СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА АНОДАХ РТУТНЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ХЛОРА И КАУСТИЧЕСКОЙ СОДЫ Российский патент 2003 года по МПК C25B1/36 C25B15/04 

Изобретение относится к способам автоматического регулирования технологических процессов (ТП) и может быть использовано в производстве хлора и каустической соды, получаемых ртутным методом, в электролизерах с твердыми анодами и жидким катодом, имеющих механизмы подъема/опускания единичных или группы анодов, объединенных рамой, или всех анодов, объединенных крышкой.

Вопросы автоматизации производства хлора и каустической соды ртутным методом широко освещены в литературе (см. Огородник А.В. Автоматизация производства хлора и каустической соды, получаемых ртутным методом. - Киев: Техника, 1970 /1/; Огородник А.В. Автоматическое управление электрохимическими производствами. - Киев: Техника, 1974 /2/; Ломакин И.Л. и др. Автоматизация хлорных производств.- М.: Химия, 1967 /3/; Ломакин И. Л. и др. Автоматизация хлорных производств, изд. 2-ое.- М.: Химия, 1970 /4/), в которой показано, что главной задачей управления ТП является достижение максимальной производительности процесса при минимальных затратах электроэнергии и других видов сырья и материалов. Производительность ТП электролиза характеризуется амперной нагрузкой и величиной выхода по току. Максимальная производительность достигается тогда, когда нагрузка постоянно поддерживается на максимально допустимом уровне (определяемом конструкцией электролизера), а потери тока минимальны.

Минимальные удельные затраты электроэнергии (на 1 т хлора или каустической соды) обеспечиваются в основном регулированием межэлектродного расстояния (МЭР) так, чтобы напряжение на электролизере было минимальным /3, с. 148/.

Потери тока, связанные с уменьшением выхода по току, определяют необходимость поддержания оптимальных значений температуры и состава электролита, которые вследствие изменения электропроводности электролита влияют и на величину напряжения на анодах электролизера.

В условиях промышленного процесса имеет место разброс указанных параметров по электролизерам цеха, что требует оперативной корректировки напряжения на каждом электролизере. Кроме этого, по различным причинам происходит изменение задания системе регулирования, автоматически поддерживающей токовую нагрузку на зал электролиза, что также требует корректировки напряжения на каждом электролизере.

Еще одной причиной, требующей корректировки напряжения на каждой группе анодов электролизера, является изменение в процессе промышленной эксплуатации свойств анодов, связанных с их разрушением (особенно для графитовых) или с изменением свойств покрытия (для металлоокисных).

В литературе /2, с.58/ показано, что поддержание минимально допустимого межэлектродного расстояния обеспечивает не только высокий выход по энергии за счет снижения напряжения на электролизере, но также благоприятно сказывается на выходе по току за счет снижения температуры анолита.

Контроль напряжения на электролизерах современных заводов производится дистанционно, из щитового помещения. Контролируемый электролизер подключается к измерительному прибору (вольтметру) вручную, переключателем или автоматически при помощи обегающего устройства.

Ручное регулирование напряжения на электролизерах является весьма сложной и трудоемкой операцией и не может обеспечить значительное снижение энергозатрат из-за его неоперативности.

В системах автоматического регулирования, использующих в качестве переменной измеренные на электролизере или на группе анодов (раме) значения напряжения, его изменение на одном электролизере (или на одной группе анодов) вызывает изменения значений напряжения на соседних ваннах (или группах анодов) и, кроме того, измеряемая величина напряжения зависит от установленной величины токовой нагрузки и от параметров ТП электролиза (температуры электролита, состава питающего рассола и т.п.).

Этих недостатков лишены системы регулирования межэлектродного расстояния (МЭР), так как изменение МЭР для одного электролизера (одной группы анодов) не сказывается на МЭР соседних электролизеров или групп анодов и не зависит ни от токовой нагрузки, ни от параметров ТП электролиза.

Начальное расстояние (между анодами и днищем ванны) устанавливается в процессе сборки ванны. Как правило, операции индивидуального регулирования МЭР осуществляют вручную, с помощью специальных приспособлений. Однако фактическое МЭР между поверхностью анодов одного электролизера (или одной группы) и жидким катодом в процессе электролиза в настоящее время не измеряется. Поэтому использование в качестве переменной регулирования непосредственно межэлектродного расстояния невозможно.

В качестве косвенных параметров, характеризующих текущее состояние МЭР, могут использоваться величина тока, проходящего через анод или группу анодов, и напряжение на данных аноде/группе анодов.

Вопросы регулирования напряжения достаточно подробно освещены в литературе /1, с.81/.

Известны способы автоматического регулирования напряжения, основанные на способе группового перемещения анодов с помощью общего привода в зависимости от измеренной величины напряжения на электролизере /2, с.12/. При этом не учитывается особенности отдельных анодов (их износ, повреждения покрытия и т. п.) и зависимость напряжения от параметров ТП электролиза, что приводит к необходимости периодической ручной подрегулировки положения анодов.

Известен также способ автоматического регулирования напряжения непосредственно по межэлектродному расстоянию /2, с.83/, который заключается в том, что через отверстие в крышке электролизера между двумя соседними анодами пропускают стержень с дистанционным наконечником, который служит упором при опускании анодов.

Такой способ регулирования с принудительным опусканием анодов в ограничивающее устройство с точки зрения аппаратурного оформления является неприемлемым для использования в автоматических системах.

Одним из известных способов автоматического регулирования МЭР является так называемый способ "касания" (2, с.85 и с. 103).

Способ основан на определении при перемещении на зашунтированном электролизере момента касания анода (группы анодов) жидкого ртутного катода, с последующим подъемом группы анодов в течение заданного времени (в качестве задатчика используется реле времени) на заданное расстояние.

После окончания цикла установки анодов регулирующее устройство отключается, и электролизер включается в эксплуатацию. При необходимости цикл повторяется с заданной периодичностью.

Основным недостатком этого способа является его сложность в технической реализации, периодичность работы, связанная с потерей производительности ванны и то, что при регулировании межэлектродного состояния никак не учитываются текущие изменения режима электролиза (колебания токовой нагрузки, состава и температуры электролита в электролизере и т.п.).

Известен /2, с.85/ также способ определения МЭР путем опускания анодов до замыкания под нагрузкой с последующим быстрым подъемом на заданную величину. Этот способ является взрывоопасным и, кроме того, также не учитывает текущий режим ТП электролиза.

Недостатком известных способов является также то, что после подъема анодных комплектов сложно определить анод, соприкасавшийся с катодом, что при нескольких циклах может привести к разрушению его окисно-рутениевого покрытия.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ автоматического выравнивания токов по группам анодов с последующим регулированием напряжения изменением межэлектродного расстояния /2, с. 101/.

При этом способе измеренные на группах анодов (секциях) электролизера значения токовой нагрузки последовательно через переключатель подаются на измерительный прибор, трехпозиционный программный регулятор и через релейный блок усилителей на групповые исполнительные механизмы (ИМ). В случае отклонения тока на данной группе анодов ИМ путем подъема/опускания соответствующей группы анодов обеспечивают требуемую величину тока, после чего система переходит к регулированию тока на следующей группе анодов.

Использование в качестве переменной регулирования измеренной величины тока и программного регулятора приводит к тому, что процесс регулирования посекционного выравнивания токов является циклическим. По результатам испытаний опытного образца для выравнивания токов оказалось достаточно трех циклов работы программного регулятора, однако границы сходимости процесса зависят от колебаний уровня катода, вызванных, например, работой ртутного насоса.

После выравнивания токов по всем анодным группам регулирующее устройство одновременно опускает все секции, в результате чего на электролизере достигается заданное напряжение.

Основным недостатком этого способа, как указано самим автором, является то, что программным заданием величины регулируемого тока не учитывается фактическое состояние анодов и таких параметров технологического процесса электролиза, как температура и состав электролита в ванне, в результате чего не представляется возможным задать точно уставку регулятора по напряжению, что, в свою очередь, не позволяет обеспечить максимальную эффективность процесса.

Задачей данного изобретения является минимизация потерь электроэнергии при получении хлора и каустической соды ртутным методом.

Технический результат выражается в возможности регулирования напряжения на анодах ртутных электролизеров, увеличении пробега анодов за счет предотвращения перегрузок по отдельным анодным линиями и предотвращения коротких замыканий в электролизере.

Вышеуказанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе регулирования напряжения на группах анодов ртутного электролизера технологического процесса получения хлора и каустической соды, имеющих механизм подъема и опускания этих групп анодов, путем изменения межэлектродного расстояния между анодами и катодом, в качестве регулируемой величины используют значение эквивалентного сопротивления электролита, рассчитываемое по измеренным на каждой группе анодов значениям напряжения и тока, а заданное значение минимально допустимого эквивалентного сопротивления рассчитывают по фактически заданной величине токовой нагрузки через указанные группы анодов каждого электролизера с поправками по температуре и концентрации хлорида натрия в рассоле, подаваемом в электролизер, и температуре электролита в этом электролизере с обеспечением равномерного распределения тока по группам анодов.

1. В качестве регулируемой переменной в автоматической системе регулирования (АСР) напряжения на группах электродов используется величина эквивалентного сопротивления электролита между анодами (группой анодов). Эта величина не зависит от текущей токовой нагрузки на электролизер и определяется непосредственно МЭР и электропроводностью электролита между данной группой анодов и катодом.

В свою очередь электропроводность электролита между анодом (группой анодов) и общим катодом зависит от местной (средней) его температуры и его состава, т.е. от технологического режима электролиза, который в определенной мере может поддерживаться автоматически /1, 2, 3, 4/. В частности, состав электролита, в основном, определяется концентрацией NaCl в рассоле, обеспечиваемой на стадии его приготовления и подготовки.

Таким образом, АСР напряжения отдельных групп анодов, использующие в качестве переменной регулирования величину эквивалентного сопротивления электролита этих групп анодов, не оказывают влияния друг на друга.

2. Реальные значения сопротивления электролита, рассчитанные по измеренным значениям напряжения на группе анодов и токовой нагрузки через эту группу анодов, изменения которых вызваны, в частности, колебаниями температуры электролита и состава питающего рассола, сравниваются в регуляторе с его уставкой (задаваемая величина эквивалентного сопротивления), величина которой рассчитывается в соответствии с текущими измеренными значениями температуры электролита и концентрации хлорида натрия в питающем рассоле. Тем самым обеспечивается регулирование непосредственно межэлектродного расстояния между группой анодов и катодом.

3. Задаваемые в качестве уставок оптимальные величины напряжения для конкретных групп анодов ртутных электролизеров определяются их конструкцией, возрастом, состоянием покрытия, и, как уже указывалось выше, конкретными условиями ТП электролиза. Эти значения на основе расчетов или опыта эксплуатации могут быть заданы в виде таблиц для конкретного типа электролизеров и различных режимов ТП, а могут находиться непосредственно в процессе регулирования при пошаговом перемещении анодов.

4. Для предотвращения перегрузок по отдельным анодным линиями и предотвращения коротких замыканий в электролизере при реализации способа ведется постоянный контроль всех анодных токов и выравнивание тока по группам анодов при возникновении опасности перегруза (недопустимом отклонении тока на конкретной анодной линии от средней для электролизера величины).

При обнаружении такого отклонения в режиме регулирования при значениях оптимальных уставок, известных, например, по регламентным данным, регулятор выдаст импульс на подъем анодов (группы анодов) на один шаг и пересчитается величина задания с тем, чтобы поддерживать новое безопасное МЭР. При неизвестных значениях оптимальных уставок их начальная величина устанавливается из условий завышенных одинаковых значений сопротивления (МЭР) и регулирование ведется пошаговым одновременным опусканием групп анодов электролизера.

В этом случае при обнаружении отклонения какого-либо анодного тока выше допустимого предела регулятор выдает импульс на подъем всех анодов (группы анодов) на один шаг, процесс регулирования для группы анодов данного электролизера прекращается, а установившееся при этом напряжение (сопротивление МЭР) считается оптимальным.

Таким образом, предлагаемый способ регулирования позволяет избежать неравномерного износа анодов, обеспечить минимально допустимое или минимальное напряжение на группах анодов электролизера и избежать короткого замыкания между анодами и катодом, что увеличивает пробег электролизера.

Пример.

Функционциональная схема АСР ртутного электролизера, реализующих предложенный способ регулирования на примере электролизера ДМ 30М2 с номинальной токовой нагрузкой 400 кА, приведена на чертеже.

Электролизер имеет 60 окисно-рутениевых анодов 1, последовательно-параллельно соединенных по 15 штук в 4 группы. Каждая группа анодов объединена рамой 2, ток к рамам подводится по 5-ти анодным линиям, каждая из которых запитывает 3 анода. Каждая рама имеет моторедуктор 3 для ее подъема/опускания (подъема/опускания анодов данной группы) относительно жидкого катода 4. Напряжение на каждой раме определяется суммарным током, протекающим по всем 5-ти анодным линиям, и общим эквивалентным сопротивлением между ее анодами и катодом.

Введем условные обозначения:
q - индекс анодной линии (от 1 до 5 на раме, от 1 до 20 на электролизере),
j - индекс рамы (от 1 до 4).

В общем случае суммарная токовая нагрузка на электролизер I_э должна распределяться по анодным линиям и рамам равномерно и средний ток по ним соответственно должен быть равен I_q=I_э/20, a I_j=I_э/4. При этом напряжение на рамах также должно быть одинаково, как и межэлектродное расстояние между анодами рамы и катодом.

Однако по рассмотренным выше причинам в промышленных условиях наблюдается неравномерное распределение токов по рамам, что приводит к необходимости поддерживать увеличенные значения напряжения на рамах (что увеличивает расход электроэнергии) и уменьшает ресурс работы электролизера.

При использовании предлагаемого способа по измеренным значениям тока на анодных линиях каждой из 4-х рам электролизера (I_jq) для j-ой рамы в вычислительном блоке 1 рассчитывается текущее значение суммарного тока через эту раму - I_sj

По измеренным значениям напряжения на j-ой рамы (U_j), суммарного тока через эту раму (I_sj) в вычислительном блоке ВБ 2 рассчитывается текущее значение эквивалентного сопротивления межэлектродного расстояния данной группы анодов
R_j=1000•(U_j-3,15)/l_sj.

По измеренным значениям температуры рассола (Т_р) на зал электролиза и температуры анолита (Т_р) в электролизере в вычислительном блоке ВБ 3 рассчитывается значение средней температуры электролита в электролизере - Т_э:
Т_э=(Т_р+2•Т_а)/3.

С учетом средней температуры электролита (Т_э) и измеренных значений концентрации NaCl в рассоле (С_р) в вычислительном блоке 4 рассчитывается и вводится в регулятор как уставка заданное значение эквивалентного сопротивления электролита между анодами рамы и катодом
RZ_j=RZ₀+K_t•(Т_э-Т_э0)+К_с•(С_р-С_р0),
где К_t и К_с - соответственно корректирующие коэффициенты по температуре электролита и концентрации NaCl в рассоле,
RZ₀, T_э0 и С_р0 - соответственно начальные значения эквивалентного сопротивления, температуры электролита и значений концентрации.

Значения K_t и К_с определяются путем математической обработки значений напряжений, приведенных в технологическом регламенте и литературе.

Текущее (измеренное) и заданное значения эквивалентного сопротивления (R_j и RZ_j) подаются на вход регулятора, реализованного программно-микропроцессорным контроллером.

Учитывая, что в качестве исполнительных механизмов систем регулирования напряжения на анодах ртутных электролизеров используются реверсивные электродвигатели с постоянной скоростью, для реализации ПИД закона используется алгоритм импульсного регулирования, который с выходными устройством обеспечивает на выходе последовательность импульсов, управляющих ИМ.

Контролируемая величина заданного значения напряжения на j-той раме, соответствующая заданному значению RZ_j, при текущих Т_э и С_р и измеренной величине суммарного тока по анодным линиям этой рамы (I_sj) рассчитывается в ВБ 5, ВБ 6 как
UZ_j=RZ_j•I_sj//1000+3,15
Для электролизера с новыми анодами (с равномерным распределением токов по рамам) величина заданного значения напряжения на каждой из 4-х рам может определяться как
UZ_j=RZ_j•I_э/4/1000+3,15.

Изобретение относится к способам автоматического регулирования технологических процессов и может быть использовано в производстве хлора и каустической соды, получаемых ртутным методом, в электролизерах с твердыми анодами и жидким катодом, имеющих механизмы подъема и опускания групп анодов, объединенных рамой, или всех анодов, объединенных крышкой. Регулирование напряжения на группах анодов ртутного электролизера технологического процесса получения хлора и каустической соды, имеющих механизм подъема/опускания этих групп анодов, осуществляют путем изменения межэлектродного расстояния между анодами и катодом. В качестве регулируемой величины используют значение эквивалентного сопротивления электролита, рассчитываемое по измеренным на каждой группе анодов значениям напряжения и тока. Заданное значение минимально допустимого эквивалентного сопротивления рассчитывают по фактически заданной величине токовой нагрузки через указанные группы анодов каждого электролизера с поправками по температуре и концентрации хлорида натрия в рассоле, подаваемом в электролизер, и температуре электролита в этом электролизере с обеспечением равномерного распределения тока по группам анодов. Технический эффект - возможность регулирования напряжения на анодах ртутных электролизеров, увеличение пробега анодов за счет предотвращения перегрузок по отдельным анодным линиям и предотвращения коротких замыканий в электролизере. 1 ил.

Способ регулирования напряжения на группах анодов ртутного электролизера технологического процесса получения хлора и каустической соды, имеющих механизм подъема и опускания этих групп анодов, путем изменения межэлектродного расстояния между анодами и катодом, отличающийся тем, что в качестве регулируемой величины используют значение эквивалентного сопротивления электролита, рассчитываемое по измеренным на каждой группе анодов значениям напряжения и тока, а заданное значение минимально допустимого эквивалентного сопротивления рассчитывают по фактически заданной величине токовой нагрузки через указанные группы анодов каждого электролизера с поправками по температуре и концентрации хлорида натрия в рассоле, подаваемом в электролизер, и температуре электролита в этом электролизере с обеспечением равномерного распределения тока по группам анодов.