẽ qua bộ làm lạnh E274 để làm
lạnh.Nhiệt độ hiển thị bởi bộ TI 274
− Mô tả công đoạn khử clo trong nước muối loãng:
Trong nước muối loãng đưa từ xưởng điện phân, có khoảng 700 đến 800mg/l khí
Clo được hoà tan, nếu lượng khí này không được loại bỏ trong bộ phận khử Clo, thì
khí Clo gây ra vấn đề ô nhiễm không khí trong quá trình tinh chế muối lần 1 và tăng
lượng tổn hao của Sunfít Natri sử dụng cho sự khử Clo, chất Alpha - Xenlulô, nguyên
tố lọc trong bộ lọc nước muối và nhựa thông trong các cột trao đổi Ion cũng bị phá huỷ
bởi khí Clo hoà tan. Do đó, khí Clo hoà tan nếu được loại bỏ và được khử trong bộ
phận này.
Nước muối loãng từ xưởng điện phân được đưa tới đỉnh của tháp khử Clo (T310) với Axít HCl.
Sở dĩ phải cho HCl là do khi vận hành bộ khử Clo thì sự lưu ý cẩn thận nhất nên

được quan tâm đối với độ Axít của nước muối đã cấp tới tháp khử Clo.
25